Prinsip Kerja Motor Arus Searah

BAB I PENDAHULUAN

II. 2Konstruksi Motor Arus Searah

II.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Pada saat komutator yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik seperti diperlihatkan Gambar 2.9

( a ) ( b ) ( c )

Gambar 2.9.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. Gambar 2.9.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diakibatkan oleh kutup-kutup magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutup-kutup utara menuju kutup selatan.

Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca dan ditempatkan didalam magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang ditunjukkan Gambar 2.9.c. Daerah diatas konduktor, medan yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama dengan medan utama. Sementara dibawahnya, garis-garis magnet dari konduktor arahnya berlawanan dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi diatas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi dibawah konduktor.

Dalam keadaan ini, fluksi di daerah diatas konduktor yang kerapatannya bertambah akan mengusahakan gaya kebawah kepada konduktor, untuk mengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya berupa dorongan kearah bawah. Begitu juga halnya bila arus dalam konduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada dibawah konduktor berkurang sehingga konduktor akan mendapatkan gaya tolak kearah atas. Konduktor yang mengalami arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan.

Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut ini :

Gambar 2.10 Prinsip perputaran motor dc

Pada saat kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan dan merupakan rangkaian tertutup maka mengalirlah arus medan sehingga menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutup utara menuju kutub selatan. Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber, pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar. Arus yang mengalir pada konduktor-konduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksimagnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini memotong fluksi fluksi dari kedua kutup medan, sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi.

Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar, merupakan akibat dari sebuah aksi gabungan medan utama dan medan disekeliling konduktor. Medan disekeliling 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(newton) ... (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 (N-m) ... (2.2)

Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka motor akan berputar.

Besarnya torsi beban dituliskan dengan :

T = K.∅.Ia (N-m) ... (2.3)�= �� 2�� ^{... (2.4)} Dimana : T = Torsi (N-m) R = Jari-jari (meter)

K = Konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)

∅ = Fluksi setiap kutup (weber) Ia = Arus jangkar

P = Jumlah kutup Z = Jumlah kuutp

II.3.1 Torsi Induksi

Apabila kumparan jangkar diletakkan diantara kumparan medan yang mana medan magnetnya homogen, dan kumparan jangkar ini dialiri arus maka timbullah gaya (F) seperti dilihatkan pada gambar 2.7. 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.sinα (N-m) ... (2.5) Dimana :

r = Jari-jari

α = Sudut terbentuk antara jari-jari belitan dan gaya dalam satuan derajat.

Kalau pada suatu saat kumparan jangkar berada pada kedudukan

horizontal (α = 90°), torsi yang terjadi merupakan penjumlahan dari torsi masing -masing segmen (Gambar 2.8).

a. Segmen ab

Di segmen ini, arah arus menuju kearah kita dan memotong fluksi dengan arah tegak lurus.

Besar gaya yang terjadi:

��� ⁼ �.�.�.��� 90^�

=�.�.� (tegak lurus pada I dan B) Torsi yang timbul karena gaya ini adalah:

��� ⁼ �.�.����

=�.�.�.��� 90^�

=�.�.�.� (dengan arah berlawanan putaran jarum jam)

b. Segmen bc

Di segmen bc, arah arus sejajar dengan arah fluksi, sehingga gaya yang terjadi adalah:

�_�� = �.�.�.��� 0^� = 0

Jadi: �_�� = 0

c. Segmen cd

Di segmen ini, arah arus menjauhi kita dan memotong fluksi, sehingga gaya yang terjadi adalah:

�_�� = �.�.�.��� 90^�

=�.�.� (tegak lurus pada I dan B) Torsi yang timbul karena gaya ini adalah:

��� ⁼ �.�.����

=�.�.�.��� 90^�

=�.�.�.� (dengan arah arus menuju ke arah kita dan memotong fluksi dengan arah tegak lurus pada arah I dan B).

d. Segmen da

Di segmen ini, arah arus menuju kearah kita dan memotong fluksi dengan tegak lurus pada arah I dan B.

Besar gaya yang terjadi adalah:

= 0

Jadi:�_�� = 0

Torsi keseluruhan adalah:

�=�_�� +�_�� +�_�� +�_�� �=�.�.�.�+ 0 +�.�.�.�+ 0

= 2(�.�.�.�)

Rumusan ini berlaku untuk kumparan lilitan tunggal dimana jumlah konduktor adalah 2 buah.

Untuk torsi yang dibangkitkan oleh suatu konduktor adalah:

�_���� = �.�.�.� (N-m) ... (2.6)

Jika ada a percabangan arus (cabang paralel) pada motor dan total arus jangkar sebesar Ia, maka arus yang mengalir pada suatu konduktor adalah:

�=^�_�^� (A) ... (2.7) Dan torsi pada satu konduktor pada motor adalah:

�_���� = �.�.�.�^��

� ^{(N-m) ... (2.8)}

Fluksi per kutub pada motor adalah:

∅=�.�_� =^�(2.�_�^.�.�)= ^2.�._�^�.�.�→ �.�.�= ^∅.�

2.� ^{(weber) ... (2.9)}

Dimana:

Ap = luas penampang perkutub

P = Jumlah kutub Sehingga: �_���� = ^∅.� 2.� �_� � ^{(N-m) ... (2.10)}

Torsi yang dibangkitkan oleh motor bila jumlah Z konduktor adalah: �_��� = ^�.� 2.�.�∅.�_�(� − �) ... (2.11) Sehingga: ���� ⁼ �.∅.��⁽� − �) ... (2.12) Dimana: �= ^�.� 2.�.� ^...(2.13)

II.3.2 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan

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 berlawanan, maka hal tersebut disebut GGL lawan.

Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan berikut:

�_� =^�_� ^�

60�.∅(����) (2.14)

Persamaan tegangan secara umum dapat dituliskan sebagai berikut:

�_� =�′.�.∅ (����) (2.15)

Dimana:

�′ = �.�

�.60 (2.16)

Pengaruh ggm jangkar pada distribusi fluksi medan utama dicelah utara disebut reaksi jangkar. Ggm jangkar akan menghasilkan dua pengaruh yang tidak diinginkan pada fluksi medan utama yaitu :

1. Reduksi jala-jala pada fluksi medan utama masing-masing kutup.

2. Distorsi gelombang fluksi medan utama masing-masing kutup sepanjang celah udara.

Reduksi dalam fluksi utama masing-masing kutup mengurangi tegangan utama dan torsi yang dihasilkan, dimana torsi fluksi medan utama mempengaruhi batasan keberhasilan komutasi dalam mesin arus searah.

Gambar 2.11.a memperlihatkan jalur fluksi untuk kutup utama dari mesin arus searah dua kutup tanpa beban yaitu tanpa arus jangkar. Bila mesin arus searah dibebani, maka arus akan mengalir didalam kumparan jangkar. Arus ini terlihat dalam Gambar 2.11.b oleh dot pada kutup S (selatan) dan cross pada kutup U (utara). Arus jangkar ini membentuk fluksi jangkar seperti terlihat dalam gambar 2.11.b. Jika mesin arus searah dari Gambar 2.11 bekerja sebagai motor, maka jangkar haruslah berputar berlawanan arah dengan jarum jam, karena kutup U dan S dari medan utama yang harus menarik kutup S dan U yang dihasilkan oleh jangkar. ( a ) ( b )

U S

O _M Bidang Netral Magnetis Sikat F

U S

Bidang Netral Magnetis

O

A

U S

β Bidang netral magnetis lama Bidang netral magnetis baru ω FA FM O Fr ( c )

Gambar 2.11 Ilustrasi daerah distribusi dari ; (a) Fluksi kutup medan, (b) Fluksi jangkar, (c) Resultan dari kedua fluksi.

Dari Gambar 2.11.b menunjukkan juga bagian tengah inti jangkar dan didalam kutup 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.

Dengan demikian, pengaruh gaya gerak medan mgnet (ggm) jangkar pada medan utama adalah merupakan magnetisasi silang yang disebut fluksi silang. Ketika arus mengalir kedalam jangkar dan kumparan medan, maka distribusi fluksi resultan diperoleh dari penggabungkan dua fluksi.

Dimana fluksi reaksi jangkar memperkuat fluksi medan utama disatu bagian dan melemahkan fluksi medan dibagian lain pada kutup utama. Jika tidak ada kejenuhan magnetik, maka jumlah penguatan dan pelemahan dari fluksi medan utama adalah sama dan fluksi resultan perkutup masih tetap tidak berubah dari nilai tanpa bebannya. Secara aktual, kejenuhan magnetik akan terjadi, dan akibatnya efek kekuatan ini lebih kecil dibandingkan dengan efek demagnetisasi dari reaksi jangkar.

Masalah kedua akibat adanya reaksi jangkar adalah pelemahan fluksi. Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titk 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. Karena pada lokasi dipermukaan kutup dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor menambahkan permukaan kutup dan ggm rotor mengurangi ggm kutup, terdapat penurunan rata-rata kerapatan fluks yang lebuh besar, sehingga penjumlahan rata-rata-rata-rata kerapatan fluksi yang terjadi adalah kerapatan fluks kutup yang semakin berkurang.

Gambar 2.12 Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar

Akibat pelemahan fluksi 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. O Φ FF z x y B B

II.3.3.1 Mengatasi Masalah Reaksi Jangkar

Ada tiga 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 percikkan 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, sesuai dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat ini akan memperburuk melemahnya fluksi akibat reaksi jangkar mesin dapat diperlihatkan Gambar 2.13.

U S

Bidang Netral lama Bidang Netral baru Sikat Arah Rotasi Motor

U S

Bidang Netral lama Bidang Netral baru Sikat Arah Rotasi Motor Γ Γ Γ kutub resultan rotor Γresultan Γrotor Γkutub

2. Kutup 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 mendapat percikkan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, kutup bantu (interpole) ini dihubungkan seri terhadap kumparan jangkar dapat diperlihatkan pada Gambar 2.14.

Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus jangkarpun 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 kutup bantu juga meningkat, menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat pergeseran bidang netral.

Jangkar U S -+ IA IA VT

Gambar 2.14. Kumparan mesin dc yang dilengkapi dengan kutup bantu. 3. Belitan kompensasi (Compensating winding)

Untuk kerja motor yang berat maslah pelemahan fluksi menjadi sangat penting. Untuk mengatasi masalah tersebut salah satunya dengan menambah lilitan kompensasi. Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap 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 sehingga bidang netralnya tidak bergeser.