BAB II DASAR TEORI
2.1
Umum Motor arus searah (motor DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik
arus searah menjadi energi mekanis. 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 sehingga akan menimbulkan momen puntir atau torsi.
18
2.2
Konstruksi Motor Arus Searah Gambar di bawah ini merupakan konstruksi motor arus searah.
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Arus Searah
Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian stator
Gambar 2.3 Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Rotor
19
Keterangan dari gambar di atas adalah: 1.
Badan motor (rangka) Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin
listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu: a.
Merupakan
sarana
pendukung
mekanik
untuk
mesin
secara
keseluruhan.
b.
Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.
Untuk mesin kecil, pertimbangan harga lebih dominan dari pada 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 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 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 :
20
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. 3.
Inti jangkar Inti jangkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah
berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar yang terbuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar komponenkomponen (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 berlapis- lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier ditunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Inti Jangkar yang Berlapis-Lapis Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon. Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.
21
4. Kumparan jangkar Kumparan
jangkar
pada
motor
arus
searah
merupakan
tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang kumparan medannya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar. 5. Kumparan medan Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. 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. Komutator Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Di mana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. 7. Sikat-Sikat Sikat-sikat ini (gambar 2.5) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen
22
komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.
Gambar 2.5 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 antar komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator. Maka sikat harus lebih lunak dari pada 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. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
2.3
Prinsip Kerja Motor Arus Searah Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet
disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik yang ditempatkan
23
pada suatu medan magnet maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, separti diperlihatkan pada gambar:
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.6 Pengaruh Penempatan Konduktor Berarus Dalam Medan Magnet Pada gambar 2.6(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 2.6(b) menunjukkan sebuah medan magnet yang arah medan magnetnya adalah dari kutub utara menuju kutub selatan. Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan didalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.6(c) daerah di atas konduktor, medan yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi di bawah konduktor.
24
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 jika 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. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini.
Gambar 2.7 Prinsip Perputaran Motor DC Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan, mengalir arus medan πΌπ pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga
menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutup utara menuju kutup selatan. Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan kesumber tegangan, pada
25
kumparan jangkar mengalir arus jangkar πΌπ . Arus yang mengalir pada konduktor-
konduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksi
jangkar ini memotong fluksi dari 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 disekeliling 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.
Gambar 2.8 Aturan Tangan Kiri untuk Prinsip Kerja Motor DC Besarnya gaya F = B . I . l . sinΞΈ, 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 Newtonβ¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦...β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(2.1)
26
Dimana : F = Gaya lorenz (Newton) I
= Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)
B = Kerapatan fluksi (Weber/m2) l
= Panjang konduktor jangkar (m)........
Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan: T=F.rβ¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦...(2.2) Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan: π = πΎ. β
. πΌπ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦...(2.3)
πΎ= Dimana :
π.π
2ππ
β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(2.4)
T = torsi (N-m) r = jari-jari rotor (m) K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) β
= fluksi setiap kutub πΌπ = arus jangkar (A) P = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang pararel
27
2.4
Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan Pada Motor Arus Searah Ketika jangkar motor berputar konduktornya juga berputar dan memotong
fluksi utama. Sesuai dengan hukum faraday, akibat gerakan konduktor di dalam suatu medan magnetik maka pada konduktor tersebut akan timbul GGL induksi yang diinduksikan pada konduktor tersebut dimana arahnya berlawanan dengan tegangan yang diberikan pada motor. Karena arahnya melawan, maka hal tersebut disebut GGL lawan. Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan berikut:
πΈπ =
π π
π 60
π. β
(π£πππ‘) ........................................................................(2.5)
Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut:
πΈπ = πΎ β² . π. β
...........................................................................................(2.6)
Dimana:
πΎ β² = ππππ π‘πππ‘π = 2.5
π.π
π.60
...................................................................(2.7)
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 : 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. Di mana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
28
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
Gambar 2.9 Motor Arus Searah Penguatan Bebas Persaman umum motor arus searah penguatan bebas ππ‘ = πΈπ + πΌπ π
π ........................................................................ (2.8) ππ = πΌπ + π
π .............................................................................(2.9)
Dimana: ππ‘ = tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt) πΌπ = arus jangkar (Amp)
π
π = tahanan jangkar (ohm)
πΌπ = arus medan penguatan bebas (amp)
π
π = tahanan medan penguatan bebas (ohm)
ππ = tegangan terminal medan penguatan bebas (volt) πΈπ = gaya gerak listrik motor arus searah (volt)
Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat diabaikan. Dan untuk rumus selanjutnya V sikat ini diabaikan.
29
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 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
Gambar 2.10 Motor Arus Searah Penguatan Shunt Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt ππ‘ = πΈπ + πΌπ π
π ......................................................................................(2.10) ππ β = ππ‘ = πΌπ β . π
π β ................................................................................(2.11) πΌπΏ = πΌπ + πΌπ β ...........................................................................................(2.12) Dimana : πΌπ β = arus kumparan medan shunt (ohm)
ππ β = tegangan terminal medan motor arus searah (volt)
π
π β = tahanan medan shunt (ohm) πΌπΏ = arus beban (amp)
30
2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri
Gambar 2.11 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Persamaan umum motor arus searah penguatan seri: ππ‘ = πΈπ + πΌπ (π
π + π
π )..........................................................(2.13)
πΌπ = οΏ½
ππ‘ β πΈπ
π
π β π
π
Dimana:
οΏ½ .......................................................................(2.14)
πΌπ = πΌπΏ ..............................................................................(2.15)
πΌπΏ = arus beban (amp) 2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu: 2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek
31
Gambar 2.12 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond pendek: πΌπΏ = πΌπ + πΌπ β .......................................................................................(2.16) ππ‘ = πΈπ + πΌπΏ . π
π π + πΌπ . π
π ................................................................(2.17)
πππ = ππ‘ . πΌπΏ ...........................................................................................(2.18) Dimana: πΌπΏ . π
π π
(πΌπΏ )2 . π
π π πΌπ . π
π
(πΌπ )2 . π
π
= tegangan jatuh pada kumparan seri = rugi daya pada kumparan seri = tegangan jatuh pada kumparan armatur = rugi daya armatur
32
2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang
Gambar 2.13 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond panjang: πΌπΏ = πΌπ + πΌπ β .......................................................................................(2.19)
ππ‘ = πΈπ + πΌπ . (π
π π + π
π ) ..................................................................(2.20)
πππ = ππ‘ . πΌπΏ ...........................................................................................(2.21) ππ‘ = ππ β .............................................................................................(2.22)
Dimana: πΌπΏ . π
π π
= tegangan jatuh pada kumparan seri
(πΌπ )2 . π
π π
= rugi daya pada kumparan seri
(πΌπ )2 . π
π
= rugi daya armatur
(πΌπ )2 . π
π β
= rugi daya pada kumparan shunt
33
2.6
Komputasi ( Penyearahan ) Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua
masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut, yaitu: -
Reaksi jangkar
-
Tegangan (L di/dt)
2.6.1
Reaksi Jangkar Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh
mengalirnya arus pada jangkar, di mana jangkar tersebut berada di dalam medan magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 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 2.14 berikut ini : Bidang Netral Magnetis
U
S
Sikat O
FM
Gambar 2.14 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan
34
Dari gambar 2.14 dapat dijelaskan bahwa : ο Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis. ο 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 3.1 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 OF M mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, di mana 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 ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 3.2 berikut ini : Bidang Netral Magnetis O
U
S FA
Gambar 2.15 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 35
gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OF A 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 2.16 berikut ini: Ο
U
S Bidang netral magnetis lama
Ξ² O
FM
Bidang netral magnetis baru
FA
Fr
Gambar 2.16 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar
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 (cross-magnetization).
36
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.16 terlihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OF A dan OF M, serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus terhadap vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh Ξ² 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. Pengaruh kejenuhan magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan bantuan gambar 2.17 sebagai berikut:
Ξ¦ y x z
O
gg B B Gambar 2.17 Kurva Pemagnetan Saat Terjadi Reaksi Jangkar Misalkan fluks sebesar Ox adalah fluksi dihasilkan medan utama tanpa dipengaruh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya reaksi jangkar
37
pertambahan-pengurangan kuat medan magnet (ggm) yang terjadi pada kutub medan sebesar B ampere-lilitan. Pada lokasi di permukaan kutub di mana gaya gerak magnet (ggm) rotor menambahkan ggm kutub terjadi penambahan kerapatan fluks sebesar xy. Sedangkan pada lokasi permukaan kutub di mana ggm rotor mengeliminir ggm kutub terjadi penurunan kerapatan fluksi sebesar xz, di mana harga xz lebih besar dari pada xy. Oleh karena itu, penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik. 2.6.2 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 (I A ) sebesar 400 A, arus tiap jalur 1/2I A sebesar 200 A. Pada saat segmen komutator terhubung singkat, arus yang melalui segmen komutator terbalik arahnya. Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran/menit 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.
38
2.6.3 Mengatasi Masalah Komutasi Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses komutasi, yaitu: 1. Pergeseran sikat (brush shifting) 2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles) 3. Belitan kompensasi (kompensating windings) 2.6.3.1 Pergeseran Sikat (Brush Shifting) Ide dasarnya adalah dengan memindahkan sikat seirama dengan perpindahan bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang timbul. Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang netralnya pun berpindah, sehingga sikat harus juga diubah setiap saat, seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin, selain dengan metode ini mesin arus searah tidak dimungkinkan untuk bekerja sebagai generator (akan menimbulkan percikan api yang lebih besar), dan sangat tidak ekonomis terutama untuk mesin-mesin berukuran kecil. Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.18 berikut ini. Pada gambar 2.18(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser (lihat gambar segitiga ggm-nya), sedangkan pada gambar 2.18(b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin. Akibat pergeseran tersebut (lihat gambar segitiga ggm-nya), terlihat ggm resultannya melemah sedemikian rupa. 39
(a)
( b) Gambar 2.18 Bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin.
2.6.3.2 Penambahan Kutub Bantu (interpole) Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol,
40
maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, kutub-kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan ditengahtengah diantara kutub-kutub utama. Interpole ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Sehingga dengan adanya fluks dari interpole ini akan dapat mencegah/mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi. Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotor pun meningkat, besarnya perubahan/ pergeseran bidang netral meningkat pula. Hal tersebut akan menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang sedang melakukan komutasi. Pada saat itu fluks interpole juga meningkat, menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat pergeseran bidang netral.
IA
-
U
Jangkar
VT
S
+
IA
Gambar 2.19 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu 2.6.3.3 Belitan Kompensasi (Compensating Windings) Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap kumparan, rotor belitan ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar. Fluks yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar diimbangi oleh fluks yang ditimbulkan oleh belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan. Ketika
41
beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser. Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, dan juga masih memerlukan interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh belitan kompensasi. Karenanya teknik ini digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius.
2.7
Rugi β 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:
42
P
P d
PL
P g
mk
P j
Gambar 2.20 Diagram Aliran Daya( ππΏ
πππ )
Untuk mengubah daya listrik ( ππΏ ) menjadi daya mekanik (πππ ) motor DC mengalami kerugian-kerugian yaitu : a. ππ ( rugi gesekan )
b. ππ½ ( Joule ) ialah kerugian-kerugian yang disebabkan oleh kerugian tembaga dan kerugian besi ππ½ = ππ‘π + ππ
c. π pada penguat
d. π 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 : Ξ£ Rugi-Rugi = Daya Masukan β Daya Keluaran.........(2.23) Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor DC didefinisikan 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.
43
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 β kerugian itu antara lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada belitan, rheostat dan sebagainya. 2.7.1
Rugi-Rugi Tembaga (Copper losses) 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 R f dan R a , maka jika mengalir arus DC sebesar I f dan I a akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan : Pa
=
I a 2R a β¦β¦β¦β¦β¦....β¦...β¦................................β¦β¦.
.(2.24) dan Pf
=
I f 2R f β¦β¦β¦β¦β¦β¦..β¦.......................................β¦.β¦.(2.25) Di mana :
P a = rugi tembaga kumparan jangkar P f = rugi tembaga kumparan medan
3.7.2
I a = arus jangkar
R a = resistansi jangkar
I f = arus medan
R f = resistansi medan
Rugi-Rugi Inti (core or iron losses) Rugi-rugi inti terjadi di dalam jangkar motor DC yang disebabkan oleh
perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutubnya. Ada dua jenis rugirugi inti yaitu (1) rugi hysteresis dan (2) rugi arus pusar.
44
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 2.21 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub Gambar 2.21 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 tersebut dianggap 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 :
45
Ph
,6 Ξ·B 1max fV
=
Wattβ¦β¦β¦β¦β¦β¦..................β¦......(2.26) Dimana :
Ph
= rugi hysteresis
B max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar f
= frekuensi pembalikan magnetik =
nP dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub 120
V
= volume jangkar dalam m3
Ξ·
= 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 bersirkulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.22. 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.
(a)
(b) 46
Gambar 2.22 (a) Arus pusar di dalam inti 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 motor DC merupakan rugi-rugi yang
berhubungan dengan efek-efek mekanis. Ada dua bentuk dasar rugi-rugi mekanis di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin. Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang 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 bagianbagian 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. 2.7.4 Rugi β rugi sikat (brush losses) Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikatsikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi
47
sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan V bd . Jatuh tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar : P bd
=
V bd .I a β¦β¦β¦β¦...........β¦.........................β¦...β¦β¦....(2.27) Dimana :
P bd = rugi daya akibat jatuh tegangan sikat I a = arus jangkar V bd = jatuh tegangan sikat
Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan dalam rentang arus jangkar yang besar. Maka rugi β rugi sikat dapat dihitung dengan persamaan: P bd
=
2
x
Ia
β¦......β¦β¦β¦β¦β¦..β¦...............................(2.28)
3.7.5 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 rugirugi beban stray dinyatakan sebesar Β± 1% dari beban penuh.
48
Rugi-rugi di dalam motor DC di atas juga dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok yaitu : 1. Rugi-rugi Konstan 2. Rugi-rugi Variabel 1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi β rugi inti + mekanis disebut dengan rugi β 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 c. Rugi-rugi tembaga medan shunt. 2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervariasi terhadap arus pembebanan.Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini adalah : a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (I a 2R a ) b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (I a 2R se ) c. Rugi jatuh tegangan sikat (V bd I a ) Sehingga rugi-rugi total di dalam motor DC adalah : Ξ£ Rugi β Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabelβ¦............β¦.(2.29)
Generator DC dan motor DC mempunyai tipe kerugian-kerugian yang sama. Kerugian-kerugian itu adalah :
49
Tabel 2.1 Tipe dan Jenis Kerugian Tipe β tipe Kerugian a. Kerugian pada belitan shunt
Keterangan Kerugian πΌ 2 R pada belitan penguat
b. Kerugian pada rheostat
shunt
c. Kerugian pada penguat
Kerugian πΌ 2 R pada tahanan geser ( π
π π‘ ,
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
h. Kerugian pada lilitan jangkar
Kerugian πΌ 2 R pada lilitan jangkar
i. Kerugian pada lilitan seri
Kerugian πΌ 2 R pada lilitan penguat seri
Kerugian listrik pada sikat-sikat dan
j. Kerugian pada kontak sikat
kontak-kontak
g. Kerugian inti
Kerugian-kerugian akibat arus liar pada k. Kerugian stray load
tembaga, kerugian inti, reaksi jangkar, kerugian
short
circuit
pada
saat
50
komutasi.
Untuk lebih jelasnya pada tabel 4.2 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 Lilitan seri Lilitan kompensasi Kontak sikat
πΌπ Β² π
π πΌπ Β² π
π
πΌπ Β² π
π π πΌπ Β² π
π
( 1 s/d 6 ) x πΌπ 51
U πΌπ β
Lilitan shunt Stray Load Losses
1 percent dari output untuk mesin yang lebih besar dari 150 KW ( 200 HP )
2.8
Efisiensi pada Motor Arus Searah Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah,
efisiensinya dinyatakan sebagai berikut: Ξ·(%) =
Pout Pin
x 100% β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦...β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(2.26)
Atau pada motor : Ξ·(%) =
HP output x 746
Ξ·(%) =
HP output x 746 (HP input x 746)+ watt rugi
Dimana:
watt input
x 100%β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..(2.27) x 100%β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦.β¦β¦β¦.(2.28)
Pin = daya masukan Pout = daya keluaran βPrugi = rugi-rugi daya total
52
