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
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]:
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
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
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
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]:
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
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].
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
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
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]:
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
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
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]:
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
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
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
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].
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
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
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)
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
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
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
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
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)
31 I1 = arus motor
I2 = arus generator (beban)
Ra = resistansi jangkar
Rs = 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
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
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
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)
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)
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)
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
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
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
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
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 :
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 :
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
![Gambar 2.8 berikut ini[6].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/1785085.1132606/8.595.162.478.581.726/gambar-berikut-ini.webp)
![Gambar 2.14 berikut ini [2] :](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/1785085.1132606/17.595.176.488.293.617/gambar-berikut-ini.webp)
