STUDI PENGARUH PEMBEBANAN PADA MOTOR DC PENGUATAN SHUNT TERHADAP ARUS STATOR Oleh : Agus Raikhani Prodi Elektro F. Teknik Universitas Darul Ulum Jl. Gus Dur 29 a Jombang Email. Agus.raikhani@gmail.com 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, motor dc 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 ). PENDAHULUAN Motor arus searah (motor DC) telah ada selama lebih dari seabad. Keberadaan motor DC telah membawa perubahan besar sejak dikenalkan motor induksi, atau terkadang disebut AC Shunt Motor.Motor DC telah memunculkan kembali Silicon Controller Rectifier yang digunakan untuk memfasilitasi kontrol kecepatan pada motor. Mesin listrik dapat berfungsi sebagai motor listrik apabila didalam motor listrik tersebut terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor dan mengangkat bahan. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik terkadang disebut kuda kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Sedangkan untuk motor DC itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang seara h pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor DC kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Motor DC sering dimanfaatkan sebagai penggerak pintu geser otomatis dan dalam rangkaian robot sederhana. Motor DC memiliki manfaat yang sangat banyak dalam kehidupan sehari-hari dan dalam dunia industri. Motor DC memudahkan pekerjaan sehingga proses industri dapat berjalan efisien. Semakin banyak inustri yang berkembang, maka akan semakin banyak mesin yang digunakan. Semakin banyak mesin yang digunakan, maka semakin banyak penggunaan motor DC. Oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui dan mengerti pengertian motor DC, prinsip kerja, jenis-jenis motor DC, aplikasi dan perhitungan motor DC. Oleh sebab itu penulis tertrik untuk meneliti pengaruh pembebanan motor DC terhadap arus jangkar motor. Permasalahan penelitian ini adalah bagaimana proses pembebabanan motor dc dan bagaimana pengaruh beban terhadap arus masuk stator. Dengan tujuan untuk mengetahui hubungan motor dc perbeban dan mengetahui pada motor berbeban pengaruhnya terhadap arus stator. Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 1
METODOLOGI HASIL PENELITIAN Motor arus searah (motor DC) telah ada selama lebih dari seabad. Keberadaan motor DC telah membawa perubahan besar sejak dikenalkan motor induksi, atau terkadang disebut AC Shunt Motor.Motor DC telah memunculkan kembali Silicon Controller Rectifier yang digunakan untuk memfasilitasi kontrol kecepatan pada motor. Mesin listrik dapat berfungsi sebagai motor listrik apabila didalam motor listrik tersebut terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor dan mengangkat bahan. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik terkadang disebut kuda kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Sedangkan untuk motor DC itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor DC kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Motor DC sering dimanfaatkan sebagai penggerak pintu geser otomatis dan dalam rangkaian robot sederhana. Motor DC memiliki manfaat yang sangat banyak dalam kehidupan sehari-hari dan dalam dunia industri. Motor DC memudahkan pekerjaan sehingga proses industri dapat berjalan efisien. Semakin banyak inustri yang berkembang, maka akan semakin banyak mesin yang digunakan. Semakin banyak mesin yang digunakan, maka semakin banyak penggunaan motor DC.Oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui dan mengerti pengertian motor DC, prinsip kerja, jenis-jenis motor DC, aplikasi dan perhitungan motor DC. Pengertian Motor DC Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut kuda kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 2
medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. Gambar 1. Motor D.C Sederhana Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet Prinsip Kerja Motor Arus Searah 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 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Pada Gambar 2.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.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.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 kerapatannyabertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untukmengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gayaberupa dorongan ke arah bawah. Begitu juga halnya bila arah arus dalamkonduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 3
bawah konduktor akanbertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehinggakonduktor akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas. Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini: Gambar 3.Prinsip perputaran motor dc Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan,mengalir arus medan If pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehinggamenghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan, padakumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia. Arus yang mengalir pada konduktor-konduktorkumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksijangkar ini memotong fluksi dari kedua kutub medan, sehingga menyebabkanperubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkarmengalami gaya sehingga menimbulkan torsi. Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar, merupakan akibat aksi gabungan medan utama dan medan di sekeliling konduktor. Gaya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan utama dan kuat medan di sekeliling konduktor. Medan di sekeliling masing-masing konduktor jangkar tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir 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 Ia... ( 2.3 ) K = pz 2πa... ( 2.4 ) Dimana : T = torsi [ N-m ] r = jari-jari rotor [ m ] K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) = fluksi setiap kutub Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 4
Ia = arus jangkar [ A ] p = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang parallel Motor Arus Searah Penguatan Bebas Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas Gambar 4.Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas 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 ]. Motor Arus Searah Penguatan Shunt 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt Gambar 5 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) dimana : Ish = arus kumparan medan shunt [ Ohm ]. Vsh = tegangan terminal medan motor arus searah [ Volt ]. Rsh = tahanan medan shunt [ Ohm ]. IL = arus beban [ Amp ]. 2.7.3 Motor Arus Searah Penguatan Seri 1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 5
Gambar 6 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri Persamaan umum motor arus searah seri. Vt = Ea + Ia (Ra + Rs).....(2.22) Ia = ( V t E a R a + R s ).. (2.23) Ia = IL (2.24) dimana : Is = arus kumparan medan seri [ Amp ]. Rs = tahanan medan seri [ Ohm ]. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Gambar 7. 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) Gambar 8.(a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek lawan 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 ) PEMBAHASAN Pengaruh pembebanan pada motor DC penguat shunt terhadap arus jangkar Percobaan dilakukan dalam rangka untuk melihat bagaimana pengaruh arus jangkar,pada saat m otor DC dibebani dengan pembebanan konstan, hal ini penting dilakukan karena penggunaan motor DC diberbagai tempat,masih merupkan pilihan yang tepat untuk menggunanakannya sebagi media untuk memutar beban. Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 6
4.2. 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 : 2. Machines Controlled Panel Terdiri dari alat ukur dan catu daya sebagai berikut : 1 unit Power Supply AC/DC 1 Unit Variable resistor 0-25 ohm 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 Amper 1. Peralatan yang dipakai, Motor DC, Alat alat ukur tagangan dan arus, beban, Tachometer,kit praktikum, kabel, dan kit praktikum. Meliputi Motor DC Type DDHz VT = 190 Volt DC I = 4,8 A Klas = B Spesifikasi motor 6304zz /6203zz Tahanan medan = 700 Ohm Tahanan jangkar = 2,5 ohm Dioda penyearah ( rectifier ) - Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan didalam laboratorium Mesin- mesin listrik Fakultas Teknik Universitas Darul Ulum Jombang, maka didapatkan data sebagai berikut dibawah : - Berdasarkan teori dasar mesin listrik, arus searah, terdapat hubungan antara Tegangan input, arus jangkar dan arus medan dalam mempengaruhi kecepatan putaran motor DC, hal ini berdasarkan persamaan tersebut dibawah : VT = VT Ia Ra Volt σ Dari persamaan diatas, maka proses untuk mengatur kecepatan putaran motor arus searah bisa dilakukan dengan : a. Mengatur tegangan input b. Mengatur arus jangkar c. Mengatur arus medan Disamping itu pada saat motor DC mulai dijalankan, di start, akan mengikuti persamaan sebagai berikut : VT = Eb +IaRa VT = c n +IaRa Pada saat n = 0 ; VT = IaRa Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 7
Grafik fungsinya: Ta Ia Berdasarkan hasil pengujian, maka dapat digambarkan hubungan antara Ia dan Rpm. Putaran (Rpm) 1695 1614 1531 1433 1356 1289 1212 1170 1104 1010 1,6 1,73 1,81 1,84 1,92 2,00 2,11 2,25 3,12 3,30 Arus Jangkar (Ia) Pengaruh pembebanan terhadap kenaikan arus jangkar melalui persamaan. Ie Ra Eb Rsh Vt VT = Eb + Ia. Ra VT = c n +Ia Ra KESIMPULAN Dengan demikian, maka dapat disimpulkan bahwa, dengan bertambahnya beban, maka bila beban bertambah besar; akan diikuti oleh semakin besarnya arus jangka (Ia); dalam bercobaan ini hanya Ia semakin bertambah besar dengan bertambahnya kenaikan tegangan input (VT); kenaikan Ia akan membuat semakin besar ( torsi jangkar ) Ta; Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 8
sehingga akan dapat dilihat grafik seperti diatas, kenaikan Ta ( torsi jangkar ) akan menyebabkan penurunan kecepatan motor DC, biilamana tegangan input dalam keadaan tetap, tetapi karena tegangan input juga berubah, maka keadaan motor berbeban tidak terlalu berpengaruh pada kecepatan motor, walaupun arus jangkar juga mengalami kenaikan.sehingga dikarenakan beban relatif rendah, maka grafik hubungan Ta ( torsi jangkar ) besar dan ( Rpm ) rendah tersebut tidak dapat dipenuhi. DAFTAR PUSTAKA Chapman Stephen J., Electric Machinery Fundamentals, Mc. Graw-HillInternational Edition, 1999. Deshpande M.V, Electric Motors Applications AndControl,A.H.Wheeler& C.O. Private Limited, Bombay,1985. Dubey.Gopal K., Power Semiconduktor Controlled Driver,Prentice Hall,Englewood Cliffs, New Jersey,1989. Eugene C. Lister, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi keenam, Erlangga,Jakarta. Kadir Abdul., Mesin Arus Searah, Djambatan, Jakarta, 1980. Mehta V.K dan Rohit., Principles of Elektrical Mechines, S.Chand dancompany LTD, Ram Nagar New Delhi, 2002. Theraja B.L., A Text Book of Electrical Technology, Nurja Construction& Development,New Delhi, 1980. Wijaya, Mochtar, Dasar-dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, 2001. Jurnal @Trisula LP2M Undar edisi 1 Vol. 1/2015 ISSN. 2442-3238 9