BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Motor Arus Searah Motor
arus
searah
adalah
suatu
mesin
listrik
yang
berfungsi
mengubah energi listrik arus searah (DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik,dimana energi gerak mekanik tersebut berupa putaran rotor.Proses pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet [1]. Berdasarkan konstruksinya, motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor).Pada bagian yang diam merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar ditempati oleh rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat [2]. 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 akan menimbulkan suatu gaya sehingga akan menimbulkan torsi[3] Motor arus searah biasanya digunakan terutama untuk melayani beban dengan torsi start yang besar dan memiliki efisiensi yang tinggi sehingga lebih unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron[2]. Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisiensi.Untuk memenuhi semuannya ini,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi.
5
Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya reaksi jangkar[2]. Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap kinerja,efisiensi, dan torsi dari motor tersebut.Untuk mengurangi reaksi jangkar ini,ada tiga cara atau teknik yang dapat dilakukan yaitu dengan melakukan pergeseran sikat, menambahkan kutub kutub komutasi, dan belitan kompensasi[4]. 2.2
Konstruksi Motor Arus Searah Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi
atas dua bagian, yaitu : bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang diam disebut stator dan bagian yang berputar/bergerak disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar di bawah ini [1]:
Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator
6
Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor Keterangan dari gambar tersebut adalah: 1 Badan Motor (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 (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi,yaitu:1.Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. 2.Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.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. Biasanya pada badan (rangka) motor terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum atau data data teknik dari mesin tersebut[5]. 7
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.Dimana fungsinya adalah untuk menahan kumparan medan di tempatnya dan menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung.Inti kutub terbuat dari laminasi pelat-pelat baja yang terisolasi satu sama lain.Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut ke inti kutub.Maka kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka.Pada inti kutub ini dibelitkan kumparan medan yang terbuat dari kawat tembaga yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnetik[7].
Gambar 2.3 Konstruksi Kutub dan Penempatannya 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.Sikat sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam
8
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[11].
Gambar 2.4 Sikat Pada Motor DC 4 Kumparan Medan Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat atapun persegi.Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.Pada aplikasinya rangkaian medan dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik seri maupun paralel dan juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber tegangan sesuai dengan jenis penguatan pada motor[6]. 5 Kumparan Jangkar Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi.Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar,sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumparan medan serinya diserikan 9
terhadap kumparan jangkar.Konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam yaitu[12]: 1. Kumparan jerat (lap winding) 2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan zig-zag (frog-leg winding) 6 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.Inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik,dengan maksud agar komponen-komponen (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar supaya ggl induksi dapat bertambah besar.Bahan yang digunakan untuk jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silicon.Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah ini[8]:
Gambar 2.5 Inti Jangkar yang Berlapis-lapis
10
7 Komutator Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat.Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar,sebagai penyearah mekanik,yang bersama-sama dengan sikat membuat sesuatu kerjasama yang disebut komutasi.Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros.Di mana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan,maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar[10].
Gambar 2.6 Komutator 8 Celah Udara Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu kutub[2].
11
2.3
Prinsip Kerja Motor Arus Searah Sebuah konduktor mempunyai medan magnet disekelilingnya apabila konduktor tersebut dialiri oleh arus listrik. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan pada Gambar di bawah ini[2] :
Gambar 2.7 Pengaruh Penempatan Konduktor yang Dialiri Arus Listrik Dalam Medan Magnet 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. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar 2.8 berikut ini[6].
Gambar 2.8 Kaidah tangan kanan
12
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[3]. Pada saat konduktor dengan arah menjauhi pembaca ditempatkan di dalam medan magnet seragam,maka medan gabungnya 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 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 atau 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[9]. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut.
13
Gambar 2.9 Prinsip perputaran motor arus searah 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. Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia,sehingga pada konduktor kumparan jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar.Fluksi jangkar ini akan memotong fluksi dari kumparan medan sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama.Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi[1]. 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
14
pada konduktor tersebut.Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri[9].
Gambar 2.10 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor DC Besarnya gaya F = B . I . l . sin θ,karena arus jangkar I tegak lurus dengan arah induksi magnetik B maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah : F = B . I . l Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2.1) Dimana :
F = gaya Lorentz [Newton] I = arus [Ampere] l = panjang penghantar [meter] B = kerapatan fluksi [Webber/m2]
Sedangkan torsi yang dihasilkan motor adalah : T = F . r . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2.2) Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar.Besar torsi beban dapat dituliskan dengan[1]: T = K . Φ . Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2.3)
15
K= Dimana :
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2.4)
T = torsi [N-m] r = jari-jari [m] K = konstanta [tergantung pada ukuran fisik motor] Φ = fluksi setiap kutub Ia = arus jangkar [A] p = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang paralel
2.4 Permasalahan dengan Komutasi Pada Mesin Arus Searah Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut yaitu[2]: - Reaksi jangkar - Tegangan (L di/dt) 2.4.1 Reaksi Jangkar Reaksi
jangkar
merupakan
medan
magnet
yang
disebabkan
oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam magnet.Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal yaitu [3] : 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 dari kutub utara menuju kutub selatan Dari gambar 2.11 dapat dijelaskan bahwa :
16
Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis. Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor di mana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet sehingga gaya gerak listrik induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol.Seperti yang terlihat dari gambar 2.11 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,di mana vektor ini tegak lurus terhadap bidang netral magnetis.
Gambar 2.11 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi.
17
Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 2.12 berikut ini :
Gambar 2.12 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 2.13 berikut ini[10]:
Gambar 2.13 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar 18
Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet (ggm) 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 (crossmagnetization)[6]. Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral.Pada Gambar 2.13 terlihat 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
dengan
titik
jenuhnya,sehingga
dapat
menimbulkan kejenuhan magnetik. 2.4.2
Tegangan L.di/dt Masalah utama kedua adalah tegangan L.di/dt yang terjadi pada segmen
komutator yang terhubung singkat oleh sikat-sikat (inductive kick).Misalkan arus pada sikat (IA) sebesar 400 A,arus tiap jalur ½ IA sebesar 200 A. Pada saat segmen komutator terhubung singkat,arus yang melalui segmen komutator terbalik arahnya.Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran/menit
19
dan mesin memiliki 50 segmen komutator,maka tiap segmen komutator berpindah pada sikat selama t=0.0015 detik.Sedangkan rentang perubahan arus terhadap waktu pada rangkaian terhubung singkat rata-rata sebesar di/dt = 400/0.0015=266.667 Amper/detik. Dengan induktansi yang kecil pada rangkaian,tegangan V = L.di/dt yang signifikan akan diinduksikan pada segmen komutator.Tegangan tinggi ini secara alami menyebabkan adanya percikan bunga api pada sikat-sikat mesin[7]. 2.4.3 Mengatasi Masalah Komutasi Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses komutasi, yaitu[2]: 1. Pergeseran sikat (brush shifting) 2. Kutub kutub komutasi (comutating poles/interpoles) 3. Belitan kompensasi (kompensating windings) 2.4.3.1 Penggeseran Sikat (Brush Shifting) Sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi jangkar adalah pergeseran atau perpindahan garis netral searah dengan arah putaran motor.Dalam hal ini sikat yang semula segaris dengan garis netral,kini bergeser beberapa derajat dari garis netral.Untuk itu sikat dipindahkan seirama dengan perpindahan bidang netral.Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin sehingga
20
setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul,maka jarak perpindahan bidang netralnya pun berpindah.Sehingga sikat juga harus dirubah setiap saat,seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral.Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya fluksi akibat reaksi jangkar mesin. Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.14 berikut ini [2] :
Gambar 2.14 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral Pada Gambar 2.14(a)diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula.Ggm resultan yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.14 (c).Sedangkan
21
pada Gambar 2.14 (b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin.Akibat pergeseran tersebut ggm resultannya melemah sedemikian rupa.Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.14 (d) [2]. 2.4.3.2 Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles) Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang kutub-kutub komutasi (comutating poles /interpole).Kutub
kutub
k o m u t a s i ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari
kutub
dihubungkan
utama.Kutub seri
terhadap
kutub kumparan
k o m u t a s i (interpole) rotor.Kutub
bantu
ini akan
memperpendek jalannya garis medan magnet. Dengan dipasang kutub bantu maka garis netral akan kembali ke posisi semula dan kedudukan sikat tegak lurus dengan kutub utamanya[4].
Gambar 2.15 Pergeseran garis netral akibat reaksi jangkar
22
Gambar 2.16 Kutub magnet utama dan kutub bantu 2.4.3.3 Belitan kompensasi (kompensating windings) Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap kumparan,rotor belitan ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar. Fluks diimbangi
oleh
fluks
yang
ditimbulkan
oleh
reaksi
jangkar
yang ditimbulkan oleh belitan kompensasi yang
besarnya sama dan berlawanan.Ketika beban berubah maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh belitan kompensasi,sehingga bidang netralnya tidak bergeser. Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, juga masih memerlukan kutub bantu (interpole) untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh belitan kompensasi. Karenanya teknik ini tidak digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius [2]. 2.5 Jenis-Jenis Motor Arus Searah Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya,yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan jangkar.Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :
23
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 Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri.Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut ini[8]:
Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas: Vt = Ea + Ia.Ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.5) Vs = Is+ Rs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.6) 2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga yaitu: 2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Shunt
Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan shunt
24
Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt: Vt=Ea+Ia.Ra Vsh=Vt=Ish.Rsh. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.7) IL = Ia+Ish. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.8) 2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan seri Persamaan
umum
motor
arus
searah
penguatan
seri:
Vt=Ea+Ia(Ra+Rs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.9) Ia=
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.10)
Ia=IL=Is. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.11) Dimana: Ia=arus kumparan jangkar seri (Ampere) Is= arus kumparan medan seri (Ampere) Rs=tahanan medan seri(Ohm) Ra=tahanan jangkar seri(Ohm) Ea=gaya gerak listrik motor arus searah (Volt) Vt = tegangan terminal motor arus searah seri (Volt) 25
2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua,yaitu : 2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek IL = Ia+Ish Vt = Ea+Ia.Ra+IL.Rs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.12) Pin = Vt.IL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.13) 2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Gambar 2.21 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon panjang
26
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang IL= Ia+Ish Vt = Ea+Ia(Ra+Rs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(2.14) Pin = VtIL Vt = Vsh 2.6 Karakteristik Motor DC Seri Karakteristik Motor DC Seri terdiri dari [5] : 2.6.1 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar mulanya membentuk garis parabola saat nilai arus jangkar kecil dan ketika saturasi membentuk garis lurus seperti gambar dibawah ini :
Gambar 2.22 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri
27
2.6.2
Karakteristik putaran terhadap arus jangkar
Ketika suplai tegangan V dijaga tetap konstan,kecepatan motor akan berbanding terbalik dengan fluksi.dalam motor dc seri arus medan sama besarnya dengan arus jangkar.Oleh karena itu saat beban ringan saturasi tak tercapai,fluksi akan sebanding dengan arus jangkar dan putaran akan berbanding terbalik dengan arus jangkar.Karena itu karakteristik putaran dan arus jangkar membentuk kurva hiperbolic menuju saturasi.ketika beban naik maka arus jangkar ikut naik dan medan memperoleh saturasi,saat medan memperoleh saturasi maka fluksi menjadi konstan dan tak bergantung lagi dengan kenaikan arus jangkar. Oleh karena itu saat beban berat,putaran motor dc seri tetap konstan seperti gambar dibawah ini : Y
Arus Jangkar (Ia)
x
Gambar 2.23 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri 2.6.3
Karakteristik putaran terhadap torsi
Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc seri serupa dengan karakteristik putaran terhadap arus jangkar yang berbentuk seperti hiperbola persegi panjang seperti yang ditunjukkan gambar dibawah ini :
28
Gambar 2.24 Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc penguatan seri 2.7
Rugi-Rugi Motor Arus Searah
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
proses
pengkonversian energi pada motor DC dalam aliran daya di bawah ini [2] :
29
Gambar 2.25 Diagram aliran daya pada motor arus searah 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 : ∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran [2] Akhirnya,rugi-rugi di dalam motor DC didefenisikan sebagai selisih daya antara daya masukan yang diterima motor dengan daya keluaran yang dapat dihasilkannya dimana selisih daya tersebut berubah menjadi bentuk energi yang lain yang tidak dapat digunakan bahkan dapat merugikan bagi motor itu sendiri. 2.7.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper Loss) Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumparan jangkar motor.Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi Rs dan Ra,maka jika mengalir arus searah sebesar IS dan Ia akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan [3] : Wcu =(Ra+2Rs) I12 + I22 Ra ...............................................(2.15) Dimana : Wcu = rugi tembaga kumparan jangkar dan medan seri
30
I1 = arus motor I2 = arus generator (beban) Ra = resistansi jangkar Rs = resistansi medan seri 2.7.2 Rugi-Rugi Inti (Core or Iron Losses) Rugi-rugi ini terjadi di dalam jangkar motor DC yang disebabkan oleh perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutubnya.Ada dua jenis rugi- rugi inti yaitu: 1. Rugi Hysteresis Rugi hysteresis terjadi di dalam jangkar mesin DC karena setiap bagian jangkar dipengaruhi oleh pembalikan medan magnetik sebagaimana bagian tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.
Gambar 2.26 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub Gambar 2.26 menunjukkan jangkar yang berputar di dalam motor dua kutub. Dengan menganggap ab sebagai potongan kecil dari jangkar.Ketika potongan ab berada di bawah kutub N,garis-garis magnetik lewat dari a ke b.Setengah perputaran selanjutnya,dari potongan besi yang sama berada di bawah kutub S dan garis-garis magnetik lewat dari b ke a sehingga sifat magnet di dalam besi dibalik. Untuk dapat membalik molekul-molekul magnet secara terus menerus di dalam inti jangkar, sejumlah daya diserap sehingga menyebabkan pemanasan pada inti jangkar.Daya yang diserap dan berubah menjadi panas sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar dan disebut sebagai rugi hysteresis.Untuk menentukan besarnya rugi hysteresis di dalam inti jangkar digunakan persamaan Steinmentz yaitu[9] : Ph = η B1.6 max f υ Watt............................................................(2.16) Dimana : Ph = rugi hysteresis Bmax = rapat fluks maksimum di dalam jangkar 31
f = frekuensi pembalikan magnetik =
dimana n dalam rpm dan P=jumlah kutub
υ = volume jangkar (m3) η = koefisien hysteresis Steinmentz 2. Rugi Arus Pusar Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar,ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam inti jangkar.Tegangan ini menghasilkan arus yang bersikulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.27.Ini disebut sebagai arus pusar (eddy current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar. Rugi arus pusar berlaku sebagai panas yang dapat menaikkan temperatur motor dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai inti jangkar,resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya luas penampang inti.Akibatnya,nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan menjadi besar.Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya[10].
(a)
(b)
Gambar 2.27 (a) Arus pusar didalam jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi
2.7.3 Rugi-Rugi Mekanis (Mechanical Losses) Rugi-rugi mekanis di dalam mekanis motor DC merupakan rugirugi yang berhubungan dengan efek-efek mekanis di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin.Rugi-rugi disebabkan
oleh
gesekan
adalah
rugi-rugi
yang
pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang
32
berputar dengan bagian-bagian yang diam dari motor, diantaranya gesekan bearing atau bantalan peluru dengan rumah bearing atau dengan as rotor. Juga gesekan antara permukaan sikat dengan komutator.Karena adanya suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagian-bagian tersebut walaupun kecil,diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan akibat koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor DC tersebut. Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara bagian-bagian motor yang berputar dengan udara di dalam rumah (casing) motor.Baik itu pergesekan antara permukaan rotor dengan udara pada celah udara di dalam motor ataupun gesekan udara dengan kipas pendingin yang dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut[8]. 2.7.4 Rugi-Rugi Beban Stray (Stray Load Losses) Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi,yang timbul karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung singkat komutasi. Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe rugi-rugi yang disebutkan di atas.Di dalam perhitungan rugi-rugi motor DC, besarnya rugi- rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh. Rugi-rugi di dalam motor DC seri di atas juga dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu : 33
1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi-rugi inti + mekanis disebut dengan rugi-rugi rotasi. Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi konstan adalah : a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin. 2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervarisasi terhadap arus pembebanan. Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini adalah: a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ia2Ra). b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (Ia2Rs) c. Rugi jatuh tegangan sikat (Vbd Ia) Sehingga rugi-rugi total di dalam Motor DC adalah : ∑ Rugi-Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel [3] 2.8
Torsi Motor Arus Searah Yang dimaksud torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap suatu poros.Ini diukur dengan hasil gaya itu dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut bekerja. Gambar 2.28 menunjukkan pada suatu pulley dengan jari-jari r bekerja suatu gaya F Newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran per detik [4] Torsi = F x r Newton-meter (N-m) .....................................(2.17) Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada suatu putaran,
34
= F x 2 π r Joule .....................................................................(2.18)
Gambar 2.28 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya Daya yang dibangkitkan: =Fx2πrxn
Joule/detik
= (F x r) x 2 π n Joule/detik .........................................................(2.19) Jika : 2πn
= kecepatan sudut (ω) dalam rad/detik
Fxr
= torsi T
Maka daya yang dibangkitkan = T x ω Joule/detik = T x ω Watt 2.8.1 Torsi Jangkar Di dalam motor DC,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 jangkar.Jumlah seluruh torsi
yang dihasilkan oleh konduktor
jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta) [4] Jika pada suatu motor DC : r
= rata-rata jari-jari jangkar (meter)
l
= panjang efektif masing-masing konduktor (meter)
35
Z = jumlah total konduktor jangkar I = arus dalam setiap konduktor = Ia/A (Ampere) B = rapat fluks rata-rata (Weber/meter2) Φ = fluks per kutub (Weber) P = jumlah kutub Maka gaya pada setiap konduktor, F = B i l Newton Torsi yang dihasilkan oleh suatu konduktor = F x r Newton-meter Torsi jangkar total, Ta = Z F r Newton-meter Ta = Z B i l r Newton-meter Sekarang i = Ia/A, B = Φ/a dimana a adalah luas penampang jalur fluks per kutub pada jari-jari r. Jelasnya, a = 2 π r Ta = 0,159 x
x Ia atau Ta = 9,55 x
.
N-m .............................(2.20)
2.8.2 Torsi Poros Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh.Torsi poros merupakan torsi yang akan menghasilkan daya keluaran motor yang berguna. Jika kecepatan motor adalah n rpm, maka Daya keluaran (Watt) = 2 π n Tsh /60 Atau Tsh = 9,55 x 2.9
N-m............................................................................ (2.21)
Efisiensi Pada Mesin Arus Searah Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai berikut: η = Dimana :
100% .................................................................................. (2.22) Pin=daya masukan
36
Pout=daya keluaran [5] 2.10
Metode Field’s Test
Metode ini dapat diterapkan untuk dua motor seri yang identik. Seperti pada pengujian hopkinson,kedua motor seri dikopel secara mekanis,dimana mesin yang satu bekerja sebagai motor dan yang lainnya sebagai generator,namun pada pengujian ini keluaran generator dibuang melalui resistansi R [3]. Berikut ini adalah rangkaian field’s test untuk motor seri : Dimana :V = Tegangan suplai ke motor (volt) V1 = Tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt) I1 = Arus motor (ampere) V2 = Tegangan terminal jangkar generator arus searah (volt) I2 = Arus beban (ampere) Rs = tahanan medan seri Ra = tahanan jangkar seri R = Tahanan Variabel
37
Gambar 2.29 Rangkaian field’s test untuk motor arus searah berpenguatan seri Rugi besi dan gesekan kedua mesin dibuat sama dengan [2] : 1.Menggabung kumparan medan seri generator pada rangkaian jangkar motor,sehingga kedua mesin akan mendapat penguatan yang sama 2.Memutar kedua mesin dengan kecepatan yang sama. Motor arus searah tersebut diberi pasokan catu daya arus searah dengan tegangan nominalnya.Variabel resistor R disetel sedemikian rupa hingga motor mencapai keadaan beban penuh (diindikasikan oleh Amperemeter A),kemudian catat semua penunjukan instrumen ukur[3]. Daya masukan sistem (total) = Vt. I1 Daya keluaran sistem =V2. I2 Rugi total sistem = Wt = Vt. I1 - V2. I2 Rugi tembaga jangkar dan medan sistem = Wcu = ( Ra + 2Rs ).I12 + I22 Ra Rugi beban stray sistem = Wt – Wcu Rugi beban stray per mesin=WS = (Wt – Wcu) / 2 Efisiensi motor [3] :
38
Daya masukan motor =V1. I1 Rugi-rugi motor=Wm = ( RA + RS ).I12 + WS η (%) = {V1. I1 - Wm}/ V1. I1 Efisiensi generator [3] : Efisiensi generator untuk pengujian ini jarang dicari, karena generator beroperasi dalam keadaan abnormal (penguatan terpisah), namun jika diinginkan dapat dicari sebagai berikut : Daya Keluaran Generator = V2.I2 Rugi-rugi Generator =Wg= Rs .I12 + Ra.I22 + WS η (%) = {V2.I2}/ (V2.I2 + Wg) 2.11 Prinsip Penyearahan Tegangan Listrik Mesin DC (Komutasi) Komutator
terbuat
dari
batangan
tembaga
yang
dikeraskan
(dropforged),yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Komutator merupakan alat penyearah arus secara mekanik yang bekerja bersama sama dengan sikat.Adapun fungsi komutator ini adalah untuk mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat. Sedangkan sikat terbuat dari karbon,grafit,logam grafit atau campuran karbon-grafit
yang
dilengkapi
dengan
pegas
penekan
dan
kontak
sikatnya.besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik Sikat sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus yang dihasilkan oleh lilitan jangkar ke bagian beban.sikat juga berfungsi sebagai tempat terjadinya komutasi Kerja komutator dan sikat untuk
penyearahan arus yang dihasilkan oleh
kumparan disebut komutasi Komutasi merupakan suatu peristiwa perpindahan sikat-sikat dengan cara gesekan dari satu komutator ke komutator yang lain,peristiwa komutasi ini menyebabkan terjadinya
penyearahan arus. Pembangkitan tegangan yang 39
dihasilkan oleh mesin arus searah pada prinsipnya sama seperti pada mesin arus bolak-balik yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan listrik bolak-balik.
Gambar 2.30 Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal Perhatikan gambar 2.30 Untuk terjadinya induksi tegangan, penghantar rotor yang bergerak harus memotong medan magnet.Dengan demikian, maka tegangan hanya akan terinduksi pada segmen ab dan cd dari belitan rotor pada gambar 2.30 Tegangan induksi yang terjadi dinyatakan sebagai :
eind = (v x B).l di mana
v = kecepatan gerak penghantar rotor B = kerapatan fluks magnetik l = panjang penghantar
Arah (v x B) merupakan arah arus di dalam penghantar bila terhubung dengan beban, seperti pada gambar 1. Besar tegangan induksi yang terbentuk pada penghantar tunggal adalah sbb : eloop = eab + ebc + ecd + eda eloop = Blv + 0 + Blv + 0 eloop = 2 Blv Dengan bergeraknya belitan, maka polaritas tegangan pada belitan akan berubah bergantung posisi penghantar terhadap kutub utara dan kutub selatan. Bentuk gelombang tegangan yang terinduksi pada belitan rotor diperlihatkan pada
40
gambar berikut ini. Dapat dilihat bahwa tegangan yang terbentuk adalah tegangan bolak-balik (AC). Untuk itu diperlukan proses penyearahan didalam mesin arus searah.
Gambar 2.31 Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan rotor Prinsip penyearahan pada mesin arus searah dilakukan oleh komutator dan sikat secara mekanis, dan prosesnya dapat dilihat pada penjelesan berikut :
Gambar 2.32 Proses penyearahan tegangan (komutasi)
41
Pada waktu t1 : Segmen komutator tepat berhimpit pada sikat, pada saat ini arus listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½IA + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen komutator sebelah kanan ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA kearah kanan. Pada waktu t2: Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 1 : 3 antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersebut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandingan bagian komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¼ IA dengan segmen komutator sebelah kanan sebesar 3/4 IA. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA kearah kanan. Pada waktu T3 : Sikat tepat bearada ditengah-tengah segmen komutator, sehingga arus yang mengalir terdistribusi menjadi dua bagian yang sama besar antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga pada kumparan k tidak ada arus yang mengalir (nol). Pada waktu T4 : Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 3 : 1 antar segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersbut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandigan bagain komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¾ IA dan segmen komuntator sebelah kanan sebesar ¼ IA. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA ke arah kiri. Pada waktu T5 : Segmen komuntator sebelah kiri tepat berhimpit pada sikat ( segmen telah meninggalkan segmen komuntator sebelah kanan sama sekali), pada saat ini arus
42
listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½ A1 + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen mengalir melalui segmen komutator sebelah kiri ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA ke arah kiri. Perpindahan arus yang terjadi pada kumparan k (kumparan jangkar) yang berputar pada medan magnet menyebabkan gaya gerak listrik (tegangan induksi) membentuk gelombang searah (terjadi pembalikan), seperti pada gambar berikut :
Gambar 2.33 Tegangan mesin arus searah hasil komutasi Sedangkan gambar arus sebagai fungsi waktunya dilukiskan pada gambar berikut: i
t
Gambar 2.34 Arus searah mesin arus searah Prinsipnya penyearahan ideal terlihat sebagai garis linear. Sedangkan hasil penyearahan pada parakteknya berbentuk seperti gambar setengah lingkaran yang bergaris putus-putus, hal ini akibat pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat. Solusi untuk menjadikannya ideal (berupa garis liner), dapat ditempuh dengan menetralkan ggm yang timbul akibat induktansi tersebut, salah satunya dengan menambahkan kutub bantu komutasi,kumparan kompensasi. dimana ggm nya sama dan berlawanan dengan ggm induktansi.
43
