BAB II DASAR TEORI 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 menmbulkan suatu gaya. Dimana gaya ini akan menghasilkan momen puntir atau torsi. Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka motor akan berputar. 6
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. 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 dibawah ini : Gambar 6.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor 7
Keterangan dari Gambar 6.1 dan Gambar 6.2 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. 8
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 9
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 : Kumparan jerat (lap winding), Kumparan gelombang (wave winding), 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. Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. 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. 10
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 tersebutt 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 a 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) 11
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 inilah yang menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus searah. 12
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/meter 2 ) = panjang konduktor jangkar (meter) Maka besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar ditunjukkan oleh persamaan (2.3) : Dimana : F Z. B. I....... (2.3) Z = jumlah total konduktor jangkar Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi yang besarnya ditunjukkan oleh persamaan (2.4) : T a F. r...... (2.4) Jika persamaan (2.3) disubstitusikan ke persamaan (2.4), maka akan menghasilkan persamaan (2.5) : T a Z.B.I..r......(2.5) 14
Dimana : T a = 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 F M Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa : 15
Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis. 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 OF M 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 : 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 OF A yang sejajar dengan bidang netral 16
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 : 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). 17
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.7 dapat dilihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OF A dan OF M, serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus terhadap vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh 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 titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Apabila kejenuhan magnetik ini terjadi, maka efek penguatan fluksi resultan lebih kecil bila dibandingkan dengan efek pelemahan fluksi resultan atau dengan kata lain pertambahan kerapatan fluksi resultan pada salah satu bagian kutub lebih sedikit bila dibandingkan dengan pengurangan keraptan fluksi pada bagian yang lainnya. Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hali inilah yang disebut efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu diingat bahwa demagnetisasi hanya terjadi karena adanya saturasi magnetik. 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 18
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 2.8. Pada Gambar 2.8(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula. Ggm resultan yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.8(c). Sedangkan pada Gambar 2.8(b) terlihat bidang netral mesin yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat 19
mesin. Akibat pergeseran tersebut, ggm resultannya melemah sedemikian rupa. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.8(d). (a) (b) (c) (d) Gambar 2.8 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral 2.5.2 Penambahan Kutub Bantu (Interpole) Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, 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 2.9. 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. 20
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-konduktokomutasi. Pada saat itu fluks interpole juga meningkat, yang sedang melakukan menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat pergeseran bidang netral. Gambar 2.9 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, makaa reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser. 21
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 2.10 di bawah ini : Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas 22
Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.10 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) : V t = E a + I a.r a + V sikat.....(2.6) Dari Gambar 2.10 diperoleh juga persamaan tegangan terminal penguat medan dari motor tersebut seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.7) : V f = I f. R f........(2.7) Dimana: V t R a I f V f R f E a V sikat = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt) = tahanan jangkar (Ohm) = arus medan penguatan bebas (Ampere) = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt) = tahanan medan penguatan bebas (Ohm) = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt) = jatuh tegangan pada sikat (Volt) Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat diabaikan, maka untuk rumus selanjutnya V sikat 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. 23
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 2.11 di bawah ini : Gambar 2.11 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. Motor arus searah penguatan seri mempunyai torsi awal yang sangat tinggi sehingga dapat memutar beban yang sangat berat disaat awal. Bila beban dinaikkan maka arus akan naik akan tetapi putaran akan turun. Sebaliknya bila beban diturunkan maka putaran akan naik dan bila beban diturunkan secara terus menerus sampai dalam keadaan nol maka arus penguat motor akan menjadi nol maka putaran akan naik dengan kecepatan tidak terkendali dan ini dapat 24
membahayakan. Oleh karena itu, disarankan hindari pengoperasian motor arus searah penguatan seri dalam keadaan tanpa beban. Dari Gambar 2.11 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.8) : V t = E a + I s.r s + I a. R a.....(2.8) Karena I L = I a = I s Maka persamaan (2.8) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.9) : Dimana : V t = E a + I a (R a + R s )...(2.9) I s R s I L = arus kumparan medan seri (Ampere) = tahanan medan seri (Ohm) = arus dari jala-jala (Ampere) 2.6.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada Gambar 2.12 di bawah ini : Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt 25
Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan medan dihubungkan langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar. Motor arus searah penguatan shunt mempunyai pengaturan kecepatan yang baik dan digolongkan sebagai motor kecepatan konstan walaupun kecepatannya agak bekurang sedikit dengan bertambahnya beban. Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.10) : V t = E a + I a.r a.....(2.10) Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.11) dan persamaan (2.12) : I sh = V R t sh. (2.11) I L = I a + I sh...(2.12) Dimana : I sh R sh = arus kumparan medan shunt (Ampere) = 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, sehingga mempunyai sifat diantara keduanya tergantung mana yang kuat lilitannya (kumparan seri atau shuntnya). Terdapat dua jenis motor arus searah penguatan kompon yang umum dijumpai, yaitu : motor arus searah penguatan kompon pendek dan motor arus searah penguatan kompon panjang. 26
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek ditunjukkan oleh Gambar 2.13 di bawah ini : Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek Dari Gambar 2.13 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.13) : V t = E a + I s.r s + I a. R a...(2.13) Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.14) : I L = I s = I a + I sh...(2.14) Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang ditunjukkan oleh Gambar 2.14 di bawah ini: 27
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang Dari Gambar 2.14 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.15) : V t = E a + I s.r s + I a.r a...(2.15) Karena I s = I a Maka persamaan (2.15) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.16) : V t = E a + I a (R s + R a )...(2.16) Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.17) dan persamaan (2.18) : I L = I a + I sh...(2.17) I sh = V R t sh.. (2.18) 2.7 Gaya Gerak Listrik (GGL) 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 28
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 E a. (2.19) : Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan E a = a P. 60 Z. n.ф...(2.19) Karena P. Z a. 60 bernilai konstan, maka dapat dianggap sebagai suatu konstanta K sehingga persamaan (2.19) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.20) : E a = K. n. Ф...(2.20) Dimana : E a = gaya gerak listrik lawan motor arus searah (Volt) K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) n = kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit) = fluksi setiap kutub (Weber) P = jumlah kutub Z = jumlah total konduktor jangkar a = jumlah kumparan tersambung paralel 2.8 Rugi-rugi Pada Motor Arus Searah Motor arus searah menerima daya masukan berupa energi listrik dan menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh 29
daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang hilang tersebut ada yang dikonversikan menjadi panas dan ada yang diserap oleh mesin untuk mengatasi gesekan karena adanya bagian yang berputar di dalam mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini jika nilainya terlalu besar akan dapat menyebabkan kenaikan temperatur motor yang dapat merusak isolasi dan mempercepat berkurangnya umur ekonomis motor sehingga membatasi daya keluaran motor. Berikut ini proses pengkonversian energi pada motor arus searah dalam diagram aliran daya dapat dilihat pada Gambar 2.15 berikut ini: Gambar 2.15 Diagram aliran daya pada motor arus searah Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya keluaran motor. Ini merupakan rugi-rugi daya yang terjadi di dalam motor. Dalam persamaan dinyatakan dengan : Σ Rugi-Rugi = Daya Masukan Daya Keluaran...(2.21) Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor arus searah didefinisikan sebagai selisih daya antara daya masukan yang diterima motor dengan daya keluaran yang 30
dapat dihasilkannya dimana selisih daya tersebut berubah menjadi bentuk energi yang lain yang tidak dapat digunakan bahkan dapat merugikan bagi motor itu sendiri. Rugi-rugi daya yang terjadi pada motor arus searah dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Rugi-rugi tembaga (copper losses) 2. Rugi-rugi inti (core or iron losses) 3. Rugi-rugi sikat (brush losses) 4. Rugi-rugi mekanis (mechanical losses) 5. Rugi-rugi beban stray (stray load losses) 2.8.1 Rugi-rugi Tembaga (copper losses) Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumparan jangkar motor. Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi R f dan R a, maka jika mengalir arus DC sebesar I f dan I a akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan : Rugi-rugi jangkar : P a = I 2 a R a...(2.22) Rugi-rugi medan : P f = I 2 f R f...(2.23) Di mana : P a = Rugi-rugi jangkar (Watt) P f = Rugi-rugi medan (Watt) I a = Arus jangkar (A) I f = Arus Medan (A) R a = Tahanan Jangkar (Ohm) 31
dianggap sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar dan disebut sebagai rugi hysteresis. Untuk menentukan besarnya rugi hysteresis di dalam inti jangkar digunakan persamaan Steinmentz yaitu : Dimana : P h = rugi hysteresis P h = ηb 1, 6 max fv Watt......(2.24) B max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar f = frekuensi pembalikan magnetik n P = 120 dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub V = volume jangkar dalam m 3 η = koefisien hysteresis Steinmentz 2). Rugi Arus Pusar Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar, ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam inti jangkar. Tegangan ini menghasilkan arus yang bersirkulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.17. Ini disebut sebagai arus pusar (eddy current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar. Rugi arus pusar berlaku sebagai panas yang dapat menaikkan temperatur motor dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai inti jangkar, resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya luas penampang inti. Akibatnya, nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya. 33
(a) (b)
komutator. Karena adanya suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagianbagian tersebut, walaupun kecil, diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan akibat koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor arus searah tersebut. Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara bagian-bagian motor yang berputar dengan udara di dalam rumah (casing) motor. Baik itu pergesekan antara permukaan rotor dengan udara pada celah udara di dalam motor ataupun gesekan udara dengan kipas pendingin yang dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut. 2.8.5 Rugi-rugi Beban Stray (stray load losses) Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi, yang timbul karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung singkat komutasi. Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe rugi-rugi yang disebutkan di atas. Di dalam perhitungan rugi-rugi motorarus searah, besarnya rugi-rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh. Rugi-rugi di dalam motor arus searah di atas juga dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok yaitu : 1. Rugi-rugi Konstan 2. Rugi-rugi Variabel 35
1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor arus searah yang nilainya selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi rugi inti + mekanis disebut dengan rugi rugi rotasi.yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi konstan adalah : a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin c. Rugi-rugi tembaga medan shunt. 2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motorarus searah yang nilainya bervariasi terhadap arus pembebanan.yang termasuk ke dalam kelompok rugirugi ini adalah : a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (I 2 a R a ) b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (I 2 a R se ) c. Rugi jatuh tegangan sikat (V bd I a ) Sehingga rugi-rugi total di dalam motor arus searah adalah : Σ Rugi Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel....(2.26) 36