Studi Pengaruh Perubahan Posisi Sikat Terhadap Efisiensi Motor Dc Shunt (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

TUGAS AKHIR

STUDI PENGARUH PERUBAHAN POSISI SIKAT TERHADAP EFISIENSI MOTOR DC SHUNT

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat dalam

menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

oleh

RAMCHEYS SIAHAAN NIM: 070402053

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

Kinerja suatu motor arus searah dikatakan baik jika efisiensi motor tersebut tinggi. Hal itu dapat dicapai dengan mengatur bagian-bagian tertentu dari motor. Perubahan posisi sikat pada motor DC mempengaruhi efisiensinya. Dari hasil pengujian posisi sikat yang berada 300 di sebelah kanan dari posisi tengah memiliki efisiensi motor tertinggi sebesar 59.40%.

KATA PENGANTAR

Penulis bersyukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala berkat dan anugerahNya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul :

“STUDI PENGARUH PERUBAHAN POSISI SIKAT TERHADAP EFISIENSI MOTOR DC SHUNT”

(Aplikasi pada Lab.Konversi Energi Listrik Fakultas Teknik USU)

Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang wajib dipenuhi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik pada departemen Teknik Elektro FT USU.

Tugas Akhir ini penulis persembahankan untuk kedua orangtua yang telah membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak terhingga yaitu Bachtiar Siahaan dan Sarma Simangunsong serta kakak dan adik penulis yang memberi dukungan, semangat dan doanya.

Penulis menyadari bahwa tulisan ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak.

Pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus kepada :

1. Bapak Ir. Eddy Warman, sebagai Dosen Pembimbing tugas akhir saya yang sangat besar bantuannya bagi saya dalam menyelasaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Ir. Samsul Amin, MSi selaku dosen wali penulis yang banyak memberikan masukan dan pengarahan selama penulis menempuh perkuliahan. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, Msi selaku Ketua Departemen Teknik

Elektro.

4. Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro. 5. Bang Roy, sebagai staff administrasi Laboratorium Konversi Energi Listrik,

Ferry, Samsyarif, Rizky yang sudah menyediakan waktu dan pikiranya, dan semua staff asisten di Laboratorium Konversi Energi Listrik.

6. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Rumonda yang membantu penulis menyelesaikan tugas akhir ini dan juga terima kasih kepada teman-teman stambuk 2007, Francisco, Yoakim, Setia, Mario, Kaban, Andrew, Jannes, Putri, Nora, Niko, Rocky, Benito, Harapan, Jon, Advent, Ramli, Leo, Binsar, Nobel, Haogoaro dan lainnya yang tak bisa saya sebutkan satu persatu.

7. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada senior dan junior yang telah membantu penulis selama perkuliahan.

8. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada teman-teman pintu empat, Jewe, Acong, Opi, Kardo, Ricky dan lain-lain

9. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan kontribusinya kepada penulis, baik secara langsung maupun tidak langsung, jasa kalian akan senantiasa penulis kenang dan sebagai acuan untuk menempuh hari-hari ke depan dengan penuh semangat dan lebih baik lagi .

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Akhirnya penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca, khususnya mahasiswa yang ingin lebih mengetahui dan mendalami Tugas Akhir Penulis.

DAFTAR ISI

ABSTRAK ……….. i

KATA PENGANTAR ……… ii

DAFTAR ISI ……… v

DAFTAR GAMBAR …...viii

DAFTAR TABEL …... x

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan ... 1

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Metode Penulisan ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II MOTOR ARUS SEARAH 2.1 Umum ... 5

2.2 Konstruski Motor Arus Searah……... 6

2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah... 11

2.4 GGL Lawan pada Motor Arus Searah……… 15

2.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas ... 16

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri……… 18

BAB III PERMASALAHAN DENGAN KOMUTASI PADA MESIN ARUS SEARAH 3.1 Reaksi Jangkar………... 22

3.2 Tegangan Ldi/dt………... 27

3.3 Mengatasi Masalah Komutasi……... 27

3.3.1 Pergeseran Sikat (Brush Shifting) ……….... 28

3.3.2 Penambahan Kutub Bantu (Interpole) ………. 29

3.3.3 Belitan Kompensasi (Compensating Windings)………… 30

3.4 Rugi-rugi Motor Arus Searah Penguatan Shunt 3.4.1 Umum……… 31

3.4.2 Jenis Rugi-rugi di Dalam Motor Arus Searah……… 32

3.4.2.1 Rugi-rugi Tembaga (Copper Losses)………….. 32

3.4.2.2 Rugi-rugi Inti (Core or Iron Losses)……… 33

3.4.2.3 Rugi-rugi Mekanis (Mechanical Losses)………. 35

3.4.2.4 Rugi-rugi Sikat (Brush Losses)……… 36

3.4.2.5 Rugi-rugi Beban Stray(Stray Load Losses)…… 37

3.5 Efisiensi pada Mesin Arus Searah………. 38

BAB IV PENGUJIAN PENGARUH PERUBAHAN POSISI SIKAT PADA MOTOR DC SHUNT

4.1 Umum……….. 39

4.2 Peralatan yang Digunakan……….. 39

4.3 Percobaan Untuk Mendapatkan Parameter – Parameter Motor DC Shunt………... 40

4.3.1 Percobaan Motor DC Shunt tanpa Beban... 40

4.3.1.1 Rangkaian Percobaan……… 40

4.3.1.2 Prosedur Percobaan……… 40

4.3.1.3 Data Hasil Percobaan……… 41

4.3.2 Percobaan Motor DC Shunt dengan Beban………... 41

4.3.2.1 Rangkaian Percobaan……… 41

4.3.2.2 Prosedur Percobaan……… 42

4.3.2.3 Data Hasil Percobaan……….. 42

4.4. Analisis Data………... 43

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan……… 48

5.2 Saran ……… 48

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 (a) Konstruksi motor arus searah

Gambar 2.1 (b) Konstruksi motor arus searah bagian stator Gambar 2.1 (c) Konstruksi motor arus searah bagian rotor Gambar 2.2 Inti jangkar yang berlapis-lapis

Gambar 2.3 Sikat-Sikat

Gambar 2.4 pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Gambar 2.5 Prinsip perputaran motor DC

Gambar 2.6 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor dc Gambar 2.7 Motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.8 Motor arus searah penguatan shunt Gambar 2.9 Motor arus searah penguatan seri

Gambar 2.10 Motor arus searah penguatan kompond pendek Gambar 2.11 Motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.12 Karakteristik Putaran – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt Gambar 2.13 Karakteristik Torsi – Arus Jangkar Pada Motor DC Shunt Gambar 2.14 Karakteristik Torsi – Putaran Pada Motor DC Shunt Gambar 3.1 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan Gambar 3.2 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar

Gambar 3.3 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar Gambar 3.4 Kurva Pemagnetan Saat Terjadi Reaksi Jangkar

Gambar 3.6 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu Gambar 3.7 Diagram Aliran Daya pada Motor Arus Searah Gambar 3.8 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub Gambar 3.9 (a) Arus pusar di dalam inti jangkar yang padat Gambar 3.9 (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan motor DC tanpa beban

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt tanpa Beban

Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt Berbeban

ABSTRAK

Kinerja suatu motor arus searah dikatakan baik jika efisiensi motor tersebut tinggi. Hal itu dapat dicapai dengan mengatur bagian-bagian tertentu dari motor. Perubahan posisi sikat pada motor DC mempengaruhi efisiensinya. Dari hasil pengujian posisi sikat yang berada 300 di sebelah kanan dari posisi tengah memiliki efisiensi motor tertinggi sebesar 59.40%.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor arus searah berfungsi mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis. Sebuah mesin arus searah dapat digunakan baik sebagai motor arus

searah maupun generator arus searah. Motor arus searah banyak digunakan sebagai penggerak bagi

peralatan-peralatan listrik seperti, pompa, penggerak kipas angin, blower, penggerak pulley conveyer, lift, eskalator, elevator, traksi, dan lain-lain. Karena penggunaannya yang cukup luas maka kinerja motor arus searah harus baik.

Dengan demikian, diharapkan motor arus searah memiliki efisiensi yang cukup tinggi. Pada motor arus searah, pengaturan posisi sikat dalam mengantisipasi reaksi jangkar ternyata mempengaruhi efisiensinya. Maka dengan mengatur letak sikat-sikat pada komutator akan dapat meningkatkan performansinya, sehingga dapat kerja lebih baik.

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mendapatkan posisi sikat dengan efisiensi tertinggi pada motor DC Shunt.

Manfaat penelitian ini adalah mengetahui cara kerja motor DC shunt dan memberikan kesempatan bagi mahasiswa lain untuk mempelajari lebih lanjut.

1.3 Batasan Masalah

Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut:

1. Motor yang digunakan adalah motor DC shunt

2. Tidak membahas gangguan yang terjadi pada motor DC shunt 3. Motor DC shunt beroperasi sendiri

4. Beban yang digunakan adalah beban Resistif

5. Analisis perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik

1.4 Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain.

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU.

3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak departemen Teknik Elektro USU, dengan dosen-dosen bidang Konversi Energi Listrik, asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.

1.5 Sistematika Penulisan

Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika penulisan.

BAB II MOTOR ARUS SEARAH

Bab ini membahas tentang motor DC, konstruksi, prinsip kerja, GGL Lawan, jenis-jenis motor arus searah dan karakteristik motor arus searah penguatan shunt.

BAB III PERMASALAHAN DENGAN KOMUTASI PADA MESIN ARUS SEARAH

Bab ini membahas tentang reaksi jangkar, tegangan Ldi/dt, mengatasi masalah komutasi, rugi-rugi motor arus searah dan efisiensinya.

BAB IV PENGUJIAN PENGARUH PERUBAHAN POSISI SIKAT PADA MOTOR DC SHUNT

Bab ini menjelaskan tentang penerapan uji perubahan posisi sikat pada motor DC shunt yaitu dengan melaksanakan percobaan pada motor DC shunt di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini membahas tentang hal-hal yang dianggap penting didalam tulisan yang dirangkum sebagai kesimpulan dan saran dari hasil analisa data-data yang telah diperoleh.

BAB II

MOTOR ARUS SEARAH

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.

Gambar di bawah ini merupakan konstruksi motor arus searah.

Gambar 2.1 (a) Konstruksi motor arus searah

Gambar 2.1 (b)

Konstruksi motor arus searah bagian stator

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:

i. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.

ii. 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 :

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 2.2

Gambar 2.2 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.

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 2.3) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.

Gambar 2.3 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 pada suatu medan magnet maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, separti diperlihatkan pada gambar:

(a) (b) (c)

Gambar 2.4 pengaruh penempatan konduktor berarus dalam medan magnet Pada gambar 2.4(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 2.4(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 2.4(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.

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.

Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan, mengalir arus medan 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 kumparan jangkar mengalir arus jangkar . 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.

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) Dimana :

F = Gaya lorenz (Newton)

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

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:

………(2.3) ………..(2.4) Dimana :

T = torsi (N-m) r = jari-jari rotor (m)

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

= arus jangkar (A) P = jumlah kutub

z = jumlah konduktor a = cabang pararel

2.4 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: ...(2.5) Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut:

...(2.6) Dimana:

...(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:

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.7 Motor arus searah penguatan bebas

Persaman umum motor arus searah penguatan bebas

... (2.8) ...(2.9)

Dimana:

= tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt) = arus jangkar (Amp)

= arus medan penguatan bebas (amp) = tahanan medan penguatan bebas (ohm)

= tegangan terminal medan penguatan bebas (volt) = 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.

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 2.8 Motor arus searah penguatan shunt

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt

...(2.10) ...(2.11) ...(2.12)

Dimana :

= arus kumparan medan shunt (ohm)

= tegangan terminal medan motor arus searah (volt) = tahanan medan shunt (ohm)

= arus beban (amp)

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

Gambar 2.9 Motor arus searah penguatan seri

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri:

...(2.13) ...(2.14)

...(2.15)

Dimana:

= tahanan medan seri (ohm)

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

Gambar 2.10 Motor arus searah penguatan kompond pendek

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond pendek:

...(2.16) ...(2.17) ...(2.18)

Dimana:

= tegangan jatuh pada kumparan seri = rugi daya pada kumparan seri

= tegangan jatuh pada kumparan armatur = rugi daya armatur

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang

Gambar 2.11 Motor arus searah penguatan bebas

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond panjang:

...(2.19) ...(2.20) ...(2.21) ...(2.22)

Dimana:

= tegangan jatuh pada kumparan seri = rugi daya pada kumparan seri = rugi daya pada kumparan shunt = rugi daya armatur

BAB III

PERMASALAHAN DENGAN KOMUTASI PADA MESIN ARUS

SEARAH

Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut, yaitu:

- Reaksi jangkar - Tegangan (L di/dt)

3.1 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 3.1 berikut ini :

Gambar 3.1 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan

Dari gambar 3.1 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 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 3.2 berikut ini :

U

S

O _M

Bidang Netral Magnetis

Sikat

Gambar 3.2 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 3.3 berikut ini:

U

S

β Bidang netral magnetis lama Bidang netral magnetis baru ω FA FM O Fr

Gambar 3.3 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar

U

S

Bidang Netral Magnetis

O

A

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).

Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada Gambar 3.3 terlihat 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 dengan titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Pengaruh

kejenuhan magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan bantuan gambar 3.4 sebagai berikut:

Gambar 3.4 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 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

O Φ

gg z

x y

demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.

3.2 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 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.

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.

3.3 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)

3.3.1 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 3.5 berikut ini. Pada gambar 3.5(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser (lihat gambar segitiga ggm-nya), sedangkan pada gambar 3.5(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.

U

S

Bidang Netral lama Bidang Netral baru Sikat Arah Rotasi Motor

U

S

Bidang Netral lama Bidang Netral baru Sikat Arah Rotasi Motor Γ Γ _Γ kutub resultan

rotor Γresultan _Γrotor

Γkutub

(a) (b)

Gambar 3.5 Pelemahan Ggm Akibat Pergeseran Bidang Netral

3.3.2 Penambahan Kutub Bantu (interpole)

Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol, maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, 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.

Jangkar

U S

-+

IA

IA

VT

Gambar 3.6 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu

3.3.3 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 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.

3.4 Rugi – Rugi Motor Arus Searah Penguatan Shunt 3.4.1 Umum

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 shunt dalam diagram aliran daya di bawah ini:

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...(3.1) 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.

3.4.2 Jenis Rugi – Rugi Di Dalam Motor Arus Searah 3.4.2.1 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 akan

menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan :

Pa = Ia2Ra………....…...….……. .(3.2)

dan

Pf = If2Rf………..…..….……..(3.3)

Di mana : Pa = rugi tembaga kumparan jangkar

Pf = rugi tembaga kumparan medan

Ia = arus jangkar Ra = resistansi jangkar

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.

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 3.8 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub

Gambar 3.8 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 :

Ph = ηB1max,6 fV Watt………...(3.4)

Dimana : Ph = rugi hysteresis

B_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 m3

η = koefisien hysteresis Steinmentz

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 3.9. 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

Gambar 3.9 (a) Arus pusar di dalam inti jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi

3.4.2.3 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.

3.3.2.4 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 sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd. Jatuh tegangan sikat ini

menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :

Pbd = Vbd.Ia………..…..……....(3.5)

Dimana : Pbd = rugi daya akibat jatuh tegangan sikat

Ia = arus jangkar

Vbd = 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 ………..…...(3.6)

3.4.2.5 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 motor DC, besarnya rugi-rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh.

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)

c. Rugi jatuh tegangan sikat (VbdIa)

Sehingga rugi-rugi total di dalam motor DC adalah :

Σ Rugi – Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel…….(3.7)

3.5 Efisiensi pada Mesin Arus Searah

Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai berikut:

………..(3.8) Atau:

……….(3.9)

Pout = VT.Ib

Dimana: Pin = daya masukan Pout = daya keluaran

BAB IV

PENGUJIAN PENGARUH PERUBAHAN POSISI SIKAT PADA

MOTOR DC SHUNT

4.1 Umum

Untuk mendapatkan parameter dari rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt, maka dapat dihitung dari data yang didapat dari percobaan beban nol dan berbeban. Untuk menganalisa hubungan antara posisi sikat dan efisiensi maka ditentukan beberapa titik percobaan. Pada tugas akhir ini diambil tujuh titik percobaan, yaitu titik di posisi tengah atau 00 diikuti tiga titik di sebelah kiri (-300, -200 dan -100 dari posisi tengah) dan tiga titik di sebelah kanan (+100, +200 dan +300).

4.2 Peralatan yang Digunakan

Dalam tugas akhir ini penulis menggunakan motor arus searah penguatan shunt, percobaan yang dilakukan hanya untuk mencari parameter motor tersebut. Peralatan Yang Digunakan adalah:

1. Satu unit generator DC 2. Satu unit motor DC 3. Kabel penghubung 4. Sumber tegangan DC 5. Ammeter

4.3 Percobaan Untuk Mendapatkan Parameter – Parameter Motor DC Shunt Untuk dapat menentukan parameter motor DC shunt, maka dapat dilakukan dengan percobaan berikut ini:

4.3.1. Percobaan Motor DC Shunt Tanpa Beban 4.3.1.1. Rangkaian Percobaan

M

G

A3 A2

A1 V1 V2

P

T

D

C

1

GA GA HB HB S

Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan motor DC tanpa beban 4.3.1.2. Prosedur Percobaan

1. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 4.1 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Atur posisi sikat pada posisi -300

3. Tutup saklar S1, naikkan PTDC1 sampai 40 volt. 4. Catat nilai V1, A1, A2, A3 dan n pada saat itu.

5. Turunkan putaran dengan mengatur PTDC1 hingga posisi nol.

6. Buka saklar S1 lalu atur posisi sikat sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian ulangi langkah 3,4 dan 5 hingga diperoleh data tiap posisi sudut

7. Pecobaban selesai. 4.3.1.3. Data Hasil Percobaan

Pada percobaan ini besar tegangan V = 40 volt dan If = 0.17 ampere, sehingga

diperoleh data seperti pada tabel berikut

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt tanpa Beban

posisi sudut IL ( amp ) Ia ( amp ) Ish ( amp ) n ( rpm )

-300 1.18 1.14 0.04 1050

-200 1.28 1.24 0.04 1180

-100 1.40 1.36 0.04 1200

00 1.76 1.72 0.04 1350

100 11.22 11.18 0.04 300

200 7.20 7.16 0.04 1850

300 5.28 5.24 0.04 1950

4.3.2. Percobaan Motor DC Shunt dengan Beban 4.3.2.1. Rangkaian Percobaan

M

G

A3 A2

A1 V1 V2

P

T

D

C

1

GA GA HB HB S1 V2

P T D C 2

S3

J K

RL

S2

Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Motor DC Berbeban 4.3.2.2. Prosedur Percobaan

1. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 4.2 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Atur besar RL menjadi 100 ohm

3. Atur posisi sikat pada posisi -300.

4. Tutup saklar S2, naikkan PTDC2 sampai 0.64 amper. 5. Tutup saklar S1, naikkan PTDC1 sampai 40 volt. 6. Catat nilai V1, V2, A1, A2, A3 dan n pada saat itu.

7. Turunkan PTDC2 hingga posisi nol lalu turunkan putaran dengan mengatur PTDC1 hingga posisi nol.

8. Buka saklar S1 dan S2 lalu atur posisi sikat sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian ulangi langkah 3, 4, 5 dan 6 hingga diperoleh data tiap posisi sudut yang diinginkan.

9. Pecobaban selesai.

4.3.2.3. Data Hasil Percobaan

Pada percobaan ini besar tegangan V = 40 volt RL = 100 ohm dan Ifgen = 0.64

ampere, sehingga diperoleh data seperti pada tabel berikut

Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt Berbeban

posisi sudut IL ( amp ) Ia ( amp ) Ish ( amp ) n ( rpm ) Vgen ( volt )

-300 8.03 7.99 0.04 500 80

-200 10.15 10.11 0.04 500 82

-100 10.74 10.7 0.04 500 82

00 7.98 7.94 0.04 450 71

100 5.38 5.34 0.04 100 10.2

200 4.74 4.70 0.04 200 30

300 4.21 4.17 0.04 400 68

Dari data- data di atas, maka dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi tiap posisi sudut.

1. Posisi -300 Pin = Vt . IL

Pin = 40 x 8.03

Pin = 321.20 watt

Ea = 40 – 7.99 x 3.84

Ea = 40 – 30.68

Ea = 9.32 V

Pout = Ea x Ia

Pout = 9.32 x 7.99

Pout = 74.45 watt

2. Posisi -200

Pin = 40 x 10.15 = 406 watt

40 – 10.11 x 3.84 = 1.18 volt Pout = 1.18 x 10.11 = 11.91 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut -200 sebesar: = 2.93%

3. Posisi -100

Pin = 40 x 10.35 = 414 watt

40 – 10.31 x 3.84 = 0.41 volt Pout = 0.41 x 10.31 = 4.22 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut -100 sebesar: = 1.02%

4. Posisi 00

Pin = 40 x 7.98 = 319.20 watt

40 – 7.94 x 3.84 = 9.51 volt Pout = 9.51 x 7.94 = 75.51 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 00 sebesar: = 23.66%

5. Posisi 100

Pin = 40 x 5.38 = 215.20 watt

40 – 5.34 x 3.84 = 19.49 volt Pout = 19.49 x 5.34 = 104.10 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 100 sebesar: = 48.37%

6. Posisi 200

Pin = 40 x 4.74 = 189.60 watt

40 – 4.70 x 3.84 = 21.95 volt Pout = 21.95 x 4.70 = 103.17 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 200 sebesar: = 54.42%

7. Posisi 300

Pin = 40 x 4.21 = 168.40 watt

40 – 4.17 x 3.84 = 23.99 volt Pout = 23.99 x 4.17 = 100.03 watt

= 59.40%

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap posisi sikat, maka diperoleh efisiensinya seperti pada tabel berikut:

Tabel 4.3 Data Hasil Analisis Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt

posisi sudut IL( amp ) Ia ( amp ) Ish ( amp ) n ( rpm ) efisiensi ( % )

-30 8.03 7.99 0.04 500 23.18

-20 10.15 10.11 0.04 500 2.93

-10 10.35 10.31 0.04 500 1.02

0 7.98 7.94 0.04 450 23.66

10 5.38 5.34 0.04 100 48.37

20 4.74 4.70 0.04 200 54.42

30 4.21 4.17 0.04 400 59.40

Dari hasil perhitungan didapat grafik efisiensi sebagai berikut:

Gambar 4.3 Grafik efisiensi motor DC

-10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

e fi si e n si ( % )

posisi sudut (derajat)

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari pembahasan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Dari hasil analisis diperoleh efisiensi tertinggi sebesar 59,40% pada posisi sudut 300.

2. Arus jangkar tertinggi berada pada posisi sudut -100 yaitu sebesar 10,31 ampere.

5.2 Saran

Adapun beberapa saran yang bisa diberikan dari hasil tugas akhir ini adalah; 1. Disarankan untuk memperkecil jarak antar posisi sudut sikat agar lebih terlihat perubahan efisiensinya.

DAFTAR PUSTAKA .

1. Lister, Eugene C.:“Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988.

2. Wijaya, Mochtar:”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta, 2001. 3. Zuhal:”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Penerbit

Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2000.

4. Rijono,Yon. “Dasar Teknik Tenaga Listrik”,Yogyajarta,1997.

5. Mehta, V.K. dan Rohit Mehta, Principles of Electrical Machines, New Delhi : S. Chand & Company Ltd., 2002.

6. Theraja, B.L, “A Text Book Of Electrical Technology”, Nurja Constuction & Development, New Delhi, 1989.

Dari data- data di atas, maka dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi tiap posisi sudut.

1. Posisi -300 Pin = Vt . IL

Pin = 40 x 8.03

Pin = 321.20 watt

Ea = 40 – 7.99 x 3.84

Ea = 40 – 30.68

Ea = 9.32 V

Pout = Ea x Ia

Pout = 9.32 x 7.99

Pout = 74.45 watt

2. Posisi -200

Pin = 40 x 10.15 = 406 watt

40 – 10.11 x 3.84 = 1.18 volt Pout = 1.18 x 10.11 = 11.91 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut -200 sebesar: = 2.93%

3. Posisi -100

Pin = 40 x 10.35 = 414 watt

40 – 10.31 x 3.84 = 0.41 volt Pout = 0.41 x 10.31 = 4.22 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut -100 sebesar: = 1.02%

4. Posisi 00

Pin = 40 x 7.98 = 319.20 watt

40 – 7.94 x 3.84 = 9.51 volt Pout = 9.51 x 7.94 = 75.51 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 00 sebesar: = 23.66%

5. Posisi 100

Pin = 40 x 5.38 = 215.20 watt

40 – 5.34 x 3.84 = 19.49 volt Pout = 19.49 x 5.34 = 104.10 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 100 sebesar: = 48.37%

6. Posisi 200

Pin = 40 x 4.74 = 189.60 watt

40 – 4.70 x 3.84 = 21.95 volt Pout = 21.95 x 4.70 = 103.17 watt

Sehingga diperoleh efisiensi motor pada posisi sudut 200 sebesar: = 54.42%

7. Posisi 300

Pin = 40 x 4.21 = 168.40 watt

40 – 4.17 x 3.84 = 23.99 volt Pout = 23.99 x 4.17 = 100.03 watt

= 59.40%

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap posisi sikat, maka diperoleh efisiensinya seperti pada tabel berikut:

Tabel 4.3 Data Hasil Analisis Perubahan Posisi Sikat pada Motor DC Shunt

posisi sudut IL( amp ) Ia ( amp ) Ish ( amp ) n ( rpm ) efisiensi ( % )

-30 8.03 7.99 0.04 500 23.18

-20 10.15 10.11 0.04 500 2.93

-10 10.35 10.31 0.04 500 1.02

0 7.98 7.94 0.04 450 23.66

10 5.38 5.34 0.04 100 48.37

20 4.74 4.70 0.04 200 54.42

30 4.21 4.17 0.04 400 59.40

Dari hasil perhitungan didapat grafik efisiensi sebagai berikut:

Gambar 4.3 Grafik efisiensi motor DC

-10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

e fi si e n si ( % )

posisi sudut (derajat)

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari pembahasan yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Dari hasil analisis diperoleh efisiensi tertinggi sebesar 59,40% pada posisi sudut 300.

2. Arus jangkar tertinggi berada pada posisi sudut -100 yaitu sebesar 10,31 ampere.

5.2 Saran

Adapun beberapa saran yang bisa diberikan dari hasil tugas akhir ini adalah; 1. Disarankan untuk memperkecil jarak antar posisi sudut sikat agar lebih terlihat perubahan efisiensinya.

DAFTAR PUSTAKA

.

1. Lister, Eugene C.:“Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988.

2. Wijaya, Mochtar:”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta, 2001. 3. Zuhal:”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Penerbit

Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2000.

4. Rijono,Yon. “Dasar Teknik Tenaga Listrik”,Yogyajarta,1997.

5. Mehta, V.K. dan Rohit Mehta, Principles of Electrical Machines, New Delhi : S. Chand & Company Ltd., 2002.

6. Theraja, B.L, “A Text Book Of Electrical Technology”, Nurja Constuction & Development, New Delhi, 1989.