BAB II MOTOR ARUS SEARAH 2.1 Umum Motor arus searah adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran.pada prinsip pengoperasiannya, motor arus searah sangat identik dengan generator arus searah. Kenyataannya mesin yang bekerja sebagai generator arus searah akan dapat bekerja sebagai motor arus searah. Oleh sebab itu, sebuah mesin arus searah dapat digunakan baik sebagai motor arus searah maupun generator arus searah. Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam dan bagian yang berputar. Pada bagian yang diam (stator) merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar (rotor) ditempati oleh rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat. Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetik. Dimana kumparan medan akan menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan dan kumparan jangkar akan menghasilkan fluksi magnet yang melingkar. Interaksi antara kedua fluksi magnet ini menimbulkan suatu gaya. Dimana gaya ini akan menghasilkan momen puntir atau torsi. Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka motor akan berputar.
2.2 Konstruksi Motor Arus Searah Secara umum konstruksi motor arus searah terbagi atas dua bagian, yaitu : 1) Stator (bagian yang diam), terdiri darirangka, 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 di bawah ini : Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor
Keterangan dari Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 tersebut adalah : 1. Rangka Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut. Rangka juga berfungsi sebagai tempat mengalirkan fluksi magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan. Rangka dibuat dengan menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkaian magnet. Pada rangka terdapat papan nama (name plat) yang bertuliskan spesifikasi umum atau data teknik dari motor. Papan nama tersebut untuk mengetahui beberapa hal pokok yang perlu diketahui dari motor tersebut. 2. Kutub Medan Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan. b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung. Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang terisolasi satu sama lain. Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian dibuat pada rangka.
3. Sikat Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator. 4. Kumparan Medan Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat ataupun persegi. Belitan medan berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama yang dibentuk dari kumparan pada setiap kutub. 5. Inti Jangkar Inti jangkar yang umumnya digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi. Seperti halnya pada inti kutub magnet,jangkar juga dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus liar (eddy current).inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik yaitu sejenis campuran baja silicon
6. Kumparan Jangkar Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur inti jangkar. Jenisjenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam, yaitu : 1. Kumparan jerat (lap winding) 2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan zig-zag (frog-leg winding) 7. Komutator Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara satu dengan lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika. Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya mempunyai dua bagian yaitu : 1) Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutatordengan sikat-sikat. 2) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator dengan ujung dari lilitan jangkar. 8. Celah Udara Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah Motor arus searah mempunyai prinsip kerja berdasarkan percobaan Lorentz yang menyatakan : jika sebatang penghantar listrik yang berarus berada di dalam medan magnet maka pada kawat penghantar tersebut akan terbentuk suatu gaya. Gaya yang terbentuk merupakan gaya mekanik yang sering dinamakan gaya Lorentz. Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanikseperti diperlihatkan pada Gambar 2.3 berikut : (a) (b) (c) Gambar 2.3 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya arus yang mengalir dalam konduktor, seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.1) berikut ini : H = N I...(2.1)
Dimana : H = kuat medan magnet (lilitan Ampere/meter) N = banyak kumparan (lilitan) I = arus yang mengalir pada penghantar (Ampere) = panjang dari penghantar (meter) Pada Gambar 2.3(a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan Gambar 2.3(b) menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet (garis-garis gaya fluksi) disekelilingnya. Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (c). Sehingga kerapatan fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor (dekat kutub selatan) dan di bawah sebelah kiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan fluksi menjadi berkurang di atas sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah kanan konduktor. Kerapatan fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di sebelah kiri akan mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan akan mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi yang akan memutar jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran jarum jam. Prinsip ini lah yang menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus searah.
Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar 2.4 berikut ini : Gambar 2.4Prinsip perputaran motor arus searah Berdasarkan Gambar 2.4 di atas, kedua kutub stator dibelitkan dengan konduktor- konduktor sehingga membentuk kumparan yang dinamakan kumparan stator atau kumparan medan. Kumparan medan tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan (I f ). Kumparan medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garisgaris fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan hukum Lorentz kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya (F), maka demikian pula halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub dan panjang konduktor jangkar ( ). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan
jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar. Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B), maka besar gaya (F) yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar sepanjang yang ditempatkan dalam suatu medan magnet dapat ditunjukkan oleh persamaan (2.2) : F = B. I.......... (2.2) Dimana : F = gaya Lorentz (Newton) I = arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere) B = kerapatan fluksi (Weber/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)
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 2.5Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa :
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 : Bidang Netral Magnetis O U S F A Gambar 2.6Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar ditentukan dengan aturan putaran sekrup (corkscrew rule). Besar dan arah garis gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OF A yang sejajar dengan bidang netral magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar
dan konduktor medan sama- sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karena itu distribusi fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat dari Gambar 2.7 berikut ini: ω U S Bidang netral magnetis baru β O F A Bidang netral magnetis lama F M Fr Gambar 2.7Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar Fluksi yang dihasilkan oleh garis gayamagnet 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 magnetisasisilang (crossmagnetization).
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.7dapat 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 β karena posisi bidang netral magnetis ini selalu tegak lurus terhadap vektor OF. Dengan pergeseran bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh pergeseran bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen komutator dekat sikat. Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat 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 Jenis Jenis MotorArus 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
2.5.1 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 2.8 di bawah ini : + I a I f V t R a + E a - R f + - V f - Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.11 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) : V t = E a + I a.r a + V sikat.....(2.6) Dari Gambar 2.11 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 = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt) R a = tahanan jangkar (Ohm) I f = arus medan penguatan bebas (Ampere) V f = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
R f = tahanan medan penguatan bebas (Ohm) E a = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt) V sikat = jatuh tegangan pada sikat (Volt) Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat diabaikan, maka untuk rumus selanjutnya V sikat ini diabaikan. 2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga dihubungkan dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel, tergantung pada jenis penguatan yang diberikan terhadap motor. Berdasarkan hubungan kumparan medan dengan kumparan jangkarnya, motor arus searah penguatan sendiri dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Motor arus searah penguatan seri 2. Motor arus searah penguatan shunt 3. Motor arus searah penguatan kompon 2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri ditunjukkan pada Gambar 2.9 di bawah ini :
+ I L R s I S I a V t R a + E a - - Gambar 2.9Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar. Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.8) : 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) : V t = E a + I a (R a + R s )...(2.9) Dimana : I s = arus kumparan medan seri (Ampere) R s = tahanan medan seri (Ohm) I L = arus dari jala-jala (Ampere) 2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada Gambar 2.10 di bawah ini :
+ I sh I L + I a V t R sh R a E a - - Gambar 2.10Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan jangkar dihubungkan langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar. Dari Gambar 2.10 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 = arus kumparan medan shunt (Ampere) R sh = tahanan medan shunt (Ohm) 2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Motor arus searah penguatan kompon merupakan gabungan motor arus searah penguatan seri dan motor arus searah penguatan shunt.motor arus searah penguatan kompon dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Motor arus searah penguatan kompon pendek
Motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif (bantu) Motor arus searah penguatan kompon pendek differensial (lawan) 2. Motor arus searah penguatan kompon panjang Motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif (bantu) Motor arus searah penguatan kompon panjang differensial (lawan) 2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medanshunt. Motor arus searah penguatan kompon pendek terbagi menjadi dua jenis, yaitu kompon pendek kumulatif (bantu) dan kompon pendek differensial (lawan). Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama. Hal ini disebabkan karena kedua arus medannya sama-sama memasuki dot. Maka sesuai dengan aturan dot, fluksi yang dihasilkan menjadi saling menguatkan. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek differensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan. Salah satu arus medannya memasuki dot sedangkan yang lainnya meninggalkan dot sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif dan motor arus searah penguatan kompon pendek differensial ditunjukkan oleh Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 berikut ini :
+ I L R s I s I sh I a + V t R sh R a E a - - Gambar 2.11Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif (bantu) + I L R s I s I sh I a + V t R sh R a E a - - Gambar 2.12Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek differensial (lawan) Dari Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 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) 2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Sama halnya seperti motor arus searah penguatan kompon pendek, motor arus searah penguatan kompon panjang juga
terbagi dua, yaitu kompon panjang kumulatif (bantu) dan kompon panjang differensial (lawan). Pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama sehingga fluksi yang dihasilkan saling menguatkan. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang differensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan sehingga fluksi yang dihasilkan menjadi saling mengurangi. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif dan motor arus searah penguatan kompon panjang differensial ditunjukkan oleh Gambar 2.16 dan Gambar 2.17 berikut ini : + I L R s I sh I s I a + V t R sh R a E a - - Gambar 2.13Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif (bantu) + I L R s I sh I s I a + V t R sh R a E a - - Gambar 2.14Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
differensial (lawan) Dari Gambar 2.13 dan 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) 2.6 Gaya Gerak Listrik Lawan Pada Motor Arus Searah Ketika jangkar motor arus searah berputar di bawah pengaruh torsi penggerak, konduktor jangkar juga berputar di dalam medan magnet dan akan menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. Sesuai dengan hukum Faraday, akibat gerakan konduktor di dalam suatu medan magnetik maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi yang diinduksikan pada konduktor tersebut. Sesuai dengan hukum Lentz, arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan tegangan yang diberikan pada motor dan dikenal sebagai ggl lawan atau ggl balik E a. Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan (2.19) :
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 Mesin n = kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit) Φ = fluksi setiap kutub (Weber) P= jumlah kutub Z= jumlah total konduktor jangkar a = jumlah kumparan tersambung paralel 2.7 Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Kompon Karakteristik dari suatu motor harus diketahui, karena karakteristik dari suatu motor akan mencerminkan performansi (unjuk kerja) dari motor listrik tersebut selama kondisi operasinya.untuk motor arus searah penguatan seri dan motor arus searah penguatan shunt hanya memiliki satu komponen medan. Sedangkan untuk motor arus searah penguatan kompon memiliki dua kumparan medan yakni kumparan medan shunt dan kumparan medan seri. Pada motor arus searah penguatan kompon panjang dan motor arus searah penguatan kompon pendek terdapat tiga karakteristik, yaitu : 1. Karakteristik torsi arus jangkar(t/i a )
2. Karakteristik putaran arus jangkar (n/i a ) 3. Karakteristik torsi putaran(t/n) 2.7.1 Karakteristik Torsi Arus Jangkar (T/I a ) Pada motor arus searah penguatan kompon berlaku persamaan (2.24) : T = K.Ф m.i a...(2.24) Dimana Ф m = Ф sh + Ф s Sehingga persamaan (2.24) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.25) : Dimana: T = K.(Ф sh + Ф s ).I a...(2.25) T = torsi jangkar (Newton-meter) Ф sh = fluksi pada kumparan medan shunt (Weber) Ф s = fluksi pada kumparan medan seri (Weber) Dari persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa dengan pertambahan arus jangkar (I a ) maka fluks magnetik (Ф m ) juga akan bertambah sehingga menyebabkan torsi(t) meningkat. Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, fluksi medan shunt lebih besar dibandingkan medan seri maka bentuk kurva karakteristik torsi arus jangkar (T/I a ) seperti kurva1 pada Gambar 2.18. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek, fluksi medan seri lebih besar dibandingkan dengan medan shunt maka bentuk kurva karakteristik torsi arus jangkar (T/I a ) seperti kurva 2 pada Gambar 2.18. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristik torsi arus jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.18 berikut:
r Gambar 2.18 Kurva karakteristik torsi arus jangkar(t/i a ) 2.7.2 Karakteristik Putaran Arus Jangkar (n/i a ) Sebagaimana telah diketahui bahwa kecepatan putaran motor arus searah sesuai dengan persamaan (2.23) sehingga diperoleh persamaan (2.26) : Ea n ~...(2.26) Φ Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, fluks magnetik (Φ) dan GGL lawan (E a ) hampir konstan di bawah kondisi normal. Dengan demikian, kecepatan putaran motor (n) hampir selalu konstan walaupun arus jangkar (I a ) berubah-ubah nilainya. Ketika beban bertambah, GGL lawan dan fluks magnetik berkurang akibat drop tegangan pada tahanan jangkar (R a ). Dalam hal ini, GGL lawan berkurang lebih sedikit dibandingkan fluks magnetik. Dengan demikian, kecepatan putaran motor juga menurun sedikit seperti ditunjukkan oleh kurva 2 pada Gambar 2.19. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kecepatan putaran motor akan berubah seiring dengan pertambahan beban seperti
ditunjukkan oleh kurva 1 pada Gambar 2.19. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristikputaran arus jangkar (n/i a ) dapat dilihatpada Gambar 2.19 berikut : Gambar 2.19 Kurva karakteristik putaran arus jangkar (n/i a ) 2.7.3 Karakteristik Torsi Putaran (T/n) Karakteristik torsi putaran (T/n) disebut juga karakteristik mekanik. Dari persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa jika torsi (T) bertambah, maka nilai (I a ) bertambah, sedangkan fluks magnetik (Ф m ) tetap. Dengan bertambahnya torsi (T), maka kecepatan putaran (n) akan menurun. Untuk motor arus searah penguatan kompon panjang, bentuk kurva karakteristik torsi putaran (T/n) ini mendekati kemotor shunt seperti kurva 1 pada Gambar 2.20. Sedangkan untuk motor arus searah penguatan kompon pendek, bentuk kurva karakteristik torsi putaran (T/n) mendekati kemotor seri sepertikurva 2 pada Gambar 2.20. Untuk lebih jelasnya, karakteristik torsi putaran (T/n) dapat dilihat pada Gambar 2.20 berikut:
1 2 Gambar 2.20 Kurva karakteristik torsi putaran (T/n) 2.8 Metode Pengaturan Kecepatan Motor DC Pengaturan kecepatan putaran pada motor DC adalah suatu usaha yang diberikan terhadap motor DC yang sedang berputar untuk mendapatkan kecepatan putaran motor sesuai yang diinginkan. Kecepatan putaran motor DC dapat dinyatakn dengan persamaan sebagai berikut : Dimana E a = E a = V t I a R a (2.27) P Φ Z n 60 a Sehingga Karena P Z 60 a = K P Φ Z n 60 a = V t I a R a Maka K n Ф = V t I a R a Sehingga diperoleh persamaan (6.3) :
n = ( V I R ) t a a K Φ (2.28) Dari persamaan (2.28) di atas dapat dilihat bahwa kecepatan (n) berbanding lurus dengan tegangan terminal motor (V t ), arus jangkar (I a ) dan tahanan jangkar (R a ) serta berbanding terbalik dengan fluks per kutub (Φ). Dengan demikian, kecepatan putaran motor arus searah dapat diatur dengan cara mengubah : 1. Tahanan jangkar (R a ) 2. Fluks Magnetik (Φ) 3. Tegangan terminal (V t ) Dimana : n = jumlah putaran K = konstanta motor Vt = tegangan terminal Ra = tahanan jangkar Ia = arus jangkar Ø = fluks magnetic 2.8.1. Metode Pengaturan Tahanan Jangkar Metode ini dilakukan dengan menambahkan tahanan variabel (rheostat) yang terhubung seri dengan jangkar, sehingga arus yang mengalir pada jangkar dapat diatur. Dengan pengaturan arus jangkar ini, kecepatan akan dapat diatur. Pengaturan dengan menambah tahan seri pada jangkar dapat dilihat pada gambar berikut :
I s I a I sh E F RL GA J M K HB Gambar 2.21 Pengaturan kecepatan dengan tahanan seri pada jangkar Dari rangkaian gambar diatas berlaku Vt = Ea+Ia.(Ra+Rs) Dimana Sehingga Ea= K.n.Ø K.n.Ø= Vt-Ia(Ra+Rs) n = Vt Ia(Ra+Rs) K.Ø maka setiap perubahan nilai tahanan jangkar(ra) akan menyebabkan perubahan dari putaran motor. Metode ini memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan dibawah kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena banyak daya yang terbuang dalam rheostat 2.8.2. Metode Pengaturan Fluksi Pengurangan fluksi (φ) mengakibatkan kenaikan kecepatan putaran. Pada motor DC kompon, fluksi dapat diatur dengan memasang rheostat medan shunt, yaitu rheostat yang dipasang seri dengan medan sehingga arus medan dan arus jangkar berubah sehingga menyebabkan perubahan fluksi
I s I a E F J RL I sh M GA K HB Gambar 2.22 Pengaturan kecepatan dengan tahanan seri pada kumparan medan Dari rangkaian diatas berlaku persamaan gambar diatas berlaku Vt = Ea+Ia.(Ra+Rs) Atau Vt = M d.w r.i f + Ia.(R a +R s )... kondisi steady state (2.30) Dimana I f sebanding dengan Ø(fluksi). M d = Konstanta Mesin,=K V t =K.W r. Ø + Ia.(Ra+Rs) (2.31) Dalam hal ini V t dianggap Konstan,sehingga : V t -Ia.(Ra+Rs)= K1 = Konstanta. V t -Ia.(Ra+Rs) =K.W r. Ø Vt Ia.(Ra+Rs) W r = = K1 K.Ø K.Ø (2.32) Dengan adanya tahan tambahan pada kumparan medan,maka : Ø = I f = Vf Rf+ Rg (2.33) W r = = K1 Wr sehingga = Ø K.Ø Wr Ø (2.34) Dari persamaan (2.34) diketahui bahwa setiap perubahan fluksi (Ø) akan menyebabkan perubahan putaran motor Dimana Ø = B.A (2.35)
B= µ0.i 2πa (2.37) B = medan magnet (Gauss) µ 0 = Permitivitas bahan I = arus (ampere) A= Luas medan magnet(m 2) a=diarmeter kawat(meter) Ø= Garis gaya magnet (Webber) Ø = µ0.i.a (2.38) 2πa Besar garis garis gaya magnet yang tercipta sebanding dengan besar nilai permitivitas bahan(µ 0 ),besarnya arus yang mengalir(i) serta luas daerah yang terpapapr medan magnet(a) dan berbanding terbalik dengan diameter Kawat(a) Artinya : dengan mengatur I yang mengalir pada medan shunt akan menyebabkan perubahan fluksi,sehingga putaran dari motor juga berubah,untuk mengatur I pada medan shunt dipasang tahanan variable yang dipasang seri. 2.8.3 Metode Pengaturan Tegangan ( Ward Leonard System) Dalam metode ini, sumber tegangan arus medannya berbeda dengan sumber tegangan jangkarnya.metode ini menghindari kerugian-kerugian dari pengaturan kecepatan yang buruk dan efisiensi yang tidak baik, seperti pada pengaturan tahanan jangkar. Prinsipnya adalah suatu penggerak mula yang biasanya adalah motor induksi digunakan untuk menggerakan generator DC pada suatu kecepatan konstan. Tegangan keluaran dari generator DC tadi menjadi input bagi motor DC untuk berputar.
E-5 3-φ AC motor G E-10 M + - Gambar 2.23Pengaturan kecepatan dengan metode Ward Leonard 2.9 Rugi Rugi Motor Arus Searah Penguatan Sendiri Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang hilang tersebut ada yang dikonversikan menjadi panas dan ada yang diserap oleh mesin untuk mengatasi gesekan karena adanya bagian yang berputar di dalam mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini jika nilainya terlalu besar akan dapat menyebabkan kenaikan temperatur motor yang dapat merusak isolasi dan mempercepat berkurangnya umur ekonomis motor sehingga membatasi daya keluaran motor. Berikut ini proses pengkonversian energi pada motor DC dalam diagram aliran daya di bawah ini:
P L P d P mk P P g j Gambar 2.24 Diagram Aliran Daya( P L P mk ) Untuk mengubah daya listrik ( P L ) menjadi daya mekanik (P mk ) motor DC mengalami kerugian-kerugian yaitu : a. P g ( rugi gesekan ) b. P J ( Joule ) ialah kerugian-kerugian yang disebabkan oleh kerugian tembaga dan kerugian besi P J = P tb + P b c. P pada penguat d. P pada sikat-sikat dan sebagainya. Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya keluaran motor. Ini merupakan rugi-rugi daya yang terjadi di dalam motor. Dalam persamaan dinyatakan dengan : Σ Rugi-Rugi = Daya Masukan Daya Keluaran...(2.39) Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor DC didefinisikan sebagai selisih daya antara daya masukan yang diterima motor dengan daya keluaran yang dapat
dihasilkannya dimana selisih daya tersebut berubah menjadi bentuk energi yang lain yang tidak dapat digunakan bahkan dapat merugikan bagi motor itu sendiri. Sebagian tenaga listrik ( input ) motor DC hilang atau berubah menjadi panas. Dalam hal ini akan menimbulkan panas yang berlebihan yang berakibat rusaknya isolasi. Hal tersebut terjadi pada setiap mesin arus searah, baik itu generator DC maupun motor DC dan mesin AC. Kerugian kerugian itu antara lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada belitan, rheostat dan sebagainya. Generator DC dan motor DC mempunyai tipe kerugian-kerugian yang sama. Kerugian-kerugian itu adalah Tabel 2.1 Tipe dan Jenis Kerugian Tipe tipe Kerugian a. Kerugian pada belitan shunt b. Kerugian pada rheostat Keterangan Kerugian I 2 R pada belitan penguat shunt Kerugian I 2 R pada tahanan geser ( R st, c. Kerugian pada penguat R pengatur ) d. Kerugian oleh gesekkan dan oleh angin e. Kerugian karena gesekkan sikatsikat Kerugian mekanis akibat gesekkan sikat-sikat Kerugian pada kipas pendingin f. Kerugian pada ventilasi g. Kerugian inti Kerugian I 2 R pada lilitan jangkar
h. Kerugian pada lilitan jangkar i. Kerugian pada lilitan seri j. Kerugian pada kontak sikat Kerugian I 2 R pada lilitan penguat seri Kerugian listrik pada sikat-sikat dan kontak-kontak Kerugian-kerugian akibat arus liar pada k. Kerugian stray load tembaga, kerugian inti, reaksi jangkar, kerugian short circuit pada saat komutasi. Untuk lebih jelasnya pada tabel 2.2 menunjukkan jenis kerugian-kerugian pada mesin DC dan bagaimana cara menentukan besarnya kerugian-kerugian tersebut. Tabel 2.2 Kerugian-kerugian pada Mesin DC Kerugian- kerugian Cara menentukan Perputara (Stray Power ) Gesekan : Bantalan Sikat Kipas pendingin (windage) Inti jangkar : Biasanya ditentukan melalui tes Tembaga Histerisis Arus liar Lilitan jangkar Lilitan kutub bantu I a ² R a I a ² R b
Lilitan seri Lilitan kompensasi Kontak sikat Lilitan shunt Stray Load Losses I a ² R se I a ² R c ( 1 s/d 6 ) x I a U I sh 1 percent dari output untuk mesin yang lebih besar dari 150 KW ( 200 HP ) 2.10 Efisiensi Motor DC Penguatan Kompon Efisiensimotor arus searah merupakan perbandingan antara daya keluaran dengandaya masukanyang dinyatakan dalam persen (%) dari motor arus searah tersebut.daya masukan yang diterima oleh motor arus searah berupa daya listrik sedangkandaya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak rotor dan hasil selisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut rugi-rugi.dimana rugi-rugi motor arus searah sangat dipengaruhi oleh arus jangkar dan arus medan shunt dimana jika Ia dan Ish berubah maka rugi-rugi juga berubah sehingga sangat mempengaruhi efesiensi. Dengan demikian, efisiensi suatu motor arus searah diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.40) : Pout η = x 100 % Pin (2.40) Karena P out = P in ΣRugi-Rugi (2.41) P in = P out +ΣRugi-Rugi (2.42) Karena P Rugi-Rugi = ( I a ) 2 x R a + ( I s ) 2 x R s + ( I sh ) 2 x R sh (2.43)
Maka efisiensi motor arus searah dapat juga dituliskan sepertipersamaan (2.44) dan persamaan (2.45) : Pin Rugi Rugi η = x 100 % (2.44) Pin η = P out Pout x 100 % (2.45) + Rugi Rugi Dimana : η = efisiensi motor arus searah (%) P in = daya masukan motor arus searah (Watt) P out = daya keluaran motor arus searah (Watt) Efisiensi yang dinyatakan oleh persamaan (2.44) disebut juga sebagai efisiensi komersial atau efisiensi keseluruhan (overall efficiency). Selain itu, dalam motor arus searah dikenal juga dua macam efisiensi lainnya, yaitu 2.10.1 Efisiensi Mekanis Efisiensi mekanis pada motor arus searah dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.41) : Pout η m = x 100 % Pa (2.46) Dimana : P out = daya keluaran motor arus searah = Ta x ω (Watt) P a = daya yang dibangkitkan pada kumparan jangkar = E a x I a (Watt) T sh = torsi poros dari motor arus searah (Newton-meter) ω = kecepatan putaran rotor (radian per detik) Jadi daya keluaran motor dapat ditentukan dengan persamaan (2.48) atau (2.49) :
P out =Ta x ω...( 2.48) P out =Ta x 2πN...(2.49) 2.10.1 Efisiensi Elektris Efisiensi elektris atau efisiensi listrik pada motor arus searah dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan : η e = Pa x 100%...(2.50) P in Dimana : P in = V t x I L (Watt) V t = tegangan terminal motor arus searah (Volt) I L = arus jala-jala (Ampere) Dari persamaan (2.44) dan persamaan (2.47)diperoleh hubungan antara efisiensi mekanis dengan efisiensi elektris yaitu seperti persamaan (2.48) : η = η m x η e...(2.51)