sidangtugas akhir bidang studi : desain studi pengaruh ... · konduktivitas dan tahanan listrik;...
TRANSCRIPT
Studi Pengaruh Diameter Kawat dan Susunan Kumparan Terhadap Voltase
Bangkitan pada mekanisme
Pemanen Energi Getaran
SidangTugas AkhirBidang Studi : Desain
Prisca PermatasariNRP. 2105 100 066
Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.
Dosen Pembimbing :
Disusun oleh :
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA
2010
Latar Belakang Masalah
Getaran mengalami gaya eksitasi yang dapat
dikonversi ke energi listrik
Sumber alternatif baru, yakni pemanen energi
dari mesin – mesin yang mengalami getaran.
Keterbatasan sumber Energi
Kebutuhan Energi meningkat
1
Perumusan masalah
Bagaimana Pengaruh diameter Kumparan dan
susunannya ( seri atau Pararel ) terhadap
Energi Listrik Bangkitan
Bagaimana perbandingan antara data Energi
listrik yang dibangkitkan secara Aktual dengan
hasil perhitungan
2
Batasan Masalah• Dalam penulisan tugas akhir ini penulis melakukan
beberapa batasan masalah :
• Frekuensi dan amplitudo pola gerak mekanisme dianggap harmonik dengan frekuensi konstan.
• Perubahan temperatur akibat gesekan magnet dengan dinding bagian dalam tabung diabaikan.
• Gerakan osilasi magnet terhadap koil hanya kearah vertikal.
• Alat pengukuran arus listrik yang dibangkitkan menggunakan digital osciloscope dalam keadaan normal.
• Jumlah lilitan kawat kumparan sebanyak 3000 lilitan
• Variabel ukur yang digunakan dalam perbandingan perubahan arus listrik yang dibangkitkan terhadap waktu secara aktual dengan hasil perhitungan adalah ω.
• Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengan roda pendorong
3
Tujuan Tugas Akhir
Menentukan susunan dan diameter kawat
kumparan yang efektif untuk voltase
bangkitan dari pengujian Mekanisme
Pemanen Energi Getaran dan perhitungan
voltase bangkitan secara teori.
• Menganalisa perbandingan antara voltase
yang terukur pada pengujian Mekanisme
Pemanen Energi Getaran dengan hasil
perhitungan voltase bangkitan secara teori.
4
Manfaat Tugas Akhir
Mengetahui susunan dan Diameter kawat kumparan yang efektif pada
Mekanisme Pemanen Energi Getaran sehingga dapat menghasilkan
energi listrik bangkitan yang lebih efektif.
Hasil tugas akhir ini bisa menjadi dasar pengembangan pada
Mekanisme Pemanen Energi Getaran dengan prinsip induksi
magnet.
Mengetahui perbandingan antara voltase yang terukur
pada pengujian mekanisme pemanen energi getaran
dengan hasil perhitungan voltase bangkitan secara
teori.
5
Kajian Pustaka
0 kxxm
Teori mekanika getaran
K
m
KC
m
6
F (t)
)(tfkxxcxm
Kajian pustakaTeori Elektromagnetik
Induksi Magnet
Jika displacement (posisi) sebuah massa magnetik berubah dengan
waktu dan massa tersebut bergerak didalam suatu kumparan, pada
ujung-ujung kumparan timbul beda potensial yang menyebabkan
timbulnya arus listrik pada kumparan.
Gambar magnet melalui sebuah kumparan7
Kajian Pustaka
Teori Elektromagnetik
X(t)
magnet
kumparandt
d
dt
dNe
Hukum faraday :
dt
ABdNe
.
fABNe ...vBind
8
Kajian Pustaka
L
INB 0
Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid
Rangkaian selenoid
9
. P
l
N
Pada gambar tersebut dapat mencari besar medan magnet pada titik
P sebesar :
Konduktivitas dan tahanan listrik; Hukum Ohm
• hukum Ohm, yang menyatakan bahwa “untuk suatu
konduktor logam pada suhu konstan, perbandingan
antara perbedaan potensial ΔV antara dua titik dari
konduktor dengan arus listrik I yang melalui konduktor
tersebut adalah konstan.”
• Jadi hukum Ohm bisa dinyatakan sebagai :
Kajian Pustaka
V VR atau I
I R
10
Kajian Pustaka
Teori Elektrik
1. Rangkaian seri
Arus yang melalui satu komponen dengan komponen lainnya
adalah sama.
R1 R2 RN
NP RRRR ...21
Nilai tahanan peganti untuk hubungan seri
11
Kajian Pustaka
2. Rangkaian Paralel
Rangkaian paralel adalah dua komponen atau lebih dihubungkan secara
paralel. Tegangan antara masing-masing komponen adalah sama.
Hubungan paralel berfungsi membagi arus.
Np RRRR
1...
111
21
R1 R2 RN
Nilai tahanan peganti untuk hubungan paralel
12
• Diagram alir tugas akhir secara
general
Pemodelan Matematis Perencanaan Pengujian
Pengujian Mekanisme
Studi Literatur
Penentuan Metode Pembangkitan Energi
Pengambilan Data
AB
Perhitungan voltase bangkitan
Pembuatan Mekanisme
Start
Komparasi voltase(V) bangkitan dari pengujian dengan hasil perhitungan
secara teori
Kesimpulan
Apakah (V)exp ≈ (V)teo ?
End
AB
tidak
ya
13
Flowchart Perhitungan
Apakah N =3000 ?
i = i + 1
Start
Menentukan nilai I , L , μ0 , l, X dan CPM
E=B l v
f = CPM / 60
v = 4X x f
Ni = N1
N1 = 1000 lilitan
N2 = 1500 lilitan
N3 = 3000 lilitan
End
L
INB 0
14
Diagram Alir Percobaan :Mulai
Persiapan
peralatan
Pasang Disk
ke motor DC
Sambungkan
motor DC ke power
suply
Nyalakan
Oscilosscope
Pasang mekanisme
pembangkit daya
Sambungkan probe
Osciloscope ke
mekanisme pembangkit
daya
nomor mekanisme
pembangkit daya + 1
A
B
15
A B
Nyalakan
Power suply
7.5 volt
Ambil Data
stroboscope
Ambil Data
stroboscope sebanyak
3 kali
Matikan power suply
Mekanisme pembangkit
daya nomer 9
Matikan power suply
Selesai16
Mekanisme pembangkit daya
Rangkaian Mekanisme pembangkit Daya
PCB ( printed circuit board ) 2 x 25 mm
Pipa kepala
Pipa pembatas 25 x 1 mm
Selongsong 16 x 90 mm
Kawat kumparan
17
Rangkaian kumparan pada mekanisme pembangkit daya
Susunan 1 Susunan 2 Susunan 3
18
Berikut adalah jumlah lilitan pada setiap susunan
3000 lilitan
1500 lilitan
1500 lilitan1000 lilitan
1000 lilitan
1000 lilitan
Susunan 1 Susunan 2 Susunan 3
19
Mekanisme pembangkit daya
Mekanisme pembangkit daya
Tongkat pendorong
BearingDisc
Motor DC
Penyearah tongkat pendorong
20
susunan 1 susunan 2 susunan 3
D 0.10
D 0.12
D 0.14
Berikut adalah variasi yang akan dibandingkan :
21
ANALISA DATA
y y² ∑ y² avarage rms
0 7,6 57,76 67096,24 67,09624 8,191229
0,004 7,4 54,76
0,008 7,2 51,84
............ ...... ........
............ ...... ........
Berikut adalah cara pengolahan data yang didapat dari digital osciloscope :
2250
2
yrms
22
4.1.2.1 Grafik pengaruh variasi susunan kumparan
terhadap voltase yang dibangkitkan untuk diameter
0.10
grafik D 0.1
0
2
4
6
8
10
12
0
0.3
0.6
1
0.9
1
1.2
2
1.5
2
1.8
2
2.1
3
2.4
3
2.7
4
3.0
4
3.3
4
3.6
5
3.9
5
time (s)
vo
ltase (
Vo
lt)
susunan 1
susunan 2
susunan 3
ANALISA DATA
D 0.10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
susunan 1 susunan 2 susunan 3
Susunan
Vo
ltase (
mm
)
D 0.10
23
Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap
voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.12
ANALISA DATA
D 0.12
0
1
2
3
4
5
6
7
susunan 1 susunan 2 susunan 3
Susunan
Vo
ltase (
Vo
lt )
D 0.12
0
2
4
6
8
10
12
0
0,3
04
0,6
08
0,9
12
1,2
16
1,5
2
1,8
24
2,1
28
2,4
32
2,7
36
3,0
4
3,3
44
3,6
48
3,9
52
Vo
lta
se
(V
olt
)
time (s)
Grafik D 0.12
susunan 1
susunan 2
susunan 3
24
Grafik pengaruh variasi susunan kumparan terhadap
voltase yang dibangkitkan untuk diameter 0.14
ANALISA DATA
D 0.14
0
1
2
3
4
5
6
susunan 1 susunan 2 susunan 3
Susunan
Vo
ltase (
Vo
lt )
D 0.14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
0,2
96
0,5
92
0,8
88
1,1
84
1,4
8
1,7
76
2,0
72
2,3
68
2,6
64
2,9
6
3,2
56
3,5
52
3,8
48
Vo
lta
se
(V
olt
)
time (s)
Grafik D 0.14
susunan 1
susunan 2
susunan 3
25
Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap
voltase yang dibangkitkan untuk susunan 1
ANALISA DATA
susunan 1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
D 0.10 D 0.12 D 0.14
Diameter ( mm )
Vo
ltase (
Vo
lt )
susunan 1
0
2
4
6
8
10
12
0
0,2
84
0,5
68
0,8
52
1,1
36
1,4
2
1,7
04
1,9
88
2,2
72
2,5
56
2,8
4
3,1
24
3,4
08
3,6
92
3,9
76
Vo
lta
se
(V
olt
)
time (s)
grafik susunan 1
D 0.10
D 0.12
D 0.14
26
Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap
voltase yang dibangkitkan untuk susunan 2
ANALISA DATA
susunan 2
0
1
2
3
4
5
6
7
D 0.10 D 0.12 D 0.14
Diameter ( mm )
Vo
ltase (
Vo
lt )
susunan 2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0
0,2
76
0,5
52
0,8
28
1,1
04
1,3
8
1,6
56
1,9
32
2,2
08
2,4
84
2,7
6
3,0
36
3,3
12
3,5
88
3,8
64
Vo
lta
se
(vo
lt)
time (s)
grafik susunan 2
D 0.10
D 0.12
D 0.14
27
Grafik pengaruh variasi diameter kawat terhadap
voltase yang dibangkitkan untuk susunan 3
Grafik susunan 3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0
0.2
8
0.5
7
0.8
5
1.1
4
1.4
2
1.7
1.9
9
2.2
7
2.5
6
2.8
4
3.1
2
3.4
1
3.6
9
3.9
8
time (s)
Vo
ltase (
vo
lt)
D 0.10
D 0.12
D 0.14
ANALISA DATA
susunan 3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
D 0.10 D 0.12 D 0.14
Diameter ( mm )
Vo
ltase (
Vo
lt )
susunan 3
28
Berikut adalah komparasi voltase bangkitan pada mekanisme pemanen energi
getaran dalam variasi diameter kawat kumparan dan susunannya.
Voltase
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
susunan 1 susunan 2 susunan 3
Susunan
Vo
ltase (
Vo
lt )
D 0.10
D 0.12
D 0.14
susunan 1 susunan 2 susunan 3
D 0.10 8.06 6.05 2.01
D 0.12 6.55 5.26 1.24
D 0.14 5.11 4.44 0.046
ANALISA DATA
29
Perhitungan Teoritis
• Dari putaran motor dalam pengujian didapatkan nilai
CPM sebesar 885 rad/min dengan menggunakan
stroboscope. Dari data ini kita bisa mencari kelajuan
magnet dengan persamaan :
Xfv 2
Dimana :
X = 10mm ,dan
f = CPM/60
= 14,75
Sehingga :
v = 14,75/s x 40 mm
= 0,59 m/s
Contoh perhitungan kelajuan magnet
ANALISA DATA
30
Perhitungan TeoritisContoh perhitungan nilai kuat medan magnet
Misalkan untuk mekanisme pembangkit daya dengan
diameter kumparan 0.10 mm pada susunan 1, yakni jumlah
lilitan adalah 3000
Diketahui :
L = 14 mm
N = 3000 lilitan
I = 3.4 Ampere
μ0 = 12,56 x 10-7 Wb/A.m
dari persamaan selenoida dapat kita ketahui nilai kuat medan
magnet sebagai berikut :
L
INB 0
B = 12,56x10-7 Wb/A.m 3.4 A 3000 / 0.014 m = 0.915 wb/m²
ANALISA DATA
31
Contoh perhitungan voltase bangkitan
Untuk menghitung voltase bangkitan digunakan persamaan
dari hukum faraday yang dapat dinyatakan sebagai :
LBind
ε ind = 0,915 Wb/m² 150.72 m 0,59/s
ε ind = 81.37 Volt
ANALISA DATA
susunan 1
B ℓ V E
D (0.10) 0,915085714 150,72 0,59 81,37381
D (0.12) 0,880097143 150,72 0,59 78,26246
D (0.14) 0,850491429 150,72 0,59 75,62978
susunan 2
B ℓ V E E total
D (0.10) 0,081012 75,36 0,59 3,601988 7,203976
D (0.12) 0,069977143 75,36 0,59 3,111352 6,222703
D (0.14) 0,064594286 75,36 0,59 2,872017 5,744034
susunan 3
B ℓ V E E total
D (0.10) 0,053828571 50,24 0,59 1,595565 4,786695
D (0.12) 0,043062857 50,24 0,59 1,276452 3,829356
D (0.14) 0,02512 50,24 0,59 0,744597 2,23379132
Perhitungan Teoritis
susunan 1 susunan 2 susunan 3
D 0.10 81,37 7,203975898 4,786694949
D 0.12 78,26 6,222703433 3,829355959
D 0.14 75,62 5,744033938 2,233790976
ANALISA DATA
33
Diameter kawat
kumparansusunan
Pengujian Teori
voltase
(volt)Voltase
0.10 mm
1 8.06 81.37
2 6.55 7.20
3 5.11 4.78
0.12 mm
1 6.05 78.26
2 5.27 6.22
3 4.44 3.82
0.14 mm
1 2.01 75.62
2 1.25 5.74
3 0.047 2.23
ANALISA DATA
Berikut adalah perbandingan voltase bangkitan pada
mekanisme pemanen energi getaran dalam pengujian dan
perhitungan teoritisnya
33
Kesimpulan
1. Secara teori dan pengujian susunan kumparan yang memiliki
daya terbesar adalah pada susunan 1. Hal ini disebabkan
karena jumlah lilitan pada susunan satu tidak terbagi ( seri ).
Sehingga sesuai dengan perumusan kuat medan magnet dan
hukum faraday yakni, semakin banyak jumlah lilitan., maka
semakin besar pula voltase bangkitan yang dihasilkan.
2. Dalam percobaan bahwa semakin besar diameter kawat
kumparan maka akan semakin rendah daya listrik yang
dibangkitkan pada mekanisme. Dalam hal ini adalah pada
diameter kumparan sebesar 0.01 mm
3. Pada susunan 1, memiliki pola range yang terbesar.
Dibandingkan dengan pola range pada susunan 2 dan
susunan 3.
4. Voltase bangkitan yang didapat pada perhitungan memiliki
nilai yang lebih besar dibandingkan dengan voltase
bangkitan yang didapat pada pengujian, hal ini diakibatkan
karena pada pengujian terdapat kerugian – kerugian yang
diakibatkan oleh hambatan pada kumparan dan induktornya.
34
Kesimpulan
Saran yang diberikan pada tugas akhir ini, demi
tersempurnanya penelitian selanjutnya, diantaranya :
1. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat
mengetahui besarnya arus listrik dari mekanisme yang
sama dengan menggunakan alat ukur yang lebih teliti
dibandingkan dengan multimeter.
2. Pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat
mengetahui lebih lanjut tentang susunan dan ukuran
diameter kawat kumparan pada mekanisme yang lebih
efisien untuk mendapatkan daya listrik yang lebih besar.
35
Mohon maaf apabila ada kesalahan
TERIMA KASIH
36
susunan 1
μ i N ℓ B
D (0.10) 0,000001256 3,4 3000 0,014 0,915086
D (0.12) 0,000001256 3,27 3000 0,014 0,880097
D (0.14) 0,000001256 3,16 3000 0,014 0,850491
susunan 2
μ i N ℓ B B total
D (0.10) 0,000001256 3,01 1500 0,07 0,081012 0,162024
D (0.12) 0,000001256 2,6 1500 0,07 0,069977 0,139954
D (0.14) 0,000001256 2,4 1500 0,07 0,064594 0,129189
susunan 3
μ i N ℓ B B
D (0.10) 0,000001256 1,5 1000 0,035 0,053829 0,107657
D (0.12) 0,000001256 1,2 1000 0,035 0,043063 0,086126
D (0.14) 0,000001256 0,7 1000 0,035 0,02512 0,05024
B.1 Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada
diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada
diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada
diameter 0.10
Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada
diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada
diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3
pada diameter 0.12
Range Voltase pada oscilloscope susunan 1 pada
diameter 0.14
Range Voltase pada oscilloscope susunan 2 pada
diameter 0.14
Range Voltase pada oscilloscope susunan 3 pada
diameter 0.14
Kajian Pustaka
L
INB 0
β₁≈∏ dan β₂≈0, maka akan menghasilkan
)sin(2
0
dL
INdB
Gambar medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid
Rangkaian selenoid
Dapat diintegralkan menjadi
9