Analisis Pengaruh Jatuh Tegangan Terhadap Torsi Dan Putaran Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

BAB II

MOTOR ARUS SEARAH

2.1. Umum

Motor arus searah (DC) 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.

2.2. Konstruksi Motor Arus Searah

Konstruksi motor arus searah ditunjukkan oleh Gambar 2.1 (bagian stator) dan Gambar 2.2 (bagian rotor) 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

memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.

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.

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.

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. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.

5. 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

7. Komutator

Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar.

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

(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)

 = panjang dari penghantar (meter)

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 inilah yang menjadi dasar dari prinsip kerja sebuah motor arus searah. Untuk lebih jelasnya, prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar 2.4 berikut ini :

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 yang terjadi pada konduktor juga semakin besar.

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 :

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 :

T = torsi jangkar (Newton-meter) _a

r = jari-jari rotor (meter)

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 :

Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet (ggm) sehingga gaya gerak listrik (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

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 2.7 berikut ini :

U

S

β

magnetis lamaBidang netral

Bidang netral

magnetis baru

ω

F

A

F

M O

F

r

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 magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen komutator dekat sikat.

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Apabila kejenuhan magnetik ini 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 keraptan fluksi pada bagian yang lainnya. Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hali inilah yang disebut efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu diingat bahwa demagnetisasi hanya terjadi karena adanya saturasi magnetik.

2.5. Jenis – Jenis Motor Arus Searah

Berdasarkan sumber tegangan penguatannya, motor arus searah dapat dibagi menjadi dua, yaitu :

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. 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 2.8 di bawah ini :

+

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas Berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan, dari Gambar 2.8 diperoleh persamaan tegangan terminal motor seperti persamaan (2.6) :

Vt = Ea + Ia.Ra + Vsikat…..………...(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)

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.

2.5.2. 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

2. Motor arus searah penguatan shunt 3. Motor arus searah penguatan kompon

2.5.2.1. Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rs

Vt

+

-Ea

Ra

Ia

IL

+

-IS

Gambar 2.9 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) :

Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra………..………...(2.8)

Karena IL = Ia = Is

Maka persamaan (2.8) dapat juga ditulis seperti persamaan (2.9) : Vt = Ea + Ia (Ra + Rs) ………....(2.9)

Dimana :

Is = arus kumparan medan seri (Ampere)

Rs = tahanan medan seri (Ohm)

2.5.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada Gambar 2.10 di bawah ini :

Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt Pada motor arus searah penguatan shunt, kumparan medan 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) :

2.5.2.3. Motor arus searah penguatan kompon

Motor arus searah penguatan kompon merupakan gabungan motor arus searah penguatan seri dan motor arus searah penguatan shunt, sehingga mempunyai sifat diantara keduanya tergantung mana yang kuat lilitannya ( kumparan seri atau shuntnya ). Terdapat dua jenis motor arus searah penguatan kompon yang umum dijumpai, yaitu : motor arus searah penguatan kompon pendek dan motor arus searah penguatan kompon panjang.

Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek ditunjukkan oleh Gambar 2.11 berikut ini :

+

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek

Dari Gambar 2.11 diperoleh persamaan tegangan terminal motor arus searah penguatan kompon pendek seperti ditunjukkan oleh persamaan (2.13) :

Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.14) :

IL = Is = Ia + Ish...(2.14)

Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang ditunjukkan oleh Gambar 2.12 di bawah ini :

+

-V_{t E}

a

R_a I_a I_L

+

-R_sh

I_sh I_s R_s

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang

Dari Gambar 2.12 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) :

Sedangkan persamaan arus yang mengalir pada motor ditunjukkan oleh persamaan (2.17) dan persamaan (2.18) :

IL = Ia + Ish...(2.17)

I = sh sh

t R

V

………..………(2.18)

2.6. Gaya Gerak Listrik Lawan Pada Motor Arus Searah

Ketika jangkar motor DC berputar dibawah pengaruh torsi penggerak, konduktor jangkar bergerak di dalam medan magnet dan akan menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. Sesuai dengan hukum Lentz, arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan tegangan yang diberikan pada motor ( Vt ) dan dikenal sebagai ggl lawan atau ggl balik Ea.

Proses terjadinya ggl lawan adalah :

1. Kumparan jangkar ( terletak diantara kutub – kutub magnet ) diberi sumber DC.

2. Pada kumparan – kumparan jangkar timbul torsi, sehingga jangkar berputar ( arahnya sesuai dengan kaidah tangan kiri ).

3. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul ggl. 4. Arah ggl induksi tersebut berlawanan dengan arah ggl sumber sehingga

kita sebut ggl lawan.

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)

Dimana :

Ea = gaya gerak listrik lawan motor arus searah (Volt)

K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)

n = kecepatan putaran jangkar (rotasi per menit)

Φ = fluksi masing – masing kutub (Weber) P = jumlah kutub

Z = jumlah total konduktor jangkar a = jumlah kumparan tersambung paralel

2.7. Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Shunt.

Pada motor arus searah penguatan shunt terdapat tiga karakteristik, yaitu :

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

Gambar 2.10 menunjukkan rangkaian ekivalen dari suatu motor DC shunt. Arus medan Ish besarnya konstan karena kumparan medan langsung terhubung dengan tegangan sumber ( Vt ) yang juga dianggap konstan. Oleh karena itu fluksi di dalam motor DC shunt hampir dapat dikatakan konstan. Dari persamaan Ta ∝ φ.Ia menunjukkan jika φ adalah konstan ( pada motor DC shunt ), maka besar torsi akan bertambah secara linear dengan bertambahnya Ia. Untuk lebih jelasnya, bentuk kurva karakteristik torsi – arus jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut :

Ta

Ia

0

Ta

Tsh

Gambar 2.13 Kurva karakteristik torsi – arus jangkar ( Ta/Ia ) 2. Karakteristik putaran – arus jangkar ( n/Ia )

Bagaimanapun, Ea berkurang lebih sedikit daripada φ sehingga dengan demikian kecepatan motor menurun sedikit dengan pertambahan beban ( garis AC ). Untuk lebih jelasnya bentuk kurva putaran – arus jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.14 berikut :

Ia 0 I0

A

C B

n

Gambar 2.14 Kurva karakteristik putaran – arus jangkar ( n/Ia ) 3. Karakteristik putaran – torsi ( n/Ta )

Karakteristik putaran – torsi diperoleh dengan mengambarkan nilai n dan Ta untuk berbagai arus jangkar ( Ia ). Dari kurva dapat dilihat bahwa kecepatan sedikit menurun seiring dengan pertambahan beban. Untuk lebih jelasnya karakteristik putaran – torsi dapat dilihat pada Gambar 2.15 berikut :

n

Ta

0