5 BAB II MOTOR ARUS SEARAH 2.1. Umum Motor arus searah (DC)

BAB II
MOTOR ARUS SEARAH
2.1.
Umum
Motor arus searah (DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik arus
searah
menjadi
energi
mekanis
yang
berupa
putaran.
Pada
prinsip
pengoperasiannya, motor arus searah sangat identik dengan generator arus searah.
Kenyataannya mesin yang bekerja sebagai generator arus searah akan dapat
bekerja sebagai motor arus searah. Oleh sebab itu, sebuah mesin arus searah dapat
digunakan baik sebagai motor arus searah maupun generator arus searah.
Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian
yang diam dan bagian yang berputar. Pada bagian yang diam (stator) merupakan
tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi
magnet sedangkan pada bagian yang berputar (rotor) ditempati oleh rangkaian
jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat.
Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi
magnetik. Dimana kumparan medan akan menghasilkan fluksi magnet yang
arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan dan kumparan jangkar akan
menghasilkan fluksi magnet yang melingkar. Interaksi antara kedua fluksi magnet
ini menimbulkan suatu gaya. Dimana gaya ini akan menghasilkan momen puntir
atau torsi. Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka motor akan
berputar.
5
2.2.
Konstruksi Motor Arus Searah
Konstruksi motor arus searah ditunjukkan oleh Gambar 2.1 (bagian stator)
dan Gambar 2.2 (bagian rotor) di bawah ini :
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Stator
Gambar 2.2 Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Rotor
Keterangan dari Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 tersebut adalah :
1. Rangka
Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar
komponen mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang
6
memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen
mesin tersebut.
Rangka juga berfungsi sebagai tempat mengalirkan fluksi magnet yang
dihasilkan oleh kutub-kutub medan. Rangka dibuat dengan menggunakan bahan
ferromagnetik yang memiliki permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari
baja tuang (cast steel) atau baja lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai
penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkaian magnet.
Pada rangka terdapat papan nama (name plat) yang bertuliskan spesifikasi
umum atau data teknik dari motor. Papan nama tersebut untuk mengetahui
beberapa hal pokok yang perlu diketahui dari motor tersebut.
2. Kutub Medan
Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub yang
berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Adapun fungsi
dari sepatu kutub adalah :
a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan
b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh
jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung.
Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang
terisolasi satu sama lain. Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan
bersama-sama kemudian dibuat pada rangka.
7
3. Sikat
Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana
permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan
arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.
4. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti
kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk
bulat ataupun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan
fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.
5. Jangkar
Inti jangkar yang umumnya digunakan dalam motor arus searah adalah
berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat
melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi. Seperti halnya
pada inti kutub magnet, jangkar juga dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk
mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus liar (eddy current). Inti
jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik yaitu sejenis campuran baja silikon.
6. Kumparan Jangkar
Kumparan
jangkar
pada
motor
arus
searah
merupakan
tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur
inti jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam,
yaitu : kumparan jerat (lap winding, kumparan gelombang (wave winding),
kumparan zig-zag (frog-leg winding)
8
7. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang
disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga
yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang
terpasang pada poros. Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka
komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar.
8. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan
permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan
sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi
yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
2.3.
Prinsip Kerja Motor Arus Searah
Motor arus searah mempunyai prinsip kerja berdasarkan percobaan
Lorentz yang menyatakan : “jika sebatang penghantar listrik yang berarus berada
di dalam medan magnet maka pada kawat penghantar tersebut akan terbentuk
suatu gaya”. Gaya yang terbentuk merupakan gaya mekanik yang sering
dinamakan gaya Lorentz. Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan
magnet disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan
pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik seperti
diperlihatkan pada Gambar 2.3 berikut
9
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.3 Pengaruh Penempatan Konduktor Berarus Dalam Medan Magnet
Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya arus yang
mengalir dalam konduktor, seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.1) berikut ini :
H=
N×I
.......................................................................(2.1)

Dimana :
H = kuat medan magnet (lilitan Ampere/meter)
N = banyak kumparan (lilitan)
I
= arus yang mengalir pada penghantar (Ampere)
 = panjang dari penghantar (meter)
Pada Gambar 2.3(a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang
dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub
utara menuju kutub selatan. Sedangkan Gambar 2.3(b) menggambarkan sebuah
konduktor yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet (garis-garis
gaya fluksi) disekelilingnya.
Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan
magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang
tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (c). Sehingga kerapatan
fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor (dekat kutub selatan)
dan di bawah sebelah kiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan
10
fluksi menjadi berkurang di atas sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah
kanan konduktor.
Kerapatan fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di
sebelah kiri akan mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan
akan mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi
yang akan memutar jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran jarum
jam. Prinsip inilah yang menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus
searah. Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat
dijelaskan dengan Gambar 2.4 berikut ini :
Gambar 2.4 Prinsip Perputaran Motor Arus Searah
Berdasarkan Gambar 2.4 di atas, kedua kutub stator dibelitkan dengan
konduktor- konduktor sehingga membentuk kumparan yang dinamakan kumparan
stator atau kumparan medan. Kumparan medan tersebut dihubungkan dengan
suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus
medan (If). Kumparan medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama
yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya
dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garisgaris fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar,
11
berdasarkan hukum Lorentz kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang
dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor
tersebut akan timbul gaya (F), maka demikian pula halnya pada kumparan
jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada
kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub dan panjang
konduktor jangkar (  ). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan
jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan
demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar.
Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B), maka
besar gaya (F) yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar
sepanjang  yang ditempatkan dalam suatu medan magnet dapat ditunjukkan oleh
persamaan (2.2) :
F = B . I .  .............……...………..................………(2.2)
Dimana :
F = gaya Lorentz (Newton)
I = arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)
B = kerapatan fluksi (Weber/meter2)
 = panjang konduktor jangkar (meter)
Maka besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor
jangkar ditunjukkan oleh persamaan (2.3) :
F = Z . B . I .  ..............……………….....................……(2.3)
Dimana :
Z = jumlah total konduktor jangkar
12
Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi yang
besarnya ditunjukkan oleh persamaan (2.4) :
Ta = F . r .........................………………....................…(2.4)
Jika persamaan (2.3) disubstitusikan ke persamaan (2.4), maka akan menghasilkan
persamaan (2.5) :
Ta = Z . B . I . . r .......................……..............................(2.5)
Dimana :
Ta = torsi jangkar (Newton-meter)
r
= jari-jari rotor (meter)
Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka jangkar akan berputar.
2.4.
Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh
mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam medan
magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya dua hal, yaitu :
1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama.
2. Magnetisasi silang.
Apabila kumparan medan dialiri oleh arus tetapi kumparan jangkar tidak
dialiri oleh arus, maka dengan mengabaikan pengaruh celah udara, jalur fluksi
ideal untuk kutub utama dari motor arus searah dua kutub, berasal dari kutub utara
menuju kutub selatan seperti pada Gambar 2.5 berikut ini :
13
Bidang Netral
Magnetis
U
S
Sikat
O
FM
Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh Kumparan Medan
Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa :
 Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis.
 Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.
Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor
dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet (ggm) sehingga
gaya gerak listrik (ggl) induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol. Seperti
yang terlihat dari Gambar 2.5 sikat selalu ditempatkan di sepanjang bidang netral
magnetis. Oleh karena itu, bidang netral magnetis juga disebut sebagai sumbu
komutasi karena pembalikan arah arus jangkar berada pada bidang tersebut.
Vektor OFM mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, dimana vektor ini
tegak lurus terhadap bidang netral magnetis.
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik
sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar
timbul garis gaya magnet atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet
ditunjukkan pada Gambar 2.6 berikut ini :
14
Bidang Netral Magnetis
O
U
S
FA
Gambar 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh Kumparan Jangkar
Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar
ditentukan dengan aturan putaran sekrup (cork screw rule). Besar dan arah garis
gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OFA yang sejajar dengan bidang netral
magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar
dan konduktor medan sama- sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan
diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karena itu distribusi
fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah
mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal
tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat dari Gambar 2.7
berikut ini :
ω
S
U
Bidang netral
magnetis lama
β
O
FM
Bidang netral
magnetis baru
FA
Fr
Gambar 2.7 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar
15
Fluksi yang dihasilkan oleh garis gaya magnet jangkar menentang fluksi
medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan memperkuat
fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas akan
menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah satu
kutubnya dan terjadi kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub yang
sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangkar yang
memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar
magnetisasi silang (cross magnetization).
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada
Gambar 2.7 dapat dilihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OFA dan
OFM, serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus
terhadap vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β
karena posisi bidang netral magnetis ini selalu tegak lurus terhadap vektor OF.
Dengan pergeseran bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh
pergeseran bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di
segmen komutator dekat sikat.
Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat titik
jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Apabila kejenuhan
magnetik ini terjadi, maka efek penguatan fluksi resultan lebih kecil bila
dibandingkan dengan efek pelemahan fluksi resultan atau dengan kata lain
pertambahan kerapatan fluksi resultan pada salah satu bagian kutub lebih sedikit
bila dibandingkan dengan pengurangan keraptan fluksi pada bagian yang lainnya.
Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hali inilah
16
yang disebut efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu diingat bahwa
demagnetisasi hanya terjadi karena adanya saturasi magnetik.
2.5.
Jenis – Jenis Motor Arus Searah
Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor arus searah dapat
dibagi menjadi dua, yaitu :
1. Motor arus searah penguatan bebas
2. Motor arus searah penguatan sendiri
2.5.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber
tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Pada motor ini, kumparan medan
tidak terhubung dengan kumparan jangkar. Masing-masing kumparan tersebut
disuplai dengan sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus
searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.8 di bawah ini :
+
Ia
Vt
Ra
If
+
Ea
Rf
+
Vf
-
-
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.8 diperoleh
persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) :
Vt = Ea + Ia.Ra + Vsikat…..………………………..........(2.6)
17
Dari Gambar 2.11 diperoleh juga persamaan tegangan terminal penguat medan
dari motor tersebut seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.7) :
Vf = If . Rf………...……….…………………….…......(2.7)
Dimana:
Vt
= tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)
Ra
= tahanan jangkar (Ohm)
If
= arus medan penguatan bebas (Ampere)
Vf
= tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
Rf
= tahanan medan penguatan bebas (Ohm)
Ea
= gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)
Vsikat = jatuh tegangan pada sikat (Volt)
Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat
diabaikan, maka untuk rumus selanjutnya Vsikat ini diabaikan.
2.5.2. Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan
medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat
dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga
dihubungkan dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel, tergantung pada
jenis penguatan yang diberikan terhadap motor.
Berdasarkan hubungan kumparan medan dengan kumparan jangkarnya,
motor arus searah penguatan sendiri dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Motor arus searah penguatan seri
18
2. Motor arus searah penguatan shunt
3. Motor arus searah penguatan kompon
2.5.2.1. Motor Arus Searah Penguatan Seri
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri ditunjukkan pada
Gambar 2.9 di bawah ini :
Rs
+
IL
IS
Ia
Ra
Vt
+
Ea
-
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan
secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada
kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.
Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti
ditunjukkan oleh persamaan (2.8) :
Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra………..………………….........(2.8)
Karena
IL = Ia = Is
Maka persamaan (2.8) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.9) :
Vt = Ea + Ia (Ra + Rs)
Dimana :
19
……………………………....(2.9)
Is = arus kumparan medan seri (Ampere)
Rs = tahanan medan seri (Ohm)
IL = arus dari jala-jala (Ampere)
2.5.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Shunt
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada
Gambar 2.10 di bawah ini :
+
IL
Ish
Vt
Ia
Rsh
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Shunt
Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan medan dihubungkan
langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar.
Dari Gambar 2.13 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti
ditunjukkan oleh persamaan (2.10) :
Vt = Ea + Ia.Ra ………….…………………….…...(2.10)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh
persamaan (2.11) dan persamaan (2.12) :
I sh =
Vt
R sh
………………………………….………(2.11)
IL = Ia + Ish …………………………………..........(2.12)
Dimana :
Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)
20
Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)
2.5.2.3. Motor arus searah penguatan kompon
Motor arus searah penguatan kompon merupakan gabungan motor arus
searah penguatan seri dan motor arus searah penguatan shunt, sehingga
mempunyai sifat diantara keduanya tergantung mana yang kuat lilitannya (
kumparan seri atau shuntnya ). Terdapat dua jenis motor arus searah penguatan
kompon yang umum dijumpai, yaitu : motor arus searah penguatan kompon
pendek dan motor arus searah penguatan kompon panjang.
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan
serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan
shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
ditunjukkan oleh Gambar 2.11 berikut ini :
IL
Rs
+
Is
Vt
Ish
Rsh
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Pendek
Dari Gambar 2.11 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah
penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.13) :
Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra.................................................(2.13)
21
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh
persamaan (2.14) :
IL = Is = Ia + Ish..........................................................(2.14)
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan
serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung
paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah
penguatan kompon panjang ditunjukkan oleh Gambar 2.12 di bawah ini :
Rs
IL
+
Ish
Vt
Is
Rsh
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Panjang
Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus
searah penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.15) :
Vt = Ea + Is.Rs + Ia.Ra..................................................(2.15)
Karena
Is = Ia
Maka persamaan (2.15) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.16) :
Vt = Ea + Ia (Rs + Ra) ..................................................(2.16)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh
persamaan (2.17) dan persamaan (2.18) :
IL = Ia + Ish.................................................................(2.17)
22
Vt
R sh
I sh =
2.6.
…………………………………..………(2.18)
Gaya Gerak Listrik Lawan Pada Motor Arus Searah
Ketika jangkar motor DC berputar dibawah pengaruh torsi penggerak,
konduktor jangkar bergerak di dalam medan magnet dan akan menghasilkan
tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. Sesuai dengan
hukum Lentz, arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan tegangan yang
diberikan pada motor ( Vt ) dan dikenal sebagai ggl lawan atau ggl balik Ea.
Proses terjadinya ggl lawan adalah :
1. Kumparan jangkar ( terletak diantara kutub – kutub magnet ) diberi
sumber DC.
2. Pada kumparan – kumparan jangkar timbul torsi, sehingga jangkar
berputar ( arahnya sesuai dengan kaidah tangan kiri ).
3. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul ggl.
4. Arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan arah ggl sumber sehingga
kita sebut ggl lawan.
Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan
(2.19) :
Ea =
Karena
P Z
.
. n .Ф.........................................................(2.19)
a 60
P.Z
bernilai konstan, maka dapat dianggap sebagai suatu konstanta K
a . 60
sehingga persamaan (2.19) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.20) :
Ea = K . n . Ф.................................................................(2.20)
Dimana :
23
Ea = gaya gerak listrik lawan motor arus searah (Volt)
K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)
n = kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit)
Φ = fluksi masing – masing kutub (Weber)
P = jumlah kutub
Z = jumlah total konduktor jangkar
a = jumlah kumparan tersambung paralel
2.7
Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Karakteristik dari suatu motor harus diketahui, karena karakteristik dari
suatu motor akan mencerminkan performansi (unjuk kerja) dari motor listrik
tersebut selama kondisi operasinya. Untuk motor arus searah penguatan seri dan
motor arus searah penguatan shunt hanya memiliki satu komponen medan.
Sedangkan untuk motor arus searah penguatan kompon memiliki dua kumparan
medan yakni kumparan medan shunt dan kumparan medan seri.
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang dan motor arus searah
penguatan kompon pendek terdapat tiga karakteristik, yaitu :
1. Karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia)
2. Karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia)
3. Karakteristik torsi – putaran (T/n)
2.7.1 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar (T/Ia)
Pada motor arus searah penguatan kompon berlaku persamaan (2.22) :
T
= K . Фm . Ia............................................................(2.22)
24
Фm = Фsh + Фs
Dimana
Sehingga persamaan (2.22) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.23) :
T = K . (Фsh + Фs) . Ia................................................(2.23)
Dimana :
T
= torsi jangkar (Newton-meter)
Фsh = fluksi pada kumparan medan shunt (Weber)
Фs
= fluksi pada kumparan medan seri (Weber)
Dari persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa dengan pertambahan arus
jangkar (Ia) maka fluks magnetik (Фm) juga akan bertambah sehingga
menyebabkan torsi (T) meningkat. Pada motor arus searah penguatan kompon
panjang, fluksi medan shunt lebih besar dibandingkan medan seri maka bentuk
kurva karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia) seperti kurva 1 pada Gambar 2.13.
Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek, fluksi medan seri
lebih besar dibandingkan dengan medan shunt maka bentuk kurva karakteristik
torsi – arus jangkar (T/Ia) seperti kurva 2 pada Gambar 2.14. Untuk lebih jelasnya,
bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.14
berikut :
r
Gambar 2.13 Kurva Karakteristik Torsi – Arus Jangkar (T/Ia)
25
2.7.2 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar (n/Ia)
Sebagaimana telah diketahui bahwa kecepatan putaran motor arus searah
sesuai dengan persamaan (2.24) :
n~
Ea
.........................................................(2.24)
Φ
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, fluks magnetik (Φ) dan GGL
lawan (Ea) hampir konstan di bawah kondisi normal. Dengan demikian, kecepatan
putaran motor (n) hampir selalu konstan walaupun arus jangkar (Ia) berubah-ubah
nilainya. Ketika beban bertambah, GGL lawan dan fluks magnetik berkurang
akibat drop tegangan pada tahanan jangkar (Ra). Dalam hal ini, GGL lawan
berkurang lebih sedikit dibandingkan fluks magnetik. Dengan demikian,
kecepatan putaran motor juga menurun sedikit seperti ditunjukkan oleh kurva 2
pada Gambar 2.14. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek,
kecepatan putaran motor akan berubah seiring dengan pertambahan beban seperti
ditunjukkan oleh kurva 1 pada Gambar 2.14. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva
karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia) dapat dilihat pada Gambar 2.14 berikut :
Gambar 2.14 Kurva Karakteristik Putaran – Arus Jangkar (N/Ia)
26
2.7.3 Karakteristik Torsi – Putaran (T/n)
Karakteristik torsi – putaran (T/n) disebut juga karakteristik mekanik. Dari
persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa jika torsi (T) bertambah, maka nilai (Ia)
bertambah, sedangkan fluks magnetik (Фm) tetap. Dengan bertambahnya torsi (T),
maka kecepatan putaran (n) akan menurun. Untuk motor arus searah penguatan
kompon panjang, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n) ini mendekati ke
motor shunt seperti kurva 1 pada Gambar 2.15. Sedangkan untuk motor arus
searah penguatan kompon pendek, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n)
mendekati ke motor seri seperti kurva 2 pada Gambar 2.15. Untuk lebih jelasnya,
karakteristik torsi – putaran (T/n) dapat dilihat pada Gambar 2.15 berikut :
1
2
Gambar 2.15 Kurva Karakteristik Torsi – Putaran (T/N)
2.8
Jatuh Tegangan
Jatuh tegangan adalah selisih antara tegangan ujung pengirim dengan
tegangan ujung penerima. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
∆V = Vs – Vr……………………………….…(2.25)
Dimana :
∆V = jatuh tegangan (volt)
27
Vs = tegangan di sisi pengirim (volt)
Vr = tegangan di sisi penerima (volt)
Atau dapat juga ditulis dalam bentuk persentase :
∆V (%) =
∆V
x 100%...............................................(2.26)
V
Dimana :
∆V (%) = rugi tegangan dalam persen
V
= tegangan kerja (volt)
∆V
= rugi tegangan (volt)
Jatuh tegangan pada saluran tenaga listrik secara umum berbanding lurus
dengan panjang saluran dan beban serta berbanding terbalik dengan luas
penampang penghantar. Besarnya jatuh tegangan dinyatakan baik dalam persen
atau dalam besaran volt. Besarnya batas atas dan batas bawah ditentukan oleh
kebijkasanaan perusahaan listrik terkait. Penurunan tegangan maksimum pada
beban penuh yang dibolehkan di beberapa titik pada jaringan distribusi adalah
[SPLN 72 : 1987] :
1. SUTM = 5% dari tegangan kerja bagi sistem radial
2. SKTM = 2% dari tegangan kerja pada sistem spindle dan gugus
3. Trafo distribusi = 3% dari tegangan kerja
4. Saluran tegangan rendah = 4% dari tegangan kerja tergantung kepadatan
beban
5. Sambungan rumah = 1% dari tegangan nominal
Adapun penyebab jatuh tegangan ( voltage drop ) adalah :
1. Jauhnya jaringan, jauhnya jarak transformator dari gardu induk
28
2. Rendahnya tegangan yang diberikan gardu induk atau rendahnya tegangan
keluaran dari transformator distribusi
3. Sambungan penghantar yang tidak baik sehingga bermasalah di sisi
tegangan menengah dan tegangan rendah
4. Pemilihan jenis penghantar, ukuran penghantar dan konektor yang tidak
tepat
5. Arus yang dihasilkan terlalu besar
Untuk menghitung jatuh tegangan, diperhitungkan reaktansinya, maupun
faktor dayanya yang tidak sama dengan satu. Maka tegangan yang hilang
disepanjang saluran penghantar adalah :
∆V = I ( R cos θ + X sin θ )…………………….……(2.27)
Dimana :
I = arus beban (ampere)
R = tahanan saluran (ohm)
X = reaktansi saluran (ohm)
Cos θ = faktor daya beban
2.9
Torsi Motor Arus Searah
Torsi merupakan putaran atau pemuntiran dari suatu gaya terhadap suatu
poros. Torsi diperoleh dari hasil kali gaya tersebut dengan jari – jari lingkaran
dimana gaya tersebut bekerja. Perhatikan Gambar 3.1 berikut :
F
r
n putaran/detik
Gambar 2.16 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya
29
Pada suatu pulley dengan jari – jari r meter bekerja suatu gaya F newton
yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran per detik. Maka
torsi dari pulley tersebut dapat dihitung dengan persamaan (3.4) berikut :
T = F x r………………………………………………..(2.28)
Dimana :
T = torsi benda (Newton-meter)
F = gaya yang bekerja pada benda (Newton)
R = jari – jari benda (meter)
Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut dalam satu putaran sesuai dengan
persamaan (2.29) :
W = F x s…………………………………................…(2.29)
s = 2πr
Karena
Maka persamaan (2.29) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.30) :
W = F x 2 π r ……………………………………...…..(2.30)
Dimana :
W = usaha yang dilakukan oleh benda (Joule)
s = jarak yang ditempuh benda (meter)
Daya mekanik yang dibangkitkan oleh benda tersebut ditunjukkan oleh
persamaan (2.31) :
Pm = F x 2 π r x n.……..…..………….…………..........(2.31)
Karena
Fxr=T
dan
2πn= ω
Maka persamaan (2.31) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.32) :
30
Pm = T x ω …….…........................................................(2.32)
Dimana :
P m = daya yang dibangkitkan oleh benda (Watt)
ω = kecepatan putaran benda (radian per detik)
2.9.1. Torsi Jangkar Motor Arus Searah
Di dalam motor arus searah, setiap konduktor di bagian permukaan jangkar
akan mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari jari jangkar.
Dengan demikian, masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang
cenderung untuk memutar. Jumlah seluruh torsi yang dihasilkan oleh konduktor
jangkar disebut torsi jangkar (Ta).
torsi jangkar total yang dihasilkan oleh suatu konduktor adalah :
Ta = Z . B . I . . r
Dimana
I =
Ia
a
dan
B =
Φ
A
Ta = Z x
Φ Ia
x x  x r ...................................................(2.34)
A a
A= 2πr
Dimana
(2.33)

p
Sehingga persamaan (2.34) dapat ditulis menjadi persamaan (2.35) :
Ta =
Z Φ Ia P
..............................................................(2.35)
2πa
atau dapat juga ditulis seperti persamaan (2.36) :
31
P
Ta = 0,159 Z I a Φ ( ) …...............................................(2.36)
a
Karena
0,159 Z P
=K
a
Maka diperoleh persamaan (2.37) :
Ta = K . Φ . Ia................................................................(2.37)
Karena K nilainya selalu tetap, maka :
Ta ~ Φ Ia
Dari persamaan (2.37) dapat dilihat bahwa torsi di dalam motor arus searah
berbanding langsung dengan fluks per kutub dan arus jangkar.
besarnya ggl induksi pada motor arus searah adalah :
Ea =
P Z
.
. n .Ф
a 60
Maka diperoleh persamaan (2.38) :
60 × E a
PΦZ
=
.........................................................(2.38)
n
a
Jika persamaan (2.38) disubstitusikan ke persamaan (2.37), maka diperoleh
ekspresi lain untuk menyatakan besarnya torsi jangkar yaitu seperti persamaan
(2.39) :
 60 × E a 
Ta = 0,159 x 
 x Ia............................................(2.39)
 n 
atau dapat ditulis seperti persamaan (2.40) :
Ta = 9,55 x
Ea × Ia
......................................................(2.40)
n
Dimana :
32
Ta = torsi jangkar motor arus searah (Newton-meter)
r = rata-rata jari-jari jangkar (meter)
 = panjang efektif masing-masing konduktor (meter)
Z = jumlah total konduktor jangkar
a = jumlah kumparan tersambung paralel
I = arus dalam setiap konduktor (Ampere)
B = rapat fluks rata-rata (Weber/meter2)
Φ = fluks masing - masing kutub (Weber)
P = jumlah kutub
A = luas penampang jalur fluks per kutub pada jari-jari r (meter2)
2.9.2. Torsi Poros Motor Arus Searah
Pada motor arus searah, tidak semua torsi yang dihasilkan oleh jangkar
berubah menjadi usaha berguna karena ada sebagian yang hilang disebabkan oleh
rugi – rugi besi dan rugi – rugi gesek didalam motor. Torsi yang dapat
dimanfaatkan oleh poros motor untuk melakukan usaha yang berguna dikenal
dengan torsi poros atau torsi shaft ( Tsh ). Oleh karena itu torsi poros lebih kecil
nilainya bila dibandingkan dengan torsi jangkar. Besarnya torsi poros dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan :
Tsh =
Pout
..............................................................(2.41)
2 π n/60
atau dapat ditulis seperti persamaan (2.42) :
Tsh = 9,55 x
Pout
...........................................................(2.42)
n
Dimana :
Tsh = torsi poros motor arus searah (Newton-meter)
33
Pout = daya keluaran motor arus searah (Watt)
Selisih torsi jangkar dan torsi poros disebut rugi-rugi torsi (torque losses).
Secara matematis dapat ditulis seperti persamaan (2.43) :
Ta – Tsh = 9,55 x
Rugi − Rugi Besi + Rugi − Rugi Gesek
.......(2.43)
n
2.10. Pengaturan Kecepatan Putaran Pada Motor Arus Searah
Besarnya gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat
berputarnya rotor yang terletak diantara kutub magnet adalah :
Ea =
Karena
P Z
.
.n.φ
a 60
P.Z
dapat dianggap sebagai suatu konstanta ( K ), maka persamaan
a.60
tersebut dapat juga ditulis seperti persamaan (2.44) :
Ea = K . n . φ
Atau
n=
Ea
……………………………………………(2.44)
K. φ
Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor arus searah berlaku
persamaan :
Ea = Vt – IaRa..........................................................(2.45)
Oleh karena itu persamaan (3.19) dapat ditulis seperti :
n=
Vt - Ia . Ra
………………………………………(2.46)
K. φ
Dari persamaan (2.46) diatas dapat disimpulkan bahwa kecepatan putar
motor diperoleh dengan cara mengubah – ubah flux magnit perkutub ( φ ) ,
pengaturan arus armatur ( Ia ), atau pengubahan tegangan terminal ( Vt ).
34
2.11
Efisiensi pada Motor Arus Searah
Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah,
efisiensinya dinyatakan sebagai berikut:
η(%) =
Pout
Pin
x 100%……………………………………………(2.47)
Pout = 2πnT
Dimana
Atau pada motor :
η(%) =
η(%) =
Dimana:
HP output x 746
watt input
x 100%……………………………(2.48)
HP output x 746
(HP input x 746)+ watt rugi
x 100%……………...(2.49)
Pin = daya masukan
Pout = daya keluaran
n
= putaran
T
= Torsi
∑Prugi = rugi-rugi daya total
2.12
Pengaruh Turunnya Tegangan Terhadap Kinerja Motor
Seperti yang sudah di jelaskan pada persamaan (2.44) diatas bahwa putaran pada
motor arus searah adalah :
35
n=
Vt - Ia . Ra
K. φ
Dari persamaan tersebut dapat kita lihat bahwa putaran (n) adalah
sebanding dengan besarnya tegangan yang di supply ke terminal motor (Vt),
sehingga apabila tegangan yang di supply ke terminal motor berkurang maka
putaran yang dihasilkan oleh motor pun akan berkurang pula.
Hubungan pengaruh turunnya tegangan terhadap persamaan torsi jangkar
yang dihasilkan oleh motor dapat kita perhatikan pada persamaan (2.42), dimana :
Ta = 9,55 x
Ea × Ia
n
persamaan persamaan ditulis dapat ditulis seperti persamaan (2.59) berikut :
Ta = 9,55 x
(Vt - Ia . Ra) × I a
………………………...(2.50)
n
Dari persamaan (2.59) diatas, kita dapat melihat bahwa Ta berbanding
lurus dengan Vt sehingga apabila tegangan yang di supply ke terminal motor
berkurang maka torsi yang dihasilkan oleh motor juga akan berkurang.
Hubungan pengaruh turunnya tegangan terhadap persamaan efisiensi yang
dihasilkan oleh motor dapat kita perhatikan pada persamaan (2.51), dimana :
Pin = Vt x IL (Watt)……………………………………………(2.51)
Pout = Pin – Prugi-rugi ……………………………………………(2.52)
η =
Pin − ∑ Rugi − Rugi
Pin
x 100 %............................................ (2.53)
Dari persamaan (2.53) diatas, kita dapat melihat bahwa daya input
berbanding lurus dengan Vt sehingga apabila tegangan yang di supply ke terminal
motor berkurang maka efisinsi dari motor yang dihasilkan oleh motor juga akan
berkurang.
36