BAB II MOTOR ARUS SEARAH II.1 Umum - Analisis Perbandingan Uji Regeneratif (Hopkinson) Dengan Uji Retardasi Dalam Menentukan Rugi-rugi Dan Efisiensi Motor DC Penguatan Shunt( Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )

5 BAB II

MOTOR ARUS SEARAH II.1 Umum

Motor arus searah adalah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis yang berupa putaran. Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor).

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 sehingga akan menimbulkan momen puntir atau torsi.

II.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Gambar 2.1 di bawah ini merupakan konstruksi motor arus searah.

6 Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor

Keterangan dari gambar tersebut adalah : 1. Rangka atau gandar

Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan melindungi bagian mesin..

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.

3. Sikat

Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik.

4. Kumparan Medan

Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.

5. Jangkar

Inti jangkar untuk tempat melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi.

7 6. Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi untuk tempat timbulnya torque. Pada motor DC penguatan kompon panjang kumparan medan serinya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar.

7. Komutator

Komutator merupakan suatu jembatan mekanik yang membuat arus dari sumber mengalir pada kumparan Jangkar. 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.

8. Celah Udara

Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu kutub.

II.3 Prinsip kerja Motor Arus Searah

Prinsip dasar di atas diterapkan pada motor DC. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar 2.3 berikut:

8 Berdasarkan gambar 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 arus searah, 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, 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 (l). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka besar arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga semakin 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 yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah :

F = B . I . l Newton………(2.1) Dimana :

I = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere) B = Kerapatan fluksi (Weber/m2)

9 Maka, besar gaya keseluruhan yang ditimbulkan oleh jumlah total konduktor jangkar z adalah : F =z.B.I..l Newton ………....(2.2)

Dimana :

z = jumlah total konduktor jangkar

Gaya yang terjadi pada kumparan jangkar di atas akan menghasilkan torsi yang besarnya adalah :

Ta =F.r Newton-meter………(2.3)

Maka, T_a = z.B.I.l.d/2 Newton- meter…………(2.4) Dimana:

r = jari –jari rotor d = diameter rotor

Apabila torsi start lebih besar dari pada torsi beban maka kumparan jangkar akan berputar.

II.4 Reaksi Jangkar

Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, di mana jangkar tersebut berada di dalam medan magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal, yaitu :

1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama. 2. Magnetisasi silang.

10 kutub utama dari motor arus searah dua kutub, berasal dari kutub utara menuju kutub selatan seperti pada Gambar 2.4 berikut ini [6] :

Gambar 2.4 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan Dari Gambar 2.4 dapat dijelaskan bahwa :

 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 2.4 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.

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut ini

[6] :

U

S

O M

Bidang Netral Magnetis

Sikat

11 Gambar 2.5 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 2.6 berikut ini [6] :

U

S

β Bidang netral

magnetis lama

Bidang netral magnetis baru

ω

FA

FM O

Fr

Gambar 2.6 Hasil kombinasi antara fluksi medan dan fluksi jangkar

Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet (ggm) jangkar menentang fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan

U

S

Bidang Netral Magnetis

O

12 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).

II.5 Jenis-jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :

II.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

n R_a

I_a

+

-+

V_t

-E_a

V

I_f

R_f

f

+

13 Dari rangkaian tersebut berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan diperoleh persamaan:

Vt = Ea + Ia.Ra + Vsikat ………..(2.5) Vf = If . Rf ……….……….…...(2.6) 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. Dan untuk rumus selanjutnya Vsikat ini diabaikan.

II.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

14 II.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri adalah sebagai berikut:

Gambar 2.8 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.

Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor arus searah penguatan seri adalah: Vt = Ea + Is.Rs + Ia. Ra ………..(2.7)

Karena, IL= Ia = Is

Maka Vt = Ea + Ia (Ra + Rs) ………(2.8) Dimana :

Is = arus kumparan medan seri (Ampere) Rs = tahanan medan seri (ohm)

IL = arus dari jala – jala (Ampere)

I_s

R_s

n

R_a

I_a

+

-+

V_t

-E_a

15 II.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada gambar di bawah:

n

R_a

V

t

I_a

+

-IL

R_sh I_sh

E_a

n

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

Pada motor shunt kumparan jangkar dihubungkan langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar.

Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah: Vt = Ea + Ia.Ra ………..……(2.9)

sh

I =

sh t

R V

……….………..(2.10)

IL = Ia + Ish ………...…(2.11) Dimana :

16 II.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompond

II.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek

Gambar 2.10 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond pendek:

IL = Ia + Ish ...(2.12) Vt = Ea + IL. Rsr + Ia.Ra...(2.13) Pin = Vt. IL...(2.14) IL.Rsr = tegangan jatuh pada kumparan seri

(IL)2. Rsr = rugi daya pada kumparan seri

Ia.Ra = tegangan jatuh pada kumparan armatur (Ia)2. Ra = rugi daya armature

n

R_a

V

t

I_a

+

-IL

R_sh I_sh Rs

E_a

17 II.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang

n

R_a

V

t

I_a

+

-IL

R_sh I_sh

Rs

E_a

n

Gambar 2.11 Motor Arus Searah Penguatan Bebas Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond panjang:

IL = Ia + Ish ...(2.15) Vt = Ea + Ia.( Rsr +Ra) ...(2.16) Pin = Vt. IL...(2.17) Vt = Vsh ...(2.18) IL.Rsr = tegangan jatuh pada kumparan seri

(Ia)2. Rsr = rugi daya pada kumparan seri

(Ia)2.Rsh = tegangan jatuh pada kumparan armatur (Ia)2. Ra = rugi daya armature

II.6 Torsi dari Motor DC II.6.1 Prinsip Dasar

18 bekerja. Gambar 2.10 menunjukkan suatu pulley dengan jari – jari r bekerja suatu gaya F newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran per detik.

Torsi = F x r Newton – meter (N-m).

Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada suatu putaran [6] : = gaya x jarak

= F x 2π r Joule ………...…(2.19)

r

F

n putaran/detik

Gambar 2.10 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya Daya mekanik yang dibangkitkan adalah,

= F x 2π r x n Joule/detik

= (F x r) 2π n Joule/detik ………(2.20) Jika : 2π n = kecepatan sudut (ω)dalam rad/detik

F x r = torsi T, maka daya mekanik yang dibangkitkan = T x ωJoule/detik Pm = T x ωwatt …….…(2.21)

II.6.2 Torsi jangkar dari Motor DC

19 seluruh torsi yang dihasilkan oleh konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta). Jika pada suatu motor DC :

Maka gaya pada setiap konduktor seperti persamaan 2.2.

Torsi yang dihasilkanoleh suatu konduktor seperti pada persamaan 2.4. Torsi jangkar, Ta = Z F r Newton-meter

Ta = Z B i l Newton-meter (2.22) Sekarang i = Ia/A, B = φ/a dimana a adalah luas penampang jalur fluks per kutub pada

jari – jari r. jelasnya, a = 2π r

20 Ta ~ φ Ia

Karena itu torsi didalam motor DC berbanding langsung dengan fluks per kutub dan arus jangkar. Untuk motor DC shunt, besarnya fluks φ relative konstan sehingga :

Ta ~ Ia...…...(2.25) Ekspresi lainnya untuk menyatakan besarnya torsi jangkar yaitu :

Ea =

Dari persamaan (2.24) di atas diperoleh persamaan untuk Ta yaitu [6]

Ta = 0,159 x 

Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros motor untuk melakukan usaha yang berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh. Torsi total yang dibangkitkan didalam jangkar motor tidak semuanya dapat digunakan pada poros karena sebagiannya hilang untuk mengatasi rugi – rugi besi dan gesek didalam motor. Dengan demikian, torsi poros Tsh lebih kecil nilainya dibandingkan torsi jangkar Ta. Selisih Ta - Tsh disebut rugi – rugi torsi (torque losses).

Jelasnya, Ta - Tsh = 9,55 x

Tsh dapat dihitung dengan cara sebagai berikut [6]:

21

II.7 Pengaturan Kecepatan Pada Motor Arus Searah

Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor DC berlaku persamaan [2] : Ea = Vt – IaRa

K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor) φ = fluksi setiap kutub (Weber)

a

22 P = jumlah kutub

Z = jumlah konduktor A = cabang paralel

Dengan demikian pada motor DC , kecepatan berbanding lurus dengan GGL balik Ea dan berbanding terbalik dengan fluks per kutub Φ.

Umumnya pada setiap motor, torsi dan kecepatan merupakan faktor yang sangat penting. Ketika torsi meningkat, kecepatan motor akan berkurang dan sebaliknya. Telah diketahui bahwa untuk motor DC berlaku [6] :

n = K

(

)

Φ − a a

t IR

V

= K Φ

a

E

Ta ~ φ Ia

Jika fluks berkurang, dari persamaan (2.32), kecepatan motor akan meningkat tetapi dari persamaan (2.24), torsi motor berkurang. Hal ini tergantung dari sisi mana kita menganalisanya. Memang begitu didalam kasus ini. Ketika fluks berkurang sedikit, arus jangkar menjadi semakin besar. Begitu juga sebaliknya, karena adanya pelemahan medan, torsi meningkat sesaat ke suatu nilai yang cukup tinggi bahkan melebihi torsi beban motor. Kelebihan torsi tersebut menyebabkan motor mengalami percepatan dan GGL lawan juga meningkat. Kecepatan motor yang stabil akhirnya dicapai ketika GGL lawan telah telah meningkat sampai ke suatu nilai dimana arus jangkar

(

)

23 II.8 Karakteristik Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Karakteristik dari suatu motor layak diketahui, karena karakteristik dari suatu motor akan mencerminkan performansi (unjuk kerja) dari motor listrik tersebut selama kondisi operasinya. Pada motor arus searah penguatan shunt terdapat tiga karakteristik yakni antara lain: Karakteristik Torsi dan Arus Jangkar, Karakteristik Putaran dan Arus Jangkar, dan Karakteristik Torsi dan Putaran. Persamaan dasar motor DC adalah

m

Sebagaimana telah diketahui

24

n

Te

Gambar 2.11 Karakteristik Motor DC Shunt

Pada motor DC emf yang timbul dalam jangkar dinamakan back emf atau counter emf. Untuk motor DC, tegangan sumber atau suplai selalu tetap.

Pada motor DC shunt untuk tegangan suplai konstant maka If juga konstant. Pada Arus Jangkar Ia yang kecil pengaruh demagnetisasi dari reaksi jangkar biasanya dapat diabaikan sehingga besar fluksi pada celah udara tidak terpengaruh. Untuk Ia yang besar pengaruh demagnetisasi dari reaksi jangkar akan mengurangi besar fluksi celah

udara sedikit.

Untuk Motor Arus Searah berlaku : Ea = Vt - IaRa

25

Dengan Vt dan If yang konstan maka kecepatan putaran motor hanya dipengaruhi oleh perubahan IaRa drop dan dipengaruhi oleh demagnetisasi dari reaksi jangkar. Dengan bertambahnya Ia, maka pengaruh dari demagnetisasi reaksi jangkar akan bertambah besar yang akan berkurangnya besar fluksi medan penguatan maka kecepatan motor akan bertambah besar. Tetapi dengan bertambahnya Ia, maka besar IaRa akan bertambah sehingga besar Vt - IaRa akan berkurang, akibatnya terjadi pengurangan besar fluksi medan maka putaran motor DC shunt akan berkurang,dengan bertambah besarnya Ia akan jatuh (berkurang) sedikit dari ωmo = kecepatan putaran pada beban nol. Karena pada beban nol Ia sama dengan kecil sekali,maka :

φ

Dan pada kasus bila pengaruh reaksi jangkar diabaikan maka :

φ

26

Reaksi jangkar diabaikan

Reaksi jangkar dihitung

Ia

ωm

Gambar 2.12 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt

II.8.2 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar ( T/ Ia )

Dari rumus Te = K.φm. Ia menunjukkan jika fluksi φm adalah konstan ( pada motor DC shunt),

27

Gambar 2.13 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt

II.8.3 Karakteristik Torsi – Putaran ( T/n )

Karakteristik putaran torsi disebut juga sebagai karakteristik mekanik dan pada kondisi steady state (nominal) dapat diperoleh sebagai berikut :

φ

Substitusikan harga Ia ke dalam persamaan (2.36) :

28

2 2 0 _φ

ω ω

a e a m m

K T R

−

= ...(2.38)

Maka dapat dilihat dengan pertambahan Te kecepatan putaran akan turun. Sehingga untuk Te lebih besar, Ia lebih besar dibutuhkan, sehingga akan mengurangi besar fluksi celah udara (φ) yang disebabkan karena kejenuhan dan reaksi jangkar. Maka dengan Te

bertambah maka φ akan berkurang. ₂

φ e

T

bertambah dengan perbandingan yang lebih

cepat dan putaran dari motor akan turun lebih cepat dibandingkan dengan kenaikan torsi mesin seperti diperlihatkan gambar di bawah ini. Jika pengaruh reaksi jangkar diabaikan maka (Ka.φ)2 nilainya konstan sehingga kecepatan putaran akan berkurang dengan lambat seiring Pertambahan Te [4]:

Reaksi jangkar dihitung

Reaksi jangkar diabaikan

Ia

ωm