PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT USU )

“ PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT – USU ) .“ Tugas Akhir Ini Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Menjadi Sarjana Pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Disusun Oleh : Nama : ANDREAS PINEM NIM

: 99 04 22 006

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSION DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2008

Andreas Pinem : Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol, 2008 USU e-Repository © 2008

PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http://www.fineprint.com

Abstrak

ABSTRAK ` Motor merupakan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Pengoperasian motor arus searah sangat mudah pelaksanaannya sehingga masih banyak

industri

yang

menggunakannya

walaupun

sangat

sulit

dalam

pemeliharaannya. Pengaturan kecepatan motor sangat diperlukan untuk berbagai aplikasi. Untuk kelancaran proses di industri, biasanya motor diatur dengan menggunakan elektronika daya yang berfungsi sebagai pengganti komponen yang yang bersifat mekanis. Dalam pengaturan kecepatan motor arus searah terdiri dari tiga metode yaitu dengan pengaturan tegangan jepit ( Vt ) , fluksi ( φ ) dan mengatur tahanan jangkar ( Ra ). Penggunan rangkaian elektronika dapat dilakukan dengan metode kontrol phasa, integral siklus kontrol dan pengendalian dengan chopper untuk pengaturan kecepatan motor arus searah. Integral siklus kontrol merupakan pengaturan tegangan terminal motor arus searah dengan menggunakan thyristor dua arah yang saling berlawanan untuk mengatur kecepatan. Untuk itu tugas akhir ini akan menujukkan

hasil penelitian tentang

pengaturan kecepatan motor arus searah penguatan shunt dengan integral siklus kontrol . Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

iii



KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan penulis terima sehingga Tugas Akhir ini selesai,guna melengkapi dan memenuhi syarat untuk mencapai

jenjang pendidikan Sarjana

Teknik

Program Pendidikan Sarjana Ekstension Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Adapun Judul Tugas Akhir :

“ PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT – USU ) .“ Penulis menyadari bahwa tulisan ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari semua pihak yang telah memberikan dukungan kepada penulis, oleh karena itu sudah sepantasnyalah penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku Pembimbing Tugas Akhir dan Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah memberikan motivasi dan pengarahannya tanpa mengenal waktu serta keadaan. 2. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FTUSU. 3. Bapak Rahmat Fauzi ST. MT , selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 4. Seluruh staf pengajar di jurusan Teknik Elektro FT-USU yang telah banyak memberikan Ilmu kepada penulis selama di bangku perkuliahan.

i



5. Seluruh staf pengawai yang tidak dapat disebutkan satu persatu di jurusan Teknik Elektro FT-USU yang telah banyak membantu dalam administrasi selama penulis di bangku perkuliahan. 6. Ayahanda dan Ibunda tercinta, istri dan anakku tersayang dan

serta

seluruh sanak keluarga yang telah memberikan saran dan motivasi selama penulis mengikuti pendidikan di perguruan tinggi. 7. Asisten – asisten Laboratorium Konversi Energi Elektrik seperti Fandi, Ardiansyah, Andriuli, Farhan yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 8. Rekan-rekan mahasiswa ekstension dan reguler yang tidak dapat disebutkan satu persatu telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Akhirnya penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis pribadi dan juga semua pihak yang membutuhkan. Medan, 07 Maret 2008

Penulis

ii



DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR…………………………………………………...

i

ABSTRAK………………………………………………………………..

iii

DAFTAR

iv

ISI……………………………………………………………

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Penulisan……………………………………………

1

I.2. Tujuan Penulisan…………………………………………………….

2

I.3. Batasan Masalah…………………………………………………….

2

I.4. Metode Penulisan.…………………………………………………..

2

I.5. Sistematika Penulisan………………………………………………..

3

BAB II. MOTOR ARUS SEARAH. II.1. Umum………………………………………………………………..

4

II.2. Konstruksi Motor Arus Searah...…………………………………….

5

II.3. Prinsip Kerja Motor Arus Searah……………………………………

10

II.3.1. Torsi Induksi……………………………………………….…

14

II.3.2. Gaya Gerak Listrik ( GGL ) Lawan..…………………………

17

II.3.3. Reaksi Jangkar..……………………………………………...

18

II.3.3.1. Mengatasi Masalah Reaksi Jangkar..………………………

22

II.4. Jenis – jenis Motor Arus Searah. II.4.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas.…………………….…

25

II.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Shunt..………………………

24

II.4.3. Motor Arus Searah Penguatan Seri.....……………………...

27

II.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Kompon……………………

28

iv



BAB III JENIS – JENIS PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC III.1. Umum………………………………….……………………………

29

III.2. Pengaturan Medan ………………………………………………….

29

III.3. Pengaturan Tegangan ………………………...…………………….

31

III.3.1. Kontrol Phasa………. ………………………………………………

33

III.3.2. Integral Siklus Kontrol….….………………………………………..

36

III.3.3. Kontrol Chopper……..………………….…………………………..

40

III.4. Pengaturan Tahanan Jangkar ……………………………………….

47

BAB IV

PENGATURAN KECEPATAN MOTOR SEARAH SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL.

IV.1. Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol……………………………………………………………...

49

IV.2. Peralatan Pengujian ………………………………………………..

49

IV.3. Spesifikasi Motor…………………………………………………...

51

IV.4.Rangkaian Pengujian ……………………………………………….

51

IV.5. Prosedur Pengujian..………………………………………………..

52

IV.6. Data Hasil Pengujian ………….……………………………………

53

IV.7. Analisa Data Pengujian ……………………………………………

54

BAB V KESIMPULAN………………………………………………..

60

DAFTAR PUSTAKA

v



Bab I Pendahuluan

BAB I PENDAHULUAN I.1. Umum Motor merupakan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Motor arus searah terdiri dari penguatan bebas

dan penguatan sendiri..

Pengontrolan kecepatan dengan mengunakan rangkaian elektronika banyak sekali digunakan karena tidak membutuhkan alat yang banyak dan tempat sehingga biaya yang dibutuhkan untuk pengaturan kecepatan motor tidak terlalu besar. Dalam pengontrolan dengan menggunakan rangkaian elektronika terbagi tiga yaitu : 1. Kontrol Phasa. 2. Integral Siklus kontrol 3. Kontrol chopper. Integral siklus kontrol digunakan untuk mengatur kecepatan untuk motor arus searah KW yang kecil dimana thyristor dua arah sebagai sumber AC yang lalu disearahkan dengan menggunakan jembatan. Atas dasar inilah penulis tertarik untuk melakukan penelitian pengaturan kecepatan motor arus searah penguatan shunt dengan integral siklus kontrol.

I.2. Tujuan Penulisan. Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui hubungan tegangan dari integral siklus kontrol dengan kecepatan. Penelitian ini nantinya agar dapat digunakan untuk bahan pengembangan praktikum mesin-mesin listrik.

1



Bab I Pendahuluan

I.3. Batasan Masalah Mengingat luas dan kompleksnya pembahasan yang akan dilakukan maka untuk mengarahkan pembahasan perlu dilakukan pembatasan sebagai berikut : 1. Hubungan tegangan dengan kecepatan. 2. Motor dianggap dalam keadaan mantap. 3. Rugi-rugi yang diakibatkan oleh gesekan dan angin diabaikan sehingga perlambatan yang terjadi dianggap hanya dari pengereman. 4. Harmonisa dianggap tidak ada.

I.4. Metode Penulisan Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan

dan kajian dari buku-buku teks

pendukung. 2. Studi bimbingan, berkonsultasi dengan dosen pembimbing yang memegang peranan penting dalam penulisan laporan tugas akhir ini. 3. Studi laboratorium, berupa pengujian kebenaran teoritis yang diperoleh pada studi literatur dengan cara penerapan langsung pada peralatan di Laboratorium. 4. Diskusi dengan Dosen dan rekan-rekan mahasiswa.

I.5. Sistematika Penulisan. Untuk mengetahui gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat diuraikan sebagai berikut :

2



Bab I Pendahuluan

Bab I Pendahuluan. Bab ini menguraikan tentang latar belakang penulisan, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metode penulisan, serta sistematika penulisan. Bab II Motor Arus Searah Bab ini menjelaskan tentang motor arus searah secara teoritis, jenis-jenis motor arus searah. Bab III Jenis-jenis Pengontrolan Motor Arus Searah. Bab ini merupakan suatu tinjauan mengenai jenis-jenis pengontrolan kecepatan motor arus searah seperti kontrol phasa , integral siklus kontrol dan kontrol chopper. Bab IV Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt dengan Integral Siklus Kontrol. Bab ini akan menujukan hasil-hasil studi laboratorium yang berkenaan dengan pengaturan kecepatan motor arus searah shunt dengan integral siklus kontrol, rangkaian percobaan, prosedur pengujian, data hasil-hasil pengujian dan penganalisaannya serta grafik. Bab V kesimpulan. Hal-hal yang dianggap penting dirangkumkan sebagai kesimpulan di dalam penulisan tugas akhir ini.

3



Bab II Motor Arus Searah

BAB II MOTOR ARUS SEARAH II.1. Umum (7,8). Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dimana energi gerak tersebut berupa putaran dari motor. Ditinjau dari segi sumber arus penguat magnetnya, motor arus searah dapat dibedakan atas : 1. Motor arus searah penguatan terpisah, bila arus penguat medan rotor dan medan stator diperoleh dari luar motor. 2. Motor arus searah penguatan sendiri, bila arus penguat magnet berasal dari motor itu sendiri. Motor arus searah dapat diklasifikasi sebagai berikut : 1. Motor arus searah penguatan shunt 2. Motor arus searah penguatan seri. 3. Motor arus searah kompon panjang. •

Motor arus searah kompon panjang kumulatif.

•

Motor arus searah kompon panjang differensial.

4. Motor arus searah kompon pendek •

Motor arus searah kompon pendek kumulatif.

•

Motor arus searah kompon pendek diferensial.

4




II.2. Kontruksi Motor Arus Searah(7,8). Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi atas dua bagian yaitu bagian yang diam disebut stator dan bagian yang bergerak/berputar disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Konstruksi Motor Arus Searah. Dari Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari motor arus searah. Keterangan Gambar 2.1. sebagai berikut : 1. Badan motor ( rangka ). Rangka ( frame atau yoke ) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu : 1. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan. 2. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin. Untuk mesin kecil, dipertimbangan harga lebih dominan daripada beratnya, biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang ( cast iron ), tetapi untuk mesin-mesin besar umumnya terbuat dari baja tuang ( cast steel ) atau lembaran baja ( rolled steel ). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti,

5




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 Medan penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub ( Gambar 2.2 ).

Gambar 2.2 Konstruksi kutub dan penempatannya. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : 1. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet. 2. Sebagai pendukung secara mekanik untuk kumparan penguat atau kumparan medan. Inti kutub terbuat lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut atau dikeling ( rivet ) ke rangka mesin. Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus searah dihasilkan oleh kutub-kutub magnet buatan dengan prinsip elektromagnetik.

6




Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga ( berbentuk bulat atau strip/persegi ) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu. Kumparan penguat medan berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik. 3. Inti jangkar. Inti jangkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya ggl induksi. Inti jangkar yang terbuat dari bahan ferromanetik, dengan maksud agar komponen-komponen ( lilitan jangkar ) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar, supaya ggl induksi dapat bertambah besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari bahan-bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier ( Gambar 2.3 ).

Gambar 2.3. Inti jangkar yang terlapis-lapis. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon. Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.

7




4. Kumparan jangkar Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi tempat terbentuknya ggl induksi. kumparan jangkar terdiri dari : 1. Kumparan gelung

Gambar 2.4a. Kumparan gelombang 2. Kumparan gelombang.

Gambar 2.4b. Kumparan Gelombang

8




5. Kumparan medan Fungsi kumparan medan ini adalah untuk membangkitkan fluksi yang akan dipotong oleh konduktor jangkar. 6. Komutator Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar , sebagai penyearah mekanik, yang bersama-sama dengan sikat membuat sesuatu kerjasama yang disebut komutasi. Agar menghasilkan penyearah yang lebih baik, maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Dalam hal ini setiap belahan ( segmen ) komutator tidak lagi merupakan bentuk separoh cincin, tetapi sudah berbentuk lempengan-lempengan ( segmen komutator ) terdapat bahan isolasi ( Gambar 2.5 ) .

Gambar 2.5 Komutator 7. Sikat-sikat Sikat-sikat ini ( Gambar 2.6 ) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.

9




Gambar 2.6 Sikat-sikat Disamping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik. Agar gesekan antara komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak daripada komutator.

II.3. Prinsip Kerja Motor Arus Searah(1,3,5,6) Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet di sekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.7.

(a) (b) (c) Gambar 2.7 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet

10




Pada Gambar 2.7.a menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus listrik menghasilkan medan magnet disekelilingnya. Arah medan magnet yang dihasilkan oleh konduktor dapat diperoleh dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor. Sedangkan Gambar 2.7.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diakibatkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutub utara menuju kutub selatan. Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.c. Daerah di atas konduktor, medan yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama. Sementara di bawahnya, garis-garis magnet dari konduktor arahnya berlawanan dengan dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi di bawah konduktor. Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannya bertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untuk mengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya berupa dorongan ke arah bawah. Begitu juga halnya bila arah arus dalam konduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di bawah konduktor akan bertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehingga konduktor akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas.

11




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 2.8. Prinsip perputaran motor dc

Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan, mengalir arus medan If pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan, pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia. Arus yang mengalir pada konduktorkonduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini memotong fluksi dari kedua kutub medan, sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi.

12




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 masingmasing konduktor jangkar tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir pada konduktor tersebut. Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri. Besarnya gaya Lorentz (F) dapat ditulis: F = B. I. L ........................................................................................(2.1)

Dimana : F = gaya Lorentz

[ Newton ]

I = arus [ ampere] L = panjang penghantar [meter] B = Rapat fluksi [ Weber/m² ] Sedangkan Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan: T = F .r..............................................................................................( 2.2 ) Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan: T = K φ Ia..........................................................................................( 2.3 ) K =

pz ............................................................................................( 2.4 ) 2π a

13




Dimana : T = torsi [ N-m ] r = jari-jari rotor [ m ] K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) φ = fluksi setiap kutub Ia = arus jangkar [ A ] p = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang paralel .II.3.1. Torsi Induksi(1,5,6,7,8). Apabila kumparan jangkar diletakkan diantara kumparan medan yang mana medan magnetnya homogen, dimana kumparan jangkar ini dialiri arus maka timbullah gaya ( F ) dapat diperlihatkan pada Gambar 2.9. Gaya ini akan menimbulkan torsi pada rotor. Apabila torsi yang ditimbulkan lebih besar dari torsi beban maka rotor akan berputar. Besarnya torsi yang ditimbulkan adalah : T = F r sin α [ N-m ]………………………………………………….. (2.5) Dimana : r = jari-jari belitan [ m ] α = Sudut terbentuk antara jari-jari belitan dan gaya dalam satuan derajat. Kalau pada suatu saat kumparan jangkar berada pada kedudukan horizontal (α = 900 , torsi yang terjadi merupakan penjumlahan dari torsi masingmasing segmen ( Gambar 2.9 ).

14




Gambar 2.9. Torsi Induksi A. Segmen ab. Di segmen ini, arah arus menuju ke arah kita dan memotong fluksi dengan arah tegak lurus. Besar gaya terjadi : Fab = B I L sin 90o = B I L tegak lurus pada I dan B. Torsi yang timbul karena gaya ini adalah : Tab = F r sin α = B I L r sin 900 = B I L r ( dengan arah berlawanan putaran jarum jam )

15




B. Segmen bc. Di segmen bc, arah arus sejajar dengan arah fluksi, sehingga gaya yang terjadi adalah : Fbc = B I L sin 0o. =0 Jadi T bc = 0 C. Segmen cd. Di segmen ini, arah arus menjauhi kita dan memotong fluksi, sehingga gaya yang terjadi adalah : Fcd = B I L sin 90o. = B I L ( tegak lurus pada arah I dan B ). Torsi yang timbul karena gaya ini sama dengan : Tcd = F r sin α = B I L r sin 90o. = B I L r ( dengan arah berlawanan putaran jarum jam ). D. Segmen da Di segmen ini, arah arus menuju ke arah kita dan memotong fluksi dengan arah tegak lurus pada arah I dan B. Besar gaya yang terjadi : Fda = B I L sin 0o =0 Jadi Tda = 0 Torsi keseluruhan sama dengan : T = Tab + Tbc + Tcd + Tda

16




T=BILr+0+BILr+0 =2BILr Rumus ini berlaku untuk kumparan lilitan tunggal dimana jumlah konduktor 2 buah. Untuk torsi yang dibangkitkan oleh satu konduktor adalah : Tkond = B I L r………………………………………………………...( 2.6 ) Jika ada a percabang arus ( cabang paralel ) pada motor dan total arus jangkar sebesar Ia, maka arus yang mengalir pada satu konduktor adalah : I=

Ia …………………………………………………………………( 2.7 ) a

Dan torsi pada satu konduktor pada motor adalah : Tkonduktor = B I L r = B L r

Ia ………………………………………..( 2.8 ) a

Fluksi per kutub pada motor adalah : φ = B Ap =

B(2π rL) 2π rLB φP …………………..…..( 2.9 ) = ⇒ BLr = P P 2π

Dimana : Ap = luas penampang per kutub. P = jumlah kutub. Sehingga : Tkonduktor =

φ P Ia …………………………………………..………( 2.10 ) 2π a

Total torsi yang dibangkitkan oleh motor bila jumlah Z konduktor adalah : Tind =

ZP φ I a [ N-m ]…………………………………………….( 2. 11 ) 2π a

17




Sehingga : Tind = K φ Ia [ N – m ]...……………………………………………..( 2.12 ) Dimana : K=

ZP …………………………………………………………...( 2.13 ) 2π a

II.3.2. Gaya Gerak Listrik ( GGL ) Lawan(7,8). 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 : Eb =

P Z n φ [ Volt ]………………………………………………( 2.14 ) a 60

Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut : Eb = K ′ n φ [ Volt ]…………………………………………………( 2.15 ) Dimana : K ′ = konstanta =

P. Z ……………………………………………..( 2.16 ) a .60

II.3.3 Reaksi Jangkar (1,3,5,7,8) Pengaruh ggm jangkar pada distribusi fluksi medan utama di celah udara disebut reaksi jangkar. Ggm jangkar akan menghasilkan dua pengaruh yang tidak diinginkan pada fluksi medan utama yaitu :

18




1.

Reduksi jala-jala pada fluksi medan utama masing-masing kutub

2.

Distorsi gelombang fluksi medan utama masing-masing kutub sepanjang celah udara.

Reduksi dalam fluksi utama untuk masing-masing kutub mengurangi tegangan utama dan torsi yang dihasilkan, dimana distorsi fluksi medan utama mempengaruhi batasan keberhasilan komutasi dalam mesin arus searah. Gambar 2.10 memperlihatkan jalur fluksi untuk kutub utama dari mesin arus searah dua kutub tanpa beban yaitu tanpa arus jangkar. Bila mesin arus searah dibebani, maka arus akan mengalir di dalam kumparan jangkar. Arus ini terlihat dalam Gambar 2.10(a) oleh dot pada kutub S (selatan) dan cross pada kutub U (utara). Arus jangkar ini membentuk fluksi jangkar seperti terlihat dalam 2.10 (b). Jika mesin arus searah dari Gambar 2.10 bekerja sebagai motor, maka jangkar haruslah berputar berlawanan arah dengan jarum jam, karena kutub U dan S dari medan utama yang harus menarik kutub S, U yang dihasilkan oleh jangkar. G a r is N e t r a l m e d a n ta n p a b e b a n

q -a x is

A

. (a )

.

U

S

B q - a x is P e rm u k a a n k u tu b

R o ta s i g e n e ra to r

A

.

.

.

U

(b )

.

.

S

. .

.

d -a x is

.

B A ra h R o ta s i g e n e ra to r

q - a x is

A

.

θ.

G a r is n e t r a l M e d a n b e rb e b a n

.

. .

(c )

.

U

. A ra h R o ta s i M o to r

.

.

S

B

Gambar 2.10 Ilustrasi daerah distribusi dari (a) fluksi kutub medan (b)Fluksi jangkar (c) Resultan dari kedua fluksi.

19




Gambar 2.11 adalah gambar yang dikembangkan dari Gambar 2.10.(b) dan pengujian dari gambar yang menunjukkan bahwa di bagian tengah inti jangkar dan di dalam kutub yang berhadapan, jalur fluksi yang dibangkitkan oleh arus jangkar tegak lurus dengan jalur fluksi utama. Dengan kata lain, jalur dari fluksi jangkar ini menyilang jalur fluksi medan utama.

θ

θ

θ

Gambar 2.11. (a) Medan utama, (b) Medan Jangkar, dan (c) Resultan distribusi fluksi (d) Distribusi fluksi oleh arus jangkar

20




Dengan demikian, pengaruh gaya gerak magnet (ggm) jangkar pada medan utama adalah merupakan magnetisasi silang yang disebut fluksi silang. Ketika arus mengalir ke dalam jangkar dan kumparan medan, maka distribusi fluksi resultan diperoleh dari menggabungkan dua fluksi Gambar 2.11 (a) dan (b). Ini akan diilustrasikan dalam Gambar 2.11. (c). Akan terlihat bahwa fluksi reaksi jangkar memperkuat fluksi medan utama di satu bagian dan melemahkan fluksi medan dibagian lain pada kutub utama. Jika tidak ada kejenuhan magnetik, maka jumlah penguatan dan pelemahan dari fluksi medan utama adalah sama dan fluksi resultan per kutub masih tetap tidak berubah dari nilai tanpa bebannya. Secara aktual, kejenuhan magnetik akan terjadi, dan akibatnya, efek kekuatan ini lebih kecil dibandingkan dengan efek kelemahan dan fluksi resultan berkurang dari nilai tanpa beban. Ini disebut efek demagnetisasi dari reaksi jangkar. Masalah kedua akibat adanya reaksi jangkar adalah pelemahan fluksi. Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik jenuhnya. Pengaruh kejenuhan magnetik pada reduksi fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan bantuan Gambar 2.12. Pada sisi lain dari

sumbu d, ggm

resultan adalah (Fk-Fj) dimana Fk = ggm medan utama dan Fj = ggm jangkar. Untuk Fj positif digunakan pada sisi kanan dari sumbu d dan negatif pada sisi kiri sumbu d dalam Gambar 2.12. Untuk +Fk, ggm resultan adalah Fk + Fj. Karena pada lokasi di permukaan kutub dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor menambahkan permukaan kutub dan ggm rotor mengurangi ggm kutub, terdapat penurunan rata-rata kerapatan fluks yang lebih besar : ΔΦn < ΔΦt , sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang.

21




Φ ∆Φ ∆Φ

∆Φ ∆Φ

Gambar 2.12 Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar

Akibat pelemahan fluks ini pada motor arus searah efek yang ditimbulkan menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah khususnya motor arus searah paralel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali. II.3.3.1. Mengatasi Masalah Reaksi Jangkar (7,8). Ada 3 cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat reaksi jangkar, yaitu : 1. Pergeseran sikat ( brush shifting ). Ide dasarnya adalah memindahkan sikat seirama dengan perpindahan bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang mungkin timbul. Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin sehingga sikat harus juga diubah setiap saat, seirama dengan perubahan jarak

22




perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat ini akan memperburuk melemahnya fluksi akibat reaksi jangkar mesin dapat diperlihatkan pada Gambar 2.13 .

Γ

Γ

Γ

Γ

Γ

Γ

Gambar 2.13 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral melawan arah putar. 2. Kutub bantu ( interpole ). Ide dasar dari solusi masalah ini jika nilai tegangan pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi/penyearahan dibuat nol, maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, kutubkutub utama. Kutub bantu ( interpoles ) ini dihubungkan seri terhadap kumparan jangkar dapat diperlihatkan pada Gambar 2.14. Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus jangkar 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 juga fluks kutub bantu juga meningkat, menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat pergeseran bidang netral.

23




IA

_

ω

U

S

VT

+ IA Gambar 2.14. Kumparan mesin arus searah yang dilengkapi dengan kutub bantu. 3. Belitan kompensasi ( compensating windings ). Untuk kerja motor yang berat masalah pelemahan fluksi menjadi sangat penting. Untuk mengatasi masalah tersebut salah satunya dengan menambah belitan kompensasi. Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadp kumparan jangkar., kumparan jangkar ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar. Fluksi yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar diimbangi oleh fluksi belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan. Ketika beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh fluksi belitan kompensasi sehingga bidang netralnya tidak bergeser. Gambar menunjukkan konsep dasar efek belitan kompensasi. Pada Gambar 2.15.a menunjukkan fluksi yang ditimbulkan. Gambar 2.15.b menunjukkan fluksi jangkar dan fluksi kompensasi.Gambar 2.15.c menunjukkan fluksi total dari motor yang mana hanya fluksi utama.

24




ω

U

S

(a)

ω

U

S

(b)

ω

Bidang netral tidak digeser dalam keadaan berbeban

U

S

(c)

Gambar 2.15. Efek belitan kompensasi pada motor arus searah.

II.4. Jenis-jenis Motor Arus Searah(1,5,7,8) II.4.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

25




2. Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas Vt = Ea + Ia.Ra………………………………..……………….…….(2.17) Vf = If . Rf………………………………………………..…………(2.18) dimana : Vt

= tegangan terminal jangkar motor arus searah [ Volt ].

Ia

= arus jangkar [ Amp].

Ra

= tahanan jangkar [ Ohm ].

If

= arus medan penguatan bebas [ Ohm ].

Vf

= tegangan terminal medan penguatan bebas [ Volt ].

Rf

= tahanan medan penguatan bebas [ Ohm ].

Ea

= gaya gerak listrik motor arus searah [ Volt ].

II.4.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt + IL Vt

Ish R sh

Ia Ra

+ Ea -

-

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt Vt = Ea + Ia.Ra…………………………………………………..…..(2.19) Vsh = Vt = Ish . Rsh…….………………...……………………..…..(2.20) IL = Ia + Ish…………..…………………………………………...…(2.21)

26




dimana : Ish

= arus kumparan medan shunt [ Ohm ].

Vsh = tegangan terminal medan motor arus searah [ Volt ]. Rsh = tahanan medan shunt [ Ohm ]. IL

= arus beban [ Amp ].

II.4.3 Motor Arus Searah Penguatan Seri 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri 2. Persamaan umum motor arus searah seri. Vt = Ea + Ia (Ra + Rs)…………………………………………...…..(2.22) Ia = (

Vt - E a ) …………………………………………………..…..(2.23) Ra + Rs

Ia = IL ………………………………………………………………(2.24) dimana : Is

= arus kumparan medan seri [ Amp ].

Rs

= tahanan medan seri [ Ohm ].

27




II.4.4 Motor Arus Searah Penguatan Kompon

IL

Rs

IL

+

Rs

+ Ia

Ish Vt

R sh

Ra

Ia

Ish + Ea

Vt

R sh

Ra

+ Ea

-

-

-

(a)

(b)

Gambar 2.19(a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang lawan. (b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang Bantu. Vt = Ea + Ia.(Rs + Ra)…....……………………………………..…..(2.25) Vt = Ish.Rsh…..…………………………………………………..…..(2.26) IL = Ish + Ia…………….………………………………………...…(2.27)

Rs

Rs

+ IL Vt

I sh R sh

+

Ia Ra

IL + Ea

I sh

Vt

R sh

Ia Ra

-

+ Ea -

-

(a )

(b )

Gambar 2.20 (a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek lawan (b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek Bantu. Vt = Ea + IL.Rsh + Ia.Ra………………………………………..…..(2.28) Vt = Ish.Rsh………..……………………………………………..…..(2.29) IL = Ia + Ish…..……………………………………………………( 2.30 )

28



Bab III Jenis-jenis Pengaturan Kecepatan Motor DC

29

BAB III JENIS-JENIS PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC III.1. Umum(2,3). Motor DC pada saat sekarang ini diberi

sumber AC yang lalu disearahkan

dengan dioda dan bila dibandingkan langsung dengan sumber DC yang didalam aplikasinya banyak juga yang mengantikan dioda dengan thyristor yang digunakan dalam berbagai kombinasi kontrol kecepatan melalui penyesuaian tegangan ke motor. Dasar metode pengendalian motor DC sebagai berikut : 1. Pengaturan medan. 2. Pengaturan tegangan. 3. Pengaturan tahanan jangkar. III.2. Pengaturan Medan (2,3). Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan arus medan shunt dengan melemahkan dan menaikkan melalui pengaturan tahanan variabel yang dihubungkan seri dengan kumparan medan seperti pada Gambar 3.1. + IL

Ish

Ia

Rvar Vt

Ra Rsh

+ Ea

n

-

-

Gambar 3.1. Pengaturan medan pada motor DC penguatan shunt




30

Berdasarkan Persamaan 2.19 dan 2.20 didapatkan : Vt = Ea + Ia.Ra Ea = Vt - Ia.Ra. Ea = c. n φ sh ....................................................................................................( 3.1 ) Sehingga didapatkan berdasarkan subsitusi Persamaan 2.20 dan 3.1 : n =

Vt − I a .R a ...............................................................................................( 3.2 ) c.φ sh

φsh ≈ Ish dimana : n

= Putaran kecepatan motor [ rpm ].

Vt

= Tegangan terminal [ Volt ].

Ia

= Arus jangkar [ Ampere ].

c

= Konstanta.

φ sh = Fluks medan shunt [ Wb ] Ish

= Arus shunt [ Ampere ]

Berdasarkan Persamaan 2.20 : Vsh = Vt = Ish . Rsh sehingga : Ish =

R sh

Vt ..........................................................................................( 3.3 ) + R Variabel

Dimana : Ish

= Arus medan shunt [ Ampere ].

Rsh

= Tahanan shunt [ Ohm ].




31

Rvariabel = Tahanan variabel [ Ohm ]. Vt


III. 3. Pengaturan Tegangan(2,3).. Pengaturan ini dilakukan dengan mengatur tegangan yang disuplai ke motor seperti Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Pengaturan tegangan pada motor DC penguatan shunt. Berdasarkan Persamaan 2.19, 2.20 dan 3.1 serta didapatkan : Vt = Ea + Ia.Ra Ea = Vt - Ia.Ra. Ea = c. n φ sh n =

Vt − I a .R a c.φ sh

dimana : n


Vt


Ia


c

= Konstanta.




32

φ sh = Fluks medan shunt [ Wb ] Ish

= Arus shunt [ Ampere ].

Motor DC pada saat sekarang ini diberi sumber AC yang lalu disearahkan dengan dioda dan bila dibandingkan langsung dengan sumber DC yang didalam aplikasinya banyak juga yang mengantikan dioda dengan thyristor yang digunakan dalam berbagai kombinasi kontrol kecepatan melalui penyesuaian tegangan ke motor. Berdasarkan pengaturan tegangan mengunakan thyristor terbagi atas 3 bagian sebagai berikut : a. Kontrol phasa. Dimana sumber AC dipotong gelombang negatifnya sehingga yang terhubung ke motor adalah gelombang positifnya dan pengontrolan ini dapat digunakan untuk semua daya motor. b. Integral siklus kontrol Dengan memotong gelombang AC sehingga merubah nilai tegangan AC atau disebut juga AC Kontroler, yang dihubungkan dengan jembatan dioda.Metode ini hanya bermanfaat untuk ukuran motor mempunyai daya yang kecil. c. Kontrol chopper. Dengan mengendalikan tegangan rms masukkan

ke motor melalui metode

pensaklaran. Metode ini digunakan untuk pada saat start awal motor.




33

III.3.1. Kontrol Phasa(2,3). Thyristor dapat digunakan untuk mendapatkan satu keluaran besaran searah yang dapat diubah-ubah dari suatu suplai bolak-balik. Kontrol fasa adalah penyalaan thyristor pada sudut penyalaan tertentu pada setiap setengah periodanya ( 0 0 – 1800 ), yang menyebabkan gelombang tegangan output terpotong-potong dari 0% sampai 100 % seperti terlihat pada Gambar 3.3.

α1 θ

α1

ωt

ωt θ

Gambar 3.3. Bentuk gelombang yang terpotong-potong pada output, yang bergantung pada besar sudut penyalaan α. Sudut penyalaan α1 lebih besar dari sudut penyalaan α2 sehingga 3.3a lebih kecil dari daya 3.3b. θ disebut sudut konduksi artinya besar sudut sepanjang thyristor “on”.




a. Kontrol

fasa

34

vertikal

adalah

cara

mentrigger

thyristor

dengan

memanfaatkan sifat thyristor di mana tegangan break-overnya dapat diperendah dengan memperbesar arus triggernya seperti Gambar 3.4. Igt1 lebih kecil dari Igt2 yang menyebabkan Vbr1 lebih besar daripada Vbr2 sehingga α1 > α2 dan daya I < daya II. Dalam prakteknya cara vertikal ini kurang praktis juga sudut penyalaan α hanya bisa diatur dari 0 0 sampai 900. Sehingga banyak yang memakai kontrol fasa horizontal yang lebih aman serta menghasilkan pengaturan sudut α dari 00 sampai 1800.

ω

SCR

ω R1

Beban VR

Vout

D R2

α1

α2

ω

Gambar 3.4 Pengaruh besar IGT ( trigger ) terhadap pemotongan gelombang tegangan input ( cara kontrol fasa vertikal )




35

b. Kotrol fasa horizontal memanfaatkan sifat thyristor di mana pada sembarang waktu yang memenuhi syarat-syarat “on”nya, pemberian arus trigger seketika akan menyebabkan thyristor konduksi (“on”) seperti Gambar 3.5. TRIAC Vin

IGT Vin Beban

Vout

RANGKAIAN TRIGGER

IGT

Vs Vm

π

2π

ωt

Vm

α

ωt

Pulsa Gate MT2

g1

g2

π

2π

ωt

α π +α

Pulsa Gate MT

1

ωt

Gambar 3.5 Cara kontrol fasa horizontal yang mengatur besar sudut penyalaan α




36

Bahwa Igt1 = Igt2 =Igt3, besar sudut α dapat diatur dengan rangkaian elektronik. Jika α1 < α2 < α3, maka daya I > daya II > daya III. Keunggulan cara ini adalah besar sudut α dapat diatur dari 00 – 1800 yang menghasilkan pengaturan daya output dari 0 0 – 1000.

III.3. 2. Integral Siklus Kontrol(2,3). Selama tegangan masukkan setengah siklus positif, daya yang mengalir dikontrol oleh beberapa sudut tunda dari thyristor T 1 dan thyristor T2 mengalami daya selama tegangan masukan setengah siklus negatif. Pulsa-pulsa yang dihasilkan pada T1 dan T2 terpisah 1800. Bentuk gelombang untuk tegangan masukan, tegangan keluaran, dan sinyal gerbang untuk T 1 dan T2 ditunjukan pada Gambar 3.6c. T1

I1

MT2

MT1 I2 G

T2

a). Ekivalen TRIAC MT 2

Fasa

V

input

MT 1

G

V

out

Beban

Pengontrol Gate

Netral b ). Rangkaian pada beban R




37

Vs Vm

π

2π

ωt

Vm

α

2π

π

ωt

g1 Pulsa Gate MT 2 g2

α

ωt

Pulsa Gate MT1

π +α

ωt

c). Gelombang

Gambar 3.6. Pengontrol gelombang penuh satu fasa. Jika Vs = 2 Vs sin ωt adalah tegangan masukan dan sudut tunda thyristor T 1 dan T2 sama (α1 = α 2 = α ) , tegangan keluaran rms ditentukan melalui :  2 π  V0 =  ∫ 2VS2 sin ωt d (ωt )  2π α 

1

2

 4VS2 π  V0 =  ω t d ω t ( 1 − cos 2 ) ( )  ∫  4π α 

1

2

1

1  sin 2α  2 V0 = VS   π − α +  ……………………….…………………..(3.4) 2  π  Dengan variasi sudut α dari 0 sampai π, V0 dapat divariasikan dari VS sampai 0.




38

Metode integral bisa disebut juga dengan “bust firing”. Diagram rangkaian dapat ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Tegangan Keluaran pada Pengontrolan Integral Siklus Kontrol Berdasarkan bentuk gelombang pengeluaran rangkaian integral siklus kontrol seperti yang digambarkan pada Gambar 3.7. Tegangan keluaran pada dasarnya merupakan siklus setengah. Jika saklar S ditutup dan dibuka pada siklus n dan m. Nilai tegangan keluaran rms seperti Persamaan sebagai berikut : π  n Vo =  ∫  π(n + m ) 0

Vo = V

(

)

1

 2 2 .V sin ωt d (ωt ) ................................................ ( 3.5 )  2

n = V k .............................................................................( 3.6 ) n+m




39

Tegangan keluaran dari integral siklus kontrol disuplai ke motor DC penguatan shunt seperti Gambar 3.8.

( a ). V C C1

C2

ω (b) Gambar 3.8 Integral siklus kontrol. a). Rangkaian kontrol

b). Siklus operasi

Suplai diswitch pada siklus C1 dan dibuat off dengan integral siklus C 2. Bila satukan siklus switch on/off adalah C = C1 + C2 seperti Gambar 3.8.b dan siklus ini terus berulang. Pensaklaran diakibatkan oleh thyristor seperti Gambar 3.8.a. Inilah yang mengakibatkan cepat atau lambatnya motor dengan menggunakan thyristor untuk menurunkan tegangan r.m.s sumber. Tegangan rata-rata interval penuh dari pengsaklaran sebagai berikut : Vd =

2 2 V ph (C1 / C 2 ) π




n=

40

Vd − I a R a ………………………………………………………..………..(3.5) cφ

dimana : Vd

= tegangan rata-rata/tegangan terminal [ Volt ]

Vph

= tegangan satu phasa [ Volt ]

C1

= siklus 1 “ ON ”

C2

= siklus 2 “ OFF ”

n

= putaran (rpm)

III.3.3. Kontrol Chopper. Pada banyak aplikasi industri, diperlukan untuk mengubah sumber tegangan dc tetap menjadi sumber tegangan dc yang bersifat variabel. DC ch opper mengubah secara langsung dari dc ke dc dan biasanya hal ini biasa disebut konverter dc ke dc. Chopper dapat disebut sebagai dc, sama dengan trafo ac dengan mensuplai tegangan yang variabel secara terus menerus. Seperti trafo, chopper dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan sumber tegangan dc. Chopper secara luas digunakan untuk mengkontrol perputaran motor traksi pada automobil elektrik, mobil trolley, kapal pengangkut, truk forklift dan lain-lain. Chopper menghasilkan putaran yang baik, efisiensi yang tinggi dan respons dinamik yang cepat. Selain itu dapat pula digunakan untuk pengereman regeneratif pada motor-motor dc untuk mengembalikan energi pada sumber, dan hal ini menghasilkan adanya penghematan energi untuk transportasi dengan adanya pemberhentian yang sering dilakukan. Chopper digunakan pada regulator tegangan dc dan juga digunakan,




41

pada penghubung dengan induktor, untuk membangkitkan sumber arus dc, terutama untuk pembalik arus. DC Chopper mempunyai 2 prinsip kerja antara lain : a. Prinsip Kerja Step-Down Prinsip kerja step down dapat dijelaskan

melalui Gambar

. Ketika saklar

SW ditutup selama waktu t1, tegangan masukan Vs muncul melalui beban. Bila saklar tetap off selama waktu t2, tegangan melalui beban adalah nol. Bentuk gelombang untuk tegangan keluaran dan arus beban juga menunjukkan pada Gambar 3.9 VH Chopper

+ Vs

+ Vo -

SW

-

R

a). Rangkaian Vo Vs t2

t1

t

0 T i Vs/R

t2

t1

t

0 kT

b). Bentuk Gelombang Gambar 3.9 Chopper step-down dengan beban resistif




42

Tegangan keluaran rata-rata diberikan oleh : Vo =

t1 t 1 Vo dt = 1 Vs = ft1Vs = kVs ………………………………..…….(3.6) ∫ T 0 T

dan arus beban rata-rata, Ia = Va / R = k Vs/R, dengan T adalah periode chopping, k = t1/T adalah duty cycle chopper, dan f adalah frekuensi chopping. Nilai rms tegangan keluaran ditentukan dari :  1 kT 2  Vo =  ∫ V0 dt  T 0 

1 2

= k Vs ……………………..……………………..…(3.7)

Dengan mengasumsikan bahwa tidak ada rugi-rugi pada chopper maka daya masukan pada chopper sama dengan daya yang diberikan dengan, kT

1 1 Pi = ∫ v0 i dt = T 0 T

kT

Vs2 v02 ∫0 R dt = k R ………..……………………………...(3.8)

Resistansi masukan efektif yang dilihat dari sumber adalah ; Ri =

Vs Vs R = = …………………………..………………………...(3.9) I a kVs / R k

Duty cycle k dapat divariasikan dari 0 sampai 1 dengan bervariasi menurut t 1, T dan f. Maka tegangan keluran V 0 dapat divariasikan dari 0 sampai Vs dengan mengatur k, dan aliran daya dapat diatur melalui : 1. Operasi pada frekuensi konstan. Frekuensi chopping f ( atau periode chopping T ) dijaga tetap dan waktu on t 1 divariasikan. Lebar pulsa bervariasi dan kontrol jenis ini dikenal dengan nama kontrol pulse-widht-modulation ( PWM ).




43

2. Operasi pada frekuensi yang variabel Frekuensi chopping f bervariasi. Pada waktu on t 1 atau pada waktu off t2 dijaga tetap. Ini disebut modulasi frekuensi. Frekuensi divariasikan untuk batasan yang lebar untuk mendapatkan batasan tegangan keluaran yang penuh. Kontrol jenis ini membangkitkan harmonisa pada frekuensi yang tidak bisa ditentukan sehingga akan sangat sulit untuk merancang filter. b. Prinsip Kerja Step-Up Chopper dapat digunakan untuk menaikkan tegangan dc. Susunan kerja untuk operasi step-up ditunjukkan pada Gambar. Bila saklar SW ditutup selama waktu t1, arus induktor menjadi naik dan energi akan disimpan pada induktor L. Bila saklar dibuka selama waktu t2, energi yang tersimpan pada induktor akan dipindahkan ke beban melalui diode D1 dan arus induktor menjadi jatuh. Dengan asumsi bahwa arus yang mengalir adalah tetap,bentuk gelombang untuk induktor ditunjukkan pada Gambar 3.10 Bila chopper di-on-kan , tegangan yang melalui induktor adalah; vL = L

di ………………………………………….………………..…....(3.10) dt

L

i

IL

D1 +

+ + VS

VL

Chopper

CL

Beban

Vo

-

-

a). Susunan Step-Up




44

i I2

I1 I2

∆I

I1 t1

t2

0

t

b). Bentuk Gelombang arus Vo VS 7 6 5 4 3 2 1

k 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

c). Tegangan Keluaran Gambar 3.10 Susunan Kerja Untuk Operasi Step-Up. dan ini memberikan arus ripple puncak ke puncak pada induktor, ∆I =

Vs t1 ………………………………………………………………...(3.11) L

Tegangan keluaran instantaneous adalah v o = Vs + L

 t ∆I = VS 1 + 1 t2  t2

 1  = Vs …………………..………………(3.12) 1− k 

Bila sebuah kapasitor C L dihubungkan dengan beban seperti terlihat pada garis putus-putus pada Gambar. Tegangan keluaran akan tetap dan v o akan menjadi nilai rata-rata Va. Bila kita perhatikan dari Persamaan ( 3.12 ) bahwa tegangan yang melalui beban dapat dinaikkan dengan memvariasikan duty cycle, k dan tegangan




45

keluaran minimum adalah Vs bila k = 0. Namun demikian, chopper tidak dapat on terus-menerus sehingga k=1. Untuk nilai k yang cenderung menuju satu, tegangan keluaran menjadi sangat besar dan sangat sensitif untuk mengubah nilai k, seperti terlihat pada Gambar 3.11. Prinsip ini dapat diaplikasikan untuk memindahkan energi dari satu sumber tegangan ke lainnya seperti terlihat pada Gambar 3.11.b. Rangkaian ekivalen untuk mode-mode operasi ditunjukkan pada Gambar.3.11.c. Arus induktor untuk mode I diberikan sebagai berikut. Vs = L

di1 ……………………………………………………….……….(3.13) dt L

i

D1

IL

+

+ + VS

VL

Chopper

Vo

-

-

a). Diagram Rangkaian. L +

VS

Mode 1

L I2 +

VS

Mode 1

b). Rangkaian ekivalen




46

i

I2

I2

I1

I1 t2

t1

t kT

T

c). Bentuk gelombang arus. Gambar 3.11. Susunan gelombang arus dan dinyatakan sebagai i1 (t ) =

VS t + I 1 ………………………………………………..…………(3.14) L

Dimana i1 adalah arus mulauntuk mode 1. Selama mode 1, arus harus meningkat dan kondisi yang penting adalah, di1 〉 0 untuk VS 〉 0 dt Arus untuk mode 2 diberikan sebagai berikut, VS = L

di 2 + E ……………………………..…………………………….(3.15) dt

dan penyelesaiannya adalah ; i2 (t ) =

VS − E t + I 2 ……………………………………………….……..(3.16) L

dengan I2 adalah arus mula untuk mode 2. Untuk sistem yang stabil, arus harus turun dan kondisi yang memenuhi adalah;




47

di 2 〈 0 dan Vs 〈 E dt Bila kondisi ini tidak memenuhi,arus induktor akan tetap naik dan akan terjadi tidak stabil. Maka, kondisi untuk pemindahan daya yang terkontrol adalah : 0 〈VS 〈 E …………………...………………..……………………………(3.17) Persamaan (3.15) menyatakan bahwa sumber tegangan V s, harus lebih kecil dari tegangan E agar transfer daya dari sumber yang tetap ( atau variabel ) ke tegangan dc tetap bisa dilakukan. Pada pengereman elektris motor-motor dc, dengan motor-motor bekerja sebagai genarator dc, tegangan terminalnya akan jatuh bila kecepatan mesin berkurang. Chopper dapat memindahkan daya ke sumber dc tetap atau rheostat. Bila chopper di-on-kan, energi akan dipindahkan dari sumber V s ke induktor L. Dan bila chopper di-off-kan sejumlah energi yang tersimpan pada induktor akan dipindahkan ke baterai E.

III. 4. Pengaturan Tahanan Jangkar(2,3).. Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan tahanan jangkar

dengan

menghubungkan seri dengan tahanan variabel seperti Gambar 3.11.

Gambar 3.12. Pengaturan tahanan jangkar pada motor DC penguatan shunt




48

Berdasarkan Persamaan 3.2 didapatkan : n =

n=

Vt − I a .R a c.φ sh

Vt − I a (R a + R var ) ................................................................................( 3.18 ) c.φ sh

dimana : n


Vt


Ia


c

= Konstanta.

φ sh = Fluks medan shunt [ Wb ] Metode ini jarang digunakan karena menyebabkan rugi-rugi cukup besar dan sangat mempengaruhi efisiensi motor.



BAB IV PENGATURAN KECEPATAN MOTOR SEARAH SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL.

IV.1. Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol. Dengan memotong gelombang AC sehingga merubah nilai tegangan AC atau disebut juga AC Kontroler, yang dihubungkan dengan jembatan dioda. Metode ini hanya bermanfaat untuk ukuran motor mempunyai daya yang kecil. Metode integral bisa disebut juga dengan “bust firing”. IV.2. Peralatan Pengujian. Percobaan yang akan dilaksanakan menggunakan komponen dan peralatan antara lain : 1. Komponen Elektronika. Berupa komponen elektronika untuk digunakan dalam penelitian ini digunakan komponen-komponen sebagai berikut : = 1kΩ/ 0,25 Watt

R3

= 4700 Ω/0,25 Watt R4

= 100 Ω/0,25 Watt

R5

= 1kΩ/0,25 Watt

R6

= 100 Ω/0,25 Watt

R7

= 470 Ω/ 5 Watt

C1

= 220nF/ 100 Volt

C2

= 220nF/ 200 Volt.

Dioda Zener = 22 V/ 1,5 Watt

Potensio mono= 50kΩ UJT

R2

= 2200 Ω/0,25 Watt

R1

Triac

= BT139 ( 16A/ 500 V)

= 2N2646

Dioda Jembatan ( KBPC 3504 ) = 16 Ampere

49



Bab IV Pengaturan Kecepatan Motor Searah Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol

50

2. Machines Controlled Panel MCP 182. Terdiri dari alat ukur dan catu daya sebagai berikut ( Gambar 4.1 ) : 2 unit Power Supply AC/DC 1 Unit Variable resistor 0-200 Ω 1 Unit Voltmeter DC 0-250 Volt 2 Unit Ampermeter DC 0-10 A dan 0-5 Ampere 1 Unit Voltmeter AC 0-500 Volt 1 Unit Ampermeter AC 0-10 Ampere

Gambar 4.1.Machines Controlled Panel ( MCP ) 182. 3. Oscilloscope 2 Channell. Yaitu bagian alat peraga bentuk gelombang tegangan sumber dan tegangan beban. 4. Power Suplai 3 Phasa. Terdiri dari catu daya AC 3 phasa dan catu daya DC.




51

IV.3. Spesifikasi Motor. Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah : Name Plate Mesin I / 61- 001 P = 2 kW = 2,6 HP

n = 1500 rpm

Kelas Isolasi B

p = 23 Slot

Veksitasi dan armature = 220 V

Error 220 V, 0,64 A

Hasil Pengukuran : Medan Shunt / Bebas ( J – K ) = 0,287 KΩ Jangkar ( GA – HB )

= 0,31 Ω

IV.4. Rangkaian Pengujian. IV.4.1. Rangkaian Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

Gambar 4.2. Rangkaian Integral Cycle Control ke Motor DC Shunt tanpa beban




52

IV.4.2.Rangkaian Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol. A

IL A A

D1

D3

V

D2

A

Ia Ish

Rsh

Ea Ra Ea

D4

R1 Pot R5

Suplai 1 DC

Suplai 2 R7

R3 R 4 V

DZ

UJT R2

C1

V

Triac

AC

C2 R6

Gambar 4.3. Rangkaian Integral Cycle Control ke Motor DC Shunt tanpa beban.

IV.5. Prosedur Pengujian. IV.5.1. Pengaturan Kecepatn Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol. Setelah semua peralatan selesai dirangkai sesuai dengan Gambar 4.2, lakukan prosedur sebagai berikut : 1. Power suplai pada MCP 182 di Onkan, geser switch 1 ke AC . 2. Set power suplai AC ke tegangan yang diinginkan sehingga mencapai 220Volt, 200Volt, 180Volt, 160Volt dan 140Volt serta arus medan shunt ( Ish = 0,4Ampere) tetap konstan. 3. Lalu catat putaran (n rpm),arus jangkar ( Ia Ampere). IV.5.2. Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol. Setelah semua peralatan selesai dirangkai sesuai dengan Gambar 4.3, lakukan prosedur sebagai berikut :




53

1. Power suplai pada MCP 182 di Onkan, geser switch 1 ke DC dan Switch 2 ke AC. 2. Set power suplai 1 ke 10 Volt DC untuk Gate. 3. Atur sensisitivitas Channel X osiloskop 5 volt/div dan time 5 ms/div. 4. Set power suplai 2 ke tegangan yang diinginkan, atur sudut penyalaan dan set ulang tegangan keluaran sehingga mencapai 220Volt, 200Volt, 180Volt,

160Volt

dan

140Volt

serta

arus

medan

shunt

( Ish= 0,4Ampere) tetap konstan. 5. Lalu catat putaran (n rpm),arus jangkar ( Ia Ampere).

IV.6. Data Hasil Pengujian. IV.6.1.Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol Ish = 0,4 A Vt ( Volt )

n ( rpm )

IL ( A )

0

0

0

140

1000

0,77

160

1125

0,82

180

1250

0,83

200

1400

0,85

220

1500

0,89




54

IV.6.2.Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol. Ish = 0,4 A Vsumber ( Volt )

Vt ( Volt )

n ( rpm )

IL ( A )

0

0

0

0

161

140

1000

0,77

182

160

1125

0,82

198

180

1250

0,83

211

200

1400

0,85

231

220

1500

0,89

IV.7. Analisa Data Pengujian . IV.7.1. Analisa Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol. Hasil Pengujian Data I tanpa Integral Cycle Control Ia n

Ea

M Ra = 0,31 Ohm

Ish

Rvar

IL

Vt

Rsh = 287 Ohm

Vf = Vt = If .( Rf + Rdiv ) If =

=

Vt R f + Rvar 140 = 0,4 Ampere 287 + 63




55

Ia = IL - If Ia = 0,77 – 0,4 Ia = 0,37 Ampere. Ea = Vd – ( Ia. Ra ) Ea = 140 – ( 0,41.0,31 ) Ea = 139,87 Volt

n=

V d − ( I a + Ra ) K .φ

n=

140 − (0,37 x 0,31) = 1000 rpm 0,1399

IV.7.2. Analisa Pengaturan Kecepatan Motor Dc Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol. Ia n

Ea

M Ra = 0,31 Ohm

Ish

IL

Rvar

Vd

Rsh = 287 Ohm

Hasil Pengujian Data I dengan Integral Cycle Control : Vd =

2 2 V ph (C1 / C 2 ) π

(C1 / C 2 ) = =

π Vd 2 2 V ph π 140 2 2 161




56

= 0,96

Vf = Vt = If .( Rf + Rdiv ) If =

=

Vt R f + Rvar 140 = 0,4 Ampere 287 + 63

Ia = IL - If Ia = 0,77 – 0,4 Ia = 0,37 Ampere. Ea = Vd – ( Ia. Ra ) Ea = 140 – ( 0,41.0,31 ) Ea = 139,87 Volt

n=

V d − ( I a + Ra ) K .φ

n=

140 − (0,37 x0,31) = 1000 rpm 0,1399

Cara perhitungan yang dilakukan untuk data yang lain dengan cara yang sama maka didapatkan hasil perhitungan seperti Tabel IV.1. Tabel 4.1 Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol. Ish = 0,4 A V d( Volt )

n ( rpm )

IL ( A )

Ia ( A )

Ea (Volt)

0

0

0

0

0

140

1000

0,77

0,37

139,885

160

1125

0,82

0,42

159,87

180

1250

0,83

0,43

179,87

200

1400

0,85

0,45

199,86

220

1500

0,89

0,49

219,85




57

Tabel 4.1 Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol Ish = 0,4 A Vsumber ( Volt )

V d( Volt )

n ( rpm )

IL ( A )

Ia ( A )

Ea (Volt)

C1/C2

0

0

0

0

0

0

0

161

140

1000

0,77

0,37

139,885

0,99

182

160

1125

0,82

0,42

159,87

0,99

200

180

1250

0,83

0,43

179,87

1

230

200

1400

0,85

0,45

199,86

0,965

267

220

1500

0,89

0,49

219,85

0,96

Dari data pengujian akan diperoleh grafik sebagai berikut. Putaran VS Tegangan 1600 Putaran ( n ) rpm

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

Tegangan ( Vt ) Volt

Gambar 4.4. Grafik Kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt tanpa integral kontrol.



250


58

Putaran VS Arus Jangkar 1600

Putaran (n) rpm

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

Gambar 4.5. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt tanpa integral siklus kontrol.

Putaran VS Tegangan 1600

Putaran ( n ) rpm

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

Tegangan ( Vt ) Volt

Gambar 4.6. Grafik kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt dengan integral siklus kontrol.



250


59

Putaran VS Arus Jangkar 1600 Putaran (n) rpm

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

Gambar 4.7. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt dengan integral siklus kontrol. Dari tabel dan grafik di atas menunjukkan motor dc penguatan shunt yang menggunakan integral siklus kontrol dengan tidak menggunakan, sama sekali tidak ada perbedaan dalam karakteristiknya tetapi penggunaan integral siklus kontrol mudah dalam penggunaan tetapi motor dan dioda akan cepat panas yang diakibatkan sumber tegangan yang tidak sinusoidal.Peralatan ini hanya dapat digunakan untuk motor di bawah 2 KW karena integral siklus kontrol akan terjadi break down dan menyebabkan integral siklus kontrol tidak berfungsi.



0.6

DAFTAR PUSTAKA 1. Chapman Stephen J., “Electric Machinery Fundamentals, Mc. Graw-Hill International Edition, 1999. 2. Deshpande

M.V,

“Electric

Motors

Applications

And

Control”,A.H.Wheeler & C.O. Private Limited, Bombay,1985. 3. Dubey.Gopal K.,”Power Semiconduktor Controlled Driver”,Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey,1989. 4. Eugene C. Lister,”Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi keenam, Erlangga, Jakarta. 5. Kadir Abdul., “Mesin Arus Searah”, Djambatan, Jakarta, 1980. 6. Mehta V.K dan Rohit., “ Principles of Elektrical Mechines”, S.Chand dan Company LTD, Ram Nagar New Delhi, 2002. 7. Theraja B.L., “A Text Book of Electrical Technology”, Nurja Construction & Development,New Delhi, 1980. 8. Wijaya, Mochtar, Dasar-dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, 2001.



PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL ( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK FT USU )

Recommend Documents