BAB II
MOTOR ARUS SEARAH
II.1 UMUM
Pada prinsipnya, mesin listrik dapat berlaku sebagai motor dan generator. Tetapi kedua mesin ini memiliki perbedaan yang terletak pada pengkonversian dayanya. Generator adalah suatu mesin listrik yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sedangkan motor adalah suatu mesin listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Maka dengan membalik generator arus searah dimana sekarang tegangan sumber dan tegangan jangkar merupakan ggl lawan maka mesin arus searah ini akan berlaku sebagai motor.
II.2 KONSTRUKSI MOTOR ARUS SEARAH
Secara umum mesin arus searah memiliki konstruksi yang terbagi atas dua bagian, yaitu bagian yang diam yaitu stator dan bagian yang bergerak/berputar yaitu rotor. Untuk lebih jelasnya, konstruksi motor arus searah dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.3 Konstruksi motor arus searah
Konstruksi dasar motor arus searah tersusun dari beberapa : 1. Rangka (Frame )
Rangka motor arus searah berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan sebagian besar komponen mesin. Untuk itu, rangka harus di rancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin. Selain sebagai sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan, rangka juga berfungsi untuk membawa fluksi magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin. Untuk mesin kecil, dimana pertimbangan harga lebih
dominan daripada beratnya, biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin besar pada umumnya terbuat dari baja tuang
(cast steel) atau baja lembaran (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 mekanis.
2. Kutub ( Pole )
Magnet penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Inti kutub terdiri dari laminasi-laminasi plat baja yang terisolasi satu sama lain dan direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka. Pada inti kutub ini dibelitkan kumparan medan yang berfungsi menghasilkan fluksi magnetik. Sedangkan sepatu kutub merupakan permukaan dari kutub yang berdekatan dengan celah udara yang dibuat lebih besar dari badan ini.
Laminasi Inti Kutub Sepatu Kutub Lubang Baut
Gambar 2.4 Kutub medan
Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah:
1. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet.
2. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan penguat atau kumparan medan.
Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau strip/persegi) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu.
3. Kumparan Medan
Kumparan medan merupakan susunan konduktor yang terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat ataupun persegi dan dibelitkan pada inti kutub. Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri untuk membentuk rangkaian medan. Rangkaian medan inilah yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet. Rangkaian medan dapat dihubungkan secara seri ataupun paralel dengan kumparan jangkar dan juga dapat dihubungkan tersendiri secara langsung ke sumber tegangan, sesuai dengan jenis penguatan pada motor. Banyaknya belitan pada setiap kutub tergantung hubungan kumparan medan dan kumparan jangkar.
4. Jangkar
Jangkar adalah bagian yang berputar pada motor arus searah yang dipasak pada poros dan berputar diantara kutub medan seperti pada gambar 2.5 berikut:
Laminasi
Slot
Gambar 2.5 Jangkar
Jangkar berputar diantara kutub dari kumparan medan stator. Jangkar terdiri dari inti, kumparan jangkar dan komutator. Pada permukaan jangkar terdapat
slot-slot atau alur-alur yang menupakan tempat melilitkan kumparan jangkar. Kumparan jangkar biasanya berbentuk wound yang diletakkan di slot-slot pada inti.
5. Komutator
Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan (dropforged) 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.
6. Sikat (Brushes)
Sikat terbuat dari karbon, grafit (graphite), logam grafit atau campuran karbon-grafit yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kotak sikatnya. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai 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 (excessive wear).
7. Kumparan Jangkar
Kumparan jangkar (rotor) berbentuk seperti permata. Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi sebagai tempat dibangkitkannya ggl induksi. Sedangkan macam konstruksi kumparan jangkar (rotor) antara lain:
1. Kumparan jerat (lap winding)
2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan kaki katak (frog-leg winding)
8. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan kutub-kutub medan yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan kutub-kutub medan. Fungsi dari celah ini adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan. Celah udara ini diusahakan sekecil mungkin, semakin besar celah udara maka akan menghasilkan reluktansi yang tinggi, tetapi jika semakin kecil celah udara akan menghasilkan reluktansi yang kecil sehingga dapat meningkatkan efisiensi motor.
II.3 RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR ARUS SEARAH
Rangkaian ekivalen motor arus searah dapat ditunjukkan seperti pada gambar 2.6. Dari gambar tersebut, kumparan jangkar dinyatakan dengan tegangan sumber Ea dan tahanan Ra. Rangkaian ini sesuai dengan prinsip thevenin untuk
semua struktur rotor, termasuk kumparan rotor, hubungan antar kutub penggantian belitan jika ada. Tegangan jatuh pada sikat dinyatakan oleh sumber tegangan rendah Vbrush yang berlawanan dengan aliran arus searah pada motor. Kumparan
medan yang akan menghasilkan fluksi magnetik pada motor arus searah dinyatakan oleh induktor LF dan tahanan RF. Sedangkan tahanan terpisah Radj
sebagai tahanan eksternal yang dapat diatur digunakan untuk mengatur besar arus yang mengalir dalam kumparan medan.
Ada beberapa variasi dan penyederhanaan dari rangkaian ekivalen motor arus searah yaitu:
1. Tegangan jatuh pada sikat sering sangat kecil sekali dari tegangan yang dibangkitkan pada motor. Jadi, jika dalam suatu kasus yang tidak begitu kritis, tegangan jatuh pada sikat dihilangkan atau termasuk dalam tahanan Ra.
2. Tahanan dalam dari kumparan medan seringkali disatukan dengan tahanan variabel sehingga total tahanannya dinyatakan oleh RF.
3. Untuk beberapa generator yang memiliki lebih dari satu kumparan medan dapat terlihat seperti pada rangkaian ekivalen.
Tegangan yang di bangkitkan pada motor arus searah dapat dinyatakan melalui persamaan: ω φ. . k Ea = ………..………(2-1)
dan besar torsi yang dibangkitkan oleh motor arus searah adalah:
Kedua persamaan ini, yaitu persamaan hukum tegangan Kirchoff dari kumparan jangkar dan kurva magnetisasi mesin adalah alat yang penting untuk menganalisa kelakuan dan performansi motor arus searah.
II.4 PRINSIP KERJA MOTOR ARUS SEARAH
Apabila sebuah konduktor dialiri arus, maka sekeliling konduktor tersebut akan timbul medan listrik dan jikalau konduktor tersebut ditempatkan dalam suatu medan magnet seragam, maka medan listrik konduktor tersebut akan mempengaruhi medan magnet seragam tadi dan akibatnya konduktor tersebut akan mengalami gaya. Gambar 2.7 berikut memperlihatkan pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet seragam.
(a) (b) (c)
Gambar 2.7 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam
Pada gambar 2.7a menunjukkan sebuah konduktor yang dialiri arus listrik yang arahnya menjauhi pengamat menimbulkan medan listrik disekelilingnya (dimana arah garis-garis gayanya searah dengan arah jarum jam). Arah medan listrik konduktor tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan aturan sekrup
(corkscrew rule). Kuat medan listrik yang ditimbulkannya tergantung kepada
besar arus yang mengalir pada konduktor tersebut. Pada gambar 2.7b menunjukkan dua kutub yang berbeda polaritas yakni kutub utara (U) dan kutub
selatan (S). Kedua kutub menimbulkan medan magnet seragam yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.
Pada gambar 2.7c menunujukkan pengaruh medan listrik dari konduktor gambar 2.7a terhadap medan magnet antara kutub utara dan kutub selatan (gambar 2.7b) sehingga menghasilkan bentuk garis medan yang tidak seragam lagi disekitar konduktor tersebut. Daerah diatas konduktor yang arah arusnya menjauhi pengamat (disimbolkan dengan ), menimbulkan medan yang searah dengan garis-garis gaya dari medan yang ditimbulkan kedua kutub, yakni dari kiri ke kanan dengan demikian besar medan yang terjadi diatas konduktor tersebut saling memperbesar. Sedangkan daerah di bawah kondukor tersebut memliki kerapatan fluksi yang kecil oleh garis-garis gaya di sekeliling konduktor berlawanan arah dengan garis-garis yang ditimbulkan oleh kedua kutub. Oleh karena itu, kedua garis gaya tersebut akan saling memperlemah satu dengan yang lainnya. Dengan demikian kerapatan fluksi yanag paling tinggi adalah daerah diatas konduktor tersebut. Oleh karena daerah diatas konduktor tersebut memiliki kerapatan fluksi (B) yang besar maka pada konduktor tersebut terjadi gaya (sesuai dengan kaidah tangan kiri yang arah gaya tersebut adalah ke bawah) yang mengusahakan konduktor tersebut didorong ke bawah untuk mengurangi kerapatannya. Begitu pula halnya apabila konduktor tersebut dialiri arus yang arahnya mendekati/menuju pengamat, akan menimbulkan garis-garis gaya yang berlawanan arah jarum jam (sesuai dengan aturan sekrup). Apabila konduktor tersebut diletakkan pada medan seragam diatas maka akibatnya daerah di bawah konduktor tersebut memiliki kerapatan fluksi (B) yang lebih besar dibandingkan daerah diatas konduktor, oleh karena medan di bawah konduktor tersebut saling
memperbesar dengan medan dari kedua kutub. Dengan demikian, pada konduktor tersebut akan mengalami gaya yang mendorong konduktor ke atas.
Prinsip dasar diatas di terapkan pada motor arus searah. Prinsip perputaran motor arus searah dapat dijelaskan dari gambar 2.8 berikut ini:
(a) (b) Gambar 2.8 Prinsip perputaran motor arus searah
Berdasarkan gambar 2.8a diatas, kedua kutub stator dibelitkan dengan konduktor-konduktor sehingga membentuk kumparan-kumparan yang dinamakan kumparan stator atau kumparan medan. Misalkan kumparan medan tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan (If). Kumparan medan yang dialiri arus ini arus fluksi
yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis-garis fluksi). Fluksi utama dari stator ini akan memotong kumparan jangkar sehingga pada kumparan jangkar timbul ggl lawan. Apabila kumparan jangkar merupakam rangkaian tertutup maka akan mengalir arus yang dinamakan arus jangkar. Dari hukum Lorentz kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang
dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya dengan kumparan jangkar. Besar gaya ini tergantung dari besar arus yang mengalir pada kumparan jangkar dan kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub. Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar.
Pada gambar 2.8b terlihat konduktor yang memiliki arah arus yang menjauhi pengamat (disimbolkan dengan ) dan yang mendekati pengamat (disimbolkan dengan ). Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus yang arahnya menjauhi pengamat dan berada dalam medan magnet yang seragam maka daerah diatas konduktor tersebut memiliki rapat fluksi yang tinggi sedangkan di bawahnya memiliki rapat fluksi yang rendah. Sedangkan apabila konduktor dialiri arus yang arahnya menuju/mendekati pengamat, maka daerah diatas konduktor memiliki rapat fluksi (B) yang rendah dan di bawahnya memiliki rapat fluksi yang tinggi. Demikian juga halnya yang terjadi pada kumparan jangkar. Pada gambar 2.8b kumparan jangkar yang arah arusnya menjauhi pengamat akan memberikan gaya dorong ke bawah sebaliknya kumparan jangkar yang arah arusnya mendekati pengamat akan memberikan gaya dorong keatas. Gaya yang terjadi pada setiap kumparan jangkar merupakan hasil interaksi antara rapat fluksi utama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar itu sendiri sedangkan arah dari gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri. Jika 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:
(
B)
F=I l× Newton………(2-3)
dimana : I = arus jangkar (ampere)
l = panjang konduktor jangkar (meter) B = rapat fluksi ( Weber/meter2)
Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar diatas menimbulkan torsi induksi yang besarnya adalah:
r . F
Tind = Newton-meter .…..………..(2-4) Apabila harga F pada persamaan 2-3 disubstitusi ke persamaan 2-4 maka diperoleh:
Tind = I ( l x B ) r...(2-5)
dimana r = d/2
Maka, besar torsi keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar Z adalah:
Tind = Z. I.( l x B ) d/2 Newton-meter.………..…(2-6)
Apabila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka motor akan tetap berputar. Banyaknya garis fluksi yang menembus konduktor jangkar adalah:
φ = B.A
φ = B. ...(2-7) Dengan mensubstitusikan persamaan 2-6 dan Ia = a.I ke persamaan 2-7 sehingga diperoleh:
Tind = Newton-meter………..……...(2-8)
Atau, Tind = k.φ.Ia Newton-meter.………..……...(2-9)
Dimana: Tind = torsi induk si (N.m)
k = = konstanta
a
I = arus jangkar (Ampere) P = jumlah kutub
Z = jumlah total konduktor jangkar a = jalur paralel konduktor jangkar
Pada satu kali putaran gaya F akan menghasilkan kerja sebesar F.2 .r Joule sehingga daya mekanik (Pm) yang dibangkitkan oleh jangkar untuk n rpm
sebesar:
Pm = F. 2
.
r.
Watt ...(2-10)Pm = (F. r). 2
.
Daya yang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berubah jadi daya mekanik juga tergantung dari ggl lawan dan arus jangkar, sehingga dapat dituliskan:
Ea.Ia= Tind. 2 . Ia
Sehingga, Tind = Newton-meter...(2-11)
Dimana: Tind = torsi induk si (N.m)
Ea = gaya gerak listrik (Volt)
a
I = arus jangkar (ampere) = kecepatan sudut (rad/detik)
Bila kumparan jangkar motor berputar dalam medan magnet dan memotong fluksi utama sesuai dengan hokum induksi elektomagnetis maka pada kumparan jangkar akan timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi rotasi yang arahnya sesuai dengan kaidah tangan kanan, dimana arahnya berlawanan dengan tegangan yang diberikan ke jangkar atau tegangan terminal. Karena arahnya melawan maka ggl induksi ini disebut ggl lawan, yang besarnya:
e = N
Volt...(2-12) dengan, φ = φm sin t
e = N
Volt
e = N. . φm cos t Volt
Besarnya ggl induksi maksimum dalam satu belitan adalah:
emaks = . φm Volt
Harga rata-ratanya adalah:
er = . emaks Volt
er = . .φm Volt...(2-13)
Pada satu putaran jangkar berkutub dua, ggl melalui satu periode. Jika jangkar itu mengadakan n rpm bagi satu periode lamanya t, adalah:
t =
= detik Sedangkan untuk jangkar berkutub P, maka:
t = detik...(2-14) Dalam satu periode dilalui sudut yang besarnya 2 radial, sehingga:
=
Jika, Ea = er = . .φm Volt
Maka, Ea = φm Volt
Ea = 4 φm Volt
Ea = 4 φm Volt
Jangkar memuat N belitan yang terdiri a cabang parallel (cabang jangkar) sehingga tiap cabang jangkar akan mempunyai buah belitan yang tersambung seri, sehingga:
Ea = 4 φm Volt
Jika jumlah batang penghantar z, maka N =
Maka, Ea = 4 φm Volt
Ea = φm Volt...(2-15)
Oleh karena bernilai konstan, maka diperoleh:
dimana: Ea = gaya gerak listrik induksi (volt)
ka = = konstanta
n = kecepatan putaran (rpm) φm = fluksi setiap kutub (weber)
II.5 GGL LAWAN DAN TORSI INDUKSI MOTOR ARUS SEARAH
Ketika jangkar motor berputar, konduktornya akan memotong fluksi utama. Sesuai dengan hukum Faraday, akibat putaran jangkar rotor didalam suatu medan magnetik maka pada kumparannya akan timbul ggl lawan yang arahnya bertentangan dengan tegangan awal yang diberikan pada rotor. Besarnya tegangan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar (Na) adalah:
t ω sin φ ω N Ea = a r f r ...(2-17) Tegangan yang dibangkitkan pada ujung-ujung konduktor kumparan jangkar tersebut merupakan tegangan bolak-balik dengan bentuk gelombang sinusoidal seperti gambar 2.9 berikut ini.
t r ω a E a E − π 2π 0
Gambar 2.9 Gelombang Tegangan Pada Ujung Konduktor Jangkar
Nilai rata-rata tegangan yang diberikan berdasarkan gambar 2.9 diatas untuk ωrt
∫
= π 0 r a a π N ω 1 E φf sinωrt d( )
ωrt ……….(2-18) r a a N ω π 2 E = ………(2-19)Suatu kumparan jangkar terdiri dari Nc-lilitan, pada tiap Nc-lilitan terdapat Z jumlah konduktor, maka total jumlah konduktor yang terdapat pada suatu kumparan jangkar yang memiliki Nc-lilitan:
2 Z
Na = ………....(2-20)
Rumus diatas berlaku untuk kumparan tunggal, sementara kenyataannya belitan jangkar motor arus searah memiliki sejumlah kumparan-kumparan. Sebuah mesin memiliki sejumlah Z konduktor dan a jalur paralel, maka jumlah konduktor yang terhubung seri adalah Z/a, maka persamaan 2-20 menjadi:
2a Z
Na = ………..(2-21)
Apabila Ea adalah tegangan yang dibangkitkan diantara kedua sikat, maka dari persamaan 2-19, 2-20 dan 2-21 diperoleh:
Ea = ωrφf = k ωr φf………...………...(2-22)
dimana: k = ……….…………...(2-23) Dari persamaan 2-5 torsi yang terjadi pada tiap satu konduktor yang terinduksi dapat dituliskan kembali sebagai berikut:
Tind = B.Ia.l.r ..……….(2-24)
Oleh karena pada mesin tersebut memiliki jalur paralel (a), dengan demikian: r
BI
Oleh karena total konduktor yang terhubung seri adalah Z, maka total torsi induksi mesin adalah:
a r Z.B.I T a ind l = ...(2-26) Fluks per kutubnya adalah :
φf
(
)
P r 2π B B.Ap = l = maka: r 2π P B l = φf...(2-27)Dengan mensubstitusi persamaan 2-26 ke persamaan 2-27, maka diperoleh:
a 2π
Z.P
Tind = φf Ia = K φf Ia...(2-28)
II.6 JENIS-JENIS MOTOR ARUS SEARAH
Jenis-jenis motor arus searah dibedakan berdasarkan jenis penguatannya, yaitu, hubungan rangkaian kumparan medan dan kumparan jangkar. Motor arus searah dibedakan atas :
1. Motor arus searah penguatan bebas 2. Motor arus searah penguatan sendiri
II.6.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang penguatannya berasal dari luar motor. Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar 2.10
Vf + Ea Vt + -Ia Ra Rf -If
Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Persamaan pada motor arus searah penguatan bebas berdasarkan gambar 2.10 adalah: a a a t E I R V = + ...(2-29) f f f I R V = ...(2-30) II.6.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat dihubungkan secara seri dan paralel dengan kumparan jangkar tergantung pada jenis penguatan yang diberikan terhadap motor.
Motor arus searah penguatan sendiri terdiri atas: 1. Motor arus searah penguatan seri
2. Motor arus searah penguatan shunt
3. Motor arus searah penguatan kompon pendek 4. Motor arus searah penguatan kompon panjang
II.6.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri ditunjukkan pada gambar 2.11. + -Ea Vt + -Ra Rf IL=Ia=If
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan (Rf) dihubungkan
secara seri dengan kumparan jangkar (Ra). Oleh sebab itu, arus yang mengalir pada kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar. Persamaan pada motor arus searah penguatan seri berdasarkan gambar 2.11 adalah:
(
a f)
a a t E I R R V = + + ...(2-31) f a L I I I = = ...(2-32) II.6.2.2 Motor Arus Searah Penguatan ShuntRangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada gambar 2.12 + -Ea Rf Vt If IL + -Ia Ra
Pada motor shunt kumparan medan (Rf) dihubungkan secara paralel
dengan kumparan jangkar (Ra). Persamaan pada motor arus searah penguatan
shunt berdasarkan gambar 2.12 adalah: a a a t E I R V = + ………(2-33) f t f R V I = ………(2-34) f a L I I I = + ………...………...…(2-35)
II.6.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumparan medan (Rf)
dihubungkan seri dan paralel terhadap rangkaian jangkar (Ra). Rangkaian ekivalen
motor arus searah penguatan kompon pendek adalah seperti gambar 2.13.
+ -Ea Rf Vt If + -Ia Ra Rs IL=Is
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Dari gambar 2.13 diatas, persamaan motor arus searah penguatan kompon pendek adalah: s s a a a t E I R I R V = + + ………(2-36) f a s L I I I I = = + ………..(2-37) f s s t f R R I V I = − ………(2-38)
II.6.2.4 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang ditunjukkan pada gambar 2.14.
+ -Ea Rf Vt If + -Ia Ra Rs IL
Gambar 2.14 Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumparan medannya juga dihubungkan seri dan paralel terhadap rangkaian jangkar. Persamaan pada motor arus searah penguatan panjang berdasarkan gambar 2.14 adalah:
s a a a a t E I R I R V = + + ...(2-39) f a L I I I = + ...(2-40) f t f R V I = ………..………...(2-41) Motor kompon menggabungkan karakteristik kerja motor shunt dan seri. Motor tersebut memiliki putaran tanpa beban tertentu, sehingga dapat dioperasikan tanpa beban dengan aman. Jika beban bertambah, kenaikan fluksi medan menyebabkan putaran lebih banyak berkurang daripada putaran motor shunt. Oleh karena itu, pengaturan motor kompon kurang baik jika dibandingkan dengan motor shunt.
II.7 REAKSI JANGKAR
Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus jangkar, dimana jangkar tersebut berada didalam medan magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadi dua hal, yaitu:
1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama 2. Magnetisasi silang
Apabila kumparan medan dialiri oleh arus listrik tetapi kumparan jangkar tidak dialiri oleh arus, maka dengan mengabaikan pengaruh celah udara, jalur fluksi ideal untuk kutub utama dari motor arus searah 2 kutub, berasal dari kutub utara menuju kutub selatan. Gambar 2.15 adalah fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan.
U
S
O FM
Bidang Netral Magnetis
Sikat
Gambar 2.15 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan
Dari gambar 2.15 diatas dapat dijelaskan bahwa:
• Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis. • Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.
Bidang netral magnetis didefenisikan sebagai bidang didalam motor dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet, sehingga gaya gerak listrik induksi konduktor pada bidang tersebut adalaj nol. Seperti yang
terlihat pada gambar 2.15, sikat selalu ditempatkan disepanjang bidang netral magnetis, oleh karena itu bidang 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, dimana vektor ini tegak lurus terhadap bidang netral magnetis. Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi , maka di sekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 2.16.
U
S
Bidang Netral Magnetis
O
FA
Gambar 2.16 Fluksi yang dihasilkan kumparan jangkar
Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar ditentukan dengan aturan sekrup (corck-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 interaksi dari kedua fluksi tersebut. Akibatnya, distribusi fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah mengalami pembelokan saat mendekati konduktor jangkar yang dialiri arus tersebut. Gambar 2.17 adalah pembelokan fluksi yang terjadi karena interaksi fluksi medan dan fluksi jangkar.
U
S
FM FA O Bidang netral magnetis baru Bidang netral magnetis lama F ω βGambar 2.17 Pembelokan fluksi karena interaksi fluksi medan dan fluksi jangkar
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 dikutub 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 (cross-magnetization).Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada gambar 2.17 terlihat bahwa vektor OF merupakan resultan vektor OFA dan vektor OFM, serta posisi bidang netral
magnetis yang baru, dimana selalu tegak lurus terhadap vektor OF. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β karena pada posisi 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 dengan sikat.
II.8 ALIRAN DAYA DAN RUGI-RUGI DAYA
Pada semua mesin listrik, daya masukan selalu lebih besar daripada daya keluaran. Perbedaan antara daya masukan dan keluaran disebut dengan rugi-rugi daya (losses). Rugi-rugi pada motor arus searah perlu diperhatikan karena rugi-rugi tersebut menimbulkan panas pada mesin sehingga dapat menaikkan temperatur mesin. Semakin besar rugi-rugi dayanya maka semakin besar pula suhu yang naik dimana hal ini dapat merusak isolasi pada mesin. Selain itu, rugi-rugi juga mempengaruhi efisiensi dari motor arus searah, karena losses
mempengaruhi harga daya keluaran motor. Secara umum rugi-rugi pada motor arus searah terdiri dari 2 bagian, yaitu:
1. Rugi-rugi elektrik
a. Rugi-rugi tembaga (Pt)
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi yang terjadi pada belitan jangkar dan medan. Besar rugi-rugi jangkar:
a a
a I R
P = 2 ...(2-42) sementara besar rugi-rugi medan:
f f
f I R
P = 2 ...(2-43) b. Rugi-rugi inti (Pi)
Rugi-rugi inti terdiri atas rugi-rugi histeresis dan rugi-rugi arus eddy (eddy current losses).
c. Rugi-rugi buta (Pb)
Ketika motor dibebani, arus beban akan menghasilkan gaya gerak magnet yang cukup besar untuk mengubah kerapatan fluksi celah-udara. Hal ini akan menimbulkan kenaikan pada rugi-rugi besi.
Pertambahan rugi-rugi besi tersebut disebabkan oleh distorsi atau cacat pada distribusi fluksi medan utama, ditambah dengan kenaikan rugi tembaga. Hal inilah yang disebut dengan rugi-rugi buta (stray load loss). Rugi-rugi buta tidak dapat ditentukan dengan akurat, oleh karena itu rugi-rugi ini dianggap selalu 1% dari daya keluaran mesin.
d. Rugi-rugi pada sikat
Rugi-rugi sikat adalah daya yang hilang pada sikat penyearah, karena jatuh tegangan pada kontak sikat tersebut, yang besarnya adalah: a BD BD V I P = ...(2-44) 2. Rugi-rugi mekanis (Pm)
Rugi-rugi mekanis adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh efek mekanis. Rugi-rugi ini terdiri dari rugi-rugi gesekan dan rugi-rugi angin. Berikut ini adalah gambar aliran daya yang terdapat pada motor arus searah penguatan shunt.
L t in VI P = f f f I R P = 2 a a a I R P = 2 BD BD a I V P = i P m P b P a a e E I P = a t in VI P j = out P
Merupakan rugi- rugi tanpa beban, biasanya diasumsikan 3%- 6% daya keluaran
