BAB II
MOTOR ARUS SEARAH
2.1. Umum
Motor arus searah adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah
menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Pada prinsip pengoperasiannya, motor
arus searah sangat identik dengan generator arus searah. Kenyataannya mesin yang
bekerja sebagai generator arus searah akan dapat bekerja sebagai motor arus searah.
Oleh sebab itu, sebuah mesin arus searah dapat digunakan baik sebagai motor arus
searah maupun generator arus searah.
Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang
diam dan bagian yang berputar. Pada bagian yang diam (stator) merupakan tempat
diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet
sedangkan pada bagian yang berputar (rotor) ditempati oleh rangkaian jangkar seperti
kumparan jangkar, komutator dan sikat.
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 menimbulkan suatu
gaya. Dimana gaya ini akan menghasilkan momen puntir atau torsi. Apabila torsi start
lebih besar dari torsi beban, maka motor akan berputar.
2.2 Konstruksi Motor Arus Searah
Secara umum konstruksi motor arus searah terbagi atas dua bagian, yaitu :
2) Rotor (bagian yang berputar), terdiri dari jangkar, kumparan jangkar dan komutator.
Untuk lebih jelasnya, konstruksi motor arus searah dapat dilihat pada Gambar
2.1 dan Gambar 2.2 di bawah ini :
Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator
Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor
Keterangan dari Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 tersebut adalah :
1. Rangka
Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen
mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang memiliki
Rangka juga berfungsi sebagai tempat mengalirkan fluksi magnet yang
dihasilkan oleh kutub-kutub medan. 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.
Pada rangka terdapat papan nama (name plat) yang bertuliskan spesifikasi
umum atau data teknik dari motor. Papan nama tersebut untuk mengetahui beberapa hal
pokok yang perlu diketahui dari motor tersebut.
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. Adapun fungsi dari
sepatu kutub adalah :
a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan.
b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar
dengan menggunakan permukaan yang melengkung.
Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang
terisolasi satu sama lain. Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan
bersama-sama kemudian dibuat pada rangka.
3. Sikat
Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan
sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat
memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat terbuat dari bahan karbon
dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal dibuat dari
komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak
mengakibatkan ausnya komutator.
4. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub.
Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat ataupun
persegi. Belitan medan berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama yang dibentuk dari
kumparan pada setiap kutub.
5. 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. Seperti halnya pada inti kutub
magnet, jangkar juga dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas
yang terbentuk karena adanya arus liar (eddy current). Inti jangkar terbuat dari bahan
ferromagnetik yaitu sejenis campuran baja silikon.
6. Kumparan Jangkar
Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya
ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur inti jangkar. Jenis-jenis
konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam, yaitu :
1. Kumparan jerat (lap winding)
2. Kumparan gelombang (wave winding)
7. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut
komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk
lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros.
Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara satu dengan
lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya
mempunyai dua bagian yaitu :
1) Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator dengan
sikat-sikat.
2) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator
dengan ujung dari lilitan jangkar.
8. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan
permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu
kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang
dihasilkan oleh kutub-kutub medan.
2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah
Motor arus searah mempunyai prinsip kerja berdasarkan percobaan Lorentz
yang menyatakan : “jika sebatang penghantar listrik yang berarus berada di dalam
medan magnet maka pada kawat penghantar tersebut akan terbentuk suatu gaya”. Gaya
yang terbentuk merupakan gaya mekanik yang sering dinamakan gaya Lorentz. Sebuah
konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka
konduktor akan mengalami gaya mekanik seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3
berikut:
(a) (b)
(c)
Gambar 2.3 Pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet
Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya arus yang mengalir
dalam konduktor, seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.1) berikut ini :
H =
I
N×
...(2.1)
Dimana :
H = kuat medan magnet (lilitan Ampere/meter)
N = banyak kumparan (lilitan)
I = arus yang mengalir pada penghantar (Ampere)
Pada Gambar 2.3(a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang
dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub utara
menuju kutub selatan. Sedangkan Gambar 2.3(b) menggambarkan sebuah konduktor
yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet (garis-garis gaya fluksi)
disekelilingnya.
Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan magnet
seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (c). Sehingga kerapatan fluksi akan
bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor (dekat kutub selatan) dan di bawah
sebelah kiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan fluksi menjadi
berkurang di atas sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah kanan konduktor.
Kerapatan fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di sebelah kiri
akan mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan akan mengalami
gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi yang akan memutar
jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran jarum jam. Prinsip ini lah yang
menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus searah.
Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan
Gambar 2.4 Prinsip perputaran motor arus searah
Berdasarkan Gambar 2.4 di atas, kedua kutub stator dibelitkan dengan konduktor-
konduktor sehingga membentuk kumparan yang dinamakan kumparan stator atau
kumparan medan. Kumparan medan tersebut dihubungkan dengan suatu sumber
tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan (If). Kumparan
medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama 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). Apabila pada kumparan
jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan hukum Lorentz kita ketahui
bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan
magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya (F), maka demikian pula halnya
pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir
pada kumparan jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub dan panjang
konduktor jangkar (). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar
maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya
Jika arus jangkar (I) tegak lurus dengan arah induksi magnetik (B), maka besar
gaya (F) yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar sepanjang
yang ditempatkan dalam suatu medan magnet dapat ditunjukkan oleh persamaan (2.2) :
F = B . I . ...……...………...………(2.2)
Dimana :
F = gaya Lorentz (Newton)
I = arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)
B = kerapatan fluksi (Weber/meter2)
= panjang konduktor jangkar (meter)
Maka besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar
ditunjukkan oleh persamaan (2.3) :
F=Z .B .I ....………...……(2.3)
Dimana :
Z = jumlah total konduktor jangkar
Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi yang
besarnya ditunjukkan oleh persamaan (2.4) :
Ta =F .r ...………...…(2.4)
Jika persamaan (2.3) disubstitusikan ke persamaan (2.4), maka akan menghasilkan
persamaan (2.5) :
Ta =Z .B .I . .r ...……...(2.5)
Dimana :
r = jari-jari rotor (meter)
Apabila torsi start lebih besar dari torsi beban, maka jangkar akan berputar.
2.4 Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh
mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam medan magnet.
Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya dua hal, yaitu :
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, berasal dari kutub utara menuju kutub
selatan seperti pada Gambar 2.5 berikut ini :
U
S
O M
Bidang Netral Magnetis
Sikat
F
Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan
Dari Gambar 2.5 dapat dijelaskan bahwa :
1. Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis.
2. Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.
Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor dimana
(ggl) induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat dari
Gambar 2.5 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, dimana vektor ini tegak lurus terhadap bidang netral magnetis.
Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara
kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul garis
gaya magnet atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada Gambar
2.6 berikut ini :
U
S
Bidang Netral Magnetis
O
A F
Gambar 2.6 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
U
S
β
magnetis lamaBidang netralBidang netral
magnetis baru
ω
F
AF
MO
F
rGambar 2.7 Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar
Fluksi yang dihasilkan oleh garis gaya magnet 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 (cross magnetization).
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada
Gambar 2.7 dapat dilihat 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
Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik
jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Pengaruh kejenuhan
magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan Gambar 2.8 berikut ini :
Gambar 2.8 Kurva pemagnetan saat terjadi reaksi jangkar
Pada Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa garis gaya magnet (ggm) resultan adalah
Fk – Fj dimana Fk adalah ggm medan utama tanpa dipengaruhi reaksi jangkar dan Fj
adalah ggm pada jangkar. Untuk Fj positif dan Fj negatif dimisalkan dengan adanya
pertambahan dan atau pengurangan ggm yang terjadi pada kutub medan sebesar Fk.
Untuk lokasi di permukaan kutub dimana ggm rotor menambahkan ggm kutub,
terjadi sedikit penambahan kerapatan fluks ∆Фn. Tetapi pada lokasi permukaan kutub
dimana ggm rotor mengeliminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluksi ∆Фt
yang lebih besar : ∆Фn < ∆Фt , sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang
terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang. Hal ini disebut juga efek
demagnetisasi reaksi jangkar yang timbul karena adanya saturasi magnetik.
Pelemahan fluks ini menimbulkan efek yang sangat serius pada motor arus
searah, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah semakin cepat
hingga tak terkendali.
2.5 Mengatasi Reaksi Jangkar
Sebagaimana telah diketahui bahwa reaksi jangkar dapat menimbulkan pengaruh
searah tersebut. Hal ini jelas tidak diinginkan. Oleh sebab itu, harus dilakukan tindakan
yang sesuai terhadap motor arus searah agar pengaruh reaksi jangkar tersebut dapat
dikurangi.
Ada tiga cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi reaksi jangkar yang
terjadi pada motor arus searah, yaitu:
1. Pergeseran sikat (brush shifting)
2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles)
3. Belitan kompensasi (compensating windings)
2.5.1 Pergeseran Sikat (Brush Shifting)
Ide dasarnya adalah dengan memindahkan sikat seirama dengan perpindahan
bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang timbul. Namun dalam
penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat
ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang netralnya
pun berpindah, sehingga sikat juga harus diubah setiap saat, seirama dengan perubahan
jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk
melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin, selain dengan metode ini mesin arus
searah tidak dimungkinkan untuk bekerja sebagai generator (akan menimbulkan
percikan api yang lebih besar), dan sangat tidak ekonomis terutama untuk mesin-mesin
berukuran kecil.
Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada
Gambar 2.9. Pada Gambar 2.9(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin
bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula. Ggm resultan yang terbentuk
dapat dilihat pada Gambar 2.9(c). Sedangkan pada Gambar 2.9(b) terlihat bidang netral
tersebut, ggm resultannya melemah sedemikian rupa. Hal tersebut dapat dilihat pada
Gambar 2.9 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral
2.5.2 Penambahan Kutub Bantu (Interpole)
Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada
kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, maka tidak
akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat motor arus searah tersebut. Untuk itu,
kutub-kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan di tengah-tengah di antara
kutub-kutub utama seperti pada Gambar 2.10. Interpole ini dihubungkan seri terhadap
atau mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang sedang
melakukan proses komutasi.
Ketika beban yang dipikul motor meningkat dan arus jangkar juga meningkat,
besarnya perubahan atau pergeseran bidang netral meningkat pula. Hal tersebut akan
menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang sedang melakukan
komutasi. Pada saat itu fluks interpole juga meningkat, menghasilkan tegangan pada
konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan yang timbul akibat
pergeseran bidang netral.
Gambar 2.10 Motor arus searah yang dilengkapi dengan kutub bantu
2.5.3 Belitan Kompensasi (Compensating 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 fluks belitan kompensasi,
sehingga bidang netralnya tidak bergeser.
Teknik ini memiliki kelemahan yaitu harganya mahal, dan juga masih
kompensasi. Oleh sebab itu teknik ini digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra
berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius.
2.6 Jenis – Jenis Motor Arus Searah
Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor arus searah dapat dibagi
menjadi dua, yaitu :
1. Motor arus searah penguatan bebas
2. Motor arus searah penguatan sendiri
2.6.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber
tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Pada motor ini, kumparan medan tidak
terhubung dengan kumparan jangkar. Masing-masing kumparan tersebut disuplai
dengan sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah
penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.11 di bawah ini :
+
-Ea
Ra Vf
Vt
Ia I
f
+
-Rf +
-Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.11 diperoleh
persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) :
Dari Gambar 2.11 diperoleh juga persamaan tegangan terminal penguat medan dari
motor tersebut seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.7) :
Vf = If . Rf………...……….……….…...(2.7)
Dimana:
Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)
Ra = tahanan jangkar (Ohm)
If = arus medan penguatan bebas (Ampere)
Vf = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
Rf = tahanan medan penguatan bebas (Ohm)
Ea = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)
Vsikat = jatuh tegangan pada sikat (Volt)
Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat diabaikan,
maka untuk rumus selanjutnya Vsikat ini diabaikan.
2.6.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang sumber
tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan medan
berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat dihubungkan
secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga dihubungkan
dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel, tergantung pada jenis penguatan yang
diberikan terhadap motor.
Berdasarkan hubungan kumparan medan dengan kumparan jangkarnya, motor
arus searah penguatan sendiri dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Motor arus searah penguatan seri
3. Motor arus searah penguatan kompon
2.6.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri ditunjukkan pada Gambar
2.12 di bawah ini :
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan secara
seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada kumparan
medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.
Dari Gambar 2.12 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti
ditunjukkan oleh persamaan (2.8) :
IL = arus dari jala-jala (Ampere)
2.6.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada
Gambar 2.13 di bawah ini :
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan jangkar dihubungkan
langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar.
Dari Gambar 2.13 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti
ditunjukkan oleh persamaan (2.10) :
Vt = Ea + Ia.Ra ………….……….…...(2.10)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan
(2.11) dan persamaan (2.12) :
2.6.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Motor arus searah penguatan kompon merupakan gabungan motor arus searah
penguatan seri dan motor arus searah penguatan shunt. Motor arus searah penguatan
kompon dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Motor arus searah penguatan kompon pendek
• Motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif (bantu)
• Motor arus searah penguatan kompon pendek differensial (lawan)
2. Motor arus searah penguatan kompon panjang
• Motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif (bantu)
• Motor arus searah penguatan kompon panjang differensial (lawan)
2.6.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya
terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt. Motor
arus searah penguatan kompon pendek terbagi menjadi dua jenis, yaitu kompon pendek
kumulatif (bantu) dan kompon pendek differensial (lawan).
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif, polaritas kedua
kumparan medannya sama. Hal ini disebabkan karena kedua arus medannya sama-sama
memasuki dot. Maka sesuai dengan aturan dot, fluksi yang dihasilkan menjadi saling
menguatkan. Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon pendek differensial,
polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan. Salah satu arus medannya
memasuki dot sedangkan yang lainnya meninggalkan dot sehingga fluksi yang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek kumulatif dan
motor arus searah penguatan kompon pendek differensial ditunjukkan oleh Gambar 2.14
dan Gambar 2.15 berikut ini :
+
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
kumulatif (bantu)
Gambar 2.15 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek
differensial (lawan)
Dari Gambar 2.14 dan Gambar 2.15 diperoleh persamaan tegangan terminal
motor arus searah penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.13)
:
Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra...(2.13)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan
IL = Is = Ia + Ish...(2.14)
2.6.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya
terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap
kumparan medan shunt. Sama halnya seperti motor arus searah penguatan kompon
pendek, motor arus searah penguatan kompon panjang juga terbagi dua, yaitu kompon
panjang kumulatif (bantu) dan kompon panjang differensial (lawan).
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif, polaritas kedua
kumparan medannya sama sehingga fluksi yang dihasilkan saling menguatkan.
Sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang differensial, polaritas
kedua kumparan medannya saling berlawanan sehingga fluksi yang dihasilkan menjadi
saling mengurangi.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang kumulatif dan
motor arus searah penguatan kompon panjang differensial ditunjukkan oleh Gambar
2.16 dan Gambar 2.17 berikut ini :
+
Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
+
Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang
differensial (lawan)
Dari Gambar 2.16 dan Gambar 2.17 diperoleh persamaan tegangan terminal
motor arus searah penguatan kompon panjang seperti ditunjukkan oleh persamaan
(2.15) :
Vt = Ea + Is.Rs + Ia.Ra...(2.15)
Karena Is = Ia
Maka persamaan (2.15) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.16) :
Vt = Ea + Ia (Rs + Ra) ...(2.16)
Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan
(2.17) dan persamaan (2.18) :
IL = Ia + Ish...(2.17)
Ketika jangkar motor arus searah berputar di bawah pengaruh torsi penggerak,
konduktor jangkar juga berputar di dalam medan magnet dan akan menghasilkan
tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. Sesuai dengan hukum
Faraday, akibat gerakan konduktor di dalam suatu medan magnetik maka pada
konduktor tersebut akan timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi yang diinduksikan pada
konduktor tersebut. Sesuai dengan hukum Lentz, arah ggl induksi tersebut berlawanan
dengan tegangan yang diberikan pada motor dan dikenal sebagai ggl lawan atau ggl
balik Ea.
Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan persamaan (2.19) :
Ea =
bernilai konstan, maka dapat dianggap sebagai suatu konstanta K
sehingga persamaan (2.19) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.20) :
Ea = K . n . Ф...(2.20)
2.8 Pengaturan Kecepatan Putaran Pada Motor Arus Searah
Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor arus searah berlaku
persamaan (2.21) :
Dimana Ea =
Sehingga diperoleh persamaan (2.22) :
n =
(
)
Karena K bernilai konstan, maka persamaan (2.22) dapat juga ditulis seperti persamaan
(2.23) :
Dari persamaan (2.23) di atas dapat dilihat bahwa kecepatan (n) berbanding
lurus dengan tegangan terminal motor (Vt), arus jangkar (Ia) dan tahanan jangkar (Ra)
serta berbanding terbalik dengan fluks per kutub (Φ). Dengan demikian, kecepatan
putaran motor arus searah dapat diatur dengan cara mengubah :
1. Tegangan terminal (Vt)
2. Tahanan jangkar (Ra)
3. Fluks Magnetik (Φ)
2.9 Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Karakteristik dari suatu motor harus diketahui, karena karakteristik dari suatu
motor akan mencerminkan performansi (unjuk kerja) dari motor listrik tersebut selama
penguatan shunt hanya memiliki satu komponen medan. Sedangkan untuk motor arus
searah penguatan kompon memiliki dua kumparan medan yakni kumparan medan shunt
dan kumparan medan seri.
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang dan motor arus searah
penguatan kompon pendek terdapat tiga karakteristik, yaitu :
1. Karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia)
2. Karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia)
3. Karakteristik torsi – putaran (T/n)
2.9.1 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar (T/Ia)
Pada motor arus searah penguatan kompon berlaku persamaan (2.24) :
T = K . Фm . Ia...(2.24)
Dimana Фm= Фsh+ Фs
Sehingga persamaan (2.24) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.25) :
T = K . (Фsh+ Фs). Ia...(2.25)
Dimana :
T = torsi jangkar (Newton-meter)
Фsh = fluksi pada kumparan medan shunt (Weber)
Фs = fluksi pada kumparan medan seri (Weber)
Dari persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa dengan pertambahan arus jangkar (Ia)
maka fluks magnetik (Фm) juga akan bertambah sehingga menyebabkan torsi (T)
meningkat. Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, fluksi medan shunt
lebih besar dibandingkan medan seri maka bentuk kurva karakteristik torsi – arus
jangkar (T/Ia) seperti kurva 1 pada Gambar 2.18. Sedangkan pada motor arus searah
shunt maka bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia) seperti kurva 2 pada
Gambar 2.18. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar
dapat dilihat pada Gambar 2.18 berikut :
r
Gambar 2.18 Kurva karakteristik torsi – arus jangkar (T/Ia)
2.9.2. Karakteristik Putaran – Arus Jangkar (n/Ia)
Sebagaimana telah diketahui bahwa kecepatan putaran motor arus searah sesuai
dengan persamaan (2.23) sehingga diperoleh persamaan (2.26) :
n ~
Φ
Ea
...(2.26)
Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, fluks magnetik (Φ) dan GGL lawan
(Ea) hampir konstan di bawah kondisi normal. Dengan demikian, kecepatan putaran
motor (n) hampir selalu konstan walaupun arus jangkar (Ia) berubah-ubah nilainya.
Ketika beban bertambah, GGL lawan dan fluks magnetik berkurang akibat drop
tegangan pada tahanan jangkar (Ra). Dalam hal ini, GGL lawan berkurang lebih sedikit
dibandingkan fluks magnetik. Dengan demikian, kecepatan putaran motor juga menurun
sedikit seperti ditunjukkan oleh kurva 2 pada Gambar 2.19. Sedangkan pada motor arus
dengan pertambahan beban seperti ditunjukkan oleh kurva 1 pada Gambar 2.19. Untuk
lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia) dapat dilihat pada
Gambar 2.19 berikut :
Gambar 2.19 Kurva karakteristik putaran – arus jangkar (n/Ia)
2.9.3. Karakteristik Torsi – Putaran (T/n)
Karakteristik torsi – putaran (T/n) disebut juga karakteristik mekanik. Dari
persamaan (2.24) dapat dilihat bahwa jika torsi (T) bertambah, maka nilai (Ia)
bertambah, sedangkan fluks magnetik (Фm) tetap. Dengan bertambahnya torsi (T), maka
kecepatan putaran (n) akan menurun. Untuk motor arus searah penguatan kompon
panjang, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n) ini mendekati ke motor shunt
seperti kurva 1 pada Gambar 2.20. Sedangkan untuk motor arus searah penguatan
kompon pendek, bentuk kurva karakteristik torsi – putaran (T/n) mendekati ke motor
seri seperti kurva 2 pada Gambar 2.20. Untuk lebih jelasnya, karakteristik torsi –
1
2
Gambar 2.20 Kurva karakteristik torsi – putaran (T/n)
2.10. Efisiensi Motor Arus Searah
Efisiensi motor arus searah merupakan perbandingan antara daya keluaran
dengan daya masukan yang dinyatakan dalam persen (%) dari motor arus searah
tersebut. Daya masukan yang diterima oleh motor arus searah berupa daya listrik
sedangkan daya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak rotor
dan hasil selisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut rugi-rugi.
Dengan demikian, efisiensi suatu motor arus searah diperoleh dengan menggunakan
persamaan (2.10.1) :
η = x 100% P
P
in out
…...………...(2.10.1)
Karena Pout = Pin – Σ Rugi-Rugi
dan Pin = Pout + Σ Rugi-Rugi
Maka efisiensi motor arus searah dapat juga dituliskan seperti persamaan
η =
Pout = daya keluaran motor arus searah (Watt)
Efisiensi yang dinyatakan oleh persamaan (2.10.1) disebut juga sebagai efisiensi
komersial atau efisiensi keseluruhan (overall efficiency). Selain itu, dalam motor arus
searah dikenal juga dua macam efisiensi lainnya, yaitu :
2.10.1 Efisiensi Mekanis
Efisiensi mekanis pada motor arus searah dapat diperoleh dengan menggunakan
2.10.2 Efisiensi Elektris
Efisiensi elektris atau efisiensi listrik pada motor arus searah dapat diperoleh
dengan menggunakan persamaan (2.10.5) :
ηe =
Vt = tegangan terminal motor arus searah (Volt)
IL = arus jala-jala (Ampere)
Dari persamaan (2.10.4) dan persamaan (2.10.5) diperoleh hubungan antara
efisiensi mekanis dengan efisiensi elektris yaitu seperti persamaan (2.10.6) :
η = ηm x ηe……….…..………...…(2.10.6)
Metode yang paling mudah dalam menentukan efisiensi motor arus searah
adalah membebaninya langsung dan mengukur daya masukan dan keluarannya. Maka
kita dapat menggunakan persamaan (2.10.1) untuk menentukan efisiensi motor tersebut.
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 yang sedemikian rupa, karena daya yang besar akan terbuang
menjadikan metode ini sangat mahal.
Metode yang paling umum untuk mendapatkan efisiensi motor arus searah
adalah menentukan rugi-ruginya dari pengukuran daya masukan dan keluarannya pada
saat berbeban. Kita dapat menggunakan persamaan (2.10.2) untuk menentukan efisiensi
motor tersebut. Metode ini memiliki keuntungan yang nyata karena lebih mudah dan
