MOTOR DC SHUNT Tugas Ini disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Mesin Listrik II semester IV Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro
Disusun Oleh : Nurcholis Fitrianto
(101321084)
Nurhadi Muslim
(101321085)
Rezky Ilhammur Rahman (101321091)
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
KATA PENGANTAR Alhamdulillah dan Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga penyusunan Makalah yang berjudul “MOTOR DC SHUNT” ini dapat diselesaikan. Tugas ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Mesin Listrik II semester IV Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro. Dalam usaha penyusunan
Makalah ini tidak mungkin akan berhasil tanpa adanya
bantuan yang penulis peroleh, baik berupa petunjuk, bimbingan, nasihat, dukungan moril, serta fasilitas lain yang penulis pergunakan dalam penyusunan Makalah ini. Oleh karena itu, pada penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada yang terhormat : 1. Allah SWT, atas segala karunia dan petunjuk yang telah diberikan-NYA dalam penulisan dan penyusunan laporan ini. 2. Kedua orang tua tercinta, Ayah dan Ibuku yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil, serta do’a dan kasih sayang yang selalu menyertai setiap langkahku. 3. Bapak Sofyan Yahya, selaku Dosen Pembimbing mata kuliah Mesin Listrik II Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung. 4. Rekan – rekan mahasiswa Teknik Listrik angkatan 2010 Politeknik Negeri Bandung , khususnya anak – anak kelas 2C, Terima Kasih buat suntikan semangatnya. Semoga kita semua sukses bersama dan diberkati selalu oleh Allah SWT, ‘amien’. Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat, khususnya bagi penulis dan umumnya bagi pembaca. Penulis menyadari bahwa laporan yang dibuat ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun menjadi hal yang sangat diharapkan penulis. Bandung,
Mei 2012
Penulis
i
DAFTAR ISI Kata Pengantar…………………………………………………………………………………………………..……………………… i Daftar Isi……………………………………………………………………...………………………………………………………….…. ii 1.1 Konstruksi Motor DC………………………………………………………………………….………………………..…...... 1 1.2 Prinsip Dasar Kerja Motor DC……………………………………………………………………………………………..… 4 1.3 Penentuan Parameter………………………………………………………………………………………………….………. 6 1.4 Jenis – Jenis Motor DC………………………………………………………………………………………………………..… 6 1.5 Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………………………………. 7 1.6 Contoh Perhitungan…………………………………………………………………………………………………………….. 9 1.7 Karakteristik Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………….. 11 1.8 Penggunaan Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………….. 12 1.9 Pengaturan Kecepatan Motor DC Shunt………………………………………………………………………………. 13
Daftar Pustaka……………………………………………………………………………………………………………………………. 15
ii
1.1.
KONSTRUKSI MOTOR DC Pada prinsipnya konstruksi motor AC ataupun DC itu sama, hanya saja yang membedakan adalah terdapat Komutator yang terpasang pada bagian poros motor. Berikut adalah konstruksi motor DC :
Gambar 1.1. Konstruksi motor DC pada bagian stator
Gambar 1.2.Konstruksi motor DC pada bagian rotor
1
Keterangan dari gambar tersebut adalah: 1. Rangka atau gandar Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut. Rangka 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. 2. Kutub Medan Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Dimana fungsinya adalah untuk menahan kumparan medan di tempatnya dan menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung. Inti kutub terbuat dari laminasi pelat-pelat baja yang terisolasi satu sama lain. Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut ke inti kutub. Maka kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka. Pada inti kutub ini dibelitkan kumparan medan yang terbuat dari kawat tembaga yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnetik. 3. Sikat Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat-sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada segmen-segmen komutator
2
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. 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. Inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silikon. 6. Kumparan Jangkar Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi. 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. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam yaitu: 1. Kumparan jerat (lap winding) 2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan zig – zag (frog-leg winding) 7. Komutator Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempenganlempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika. 3
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 kutubkutub medan.
1.2.
PRINSIP DASAR KERJA MOTOR DC Motor DC berfungsi mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanis dimana gerak tersebut berupa putaran dari motor. Prinsip dasar dari motor arus searah adalah kalau sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet (U-S), maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakan kawat itu. Arah gerakan kawat dapat ditentukan dengan mengguankan kaidah tangan kiri,
yang berbunyi sebagai
berikut:”Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub U dan S, sehingga garisgaris gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari”. Yang diperlihatkan dengan gambar berikut ini.
Gambar 1.3. Prinsip dasar kerja motor DC Pada motor arus searah medan magnet akan dihasilkan oleh medan dengan kerapatan fluks sebesar B. bila kumparan jangkar yang dilingkupi medan magnet dari
4
kumparan medan dialiri arus sebesar I, maka akan menghasilkan suatu gaya F dengan besarnya gaya tersebut adalah: F = B I L 1.10-1 dyne………………………………….(2.3) Dimana : B = kepadatan fluks magnet (Gauss) L = penghantar (cm) I = arus listrik yang mengalir (Ampere) Persamaan di atas merupakan prinsip sebuah motor searah, dimana terjadi proses perubahan energi listrik (I) menjadi energy mekanik (F), bila motor DC memiliki jari-jari sepanjang r, maka kopel yang dibangkitkan adalah : T = F . r = B I L . r…………………………………(2.4) Pada saat gaya F dibandingkan, konduktor bergerak dalam medan magnet dan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakn reaksi lawan terhadap tegangan penyebabnya. Suatu motor listrik disebut sebagai motor DC jika memerlukan supply tegangan searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor DC, kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi energy listrik yang diubah menjadi energi mekanik berkangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari suatu sistem yang lainnya, sementara akan disimpan dalam medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem yang lainnya. Dengan demikian, medan magnet berfungsi sebagai tempat penyimpanan energy dan mengkopel proses pengubah energi. Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi mekanik dapat dinyatakan sebagai berikut : “Energi listrik sebagai input = Energi mekanik sebagai output + Energi yang diubah sebagai panas + Energi yang tersimpan dalam medan magnet”.
5
1.3.
PENENTUAN PARAMETER Parameter motor arus searah dapat diidentifikasi melalui beberapa perhitungan aljabar statistik. Proses identifikasi itu dilakukan terhadap data hasil pengukuran tegangan terminal, kecepatan putar dan arus jangkar selama selang waktu tertentu. Dalam selang waktu itu dikehendaki terdapat selang motor dalam keadaan mantap dengan masukan konstan dan terdapat selang motor dalam keadaan transien. Masukan berbentuk gelombang kotak sangat cocok untuk keperluan ini. Tapis Kalman secara mandiri tidak dapat digunakan untuk identifikasi parameter karena dalam model diskret motor arus searah parameter muncul dalam bentuk perbandingan, sehingga diperlukan proses statistik untuk menentukan sebagian parameter. Pengamatan eksperimental menunjukkan bahwa model motor arus searah hasil identifikasi dapat digunakan mengestimasi kecepatan motor dengan selisih sebesar 5 persen nilai kecepatan motor sebenarnya. Identifikasi dengan algoritma genetika dilakukan untuk menguji apakah hasil identifikasi dengan tapis Kalman dapat disebut baik dibanding dengan metode lain dan apakah terdapat kombinasi parameter lain selain yang dapat ditemukan oleh tapis Kalman. Pengamatan yang telah dilakukan menunjukkan belum ditemukan kombinasi parameter lain dan hasil identifikasi dengan algoritma genetika belum dapat disebut lebih baik dibanding hasil identifikasi dengan tapis Kalman.
1.4.
JENIS-JENIS MOTOR DC Setelah mengetahui prinsip dasar kerja dari motor DC yang dimana apabila ada suatu
kondktor yang dialiri arus listrik diantara dua kutub magnet (U-S) maka pada konduktor tersebut akan timbul sebuah gaya yang akan menggerakan konduktor tersebut. Jenis-jenis motor DC dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan jangkar. Sehingga motor DC dibedakan menjadi : 1. Motor DC penguat terpisah. Untuk motor arus searah penguat terpisah, sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri.
6
2. Motor DC penguat sendiri. Motor DC penguatan sendiri adalah motor DC 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 juga dapat dihubungkan dengan keduanya,yaitu secara seri dan paralel, tergantung pada jenis penguatan yang diberikan terhadap motor.
1.5.
MOTOR DC SHUNT Salah satu macam penguatan sendiri motor DC adalah motor DC penguat shunt, kata
shunt sendiri berarti paralel dimana maksud dari paralel disini adalah pemasangan paralel antara kumparan jangkar pada rotor dengan kumparan medan pada strator. Untuk lebih jelas, berikut rangakaian ekivalen dari motor DC penguat shunt :
Gambar 1.4. Rangkaian ekivalen Motor DC Penguat Shunt Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah:
Vt = Ea + Ia.Ra ......................................................... (2-15) Ish =
…………………………………………….. (2-16)
IL = Ia + Ish .............................................................. (2-17) Dimana :
Vt
= tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)
IL
= arus dari jala-jala (Ampere)
Ia
= arus pada jangkar (Ampere)
Ra
= Tahanan pada jangkar (Ohm)
Ea
= Ggl lawan (volt) 7
Ish
= arus kumparan medan shunt (Ampere)
Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)
Pada tipe ini belitan medan dihubungkan secara parallel dengan belitan jangkarnya. Sehingga besarnya arus medan yang mengalir akan tergantung dengan besarnya tegangan jangkar dan besarnya resistansi belitan medan. Regulasi kecepatan akibat perubahan beban pada motor dc shunt lebih baik dibandingkan dengan motor dc seri. Ketika torsi beban bertambah maka kecepatan motor dc akan menurun, akibatnya tegangan dalam motor dc shunt juga akan menurun. Arus jangkar pada motor dc shunt merupakan selisih tegangan antara tegangan dalam dan tegangan terminal dibagi resistansinya. Akibat tegangan dalam yang turun tadi, maka arus jangkar akan naik. Kenaikan arus jangkar akan menaikkan torsi yang diberikan oleh motor dc sehingga kecepatan akan konstan pada titik tersebut, begitu pula sebaliknya jika terjadi pengurangan torsi beban. Untuk lebih jelas, berikut adalah diagram satu garis (one line diagram) motor DC shunt :
Gambar 1.5. One Line Diagram motor DC shunt
8
1.6. CONTOH PERHITUNGAN Diketahui : sebuah Motor Shunt 220 Volt menyerap arus arus total 80 dan berputar pada kecepatan 800 rpm A. Resistansi medan shunt adalah 50 Ω, dan resistansi medan jangkar 0,1 Ω. Jika rugi besi dan gesekan 1600 watt. Hitunglah: a) Daya Input (Pin)? b) Daya pada jangkar (Pa)? c) Daya output dalam HP (Pout)? d) Rugi tembaga (Pcu)? e) Torsi Jangkar (Ta)? f) Torsi Poros (Tsh)? g) Efisiensi (η)?
9
Penyelesaian : a) Pin = V . IL
= 220 V . 80 A
=
= 17.600 VA
= 191,8 Nm
b) Ish =
Ia
E
e) Ta =
f) Tsh =
= 220 V. 50 Ω
=
= 4,4 A
= 172,74 Nm
= IL - Ish
g) η
=
x 100%
= 80 A . 4,4 A
=
= 75,6 A
= 82,16 %
x 100%
= V – (Ia . Ra) = 220 V – (75,6 A . 0,1) = 212,44 V
Maka, Pa = E . Ia = 212,44 V . 75,6 A = 16060,464 Watt c) Puot = Pa – Rugi-rugi gesekan = 16060,464 Watt – 1600 Watt = 14460,46 Watt d) Pcu = Ia2 . Ra = 75,62 . 0,1 = 571,536 Watt
10
1.7. KARAKTERISTIK MOTOR DC SHUNT
Gambar 1.6. Karakteristik Motor DC Shunt
Berikut tentang kecepatan motor shunt : Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu) setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin. Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).
11
1.8.
PENGGUNAAN MOTOR DC SHUNT Motor DC Shunt sangat cocok untuk aplikasi yang menggunakan sabuk. Hal tersebut
karena kecepatan motor yang konstan sangat cocok digunakan dalam industri dan otomotif, biasanya digunakan pada beban tinggi. Berikut adalah alat-alat yang biasa menggunakan prinsip dasar motor DC shunt : 1. Mesin Bubut
Gambar 1.7. Mesin Bubut
2. Drills atau Mesin Bor
Gambar 1.8. Drills atau Mesin Bor
12
3. Boring Mills
Gambar 1.9. Boring Mills
1.9.
PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC SHUNT Kecepatan motor DC Shunt dapat dengan mudah dikendalikan. Meskipun terjadi
perubahan pada beban, motor DC Shunt dapat mempertahankan kecepatannya. Ketika beban meningkat, rotor cenderung untuk memperlambat. Hal ini mengakibatkan kurang kembali EMF. Ini menyumbang kurang oposisi terhadap tegangan yang diberikan. Jadi, arus motor akan menarik lebih banyak arus. Peningkatan arus ini mengakibatkan pula kenaikan torsi guna menstabilkan kembali kecepatan. Dengan demikian, bahkan ketika beban meningkat, efek beban pada kecepatan motor DC shunt hampir nol. Ketika beban menurun, rotor akan kembalik pada kecepatannya dan kembali pula membangkitkan lebih banyak
EMF. Seperti kembalinya
polaritas EMF terhadap tegangan suplai, pengurangan beban mengakibatkan kurang arus dan kecepatan yang dihasilkanpun konstan. Kecepatan Motor DC Shunt dapat dikendalikan melalui 2 cara : 1. Dengan mengatur jumlah arus yang masuk ke kumparan shunt. 2. Dengan mengatur jumlah arus yang masuk ke bagian rotor. Sementara tegangan disuplai ke rotor secara konstan, tegangan yang disuplai ke kumparan shunt 13
bervariasi dari pengaturan beberapa rheostat yang terhubung seri atau menggunakan pengendali arus SCR. Teknik yang sama diterapkan untuk mengatur arus pada rotor. Tapi ketika terjadi peningkatan arus pada rotor , rheostat yang digunakan untuk mengendalikan rotor biasanya jauh lebih besar disbanding menggunakan kendali pada kumparan shunt. Umumnya, motor diklasifikasikan dengan nilai tegangan dan kecepatan tertentu. Namun, ketika motor DC shunt beroperasi di bawah tegangan yang penuh, torsi yang dihasilkan pula semakin kecil.
14
2.1.
DAFTAR PUSTAKA
1. Kurniawan, Endar Aditya. 2010. Sepeda Motor Lsitrik (Elctric Motorcycle). Jogjakarta. Universitas Gajah Mada 2. Nugroho, Gesit Ari. 2006. Sistem Power Window pada Suzuki Baleno. Semarang. Universitas Negeri Semarang 3. http://konversi.wordpress.com/2008/09/01/motor-arus-searah-dc-bagaimana-bekerjanya 4. http://duniaelektronika.blogspot.com/2008/04/mesin-arus-searah.html 5. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/electricmotors.html#DCmotors 6. http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/motor-listrik.html 7. http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/09/animasi-motor-dc.html
15
