BAB II MOTOR ARUS SEARAH 2.1 Umum Motor

BAB II
MOTOR ARUS SEARAH
2.1
Umum
Motor arus searah 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.
Universitas Sumatera Utara
2.2
Konstruksi Motor Arus Searah
Secara umum konstruksi motor arus searah terbagi atas dua bagian, yaitu :
1) Stator (bagian yang diam), terdiri darirangka, komponen magnet dan sikat.
2) Rotor (bagian yang berputar), terdiri dari jangkar, kumparan jangkar dan
komutator.
Untuk lebih jelasnya, konstruksi motor arus searah dapat dilihat pada
Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 di bawah ini :
Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator
Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor
Universitas Sumatera Utara
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
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.
Universitas Sumatera Utara
3. Sikat
Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana
permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan
arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat
terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan
dalam beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus
lebih lunak daripada segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi
antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya
komutator.
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. Belitan medan berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama
yang dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.
5. Inti 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 silicon
Universitas Sumatera Utara
6. Kumparan Jangkar
Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya
ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur inti jangkar. Jenisjenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam, yaitu :
1. Kumparan jerat (lap winding)
2. Kumparan gelombang (wave winding)
3. Kumparan zig-zag (frog-leg winding)
7. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang
disebut komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang
berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang
pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara
satu dengan lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya
mempunyai dua bagian yaitu :
1) Komutator
bar,
merupakan
tempat
terjadinya
pergesekan
antara
komutatordengan sikat-sikat.
2) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator
dengan ujung dari lilitan jangkar.
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.
Universitas Sumatera Utara
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 mekanikseperti
diperlihatkan pada Gambar 2.3 berikut :
(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)

Universitas Sumatera Utara
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
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 ini lah yang menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus
searah.
Universitas Sumatera Utara
Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat
dijelaskan dengan Gambar 2.4 berikut ini :
Gambar 2.4Prinsip 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,
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
Universitas Sumatera Utara
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
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)
Universitas Sumatera Utara
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 :
Bidang Netral
Magnetis
U
S
Sikat
O
FM
Gambar 2.5Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan
Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa :
Universitas Sumatera Utara
 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 :
Bidang Netral Magnetis
O
U
S
FA
Gambar 2.6Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar
Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar
ditentukan dengan aturan putaran sekrup (corkscrew 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
Universitas Sumatera Utara
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
Bidang netral
magnetis baru
O
FA
FM
Fr
Gambar 2.7Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar
Fluksi yang dihasilkan oleh garis gayamagnet 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
magnetisasisilang (crossmagnetization).
Universitas Sumatera Utara
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada
Gambar 2.7dapat 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
yang disebut efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu diingat bahwa
demagnetisasi hanya terjadi karena adanya saturasi magnetik.
2.5
Jenis – Jenis MotorArus 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
Universitas Sumatera Utara
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
-
+
Vf
-
Rf
-
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.11
diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) :
Vt = Ea + Ia.Ra + Vsikat…..………………………..........(2.6)
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)
Universitas Sumatera Utara
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
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 :
Universitas Sumatera Utara
Rs
+
IL
IS
Ia
Ra
Vt
+
Ea
-
-
Gambar 2.9Rangkaian 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)
IL= Ia= Is
Karena
Maka persamaan (2.8) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.9) :
Vt = Ea + Ia (Ra + Rs) ……………………………....(2.9)
Dimana :
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 :
Universitas Sumatera Utara
+
IL
Ish
Vt
Rsh
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.10Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan jangkar dihubungkan
langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar.
Dari Gambar 2.10 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)
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.Motor arus searah
penguatan kompon dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Motor arus searah penguatan kompon pendek
Universitas Sumatera Utara
• Motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif (bantu)
• Motor arus searah penguatan kompon pendek differensial (lawan)
2. Motor arus searah penguatan kompon panjang
• Motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif (bantu)
• Motor arus searah penguatan kompon panjang differensial (lawan)
2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan
serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan
medanshunt. Motor arus searah penguatan kompon pendek terbagi menjadi dua
jenis, yaitu kompon pendek kumulatif (bantu) dan kompon pendek differensial
(lawan).
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif, polaritas
kedua kumparan medannya sama. Hal ini disebabkan karena kedua arus
medannya sama-sama memasuki dot. Maka sesuai dengan aturan dot, fluksi yang
dihasilkan menjadi saling menguatkan. Sedangkan pada motor arus searah
penguatan kompon pendek differensial, polaritas kedua kumparan medannya
saling berlawanan. Salah satu arus medannya memasuki dot sedangkan yang
lainnya meninggalkan dot sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling
mengurangi.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
kumulatif dan motor arus searah penguatan kompon pendek differensial
ditunjukkan oleh Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 berikut ini :
Universitas Sumatera Utara
IL
Rs
+
Is
Vt
Ish
Rsh
Ia
+
Ea
Ra
-
Gambar 2.11Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
kumulatif (bantu)
IL
Rs
+
Is
Vt
Ish
Rsh
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.12Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
differensial (lawan)
Dari Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan
terminal motor arus searah penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh
persamaan (2.13) :
Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra.................................................(2.13)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh
persamaan (2.14) :
IL = Is = Ia + Ish..........................................................(2.14)
2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan
serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung
paralel terhadap kumparan medan shunt. Sama halnya seperti motor arus searah
penguatan kompon pendek, motor arus searah penguatan kompon panjang juga
Universitas Sumatera Utara
terbagi dua, yaitu kompon panjang kumulatif (bantu) dan kompon panjang
differensial (lawan).
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif, polaritas
kedua kumparan medannya sama sehingga fluksi yang dihasilkan saling
menguatkan. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang
differensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan sehingga
fluksi yang dihasilkan menjadi saling mengurangi.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
kumulatif dan motor arus searah penguatan kompon panjang differensial
ditunjukkan oleh Gambar 2.16 dan Gambar 2.17 berikut ini :
Rs
IL
+
Ish
Vt
Is
Rsh
Ia
+
Ea
Ra
-
Gambar 2.13Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
kumulatif (bantu)
Rs
IL
+
Ish
Vt
Rsh
Is
Ia
Ra
+
Ea
-
-
Gambar 2.14Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
Universitas Sumatera Utara
differensial (lawan)
Dari Gambar 2.13 dan Gambar 2.14 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)
I sh =
2.6
Vt
R sh
………………………………….………(2.18)
Gaya Gerak Listrik Lawan Pada Motor Arus Searah
Ketika jangkar motor arus searah berputar di bawah pengaruh torsi
penggerak, konduktor jangkar juga berputar di dalam medan magnet dan akan
menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. Sesuai
dengan hukum Faraday, akibat gerakan konduktor di dalam suatu medan
magnetik maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya gerak listrik (ggl)
induksi yang diinduksikan pada konduktor tersebut. Sesuai dengan hukum Lentz,
arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan tegangan yang diberikan pada motor
dan dikenal sebagai ggl lawan atau ggl balik Ea.
Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan
(2.19) :
Universitas Sumatera Utara
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:
Ea = gaya gerak listrik lawan motor arus searah (Volt)
K= konstanta Mesin
n = kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit)
Φ = fluksi setiap 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)
Universitas Sumatera Utara
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 (2.24) :
T = K .Фm .Ia............................................................(2.24)
Dimana
Фm = Фsh + Фs
Sehingga persamaan (2.24) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.25) :
T = K .(Фsh + Фs).Ia................................................(2.25)
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 kurva1 pada Gambar 2.18.
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 2.18. Untuk lebih jelasnya,
bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.18
berikut:
Universitas Sumatera Utara
r
Gambar 2.18 Kurva karakteristik torsi – arus jangkar(T/Ia)
2.7.2 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar (n/Ia)
Sebagaimana telah diketahui bahwa kecepatan putaran motor arus searah
sesuai dengan persamaan (2.23) sehingga diperoleh persamaan (2.26) :
n~
Ea
.........................................................(2.26)
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 2.19. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek,
kecepatan putaran motor akan berubah seiring dengan pertambahan beban seperti
Universitas Sumatera Utara
ditunjukkan oleh kurva 1 pada Gambar 2.19. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva
karakteristikputaran – arus jangkar (n/Ia) dapat dilihatpada Gambar 2.19 berikut :
Gambar 2.19 Kurva karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia)
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
kemotor shunt seperti kurva 1 pada Gambar 2.20. Sedangkan untuk motor arus
searah penguatan kompon pendek, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n)
mendekati kemotor seri sepertikurva 2 pada Gambar 2.20. Untuk lebih jelasnya,
karakteristik torsi – putaran (T/n) dapat dilihat pada Gambar 2.20 berikut:
Universitas Sumatera Utara
1
2
Gambar 2.20 Kurva karakteristik torsi – putaran (T/n)
2.8 Metode Pengaturan Kecepatan Motor DC
Pengaturan kecepatan putaran pada motor DC adalah suatu usaha yang
diberikan terhadap motor DC yang sedang berputar untuk mendapatkan kecepatan
putaran motor sesuai yang diinginkan.
Kecepatan putaran motor DC dapat dinyatakn dengan persamaan sebagai
berikut :
Ea = Vt – IaRa
PΦZn
60 a
Dimana
Ea =
Sehingga
PΦZn
= Vt – IaRa
60 a
Karena
Maka
(2.27)
PZ
=K
60 a
K n Ф = Vt – IaRa
Sehingga diperoleh persamaan (6.3) :
Universitas Sumatera Utara
n=
(Vt − IaRa )
(2.28)
KΦ
Dari persamaan (2.28) di atas dapat dilihat bahwa kecepatan (n)
berbanding lurus dengan tegangan terminal motor (Vt), arus jangkar (Ia) dan
tahanan jangkar (Ra) serta berbanding terbalik dengan fluks per kutub (Φ).
Dengan demikian, kecepatan putaran motor arus searah dapat diatur dengan cara
mengubah :
1. Tahanan jangkar (Ra)
2. Fluks Magnetik (Φ)
3. Tegangan terminal (Vt)
Dimana :
n = jumlah putaran
K = konstanta motor
Vt = tegangan terminal
Ra = tahanan jangkar
Ia = arus jangkar
Ø = fluks magnetic
2.8.1. Metode Pengaturan Tahanan Jangkar
Metode ini dilakukan dengan menambahkan tahanan variabel (rheostat)
yang terhubung seri dengan jangkar, sehingga arus yang mengalir pada jangkar
dapat diatur. Dengan pengaturan arus jangkar ini, kecepatan akan dapat diatur.
Pengaturan dengan menambah tahan seri pada jangkar dapat dilihat pada gambar
berikut :
Universitas Sumatera Utara
Is
Ia
E
F
RL
GA
I sh
J
M
HB
K
Gambar 2.21 Pengaturan kecepatan dengan tahanan seri pada jangkar
Dari rangkaian gambar diatas berlaku
Vt = Ea+Ia.(Ra+Rs)
Dimana
Ea= K.n.Ø
Sehingga
K.n.Ø= Vt-Ia(Ra+Rs)
n=
𝑉𝑡−𝐼𝑎(𝑅𝑎+𝑅𝑠)
𝐾.Ø
maka setiap perubahan nilai tahanan jangkar(Ra) akan menyebabkan perubahan
dari putaran motor.
Metode ini memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan dibawah
kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena
banyak daya yang terbuang dalam rheostat
2.8.2. Metode Pengaturan Fluksi
Pengurangan fluksi (𝜙) mengakibatkan kenaikan kecepatan putaran. Pada
motor DC kompon, fluksi dapat diatur dengan memasang rheostat medan shunt,
yaitu rheostat yang dipasang seri dengan medan sehingga arus medan dan arus
jangkar berubah sehingga menyebabkan perubahan fluksi
Universitas Sumatera Utara
Is
Ia
E
F
I sh
RL
J
GA
M
HB
K
Gambar 2.22 Pengaturan kecepatan dengan tahanan seri pada kumparan medan
Dari rangkaian diatas berlaku persamaan
gambar diatas berlaku
Vt = Ea+Ia.(Ra+Rs)
Atau
Vt = Md.Wr.If + Ia.(Ra+Rs)... kondisi steady state
Dimana
If sebanding dengan Ø(fluksi).
(2.30)
Md = Konstanta Mesin,=K
Vt =K.Wr.Ø + Ia.(Ra+Rs)
(2.31)
Dalam hal ini Vt dianggap Konstan,sehingga :
Vt -Ia.(Ra+Rs)= K1 = Konstanta.
Vt -Ia.(Ra+Rs) =K.Wr.Ø
Wr =
Vt –Ia.(Ra+Rs)
K.Ø
=
𝐾1
(2.32)
𝐾.Ø
Dengan adanya tahan tambahan pada kumparan medan,maka :
𝑉f
Ø’ = If’ = 𝑅𝑓+ Rg
Wr’ = =
𝐾1
sehingga
𝐾.Ø′
𝑊𝑟′
𝑊𝑟
(2.33)
=
Ø′
Ø
(2.34)
Dari persamaan (2.34) diketahui bahwa setiap perubahan fluksi (Ø) akan
menyebabkan perubahan putaran motor
Dimana
Ø = B.A
(2.35)
Universitas Sumatera Utara
B=
µ0.𝐼
2𝜋𝑎
Ø=
B = medan magnet (Gauss)
µ0.𝐼
2𝜋𝑎
(2.37)
.A
(2.38)
µ0= Permitivitas bahan
I = arus (ampere)
A= Luas medan magnet(M2)
a=diarmeter kawat(Meter)
Ø= Garis gaya magnet (Webber)
Besar garis garis gaya magnet yang tercipta sebanding dengan besar nilai
permitivitas bahan(µ0),besarnya arus yang mengalir(I) serta luas daerah yang
terpapapr medan magnet(A) dan berbanding terbalik dengan diameter Kawat(a)
Artinya : dengan mengatur I yang mengalir pada medan shunt akan menyebabkan
perubahan fluksi,sehingga putaran dari motor juga berubah,untuk mengatur I
pada medan shunt dipasang tahanan variable yang dipasang seri.
2.8.3 Metode Pengaturan Tegangan ( Ward Leonard System)
Dalam metode ini, sumber tegangan arus medannya berbeda dengan
sumber tegangan jangkarnya.Metode ini menghindari kerugian-kerugian dari
pengaturan kecepatan yang buruk dan efisiensi yang tidak baik, seperti pada
pengaturan tahanan jangkar.
Prinsipnya adalah suatu penggerak mula yang biasanya adalah motor
induksi digunakan untuk menggerakan generator DC pada suatu kecepatan
konstan. Tegangan keluaran dari generator DC tadi menjadi input bagi motor DC
untuk berputar.
Universitas Sumatera Utara
3-𝜙
E-10
AC
motor
G
M
E-5
+
-
Gambar 2.23Pengaturan kecepatan dengan metode Ward Leonard
2.9
Rugi – Rugi Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan
menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh
daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada
energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang
hilang tersebut ada yang dikonversikan menjadi panas dan ada yang diserap oleh
mesin untuk mengatasi gesekan karena adanya bagian yang berputar di dalam
mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini jika nilainya terlalu besar akan
dapat menyebabkan kenaikan temperatur motor yang dapat merusak isolasi dan
mempercepat berkurangnya umur ekonomis motor sehingga membatasi daya
keluaran motor. Berikut ini proses pengkonversian energi pada motor DC dalam
diagram aliran daya di bawah ini:
Universitas Sumatera Utara
P
P
d
PL
P
g
mk
P
j
Gambar 2.24 Diagram Aliran Daya( 𝑃𝐿 𝑃𝑚𝑘
)
Untuk mengubah daya listrik ( 𝑃𝐿 ) menjadi daya mekanik (𝑃𝑚𝑘 ) motor DC
mengalami kerugian-kerugian yaitu :
a. 𝑃𝑔 ( rugi gesekan )
b. 𝑃𝐽 ( Joule ) ialah kerugian-kerugian yang disebabkan oleh kerugian
tembaga dan kerugian besi 𝑃𝐽 = 𝑃𝑡𝑏 + 𝑃𝑏
c. 𝑃 pada penguat
d. 𝑃 pada sikat-sikat dan sebagainya.
Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya
keluaran motor. Ini merupakan rugi-rugi daya yang terjadi di dalam motor.
Dalam persamaan dinyatakan dengan :
Σ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran....................(2.39)
Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor DC didefinisikan sebagai selisih daya
antara daya masukan yang diterima motor dengan daya keluaran yang dapat
Universitas Sumatera Utara
dihasilkannya dimana selisih daya tersebut berubah menjadi bentuk energi yang
lain yang tidak dapat digunakan bahkan dapat merugikan bagi motor itu sendiri.
Sebagian tenaga listrik ( input ) motor DC hilang atau berubah menjadi
panas. Dalam hal ini akan menimbulkan panas yang berlebihan yang berakibat
rusaknya isolasi. Hal tersebut terjadi pada setiap mesin arus searah, baik itu
generator DC maupun motor DC dan mesin AC. Kerugian – kerugian itu antara
lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada
belitan, rheostat dan sebagainya.
Generator DC dan motor DC mempunyai tipe kerugian-kerugian yang
sama. Kerugian-kerugian itu adalah
Tabel 2.1 Tipe dan Jenis Kerugian
Tipe – tipe Kerugian
Keterangan
b. Kerugian pada rheostat
Kerugian 𝐼 2 R pada belitan penguat
c. Kerugian pada penguat
Kerugian 𝐼 2 R pada tahanan geser ( 𝑅𝑠𝑡 ,
a. Kerugian pada belitan shunt
shunt
R pengatur )
d. Kerugian oleh gesekkan dan oleh
angin
e. Kerugian karena gesekkan sikat- Kerugian mekanis akibat gesekkan
sikat
sikat-sikat
Kerugian pada kipas pendingin
f. Kerugian pada ventilasi
g. Kerugian inti
Kerugian 𝐼 2 R pada lilitan jangkar
Universitas Sumatera Utara
i. Kerugian pada lilitan seri
Kerugian 𝐼 2 R pada lilitan penguat seri
j. Kerugian pada kontak sikat
kontak-kontak
h. Kerugian pada lilitan jangkar
Kerugian listrik pada sikat-sikat dan
Kerugian-kerugian akibat arus liar pada
k. Kerugian stray load
tembaga, kerugian inti, reaksi jangkar,
kerugian short circuit pada saat
komutasi.
Untuk lebih jelasnya pada tabel 2.2 menunjukkan jenis kerugian-kerugian
pada mesin DC dan bagaimana cara menentukan besarnya kerugian-kerugian
tersebut.
Tabel 2.2 Kerugian-kerugian pada Mesin DC
Kerugian- kerugian
Cara menentukan
Perputara (Stray Power )
Gesekan :
Bantalan
Sikat
Kipas pendingin (windage)
Biasanya ditentukan melalui tes
Inti jangkar :
Histerisis
Arus liar
Tembaga
Lilitan jangkar
Lilitan kutub bantu
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑎
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑏
Universitas Sumatera Utara
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑠𝑒
Lilitan seri
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑐
Lilitan kompensasi
( 1 s/d 6 ) x 𝐼𝑎
Kontak sikat
U 𝐼𝑠ℎ
Lilitan shunt
Stray Load Losses
1 percent dari output untuk mesin yang
lebih besar dari 150 KW ( 200 HP )
2.10 Efisiensi Motor DC Penguatan Kompon
Efisiensimotor arus searah merupakan perbandingan antara daya keluaran
dengandaya masukanyang dinyatakan dalam persen (%) dari motor arus searah
tersebut.Daya masukan yang diterima oleh motor arus searah berupa daya listrik
sedangkandaya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak
rotor dan hasil selisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut
rugi-rugi.dimana rugi-rugi motor arus searah sangat dipengaruhi oleh arus jangkar
dan arus medan shunt dimana jika Ia dan Ish berubah maka rugi-rugi juga berubah
sehingga sangat mempengaruhi efesiensi. Dengan demikian, efisiensi suatu motor
arus searah diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.40) :
η=
Karena
Karena
Pout
x 100 %
Pin
(2.40)
Pout = Pin – ΣRugi-Rugi
(2.41)
Pin = Pout +ΣRugi-Rugi
(2.42)
PRugi-Rugi= ( Ia )2 x Ra+ ( Is )2 x Rs + ( Ish )2 x Rsh
(2.43)
Universitas Sumatera Utara
Maka efisiensi motor arus searah dapat juga dituliskan sepertipersamaan
(2.44) dan persamaan (2.45) :
η =
η=
Pin − ∑ Rugi − Rugi
x 100 %
(2.44)
Pout
x 100 %
Pout + ∑ Rugi − Rugi
(2.45)
Pin
Dimana :
η = efisiensi motor arus searah (%)
Pin = daya masukan motor arus searah (Watt)
Pout= daya keluaran motor arus searah (Watt)
Efisiensi yang dinyatakan oleh persamaan (2.44) disebut juga sebagai
efisiensi komersial atau efisiensi keseluruhan (overall efficiency). Selain itu,
dalam motor arus searah dikenal juga dua macam efisiensi lainnya, yaitu
2.10.1 Efisiensi Mekanis
Efisiensi mekanis pada motor arus searah dapat diperoleh dengan
menggunakan persamaan (2.41) :
ηm =
Pout
x 100 %
Pa
(2.46)
Dimana :
Pout = daya keluaran motor arus searah = Ta x ω (Watt)
Pa = daya yang dibangkitkan pada kumparan jangkar = Ea x Ia(Watt)
Tsh= torsi poros dari motor arus searah (Newton-meter)
ω
= kecepatan putaran rotor (radian per detik)
Jadi daya keluaran motor dapat ditentukan dengan persamaan (2.48) atau (2.49) :
Universitas Sumatera Utara
Pout =Ta x ω ............................................................( 2.48)
Pout =Ta x 2πN.........................................................(2.49)
2.10.1 Efisiensi Elektris
Efisiensi elektris atau efisiensi listrik pada motor arus searah dapat
diperoleh dengan menggunakan persamaan :
ηe=
Pa
x 100%............................................................(2.50)
Pin
Dimana :
Pin = Vt x IL(Watt)
Vt= tegangan terminal motor arus searah (Volt)
IL= arus jala-jala (Ampere)
Dari persamaan (2.44) dan persamaan (2.47)diperoleh hubungan antara
efisiensi mekanis dengan efisiensi elektris yaitu seperti persamaan (2.48) :
η = ηm x ηe.....................................................................(2.51)
Universitas Sumatera Utara