Teori Motor DC
-
Upload
muhammad-irfan-ardiansyah -
Category
Documents
-
view
195 -
download
6
description
Transcript of Teori Motor DC
18
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Umum
Motor arus searah (motor DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik
arus searah menjadi energi mekanis. 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 sehingga akan menimbulkan momen puntir atau
torsi.
19
2.2 Konstruksi Motor Arus Searah
Gambar di bawah ini merupakan konstruksi motor arus searah.
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Arus Searah
Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian stator
Gambar 2.3 Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Rotor
20
Keterangan dari gambar di atas adalah:
1. Badan motor (rangka)
Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin
listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu:
a. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara
keseluruhan.
b. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub
magnet.
Untuk mesin kecil, pertimbangan harga lebih dominan dari pada beratnya,
biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin
besar umumnya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau lembaran baja (rolled
steel). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti,
selain itu rangka ini juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi, disamping
kuat secara mekanik.
Biasanya pada motor terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan
spesifikasi umum atau data-data teknik dari mesin, juga terdapat kotak ujung yang
merupakan tempat-tempat ujung-ujung belitan penguat medan dan lilitan jangkar.
2. Kutub
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 :
21
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. Inti jangkar
Inti jangkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah
berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat
melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar
yang terbuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar komponen-
komponen (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar,
supaya ggl induksi dapat bertambah besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka
jangkar dibuat dari bahan berlapis- lapis tipis untuk mengurangi panas yang
terbentuk karena adanya arus linier ditunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Inti Jangkar yang Berlapis-Lapis
Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon.
Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara
berlapis.
22
4. Kumparan jangkar
Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang
kumparan medannya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor
DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap
kumparan jangkar.
5. 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. 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. 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. Di mana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen
komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya.
7. Sikat-Sikat
Sikat-sikat ini (gambar 2.5) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke
kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen
23
komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur
sesuai dengan keinginan.
Gambar 2.5 Sikat-Sikat
Disamping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya
komutasi. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk
mengurangi rugi-rugi listrik. Agar gesekan antar komutator-komutator dan sikat
tidak mengakibatkan ausnya komutator. Maka sikat harus lebih lunak dari pada
komutator.
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
Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet
disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik yang ditempatkan
24
pada suatu medan magnet maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, separti
diperlihatkan pada gambar:
(a) (b) (c)
Gambar 2.6 Pengaruh Penempatan Konduktor Berarus Dalam Medan Magnet
Pada gambar 2.6(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.
Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor.
Sedangkan gambar 2.6(b) menunjukkan sebuah medan magnet yang arah medan
magnetnya adalah dari kutub utara menuju kutub selatan.
Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan
didalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2.6(c) daerah di atas konduktor, medan yang
ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama
dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah
kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi
kerapatan fluksi di bawah konduktor.
25
Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannya
bertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untuk
mengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya
berupa dorongan ke arah bawah. Begitu juga halnya jika 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.
Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar
berikut ini.
Gambar 2.7 Prinsip Perputaran Motor DC
Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan,
mengalir arus medan 𝐼𝑓 pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga
menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutup utara menuju kutup selatan.
Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan kesumber tegangan, pada
26
kumparan jangkar mengalir arus jangkar 𝐼𝑎. Arus yang mengalir pada konduktor-
konduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksi
jangkar ini memotong fluksi dari kutub medan, sehingga menyebabkan perubahan
kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya
sehingga menimbulkan torsi.
Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar,
merupakan akibat aksi gabungan medan utama dan medan disekeliling konduktor.
Gaya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan utama dan kuat
medan di sekeliling konduktor. Medan di sekeliling masing-masing konduktor
jangkar tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir pada konduktor
tersebut. Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri.
Gambar 2.8 Aturan Tangan Kiri untuk Prinsip Kerja Motor DC
Besarnya gaya F = B . I . l . sinθ, 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)
27
Dimana :
F = Gaya lorenz (Newton)
I =
B = Kerapatan fluksi (Weber/m
Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)
2
l = Panjang konduktor jangkar (m)........
)
Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:
T=F.r…………………………………………………………...(2.2)
Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka
motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:
𝑇 = 𝐾.∅. 𝐼𝑎…………………………..………………………...(2.3)
𝐾 = 𝑃.𝑍2𝜋𝑎
…………………………..…………………………(2.4)
Dimana : T = torsi (N-m)
r = jari-jari rotor (m)
K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)
∅ = fluksi setiap kutub
𝐼𝑎 = arus jangkar (A)
P = jumlah kutub
z = jumlah konduktor
a = cabang pararel
28
2.4 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan Pada Motor Arus Searah
Ketika jangkar motor berputar konduktornya juga berputar dan memotong
fluksi utama. Sesuai dengan hukum faraday, akibat gerakan konduktor di dalam
suatu medan magnetik maka pada konduktor tersebut akan timbul GGL induksi
yang diinduksikan pada konduktor tersebut dimana arahnya berlawanan dengan
tegangan yang diberikan pada motor. Karena arahnya melawan, maka hal tersebut
disebut GGL lawan. Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan
persamaan berikut:
𝐸𝑏 = 𝑃𝑎𝑍60
𝑛.∅ (𝑣𝑜𝑙𝑡) ........................................................................(2.5)
Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut:
𝐸𝑏 = 𝐾′.𝑛.∅...........................................................................................(2.6)
Dimana:
𝐾 ′ = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 = 𝑃.𝑍𝑎.60
...................................................................(2.7)
2.5 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 :
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. Di mana kumparan medan
disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus
searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
29
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas
Gambar 2.9 Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Persaman umum motor arus searah penguatan bebas
𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎𝑅𝑎........................................................................ (2.8)
𝑉𝑓 = 𝐼𝑓 + 𝑅𝑓.............................................................................(2.9)
Dimana: 𝑉𝑡 = tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)
𝐼𝑎 = arus jangkar (Amp)
𝑅𝑎 = tahanan jangkar (ohm)
𝐼𝑓 = arus medan penguatan bebas (amp)
𝑅𝑓 = tahanan medan penguatan bebas (ohm)
𝑉𝑓 = tegangan terminal medan penguatan bebas (volt)
𝐸𝑎 = gaya gerak listrik motor arus searah (volt)
Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat
diabaikan. Dan untuk rumus selanjutnya Vsikat
ini diabaikan.
30
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
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt
Gambar 2.10 Motor Arus Searah Penguatan Shunt
Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt
𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎𝑅𝑎......................................................................................(2.10)
𝑉𝑠ℎ = 𝑉𝑡 = 𝐼𝑠ℎ.𝑅𝑠ℎ................................................................................(2.11)
𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ ...........................................................................................(2.12)
Dimana :
𝐼𝑠ℎ = arus kumparan medan shunt (ohm)
𝑉𝑠ℎ = tegangan terminal medan motor arus searah (volt)
𝑅𝑠ℎ = tahanan medan shunt (ohm)
𝐼𝐿 = arus beban (amp)
31
2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri
Gambar 2.11 Motor Arus Searah Penguatan Seri
Persamaan umum motor arus searah penguatan seri:
𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎(𝑅𝑎 + 𝑅𝑠)..........................................................(2.13)
𝐼𝑎 = �𝑉𝑡− 𝐸𝑎𝑅𝑎− 𝑅𝑠
� .......................................................................(2.14)
𝐼𝑎 = 𝐼𝐿 ..............................................................................(2.15)
Dimana:
𝐼𝐿 = arus beban (amp)
2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompond
Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu:
2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek
32
Gambar 2.12 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond pendek:
𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ.......................................................................................(2.16)
𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝐿 .𝑅𝑠𝑟 + 𝐼𝑎.𝑅𝑎 ................................................................(2.17)
𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝑡 . 𝐼𝐿...........................................................................................(2.18)
Dimana:
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 armatur
33
2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang
Gambar 2.13 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond panjang:
𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ.......................................................................................(2.19)
𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎. (𝑅𝑠𝑟 + 𝑅𝑎) ..................................................................(2.20)
𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝑡 . 𝐼𝐿...........................................................................................(2.21)
𝑉𝑡 = 𝑉𝑠ℎ.............................................................................................(2.22)
Dimana:
𝐼𝐿 .𝑅𝑠𝑟 = tegangan jatuh pada kumparan seri
(𝐼𝑎)2.𝑅𝑠𝑟 = rugi daya pada kumparan seri
(𝐼𝑎)2.𝑅𝑠ℎ = rugi daya pada kumparan shunt
(𝐼𝑎)2.𝑅𝑎 = rugi daya armatur
34
2.6 Komputasi ( Penyearahan )
Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua
masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut, yaitu:
- Reaksi jangkar
- Tegangan (L di/dt)
2.6.1 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.
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 2.14 berikut ini :
Gambar 2.14 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan
U S
O M
Bidang Netral Magnetis
Sikat
F
35
Dari gambar 2.14 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 3.1 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
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 3.2 berikut ini :
mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, di mana vektor ini tegak lurus
terhadap bidang netral magnetis.
Gambar 2.15 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
U S
Bidang Netral Magnetis
O
AF
36
gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OFA
U Sβ
Bidang netral magnetis lama
Bidang netral magnetis baru
ω
FA
FMO
Fr
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 2.16
berikut ini:
Gambar 2.16 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 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).
37
Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada
Gambar 2.16 terlihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OFA dan OFM,
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
bantuan gambar 2.17 sebagai berikut:
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.
Gambar 2.17 Kurva Pemagnetan Saat Terjadi Reaksi Jangkar
Misalkan fluks sebesar Ox adalah fluksi dihasilkan medan utama tanpa
dipengaruh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya reaksi jangkar
O
Φ
gg
z
x y
B B
38
pertambahan-pengurangan kuat medan magnet (ggm) yang terjadi pada kutub
medan sebesar B ampere-lilitan. Pada lokasi di permukaan kutub di mana gaya
gerak magnet (ggm) rotor menambahkan ggm kutub terjadi penambahan
kerapatan fluks sebesar xy. Sedangkan pada lokasi permukaan kutub di mana ggm
rotor mengeliminir ggm kutub terjadi penurunan kerapatan fluksi sebesar xz, di
mana harga xz lebih besar dari pada xy. Oleh karena itu, penjumlahan rata-rata
kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin
berkurang. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan
perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.
2.6.2 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 1/2IA
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.
sebesar 200 A. Pada saat
segmen komutator terhubung singkat, arus yang melalui segmen komutator
terbalik arahnya. Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran/menit 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.
39
2.6.3 Mengatasi Masalah Komutasi
Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses
komutasi, yaitu:
1. Pergeseran sikat (brush shifting)
2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles)
3. Belitan kompensasi (kompensating windings)
2.6.3.1 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 harus juga 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 2.18 berikut ini. Pada gambar 2.18(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang
netral mesin bergeser (lihat gambar segitiga ggm-nya), sedangkan pada gambar
2.18(b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat
mesin. Akibat pergeseran tersebut (lihat gambar segitiga ggm-nya), terlihat ggm
resultannya melemah sedemikian rupa.
40
( a )
( b)
Gambar 2.18 Bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat
mesin.
2.6.3.2 Penambahan Kutub Bantu (interpole)
Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada
kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol,
41
maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut.
Untuk itu, kutub-kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan ditengah-
tengah diantara kutub-kutub utama. Interpole ini dihubungkan seri terhadap
kumparan rotor. Sehingga dengan adanya fluks dari interpole ini akan dapat
mencegah/mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang
sedang melakukan proses komutasi.
Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotor pun meningkat,
besarnya perubahan/ 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.
JangkarU S-
+
IA
IA
VT
Gambar 2.19 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu
2.6.3.3 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
42
beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh
fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser.
Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, dan juga masih
memerlukan interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh
belitan kompensasi. Karenanya teknik ini digunakan untuk motor-motor yang
bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius.
2.7 Rugi – Rugi Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
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 ini proses pengkonversian energi pada motor DC dalam
diagram aliran daya di bawah ini:
43
P P
PP
PL mkd
g j
Gambar 2.20 Diagram Aliran Daya( 𝑃𝐿 𝑃𝑚𝑘 )
Untuk mengubah daya listrik ( 𝑃𝐿 ) menjadi daya mekanik (𝑃𝑚𝑘 ) motor DC
mengalami kerugian-kerugian yaitu :
a. 𝑃𝑔 ( rugi gesekan )
b. 𝑃𝐽 ( Joule ) ialah kerugian-kerugian yang disebabkan oleh kerugian
tembaga dan kerugian besi 𝑃𝐽 = 𝑃𝑡𝑏 + 𝑃𝑏
c. 𝑃 pada penguat
d. 𝑃 pada sikat-sikat dan sebagainya.
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 :
Σ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran.........(2.23)
Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor DC didefinisikan 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.
44
Sebagian tenaga listrik ( input ) motor DC hilang atau berubah menjadi
panas. Dalam hal ini akan menimbulkan panas yang berlebihan yang berakibat
rusaknya isolasi. Hal tersebut terjadi pada setiap mesin arus searah, baik itu
generator DC maupun motor DC dan mesin AC. Kerugian – kerugian itu antara
lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada
belitan, rheostat dan sebagainya.
2.7.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper losses)
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 Rf dan Ra, maka jika mengalir arus DC sebesar
If dan Ia
P
akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan :
a = Ia2Ra
dan
……………....…...…................................…….
.(2.24)
Pf =
If2Rf
Di mana : P
………………..….......................................….….(2.25)
a
P
= rugi tembaga kumparan jangkar
f
I
= rugi tembaga kumparan medan
a = arus jangkar Ra
I
= resistansi jangkar
f = arus medan Rf
3.7.2 Rugi-Rugi Inti (core or iron losses)
= resistansi medan
Rugi-rugi inti 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 dan (2) rugi arus pusar.
45
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 2.21 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub
Gambar 2.21 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 tersebut
dianggap 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 :
46
Ph6,1
max = ηB fV
Watt………………..................…......(2.26)
Dimana : Ph
B
= rugi hysteresis
max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar
f = frekuensi pembalikan magnetik
= 120
P n dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub
V = volume jangkar dalam m
η = koefisien hysteresis Steinmentz
3
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 bersirkulasi di dalam inti jangkar seperti
yang ditunjukkan dalam Gambar 2.22. 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.
(a) (b)
47
Gambar 2.22 (a) Arus pusar di dalam inti 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 motor DC merupakan rugi-rugi yang
berhubungan dengan efek-efek mekanis. Ada dua bentuk dasar rugi-rugi mekanis
di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin.
Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan
antara permukaan bagian-bagian yang berputar dengan bagian-bagian yang diam
dari motor, diantaranya gesekan bearing atau bantalan peluru dengan rumah
bearing atau dengan as rotor. Juga gesekan antara permukaan sikat dengan
komutator. Karena adanya suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagian-
bagian tersebut, walaupun kecil, diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan
akibat koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor DC tersebut.
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.
2.7.4 Rugi – rugi sikat (brush losses)
Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikat-
sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi
48
sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka
terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd
P
. Jatuh
tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :
bd =
Vbd.Ia
Dimana : P
…………...........….........................…...……....(2.27)
bd
I
= rugi daya akibat jatuh tegangan sikat
a
V
= arus jangkar
bd
= jatuh tegangan sikat
Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan
dalam rentang arus jangkar yang besar. Maka rugi – rugi sikat dapat dihitung
dengan persamaan:
Pbd = 2 x Ia
…......……………..…...............................(2.28)
3.7.5 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.
49
Rugi-rugi di dalam motor DC di atas juga dapat dikelompokkan menjadi
dua kelompok yaitu :
1. Rugi-rugi Konstan
2. Rugi-rugi Variabel
1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya selalu
tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi – rugi inti + mekanis
disebut dengan rugi – rugi rotasi.Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi
konstan adalah :
a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar
b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin
c. Rugi-rugi tembaga medan shunt.
2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervariasi
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 (I
)
a2Rse
c. Rugi jatuh tegangan sikat (V
)
bdIa
Sehingga rugi-rugi total di dalam motor DC adalah :
)
Σ Rugi – Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel…............….(2.29)
Generator DC dan motor DC mempunyai tipe kerugian-kerugian yang
sama. Kerugian-kerugian itu adalah :
50
Tabel 2.1 Tipe dan Jenis Kerugian
Tipe – tipe Kerugian Keterangan
a. Kerugian pada belitan shunt
b. Kerugian pada rheostat
c. Kerugian pada penguat
d. Kerugian oleh gesekkan dan oleh
angin
e. Kerugian karena gesekkan sikat-
sikat
f. Kerugian pada ventilasi
g. Kerugian inti
h. Kerugian pada lilitan jangkar
i. Kerugian pada lilitan seri
j. Kerugian pada kontak sikat
k. Kerugian stray load
Kerugian 𝐼2R pada belitan penguat
shunt
Kerugian 𝐼2R pada tahanan geser ( 𝑅𝑠𝑡 ,
R pengatur )
Kerugian mekanis akibat gesekkan
sikat-sikat
Kerugian pada kipas pendingin
Kerugian 𝐼2R pada lilitan jangkar
Kerugian 𝐼2R pada lilitan penguat seri
Kerugian listrik pada sikat-sikat dan
kontak-kontak
Kerugian-kerugian akibat arus liar pada
tembaga, kerugian inti, reaksi jangkar,
kerugian short circuit pada saat
51
komutasi.
Untuk lebih jelasnya pada tabel 4.2 menunjukkan jenis kerugian-kerugian
pada mesin DC dan bagaimana cara menentukan besarnya kerugian-kerugian
tersebut.
Tabel 2.2 Kerugian-kerugian pada Mesin DC
Kerugian- kerugian Cara menentukan
Perputara (Stray Power )
Gesekan :
Bantalan
Sikat
Kipas pendingin (windage)
Inti jangkar :
Histerisis
Arus liar
Biasanya ditentukan melalui tes
Tembaga
Lilitan jangkar
Lilitan kutub bantu
Lilitan seri
Lilitan kompensasi
Kontak sikat
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑎
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑏
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑠𝑒
𝐼𝑎 ² 𝑅𝑐
( 1 s/d 6 ) x 𝐼𝑎
52
Lilitan shunt U 𝐼𝑠ℎ
Stray Load Losses 1 percent dari output untuk mesin yang
lebih besar dari 150 KW ( 200 HP )
2.8 Efisiensi pada Motor Arus Searah
Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah,
efisiensinya dinyatakan sebagai berikut:
η(%) = PoutPin
x 100% …………………………...…………………(2.26)
Atau pada motor :
η(%) = HP output x 746watt input
x 100%……………………………………..(2.27)
η(%) = HP output x 746(HP input x 746)+ watt rugi
x 100%………………….……….(2.28)
Dimana: Pin = daya masukan
Pout = daya keluaran
∑Prugi = rugi-rugi daya total