BAB I - Universitas Sumatera Utara

BAB II
MOTOR ARUS SEARAH
II.1. Umum(8,9)
Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik, dimana energi gerak tersebut berupa putaran dari motor.
Ditinjau dari segi sumber arus penguat magnetnya, motor arus searah dapat
dibedakan atas :
1. Motor arus searah penguatan terpisah, bila arus penguat medan rotor
dan medan stator diperoleh dari luar motor.
2. Motor arus searah penguatan sendiri, bila arus penguat magnet berasal dari
motor itu sendiri.
Motor arus searah dapat diklasifikasi sebagai berikut :
1. Motor arus searah penguatan shunt
2. Motor arus searah penguatan seri.
3. Motor arus searah kompon panjang.
•
Motor arus searah kompon panjang kumulatif.
•
Motor arus searah kompon panjang differensial.
4. Motor arus searah kompon pendek
•
Motor arus searah kompon pendek kumulatif.
•
Motor arus searah kompon pendek diferensial.
Universitas Sumatera Utara
II.2. Kontruksi Motor Arus Searah (8,9)
Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi atas
dua bagian yaitu bagian yang diam disebut stator dan bagian yang bergerak/berputar
disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Konstruksi Motor Arus Searah.
Dari Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari motor arus searah.
Keterangan Gambar 2.1. sebagai berikut :
1.
Badan motor ( rangka ).
Rangka ( frame atau yoke ) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin listrik
lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu :
1. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.
2. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin.
Untuk mesin kecil, dipertimbangan harga lebih dominan daripada beratnya,
biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang ( cast iron ), tetapi untuk mesin-mesin
besar umumnya terbuat dari baja tuang ( cast steel ) atau lembaran baja ( rolled steel
). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti, selain
Universitas Sumatera Utara
itu rangka ini juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi disamping kuat secara
mekanik .
Biasanya pada motor terdapat papan nama ( name plate ) yang bertuliskan
spesifikasi umum atau data-data teknik dari mesin, juga terdapat kotak ujung yang
merupakan tempat-tempat ujung-ujung belitan penguat medan dan lilitan jangkar.
2.
Kutub
Medan penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub
( Gambar 2.2 ).
(a)
(b)
Gambar 2.2 Konstruksi Kutub dan Penempatannya.
a. Konstruksi Inti Kutub
b. Penempatan Inti Kutub
Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah :
1. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar
maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet.
2. Sebagai pendukung secara mekanik untuk kumparan penguat atau kumparan
medan.
Universitas Sumatera Utara
Inti kutub terbuat lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub
dilaminasi dan dibaut atau dikeling ( rivet ) ke rangka mesin. Sebagaimana diketahui
bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus searah dihasilkan oleh kutubkutub magnet buatan dengan prinsip elektromagnetik.
3.
Inti jangkar.
Inti jangkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk
silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparankumparan tempat terbentuknya ggl induksi. Inti jangkar yang terbuat dari bahan
ferromanetik, dengan maksud agar komponen-komponen ( lilitan jangkar ) terletak
dalam daerah yang induksi magnetnya besar, supaya ggl induksi dapat bertambah
besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari bahan-bahan
berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier
( Gambar 2.3 ).
Gambar 2.3. Inti jangkar yang terlapis-lapis.
Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon. Pada
umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.
Universitas Sumatera Utara
4.
Kumparan jangkar
Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi tempat terbentuknya
ggl induksi. kumparan jangkar terdiri dari :
1. Kumparan gelung
Gambar 2.4a. Kumparan gelombang
2. Kumparan gelombang.
Gambar 2.4b. Kumparan Gelombang
5.
Kumparan medan
Fungsi kumparan medan ini adalah untuk membangkitkan fluksi yang akan dipotong
oleh konduktor jangkar.
Universitas Sumatera Utara
6. Komutator
Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar ,sebagai
penyearah mekanik, yang bersama-sama dengan sikat membuat sesuatu kerjasama
yang disebut komutasi. Agar menghasilkan penyearah yang lebih baik, maka
komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Dalam hal ini setiap
belahan ( segmen ) komutator tidak lagi merupakan bentuk separoh cincin, tetapi
sudah berbentuk lempengan-lempengan ( segmen komutator ) terdapat bahan isolasi
( Gambar 2.5 ) .
Gambar 2.5 Komutator
7.
Sikat-sikat
Sikat-sikat ini ( Gambar 2.6 ) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke
kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen
komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur
sesuai dengan keinginan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Sikat-sikat
Disamping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.
Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi
rugi-rugi listrik. Agar gesekan antara komutator-komutator dan sikat tidak
mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak daripada komutator.
II.3. Prinsip Kerja Motor Arus Searah (1,3,5,6)
Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet di
sekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu
medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan
pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet
Universitas Sumatera Utara
Pada Gambar 2.7.a menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus
listrik menghasilkan medan magnet disekelilingnya. Arah medan magnet yang
dihasilkan oleh konduktor dapat diperoleh dengan menggunakan kaidah tangan
kanan.
Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor.
Sedangkan Gambar 2.7.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diakibatkan oleh
kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutub utara
menuju kutub selatan.
Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan di
dalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.7.c. Daerah di atas konduktor, medan yang ditimbulkan
konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama.
Sementara di bawahnya, garis-garis magnet dari konduktor arahnya berlawanan
dengan dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah
kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi
kerapatan fluksi di bawah konduktor.
Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannya
bertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untuk mengurangi
kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya berupa dorongan ke
arah bawah. Begitu juga halnya bila arah arus dalam konduktor dibalik. Kerapatan
fluksi yang berada di bawah konduktor akan
bertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehingga
konduktor akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas.
Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak
tegak lurus terhadap medan.
Universitas Sumatera Utara
Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini:
Gambar 2.8. Prinsip perputaran motor dc
Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan, mengalir
arus medan If pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga
menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.
Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan, pada
kumparan jangkar
mengalir arus jangkar Ia. Arus yang
mengalir
pada
konduktorkonduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar.
Fluksi jangkar ini memotong fluksi dari kedua kutub medan, sehingga menyebabkan
perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar
mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi.
Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar, merupakan
akibat aksi gabungan medan utama dan medan di sekeliling konduktor. Gaya yang
dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan utama dan kuat medan di
sekeliling konduktor. Medan di sekeliling masing masing konduktor jangkar
tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir pada konduktor tersebut. Arah
gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri.
Universitas Sumatera Utara
Gaya Lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang
bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet (B). Arah
gaya ini akan mengikuti arah maju skrup yang diputar dari vektor arah gerak muatan
listrik (v) ke arah medan magnet (B), seperti yang terlihat dalam rumus berikut:
F = q( v x B)
Sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam daerah medan magnet
homogen akan mendapatkan gaya. Gaya ini juga dinamakan gaya Lorentz. Gerak
partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah
gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah
tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan
magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah
medan magnet ( B ). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik ( I ). Untuk muatan
positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak
berlawanan dengan arah arus.
Besarnya gaya Lorentz (F) dapat ditulis:
F = B.I.ℓ ............................................................................................... (2.1)
Jika besar muatan q bergerak dengan kecepatan v, dan I = q/t maka persamaan gaya
adalah:
F = I . ℓ . B sin θ
= q/t . ℓ . B sin θ
= q . ℓ/t . B sin θ
= q . v . B sin θ
Sehingga besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh sebuah muatan yang bergerak
dalam daerah medan magnet dapat dicari dengan menggunakan rumus :
F = q . v . B sin θ
Universitas Sumatera Utara
Sedangkan Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:
T = F . r .......................................................................................... (2.2)
Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka motor akan
berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:
T = K Φ Ia ............................................................................................. (2.3)
K=
P.Z
............................................................................................ (2.4)
2π .a
Dimana :
T = Torsi [ N-m ]
r
= Jari-jari rotor [ Meter ]
K = Konstanta ( bergantung pada ukuran fisik motor )
Φ = Fluksi setiap kutub
Ia = Arus jangkar [ Ampere ]
P
= Jumlah kutub pada motor
Z = Jumlah konduktor pada motor
a
= Cabang parallel
Universitas Sumatera Utara
II.4. Jenis-jenis Motor Arus Searah (1,5,8,9)
II.4.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas
1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
+
Ia
If
+
Vt
Ra
Ea
Rf
-
Vf
Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
2. Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas
Vt = Ea + Ia.Ra ........................................................................................................................................... (2.17)
Vf = If . Rf ........................................................................................... (2.18)
dimana :
Vt = Tegangan terminal jangkar motor arus searah [ Volt ].
Ia
= Arus jangkar [ Amp].
Ra = Tahanan jangkar [ Ohm ].
If
= Arus medan penguatan bebas [ Ohm ].
Vf = Tegangan terminal medan penguatan bebas [ Volt ].
Rf = Tahanan medan penguatan bebas [ Ohm ].
Ea = Gaya gerak listrik motor arus searah [ Volt ].
Universitas Sumatera Utara
II.4.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt
1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
+
IL
Ia
Ish
+
Vt
Rsh
Ra
Ea
-
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt
Vt = Ea + Ia.Ra ........................................................................................................................................ (2.19)
Vsh = Vt = Ish . Rsh ............................................................................... (2.20)
IL = Ia + Ish……………………………………………………………………………………………(2.21)
dimana :
Ish = Arus kumparan medan shunt [ Ohm ].
Vsh = Tegangan terminal medan motor arus searah [ Volt ].
Rsh = Tahanan medan shunt [ Ohm ].
IL = Arus beban [ Ampere ].
Universitas Sumatera Utara
II.4.3 Motor Arus Searah Penguatan Seri
1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri
Rs
+
IL
Ia
+
Vt
Ea
-
Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri
2. Persamaan umum motor arus searah seri.
Vt = Ea + Ia (Ra + Rs)…………………………………………………...(2.22)
Ia = (
Vt − Ea
) …………………………..………………………….(2.23)
Ra + Rs
Ia = IL ………………………………………………………………….(2.24)
dimana :
Is
= Arus kumparan medan seri [ Amp ].
Rs = Tahanan medan seri [ Ohm ].
Universitas Sumatera Utara
II.4.4 Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon
(a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang lawan.
(b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang Bantu.
Vt = Ea + Ia.(Rs+ Ra)…………………………………………………...(2.25)
Vt = Ish . Rs…………………..………………..………………………..(2.26)
IL = Ish + Ia………………………………………..………...………….(2.27)
Gambar 2.20 (a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek lawan
(b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek Bantu.
Vt = Ea + IL . Rsh + Ia . Ra…………………………………………....….(2.28)
Vt = Ish . Rsh………………………………………………..………………..(2.29)
IL = Ia + Ish………....…………………………………………………..(2.30)
Universitas Sumatera Utara