BAB II MOTOR ARUS SEARAH
II.1
Umum Motor arus searah ialah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi listrik
arus searah (listrik DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik, dimana energi gerak tersebut berupa putaran rotor. Proses pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet. Motor arus searah penguatan shunt ialah suatu motor arus searah dimana belitan medannya dihubungkan paralel dengan jangkarnya sehingga arus yang melalui belitan medan shunt ini tidak sama dengan arus yang mengalir pada jangkar. Dimana belitan medan shunt ini di design untuk menghasilkan tahanan yang tinggi, sehingga arus medan shunt relatif lebih kecil dibandingkan dengan arus jangkar.
II.2. Konstruksi Motor Arus Searah Gambar di bawah merupakan konstruksi dari motor arus searah.
Gambar 2.1. Konstruksi motor arus searah bagian stator
5
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. 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 rangkain 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
6
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 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.
7
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. 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.
8
II.3
Prinsip Kerja Motor Arus Searah Penguatan Shunt 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 menggerakkan kawat itu. Besarnya gaya tersebut adalah : F = B i l Sin θ Newton ......................................................(2.1) di mana : B = kerapatan fluks magnet dalam satuan Weber i = arus listrik yang mengalir dalam satuan Ampere l = panjang penghantar dalam satuan meter Sin θ = sudut antara i dan B Jika vektor arus listrik ( i ) tegak lurus dengan arah kerapatan fluks magnet (B), yang membentuk sudut 90°, sehingga Sin θ = 0, maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada kawat yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah: F = B i l Newton Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan “KAIDAH TANGAN KIRI FLEMING”, yang berbunyi sebagai berikut : apabila tangan kiri terbuka diletakkan di antara kutub U dan S, sehingga garis-garis 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, sebagaimana yang ditunjukkan oleh
Gambar 2.3.
9
Gambar 2.3 Kaidah tangan kiri Fleming Kalau sebatang kawat terdapat di antara kutub U – S dengan garis-garis gaya yang homogen, sedangkan di dalam kawat ini mengalir arus listrik yang arahnya menjauhi kita, maka di sebelah kanan kawat garis gaya kutub magnet dan garis gaya arus listrik sama arahnya dan di sebelah kiri kawat arahnya berlawanan, sehingga bentuk medan magnet akan berubah seperti Gambar 2.4. Kawat mendapat gaya yang arahnya searah dengan F.
F
Gambar 2.4. Perubahan garis gaya di sekitar kawat berarus Kalau sebuah belitan terletak di dalam medan magnet yang homogen, maka karena kedua sisi belitan itu mempunyai arus yang arahnya berlawanan, sehingga arah gerakan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 dan 2.6.
10
Gambar 2.5. Belitan berarus listrik terletak dalam medan magnet
Gambar 2.6. Arah putaran pada kumparan berarus yang terletak dalam medan magnet II.4
Rangkaian Ekivalen Motor Arus Searah Penguatan Shunt La
+
I L I sh
Ra Ia
Rsh
Vt
Ra Lsh
+ Ea -
Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen Motor DC Shunt Karena mesin bekerja dengan sumber DC,maka harga La = 0,Lsh = 0,sehingga rangkaiannya dapat juga dibuat seperti gambar berikut: 11
Ra
+
I L I sh
Vt
Ia
Rsh
Ra
+ Ea -
Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Motor DC Shunt
II.5
GGL Balik Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Ketika jangkar motor DC berputar di bawah pengaruh torsi penggerak, konduktor
jangkar bergerak di dalam medan magnet dan akan menghasilkan tegangan induksi di dalamnya seperti halnya pada generator. GGL induksi bekerja pada arah yang berlawanan dengan tegangan terminal Vt (sesuai dengan bunyi Hukum Lenz) dan dikenal sebagai GGL lawan atau GGL balik Ea. Ea = Dimana :
p = jumlah kutub = fluks per kutub dalam weber Z = jumlah total konduktor jangkar N = kecepatan putaran rotor dalam putaran per detik A= cabang paralel
GGL balik Ea biasanya kurang dari tegangan terminal V, meskipun perbedaan ini kecil sekali pada saat motor berjalan di bawah kondisi normal.
12
Dengan memperhatikan Gambar 2.7, ketika tegangan DC sebesar Vt diberikan pada terminal motor, suatu medan magnet dihasilkan dan konduktor jangkar disuplai dengan arus searah. Dengan demikian, torsi penggerak akan bekerja pada jangkar yang menyebabkan jangkar mulai berputar. Karena jangkar berputar, GGL balik Ea diinduksikan berlawanan dengan tegangan terminal. Tegangan terminal harus memaksa arus mengalir melalui jangkar melawan GGL balik Ea. Kerja listrik yang dilakukan untuk mengatasi dan menyebabkan arus mengalir melawan Ea dikonversikan ke dalam energi mekanik yang dibangkitkan di dalam jangkar. Dengan demikian, pengkonversian energi di dalam motor DC hanya mungkin jika GGL balik dihasilkan. Drop tegangan pada kumparan jangkar = Vt – Ea. Jika Ra adalah tahanan kumparan jangkar, maka Ia =
Vt − Ea Ra
Karena V dan Ra nilainya selalu tetap, nilai Ea akan menentukan arus yang dipikul oleh motor. Jika kecepatan motor tinggi, maka GGL balik Ea menjadi besar dan motor akan memikul arus jangkar yang lebih kecil begitu juga sebaliknya. Adanya GGL balik menjadikan motor DC sebagai mesin dengan pengaturan sendiri (self-regulating), yaitu menjadikan motor memikul arus jangkar sesuai dengan yang dibutuhkan untuk membangkitkan torsi beban. Arus jangkar, Ia = (i)
Vt − Ea Ra
Ketika motor berjalan pada kondisi tanpa beban, torsi yang kecil dibutuhkan untuk mengatasi rugi-rugi gesek dan angin. Dengan demikian, arus jangkar Ia juga kecil dan GGL balik besarnya hampir sama dengan tegangan terminal.
(ii)
Jika motor tiba-tiba dibebani, efek yang pertama sekali dirasakan adalah penurunan kecepatan jangkar. Sehingga kecepatan konduktor jangkar yang bergerak di dalam medan magnet berkurang dan begitu juga dengan GGL balik Ea. Berkurangnya GGL
13
balik menyebabkab arus yang besar mengalir melalui jangkar dan arus yang besar ini juga meningkatkan torsi penggerak. Maka, torsi penggerak meningkat seiring dengan menurunnya kecepatan motor. Penurunan kecepatan motor akan berhenti ketika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan torsi yang dibutuhkan oleh beban. (iii)
Jika beban motor dikurangi, torsi penggerak sesaat melebihi dari yang dibutuhkan sehingga jangkar mengalami percepatan. Karena kecepatan jangkar meningkat, GGL balik juga akan meningkat dan menyebabkan arus jangkar Ia berkurang. Motor akan berhenti dari percepatannya jika arus jangkar sudah cukup untuk menghasilkan torsi yang dibutuhkan oleh beban. Dengan demikian, GGL balik di dalam motor DC mengatur aliran arus jangkar, yang secara otomatis merubah besaran arus jangkar untuk memenuhi kebutuhan beban.
II.6
Persamaan Tegangan dan Daya Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dari gambar rangkaian ekivalen motor DC shunt di atas (Gambar 2.8) diketahui : Vt = tegangan terminal
Ra = tahanan jangkar
Ea = GGL balik
Ia
= arus jangkar
Karena GGL balik Ea bekerja dalam arah yang berlawanan dengan tegangan terminal V, maka tegangan pada rangkaian jangkar adalah V – Ea. Arus jangkar Ia diperoleh dari : Ia =
Vt − Ea ..…………………………...…….(2.2) Ra
atau Vt = Ea + IaRa ....................................................(2.3)
Persamaan ini dikenal sebagai persamaan tegangan motor DC penguatan shunt.
Jika persamaan di atas dikalikan dengan Ia, kita peroleh : Vt Ia = Ea Ia + Ia2Ra ..............................................(2.4) 14
Persamaan ini dikenal dengan persamaan daya motor DC penguatan shunt. Dimana, Vt Ia
= daya listrik yang diberikan ke jangkar (daya masukan jangkar)
Ea Ia
= daya yang dibangkitkan oleh jangkar (daya keluaran jangkar)
Ia2Ra
= daya listrik yang terbuang di dalam jangkar (rugi tembaga jangkar)
Dengan demikian diketahui bahwa dari keluaran daya masukan jangkar sebagian kecil terbuang sebagai rugi tembaga jangkar (Ia2Ra) dan sebagian lainnya (EaIa) dikonversikan menjadi energi mekanis di dalam jangkar.
II.7
Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor DC berlaku persamaan : Ea = Vt – IaRa…………………………..……......(2.5)
PΦZn …………………………………...(2.6) 60 A
Dimana
Ea =
Sehingga
PΦZn = Vt – IaRa………………......…….……(2.7) 60 A
Atau
n=
Atau
n=K
Tetapi
(Vt − IaRa ) 60 A Φ
(Vt − IaRa ) Φ
PZ
di mana K =
60 A ...............................(2.9) PZ
Vt – IaRa = Ea
Maka
n=K
Atau
n~
Dimana :
.............................................(2.8)
Ea ..................................................(2.10) Φ
Ea Φ
T
= torsi (Newton – meter)
K
= konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)
φ
= fluksi setiap kutub (Weber) 15
Ia
= arus jangkar (Ampere)
P
= jumlah kutub
Z
= jumlah konduktor
A
= cabang paralel
Dengan demikian di dalam motor DC , kecepatan berbanding lurus dengan GGL balik Ea dan berbanding terbalik dengan fluks per kutub Φ. Kecepatan motor DC shunt dapat diubah-ubah dengan : 1. Metode Pengaturan Flux Metode ini didasarkan atas kenyataan bahwa dengan mengubah flux Φ, kecepatan motor (n ~ 1/ Φ) dapat diubah, sehingga metode ini disebut metode pengaturan flux. Di dalam metode ini, tahanan variabel (rheostat) dihubungkan secara seri dengan belitan medan shunt seperti terlihat pada gambar 2.9(a) dibawah ini.
6 (a) (a)
6 (b) (b) Gambar 2.9.
Rheostat medan shunt menghasilkan arus medan shunt Ish dan juga flux Φ. Oleh karena itu, kita dapat menaikkan kecepatan motor diatas kecepatan normalnya {lihat gambar 2.9(b)}. Pada umumnya, metode ini mengijinkan untuk menaikkan kecepatan dalam rasio 1 : 3. Apabila kita menaikkan kecepatan hingga diatas rasio tersebut, maka kemungkinan terjadi ketidakstabilan pada motor dan juga komutasi yang buruk.
16
2. Metode Pengaturan Tahanan Jangkar Metode ini berdasarkan bahwa dengan mengubah tegangan dapat mempengaruhi besar kecilnya kecepatan motor. Hal ini dilakukan dengan memasukkan tahanan variabel Rc (tahanan geser) secara seri dengan tahanan jangkar seperti ditunjukkan pada gambar 2.10(a) di bawah ini.
(a)
(b) Gambar 2.10. Dimana :
n ~ Vt – Ia(Ra + Rc) Rc adalah tahanan geser (Ohm)
Dikarenakan terjadinya penurunan tegangan pada tahanan geser, maka GGL balik Ea menjadi berkurang. Ketika n ~ Ea, kecepatan motorpun akan berkurang. Kecepatan maksimum dapat diperoleh ketika Rc = 0. Oleh karena itu, metode ini hanya untuk kecepatan di bawah kecepatan normalnya {lihat gambar 2.10(b)}. 3. Metode Pengaturan Tegangan Dalam metode ini, sumber tegangan supply arus medannya berbeda dengan sumber tegangan supply jangkarnya. Metode ini menghindari kerugian-kerugian dari pengaturan kecepatan yang buruk dan efesiensi yang tidak baik, seperti pada pengaturan tahanan jangkar. Bagaimanapun, metode ini sangat mahal. Oleh karena itu, metode pengaturan kecepatan ini
17
diperbolehkan untuk kapasitas motor yang besar dimana efesiensi motor sangat perlu diperhatikan. Pengaturan tegangan Dalam metode ini,
medan shunt motor dihubungkan langsung secara
permanen ke sumber tegangan tertentu, sedangkan jangkar dihubungkan langsung pada beberapa tegangan yang berbeda melalui sebuah switchgear. Dengan cara ini, tegangan yang akan diberikan pada jangkar dapat diubah-ubah. Kecepatan akan sebanding dengan tegangan yang diberikan pada jangkar tersebut. Kecepatan diubah-ubah dengan sebuah pengaturan medan shunt.
II.8
Karakteristik Motor Arus Searah Shunt Gambar 2.11 (a) menunjukkan rangkaian listrik dari suatu motor DC shunt. Arus
medan Ish besarnya konstan karena kumparan medan langsung terhubung dengan tegangan sumber Vt yang dianggap konstan. Oleh karena itu fluksi di dalam motor shunt hampir dapat dikatakan konstan.
Gambar 2.11. Karakteristik Ta/Ia (i) Karakteristik Ta/Ia. Telah diketahui bahwa di dalam motor DC, Ta ~ Φ Ia
18
Karena motor beroperasi dari suatu tegangan sumber yang konstan, fluksi Φ juga konstan (dengan mengabaikan reaksi jangkar). Maka, Ta ~ Ia Dengan demikian karakteristik Ta/Ia motor DC shunt merupakan garis lurus yang melalui titik asal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11(b). Torsi poros (Tsh) kurang dibandingkan Ta dan ditunjukkan oleh garis putus-putus. Jelas terlihat pada kurva bahwa arus yang sangat besar dibutuhkan untuk menstart beban yang berat. Oleh karena itu, motor DC shunt tidak boleh distart dalam keadaan berbeban berat.
(ii) Karakteristik n/Ia Kecepatan motor DC diberikan dengan Persamaan (2.9), sehingga diperoleh, n~
E Φ
Fluksi Φ dan GGL lawan Ea di dalam motor DC shunt hampir konstan di bawah kondisi normal. Dengan demikian, kecepatan motor DC shunt selalu konstan walaupun arus jangkar berubah-ubah nilainya. Dengan kata lain, ketika beban bertambah, Ea (= Vt - IaRa) dan Φ berkurang karena drop tahanan jangkar dan reaksi jangkar. Bagaimanapun, Ea berkurang lebih sedikit daripada Φ sehingga dengan demikian kecepatan motor menurun sedikit dengan pertambahan beban (garis AC) seperti terlihat pada Gambar 2.12 (a).
(iii) Karakteristik n/Ta. Suatu kurva diperoleh dengan menggambarkan nilai n dan Ta untuk berbagai arus jangkar {lihat Gambar 2.12 (a)}. Dapat dilihat bahwa kecepatan agak menurun seiring dengan pertambahan beban.
19
(a)
(b)
Gambar2.12 (a) Kurva Karakteristik n/Ia dan (b) Karakteristik n/Ta Kesimpulan : Berikut dua buah kesimpulan yang penting yang diperoleh dari karakteristik di atas, yaitu : (i)
Terdapat sedikit penurunan kecepatan motor DC shunt dari kondisi tanpa beban sampai beban penuh. Dengan demikian, dapat dianggap sebagai motor kecepatan konstan.
(ii)
Torsi startnya tidak tinggi karena Ta ~ Ia
20
