BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Arus Searah
Motor arus searah (DC) merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang biasanya digunakan, misalnya; memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakkan kompresor, mengangkat bahan, dan lain-lain. Mesin yang bekerja baik sebagai generator DC dalam kenyataannya akan bekerja baik juga sebagai motor DC, karena hampir pada semua prinsip pengoperasiannya motor arus searah identik dengan generator arus searah. Motor juga dimanfaatkan pada peralatan rumahan (mixer, bor listrik, fan angin) dan juga dibidang industri.
Motor arus searah disuplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor arus searah dinamakan stator yaitu bagian yang diam (tidak berputar) dan kumparan jangkar dinamakan rotor yaitu bagian yang berputar. Terjadinya putaran pada kumparan jangkar dan pada medan magnet yang menimbulkan tegangan (GGL) yang arahnya berubah-ubah pada setiap setengah putaran yang menimbulkan tegangan bolak balik apabila bekerja sebagai generator. Jadi pada prinsip kerja generator arus searah adalah dengan membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator.
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 tersebut akan menimbulkan suatu gaya sehingga menimbulkan torsi.
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. Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisiensi. Untuk memenuhi semuannya ini, maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi. Ketika motor arus searah dibebani, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn medan akan berkurang juga. Hal tersebut diakibatkan oleh karena adanya reaksi jangkar. Bentuk motor arus paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas diantara kutub-kutub magnet permanen.
Gambar 2.1 Motor DC Sederhana
lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo yaitu sebutan untuk komponen yang berputar diantara medan magnet.
2.2 Kontruksi Motor Arus Searah
Motor arus searah secara umum dibagi atas dua bagian, yakni bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor). Berikut gambar kontruksi motor arus searah secara utuh tampak luar.
Gambar 2.2(a) Kontruksi Motor Arus Searah
Gambar 2.2 (b) Kontruksi Stator dan Rotor Motor Arus Searah
Gambar 2.2 (c) Kontruksi Rotor Motor Arus Searah
Bagian-bagian dari motor arus searah seperti yang ada pada gambar diatas antara lain:
1. Rangka atau Gandar
pendukung mekanik secara ke keseluruhan dan membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. Umumnya terbuat dari baja tuang (cast steel) untuk mesin-mesin besar dan besi tuang (cast iron) untuk mesin kecil.
2. Kutub Medan
Kutub Medan terdiri dari inti kutub dan sepatu kutub, dimana sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah menyebarkan fluks pada celah udara dan juga mengurangi reluktansi jalur magnet itu karena sepatu kutub merupakan bidang lebar.
Gambar 2.2 (d) Kontruksi Inti Kutub dan Penempatannya
3. Sikat
4. Kumparan Medan
Kumparan Medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Rangkain medan berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.
5. Inti Jangkar
Inti Jankar yang biasa digunakan pada motor arus searah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya sebagai tempat melilitkan kumparan-kumparan penghasil 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 sejenis campuran baja silikon.
Gambar 2.2 (e) Inti Jangkar yang Berlapis-lapis
6. Kumparan Jangkar
sedangkan pada motor DC pengutan kompon pendek kumparan medan serinya diparelelkan terhadap kumparan jangkar.
7. Komutator
Komutator berfungsi sebagai fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar, sebagai penyearah mekanik, yang bersama-sama sikat membuat suatu kerjasama yang disebut komutasi. Komutator digunakan dalam jumlah yang besar sehingga dapat menyearahkan dengan baik dan berbentuk lempengan-lempengan (segmen komutator) dan terdapat bahan isolasi.
Gambar 2.2 (f) Komutator
2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetic. Ketika kumparan medan dan kumparan jangkar dihubungkan dengan sumber tegangan DC seperti gambar 2.3, maka pada kumparan medan mengalir arus medan (If), 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. Sesuai hukum Lorentz, interaksi antara kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya mekanik pada konduktor jangkar yang disebut gaya Lorentz. Besar gaya ini sesuai dengan persamaan 1 berikut ini [5] :
F = B .i .l (2.1)
Dimana :
F= gaya yang bekerja pada konduktor (N) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2) i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m)
Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.
Ta = F .r (2.2) Dimana : Ta = torsi jangkar (N-m)
r = jari-jari motor (m)
Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar.
2.4 Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar merupakan medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam mangnet. Reaksi jangkar mengakibatkan terjadinya 2 hal yaitu :
2. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama. 3. 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 berasal dari kutub utara menuju kutub selatan seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut ini :
Dari Gambar 2.4 (a) dapat dijelaskan bahwa :
Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis
Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.
Bidang netral magnetis didefenisikan sebagai bidang di dalam motor dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet, sehingga gaya gerak listrik industry pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat dari Gambar 2.4 (a) sikat selalu ditempatkan disepanjang bidang netral magnetis. Oleh karena itu, bidang netral magnetis disebut juga 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 matgnetis.
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada Gambar 2.4 (b) berikut ini :
Gambar 2.4 (b) Fluksi yang Dihasilkan oleh Kumparan Jangkar
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 karenanya 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 pada Gambar 2.4 (c) berikut ini :
Gambar 2.4 (c) Hasil Kombinasi antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar
Magnetisasi silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 2.4 (c) terlihat bahwa vektor OF merupakan resultan vektor OFA dan 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 posisi
bidang netral magnetis ini selalu tagak 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. Apabila kejenuhan magnetik terjadi, maka efek penguatan fluksi resultan lebih kecil bila dibandingkan dengan efek pelemahan fluksi resultan atau dengan kata lain pertambahan kerapatan fluksi resultan pada salah satu bagian kutub lebih sedikit bila dibandingkan dengan pengurangan kerapatan fluksi pada bagian yang lainnya. Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.
Akibat pelemahan fluks ini, efek yang ditimbulkan pada motor arus searah menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah khususnya motor arus searah paralel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali. Oleh sebab itu, perlu dilakukannya hal-hal yang dapat mencegah atau mengurangi terjadinya hal diatas. Ada tiga cara yang dapat dilakukan, yaitu:
3. Belitan kompensasi (Compensating Windings)
2.5 Jenis-jenis Motor Arus Searah
Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya yaitu hubungan rangkaian kumparan medan magnet dengan kumparan jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :
1. Motor arus searah penguatan bebas 2. Motor arus searah penguatan sendiri
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.
a. Rangkaian Ekivalen
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.5 (a) berikut ini :
Gambar 2.5 (a) Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Bebas
V = Ea+ IaRa (2.3)
V = I + R (2.4)
Dimana: V = tegangan terminal jangkar motor arus searah Volt Ia = arus jangkar Ampere
Ra= tahanan jangkar Ohm
I = arus medan penguatan bebas Ampere R = tahanan medan penguatan bebas Ohm
V = tegangan terminal medan penguatan bebas Volt Ea = gaya gerak listrik motor arus searah Volt
b. Karakteristik
Karakteristik motor arus searah dapat ditunjukkan dengan penambahan beban sehingga Tb > Tindakan menyebabkan perlambatan putaran motor (ω) dari hubungan persamaan EB = k.Φ.ω.
2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri terbagi atas tiga, yaitu: motor arus searah penguatan shunt, motor arus searah penguatan seri dan motor arus searah penguatan kompon.
1. Motor Arus Searah Penguatan Shunt
a. Rangkaian Ekivalen
Gambar 2.5(b) Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Shunt
Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt
Vt=Ea+IaRa
Vsh=Vt=Ish . Rsh (2.5)
IL=Ia+Ish (2.6)
Dimana : Ish=arus kumparan medan shunt (Ampere)
Vsh=tegangan terminal medan shunt motor arus searah Volt Rsh=tahanan medan shunt (Ohm)
b. Karakteristik
Pada dasarnya karakteristik motor arus searah jenis ini memiliki karakteristik yang sama dengan karakteristik motor arus searah berpenguatan terpisah apabila diberikan pasokan tegangan yang cukup stabil.
2. Motor Arus Searah Penguatan Seri
a. Rangkaian Ekivalen
R
aE
a+
-I
LV
tI
aR
sGambar 2.5(c) Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Seri
Persamaan umum motor arus searah penguatan seri
Vt= Ea+ Ia Ra+ Rs (2.7)
Ia= [VRt- Ea
a- Rs] (2.8)
Ia= IL= If
Ra=tahanan jangkar (Ohm)
Ea=gaya gerak listrik motor arus searah Volt
Vt=tegangan terminal jangkar motor arus searah Volt b. Karakteristik
Ketika beban meningkat, IA bertambah dan fluks meningkat. Maka Tind pun akan meningkat secara kuadratis terhadap arus jangkar IA. Jadi, pada saat kondisi kejenuhan tercapai, fluks tidak lagi akan tergantung pada IA, maka Tind sebanding dengan IA dan kurvanya akan berbentuk garis lurus.
Adapun hubungan antara kopel dan kecepatannya:
IA = √Tind
k
Ketika kopel induksi menuju nol, maka kecepatan putar motor akan menuju ke harga tak berhingga, hal ini merupakan salah satu kerugian motor arus searah berpenguatan seri.
juga dalam menghubungkan dengan beban jangan menggunakan mekanisme penggerak yang mudah putus seperti ban-kopel (V-belt).
3. Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu : 3.1Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Ra Ea
Gambar 2.5 (d) Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Kompon Pendek
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek
IL=Ia+Ish
Vt=Ea+IaRa+ILRs (2.9)
Pin=VtIL (2.10)
Dimana : ILRs=tegangan jatuh pada kumparan seri
IaRa=tegangan jatuh pada kumparan jangkar
Ea=gaya gerak listrik motor arus searah Volt
3.2Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Gambar 2.5 (e) Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Kompon Panjang
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang
IL=Ia+Ish
Vt=Ea+Ia(Ra+Rs) (2.11)
Pin=VtIL
Vt=Vsh
Dimana : IaRs=tegangan jatuh pada kumparan seri
IaRa=tegangan jatuh pada kumparan jangkar
b. Karakteristik
Motor DC penguatan kompon memiliki dua kumparan medan yakni kumparan medan shunt dan kumparan medan seri. Berikut ini tiga karakteristik dari sebuah motor DC penguatan kompon panjang:
Dengan penambahan arus jangkar (Ia) sehingga ( ) bertambah dan torsi (T) juga besar.
T=K.∅m.Ia dimana ∅m=∅sh+∅s
T=K(∅sh+∅s)Ia (2.12)
Jika fluksi medan shunt lebih besar dibandingkan medan seri maka bentuk karakteristik torsi dan arus seperti kurva 1. Sedangkan jika fluksi medan seri lebih besar dibandingkan dengan medan shunt maka bentuk karakteristik torsi dan arus seperti kurva 2. Gambar karakteristik untuk torsi dan arus dapat dilihat seperti gambar berikut ini:
Gambar 2.5 (f) Karakteristik Torsi dan Arus Jangkar
2. Karakteristik Putaran (n=n(Ia))V
Untuk motor kompon panjang:
Vt=Ea+Ia(Ra+Rs) (2.13)
Ea=C(∅sh+∅s)n (2.15)
Jadi : n= ∅ ℎ+∅ [Vt − Ia Ra + Rs ] (2.16)
Dengan pertambahan arus jangkar (Ia), fluks (∅) juga akan bertambah dan [Vt-Ia(Ra+Rs)] berkurang. Dengan pertambahan arus jangkar maka kecepatan jatuh pada motor kompon lebih cepat dibandingkan dengan motor arus shunt. Karakteristik dari kecepatan dengan arus jangkar dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.5(g) Karakteristik Kecepatan dan Arus Jangkar
3. Karakteristik Mekanis (T=T(n))V
seperti kurva 1. Sedangkan untuk medan seri karakteristik kecepatan dan torsi mendekati ke motor seri seperti kurva 2. Seperti gambar berikut:
Gambar 2.5(h) Karakteristik Kecepatan dan Torsi
2.6 Rugi-Rugi Motor Arus Searah
Daya input
Gambar 2.6 (a) 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 sinyatakan dengan :
∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran
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.
2.6.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper Loss)
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumpran jangkar motor. Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi Rf dan Ra, maka jika mengalir arus searah sebesar If dan Ia akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan :
Pa=Ia2Ra (2.17)
Dimana : Pa=rugi tembaga kumparan jangkar Pf=rugi tembaga kumparan medan Ia=arus jangkar
If=arus medan Ra=resistansi jangkar Rf=resistansi medan
2.6.2 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 magnetic sebagaimana bagian tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.
Gambar 2.6(b) Perputaran Jangkar di dalam Motor Dua Kutub
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 jangkardigunakan persamaan Steinmentzyaitu :
Ph= Bmax1,θ f υ Watt (2.19)
=koefisien hysteresis Steinmentz 2. Rugi Arus Pusar
Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar, ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam init jangkar. Tegangan ini menghasilkan arus yang bersikulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.15. Ini disebut sebagai arus pusar (eddy current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar.
menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya.
(1) (2)
Gambar 2.6 (c1) Arus pusar di dalam jangkar yang padat (c2) Arus pusar
di dalam inti jangkar yang dilaminasi
2.6.3 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 disebabkan oleh pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang 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.
dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut.
2.6.4 Rugi-Rugi Sikat (Brush Losses)
Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikat-sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd. Jatuh tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :
Pbd=Vbd.Ia (2.20)
Dimana : Pbd=rugi daya akibat tegangan sikat Ia=arus jangkar
Vbd=jatuh tegangan sikat
Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan dalam rentang arus jangkar yang besar. Maka rugi-rugi sikat dapat dihitung dengan persamaan:
Pbd=2 x Ia (2.21)
2.6.5 Rugi-Rugi Beban Stray (Stray Load Losses)
Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe rugi-rugi yang disebutkan di atas. Di dalam perhitungan rugi motor DC, besarnya rugi-rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh.
Rugi-rugi di dalam motor DC di atas juga dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu :
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. c. Rugi-rugi tembaga medan shunt.
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
2.7 Efisiensi Mesin Arus Searah
2.7.1 Efisiensi Generator
Gambar 2.7(a) Aliran Daya Generator DC [1]
Efisiensi dapat dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Efisiensi Mekanik
�� = = � � � � � � � �
� � � � � � �
= ��
��
2. Efesisnsi Elektrik
�� = = � � � �
� � � � � � � � =��
3. Efisiensi Keseluruhan atau Komersial
�� = = � � � �
� � � � � � �
2.7.2 Efisiensi Motor
Efisiensi =
Maka,efisiensi motor DC dapat ditunjukkan dalam bentuk sebagai berikut:
Efisiensi =Pi −∑r i−r i
Pi
Efisiensi= P
P +∑r i−r i
Metode yang paling nyata dalam menentukan efisiensi motor DC adalah membebaninya langsung dan mengukur daya masuk dan keluarnya. Namun, metode ini harus memperhatikan tiga hal utama yaitu metode ini membutuhkan pembebanan pada motor. Kedua, untuk motor-motor dengan rating daya yang besar, beban-beban yang diperlukan tidak mungkin diperoleh. Ketiga, bahan lebih mustahil untuk memberikan beban sedemikian rupa, karena daya yang besar akan terbuang menjadikan metode ini sangat mahal.
Berikut ini adalah gambar aliran daya pada motor DC
Gambar 2.7(b) Aliran Daya Motor [1]
Efisiensi motor dapat dibagi tiga, yaitu: 1. Efisiensi Mekanik
�� = = � �� �
� � = ��
2. Efesiensi Elektrik
�� = = �
� �� �
3. Efesiensi Keseluruhan atau Komersial
�� = = �
� �
Terlihat pada gambar 2.7(b) bahwa A-B = rugi tembaga dan B-C = rugi besi dan gesekan
2.8 Pengujian Motor Arus Searah
diuji, sehingga kita bisa mengetahui kenerja dari mesin tersebut. Ada beberapa metode pengujian yang dapat dilakukan pada mesin arus searah.
2.8.1 Uji Swinburne atau Uji Tanpa Beban
Uji ini hanya dapat dilakukan pada mesin arus searah yang memiliki fluks konstan, yaitu motor arus searah paralel dan motor arus searah kompon. Percobaan ini menggunakan rangkaian uji seperti pada gambar berikut:
Gambar 2.8(a) Rangkaian Uji Swinburne[2]
2.8.2 Uji Regeneratif atau Uji Hopkinson
2.8.3 Uji Medan
Metode uji medan dilakukan untuk menguji motor arus searah seri. Prinsip pengujiannya adalah dengan mengkopel dua mesin arus searah, dimana mesin yang satu bekerja sebagai motor dan mesin yang lain bekerja sebagai generator. Keluaran dari generator dibuang ke tahanan R yang dipasang pada rangkaian uji. Rugi-rugi inti dan gesekan kedua mesin dibuat sama dengan cara menghubung seri kumparan medan generator dengan rangkaian jangkar motor sehingga penguatannya sama maka rugi-rugi inti sama dan memutar kedua mesin dengan kecepatan yang sama yang bertujuan untuk mendapatkan rugi-rugi gesekan yang sama pada kedua mesin. Berikut gambar rangkaian uji medan:
Gambar 2.8(b) Rangkaian Uji Medan [1]
2.8.4 Uji Rem (Brake Test)
2.8.5 Uji Perlambatan atau Retardation Test
Uji perlambatan (retardation test) ini diterapkan untuk motor arus searah, untuk mencari rugi butanya. Pada metode perlambatan kita akan mendapatkan rugi-rugi rotasi meliputi rugi-rugi-rugi-rugi besi dan mekanis (gesek dan angin) dari mesin yang diuji. Selanjutnya dengan mengetahui rugi-rugi tembaga kumparan pada saat berbeban, efisiensi dapat dihitung pada saat pembebanan tersebut. Anggap motor dc kompon panjang bekerja pada saat tanpa beban, maka prinsipnya sebagai berikut:
1. Jika suplai ke jangkar dilepas tetapi medan tetap dieksitasi normal, motor tersebut akan melambat secara bertahap dan akhirnya berhenti. Energi kinetik jangkar digunakan untuk mengatasi rugi-rugi mekanis (gesek dan angin) dan rugi-rugi besi.
2. Jika suplai ke jangkar dan medan dilepas bersamaan, motor juga akan melambat dan akhirnya berhenti. Pada kasus ini energi kinetik jangkar digunakan hanya untuk mengatasi rugi-rugi mekanis (gesek dan angin) saja. Ini diperkirakan karena tidak adanya fluks sehingga tidak ada rugi-rugi besi.
Dengan menjalankan pengujian pertama, kita akan mendapatkan nilai rugi-rugi gesek, angin dan besi. Namun demikian, jika kita menjankan pengujian kedua, maka dapat dipisahkan antara rugi-rugi mekanis dengan rugi-rugi besi. Besarnya energi kinetik dari putaran jangkar atau rotor (rugi-rugi putaran) sebesar:
Ek= Jω² (2.22)
ω = kecepatan sudut, (rad/s) = �
n = putaran normal (rpm)
Maka pada metode retardasi, laju perubahan energi kinetik dianggap untuk mengatasi rugi-rugi rotasi motor. Jika perubahan energi kinetik ini disimbolkan dengan ∆�, maka:
∆ = � (2.23)
∆ = �� (2.24)
= J� � (2.25)
1. Menentukan dw/dt
Pada pengujian metode perlambatan digunakan rangkaian seperti gambar berikut:
Gambar 2.8(c) Rangkaian Uji Perlambatan Arus Searah [1]
tegangan yang jatuh (menurun) pada lamanya waktu yang berbeda, sebuah kurva digambarkan antara waktu dan kecepatan (didapat dari nilai tegangannya).
Gambar 2.8(d) Kurva Hasil Uji Perlambatan Arus Searah
Dari gambar P yang dihubungkan ke kecepatan normal, sudut tegangan AB digambar, kemudian:
= �
Dari persamaan (2.25), dimana � =2�N/60 (N dalam rpm), sehingga:
W = � [ � ] [ � ] (2.26)
W = [ �]²�. (2.27)
W = , �. (2.28)
W = Ek = , �. (2.29)
2. Menentukan Momen Inersia
Ada dua metode dalam menentukan momen inersia, yaitu: yang pertama metode dengan menghitung momen inersia dan yang kedua metode dengan mengeliminasi momen inersia.
Pertama-tama kurva penurunan (retardasi) digambar dengan jangkar saja. Kemudian roda gila dari momen inersia J1 dikunci pada poros dan kurva penurunan digambar kembali. Waktu perlambatan akan lebih lama karena adanya kombinasi peningkatan momen inersia. Untuk tiap kecepatan yang diberikan, dN/dt1 dan dN/dt2 ditentukan seperti sebelumnya. Perlu diingat bahwa rugi-rugi pada kedua kasus hampir sama, karena penambahan roda gila tidak terlalu berpengaruh (diabaikan) terhadap rugi-rugi.
Dari persamaan (2.29) diatas, maka: Pada kasus pertama, �� = [ �]²�.
Karena nilai J1, t1 dan t2 (dari pengamatan pada percobaan), maka momen inersia jangkar (J) dan rugi-rugi rotasinya (W=Ek) dapat ditentukan. b. Metode Dengan Mengeliminasi Momen Inersia
waktu dicatat lagi. Metode menggunakan kopel elektris diperlihatkan pada gambar 2.8(c), saklar ganda S ketika memutus jangkar dari tegangan catu dayanya, secara otomatis menghubungkannya dengan resistansi. Daya yang ditarik oleh resistansi ini berlaku sebagai kopel perlambatan pada jangkar, dengan begitu membuatnya menjadi lambat dengan cepat.
Rugi-rugi tambahan = Ia².(Ra+R) atau V.Ia
Dimana: Ia arus rata-rata melalui R, V tegangan rata-rata di R. Ambil Ek sebagai daya, maka:
�� = [ �] �.
�′� + �� = [ �] �. Sehingga: � +�′
� =
�� = �′�� −
�� = �′�� −
