Analisa Karakteristik Putaran-Torsi Motor Arus Searah Penguatan Shunt Berkutub Bantu (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik)

(1)

Nanda Mardika : Analisa Karakteristik Putaran-Torsi Motor Arus Searah Penguatan Shunt Berkutub Bantu (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik), 2008.

ANALISA KARAKTERISTIK PUTARAN-TORSI MOTOR ARUS

SEARAH PENGUATAN SHUNT BERKUTUB BANTU

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik)

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam

menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S–1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Sumatera Utara

Oleh

NANDA MARDIKA NIM : 030402055

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATRA UTARA

MEDAN

(2)

ANALISA KARAKTERISTIK PUTARAN-TORSI MOTOR ARUS

SEARAH PENGUATAN SHUNT BERKUTUB BANTU

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik)

Oleh :

Nanda Mardika NIM : 030402055

Disetujui oleh :

Dosen Pembimbing,

Ir. Sumantri Zulkarnaen NIP : 130 365 321

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

MEDAN Ir. Nasrul Abdi, MT

NIP : 131 459 555

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

(3)

2008

KATA PENGANTAR

Dengan Nama Allah Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang

Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat Allah S.W.T dimana atas

berkah, karunia dan rahmat-NYA lah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini,

dengan judul :

“Analisa Karakteristik Putaran-Torsi Motor Arus Searah Penguatan Shunt Berkutub Bantu”

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU)

Tugas Akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas

Sumatera Utara

Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam

menyelesaikan Tugas Akhir ini, antara lain kepada :

1. Ayahanda (Alm) Chairuddin Rahim dan Ibunda tercinta Nuriah terima kasih

atas do’a dan kasih sayangnya yang tiada terhitung dan empat saudaraku yang

selalu jadi tempat berbagi cerita baik, dalam suka maupun duka.

2. Teman teristimewa Budi Pranata yang telah memberi dukungan moril dan

(4)

3. Bapak. Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro

FT-USU dan Bapak Ir.Rahmat Fauzi, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik

Elektro FT-USU

4. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen, selaku dosen wali dan pembimbing penulis

yang telah membantu dan membimbing penulis dalam menjalani masa

perkuliahan sampai menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku kepala laboratorium konversi energi

listrik yang telah membantu penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini.

6. Teman-teman seperjuangan angkatan 2003 “wak jul ST(sukses yo ke

singapore), Opunk ST, Fery ST, Uyak ST, Olo ST, bayam (karena computer

yg dirimu rakit ini aq bs ngetik skripsi jadi thanks yg tak teritung la bro),

Ane wiswa (makasih ya ne uda kuati nda jalani masa transisi waktu

nyelesaikan TA ni), Don Djuan, Ganda, Brian, Pely, Edo, Enno(semngat

yo!!), bobby, buhari, hotdes, juni(temen KP awak), teta, emil, maemmaaa

(fahmi), Tigor ST, anton ST, andika ST, nora, awin(akur2 ya ma jimi), aan,

widi, Qotul, Adit, dwita ST, Tiffani ST, mei ST, Dewi-2 ST (uda pada kerja

yo), dan dan teman-teman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu.

7. Semua Abang-abang senior B’CimEt (makasih bgt la bg), B’ardiansyah,

B’farhan, B’royto, B’deni, B’mantox, B’andi dan abang-abang awak yang

lain. Serta adek-adek junior yang uda bagi-bagi ilmu kepada penulis.

8. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh

(5)

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih

banyak kesalahan dan kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya.

Saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan

kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata, penulis berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan

menambah wawasan bagi para pembacanya.

Medan, Maret 2008

Nanda mardika

(6)

ABSTRAK

Motor adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis.

Pada penggunaannya motor yang dipilih harus sesuai dengan kebutuhan, sehingga

ekonomis dan efisien. Untuk itu perlu diketahui karakteristik dari motor- motor

listrik, salah satu tipe motor adalah motor arus searah penguatan shunt.

Pada saat motor jalan dalam keadaan berbeban akan timbul reaksi jangkar

yang dapat melemahkan fluksi awal sehingga karakteristik mekanik motor berubah.

Untuk mengatasi reaksi jangkar ada tiga pendekatan yang dapat dilakukan. Yaitu

pergeseran sikat secara terus menerus (tidak dilaksanakan), penggunaan kutub bantu

atau interpole, dan yang ketiga dengan belitan kompensasi.

Dalam tugas akhir ini akan dibahas cara pendekatan kedua yaitu pengaruh

penggunaan kutub bantu atau interpole terhadap karakteristik torsi beban motor arus

(7)

DAFTAR ISI

Kata Pengantar... i

Abstrak... iv

Daftar Isi...v

BAB I. PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang... 1

I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan... 2

I.3 Batasan Masalah...3

I.4 Metode Penulisan... 3

I.5 Sistematika Penulisan...4

BAB II. MOTOR ARUS SEARAH II.1 Umum………...……… 6

II.2 Konstruksi Umum Motor Arus Searah... 6

II.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah... 15

II.3.1 Teori kaidah tangan kiri fleming... 15

II.3.2 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan... 19

II.4 Reaksi Jangkar... 21

(8)

BAB III. KARAKTERISTIK MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT

III.1 Pengertian... 36

III.2 Karakteristik Putaran-Arus... 42

III.3 Karakteristik Torsi-Arus... 43

III.4 Karakteristik Putaran-Torsi...44

BAB IV. ANALISA DAN HASIL PENGUKURAN IV.1 Umum... 46

IV.2 Spesifikasi Peralatan... 47

IV.3 Rangkaian Percobaan... 48

IV.4 Prosedur Percobaan………..……… 49

IV.5 Data Percobaan………..………... 50

IV.6 Analisa Data...51

IV.6.1 Karakteristik Putaran-Torsi untuk motor arus searah penguatan shunt tanpa menggunakan Interpole (kutub Bantu)... 51

IV.6.2 Karakteristik Putaran-Tosi untuk motor arus searah penguatan shunt dengan menggunakan Interpole (kutub Bantu)... 54

BAB V. KESIMPULAN... 58 DAFTAR PUSTAKA

(9)

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah energi

listrik menjadi energi mekanis.Motor arus searah merupakan salah satu motor listrik

yang jarang digunakan untuk aplikasi industri biasa. Hal ini disebabkan karena

sistem peralatan listrik yang menggunakan arus bolak-balik.

Akan tetapi saat ini untuk aplikasi khusus sudah banyak dipergunakan di

industri atau pabrik-pabrik seperti pabrik baja, tambang dan kereta api listrik. Juga

dapat dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak bagi peralatan-peralatan mekanik

lainnya seperti crane, pompa, penggerak kipas angin, blower, penggerak pulley

konveyer, lift, eskalator, elevator, traksi, dan lain-lain.

Motor arus searah biasanya digunakan terutama untuk melayani beban

dengan torsi start yang besar, karakteristik torsi-putaran juga dapat divariasi, dan

memiliki efisiensi yang tinggi sehingga lebih unggul bila dibandingkan dengan

motor induksi ataupun motor sinkron. Pada penggunaannya motor arus searah ini

harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisien. Untuk itu perlu

diketahui karakteristik dari motor arus searah tersebut.

Pada motor arus searah suplai daya yang diperoleh berasal dari sumber

tegangan listrik arus searah. Dimana sumber tegangan searah ini diberikan kepada

(10)

Disaat motor diberi beban, biasanya kurva karakteristik akan menunjukkan

fluksi yang berkurang untuk amper-turn medan yang semakin besar karena adanya

reaksi jangkar. Untuk mengurangi reaksi jangkar ini ada tiga teknik yang dapat

dilakukan yaitu yang pertama melakukan pergeseran sikat, kedua menggunakan

kutub bantu, dan yang ketiga adalah belitan kompensasi.

Teknik pegeseran sikat sangat tidak efisien dan dapat mengurangi tegangan

induksi karena cara ini dilakukan pada motor arus searah yang selalu bergerak pada

arah yang sama. Yang umumnya dilakukan adalah dengan kutub bantu dan belitan

kompensasi. Pada tugas akhir ini akan dibahas analisis karakteristik putaran-torsi

motor arus searah penguatan shunt berkutub bantu.

I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

.Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Memperlihatkan tentang perubahan karakteristik putaran-torsi motor

arus searah penguatan shunt dengan penambahan kutub bantu.

2. Menunjukkan besarnya perubahan torsi putaran yang terjadi akibat

perubahan beban yang bervariasi pada motor arus searah shunt dengan

atau tanpa kutub bantu.

Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah sebagai bahan acuan guna

memberikan pemahaman yang lebih jelas tentang bagaimana perubahan karakteristik

putaran-torsi motor arus searah.bila ditambahkan kutub bantu. Sedangkan bagi para

(11)

memperkaya pengetahuan sehingga akan dapat menambah referensi kita dalam

memilih motor arus searah yang sesuai kebutuhan.

I.3 Batasan Masalah

Agar materi yang dipaparkan dalam tugas akhir ini lebih terarah dan

maksimal, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas. Adapun

batasan masalah yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah :

1. Motor yang digunakan adalah motor arus searah penguatan shunt.

2. Karakteristik motor arus searah yang dibahas hanya karakteristik

putaran Vs torsi beban.

3. Analisis perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di

Laboratorium Konversi Energi Listrik.

4. Motor arus searah dianggap dalam keadaan steady state (mantap).

I.4 Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan

beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan

topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh

penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet

dan lain-lain

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium

(12)

3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas

akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak

Departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi

Energi Listrik, asisten Lab dan teman-teman sesama mahasiswa.

I.5 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran tentang Tugas Akhir ini, secara singkat dapat

diuraikan sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang

masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode penuelitian serta

sistematika penulisan.

BAB II MOTOR ARUS SEARAH (DC)

Dalam bab ini dibicarakan tentang kontruksi umum sebuah motor arus

searah, prinsip kerja motor arus searah, persamaan umum motor arus searah,

jenis-jenis motor arus searah.

BAB III KARAKTERISTIK MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT

Bab ini merupakan tinjauan teori yang menguraikan tentang karakteristik

motor arus searah penguatan shunt.

BAB IV ANALISIS PENGARUH INTERPOLE (KUTUB BANTU) TERHADAP

KARAKTERISTIK PUTARAN-TORSI BEBAN MOTOR ARUS

(13)

Bab ini menunjukkan hasil-hasil eksperimen yang berkenaan dengan

karakteristik putaran-torsi pada motor arus searah penguatan shunt berupa data

percobaan serta penganalisaannya.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Hal-hal yang dianggap penting didalam penulisan dirangkumkan sebagai

(14)

BAB II

MOTOR ARUS SEARAH

II.1 Umum

Motor arus searah ialah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi

listrik arus searah (DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik, dimana energi

gerak tersebut berupa putaran rotor. Proses pengkonversian energi listrik menjadi

energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet.

Penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari sangat jarang untuk aplikasi

industri biasa. Hal ini disebabkan sistem peralatan listrik yang menggunakan arus

listrik bolak-balik. Akan tetapi untuk aplikasi khusus seperti pabrik baja, tambang

dan kereta api listrik penggunaan motor arus searah sangat bermanfaat didalam

mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.

Ini dimungkinkan karena karakteristik torsi-putaran motor arus searah yang

dapat diubah –ubah dengan memperbesar atau memperkecil arus yang mengalir pada

jangkar menggunakan tahanan. Motor arus searah ini juga memiliki efisiensi yang

tinggi sehingga lebih unggul dari motor arus bolak-balik.

II.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Motor arus searah terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian yang diam

(stator) dan bagian yang berputar (rotor). Yang termasuk stator adalah rangka,

komponen magnet dan komponen sikat. Sedangkan yang termasuk rotor adalah

(15)

Secara umum konstruksi motor arus searah adalah seperti gambar berikut :

Gambar 2.1 Konstruksi Motor Arus Searah

Adapun konstruksi dari motor arus searah terdiri atas :

1.

Rangka motor arus searah secara umum memiliki dua fungsi, yaitu : Rangka

a. Merupakan sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan

b. Sebagai jalur fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin.

Untuk mesin kecil, dimana pertimbangan harga lebih dominan daripada

beratnya, biasanya rangka terbuat dari besi tuang, tetapi untuk mesin-mesin besar

pada umunya terbuat dari baja tuang atau baja lembaran.

Gambar 2.2 Rangka Motor Arus Searah

(16)

Rangka ini pada bagian dalamnya dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti,

selain itu rangka juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi, disamping kuat

secara mekanis.

2.

Magnet penguat terdiri dari inti kutub dan sepatu kutub (lihat Gambar 2.3).

Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : Magnet penguat dan kumparan penguat medan

a. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang

lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet.

b. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan penguat atau kumparan

medan.

Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub

dilaminasi dan di baut ke inti kutub. Sedangkan kutub (inti kutub dan sepatu kutub)

dibaut atau dikeling ke rangka mesin.

Gambar 2.3 Kutub Magnet Motor Arus Searah

Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga

(berbentuk bulat atau strip/persegi), yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran

tertentu (lihat Gambar 2.3)

Inti Kutub Yang Dilaminasi

Kumparan Penguat (Kumparan Medan)

(17)

3.

Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan, yang diisolasi

dengan bahan sejenis mika. Adapun fungsi komutator ini adalah untuk

mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya

menjadi arus searah melalui sikat yang disebut dengan komutasi.

Sedangkan sikat terbuat dari karbon, grafit , logam grafit, atau campuran

karbon-grafit, yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kotak sikat. Besarnya

tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan. Permukaan sikat ditekan ke

permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Karbon yang ada

diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik,

dan koefisien gesekan yang rendah untuk mengurangi keausan.

Komutator dan sikat

Gambar 2.4 Konstruksi Komutator dan Sikat

Commutator Lugs

Segmen Tembaga Yang Diisolasi

(18)

4.

Jangkar motor arus searah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada

permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya

GGL induksi. Jangkar dibuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar

kumparan-kumparan (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya

besar, supaya GGL induksi yang terbentuk dapat bertambah besar. Jangkar

Gambar 2.5 Konstruksi Jangkar Motor Arus Searah

Seperti halnya inti kutub magnet, maka jangkar dibuat dari bahan

berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus pusar (eddy

current). Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon.

5.

Pada motor arus searah, kumparan jangkar berfungsi sebagai tempat

timbulnya torsi jangkar. Umumnya kumparan jangkar (rotor) berbentuk seperti

(19)

Gambar 2.6 Bentuk Umum Kumparan Jangkar

Adapun jumlah konduktor dalam kumparan jangkar tersebut :

Z = 2CN……..…….…………. ..………...(2.1)

di mana : C = jumlah kumparan pada rotor atau segmen komutator pada rotor

N = jumlah lilitan setiap kumparan.

Normalnya bentangan kumparan adalah 1800 listrik, yang berarti ketika sisi

kumparan yang satu berada di tengah suatu kutub, sisi lainnya berada di tengah kutub

yang berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling

terletak 1800 mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat

mekanis dan derajat listrik, dapat digunakan formula berikut :

mekanis listrik

2 p

= ….………...………...…...(2.2)

di mana : listrik = sudut dalam derajat listrik

P = jumlah kutub

mekanis = sudut dalam derajat mekanis

Kumparan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar

sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Kumparan ini disebut sebagai

(20)

Sedangkan kumparan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800

listrik) disebut sebagai kumparan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan

tali busur (chorded winding).

Adapun hubungan antara kumparan rotor dengan segmen komutatornya

terbagi atas 2 macam :

1. Kumparan Progresif (Progressive winding). Adalah kumparan yang sisi

belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului

kumparan sebelumnya.

2. Kumparan Retrogresif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang sisi

belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator membelakangi

kumparan sebelumnya.

Gambar 2.7 Kumparan Progresif dan Kumparan Retrogresif

Sedangkan macam konstruksi kumparan rotor ada 3 macam :

1. Kumparan jerat (lap winding)

2. Kumparan gelombang (wave winding)

3. Kumparan kaki katak (frog-leg winding)

5.1Kumparan Jerat

(21)

Gambar 2.8 Kumparan Jerat

di mana :

YK = ± m

(tanda + untuk hubungan kumparan progressif dan tanda – untuk kumparan

retrogressif)m = kelipatan kumparannya simpleks m= 1, dupleks m = 2, tripleks m =

3, dan seterusnya.

YJ = YD – YB...(2.3)

di mana :

YK = kisar komutator (commutator pitch)

YJ = kisar resultan/kisar jumlah (resultant pitch)

Y = kisar kumparan (pitch of winding)

YB = kisar belakang (back pitch)

YD = kisar depan (front pitch)

Pada kumparan jerat, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak :

a = m.p………...…...………...………(2.4)

Dengan banyaknya jalur arus pada kumparan jerat ini, maka pilihan yang

tepat adalah diaplikasikan pada tegangan rendah dan arus tinggi, karena arusnya

(22)

5.2Kumparan Gelombang

Kumparan gelombang ini disebut juga sebagai kumparan seri, dan

konstruksinya dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.9 Kumparan Gelombang

di mana :

YJ = YD + YB ……...…….…..…………...……...(2.5)

p 1) 2(C

YK= ± …...…..…...…...…...……(2.6)

Pada kumparan gelombang, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak :

a = 2m ………...(2.7)

Pada kumparan jenis ini, karena jalur arusnya lebih sedikit daripada

kumparan jerat, maka sikatnya pun lebih sedikit, namun untuk mengurangi besarnya

arus yang mengalir pada sikat-sikat yang ada, biasanya ditambahkan sikat-sikat

ekstra.

Kumparan gelombang ini sangat cocok untuk mesin arus searah bertegangan

tinggi, karena jumlah kumparan yang terhubung seri antar segmen komutator

memungkinkan tegangan tinggi lebih mudah dibangkitkan dari pada jenis kumparan

(23)

5.3Kumparan Kaki Katak

Kumparan jenis ini pada dasarnya merupakan perpaduan jenis kumparan jerat

dan kumparan gelombang. Kumparan gelombang pada jenis kumparan ini berfungsi

sebagai penyama (equalizers) kumparan jeratnya.

Gambar 2.10 Kumparan Kaki Katak atau Kumparan Penyama Mandiri

Adapun banyaknya jalur arus dinyatakan sebagai :

a = 2p.mlap ………....……...…...…(2.8)

di mana : p = jumlah kutub ; mlap = kelipatan kumparan jeratnya.

II.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Pengoperasian motor arus searah bergantung pada gaya tarik menarik medan

magnet. Saat arus mengalir pada kutub medan magnet dari sebuah motor, kumparan

medan berubah menjadi elektromagnet.

(24)

Prinsip dasar dari motor arus searah adalah kalau sebuah kawat berarus

diletakkan antara kutub magnet (U – S), maka pada kawat itu akan bekerja suatu

gaya yang menggerakkan kawat itu.

Besarnya gaya tersebut adalah

F = B i l Newton ...(2.9)

di mana :

B = kerapatan fluks magnet dalam satuan Weber

i = arus listrik yang mengalir dalam satuan Ampere

l = panjang penghantar dalam satuan meter

Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan “KAIDAH TANGAN KIRI

FLEMING”, yang berbunyi sebagai berikut : apabila tangan kiri terbuka diletakkan

di antara kutub U dan S, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara

menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah

keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah

ibu jari, sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 2.11.

(25)

Kalau sebatang kawat terdapat di antara kutub U - S dengan garis-garis gaya

yang homogen, sedangkan di dalam kawat ini mengalir arus listrik yang arahnya

menjauhi kita, maka di sebelah kanan kawat garis gaya kutub magnet dan garis gaya

arus listrik sama arahnya dan di sebelah kiri kawat arahnya berlawanan, sehingga

bentuk medan magnet akan berubah seperti Gambar 2.12. Kawat mendapat gaya

yang arahnya searah dengan F.

Gambar 2.12 Perubahan garis gaya di sekitar kawat berarus

Kalau sebuah belitan terletak di dalam medan magnet yang homogen, maka

karena kedua sisi belitan itu mempunyai arus yang arahnya berlawanan, sehingga

arah gerakan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.13 dan 2.14.

(26)

Gambar 2.13 Belitan berarus listrik terletak dalam medan magnet

Gambar 2.14 Arah putaran pada kumparan berarus yang terletak dalam

medan magnet

Karena rotor motor arus searah mempunyai kumparan yang banyak, maka gaya yang

terjadi pada rotor terus ada, sehingga rotor mendapatkan suatu momen putar yang

terus menerus yang mengakibatkan rotor menjadi berputar, seperti ditunjukkan pada

(27)

Gambar 2.15 Torsi resultan ditimbulkan oleh gaya-gaya pada masing-masing

sisi kumparan

Gambar 2.16 Torsi resultan pada motor berkutub empat.

II.3.2 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan

Ketika jangkar motor arus searah berputar di bawah pengaruh torsi

penggerak, konduktor jangkar bergerak di dalam medan magnet dan akan

menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. GGL

(28)

dengan bunyi Hukum Lenz) dan dikenal sebagai GGL lawan atau GGL balik Ea.

GGL lawan Ea (=P ZN/60A) biasanya kurang dari tegangan terminal V, meskipun

perbedaan ini kecil sekali pada saat motor berjalan di bawah kondisi normal.

Gambar 2.17 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Shunt

Dengan memperhatikan Gambar 2.17, ketika tegangan arus searah sebesar V

diberikan pada terminal motor, suatu medan magnet dihasilkan dan konduktor

jangkar disuplai dengan arus searah. Dengan demikian, torsi penggerak akan bekerja

pada jangkar yang menyebabkan jangkar mulai berputar. Karena jangkar berputar,

GGL lawan Ea diinduksikan berlawanan dengan tegangan terminal. Tegangan

terminal harus memaksa arus mengalir melalui jangkar melawan GGL lawan Ea.

Kerja listrik yang dilakukan untuk mengatasi dan menyebabkan arus mengalir

melawan Ea dikonversikan ke dalam energi mekanik yang dibangkitkan di dalam

jangkar. Dengan demikian, pengkonversian energi di dalam motor arus searah hanya

mungkin jika GGL lawan dihasilkan.

Tegangan sebenarnya yang diterima rangkaian jangkar = V – Ea.

Jika Ra adalah tahanan rangkaian jangkar, maka

a a a

R E V

(29)

Karena V dan Ra nilainya selalu tetap, nilai Ea akan menentukan arus yang

dipikul oleh motor. Jika kecepatan motor tinggi, maka GGL lawan Ea menjadi besar

dan motor akan memikul arus jangkar yang lebih kecil begitu juga sebaliknya.

Adanya GGL lawan menjadikan motor arus searah sebagai mesin dengan

pengaturan sendiri (self-regulating), yaitu menjadikan motor memikul arus jangkar

sesuai dengan yang dibutuhkan untuk membangkitkan torsi beban.

Arus jangkar,

(i) Ketika motor berjalan pada kondisi tanpa beban, torsi yang kecil dibutuhkan

untuk mengatasi rugi-rugi gesek dan angin. Dengan demikian, arus jangkar Ia

juga kecil dan GGL lawan besarnya hampir sama dengan tegangan terminal.

(ii) Jika motor tiba-tiba dibebani, efek yang pertama sekali dirasakan adalah

penurunan kecepatan jangkar. Sehingga kecepatan konduktor jangkar yang

bergerak di dalam medan magnet berkurang dan begitu juga dengan GGL

lawan Ea. Berkurangnya GGL lawan menyebabkab arus yang besar mengalir

melalui jangkar dan arus yang besar ini juga meningkatkan torsi penggerak.

Maka, torsi penggerak meningkat seiring dengan menurunnya kecepatan

motor. Penurunan kecepatan motor akan berhenti ketika arus jangkar sudah

cukup untuk menghasilkan torsi yang dibutuhkan oleh beban.

(iii) Jika beban motor dikurangi, torsi penggerak sesaat melebihi dari yang

dibutuhkan sehingga jangkar mengalami percepatan. Karena kecepatan

jangkar meningkat, GGL lawan juga akan meningkat dan menyebabkan arus

(30)

jangkar sudah cukup untuk menghasilkan torsi yang dibutuhkan oleh beban.

Dengan demikian, GGL lawan di dalam motor arus searah mengatur aliran

arus jangkar, yang secara otomatis merubah besaran arus jangkar untuk

memenuhi kebutuhan beban.

II.3 Reaksi Jangkar

Jika kumparan medan (stator) mesin arus searah dihubungkan kecatu daya

dan rotor diputar oleh daya mekanis dari sumber eksternal, maka tegangan akan

diinduksikan pada konduktor rotor. Tegangan ini akan disearahkan kedalam keluaran

arus searah komutator.

Kemudian pada saat beban dihubungkan keterminal motor, arus listrik akan

mengalir pada kumparan jangkarnya. Aliran arus ini akan mengalir pada kumparan

jangkar yang mana akan dihasilkannya medan magnet sendiri, yang akan

mempengaruhi (distorsi) fluksi utama. Pengaruh distorsi fluksi utama akibat rotor

dibebani disebut reaksi jangkar yang menyebabkan timbulnya dua masalah serius

pada motor, yaitu :

1. Pergeseran bidang netral (neutral plane shift)

2. Pelemahan fluksi

Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang didalam mesin dimana

kecepatan gerak kumparan rotor benar-benar paralel dengan garis garis fluks magnet

(31)

U S

(a)

U S

(b)

U S

(c)

U S

(d)

U S

(e)

U S

(f)

Gambar 2.18 Reaksi Jangkar

Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 2.18. pada Gambar 2.18(a) diperlihatkan

mesin arus searah dengan dua kutub (Utara dan Selatan), serta bidang netral

magnetik. Fluks yang mengalir adalah serba sama (uniform). Kumparan rotor

memiliki tegangan dengan arah meninggalkan pembaca untuk sisi Utara, dan menuju

pembaca untuk tegangan pada sisi selatan. Bidang netral magnetik berada tegak lurus

terhadap tegangan tersebut.

Pada Gambar 2.18(b) diperlihatkan jalur garis lurus fluks magnet yang ideal,

sedangkan pada Gambar 2.18(c) diperlihatkan jalur garis fluks magnet yang

melengkung akibat pengaruh adanya celah udara antara kumparan rotor dan

kumparan stator.

Pada Gambar 2.18(d) diperlihatkan fluks medan magnet yang timbul akibat

motor dihubungkan dengan beban. Kemudian pada Gambar 2.18(e) diperlihatkan

(32)

pada Gambar 2.18(d). Sedangkan pada Gambar 2.18(f) diperlihatkan hasil interaksi

antara dua fluks medan magnet pada kumparan jangkar, yang mengakibatkan

pergeseran bidang netral magnetik.

Masalah kedua akibat adanya reaksi jangkar adalah pelemahan fluksi.

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik

jenuhnya. Pengaruh kejenuhan magnetik pada reduksi fluksi medan utama dapat

dijelaskan dengan bantuan Gambar 2.19 dibawah ini.

{ {

F_k – F_j Fk + Fj

F_k F

∆ n

∆ t

[ Weber ]

[Ampere lilitan] [Kurva Kemagetan]

∆ n = [penguatan fluks]

∆ t= [pelemahan fluks]

F_k = [gaya gerak magnet kutub]

F_j = [gaya gerak magnet jangkar]

Gambar 2.19 Kurva Pemagnetan Ketika Terjadi Reaksi Jangkar

Ggm resultan adalah (Fk −Fj) dimana F = ggm medan utama tanpa k

dipengaruhi reaksi jangkar dan Fj = ggm pada jangkar. Untuk Fj positif dan negatif

dimisalkan dengan adanya pertambahan dan atau pengurangan ggm yang terjadi pada

(33)

Untuk lokasi di permukaan kutub dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor

menambahkan ggm kutub, terjadi sedikit penambahan kerapatan fluks ∆φ_n . Tetapi

pada lokasi permukaan kutub dimana ggm rotor mengeliminir ggm kutub, terdapat

penurunan kerapatan fluksi ∆φ₁ yang lebih besar : ∆φ_n < ∆φ₁, sehingga pejumlahan

rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin

berkurang. Hal ini disebut juga efek demagnetisasi reaksi jangkar yang timbul karena

adanya saturasi magnetik.

Akibat pelemahan fluks ini pada motor arus searah efek yang ditimbulkan

menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah

khususnya motor arus searah paralel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali.

Oleh sebab itu, dilakukanlah hal-hal yang dapat mencegah atau mengurangi

terjadinya hal diatas. Ada tiga cara yang dapat dilakukan, yaitu :

1. Pergeseran sikat (Brush shifting)

2. Penambahan kutub bantu (interpole)

3. Belitan kompensasi

Ad. 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 oleh mesin sehingga setiap ada

(34)

berpindah. Sehingga sikat juga harus dirubah setiap saat, seirama dengan perubahan

jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk

melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin, selain dengan metoda 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 2.20, berikut ini.

U S

(35)

Pada Gambar 2.20(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin

bergeser (lihat Gambar segitiga ggm-nya), sedangkan pada Gambar 2.20(b) terlihat

bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin. Akibat

pergeseran tersebut (lihat Gambar segitiga ggm-nya), terlihat ggm resultannya

melemah sedemikian rupa. Maka dari itu pergeseran sikat ini tidak dilakukan dalam

praktek nyata.

Ad. 2. Penambahan kutub bantu (Interpole)

Ide dasar dari solusi ini masalah jika nilai tegangan pada kawat-kawat yang

sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, maka tidak akan terdapat

percikan bunga api pada sikat-sokat mesin tersebut. Untuk itu, kutub-kutub kecil

yang disebut kutub komutasi, yang ditempatkan di tengah-tengah diantara

kutub-kutub utama. Kutub bantu (interpole) ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor.

Sehingga dengan adanya fluks dari kutub bantu (interpole)ini akan dapat mencegah

atau mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang sedang

melakukan proses komutasi.

Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotorpun meningkat,

besarnya perubahan atau pergeseran bidang netral meningkat pula. Hal tersebut akan

menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang sedang

melakukan komutasi. Pada saat itu fluks kutub bantu (interpole) juga meningkat,

menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan

(36)

U S

-+

Jangkar

IA

IA VT

Gambar 2.21 Kumparan motor arus searah penguatan shunt berkutub bantu

Ad. 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,

maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh belitan kompensasi,

sehingga bidang netralnya tidak bergeser.

Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, juga masih

memerlukan kutub bantu (interpole) untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat

diatasi oleh belitan kompensasi. Karenanya teknik ini tidak digunakan untuk

motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah

(37)

(a) (b)

(c)

Gambar 2.22 Efek belitan kompensasi

II.4 Jenis-Jenis Motor Arus Searah

Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya motor arus searah dapat dibagi

atas:

1. Motor arus searah penguat bebas, yaitu bila kumparan penguat magnetnya tidak

terhubung dengan kumparan jangkar motor dan masing-masing kumparan

disuplai dengan sumber arus serah terpisah.

2. Motor arus searah dengan penguat sendiri, yaitu bila kumparan penguat

magnetnya terhubung dengan kumparan jangkar motor secara seri dan atau

pararel dan kedua kumparan disuplai dengan sumber arus searah yang sama.

Berdasarkan hubungan kumparan penguat magnet terhadap kumparan jangkar,

motor arus searah dengan penguat sendiri dapat dibedakan atas :

(38)

2. Motor arus searah penguatan seri

3. Motor arus searah penguatan kompon panjang

• Motor arus searah penguatan kompon panjang bantu

• Motor arus searah penguatan kompon panjang lawan

4. Motor arus searah penguatan kompon pendek

• Motor arus searah penguatan kompon pendek bantu • Motor arus searah penguatan kompon pendek lawan

II.4.1 Motor arus searah penguatan bebas

V_f

Gambar. 2.23 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Dari rangkaian diatas, berdasarkan hukum kircoff tentang tegangan diperoleh

(39)

a

R = tahanan jangkar (ohm)

f

I = arus medan penguatan bebas (ohm)

f

V = tegangan terminal medan penguatan bebas (volt)

a

R = tahanan medan penguatan bebas (ohm)

a

E = gaya gerak listrik motor arus searah (volt)

sikat

V = jatuh tegangan pada sikat (volt)

Umumnya jatuh tegangan pada sikat relative kecil sehingga besarnya dapat

diabaikan. Dan untuk rumas selanjutnya V_sikat diabaikan.

II.4.2 Motor arus searah penguatan shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada

gambar dibawah ini:

E_a V_t

I_a

I_fsh I_L

R_fsh R_a

Gambar. 2.24 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Pada motor arus searah penguatan shunt kumparan medan shuntnya

dihubungkan langsung pada terminal sehingga parallel dengan kumparan jangkar.

(40)

a

II.4.3 Motor arus searah penguatan seri

E_a V_t

I_a=I_fse Rfse

R_a

Gambar. 2.25 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.

Persamaan-persamaan yang berlaku pada penguatan seri diatas adalah :

(41)

Karena, I_L=I_a =I_s ………...……..…...(2.17)

II.4.4 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.

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang adalah:

Ia

Gambar. 2.26 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan

(42)

Pada motor arus searah penguatan kompon panjang Bantu, polaritas kedua

kumparan medannya sama atau dikarenakan kedua arus medannya sama-sama

memasuki dot, sehingga fluksi yang dihasilkan saling menguatkan.

Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang lawan,

polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan atau sesuai dengan aturan

dot, salah satu arus medannya memasuki dot sedangkan yang lainnya meninggalkan

dot. Maka fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi.

Persamaan-persamaan yang berlaku pada penguatan kompon panjang diatas adalah :

s

II.4.5 Motor arus searah penguatan kompon pendek

Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya

terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkarnya dan kumparan medan shunt.

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompobn pendek adalah sebagai

(43)

Ea

Gambar. 2.27 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek

(a) Bantu dan (b) Lawan

Pada motor arus searah penguatan kompon pendek Bantu, polaritas keduan

kumparan medannya sama sehingga fluksi yang dihasilkan saling menguatkan.

Sedangkan pada motor arus searah kompon pendek lawan, polaritas kedua kumparan

medannya saling berlawanan, sehingga fluksi yang dihasilkan menjadi saling

mengurangi.

Persamaan-persamaan yang berlaku pada penguatan kompon pendek diatas adalah :

(44)

BAB III

KARAKTERISTIK MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT

III.1 Pengertian

Motor arus searah penguatan shunt adalah tipe motor yang paling umum.

Cara hubungannya sama seperti generator shunt yaitu medan shunt dihubungkan

langsung pada terminal sehingga paralel dengan rangkaian jangkar. Tahanan geser

medan biasanya dihubungkan seri dengan medan.

Motor shunt mempunyai pengaturan kecepatan yang baik dan digolongkan

sebagai motor yang memiliki kecepatan konstan walaupun kecepatannya agak

(45)

Jika beban ditambahkan pada motor shunt, kecepatan motor langsung

cenderung menjadi lambat. Ggl-lawan langsung berkurang karena ia bergantung

pada kecepatan, dan praktis fluksi medan adalah konstan. Berkurangnya ggl-lawan

memungkinkan arus jangkar bertambah, sehingga memberi kopel yang lebih besar

untuk beban yang bertambah. Bertambahnya arus jangkar menyebabkan penurunan

a a R

I lebih besar yang berarti ggl-lawan tidak kembali pada harga semula tetapi

tetap pada harga yang lebih rendah.

Hal ini dapat dibuktikan dengan persamaan fundamental V_t=E+I_a R_a,

karena V konstan, jumlah dari ggl-lawan dan penurunan _t Ia Ra harus tetap konstan.

Jika I_a R_a menjadi lebih besar akibatnya bertambahnya beban, E harus berkurang,

sehingga menyebabkan berkurangnya kecepatan.

Kecepatan dasar motor shunt adalah kecepatan medan penuh beban penuh.

Penyetelan kecepatan yang biasa dilakukan dengan memasukkan tahanan di dalam

rangkaian medan dengan menggunakan tahanan geser medan, sehingga melemahkan

fluksi medan. Metode pengendalian kecepatan ini memberikan kecepatan yang halus

(smooth) dan efisien mulai dari kecepatan dasar sampai kecepatan maksimum yang

diatur oleh keterbatasan listrik maupun mekanis dari motor. Fluksi motor arus searah

penguatan shunt hampir konstan. Karena kopel motor berbanding lurus dengan arus

jangkar, maka T=KΦI_a.

(46)

Yang dimaksud torsi adalah putaran atau pemuntiran dari suatu gaya terhadap

suatu poros. Ini diukur dengan hasil kali gaya itu dengan jari-jari lingkaran dimana

gaya tersebut bekerja.

Gambar 19 menunjukkan pada suatu pulley dengan jari-jari r bekerja suatu

gaya F Newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran per

detik.

Torsi = F x r Newton-meter (N-m).………....…...……(3.1)

Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada suatu putaran,

= F x 2 r Joule...….………...……...(3.2)

Gambar 3.1. Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya

Daya yang dibangkitkan,

= F x 2 r x n Joule/detik

= (F x r ) x 2 n Joule/detik………..…...…...(3.3)

Jika :

2 n = kecepatan sudut ( ) dalam rad/detik

F x r = torsi T

Maka daya yang dibangkitkan = T x Joule/detik

= T x Watt………....……...……....…....(3.4) r

F

(47)

Torsi Jangkar Dari Suatu Motor Arus Searah

Di dalam motor DC , setiap konduktor di bagian permukaan jangkar akan

mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari jangkar (Gambar 3.1).

Dengan demikian, masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang

cenderung untuk memutar jangkar. Jumlah seluruh torsi yang dihasilkan oleh

konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta).

Jika pada suatu motor DC :

r = rata-rata jari-jari jangkar dalam meter

l = panjang efektif masing-masing konduktor dalam meter

Z = jumlah total konduktor jangkar

i = arus dalam setiap konduktor = Ia/A dalam ampere

B = rapat fluks rata-rata dalam Weber/meter2

= fluks per kutub dalam Weber

P = jumlah kutub

Maka gaya pada setiap konduktor, F = B i l Newton

Torsi yang dihasilkan oleh satu konduktor = F x r Newton-meter

Torsi jangkar total, Ta = Z F r Newton-meter

Ta = Z B i l r Newton-meter...(3.5)

Sekarang i = Ia/A, B = /a di mana a adalah luas penampang jalur fluks perkutub

(48)

= Z x xl x r

Karena Z, P dan A nilainya selalu tetap, maka :

Ta ~ Ia

Karena itu torsi di dalam motor DC berbanding langsung dengan fluks per kutub dan

arus jangkar. Untuk motor DC shunt, besarnya fluks relatif konstan sehingga :

Ta ~ Ia.

Ekspresi lainnya untuk menyatakan besarnya torsi jangkar yaitu :

Ea =

Dari persamaan di atas diperoleh persamaan untuk Ta yaitu :

Ta = 0,159 x

Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros motor untuk melakukan usaha

(49)

yang dibangkitkan di dalam jangkar motor tidak semuanya dapat digunakan pada

poros karena sebagiannya hilang untuk mengatasi rugi-rugi besi dan gesek di dalam

motor. Dengan demikian, torsi poros Tsh lebih kecil nilainya dibandingkan torsi

jangkar Ta. Selisih Ta – Tsh disebut torsi hilang.

Jelasnya, Ta – Tsh = 9,55 x

Sebagaimana telah dijelaskan di atas bahwa torsi poros merupakan torsi yang

akan menghasilkan daya keluaran motor yang berguna. Jika kecepatan motor adalah

n rpm, maka

Putaran Motor Arus Searah

Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor DC berlaku persamaan :

(50)

Maka

Dengan demikian di dalam motor DC , kecepatan berbanding lurus dengan GGL

balik Ea dan berbanding terbalik dengan fluks per kutub .

Umumnya pada setiap motor, torsi dan kecepatan merupakan faktor yang

sangat penting. Ketika torsi meningkat, kecepatan motor akan berkurang dan

sebaliknya. Telah diketahui bahwa untuk motor DC berlaku :

n = K

(

)

Jika fluks berkurang, dari Persamaan (3.16) di atas, kecepatan motor

meningkat tetapi dari Persamaan (3.6), torsi motor berkurang. Hal ini tidak mungkin

karena peningkatan kecepatan motor seharusnya hasil dari peningkatan torsi. Tentu

saja, memang begitu di dalam kasus ini.

Ketika fluks berkurang sedikit, arus jangkar menjadi makin besar. Begitu

(51)

nilai yang cukup tinggi bahkan melebihi torsi beban motor. Kelebihan torsi tersebut

menyebabkan motor mengalami percepatan dan GGL balik juga meningkat.

Kecepatan motor yang stabil akhirnya dicapai ketika GGL balik telah meningkat

sampai ke suatu nilai di mana arus jangkar [Ia = (V – Ea)/Ra] dapat

membangkitkan torsi yang cukup untuk memikul beban.

III.2 Karakteristik Putaran-arus (n/Ia)

Putaran motor arus searah diberikan dengan Persamaan (3.17), sehingga

diperoleh,

n ~

Φ E

Fluksi dan GGL lawan Ea di dalam motor DC shunt hampir konstan di

bawah kondisi normal. Dengan demikian, kecepatan motor DC shunt selalu konstan

walaupun arus jangkar berubah-ubah nilainya. Dengan kata lain, ketika beban

bertambah, Ea (= V - IaRa) dan berkurang karena drop tahanan jangkar dan reaksi

jangkar. Bagaimanapun, Ea berkurang lebih sedikit daripada sehingga dengan

demikian kecepatan motor menurun sedikit dengan pertambahan beban (garis AC)

(52)

E

_a

V

_t

I

_a

I

_fsh

I

_L

R

_fsh

_R

a

(a) (b)

Gambar 3.2 (a) Rangkaian Motor DC Shunt, dan (b) Karakteristik n/Ia

III.3 Karakteristik Torsi-Arus (Ta/Ia)

Gambar 3.3(a) menunjukkan rangkaian listrik dari suatu motor DC shunt.

Arus medan Ish besarnya konstan karena kumparan medan langsung terhubung

dengan tegangan sumber Vt yang dianggap konstan. Oleh karena itu fluksi di dalam

motor shunt hampir dapat dikatakan konstan.

E

_a

V

_t

I

_a

I

_fsh

I

_L

R

_fsh

R

_a

(a) (b)

(53)

Telah diketahui bahwa di dalam motor DC,

Ta ~ Ia

Karena motor beroperasi dari suatu tegangan sumber yang konstan, fluksi juga

konstan (dengan mengabaikan reaksi jangkar). Maka,

Ta ~ Ia

Dengan demikian karakteristik Ta/Ia motor DC shunt merupakan garis lurus

yang melalui titik asal seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3 (b). Torsi poros (Tsh)

kurang dibandingkan Ta dan ditunjukkan oleh garis putus-putus. Jelas terlihat pada

kurva bahwa arus yang sangat besar dibutuhkan untuk menstart beban yang berat.

Oleh karena itu, motor DC shunt tidak boleh distart dalam keadaan berbeban berat.

III.4 Karakteristik n/Ta.

Suatu kurva diperoleh dengan menggambarkan nilai n dan Ta untuk berbagai

arus jangkar [lihat Gambar 3.4 (b)]. Dapat dilihat bahwa kecepatan agak menurun

seiring dengan pertambahan beban.

E

_a

V

_t

I

_a

I

_fsh

I

_L

R

_fsh

R

_a

(a) (b)

(54)

Dari Gambar karakteristik putaran-arus dan Gambar karakteristik putaran-torsi dapat

ditarik kesimpulan penting (Terlihat jelas dari gambar dibawah ini), yaitu :

(i) Terdapat sedikit penurunan kecepatan motor DC shunt dari kondisi tanpa

beban sampai beban penuh. Dengan demikian, dapat dianggap sebagai

motor kecepatan konstan.

(ii) Torsi startnya tidak tinggi karena Ta ~ Ia.

(a) (b)

Gambar 3.5 Karakteristik n/Ta (a) dan Karakteristik n/Ia

(55)

BAB IV

ANALISIS PENGARUH INTERPOLE (KUTUB BANTU) TERHADAP KARAKTERISTIK PUTARAN-TORSI BEBAN MOTOR ARUS SEARAH

PENGUATAN SHUNT

IV. 1 Umum

Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik

arus searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik, dimana tenaga gerak tersebut

berupa putaran daripada rotor. Seperti yang kita ketahui bahwa berdasarkan sumber

arus penguat magnitnya motor arus searah terbagi atas motor arus searah penguatan

terpisah dan motor arus searah penguatan sendiri. Sedangkan berdasarkan hubungan

lilitan penguat magnit terhadap lilitan jangkar adalah motor arus searah shunt, seri

dan kompon (bantu dan lawan)..

Motor arus searah penguatan shunt sebenarnya adalah motor arus searah

dimana belitan medannya dihubungkan pararel dengan jangkarnya sehingga arus

yang melalui belitan medan shunt ini tidak sama dengan arus yang mengalir pada

jangkar. Jadi arus pokoknya adalah penjumlahan arus jangkar dan arus medan shunt.

Pada saat motor arus searah penguatan shunt diberi beban maka pada

kumparan stator akan mengalir arus jangkar. Dan arus ini akan menimbulkan fluksi

jangkar yang akan berinteraksi dengan fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan

rotor (fluksi utama). Akibatnya akan terjadi perubahan bentuk fluksi utama.

Pengaruh reaksi jangkar ini akan menyebabkan adanya percikan bunga api pada

(56)

Percikan ini dikarenakan oleh pergeseran bidang netral magnetik dari motor

tersebut (biasanya dalam keadaan normal garis netral magnetic berimpit dengan garis

netral geometric).

Untuk mengatasi masalah ini maka salah satu caranya adalah dengan

menambahkan interpole (kutub Bantu) pada motor arus searah. Pada tulisan ini akan

dibahas pengaruh interpole (kutub Bantu) motor arus searah penguatan shunt dengan

data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan dilaboratorium

konversi energi listrik FT-USU.

IV.2 Jenis-jenis Komponen dan Spesifikasi Peralatan

Peralatan yang digunakan pada pengukuran ini :

1. 2 Amperemeter DC digital

2. 1 Voltmeter DC digital

3. 2 Unit Tahanan Rheostat

4. Autotrafo

5. Kabel Penghubung

6. Motor Arus Searah AEG 1.2 Kw

(57)

IV.3 Rangkaian pengujian

IV.3.1 Rangkaian ekivalen motor arus searah shunt tanpa kutub Bantu

IV.3.2 Rangkaian ekivalen motor arus searah shunt berkutub Bantu

(58)

VI.4 Prosedur pengujian

VI.4.1 Untuk motor arus searah penguatan shunt tanpa kutub bantu

Prosedur pengambilan data :

1. Peralatan dirangkai seperti gambar

2. Power Supply dihubungkan ke autotrafo

3. autotrafo diatur sebesar 150 Volt.

4. Pengukuran pertama adalah mencatat arus jangkar (I ) dan putaran motor _a

sebelum dibebani.

5. Beban diberikan dengan mengatur tahanan rheostat dari 0 ; 0.1 ; 0.2 ; 0.3 ; 0.4

; 0.5 ; 0.6 ; 0.7 ; 0.8 ; 0.9 (Kg), lalu arus jangkar (I ) dan putaran (rpm) _a

dicatat pada setiap penambahan beban. Tegangan pada autotrafo dijaga

konstan untuk setiap penambahan beban, dan arus medan (If) diatur konstan

dengan mengubah tahanan Rheostat (R ) dan juga tegangan masukan tetap _Rh

dijaga konstan untuk setiap penambahan beban.

6. Setelah pengambilan data, tegangan autotrafo diturunkan perlahan-lahan

hingga minimum.

VI.4.2 Untuk motor arus searah penguatan shunt berkutub bantu

Prosedur pengambilan data :

1. Peralatan dirangkai seperti gambar

2. Power Supply dihubungkan ke autotrafo

(59)

4. Pengukuran pertama adalah mencatat arus jangkar (I ) dan putaran motor a

sebelum dibebani.

5. Beban diberikan dengan mengatur tahanan rheostat dari 0 ; 0.1 ; 0.2 ; 0.3 ; 0.4

; 0.5 ; 0.6 ; 0.7 ; 0.8 ; 0.9, lalu arus jangkar (I ) dan putaran (rpm) dicatat _a

pada setiap penambahan beban. Tegangan di autotrafo dijaga konstan untuk

setiap penambahan beban, dan arus medan (I_f) diatur konstan dengan

mengubah tahanan Rheostat (R ) untuk setiap penambahan beban. Rh

6. Setelah pengambilan data, tegangan autotrafo diturunkan perlahan-lahan

hingga minimum.

VI.5 Data Pengujian

Tabel 1 ini adalah data hasil percobaan motor arus searah tanpa kutub bantu

(60)

10 0.9 1200 6.29 0.13

Tabel 2 ini adalah data hasil percobaan motor arus searah berkutub bantu

t

V = 150 Volt R = 3.84 Ohm _a R_KB = 0.6 Ohm

No Torsi Beban (Kg)

Putaran (rpm)

I_a (Ampere)

I_f (Ampere)

1 0 1350 0.59 0.13

2 0.1 1300 1.20 0.13

3 0.2 1250 1.67 0.13

4 0.3 1220 2.10 0.13

5 0.4 1200 2.58 0.13

6 0.5 1150 3.21 0.13

7 0.6 1100 3.63 0.13

8 0.7 1030 3.76 0.13

9 0.8 1010 4.39 0.13

10 0.9 1000 4.57 0.13

VI.6 Analisa Data

Dari rangkaian pengujian akan diperoleh rangkaian ekivalen sebagai berikut :

(61)

Dari Gambar diperoleh persamaan :

a a a

t E I R

V = +

Dimana hubungan antara Torsi dan Putaran adalah :

a

Dari persamaan diatas didapatlah nilai E dengan cara : _a

(62)

= 150 – (0,62 . 3.84)

Dengan cara yang sama dihitung data-data berikutnya sehingga hasil yang didapat

ada pada table 3 dibawah ini :

Tabel 3 Data Analisa motor arus searah penguatan shunt tanpa kutub bantu

(63)

10 0.9 1200 125.85 0.105

VI.6.1 Untuk motor arus searah penguatan shunt berkutub bantu.

M

Ia

Vt = 150 Volt

Belitan shunt

If

Torka

Tahanan jangkar Ra

IL

Rrheostat

Dari Gambar diperoleh persamaan :

)

( _a _KB

a a

t E I R R

V = + +

Dimana hubungan antara Torsi dan Putaran adalah :

a

I K