Analisis Perbandingan Efisiensi Dan Torsi Motor Dc Seri Akibat Pergeseran Sikat Dengan Menggunakan Metode Field’s Test

(1)

59 DAFTAR PUSTAKA

[1] Zuhal:”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2000.

[2] Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta.

[3] Theraja B. L and Theraja A. K, “Electrical Technology”, Nirja Construction &

Development company Pvt. Ltd., New Delhi, Volume II,22nd Edition, 1997.

[4] T. Thyagarajan, “Fundamentals of Electrical and Electronics Engineering”,

SciTech publications (Ind.) Pvt. Ltd., 3rd Edition, October 2000

[5] Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986

[6] Mehta,V.K. and Rohit Mehta,Principles of Electrical Enginering And Electronics, S. Chand & Company Ltd, New Delhi : 2000

[7] Rijono,Yon, Dasar Teknik Tenaga Listrik, Andi Offset, Yogyakarta : 1997 [8] Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991

[9] Djoko, Achayanto. Ir. M.SC. EE. 2001. “ Mesin mesin Elektrik “. Edisi ke -4, Penerbit Erlangga. Jakarta

[10] Elgerd, Olle I. 1976. ”Basic Electric Power Engineering”, AddisonWesley Publishing Company, Florida.

[11] P.S. Bimbra, “Electrical Machinery”, Khana Publisher,1990.

(2)

44 BAB III

METODE PESELITIAS

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Pengambilan data dalam penelitian tugas Akhir ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU, pada tanggal 20 November 2015 pukul 18.00 s/d 23.00 WIB.

3.2 Bahan dan Peralatan Dua buah Mesin DC

a) Mesin DC-1 : TYP Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983733 sebagai motor b) Mesin DC-2 : TYP Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 sebagai generator Tahanan jangkar = 3,8 ohm

Tahanan seri = 0,6 ohm Tegangan nominal = 220 V P = 1,2 KW

Kutub Bantu

Alat Ukur Multimeter Kabel Penghubung Tahanan Geser Tachometer

3.3 Variabel yang Diamati

Variabel-variabel yang diamati pada penelitian ini meliputi : - Pergeseran sikat yang diubah-ubah

(3)

45 - Besar nilai arus dimana IL=Ia=Is

- Putaran motor

- Besar nilai tegangan terminal motor dc 3.4 Prosedur Penelitian

Langkah-langkah penelitian yang ditempuh dalam penelitian ini meliputi :

3.4.1 Tahap Persiapan

Tujuannya adalah untuk mengkoordinasikan agar penelitian dapat berjalan dengan lancar. Langkah-langkah yang dilakukan adalah :

1. Mempersiapkan alat dan bahan untuk penelitian.

2. Mengkondisikan Objek Penelitian

Objek penelitian yang dimaksudkan adalah motor dc shunt, sikat, kutub bantu, dan beban. Adapun langkah mengkondisikan objek penelitian ini meliputi:

a. Memastikan bahwa motor dc shunt dapat beroperasi dan mengatur beberapa posisi sikat, menambahkan kutub bantu, beserta beban.

b. Memeriksa power supply dan multitmeter apakah sudah disetting dengan benar.

3.Mengkondisikan Alat Ukur Alat ukur sebagai pengambil data harus memiliki validitas yang baik. Untuk mendapatkan validitas yang baik alat ukur harus disetting sesuai dengan seperti skala operasi.

3.4.2 Tahap Pengambilan Data

(4)

46 Merangkai rangkaian percobaan Sebelum melakukan percobaan,lalu merangkai rangkaian percobaan sesuai dengan percobaan yang dilakukan.Adapun rangkaian percobaan yang akan digunakan seperti yang terlihat berikut:

3.4.3 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

AC

(5)

47 3.4.4 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub

Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

AC

Gambar 3.2 Rangakaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi

3.5 Prosedur Pengujian

3.5.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

Adapun prosedur percobaannya adalah :

1. Rangkaian dibuat seperti pada Gambar 3.1 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum. 2. Atur besar RL menjadi 120 Ohm.

3. Atur posisi sikat padap posisi -300_.

4. Tutup saklar S3, naikkan PTDC 2 sampai 0,64 ampere lalu tutup

saklar S2.

5. Tutup saklar S1, naikkan PTDC 1 sampai 85 volt.

(6)

48 7. Turunkan PTDC 2 hingga posisi nol lalu turunkan putaran dengan

mengatur PTDC 1 hingga posisi nol.

8. Buka saklar S1,S2 dan S3 lalu atur posisi sikat sesuai dengan yang

diinginkan.Kemudian ulangi langkah 3, 4, 5, dan 6 hingga diperoleh data tiap posisi sudut yang diinginkan.

9. Pengujian selesai.

3.5.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

Adapun prosedur percobaannya adalah :

1. Rangkaian dibuat seperti pada Gambar 3.2 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Atur besar RL menjadi 120 Ohm.

3. Atur posisi sikat padap posisi -300_.

4. Tutup saklar S3, naikkan PTDC 2 sampai 0,64 ampere lalu tutup

saklar S2.

5.Tutup saklar S1,naikkan PTDC 1 sampai 85 volt.

6. Catat nilai V1,V2,A1,A2 dan n pada kondisi ini.

7. Turunkan PTDC 2 hingga posisi nol lalu turunkan putaran dengan mengatur PTDC 1 hingga posisi nol.

8. Buka saklar S1,S2 dan S3 lalu atur posisi sikat sesuai dengan yang

diinginkan. Kemudian ulangi langkah 3, 4, 5, dan 6 hingga diperoleh data tiap posisi sudut yang diinginkan.

(7)

49 BAB 4

HASIL PESELITIAS DAS PEMBAHASAS 4.1 Umum

Motor arus searah adalah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi listrik arus searah (DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik,dimana energi gerak mekanik tersebut berupa putaran rotor.Proses pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet.

Motor arus searah penguatan seri adalah motor arus searah dimana belitan medannya dihubungkan langsung dengan jangkarnya sehingga arus yang melalui belitan medan seri ini sama dengan arus yang mengalir pada jangkar.

Pada saat motor arus searah penguatan seri 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 sikat-sikat motor.

(8)

50 dimana data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU.Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah motor DC AEG tipe Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 dengan spesifikasi sebagai berikut :

(9)

51 Vt = 85 Volt Ra = 3,8 Ω

RL = 120 Ω RKB = 2 Ω

Rs = 0,6 Ω

Tabel 4.2 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi

Dari data-data Tabel 4.1,maka akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan torsi.

(10)

52

(11)

53

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap pergeseran sikat, maka akan diperoleh efisiensi dan torsinya seperti pada Tabel 4.3 berikut ini :

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

4.3.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi

Dari data-data Tabel 4.2,maka akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan torsi.

1. Posisi Sikat -30 Ea = Vt –Rs.Ia

(12)

54 =82,486 volt

Daya masukan sistem(Total) Pinsistem = Vt x Ia

= 85 x 4,19

= 356,15 watt

Daya Keluaran sistem Poutsistem = Vgenerator x Igenerator

= 154 x 1,55

= 238,7 watt

Rugi Total Sistem,Wtotal= Pinsistem - Poutsistem

=356,15 – 238,7 =117,45 watt

Rugi Tembaga jangkar dan medan,Wcu = ( Ra + 2 Rs) x Ia2 + Ig2 x Ra

=(3,8+2.0,6) x4,192 _+1,552 _{x 3,8}

= 96,91 watt

Stray Losses/mesin = (Wtotal – Wcu ) : 2

=(117,45 – 96,91) : 2 =10,27 watt

Pin pada Motor = Ea x Ia

= 82,486 x 4,19

= 345,61 watt

Rugi tembaga kumparan jangkar pada motor, Pcu = (Ra+Rs+Rkb) x Ia2

= (3,8+0,6+2) x4,192

(13)

55

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap pergeseran sikat, maka akan diperoleh efisiensi dan torsinya seperti pada Tabel 4.4 berikut ini :

(14)

56 Dari hasil perhitungan di atas maka didapat perbandingan efisiensi dan torsi antara pergeseran sikat motor dc seri tanpa kutub komutasi dengan motor dc seri dengan kutub komutasi seperti pada tabel 4.5 dan tabel 4.6 sebagai berikut

Tabel 4.5 Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

Penggeseran Sikat

Efisiensi(%)

Tanpa Kutub

Komutasi Dengan Kutub Komutasi

-300 62,13 64,518 Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

Penggeseran Sikat

Torsi (N-m) Tanpa Kutub

Komutasi Dengan Kutub Komutasi

(15)

57 Dari tabel 4.5 dan tabel 4.6 maka akan didapat grafik perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri tanpa kutub komutasi vs motor dc seri dengan kutub komutasi yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 sebagai berikut:

(16)

58 BAB 5

KESIMPULAS DAS SARAS

5.1 Kesimpulan

Dari hasil percobaan dan pembahasan yang dilakukan,diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Pada masing-masing motor DC yang diuji,efisiensi yang tertinggi diperoleh pada pergeseran sikat -300 yaitu pada motor DC seri tanpa kutub komutasi sebesar 62,13 %, sedangkan pada motor DC seri dengan kutub komutasi sebesar 64,51.

2. Pada masing masing motor DC yang diuji,torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat +300_{yaitu pada motor DC seri tanpa kutub komutasi}

sebesar 2,54 N-m, sedangkan pada motor DC seri dengan kutub komutasi sebesar 2,81 N-m.

3. Dari hasil analisa dapat dilihat bahwa ada peningkatan nilai efisiensi dan torsi setelah ditambahkan kutub komutasi dan posisi sikat yang digeser.

5.2 Saran

Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut

1. Disarankan untuk menguji pada motor DC lainnya

2. Pada pengujian selanjutnya disarankan untuk mengubah-ubah beban motor DC.

(17)

5

mekanik,dimana energi gerak mekanik tersebut berupa putaran rotor.Proses

pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di

dalam medan magnet [1].

Berdasarkan konstruksinya, motor arus searah secara umum terdiri atas

bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor).Pada bagian yang

diam merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk

menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar ditempati oleh

rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat [2].

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 akan menimbulkan suatu gaya sehingga akan menimbulkan torsi[3]

Motor arus searah biasanya digunakan terutama untuk melayani beban

dengan torsi start yang besar dan memiliki efisiensi yang tinggi sehingga lebih

unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron[2].

Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan

kebutuhan agar ekonomis dan efisiensi.Untuk memenuhi semuannya ini,maka

(18)

6

Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn

medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya reaksi

jangkar[2].

Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap kinerja,efisiensi, dan torsi dari motor

tersebut.Untuk mengurangi reaksi jangkar ini,ada tiga cara atau teknik yang

dapat dilakukan yaitu dengan melakukan pergeseran sikat, menambahkan kutub

kutub komutasi, dan belitan kompensasi[4].

2.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi

atas dua bagian, yaitu : bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang

diam disebut stator dan bagian yang berputar/bergerak disebut rotor. Untuk lebih

jelasnya dapat dilihat pada Gambar di bawah ini [1]:

(19)

7

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor

Keterangan dari gambar tersebut adalah:

1 Badan Motor (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 (frame atau yoke) mesin arus

searah seperti juga mesin mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua

fungsi,yaitu:1.Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh

kutub-kutub magnet. 2.Merupakan sarana pendukung mekanik untuk

mesin secara keseluruhan.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.

Biasanya pada badan (rangka) motor terdapat papan nama (name plate)

yang bertuliskan spesifikasi umum atau data data teknik dari mesin

(20)

8

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.Dimana

fungsinya adalah untuk menahan kumparan medan di tempatnya dan

menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar

dengan menggunakan permukaan yang melengkung.Inti kutub terbuat dari

laminasi pelat-pelat baja yang terisolasi satu sama lain.Sepatu kutub dilaminasi

dan dibaut ke inti kutub.Maka kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub)

direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka.Pada inti kutub ini

dibelitkan kumparan medan yang terbuat dari kawat tembaga yang berfungsi

untuk menghasilkan fluksi magnetik[7].

Gambar 2.3 Konstruksi Kutub dan Penempatannya

3 Sikat

Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar.Dimana permukaan

sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik.

Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.Sikat sikat terbuat

(21)

9

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[11].

Gambar 2.4 Sikat Pada Motor DC

4 Kumparan Medan

Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub.

Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat

atapun persegi.Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi

utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.Pada aplikasinya rangkaian

medan dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik seri maupun paralel

dan juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber tegangan sesuai

dengan jenis penguatan pada motor[6].

5 Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya

ggl induksi.Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumparan

medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar,sedangkan pada motor

(22)

10

terhadap kumparan jangkar.Konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga

macam yaitu[12]:

1. Kumparan jerat (lap winding)

2. Kumparan gelombang (wave winding)

3. Kumparan zig-zag (frog-leg winding)

6 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.Inti jangkar

terbuat dari bahan ferromagnetik,dengan maksud agar komponen-komponen

(lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar supaya

ggl induksi dapat bertambah besar.Bahan yang digunakan untuk jangkar ini

merupakan sejenis campuran baja silicon.Seperti halnya inti kutub magnet

maka jangkar dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk

mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier seperti ditunjukkan

pada Gambar di bawah ini[8]:

(23)

11

7 Komutator

Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut

komutator dan sikat.Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari

konduktor jangkar,sebagai penyearah mekanik,yang bersama-sama dengan

sikat membuat sesuatu kerjasama yang disebut komutasi.Komutator terdiri dari

sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit

ke dalam silinder yang terpasang pada poros.Di mana tiap-tiap lempengan atau

segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya.

Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.Agar dihasilkan

tegangan arus searah yang konstan,maka komutator yang digunakan hendaknya

dalam jumlah yang besar[10].

Gambar 2.6 Komutator

8 Celah Udara

Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan

permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan

(24)

12

2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Sebuah konduktor mempunyai medan magnet disekelilingnya

apabila konduktor tersebut dialiri oleh arus listrik. Pada saat konduktor

yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka

konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan pada

Gambar di bawah ini[2] :

Gambar 2.7 Pengaruh Penempatan Konduktor yang Dialiri Arus Listrik

Dalam Medan Magnet

Pada Gambar 2.7.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. Untuk lebih jelasnya perhatikan

Gambar 2.8 berikut ini[6].

(25)

13

Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada

konduktor.Sedangkan Gambar 2.7.b menunjukkan sebuah medan magnet

yang diakibatkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan

magnet adalah dari kutub utara menuju kutub selatan[3].

Pada saat konduktor dengan arah menjauhi pembaca ditempatkan

di dalam medan magnet seragam,maka medan gabungnya akan seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.c Daerah di atas konduktor,medan

yang ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan,atau pada arah yang

sama dengan medan utama.Sementara di bawahnya,garis-garis magnet dari

konduktor arahnya berlawanan dengan medan utama.Hasilnya adalah

memperkuat medan atau menambah kerapatan fluksi di atas konduktor dan

melemahkan medan atau mengurangi kerapatan fluksi di bawah

konduktor.

Dalam keadaan ini fluksi di daerah di atas konduktor yang

kerapatannya bertambah atau mengusahakan gaya ke bawah kepada

konduktor untuk mengurangi kerapatannya.Hal ini menyebabkan

konduktor mengalami gaya berupa dorongan ke arah bawah.Begitu juga

halnya bila arah arus dalam konduktor dibalik.Kerapatan fluksi yang

berada di bawah konduktor akan bertambah sedangkan kerapatan fluksi di

atas konduktor berkurang.Sehingga konduktor akan mendapatkan gaya

tolak ke arah atas.Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet

cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan[9].

Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan

(26)

14

Gambar 2.9 Prinsip perputaran motor arus searah

Saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan,mengalir

arus medan If pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga

menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.

Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia,sehingga pada

konduktor kumparan jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar.Fluksi jangkar

ini akan memotong fluksi dari kumparan medan sehingga menyebabkan

perubahan kerapatan fluksi dari medan utama.Hal ini menyebabkan jangkar

mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi[1].

Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar

merupakan akibat aksi gabungan medan utama dan medan di sekeliling

konduktor.Gaya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan

utama dan kuat medan di sekeliling konduktor. Medan di sekeliling masing

(27)

15

pada konduktor tersebut.Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan

kiri[9].

Gambar 2.10 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor DC

Besarnya gaya F = B . I . l . sin θ,karena arus jangkar I tegak lurus dengan

arah induksi magnetik B maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang

mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet

adalah :

F = B . I . l Newton . . . . . . .(2.1)

Dimana : F = gaya Lorentz [Newton]

I = arus [Ampere]

l = panjang penghantar [meter]

B = kerapatan fluksi [Webber/m2]

Sedangkan torsi yang dihasilkan motor adalah :

T = F . r . . . .. . . .(2.2)

Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor

akan berputar.Besar torsi beban dapat dituliskan dengan[1]:

(28)

16

K = . . . . .(2.4)

Dimana : T = torsi [N-m]

r = jari-jari [m]

K = konstanta [tergantung pada ukuran fisik motor]

Φ = fluksi setiap kutub

Ia = arus jangkar [A]

p = jumlah kutub

z = jumlah konduktor

a = cabang paralel

2.4 Permasalahan dengan Komutasi Pada Mesin Arus Searah

Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut yaitu[2]:

- Reaksi jangkar - Tegangan (L di/dt)

2.4.1 Reaksi Jangkar

Reaksi jangkar merupakan medan magnet yang disebabkan

oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam

magnet.Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal yaitu [3] :

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 dari

(29)

17

 Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis.

 Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.Bidang

netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor di mana

konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet sehingga gaya gerak

listrik induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol.Seperti yang terlihat

dari gambar 2.11 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 OFM

mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama,di mana vektor ini tegak

lurus terhadap bidang netral magnetis.

Gambar 2.11 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara

kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul

(30)

18

Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 2.12 berikut ini :

Gambar 2.12 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar

Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar

ditentukan dengan aturan putaran sekrup (cork-screw rule).Besar dan arah garis

gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OFA 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 2.13 berikut ini[10]:

(31)

19

Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet (ggm) jangkar menentang

fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan

memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain.Hal ini jelas

akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah

satu kutubnya dan terjadi kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub

yang sama.Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangkar

yang memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar

magnetisasi-silang (crossmagnetization)[6].

Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral.Pada

Gambar 2.13 terlihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OFA dan

OFM, 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 dengan titik jenuhnya,sehingga dapat

menimbulkan kejenuhan magnetik.

2.4.2 Tegangan L.di/dt

Masalah utama kedua adalah tegangan L.di/dt yang terjadi pada segmen

komutator yang terhubung singkat oleh sikat-sikat (inductive kick).Misalkan

arus pada sikat (IA) sebesar 400 A,arus tiap jalur ½ IA sebesar 200 A. Pada saat

segmen komutator terhubung singkat,arus yang melalui segmen komutator

(32)

20

dan mesin memiliki 50 segmen komutator,maka tiap segmen komutator

berpindah pada sikat selama t=0.0015 detik.Sedangkan rentang perubahan arus

terhadap waktu pada rangkaian terhubung singkat rata-rata sebesar di/dt =

400/0.0015=266.667 Amper/detik.

Dengan induktansi yang kecil pada rangkaian,tegangan V = L.di/dt

yang signifikan akan diinduksikan pada segmen komutator.Tegangan tinggi ini

secara alami menyebabkan adanya percikan bunga api pada sikat-sikat

mesin[7].

2.4.3 Mengatasi Masalah Komutasi

Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses

komutasi, yaitu[2]:

1. Pergeseran sikat (brush shifting)

2. Kutub kutub komutasi (comutating poles/interpoles)

3. Belitan kompensasi (kompensating windings)

2.4.3.1 Penggeseran Sikat (Brush Shifting)

Sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan

jangkar. Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi jangkar adalah

pergeseran atau perpindahan garis netral searah dengan arah putaran

motor.Dalam hal ini sikat yang semula segaris dengan garis netral,kini

bergeser beberapa derajat dari garis netral.Untuk itu sikat dipindahkan

seirama dengan perpindahan bidang netral.Namun dalam penerapannya

hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat

(33)

21

setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul,maka jarak

perpindahan bidang netralnya pun berpindah.Sehingga sikat juga harus

dirubah setiap saat,seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang

netral.Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya

fluksi akibat reaksi jangkar mesin.

Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada

Gambar 2.14 berikut ini [2] :

Gambar 2.14 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral

Pada Gambar 2.14(a)diperlihatkan kondisi ketika bidang netral

mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula.Ggm

(34)

22

pada Gambar 2.14 (b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai

dengan bergesernya sikat mesin.Akibat pergeseran tersebut ggm

resultannya melemah sedemikian rupa.Hal tersebut dapat dilihat pada

Gambar 2.14 (d) [2].

2.4.3.2 Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles)

Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang

kutub-kutub komutasi (comutating poles /interpole).Kutub k u t u b

k o m u t a s i ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil

dari kutub utama.Kutub k u t u b k o m u t a s i (interpole) ini

dihubungkan seri terhadap kumparan rotor.Kutub bantu akan

memperpendek jalannya garis medan magnet. Dengan dipasang kutub bantu

maka garis netral akan kembali ke posisi semula dan kedudukan sikat tegak

lurus dengan kutub utamanya[4].

(35)

23

Gambar 2.16 Kutub magnet utama dan kutub bantu

2.4.3.3 Belitan kompensasi (kompensating 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 yang serius [2].

2.5 Jenis-Jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis

penguatannya,yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan

(36)

24

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 Dimana kumparan medan

disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri.Rangkaian ekivalen motor

arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut ini[8]:

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas

Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas:

Vt = Ea + Ia.Ra . . . (2.5)

Vs = Is+ Rs . . . (2.6)

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga yaitu:

2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

(37)

25

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt:

Vt=Ea+Ia.Ra

Vsh=Vt=Ish.Rsh. . . .. . . (2.7)

IL = Ia+Ish. . . (2.8)

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan seri

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri:

Vt=Ea+Ia(Ra+Rs). . . (2.9)

Ia= . . . (2.10)

Ia=IL=Is. . . . . . (2.11)

Dimana:

Ia=arus kumparan jangkar seri (Ampere)

Is= arus kumparan medan seri (Ampere)

Rs=tahanan medan seri(Ohm)

Ra=tahanan jangkar seri(Ohm)

Ea=gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)

(38)

26

2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon

Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua,yaitu :

2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek

Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek

IL = Ia+Ish

Vt = Ea+Ia.Ra+IL.Rs. . . (2.12)

Pin = Vt.IL . . . (2.13)

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang

(39)

27

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang

IL= Ia+Ish

Vt = Ea+Ia(Ra+Rs) . . . . . . .(2.14)

Pin = VtIL

Vt = Vsh

2.6 Karakteristik Motor DC Seri

Karakteristik Motor DC Seri terdiri dari [5] :

2.6.1 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar

Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar mulanya membentuk garis parabola

saat nilai arus jangkar kecil dan ketika saturasi membentuk garis lurus seperti

gambar dibawah ini :

Gambar 2.22 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar motor dc

(40)

28

2.6.2 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar

Ketika suplai tegangan V dijaga tetap konstan,kecepatan motor akan

berbanding terbalik dengan fluksi.dalam motor dc seri arus medan sama

besarnya dengan arus jangkar.Oleh karena itu saat beban ringan saturasi tak

tercapai,fluksi akan sebanding dengan arus jangkar dan putaran akan

berbanding terbalik dengan arus jangkar.Karena itu karakteristik putaran dan

arus jangkar membentuk kurva hiperbolic menuju saturasi.ketika beban naik

maka arus jangkar ikut naik dan medan memperoleh saturasi,saat medan

memperoleh saturasi maka fluksi menjadi konstan dan tak bergantung lagi

dengan kenaikan arus jangkar. Oleh karena itu saat beban berat,putaran motor

dc seri tetap konstan seperti gambar dibawah ini :

Arus Jangkar (Ia) Y

x

Gambar 2.23 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri

2.6.3 Karakteristik putaran terhadap torsi

Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc seri serupa dengan karakteristik

putaran terhadap arus jangkar yang berbentuk seperti hiperbola persegi panjang

(41)

29

Gambar 2.24 Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc penguatan seri

2.7 Rugi-Rugi Motor Arus Searah

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 proses

(42)

30

Gambar 2.25 Diagram aliran daya pada motor arus searah

Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya keluaran

motor. Ini merupakan rugi-rugi daya yang terjadi di dalam motor. Dalam

persamaan dinyatakan dengan :

∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran [2]

Akhirnya,rugi-rugi di dalam motor DC didefenisikan 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.

2.7.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper Loss)

Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam

kumparan medan dan kumparan jangkar motor.Karena kawat tembaga

kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi Rs dan Ra,maka jika

mengalir arus searah sebesar IS dan Iaakan menyebabkan kerugian daya

yang dihitung dengan persamaan [3] :

Wcu =(Ra+2Rs) I12 + I22 Ra ...(2.15)

(43)

31

I₁_{= arus motor}

I₂_{= arus generator (beban)}

R_a_{= resistansi jangkar}

R_s_{= resistansi medan seri}

2.7.2 Rugi-Rugi Inti (Core or Iron Losses)

Rugi-rugi ini terjadi di dalam jangkar motor DC yang disebabkan oleh perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutubnya.Ada dua jenis rugi- rugi inti yaitu:

1. Rugi Hysteresis

Rugi hysteresis terjadi di dalam jangkar mesin DC karena setiap bagian jangkar dipengaruhi oleh pembalikan medan magnetik sebagaimana bagian tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.

Gambar 2.26 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub

Gambar 2.26 menunjukkan jangkar yang berputar di dalam motor dua kutub. Dengan menganggap ab sebagai potongan kecil dari jangkar.Ketika potongan ab berada di bawah kutub N,garis-garis magnetik lewat dari a ke b.Setengah perputaran selanjutnya,dari potongan besi yang sama berada di bawah kutub S dan garis-garis magnetik lewat dari b ke a sehingga sifat magnet di dalam besi dibalik.

Untuk dapat membalik molekul-molekul magnet secara terus menerus di dalam inti jangkar, sejumlah daya diserap sehingga menyebabkan pemanasan pada inti jangkar.Daya yang diserap dan berubah menjadi panas sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar dan disebut sebagai rugi hysteresis.Untuk menentukan besarnya rugi hysteresis di dalam inti jangkar digunakan persamaan Steinmentz yaitu[9] :

Ph = η B1.6 _{max f υ Watt...(2.16)}

Dimana : Ph = rugi hysteresis

(44)

32

f = frekuensi pembalikan magnetik

= dimana n dalam rpm dan P=jumlah kutub

υ = volume jangkar (m3₎

η = koefisien hysteresis Steinmentz 2. Rugi Arus Pusar

Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar,ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam inti jangkar.Tegangan ini menghasilkan arus yang bersikulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.27.Ini disebut sebagai arus pusar (eddy current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar.

Rugi arus pusar berlaku sebagai panas yang dapat menaikkan temperatur motor dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai inti jangkar,resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya luas penampang inti.Akibatnya,nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan menjadi besar.Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya[10].

(a) (b)

Gambar 2.27 (a) Arus pusar didalam jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi

2.7.3 Rugi-Rugi Mekanis (Mechanical Losses)

Rugi-rugi mekanis di dalam mekanis motor DC merupakan

rugi-rugi yang berhubungan dengan efek-efek mekanis di dalam motor DC

yaitu gesekan dan angin.Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang

(45)

33

berputar dengan bagian-bagian yang diam dari motor, diantaranya gesekan

bearing atau bantalan peluru dengan rumah bearing atau dengan as rotor.

Juga gesekan antara permukaan sikat dengan komutator.Karena adanya

suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagian-bagian tersebut

walaupun kecil,diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan akibat

koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor DC tersebut.

Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh

pergesekan antara bagian-bagian motor yang berputar dengan udara di

dalam rumah (casing) motor.Baik itu pergesekan antara permukaan rotor

dengan udara pada celah udara di dalam motor ataupun gesekan udara

dengan kipas pendingin yang dipasangkan pada rotor di dalam motor.

Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor

tersebut[8].

2.7.4 Rugi-Rugi Beban Stray (Stray Load Losses)

Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan

oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam

besi,yang timbul karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak

termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung

singkat komutasi.

Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe

rugi-rugi yang disebutkan di atas.Di dalam perhitungan rugi-rugi motor DC,

besarnya rugi- rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh.

Rugi-rugi di dalam motor DC seri di atas juga dapat dikelompokkan

(46)

34

1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya

selalu tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi-rugi inti

+ mekanis disebut dengan rugi-rugi rotasi. Yang termasuk ke dalam

kelompok rugi-rugi konstan adalah :

a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar

b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin.

2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang

nilainya bervarisasi terhadap arus pembebanan. Yang termasuk ke

dalam kelompok rugi-rugi ini adalah:

a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ia2Ra).

b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (Ia2Rs)

c. Rugi jatuh tegangan sikat (VbdIa)

Sehingga rugi-rugi total di dalam Motor DC adalah :

∑ Rugi-Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel [3]

2.8 Torsi Motor Arus Searah

Yang dimaksud torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap suatu

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

tersebut bekerja.

Gambar 2.28 menunjukkan pada suatu pulley dengan jari-jari r bekerja suatu

gaya F Newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n

putaran per detik [4]

Torsi = F x r Newton-meter (N-m) ...(2.17)

(47)

35

= F x 2 π r Joule ...(2.18)

Gambar 2.28 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya

Daya yang dibangkitkan:

= F x 2 π r x n Joule/detik

= (F x r) x 2 π n Joule/detik ...(2.19)

Jika :

2 π n = kecepatan sudut (ω) dalam rad/detik

F x r = torsi T

Maka daya yang dibangkitkan = T x ω Joule/detik

= T x ω Watt

2.8.1 Torsi Jangkar

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

mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari jangkar.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) [4]

Jika pada suatu motor DC :

r = rata-rata jari-jari jangkar (meter)

(48)

36

Z = jumlah total konduktor jangkar

I = arus dalam setiap konduktor = Ia/A (Ampere)

B = rapat fluks rata-rata (Weber/meter2)

Φ = fluks per kutub (Weber)

P = jumlah kutub

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

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

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

Ta = Z B i l r Newton-meter

Sekarang i = Ia/A, B = Φ/a dimana a adalah luas penampang jalur fluks per kutub

pada jari-jari r. Jelasnya, a = 2 π r

Ta = 0,159 x x Ia atau Ta = 9,55 x . N-m ...(2.20)

2.8.2 Torsi Poros

Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang

berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh.Torsi poros

merupakan torsi yang akan menghasilkan daya keluaran motor yang berguna. Jika

kecepatan motor adalah n rpm, maka Daya keluaran (Watt) = 2 π n Tsh /60

Atau Tsh = 9,55 x N-m... (2.21)

2.9 Efisiensi Pada Mesin Arus Searah

Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus

searah, efisiensinya dinyatakan sebagai berikut:

η = 100% ... (2.22)

(49)

37

Pout=daya keluaran [5]

2.10 Metode Field’s Test

Metode ini dapat diterapkan untuk dua motor seri yang identik.

Seperti pada pengujian hopkinson,kedua motor seri dikopel secara

mekanis,dimana mesin yang satu bekerja sebagai motor dan yang lainnya

sebagai generator,namun pada pengujian ini keluaran generator dibuang

melalui resistansi R [3].

Berikut ini adalah rangkaian field’s test untuk motor seri :

Dimana :V = Tegangan suplai ke motor (volt)

V1 = Tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)

I1 = Arus motor (ampere)

V2 = Tegangan terminal jangkar generator arus searah (volt)

I2 = Arus beban (ampere)

Rs = tahanan medan seri

Ra = tahanan jangkar seri

(50)

38

Gambar 2.29 Rangkaian field’s test untuk motor arus searah

berpenguatan seri

Rugi besi dan gesekan kedua mesin dibuat sama dengan [2] :

1.Menggabung kumparan medan seri generator pada rangkaian jangkar

motor,sehingga kedua mesin akan mendapat penguatan yang sama

2.Memutar kedua mesin dengan kecepatan yang sama.

Motor arus searah tersebut diberi pasokan catu daya arus searah dengan tegangan

nominalnya.Variabel resistor R disetel sedemikian rupa hingga motor mencapai

keadaan beban penuh (diindikasikan oleh Amperemeter A),kemudian catat semua

penunjukan instrumen ukur[3].

Daya masukan sistem (total) = Vt. I1

Daya keluaran sistem =V2. I2

Rugi total sistem = Wt = Vt. I1 - V2. I2

Rugi tembaga jangkar dan medan sistem = Wcu = ( Ra + 2Rs ).I12 + I22 Ra

Rugi beban stray sistem = Wt – Wcu

Rugi beban stray per mesin=WS = (Wt – Wcu) / 2

(51)

39

Daya masukan motor =V1. I1

Rugi-rugi motor=Wm = ( RA + RS ).I12 + WS

η (%) = {V1. I1 - Wm}/ V1. I1

Efisiensi generator [3] :

Efisiensi generator untuk pengujian ini jarang dicari, karena generator beroperasi

dalam keadaan abnormal (penguatan terpisah), namun jika diinginkan dapat dicari

sebagai berikut :

Daya Keluaran Generator = V2.I2

Rugi-rugi Generator =Wg= Rs .I12 + Ra.I22 + WS

η (%) = {V2.I2}/ (V2.I2 + Wg)

2.11 Prinsip Penyearahan Tegangan Listrik Mesin DC (Komutasi)

Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan (dropforged),yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Komutator merupakan alat penyearah arus secara mekanik yang bekerja bersama sama dengan sikat.Adapun fungsi komutator ini adalah untuk mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat.

Sedangkan sikat terbuat dari karbon,grafit,logam grafit atau campuran karbon-grafit yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kontak sikatnya.besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik Sikat sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus yang dihasilkan oleh lilitan jangkar ke bagian beban.sikat juga berfungsi sebagai tempat terjadinya komutasi Kerja komutator dan sikat untuk penyearahan arus yang dihasilkan oleh kumparan disebut komutasi

(52)

40

dihasilkan oleh mesin arus searah pada prinsipnya sama seperti pada mesin arus bolak-balik yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan listrik bolak-balik.

Gambar 2.30 Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal Perhatikan gambar 2.30 Untuk terjadinya induksi tegangan, penghantar rotor yang bergerak harus memotong medan magnet.Dengan demikian, maka tegangan hanya akan terinduksi pada segmen ab dan cd dari belitan rotor pada gambar 2.30 Tegangan induksi yang terjadi dinyatakan sebagai :

eind = (v x B).l

di mana v = kecepatan gerak penghantar rotor B = kerapatan fluks magnetik l = panjang penghantar

Arah (v x B) merupakan arah arus di dalam penghantar bila terhubung dengan beban, seperti pada gambar 1. Besar tegangan induksi yang terbentuk pada penghantar tunggal adalah sbb :

eloop = eab + ebc + ecd + eda

eloop = Blv + 0 + Blv + 0

eloop = 2 Blv

(53)

41

gambar berikut ini. Dapat dilihat bahwa tegangan yang terbentuk adalah tegangan bolak-balik (AC). Untuk itu diperlukan proses penyearahan didalam mesin arus searah.

Gambar 2.31 Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan rotor

Prinsip penyearahan pada mesin arus searah dilakukan oleh komutator dan sikat secara mekanis, dan prosesnya dapat dilihat pada penjelesan berikut :

(54)

42 Pada waktu t1 :

Segmen komutator tepat berhimpit pada sikat, pada saat ini arus listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½IA + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen

komutator sebelah kanan ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA kearah kanan.

Pada waktu t2:

Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 1 : 3 antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersebut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandingan bagian komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¼ IA dengan segmen komutator sebelah kanan

sebesar 3/4 IA. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA kearah

kanan.

Pada waktu T3 :

Sikat tepat bearada ditengah-tengah segmen komutator, sehingga arus yang mengalir terdistribusi menjadi dua bagian yang sama besar antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga pada kumparan k tidak ada arus yang mengalir (nol).

Pada waktu T4 :

Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 3 : 1 antar segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersbut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandigan bagain komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¾ IA dan segmen komuntator sebelah kanan sebesar ¼ IA.

Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA ke arah kiri.

Pada waktu T5 :

(55)

43

listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½ A1 + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen mengalir melalui segmen komutator sebelah kiri ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA ke arah kiri.

Perpindahan arus yang terjadi pada kumparan k (kumparan jangkar) yang berputar pada medan magnet menyebabkan gaya gerak listrik (tegangan induksi) membentuk gelombang searah (terjadi pembalikan), seperti pada gambar berikut :

Gambar 2.33 Tegangan mesin arus searah hasil komutasi

Sedangkan gambar arus sebagai fungsi waktunya dilukiskan pada gambar berikut:

Gambar 2.34 Arus searah mesin arus searah

Prinsipnya penyearahan ideal terlihat sebagai garis linear. Sedangkan hasil penyearahan pada parakteknya berbentuk seperti gambar setengah lingkaran yang bergaris putus-putus, hal ini akibat pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat. Solusi untuk menjadikannya ideal (berupa garis liner), dapat ditempuh dengan menetralkan ggm yang timbul akibat induktansi tersebut, salah satunya dengan menambahkan kutub bantu komutasi,kumparan kompensasi. dimana ggm nya sama dan berlawanan dengan ggm induktansi.

t

(56)

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah

energi listrik menjadi energi mekanik.Motor arus searah sangat banyak

digunakan dalam bidang industri.Penggunaan motor arus searah dapat

dijumpai misalnya sebagai motor penggerak beban mekanik seperti

pompa,penggerak kipas angin,blower,lift,eskalator,penggerak pulley

konveyor,dan lain-lain.Motor arus searah yang digunakan dibidang

industri pada umumnya memiliki kapasitas daya yang relatif besar dan

disesuaikan dengan beban mekanis serta jumlah produksi yang diinginkan.

Untuk memenuhi semuanya itu,maka diperlukan motor arus searah

yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi. Pada motor arus searah suplai

daya yang diperoleh berasal dari sumber tegangan listrik arus searah.

Dimana sumber tegangan searah ini diberikan kepada kumparan jangkar

dan kumparan medan dari motor tersebut.

Disaat motor diberi beban,maka fluksi akan berkurang dan

amper-turn medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya

reaksi jangkar.Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap

kinerja,efisiensi,dan torsi dari motor tersebut.Untuk mengurangi reaksi

jangkar ini,ada tiga cara atau teknik yang dapat dilakukan yaitu melakukan

penggeseran sikat(brush shifting),kutub-kutub komutasi (comutating

(57)

2

Pada tugas akhir ini,penulis akan membahas tentang Analisis

perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri akibat pergeseran sikat

dengan menggunakan metode field’s test.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah :

1. Bagaimana pengaruh pergeseran sikat terhadap efisiensi motor arus

searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test

2. Bagaimana pengaruh pergeseran sikat terhadap torsi motor arus

searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test

3. Bagaimana pengaruh kutub kutub komutasi terhadap efisiensi

motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode

field’s test

4. Bagaimana pengaruh kutub kutub komutasi terhadap torsi motor

arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s

test

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk :

1. Mengetahui pengaruh pergeseran sikat terhadap efisiensi dan torsi

motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode

field’s test.

2. Mengetahui pengaruh kutub kutub komutasi terhadap efiesiensi

dan torsi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan

(58)

3

3. Memperlihatkan perbandingan efisiensi dan torsi antara pergeseran

sikat dengan kutub kutub komutasi dan pergeseran sikat tanpa

kutub kutub komutasi motor arus searah penguatan seri dengan

menggunakan metode field’s test.

1.4 Batasan Masalah

Adapun pembatasan masalah yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir

ini adalah:

1. Motor yang dipergunakan sebagai aplikasi adalah motor arus searah

penguatan seri pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen

Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.

2. Rugi-rugi yang di hitung adalah rugi-rugi tembaga dan rugi-rugi beban

stray pada motor dc penguatan seri

3. Motor arus searah penguatan seri dalam keadaan berbeban.

4. Tidak membahas tentang gangguan-gangguan yang terjadi pada motor

arus searah penguatan seri.

5. Analisis data dan perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di

(59)

4

1.5 Manfaat

Dari penulisan tugas akhir ini diharapkan dapat dimanfaatkan sebagai

bahan pembelajaran guna memberikan pemahaman yang lebih jelas mengenai

permasalahan komutasi(penyearahan) pada motor arus searah penguatan seri dan

bagaimana pengaruhnya terhadap efisiensi dan torsi motor arus searah penguatan

seri bila dilakukan pergeseran sikat ataupun ditambahkan kutub kutub komutasi

Adapun hasil dari tugas akhir ini,kita bisa melihat nilai perbandingan

efisiensi dan torsi motor dc seri antara pergeseran sikat dengan kutub kutub

komutasi dan tanpa adanya kutub kutub komutasi,dan kita dapat menyimpulkan

cara yang terbaik untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses

(60)

i ABSTRAK

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah energi

listrik menjadi energi mekanik.Pada penggunaannya motor arus searah harus

disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisien.Untuk memenuhi

semuanya ini,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi

tinggi.Pergeseran sikat dan penambahan kutub kutub komutasi berpengaruh

terhadap kinerja dari motor DC.Dengan menggeser posisi sikat dan menambahkan

kutub kutub komutasi,maka akan diperoleh efisiensi dan torsi yang lebih baik

sehingga motor DC dapat bekerja dengan lebih baik.Pada tugas akhir ini akan

dibahas analisis perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri akibat pergeseran

sikat dengan menggunakan metode field’s test.Berdasarkan hasil pengujian dan

perhitungan,efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 _{yaitu pada}

motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi sebesar 62,13% sedangkan pada motor

DC seri dengan kutub kutub komutasi sebesar 64,51%.Torsi yang tertinggi

diperoleh pada posisi +300 _{yaitu pada motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi}

sebesar 2,54 N-m sedangkan pada motor DC seri dengan kutub kutub komutasi

sebesar 2,81 N-m.

Kata kunci : motor dc seri, pergeseran sikat, kutub kutub komutasi, metode field’s

(61)

TUGAS AKHIR

ASALISIS PERBASDISGAS EFISIESSI DAS TORSI MOTOR DC SERI AKIBAT

PERGESERAS SIKAT DESGAS MESGGUSAKAS METODE FIELD’S TEST

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Energi Listrik

Oleh

Riandi Fuanto

SIM : 110402102

DEPARTEMES TEKSIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKSIK

USIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAS

(62)

(63)