Studi Pengaturan Kecepatan Motor Dc Shunt Dengan Metode Ward Leonard (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Umum

Motor arus searah (motor DC) ialah suatu mesin yang berfungsi mengubah

tenaga listrik arus searah ( listrik DC ) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik,

dimana tenaga gerak tersebut berupa putaran dari pada rotor. Antara motor DC

dan generator DC tak ada perbedaan konstruksi. Pada prinsipnya, motor DC bisa

dipakai sebagai generator DC, sebaliknya generator DC dapat dipakai sebagai

motor DC [1].

Pada mesin arus searah terdapat kumparan medan yang berbentuk kutub

sepatu merupakan stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar yang

merupakan rotor (bagian yang berputar) [2].

Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip yang menyatakan bahwa

ketika kumparan yang membawa arus ditempatkan dalam medan magnet, maka

kumparan mengalami gaya mekanik. Gaya mekanik ini akan menimbulkan torsi

2.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Secara umum konstruksi motor arus searah dapat dilihat pada Gambar 2.1

dan Gambar 2.2 di bawah ini :

Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator [4]

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor [4]

Keterangan dari gambar di atas adalah:

1. Badan motor (rangka)

Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin

a. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara

keseluruhan.

b. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub

magnet.

Untuk mesin kecil, pertimbangan harga lebih dominan dari pada beratnya,

biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin

besar umumnya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau lembaran baja (rolled

steel). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti,

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

kuat secara mekanik [5].

2. Kutub medan

Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Adapun fungsi dari

sepatu kutub adalah :

a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan

b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh

jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung [5].

3. Jangkar

Langkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk

silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan

kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar yang terbuat

dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar komponen-komponen (lilitan

dapat bertambah besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari

bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya

arus linier. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon.

Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis

[1].

4. Kumparan jangkar

Kumparan (lilitan) jangkar pada motor arus searah berfungsi sebagai

tempat terbentuknya ggl induksi. Bahan yang digunakan sebagai kumparan adalah

kawat email yaitu kawat yang berisolasi sejenis zat kimia [1].

Jenis-jenis kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam, yaitu [5] :

1. Kumparan jerat (lap winding)

2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan kaki katak (frog-leg winding)

5. Kumparan medan

Kumparan medan adalah kumparan setiap kutub yang dihubungkan secara

seri untuk membentuk rangkaian medan. Rangkaian medan dapat dirancang untuk

dihubungkan seri ataupun paralel dengan rangkaian jangkar. Kumparan medan

paralel atau kumparan medan shunt mempunyai jumlah lilitan kawan berdiameter

kecil yang banyak dan tahanannya relatif tinggi, sedangkan kumparan medan seri

6. Komutator

Komutator berfungsi sebagai penyearah mekanik, yang bersama-sama

dengan sikat-sikat membuat suatu kerja sama yang disebut komutasi. Supaya

menghasilkan penyearahan yang lebih baik (lebih rata) maka komutator yang

digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Dalam hal ini setiap belahan

(segmen) komutator tidak lagi merupakan bentuk separuh dari cincin, tetapi sudah

berbentuk lempeng-lempeng [1].

7. Sikat-Sikat

Sikat-sikat ini berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan

jangkar. Di samping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya

komutasi. Agar gesekan antar komutator-komutator dan sikat tidak

mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak dari pada

komutator. Biasanya dibuat dari bahan arang (coal) [1].

8. Celah udara

Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan

sepatu kutub dan panjangnya berbeda-beda menurut ukuran mesin. [6].

2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Bilamana arus yang mengalir dalam kawat arahnya menjauhi kita, maka

medan-medan yang terbentuk di sekitar kawant arahnya searah dengan putaran

jarum jam. Sebaliknya bilamana arus listrik yang mengalir dala kawat arahnya

mendekati kita, maka medan magnit yang terbentuk di sekitar kawat arahnya

Prinsip dasar dari motor arus searah adalah kalau sebuah kawat berarus

diletakkan antara kutub magnit (Utara – Selatan), maka pada kawat itu akan

bekerja suatu gaya yang menggerakkan kawat itu.

Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri, yang berbunyi

sebagai berikut :

Apabila tangan kiri terbuka diletakkan di antara kutub Utara dan Selatan,

sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub Utara menembus telapak tangan

kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah ke empat jari, maka

kawat itu mendapat daya yang sesuai dengan arah ibu jari [1].

Gambar 2.3 Aturan Tangan Kiri untuk Prinsip Kerja Motor DC [1]

Jika panjang kumparan rotor l dialiri arus listrik sebesar I dan terletak di

antara kutub magnit utara dan selatan dengan kerapatan flux sebesar B, maka

kumparan rotor tersebut mendapat gaya F sebesar [7] :

F=B .I . l………..………...………(2.1)

Dimana :

F = Gaya lorenz (Newton)

B = Kerapatan fluksi magnet (Weber/m2)

l = Panjang konduktor jangkar (m)

Untuk mengetahui arah putaran motor searah atau berlawan dengan arah

jarum jam, perhatikan gambar 2.4. Pada gambar 2.4 (a) arus listrik yang mengalir

melalui sisi kumparan sebelah atas (dekat kutub utara) meninggalkan kita,

sedangkan arah arus listrik pada sisi kumparan sebelah bawah (dekat kutub

selatan) menuju kita, maka kumparan akan berputar berlawanan jarum jam

(perhatikan arah medan magnit) sekitar kawat yang terdapat pada gambar 2.4 (b)

dan (c). Jika ujung-ujung kumparan dihubungkan dengan sumber listrik DC

dengan polaritasnya berlawanan dengan polaritas battery yang terdapat pada

gambar 2.4 (a), maka kumparan akan berputar searah jarum jam [7].

Gambar 2.4 Prinsip Kerja Putaran Motor DC [7]

Torsi adalah putaran atau pemuntiran dari suatu gaya terhadap suatu poros. Ini

diukur dengan hasil kali gaya tersebut dengan jari-jari lingkaran dimana gaya

tersebut bekerja, yang besarnya ditunjukkan oleh persamaan (2.2) [1] :

TF .r ...………...…(2.2)

Dimana :

F = Gaya Lorenz (Newton)

r = jari-jari rotor (meter)

2.4 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan Pada Motor Arus Searah [1]

Proses terjadinya GGL lawan adalah suatu kumparan jangkar diberi

sumber DC. Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi sehingga jangkar

berputar. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul

GGL. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber yang

diberikan pada motor sehingga disebut dengan GGL lawan.

Jadi GGl lawan pada motor DC adalah GGL yang terjadi pada jangkar

moto DC (pada waktu motor dioperasikan/berputar), yang disebabkan karena

jangkar tersebut berputar dalam medan magnet.

Arah GGL lawan menentang arah GGL sumber, sehingga pada waktu

motor beroperasi arus jangkarnya menjadi :

� =� − �

Dimana : V = Tegangan sumber

E = GGL lawan

Ra = Tahanan jangkar

Besarnya GGL lawan (E) adalah :

� =

�₆

�. ∅

(Volt)...(2.3)

Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut:

� = �′. �. ∅...(2.4)

K’ = Konstanta = �

6 ...(2.5)

r = jari-jari rotor (m)

K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)

∅ = fluksi masing-masing kutub

� = arus jangkar (A)

P = jumlah kutub

z = jumlah total konduktor jangkar

a = jumlah kumparan tersambung paralel

2.5 Jenis-Jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan sumber arus

penguat magnetnya. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi [1]:

1. Motor arus searah penguatan terpisah

2. Motor arus searah penguatan sendiri

2.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Terpisah

Motor arus searah penguatan terpisah adalah motor arus searah yang

sumber arus penguatan magnet diperoleh dari sumber DC di luar motor [1].

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.5 Motor Arus Searah Penguatan Bebas [5]

Persaman umum motor arus searah penguatan bebas :

� = � + � ... (2.6)

�_� = �_�. _�...(2.7)

Dimana: � = tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)

� = arus jangkar (Amp)

= tahanan jangkar (ohm)

�� = arus medan penguatan bebas (amp)

� = tahanan medan penguatan bebas (ohm)

�� = tegangan terminal medan penguatan bebas (volt)

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang sumber

arus penguatan magnet berasal dari motor itu sendiri [1].

Berdasarkan hubungan lilitan penguat magnet terhadap lilitan jangkar motor

DC dengan penguat sendiri, maka motor arus searah dapat dibedakan menjadi tiga

yaitu [1]:

1. Motor arus searah penguatan seri

2. Motor arus searah penguatan shunt

3. Motor arus searah penguatan kompon

2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

Rs

Vt

+

-Ea

Ra

Ia

IL

+

-IS

Gambar 2.6 Motor Arus Searah Penguatan Seri [5]

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri:

� =

�

_�

= �

...(2.9)

Dimana:

�� = arus beban (amp)

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

+

Gambar 2.7 Motor Arus Searah Penguatan Shunt [5]

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt

� = � + � ...(2.10)

�ℎ = � = �ℎ. ℎ...(2.11)

�� = � + � ℎ...(2.12)

Dimana :

�ℎ = arus kumparan medan shunt (ohm)

ℎ = tahanan medan shunt (ohm)

�� = arus beban (amp)

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

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek

+

Gambar 2.8 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek [5]

Dari Gambar 2.8 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah

penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.13) [4] :

� = � + � . + � . ...(2.13)

Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh

persamaan (2.14) :

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang

+

Gambar 2.9 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang

Dari Gambar 2.9 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah

penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.15) [4] :

Vt = Ea + Is.Rs + Ia.Ra...(2.15)

Karena Is = Ia

Maka persamaan (2.15) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.16) :

Vt = Ea + Ia (Rs + Ra) ...(2.16)

Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh

persamaan (2.17) dan persamaan (2.18) :

2.6 Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Shunt.

Karakteristik adalah grafik yang menyatakan hubungan antara dua besaran

listrik yang menentukan sifat sebuah mesin [1]. Kinerja dari motor Dcdapat

ditentukan berdasarkan kurva karakteristiknya yang disebut karakteristik motor.

Berikut adalah tiga karakteristik penting pada motor DC [3] :

1. Karakteristik torsi dan arus jangkar (Ta/Ia)

Ini adalah kurva antara torsi jangkar (Ta) dan arus jangkar (Ia) pada motor

DC. Kurva ini juga disebut sebagai karakteristik elektrik pada motor.

2. Karakteristik putaran dan arus jangkar (n/Ia)

Ini adalah kurva antara putaran (n) dan arus jangkar (Ia) pda motor DC.

Kurva ini sangat penting karena sering digunakan sebagai faktor penentu

dalam pemilihan motor.

3. Karakteristik putaran dan torsi (n/Ta)

Ini adalah kurva antara putaran (n) dan torsi jangkar (Ta) pada motor DC.

Kurva ini juga disebut sebagai karakteristik mekanik.

Pada motor arus searah penguatan shunt terdapat tiga karakteristik, yaitu

[8] :

1. Karakteristik torsi – arus jangkar ( Ta/Ia )

Asumsikan  bernilai konstan maka kita mengetahui nilai Ta  Ia , maka

besar torsi akan bertambah secara linear dengan bertambahnya Ia. Untuk lebih

jelasnya, bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar dapat dilihat pada Gambar

Ta

Ia 0

Ta

Tsh

Gambar 2.10 Kurva karakteristik torsi – arus jangkar ( Ta/Ia )

2. Karakteristik putaran – arus jangkar ( n/Ia )

Jika kita anggap  bernilai konstan maka n  Ea. Fluksi  dan ggl lawan

Ea di dalam motor DC shunt akan berkurang dengan penambahan beban.

Bagaimanapun juga Ea akan berkurang lebih banyak daripada  secara

keseluruhan, ada beberapa pengurangan kecepatan. Drop bervariasi dari 5 sampai

15 % kecepatan beban penuh, tegantung saturasi, reaksi jangkar dan posisi sikat.

Oleh karena itu, kurva kecepatan akan berkurang ditunjukan oleh garis putus

putus. Tetapi secara umum, motor shunt memiliki kecepatan putaran yang

constant. Untuk lebih jelasnya bentuk kurva putaran – arus jangkar dapat dilihat

pada Gambar 2.11 berikut :

Ia 0

n

3. Karakteristik putaran – torsi ( n/Ta )

Karakteristik putaran – torsi diperoleh dengan mengambarkan nilai n dan

Ta untuk berbagai arus jangkar ( Ia ). Dari kurva dapat dilihat bahwa kecepatan

sedikit menurun seiring dengan pertambahan beban. Untuk lebih jelasnya

karakteristik putaran – torsi dapat dilihat pada Gambar 2.15 berikut :

n

Ta 0

Gambar 2.12 Kurva karakteristik putaran – torsi ( n/Ta )

2.7 Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Penguatan Shunt [2]

Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam motor arus

searah karena motor arus searah mempunyai karakteristik kopel-kecepatan yang

menguntungkan dibandingkan dengan motor lainnya.

Telah diketahui bahwa untuk motor arus searah dapat diturunkan rumus

sebagai berikut :

� = � − �

� = �. �. �

Maka :

� =

��− ����

�.� ………(2.19)

Dimana :

n = jumlah putaran

C = konstanta ( bergantung pada ukuran fisik motor)

Vt = tegangan terminal

Ra = tahanan jangkar

Ia = arus jangkar

� = fluks magnetik

Dengan persamaan diatas, dapat dilihat bahwa kecepatan putaran motor

dapat diatur dengan cara mengubah :

a) Tahanan jangkar (Ra) b) Fluks magnetik (ϕ

c) Tegangan terminal (Vt)

2.7.1 Metode Pengaturan Tahanan Jangkar

Tahanan rangkaian jangkar motor dapat diubah dengan menambahkan

tahanan variable yang dihubungkan seri dengan jangkar. Bila tahanan seri

dinaikan, tegangan pada jangkar motor berkurang dan kecepatan motor turun.

Sama halnya, kecepatan motor akan bertambah jika tahanan seri dikurangi [6].

Pengaturan dengan menambah tahanan seri pada jangkar dapat dilihat pada

Ra Ia

Rs

Vt

Rf If

Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Pengaturan Kecepatan Dengan

Menambah Tahanan Seri Pada Jangkar

Pengaturan kecepatan putaran motor dengan cara ini jarang dipakai karena

rugi panas yang terjadi cukup besar.

2.7.2 Metode Pengaturan Fluksi

Kecepatan putar motor dc akan minimum jika arus if minimum dan ini

akan terjadi pada posisi rheostat maksimum. Pengaturan dengan menambah

tahanan seri pada jangkar dapat dilihat pada gambar berikut :

Ea

Ra

Rheostat Ia

Vt

Rf

If

Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Pengaturan Kecepatan Dengan Rheostat

Melalui persamaan 2.19 diatas , jika kita menaikkan fluks medan maka

kecepatan motor akan bertambah, dan sebaliknya jika kita menurunkan fluks

medan maka kecepatan motor akan berkurang.

2.7.3 Metode Pengaturan Tegangan ( Ward Leonard _System)

Sistem Ward Leonard ini mempunyai pengaturan yang luas dan

pengaturan kecepatan yang sangat sensitif yang diperlukan dalam excavator

elektrik, elevator dan sebagai peralatan utama pada pabrik besi dan pabrik kertas

[8].

Beberapa penggunaan motor DC memerlukan daerah pengendalian

kecepatan yang luas dan tahapan yang halus. Sistem Ward Leonard atau sistem

pengaturan tegangan, memberikan pengendalian yang demikian dan melibatkan

generator lain untuk menggerakan motor yang kecepatannya dapat diatur [6].

Apabila daya motor besar dan dilakukan berulang-ulang maka kerugian

daya menjadi besar sekali. Bila motor diinginkan tidak banyak mengalami

kerugian tenaga pada waktu start (pengasutan), untuk kerja dengan perubahan

kecepatan yang luas maka cara yang paling efisien adalah dengan mengubah

tegangan jepit motor dengan penguat terpisah sehingga didapat fluksi magnetik

yang tetap penuh untuk semua macam kecepatan. Selain diperoleh daerah

pengaturan yang luas (dari tegangan jepit nol sampai tegangan penuh), pengaturan

Gambar 2.15 Rangkaian Ekivalen Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Ward

Leonard [1]

Pengaturan putaran Ward Leonard dilaksanakan dengan mengubah

tegangan jepit (U) dimana fluks magnet motor konstan. Penggerak mula yang

biasanya motor induksi berkecepatan konstan dipergunakan untuk menggerakan

generato (G). Perubahan tahanan medan generator G (RG) akan merubah tegangan

jepit U yang diberikan kepada motor dc (M) yang diatur putarannya. Untuk

mengatur putaran motor M dilakukan dengan mengubah tegangan jepit U. Untuk

itu dilakukan dengan mengatur tahanan medan (RG) pada belitan generator DC

[1]. Kecepatan motor dapat disetel pada setiap kecepatan antara nol dan kecepatan

maksimumnya dengan menyetel eksitasi medan generator G pada harga yang

dikehendaki [1].

Jika pada motor yang sedang bekerja, tegangan tiba-tiba diturunkan

sampai di bawah harga ggl lawan dari motor, arus jangkar dibalik dan motor

berlaku sebagai generator, menggerakkan generator sebagai motor. Maka terjadi

pengereman dinamis yang menyebabkan motor cepat berhenti. Motor dapat

dibalik dengan menurunkan tegangan terminal ke nol dan membalik arus medan

generator. Jika tegangan dinaikan dengan polaritas berlawanan, motor bertambah

Meskipun fakta yang menyebutkan bahwa pengeluaran dari sistem ini

tinggi karena output mesin yang besar yang digunakan untuk motor generator set

serta dua mesin tambahan yang digunakan, tetapi masih digunakan secara luas

untuk elevator, control pada lift, dan peralatan utama pada pabrik besi dimana

motor dengan rating 750 kW sampai 3750 kW dibutuhkan. Alasannya karena

pengaturan kecepatan yang hampir tidak terbatas oleh medan pada generator dan

hasil yang lebih ekonomis pada produksi besi [8].

Biaya awal sistem Ward Leonard mahal dan relative tidak efisien karena

adanya beberapa transformasi energy. Tetapi pengendalian kecepatannya sangat

efektif, yaitu respons terhadap perubahan kecepatannya cepat, daerah penyetelan

kecepatannya luas, tersedianya pembalikan dan pengereman dinamis. Dalam

penggunaan dimana faktor-faktor ini penting, maka kelebihan sistem Ward