BAB II MOTOR ARUS SEARAH

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.

2.2

Konstruksi Motor Arus Searah Secara umum konstruksi motor arus searah terbagi atas dua bagian, yaitu :

1) Stator (bagian yang diam), terdiri dari rangka, komponen magnet dan sikat.

Universitas Sumatera Utara

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 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. 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 silikon. 6. Kumparan Jangkar Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur inti jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam, yaitu : 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 komutator dengan 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. 2.3

Prinsip Kerja Motor Arus Searah Motor arus searah mempunyai prinsip kerja berdasarkan percobaan Lorentz

yang menyatakan : “jika sebatang penghantar listrik yang berarus berada di dalam medan magnet maka pada kawat penghantar tersebut akan terbentuk suatu gaya”. Gaya yang terbentuk merupakan gaya mekanik yang sering dinamakan gaya Lorentz. Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Pada saat


konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3 berikut:

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.3 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya arus yang mengalir dalam konduktor, seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.1) berikut ini : H=

N×I .......................................................................(2.1) 

Dimana : H = kuat medan magnet (lilitan Ampere/meter) N = banyak kumparan (lilitan) I = arus yang mengalir pada penghantar (Ampere)

 = panjang dari penghantar (meter)


Pada Gambar 2.3(a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan Gambar 2.3(b) menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet (garis-garis gaya fluksi) disekelilingnya. Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (c). Sehingga kerapatan fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor (dekat kutub selatan) dan di bawah sebelah kiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan 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. Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar 2.4 berikut ini :


Gambar 2.4 Prinsip perputaran motor arus searah

Berdasarkan Gambar 2.4 di atas, kedua kutub stator dibelitkan dengan konduktorkonduktor 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 garis-garis 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 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) 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 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa : 1. Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis. 2. 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 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar ditentukan dengan aturan putaran sekrup (cork screw rule). Besar dan arah garis gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OFA yang sejajar dengan bidang netral magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar dan konduktor medan sama- sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karena itu distribusi fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat dari Gambar 2.7 berikut ini :


ω

S

U

Bidang netral magnetis lama

β Bidang netral magnetis baru

O

FA

FM Fr

Gambar 2.7 Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar Fluksi yang dihasilkan oleh garis gaya magnet jangkar menentang fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan terjadi kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub yang sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangkar yang memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar magnetisasi silang (cross magnetization). Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.7 dapat dilihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OFA dan OFM, serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus terhadap vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β karena posisi bidang netral magnetis ini selalu tegak lurus terhadap vektor OF. Dengan pergeseran bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh pergeseran bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen komutator dekat sikat.


Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Pengaruh kejenuhan magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan Gambar 2.8 berikut ini :

Gambar 2.8 Kurva pemagnetan saat terjadi reaksi jangkar Pada Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa garis gaya magnet (ggm) resultan adalah Fk – Fj dimana Fk adalah ggm medan utama tanpa dipengaruhi reaksi jangkar dan Fj adalah ggm pada jangkar. Untuk Fj positif dan Fj negatif dimisalkan dengan adanya pertambahan dan atau pengurangan ggm yang terjadi pada kutub medan sebesar Fk. Untuk lokasi di permukaan kutub dimana ggm rotor menambahkan ggm kutub, terjadi sedikit penambahan kerapatan fluks ∆Фn. Tetapi pada lokasi permukaan kutub dimana ggm rotor mengeliminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluksi ∆Фt yang lebih besar : ∆Фn < ∆Фt , sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang. Hal ini disebut juga efek demagnetisasi reaksi jangkar yang timbul karena adanya saturasi magnetik. Pelemahan fluks ini menimbulkan efek yang sangat serius pada motor arus searah, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah semakin cepat hingga tak terkendali. 2.5

Mengatasi Reaksi Jangkar Sebagaimana telah diketahui bahwa reaksi jangkar dapat menimbulkan pengaruh

yang sangat buruk pada motor arus searah. Terutama terhadap performansi motor arus


searah tersebut. Hal ini jelas tidak diinginkan. Oleh sebab itu, harus dilakukan tindakan yang sesuai terhadap motor arus searah agar pengaruh reaksi jangkar tersebut dapat dikurangi. Ada tiga cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi reaksi jangkar yang terjadi pada motor arus searah, yaitu: 1. Pergeseran sikat (brush shifting) 2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles) 3. Belitan kompensasi (compensating windings) 2.5.1 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 juga harus 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 2.9. Pada Gambar 2.9(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula. Ggm resultan yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.9(c). Sedangkan pada Gambar 2.9(b) terlihat bidang netral mesin yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin. Akibat pergeseran


tersebut, ggm resultannya melemah sedemikian rupa. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.9(d).

Bidang Netral Baru

U

Bidang Netral Lama

S

Arah Rotasi Motor

Sikat

Bidang Netral Lama

U

S

Arah Rotasi Motor

(a)

FResultan

Bidang Netral Baru

Sikat

(b)

FRotor

FKutub (c)

FResultan

FRotor

FKutub (d)

Gambar 2.9 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral

2.5.2 Penambahan Kutub Bantu (Interpole) Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada kawatkawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat motor arus searah tersebut. Untuk itu, kutub-kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan di tengah-tengah di antara kutub-kutub utama seperti pada Gambar 2.10. Interpole ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Sehingga dengan adanya fluks dari interpole ini akan dapat mencegah


atau mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi. Ketika beban yang dipikul motor meningkat dan arus jangkar juga meningkat, besarnya perubahan atau 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.

Gambar 2.10 Motor arus searah yang dilengkapi dengan kutub bantu 2.5.3 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 beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser. Teknik ini memiliki kelemahan yaitu harganya mahal, dan juga masih memerlukan interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh belitan


kompensasi. Oleh sebab itu teknik ini digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius. 2.6

Jenis – Jenis Motor Arus Searah Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor arus searah dapat dibagi

menjadi dua, yaitu : 1. Motor arus searah penguatan bebas 2. Motor arus searah penguatan sendiri

2.6.1 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 2.11 di bawah ini : +

Ia Vt

Ra

If + Ea -

+ Vf -

Rf

-

Gambar 2.11 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)

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.

2.6.2 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

2.6.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri ditunjukkan pada Gambar 2.12 di bawah ini :

Rs + IL

IS

Ia

Ra

Vt

+ Ea -

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar. Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.8) : Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra………..………………….........(2.8) Karena

IL = Ia = Is

Maka persamaan (2.8) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.9) : Vt = Ea + Ia (Ra + Rs)

……………………………....(2.9)

Dimana : Is = arus kumparan medan seri (Ampere) Rs = tahanan medan seri (Ohm)


IL = arus dari jala-jala (Ampere)

2.6.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada Gambar 2.13 di bawah ini :

+ IL Vt

Ish Rsh

Ia Ra

+ Ea -

Gambar 2.13 Rangkaian 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 2.13 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.10) : Vt = Ea + Ia.Ra ………….…………………….…...(2.10) Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.11) dan persamaan (2.12) : I sh =

Vt R sh

………………………………….………(2.11)

IL = Ia + Ish …………………………………..........(2.12) Dimana : Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere) Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)


2.6.2.3 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 • 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)

2.6.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt. 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 2.14 dan Gambar 2.15 berikut ini : IL

Rs

+ Is Vt

Ish Rsh

Ia + Ea

Ra

-

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif (bantu) IL

Rs

+ Is Vt

Ish Rsh

Ia Ra

+ Ea -

-

Gambar 2.15 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek differensial (lawan) Dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15 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)

2.6.2.3.2 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 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

Rsh

Is

Ia Ra

+ Ea -

-

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif (bantu)


Rs

IL + Ish Vt

Is

Rsh

Ia Ra

+ Ea -

-

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang differensial (lawan) Dari Gambar 2.16 dan Gambar 2.17 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 =

2.7

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) : Ea =

P Z . . n .Ф.........................................................(2.19) a 60

P.Z bernilai konstan, maka dapat dianggap sebagai suatu konstanta K a . 60

Karena

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 (bergantung pada ukuran fisik motor) n

= kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit)

Φ = fluksi setiap kutub (Weber)

2.8

P

= jumlah kutub

Z

= jumlah total konduktor jangkar

a

= jumlah kumparan tersambung paralel

Pengaturan Kecepatan Putaran Pada Motor Arus Searah Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor arus searah berlaku

persamaan (2.21) : Ea = Vt – IaRa.................................................................(2.21)


PΦZn 60 a

Dimana

Ea =

Sehingga

PΦZn = Vt – IaRa 60 a

Karena

PZ =K 60 a

Maka

K n Ф = Vt – IaRa

Sehingga diperoleh persamaan (2.22) : n=

(Vt − IaRa ) KΦ

..............................................................(2.22)

Karena K bernilai konstan, maka persamaan (2.22) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.23) : n~

(Vt − IaRa ) Φ

..............................................................(2.23)

Dari persamaan (2.23) 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. Tegangan terminal (Vt) 2. Tahanan jangkar (Ra) 3. Fluks Magnetik (Φ)

2.9

Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Kompon Karakteristik dari suatu motor harus diketahui, karena karakteristik dari suatu

motor akan mencerminkan performansi (unjuk kerja) dari motor listrik tersebut selama kondisi operasinya. Untuk motor arus searah penguatan seri dan motor arus searah


penguatan shunt hanya memiliki satu komponen medan. Sedangkan untuk motor arus searah penguatan kompon memiliki dua kumparan medan yakni kumparan medan shunt dan kumparan medan seri. Pada motor arus searah penguatan kompon panjang dan motor arus searah penguatan kompon pendek terdapat tiga karakteristik, yaitu : 1. Karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia) 2. Karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia) 3. Karakteristik torsi – putaran (T/n)

2.9.1 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar (T/Ia) Pada motor arus searah penguatan kompon berlaku persamaan (2.24) : T

= K . Фm . Ia............................................................(2.24)

Фm = Фsh + Фs

Dimana

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 kurva 1 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 :

r

Gambar 2.18 Kurva karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia) 2.9.2. 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 ditunjukkan oleh kurva 1 pada Gambar 2.19. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia) dapat dilihat pada Gambar 2.19 berikut :

Gambar 2.19 Kurva karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia) 2.9.3. Karakteristik Torsi – Putaran (T/n) Karakteristik torsi – putaran (T/n) disebut juga karakteristik mekanik. Dari persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa jika torsi (T) bertambah, maka nilai (Ia) bertambah, sedangkan fluks magnetik (Фm) tetap. Dengan bertambahnya torsi (T), maka kecepatan putaran (n) akan menurun. Untuk motor arus searah penguatan kompon panjang, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n) ini mendekati ke motor shunt seperti kurva 1 pada Gambar 2.20. Sedangkan untuk motor arus searah penguatan kompon pendek, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n) mendekati ke motor seri seperti kurva 2 pada Gambar 2.20. Untuk lebih jelasnya, karakteristik torsi – putaran (T/n) dapat dilihat pada Gambar 2.20 berikut :


1 2

Gambar 2.20 Kurva karakteristik torsi – putaran (T/n)

2.10. Efisiensi Motor Arus Searah Efisiensi motor arus searah merupakan perbandingan antara daya keluaran dengan daya masukan yang dinyatakan dalam persen (%) dari motor arus searah tersebut. Daya masukan yang diterima oleh motor arus searah berupa daya listrik sedangkan daya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak rotor dan hasil selisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut rugi-rugi. Dengan demikian, efisiensi suatu motor arus searah diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.10.1) : η=

Pout x 100 % …...……….......................................(2.10.1) Pin

Karena

Pout = Pin – Σ Rugi-Rugi

dan

Pin = Pout + Σ Rugi-Rugi Maka efisiensi motor arus searah dapat juga dituliskan seperti persamaan

(2.10.2) dan persamaan (2.10.3) :


η = η =

Pin − ∑ Rugi − Rugi Pin

x 100 %...............................(2.10.2)

Pout x 100 %..............................(2.10.3) Pout + ∑ Rugi − Rugi

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 (2.10.1) 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 (2.10.4) : ηm =

Pout x 100 % ………………....…......…...............(2.10.4) Pa

Dimana : Pout = daya keluaran motor arus searah = Tsh 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)


2.10.2 Efisiensi Elektris Efisiensi elektris atau efisiensi listrik pada motor arus searah dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.10.5) : ηe =

Pa x 100 %............................................................(2.10.5) Pin

Dimana : Pin = Vt x IL (Watt) Vt = tegangan terminal motor arus searah (Volt) IL = arus jala-jala (Ampere) Dari persamaan (2.10.4) dan persamaan (2.10.5) diperoleh hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi elektris yaitu seperti persamaan (2.10.6) : η = ηm x ηe……………….…..……….....................…(2.10.6) Metode yang paling mudah dalam menentukan efisiensi motor arus searah adalah membebaninya langsung dan mengukur daya masukan dan keluarannya. Maka kita dapat menggunakan persamaan (2.10.1) untuk menentukan efisiensi motor tersebut. Namun, metode ini harus memperhatikan tiga hal utama yaitu metode ini membutuhkan pembebanan pada motor. Kedua, untuk motor-motor dengan rating daya yang besar, beban-beban yang diperlukan tidak mungkin diperoleh. Ketiga, bahan lebih mustahil untuk memberikan beban yang sedemikian rupa, karena daya yang besar akan terbuang menjadikan metode ini sangat mahal. Metode yang paling umum untuk mendapatkan efisiensi motor arus searah adalah menentukan rugi-ruginya dari pengukuran daya masukan dan keluarannya pada saat berbeban. Kita dapat menggunakan persamaan (2.10.2) untuk menentukan efisiensi motor tersebut. Metode ini memiliki keuntungan yang nyata karena lebih mudah dan ekonomis.


BAB II MOTOR ARUS SEARAH

Recommend Documents