Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi LIstrik FT-USU)

“ PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN

SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL

( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI

LISTRIK FT – USU ) .“

Tugas Akhir Ini Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Menjadi Sarjana

Pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Disusun Oleh :

Nama : ANDREAS PINEM

NIM

: 99 04 22 006

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSION

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

`

Motor merupakan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis.

Pengoperasian motor arus searah sangat mudah pelaksanaannya sehingga masih

banyak

industri

yang

menggunakannya

walaupun

sangat

sulit

dalam

pemeliharaannya. Pengaturan kecepatan motor sangat diperlukan untuk berbagai

aplikasi. Untuk kelancaran proses di industri, biasanya motor diatur dengan

menggunakan elektronika daya yang berfungsi sebagai pengganti komponen yang

yang bersifat mekanis. Dalam pengaturan kecepatan motor arus searah terdiri dari

tiga metode yaitu dengan pengaturan tegangan jepit ( V

t

) , fluksi (

φ

) dan mengatur

tahanan jangkar ( R

a

)

.

Penggunan rangkaian elektronika dapat dilakukan dengan

metode kontrol phasa, integral siklus kontrol dan pengendalian dengan chopper

untuk pengaturan kecepatan motor arus searah. Integral siklus kontrol merupakan

pengaturan tegangan terminal motor arus searah dengan menggunakan thyristor dua

arah yang saling berlawanan untuk mengatur kecepatan.

Untuk itu tugas akhir ini akan menujukkan hasil penelitian tentang

pengaturan kecepatan motor arus searah penguatan shunt dengan integral siklus

kontrol . Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik, Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang

memberikan penulis terima sehingga Tugas Akhir ini selesai,guna melengkapi

dan memenuhi syarat untuk mencapai jenjang pendidikan Sarjana Teknik

Program Pendidikan Sarjana Ekstension Departemen Teknik Elektro Universitas

Sumatera Utara. Adapun Judul Tugas Akhir :

“ PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUATAN

SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL

( APLIKASI PADA LABORATORIUM KONVERSI ENERGI

LISTRIK FT – USU ) .“

Penulis menyadari bahwa tulisan ini tidak akan selesai tanpa adanya

bantuan dari semua pihak yang telah memberikan dukungan kepada penulis, oleh

karena itu sudah sepantasnyalah penulis menyampaikan ucapan terima kasih

kepada :

1. Bapak Ir. Mustafrind Lubis, selaku Pembimbing Tugas Akhir dan

Laboratorium Konversi Energi Listrik yang telah memberikan motivasi

dan pengarahannya tanpa mengenal waktu serta keadaan.

2. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-

USU.

3. Bapak Rahmat Fauzi ST. MT , selaku Sekretaris Departemen Teknik

Elektro FT-USU.

4. Seluruh staf pengajar di jurusan Teknik Elektro FT-USU yang telah

selama penulis di bangku perkuliahan.

6. Ayahanda dan Ibunda tercinta, istri dan anakku tersayang dan serta

seluruh sanak keluarga yang telah memberikan saran dan motivasi selama

penulis mengikuti pendidikan di perguruan tinggi.

7. Asisten – asisten Laboratorium Konversi Energi Elektrik seperti Fandi,

Ardiansyah, Andriuli, Farhan yang telah banyak membantu penulis dalam

menyelesaikan tugas akhir ini.

8. Rekan-rekan mahasiswa ekstension dan reguler yang tidak dapat

disebutkan satu persatu telah banyak membantu penulis dalam

menyelesaikan tugas akhir ini.

Akhirnya penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi

penulis pribadi dan juga semua pihak yang membutuhkan.

Medan, 07 Maret 2008

KATA PENGANTAR………... i

ABSTRAK……….. iii

DAFTAR ISI……… iv

BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar Belakang Penulisan……… 1

I.2. Tujuan Penulisan………. 2

I.3. Batasan Masalah………. 2

I.4. Metode Penulisan.……….. 2

I.5. Sistematika Penulisan……….. 3

BAB II. MOTOR ARUS SEARAH. II.1. Umum……….. 4

II.2. Konstruksi Motor Arus Searah...………. 5

II.3. Prinsip Kerja Motor Arus Searah……… 10

II.3.1. Torsi Induksi……….… 14

II.3.2. Gaya Gerak Listrik ( GGL ) Lawan..……… 17

II.3.3. Reaksi Jangkar..………... 18

II.3.3.1. Mengatasi Masalah Reaksi Jangkar..……… 22

II.4. Jenis – jenis Motor Arus Searah. II.4.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas.……….… 25

II.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Shunt..……… 24

II.4.3. Motor Arus Searah Penguatan Seri...………... 27

III.2. Pengaturan Medan ………. 29

III.3. Pengaturan Tegangan ………...………. 31

III.3.1. Kontrol Phasa………. ……… 33

III.3.2. Integral Siklus Kontrol….….……….. 36

III.3.3. Kontrol Chopper……..……….……….. 40

III.4. Pengaturan Tahanan Jangkar ………. 47

BAB IV PENGATURAN KECEPATAN MOTOR SEARAH SHUNT DENGAN INTEGRAL SIKLUS KONTROL. IV.1. Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol………... 49

IV.2. Peralatan Pengujian ……….. 49

IV.3. Spesifikasi Motor………... 51

IV.4.Rangkaian Pengujian ………. 51

IV.5. Prosedur Pengujian..……….. 52

IV.6. Data Hasil Pengujian ………….……… 53

IV.7. Analisa Data Pengujian ……… 54

BAB V KESIMPULAN……….. 60

BAB I PENDAHULUAN I.1. Umum

Motor merupakan alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis.

Motor arus searah terdiri dari penguatan bebas dan penguatan sendiri..

Pengontrolan kecepatan dengan mengunakan rangkaian elektronika banyak sekali

digunakan karena tidak membutuhkan alat yang banyak dan tempat sehingga

biaya yang dibutuhkan untuk pengaturan kecepatan motor tidak terlalu besar.

Dalam pengontrolan dengan menggunakan rangkaian elektronika terbagi tiga

yaitu :

1. Kontrol Phasa.

2. Integral Siklus kontrol

3. Kontrol chopper.

Integral siklus kontrol digunakan untuk mengatur kecepatan untuk motor arus

searah KW yang kecil dimana thyristor dua arah sebagai sumber AC yang lalu

disearahkan dengan menggunakan jembatan.

Atas dasar inilah penulis tertarik untuk melakukan penelitian pengaturan

kecepatan motor arus searah penguatan shunt dengan integral siklus kontrol.

I.2. Tujuan Penulisan.

Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui hubungan tegangan dari integral

siklus kontrol dengan kecepatan. Penelitian ini nantinya agar dapat digunakan

I.3. Batasan Masalah

Mengingat luas dan kompleksnya pembahasan yang akan dilakukan maka

untuk mengarahkan pembahasan perlu dilakukan pembatasan sebagai berikut :

1. Hubungan tegangan dengan kecepatan.

2. Motor dianggap dalam keadaan mantap.

3. Rugi-rugi yang diakibatkan oleh gesekan dan angin diabaikan sehingga

perlambatan yang terjadi dianggap hanya dari pengereman.

4. Harmonisa dianggap tidak ada.

I.4. Metode Penulisan

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks

pendukung.

2. Studi bimbingan, berkonsultasi dengan dosen pembimbing yang memegang

peranan penting dalam penulisan laporan tugas akhir ini.

3. Studi laboratorium, berupa pengujian kebenaran teoritis yang diperoleh pada

studi literatur dengan cara penerapan langsung pada peralatan di

Laboratorium.

4. Diskusi dengan Dosen dan rekan-rekan mahasiswa.

I.5. Sistematika Penulisan.

Untuk mengetahui gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat

Bab I Pendahuluan.

Bab ini menguraikan tentang latar belakang penulisan, tujuan penulisan,

pembatasan masalah, metode penulisan, serta sistematika penulisan.

Bab II Motor Arus Searah

Bab ini menjelaskan tentang motor arus searah secara teoritis, jenis-jenis motor

arus searah.

Bab III Jenis-jenis Pengontrolan Motor Arus Searah.

Bab ini merupakan suatu tinjauan mengenai jenis-jenis pengontrolan kecepatan

motor arus searah seperti kontrol phasa , integral siklus kontrol dan kontrol

chopper.

Bab IV Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt dengan Integral

Siklus Kontrol.

Bab ini akan menujukan hasil-hasil studi laboratorium yang berkenaan dengan

pengaturan kecepatan motor arus searah shunt dengan integral siklus kontrol,

rangkaian percobaan, prosedur pengujian, data hasil-hasil pengujian dan

penganalisaannya serta grafik.

Bab V kesimpulan.

Hal-hal yang dianggap penting dirangkumkan sebagai kesimpulan di dalam penulisan tugas akhir ini.

BAB II

MOTOR ARUS SEARAH

II.1. Umum(7,8).

Motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah energi

listrik menjadi energi mekanik, dimana energi gerak tersebut berupa putaran dari

motor.

Ditinjau dari segi sumber arus penguat magnetnya, motor arus searah

dapat dibedakan atas :

1. Motor arus searah penguatan terpisah, bila arus penguat medan rotor

dan medan stator diperoleh dari luar motor.

2. Motor arus searah penguatan sendiri, bila arus penguat magnet berasal

dari motor itu sendiri.

Motor arus searah dapat diklasifikasi sebagai berikut :

1. Motor arus searah penguatan shunt

2. Motor arus searah penguatan seri.

3. Motor arus searah kompon panjang.

• Motor arus searah kompon panjang kumulatif.

• Motor arus searah kompon panjang differensial. 4. Motor arus searah kompon pendek

• Motor arus searah kompon pendek kumulatif.

II.2. Kontruksi Motor Arus Searah(7,8).

Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi

atas dua bagian yaitu bagian yang diam disebut stator dan bagian yang

bergerak/berputar disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar

2.1.

Gambar 2.1. Konstruksi Motor Arus Searah.

Dari Gambar 2.1 dapat dilihat konstruksi dari motor arus searah.

Keterangan Gambar 2.1. sebagai berikut :

1. Badan motor ( rangka ).

Rangka ( frame atau yoke ) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin listrik

lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu :

1. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.

2. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin.

Untuk mesin kecil, dipertimbangan harga lebih dominan daripada 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

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

Medan penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub

( Gambar 2.2 ).

Gambar 2.2 Konstruksi kutub dan penempatannya.

Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah :

1. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar

maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet.

2. Sebagai pendukung secara mekanik untuk kumparan penguat atau kumparan

medan.

Inti kutub terbuat lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub

dilaminasi dan dibaut atau dikeling ( rivet ) ke rangka mesin. Sebagaimana

diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus searah dihasilkan

Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga ( berbentuk

bulat atau strip/persegi ) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu.

Kumparan penguat medan berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk

terjadinya proses elektromagnetik.

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 ferromanetik, 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-bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena

adanya arus linier ( Gambar 2.3 ).

Gambar 2.3. Inti jangkar yang terlapis-lapis.

Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon. Pada

4. Kumparan jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi tempat terbentuknya ggl

induksi.

kumparan jangkar terdiri dari :

1. Kumparan gelung

Gambar 2.4a. Kumparan gelombang

2. Kumparan gelombang.

5. Kumparan medan

Fungsi kumparan medan ini adalah untuk membangkitkan fluksi yang

akan dipotong oleh konduktor jangkar.

6. Komutator

Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar ,

sebagai penyearah mekanik, yang bersama-sama dengan sikat membuat sesuatu

kerjasama yang disebut komutasi. Agar menghasilkan penyearah yang lebih baik,

maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Dalam hal

ini setiap belahan ( segmen ) komutator tidak lagi merupakan bentuk separoh

cincin, tetapi sudah berbentuk lempengan-lempengan ( segmen komutator )

terdapat bahan isolasi ( Gambar 2.5 ) .

Gambar 2.5 Komutator

7. Sikat-sikat

Sikat-sikat ini ( Gambar 2.6 ) 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

Gambar 2.6 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 antara komutator-komutator dan sikat

tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak daripada

komutator.

II.3. Prinsip Kerja Motor Arus Searah(1,3,5,6)

Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet di

sekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu

medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti

diperlihatkan pada Gambar 2.7.

(a) (b) (c)

Pada Gambar 2.7.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 2.7.b menunjukkan sebuah medan magnet yang diakibatkan

oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan. Arah medan magnet adalah dari kutub

utara menuju kutub selatan.

Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan di

dalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.7.c. Daerah di atas konduktor, medan yang

ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama

dengan medan utama. Sementara di bawahnya, garis-garis magnet dari konduktor

arahnya berlawanan dengan 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 bila arah arus dalam

konduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di bawah konduktor akan

bertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehingga

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 2.8. 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 kutub utara menuju kutub selatan.

Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan ke sumber tegangan, pada

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 kedua kutub medan, sehingga menyebabkan

perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar

Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar,

merupakan akibat aksi gabungan medan utama dan medan di sekeliling

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 Lorentz (F) dapat ditulis:

F = B. I. L ...(2.1)

Dimana :

F = gaya Lorentz [ Newton ]

I = arus [ ampere]

L = panjang penghantar [meter]

B = Rapat fluksi [ Weber/m² ]

Sedangkan Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:

T = F .r...( 2.2 )

Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar daripada torsi beban maka

motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:

T = K φ Ia...( 2.3 ) K =

a 2

z p

Dimana :

T = torsi [ N-m ]

r = jari-jari rotor [ m ]

K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)

φ = fluksi setiap kutub Ia = arus jangkar [ A ]

p = jumlah kutub

z = jumlah konduktor

a = cabang paralel

.II.3.1. Torsi Induksi(1,5,6,7,8).

Apabila kumparan jangkar diletakkan diantara kumparan medan yang

mana medan magnetnya homogen, dimana kumparan jangkar ini dialiri arus maka

timbullah gaya ( F ) dapat diperlihatkan pada Gambar 2.9. Gaya ini akan

menimbulkan torsi pada rotor. Apabila torsi yang ditimbulkan lebih besar dari

torsi beban maka rotor akan berputar.

Besarnya torsi yang ditimbulkan adalah :

T = F r sin α [ N-m ]……….. (2.5)

Dimana :

r = jari-jari belitan [ m ]

α = Sudut terbentuk antara jari-jari belitan dan gaya dalam satuan derajat. Kalau pada suatu saat kumparan jangkar berada pada kedudukan

horizontal (α = 900 , torsi yang terjadi merupakan penjumlahan dari torsi masing- masing segmen ( Gambar 2.9 ).

Gambar 2.9. Torsi Induksi

A. Segmen ab.

Di segmen ini, arah arus menuju ke arah kita dan memotong fluksi dengan arah

tegak lurus.

Besar gaya terjadi :

Fab = B I L sin 90o

= B I L tegak lurus pada I dan B.

Torsi yang timbul karena gaya ini adalah :

Tab = F r sin α = B I L r sin 900

B. Segmen bc.

Di segmen bc, arah arus sejajar dengan arah fluksi, sehingga gaya yang terjadi

adalah :

Fbc = B I L sin 0o.

= 0

Jadi T bc = 0

C. Segmen cd.

Di segmen ini, arah arus menjauhi kita dan memotong fluksi, sehingga

gaya yang terjadi adalah :

Fcd = B I L sin 90o.

= B I L ( tegak lurus pada arah I dan B ).

Torsi yang timbul karena gaya ini sama dengan :

Tcd = F r sin α = B I L r sin 90o.

= B I L r ( dengan arah berlawanan putaran jarum jam ).

D. Segmen da

Di segmen ini, arah arus menuju ke arah kita dan memotong fluksi dengan

arah tegak lurus pada arah I dan B.

Besar gaya yang terjadi :

Fda = B I L sin 0o

= 0

Jadi Tda = 0

Torsi keseluruhan sama dengan :

T = B I L r + 0 + B I L r + 0

= 2 B I L r

Rumus ini berlaku untuk kumparan lilitan tunggal dimana jumlah konduktor 2

buah.

Untuk torsi yang dibangkitkan oleh satu konduktor adalah :

Tkond = B I L r………...( 2.6 )

Jika ada a percabang arus ( cabang paralel ) pada motor dan total arus jangkar

sebesar Ia, maka arus yang mengalir pada satu konduktor adalah :

I =

a I_a

………( 2.7 )

Dan torsi pada satu konduktor pada motor adalah :

Tkonduktor = B I L r = B L r

a I_a

………..( 2.8 )

Fluksi per kutub pada motor adalah :

φ = B Ap =

π φ π π 2 2 ) 2 ( P BLr P rLB P rL B = ⇒

= ………..…..( 2.9 )

Dimana :

Ap = luas penampang per kutub.

P = jumlah kutub.

Sehingga :

Tkonduktor =

a I P a

π φ

2 ………..………( 2.10 )

Total torsi yang dibangkitkan oleh motor bila jumlah Z konduktor adalah :

Tind = I_a

a ZP

φ π

Sehingga :

Tind = K φ Ia [ N – m ]...………..( 2.12 )

Dimana :

K =

a P Z

π

2 ………...( 2.13 )

II.3.2. Gaya Gerak Listrik ( GGL ) Lawan(7,8).

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 = Z nφ

a P

60 [ Volt ]………( 2.14 )

Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut :

Eb = K′nφ [ Volt ]………( 2.15 )

Dimana :

K′ = konstanta = 60 .

.

a Z P

………..( 2.16 )

II.3.3 Reaksi Jangkar (1,3,5,7,8)

Pengaruh ggm jangkar pada distribusi fluksi medan utama di celah udara

disebut reaksi jangkar. Ggm jangkar akan menghasilkan dua pengaruh yang tidak

1. Reduksi jala-jala pada fluksi medan utama masing-masing kutub

2. Distorsi gelombang fluksi medan utama masing-masing kutub

sepanjang celah udara.

Reduksi dalam fluksi utama untuk masing-masing kutub mengurangi

tegangan utama dan torsi yang dihasilkan, dimana distorsi fluksi medan utama

mempengaruhi batasan keberhasilan komutasi dalam mesin arus searah.

Gambar 2.10 memperlihatkan jalur fluksi untuk kutub utama dari mesin

arus searah dua kutub tanpa beban yaitu tanpa arus jangkar. Bila mesin arus

searah dibebani, maka arus akan mengalir di dalam kumparan jangkar. Arus ini

terlihat dalam Gambar 2.10(a) oleh dot pada kutub S (selatan) dan cross pada

kutub U (utara). Arus jangkar ini membentuk fluksi jangkar seperti terlihat dalam

2.10 (b). Jika mesin arus searah dari Gambar 2.10 bekerja sebagai motor, maka

jangkar haruslah berputar berlawanan arah dengan jarum jam, karena kutub U dan

S dari medan utama yang harus menarik kutub S, U yang dihasilkan oleh jangkar.

U S . . U S . . . . . . . . . A B A B

G a r is N e t r a l m e d a n t a n p a b e b a n q - a x i s

P e r m u k a a n k u t u b

R o t a s i g e n e r a t o r q - a x i s

q - a x is

. . . . . . . . . A B A r a h R o t a s i

g e n e r a t o r

A r a h R o t a s i M o t o r

S U

θ

G a r is n e t r a l M e d a n b e r b e b a n ( a )

( b )

( c )

d - a x i s

Gambar 2.10 Ilustrasi daerah distribusi dari (a) fluksi kutub medan (b)Fluksi jangkar (c) Resultan dari kedua fluksi.

Gambar 2.11 adalah gambar yang dikembangkan dari Gambar 2.10.(b) dan

pengujian dari gambar yang menunjukkan bahwa di bagian tengah inti jangkar

dan di dalam kutub yang berhadapan, jalur fluksi yang dibangkitkan oleh arus

jangkar tegak lurus dengan jalur fluksi utama. Dengan kata lain, jalur dari fluksi

jangkar ini menyilang jalur fluksi medan utama.

θ

θ

θ

Gambar 2.11. (a) Medan utama, (b) Medan Jangkar, dan (c) Resultan distribusi

fluksi

Dengan demikian, pengaruh gaya gerak magnet (ggm) jangkar pada medan utama

adalah merupakan magnetisasi silang yang disebut fluksi silang. Ketika arus

mengalir ke dalam jangkar dan kumparan medan, maka distribusi fluksi resultan

diperoleh dari menggabungkan dua fluksi Gambar 2.11 (a) dan (b). Ini akan

diilustrasikan dalam Gambar 2.11. (c). Akan terlihat bahwa fluksi reaksi jangkar

memperkuat fluksi medan utama di satu bagian dan melemahkan fluksi medan

dibagian lain pada kutub utama. Jika tidak ada kejenuhan magnetik, maka jumlah

penguatan dan pelemahan dari fluksi medan utama adalah sama dan fluksi

resultan per kutub masih tetap tidak berubah dari nilai tanpa bebannya. Secara

aktual, kejenuhan magnetik akan terjadi, dan akibatnya, efek kekuatan ini lebih

kecil dibandingkan dengan efek kelemahan dan fluksi resultan berkurang dari

nilai tanpa beban. Ini disebut efek demagnetisasi dari reaksi jangkar.

Masalah kedua akibat adanya reaksi jangkar adalah pelemahan fluksi.

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik

jenuhnya. Pengaruh kejenuhan magnetik pada reduksi fluksi medan utama dapat

dijelaskan dengan bantuan Gambar 2.12. Pada sisi lain dari sumbu d, ggm

resultan adalah (Fk-Fj) dimana Fk = ggm medan utama dan Fj = ggm jangkar.

Untuk Fj positif digunakan pada sisi kanan dari sumbu d dan negatif pada sisi kiri

sumbu d dalam Gambar 2.12. Untuk +Fk, ggm resultan adalah Fk + Fj. Karena

pada lokasi di permukaan kutub dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor

menambahkan permukaan kutub dan ggm rotor mengurangi ggm kutub, terdapat

penurunan rata-rata kerapatan fluks yang lebih besar : ΔΦn < ΔΦt , sehingga

penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub

Φ

∆

Φ

Φ Φ

∆

∆

∆Φ

Gambar 2.12 Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar

Akibat pelemahan fluks ini pada motor arus searah efek yang ditimbulkan

menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus

searah khususnya motor arus searah paralel akan demikian cepatnya hingga tak

terkendali.

II.3.3.1. Mengatasi Masalah Reaksi Jangkar(7,8).

Ada 3 cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat reaksi

jangkar, yaitu :

1. Pergeseran sikat ( brush shifting ).

Ide dasarnya adalah memindahkan sikat seirama dengan perpindahan

bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang mungkin timbul.

Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang

netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin

perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat ini akan memperburuk

melemahnya fluksi akibat reaksi jangkar mesin dapat diperlihatkan pada

Gambar 2.13 .

Γ Γ

Γ

Γ

Γ Γ

Gambar 2.13 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral melawan arah putar.

2. Kutub bantu ( interpole ).

Ide dasar dari solusi masalah ini jika nilai 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-kutub utama. Kutub bantu ( interpoles ) ini dihubungkan seri terhadap kumparan jangkar dapat diperlihatkan pada Gambar 2.14.

Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus jangkar 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 juga fluks kutub bantu juga meningkat,

menghasilkan tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan

U S ω

V_T

I_A I_A

_

+

Gambar 2.14. Kumparan mesin arus searah yang dilengkapi dengan kutub bantu.

3. Belitan kompensasi ( compensating windings ).

Untuk kerja motor yang berat masalah pelemahan fluksi menjadi sangat

penting. Untuk mengatasi masalah tersebut salah satunya dengan menambah

belitan kompensasi. Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadp kumparan

jangkar., kumparan jangkar ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang

timbul akibat reaksi jangkar. Fluksi yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar

diimbangi oleh fluksi belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan.

Ketika beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi

oleh fluksi belitan kompensasi sehingga bidang netralnya tidak bergeser. Gambar

menunjukkan konsep dasar efek belitan kompensasi. Pada Gambar 2.15.a

menunjukkan fluksi yang ditimbulkan. Gambar 2.15.b menunjukkan fluksi

jangkar dan fluksi kompensasi.Gambar 2.15.c menunjukkan fluksi total dari motor

U S

( a )

ω

U S

( b )

ω

Bidang netral tidak digeser dalam keadaan berbeban

U S

( c )

ω

Gambar 2.15. Efek belitan kompensasi pada motor arus searah.

II.4. Jenis-jenis Motor Arus Searah(1,5,7,8)

II.4.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas

1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

2. Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas

Vt = Ea + Ia.Ra………..……….…….(2.17)

Vf = If . Rf………..…………(2.18)

dimana :

Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah [ Volt ].

Ia = arus jangkar [ Amp].

Ra = tahanan jangkar [ Ohm ].

If = arus medan penguatan bebas [ Ohm ].

Vf = tegangan terminal medan penguatan bebas [ Volt ].

Rf = tahanan medan penguatan bebas [ Ohm ].

Ea = gaya gerak listrik motor arus searah [ Volt ].

II.4.2 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

+

-E_a R_a R_sh

V_t

I_sh

I_a I_L

+

-Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt

Vt = Ea + Ia.Ra………..…..(2.19)

Vsh = Vt = Ish . Rsh…….………...………..…..(2.20)

dimana :

Ish = arus kumparan medan shunt [ Ohm ].

Vsh = tegangan terminal medan motor arus searah [ Volt ].

Rsh = tahanan medan shunt [ Ohm ].

IL = arus beban [ Amp ].

II.4.3 Motor Arus Searah Penguatan Seri

1. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

2. Persamaan umum motor arus searah seri.

Vt = Ea + Ia (Ra + Rs)………...…..(2.22)

t a

a

a s

V - E

I = ( )

R + R ………..…..(2.23)

Ia = IL ………(2.24)

dimana :

Is = arus kumparan medan seri [ Amp ].

Rs = tahanan medan seri [ Ohm ].

II.4.4 Motor Arus Searah Penguatan Kompon + -Ea Ra Rs Vt Ia IL + -Ish Rsh + -E_a R_a Rs V_t Ia IL + -Ish R_sh (a) (b)

Gambar 2.19(a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang lawan. (b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon panjang Bantu.

Vt = Ea + Ia.(Rs + Ra)…....………..…..(2.25)

Vt = Ish.Rsh…..………..…..(2.26)

IL = Ish + Ia……….………...…(2.27)

+ -E_a R_a R_s V_t I_a I_L + -I_sh R_sh + -E_a R_a R_s V_t I_a I_L + -I_sh

R_{s h}

(a ) (b )

Gambar 2.20 (a) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek lawan

(b) Rangkaian ekivalen motor arus searah kompon pendek Bantu.

Vt = Ea + IL.Rsh + Ia.Ra………..…..(2.28)

Vt = Ish.Rsh………..………..…..(2.29)

BAB III

JENIS-JENIS PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC

III.1. Umum

(2,3)

.

Motor DC pada saat sekarang ini diberi sumber AC yang lalu disearahkan

dengan dioda dan bila dibandingkan langsung dengan sumber DC yang didalam

aplikasinya banyak juga yang mengantikan dioda dengan thyristor yang digunakan

dalam berbagai kombinasi kontrol kecepatan melalui penyesuaian tegangan ke motor.

Dasar metode pengendalian motor DC sebagai berikut :

1.

Pengaturan medan.

2.

Pengaturan tegangan.

3.

Pengaturan tahanan jangkar.

III.2. Pengaturan Medan

(2,3)

.

Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan arus medan shunt dengan

melemahkan dan menaikkan melalui pengaturan tahanan variabel yang dihubungkan

seri dengan kumparan medan seperti pada Gambar 3.1.

+

-Ea

Ra

Vt

Ia

IL

+

-Ish

R_var

Rsh

n

Berdasarkan Persamaan 2.19 dan 2.20 didapatkan :

V

t

= E

a

+ I

a

.R

a

E

a

= V

t

- I

a

.R

a.

E

a

= c. n

φ

sh

...( 3.1 )

Sehingga didapatkan berdasarkan subsitusi Persamaan 2.20 dan 3.1 :

n =

sh a a t

.

c

R

.

I

V

φ

−

...( 3.2 )

φ

sh

≈

I

sh

dimana :

n = Putaran kecepatan motor [ rpm ].

V

t

= Tegangan terminal [ Volt ].

I

a

= Arus jangkar [ Ampere ].

c = Konstanta.

φ

sh

= Fluks medan shunt [ Wb ]

I

sh

= Arus shunt [ Ampere ]

Berdasarkan Persamaan 2.20 :

V

sh

= V

t

= I

sh

. R

sh

sehingga :

I

sh

=

Variabel sh

t

R

R

V

+

...( 3.3 )

Dimana :

I

sh

= Arus medan shunt [ Ampere ].

R

variabel

= Tahanan variabel [ Ohm ].

V

t

= Tegangan terminal [ Volt ].

III. 3. Pengaturan Tegangan

(2,3)

..

Pengaturan ini dilakukan dengan mengatur tegangan yang disuplai ke motor

seperti Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Pengaturan tegangan pada motor DC penguatan shunt.

Berdasarkan Persamaan 2.19, 2.20 dan 3.1 serta didapatkan :

V

t

= E

a

+ I

a

.R

a

E

a

= V

t

- I

a

.R

a.

E

a

= c. n

φ

sh

n =

sh a a t

.

c

R

.

I

V

φ

−

dimana :

n = Putaran kecepatan motor [ rpm ].

V

t

= Tegangan terminal [ Volt ].

I

a

= Arus jangkar [ Ampere ].

φ

sh

= Fluks medan shunt [ Wb ]

I

sh

= Arus shunt [ Ampere ].

Motor DC pada saat sekarang ini diberi sumber AC yang lalu disearahkan

dengan dioda dan bila dibandingkan langsung dengan sumber DC yang didalam

aplikasinya banyak juga yang mengantikan dioda dengan thyristor yang digunakan

dalam berbagai kombinasi kontrol kecepatan melalui penyesuaian tegangan ke motor.

Berdasarkan pengaturan tegangan mengunakan thyristor terbagi atas 3 bagian sebagai

berikut :

a.

Kontrol phasa.

Dimana sumber AC dipotong gelombang negatifnya sehingga yang terhubung ke

motor adalah gelombang positifnya dan pengontrolan ini dapat digunakan untuk

semua daya motor.

b.

Integral siklus kontrol

Dengan memotong gelombang AC sehingga merubah nilai tegangan AC atau disebut

juga AC Kontroler, yang dihubungkan dengan jembatan dioda.Metode ini hanya

bermanfaat untuk ukuran motor mempunyai daya yang kecil.

c.

Kontrol chopper.

Dengan mengendalikan tegangan rms masukkan ke motor melalui metode

pensaklaran. Metode ini digunakan untuk pada saat start awal motor.

III.3.1. Kontrol Phasa

(2,3)

.

Thyristor dapat digunakan untuk mendapatkan satu keluaran besaran searah

yang dapat diubah-ubah dari suatu suplai bolak-balik.

Kontrol fasa adalah penyalaan thyristor pada sudut penyalaan tertentu pada setiap

setengah periodanya ( 0

0

– 180

0

), yang menyebabkan gelombang tegangan output

terpotong-potong dari 0% sampai 100 % seperti terlihat pada Gambar 3.3.

1

α

_θ

θ

ω

t

ω

t

1

α

Gambar 3.3. Bentuk gelombang yang terpotong-potong pada output, yang bergantung

pada besar sudut penyalaan

α

.

Sudut penyalaan

α

1

lebih besar dari sudut penyalaan

α

2

sehingga 3.3a lebih kecil dari

a.

Kontrol fasa vertikal adalah cara mentrigger thyristor dengan

memanfaatkan sifat thyristor di mana tegangan break-overnya dapat

diperendah dengan memperbesar arus triggernya seperti Gambar 3.4. I

gt1

lebih kecil dari I

gt2

yang menyebabkan V

br1

lebih besar daripada V

br2

sehingga

α

1

>

α

2

dan daya I < daya II. Dalam prakteknya cara vertikal ini

kurang praktis juga sudut penyalaan

α

hanya bisa diatur dari 0

0

sampai

90

0

. Sehingga banyak yang memakai kontrol fasa horizontal yang lebih

aman serta menghasilkan pengaturan sudut

α

dari 0

0

sampai 180

0

.

VR

D

Beban SCR

R1

R₂

V_out

1

α α2

ω

ω

ω

Gambar 3.4 Pengaruh besar I

GT

( trigger ) terhadap pemotongan gelombang tegangan

b.

Kotrol fasa horizontal memanfaatkan sifat thyristor di mana pada

sembarang waktu yang memenuhi syarat-syarat “on”nya, pemberian arus

trigger seketika akan menyebabkan thyristor konduksi (“on”) seperti

Gambar 3.5.

TRIAC

RANGKAIAN TRIGGER

I_GT

Beban Vout

Vin

I_GT Vin

π

2

π

α

α

π +

α

π

2

π

t

ω

t

ω

t

ω

t

ω

V_m V_s

g₁

g₂ V_m

Pulsa Gate MT2

Pulsa Gate

MT 1

Bahwa I

gt1

= I

gt2

=I

gt3

, besar sudut

α

dapat diatur dengan rangkaian elektronik. Jika

α

1

<

α

2

<

α

3

, maka daya I > daya II > daya III. Keunggulan cara ini adalah besar sudut

α

dapat diatur dari 0

0

– 180

0

yang menghasilkan pengaturan daya output dari 0

0

– 100

0

.

III.3. 2. Integral Siklus Kontrol

(2,3)

.

Selama tegangan masukkan setengah siklus positif, daya yang mengalir

dikontrol oleh beberapa sudut tunda dari thyristor T

1

dan thyristor T

2

mengalami daya

selama tegangan masukan setengah siklus negatif. Pulsa-pulsa yang dihasilkan pada

T

1

dan T

2

terpisah 180

0

. Bentuk gelombang untuk tegangan masukan, tegangan

keluaran, dan sinyal gerbang untuk T

1

dan T

2

ditunjukan pada Gambar 3.6c.

T₂ I₂

I₁

G

MT₁ T₁

MT₂

a). Ekivalen TRIAC

Fasa

Netral

G V

input

Beban V

out Pengontrol Gate

MT_{2 MT}

1

π

_π

2

α

α π + α

π

2

π

t ω t ω t ω t ω V_m V_s g₁ g₂ V_m

Pulsa Gate MT₂

Pulsa Gate MT₁

c). Gelombang

Gambar 3.6. Pengontrol gelombang penuh satu fasa.

Jika

V

s

=

2

V

s

sin

ω

t

adalah tegangan masukan dan sudut tunda thyristor T

1

dan T

2

sama

(

α

1

=

α

2

=

α

)

, tegangan keluaran rms ditentukan melalui :

2 1 2

0

2

sin

(

)

2

2













=

_∫

π

α

ω

ω

π

V

t

d

t

V

_S

2 1 2

0

(

1

cos

2

)

(

)

4

4













−

=

∫

π

α

ω

ω

π

t

d

t

V

V

S 2 1 0

2

2

sin

1

























₋

₊

=

π

α

α

π

S

V

V

……….………..(3.4)

Metode integral bisa disebut juga dengan “bust firing”. Diagram rangkaian

dapat ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Tegangan Keluaran pada Pengontrolan Integral Siklus Kontrol

Berdasarkan bentuk gelombang pengeluaran rangkaian integral siklus kontrol seperti

yang digambarkan pada Gambar 3.7. Tegangan keluaran pada dasarnya merupakan

siklus setengah. Jika saklar S ditutup dan dibuka pada siklus n dan m. Nilai tegangan

keluaran rms seperti Persamaan sebagai berikut :

V

o

=

(

)

(

)

( )

2 1

0

2

t

d

t

sin

V

.

2

m

n

n













ω

ω

+

π

∫

π

... ( 3.5 )

V

o

= V

V

k

m

n

n

=

Tegangan keluaran dari integral siklus kontrol disuplai ke motor DC

penguatan shunt seperti Gambar 3.8.

( a ).

C1 C2

C V

ω

( b )

Gambar 3.8 Integral siklus kontrol.

a). Rangkaian kontrol b). Siklus operasi

Suplai diswitch pada siklus C

1

dan dibuat off dengan integral siklus C

2.

Bila

satukan siklus switch on/off adalah C = C

1

+ C

2

seperti Gambar 3.8.b dan siklus ini

terus berulang. Pensaklaran diakibatkan oleh thyristor seperti Gambar 3.8.a. Inilah

yang mengakibatkan cepat atau lambatnya motor dengan menggunakan thyristor

untuk menurunkan tegangan r.m.s sumber.

Tegangan rata-rata interval penuh dari pengsaklaran sebagai berikut :

)

/

(

2

2

2 1

C

C

V

V

_{d ph}

π

=

φ

c

R

I

V

n

=

d

−

a a

………..………..(3.5)

dimana :

V

d

= tegangan rata-rata/tegangan terminal [ Volt ]

V

ph

= tegangan satu phasa [ Volt ]

C

1

= siklus 1 “ ON ”

C

2

= siklus 2 “ OFF ”

n

= putaran (rpm)

III.3.3. Kontrol Chopper.

Pada banyak aplikasi industri, diperlukan untuk mengubah sumber tegangan

dc tetap menjadi sumber tegangan dc yang bersifat variabel. DC ch opper mengubah

secara langsung dari dc ke dc dan biasanya hal ini biasa disebut konverter dc ke dc.

Chopper dapat disebut sebagai dc, sama dengan trafo ac dengan mensuplai tegangan

yang variabel secara terus menerus. Seperti trafo, chopper dapat digunakan untuk

menaikkan dan menurunkan sumber tegangan dc.

Chopper secara luas digunakan untuk mengkontrol perputaran motor traksi

pada automobil elektrik, mobil trolley, kapal pengangkut, truk forklift dan lain-lain.

Chopper menghasilkan putaran yang baik, efisiensi yang tinggi dan respons dinamik

yang cepat. Selain itu dapat pula digunakan untuk pengereman regeneratif pada

motor-motor dc untuk mengembalikan energi pada sumber, dan hal ini menghasilkan

adanya penghematan energi untuk transportasi dengan adanya pemberhentian yang

sering dilakukan. Chopper digunakan pada regulator tegangan dc dan juga digunakan,

pada penghubung dengan induktor, untuk membangkitkan sumber arus dc, terutama

untuk pembalik arus.

DC Chopper mempunyai 2 prinsip kerja antara lain :

a. Prinsip Kerja Step-Down

Prinsip kerja step down dapat dijelaskan melalui Gambar . Ketika saklar

SW ditutup selama waktu t

1

, tegangan masukan V

s

muncul melalui beban. Bila saklar

tetap off selama waktu t

2

, tegangan melalui beban adalah nol. Bentuk gelombang

untuk tegangan keluaran dan arus beban juga menunjukkan pada Gambar 3.9

R V_o

V_s SW

V_H

Chopper

-+ ₊

-a). Rangkaian

t₁ t2

T

t V_s

0 V_o

t₁

t t₂

kT 0

V_s/R i

b). Bentuk Gelombang

Tegangan keluaran rata-rata diberikan oleh :

V

o

=

s s s

t

o

V

ft

V

kV

T

t

dt

V

T

∫

=

=

1

=

1

0

1

1

………..…….(3.6)

dan arus beban rata-rata, I

a

= V

a

/ R = k V

s

/R, dengan T adalah periode chopping, k =

t

1

/T adalah duty cycle chopper, dan f adalah frekuensi chopping. Nilai rms tegangan

keluaran ditentukan dari :

V

o

=

s

kT

V

k

dt

V

T



=







∫

2 1 0 2 0

1

………..………..…(3.7)

Dengan mengasumsikan bahwa tidak ada rugi-rugi pada chopper maka daya masukan

pada chopper sama dengan daya yang diberikan dengan,

∫

∫

=

=

=

kT s kT i

R

V

k

dt

R

v

T

dt

i

v

T

P

0 2 2 0 0 0

1

1

………..………...(3.8)

Resistansi masukan efektif yang dilihat dari sumber adalah ;

k

R

R

kV

V

I

V

R

s s a s

i

=

=

=

/

………..………...(3.9)

Duty cycle k dapat divariasikan dari 0 sampai 1 dengan bervariasi menurut t

1

, T dan f.

Maka tegangan keluran V

0

dapat divariasikan dari 0 sampai V

s

dengan mengatur k,

dan aliran daya dapat diatur melalui :

1.

Operasi pada frekuensi konstan

.

Frekuensi chopping f ( atau periode chopping T ) dijaga tetap dan waktu on t

1

divariasikan. Lebar pulsa bervariasi dan kontrol jenis ini dikenal dengan nama

kontrol

pulse-widht-modulation

( PWM ).

2.

Operasi pada frekuensi yang variabel

Frekuensi chopping f bervariasi. Pada waktu on t

1

atau pada waktu off t

2

dijaga tetap. Ini disebut

modulasi frekuensi

. Frekuensi divariasikan untuk batasan

yang lebar untuk mendapatkan batasan tegangan keluaran yang penuh. Kontrol

jenis ini membangkitkan harmonisa pada frekuensi yang tidak bisa ditentukan

sehingga akan sangat sulit untuk merancang filter.

b. Prinsip Kerja Step-Up

Chopper dapat digunakan untuk menaikkan tegangan dc. Susunan kerja untuk

operasi step-up ditunjukkan pada Gambar. Bila saklar SW ditutup selama waktu t

1

,

arus induktor menjadi naik dan energi akan disimpan pada induktor L. Bila saklar

dibuka selama waktu t

2

, energi yang tersimpan pada induktor akan dipindahkan ke

beban melalui diode D

1

dan arus induktor menjadi jatuh. Dengan asumsi bahwa arus

yang mengalir adalah tetap,bentuk gelombang untuk induktor ditunjukkan pada

Gambar 3.10

Bila chopper di-on-kan , tegangan yang melalui induktor adalah;

dt

di

L

v

L

=

……….………..…....(3.10)

Vo +

-Beban VL

L D1

Chopper _C L VS

IL i +

-+

t I1

∆I

t1 t2

I2

I2

i

0 I1

b). Bentuk Gelombang arus

S o V V 1 2 3 4 5 6 7 k 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

c). Tegangan Keluaran

Gambar 3.10 Susunan Kerja Untuk Operasi Step-Up.

dan ini memberikan arus ripple puncak ke puncak pada induktor,

1

t

L

V

I

=

s

∆

………...(3.11)

Tegangan keluaran instantaneous adalah

k

V

t

t

V

t

I

L

V

v

o s S s

−

=









+

=

∆

+

=

1

1

1

2 1 2

………..………(3.12)

Bila sebuah kapasitor C

L

dihubungkan dengan beban seperti terlihat pada

garis putus-putus pada Gambar. Tegangan keluaran akan tetap dan v

o

akan menjadi

nilai rata-rata V

a

. Bila kita perhatikan dari Persamaan ( 3.12 ) bahwa tegangan yang

keluaran minimum adalah V

s

bila k = 0. Namun demikian, chopper tidak dapat on

terus-menerus sehingga k=1. Untuk nilai k yang cenderung menuju satu, tegangan

keluaran menjadi sangat besar dan sangat sensitif untuk mengubah nilai k, seperti

terlihat pada Gambar 3.11.

Prinsip ini dapat diaplikasikan untuk memindahkan energi dari satu sumber

tegangan ke lainnya seperti terlihat pada Gambar 3.11.b. Rangkaian ekivalen untuk

mode-mode operasi ditunjukkan pada Gambar.3.11.c. Arus induktor untuk mode I

diberikan sebagai berikut.

dt

di

L

V

_s

=

1

……….……….(3.13)

Vo +

-VL

L D₁

Chopper VS

I_L i +

-+

-a). Diagram Rangkaian.

L

Mode 1

Mode 1 VS

I2

VS

L +

-+

I2

I1

i

I1

kT T

I2

t1 t2

t

c). Bentuk gelombang arus.

Gambar 3.11. Susunan gelombang arus

dan dinyatakan sebagai

1 1

(

)

t

I

L

V

t

i

=

S

+

………..…………(3.14)

Dimana i

1

adalah arus mulauntuk mode 1. Selama mode 1, arus harus meningkat dan

kondisi yang penting adalah,

0

1

〉

dt

di

untuk

V

_S

〉

0

Arus untuk mode 2 diberikan sebagai berikut,

E

dt

di

L

V

_S

=

2

+

………..……….(3.15)

dan penyelesaiannya adalah ;

2

2

(

)

t

I

L

E

V

t

i

=

S

−

+

……….……..(3.16)

dengan I

2

adalah arus mula untuk mode 2. Untuk sistem yang stabil, arus harus turun

0

2

〈

dt

di

dan

V

_s

〈

E

Bila kondisi ini tidak memenuhi,arus induktor akan tetap naik dan akan terjadi tidak

stabil. Maka, kondisi untuk pemindahan daya yang terkontrol adalah :

E

V

S

〈

〈

0

………...………..………(3.17)

Persamaan (3.15) menyatakan bahwa sumber tegangan V

s

, harus lebih kecil dari

tegangan E agar transfer daya dari sumber yang tetap ( atau variabel ) ke tegangan dc

tetap bisa dilakukan. Pada pengereman elektris motor-motor dc, dengan motor-motor

bekerja sebagai genarator dc, tegangan terminalnya akan jatuh bila kecepatan mesin

berkurang. Chopper dapat memindahkan daya ke sumber dc tetap atau rheostat.

Bila chopper di-on-kan, energi akan dipindahkan dari sumber V

s

ke induktor

L. Dan bila chopper di-off-kan sejumlah energi yang tersimpan pada induktor akan

dipindahkan ke baterai E.

III. 4. Pengaturan Tahanan Jangkar

(2,3)

..

Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan tahanan jangkar dengan

menghubungkan seri dengan tahanan variabel seperti Gambar 3.11.

Berdasarkan Persamaan 3.2 didapatkan :

n =

sh a a t

.

c

R

.

I

V

φ

−

n =

(

)

sh var a a t

.

c

R

R

I

V

φ

+

−

...( 3.18 )

dimana :

n = Putaran kecepatan motor [ rpm ].

V

t

= Tegangan terminal [ Volt ].

I

a

= Arus jangkar [ Ampere ].

c = Konstanta.

φ

sh

= Fluks medan shunt [ Wb ]

Metode ini jarang digunakan karena menyebabkan rugi-rugi cukup besar dan

sangat mempengaruhi efisiensi motor.

INTEGRAL SIKLUS KONTROL.

IV.1. Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

Dengan memotong gelombang AC sehingga merubah nilai tegangan AC

atau disebut juga AC Kontroler, yang dihubungkan dengan jembatan dioda.

Metode ini hanya bermanfaat untuk ukuran motor mempunyai daya yang kecil.

Metode integral bisa disebut juga dengan “bust firing”.

IV.2. Peralatan Pengujian.

Percobaan yang akan dilaksanakan menggunakan komponen dan peralatan

antara lain:

1. Komponen Elektronika.

Berupa komponen elektronika untuk digunakan dalam penelitian ini

digunakan komponen-komponen sebagai berikut :

R1 = 1kΩ/ 0,25 Watt R2 = 2200 Ω/0,25 Watt

R3 = 4700 Ω/0,25 Watt R4 = 100 Ω/0,25 Watt

R5 = 1kΩ/0,25 Watt R6 = 100 Ω/0,25 Watt

R7 = 470 Ω/ 5 Watt C1 = 220nF/ 100 Volt

C2 = 220nF/ 200 Volt. Dioda Zener = 22 V/ 1,5 Watt

Potensio mono = 50kΩ Triac = BT139 ( 16A/ 500 V)

UJT = 2N2646

2. Machines Controlled Panel MCP 182.

Terdiri dari alat ukur dan catu daya sebagai berikut ( Gambar 4.1 ) :

2 unit Power Supply AC/DC

1 Unit Variable resistor 0-200 Ω 1 Unit Voltmeter DC 0-250 Volt

2 Unit Ampermeter DC 0-10 A dan 0-5 Ampere

1 Unit Voltmeter AC 0-500 Volt

1 Unit Ampermeter AC 0-10 Ampere

Gambar 4.1.Machines Controlled Panel ( MCP ) 182.

3. Oscilloscope 2 Channell.

Yaitu bagian alat peraga bentuk gelombang tegangan sumber dan tegangan

beban.

4. Power Suplai 3 Phasa.

IV.3. Spesifikasi Motor.

Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah :

Name Plate Mesin I / 61- 001

P = 2 kW = 2,6 HP n = 1500 rpm

Kelas Isolasi B p = 23 Slot

Veksitasi dan armature = 220 V Error 220 V, 0,64 A

Hasil Pengukuran :

Medan Shunt / Bebas ( J – K ) = 0,287 KΩ Jangkar ( GA – HB ) = 0,31 Ω

IV.4. Rangkaian Pengujian.

IV.4.1. Rangkaian Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

IV.4.2.Rangkaian Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

DC AC R1 DZ Pot R2 R3 C1 R4 R6 R5 R7 C2 Triac UJT Suplai 1 Suplai 2

D1 D3

D2 D4

Rsh Ia Ea Ea Ra A A IL V V V A A Ish

Gambar 4.3. Rangkaian Integral Cycle Control ke Motor DC Shunt tanpa beban.

IV.5. Prosedur Pengujian.

IV.5.1. Pengaturan Kecepatn Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

Setelah semua peralatan selesai dirangkai sesuai dengan Gambar 4.2,

lakukan prosedur sebagai berikut :

1. Power suplai pada MCP 182 di Onkan, geser switch 1 ke AC .

2. Set power suplai AC ke tegangan yang diinginkan sehingga mencapai

220Volt, 200Volt, 180Volt, 160Volt dan 140Volt serta arus medan

shunt ( Ish = 0,4Ampere) tetap konstan.

3. Lalu catat putaran (n rpm),arus jangkar ( Ia Ampere).

IV.5.2. Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

Setelah semua peralatan selesai dirangkai sesuai dengan Gambar 4.3,

1. Power suplai pada MCP 182 di Onkan, geser switch 1 ke DC dan

Switch 2 ke AC.

2. Set power suplai 1 ke 10 Volt DC untuk Gate.

3. Atur sensisitivitas Channel X osiloskop 5 volt/div dan time 5 ms/div.

4. Set power suplai 2 ke tegangan yang diinginkan, atur sudut penyalaan

dan set ulang tegangan keluaran sehingga mencapai 220Volt, 200Volt,

180Volt, 160Volt dan 140Volt serta arus medan shunt

( Ish= 0,4Ampere) tetap konstan.

5. Lalu catat putaran (n rpm),arus jangkar ( Ia Ampere).

IV.6. Data Hasil Pengujian.

IV.6.1.Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol

Ish = 0,4 A

Vt ( Volt ) n ( rpm ) IL ( A )

0 0 0

140 1000 0,77

160 1125 0,82

180 1250 0,83

200 1400 0,85

IV.6.2.Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

Ish = 0,4 A

Vsumber ( Volt ) Vt ( Volt ) n ( rpm ) IL ( A )

0 0 0 0

161 140 1000 0,77

182 160 1125 0,82

198 180 1250 0,83

211 200 1400 0,85

231 220 1500 0,89

IV.7. Analisa Data Pengujian .

IV.7.1. Analisa Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

Hasil Pengujian Data I tanpa Integral Cycle Control

M

R_sh = 287 Ohm

Ish IL

I_a

Vt

Ea _R

a = 0,31 Ohm

n

R_var

Vf = Vt = If .( Rf + Rdiv )

If =

var

R R

V

f t

+

= 0,4Ampere

63 287

140

= +

Ia = IL - If Ia = 0,77 – 0,4 Ia = 0,37 Ampere.

Ea = Vd – ( Ia. Ra ) Ea = 140 – ( 0,41.0,31 ) Ea = 139,87 Volt

n = φ . ) ( K R I V_d − _a + _a

n = x 1000rpm

1399 , 0 ) 31 , 0 37 , 0 ( 140 = −

IV.7.2. Analisa Pengaturan Kecepatan Motor Dc Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

M

R_sh = 287 Ohm

Ish IL

I_a

Vd E_a

R_a = 0,31 Ohm

n

R_var

Hasil Pengujian Data I dengan Integral Cycle Control :

) / ( 2 2 2 1 C C V V_{d ph}

π =

(

)

ph d V V C C 2 2 / 2 1 π = = 161 2 2 140 π

= 0,96

Vf = Vt = If .( Rf + Rdiv )

If =

var R R V f t +

= 0,4Ampere

63 287

140

= +

Ia = IL - If Ia = 0,77 – 0,4 Ia = 0,37 Ampere.

Ea = Vd – ( Ia. Ra ) Ea = 140 – ( 0,41.0,31 ) Ea = 139,87 Volt

n = φ . ) ( K R I V_d − _a+ _a

n = x 1000rpm

1399 , 0 ) 31 , 0 37 , 0 ( 140 = −

Cara perhitungan yang dilakukan untuk data yang lain dengan cara yang sama maka didapatkan hasil perhitungan seperti Tabel IV.1.

Tabel 4.1

Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

Ish = 0,4 A

V d( Volt ) n ( rpm ) IL ( A ) Ia ( A ) Ea (Volt)

0 0 0 0 0

140 1000 0,77 0,37 139,885

160 1125 0,82 0,42 159,87

180 1250 0,83 0,43 179,87

200 1400 0,85 0,45 199,86

Tabel 4.1

Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol

Ish = 0,4 A

Vsumber ( Volt ) V d( Volt ) n ( rpm ) IL ( A ) Ia ( A ) Ea (Volt) C1/C2

0 0 0 0 0 0 0

161 140 1000 0,77 0,37 139,885 0,99

182 160 1125 0,82 0,42 159,87 0,99

200 180 1250 0,83 0,43 179,87 1

230 200 1400 0,85 0,45 199,86 0,965

267 220 1500 0,89 0,49 219,85 0,96

Dari data pengujian akan diperoleh grafik sebagai berikut.

Putaran VS Tegangan

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 50 100 150 200 250

Tegangan ( Vt ) Volt

P

u

ta

ra

n

(

n

)

r

p

m

Gambar 4.4. Grafik Kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt tanpa integral kontrol.

Putaran VS Arus Jangkar 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

P u ta ra n ( n ) rp m

Gambar 4.5. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt tanpa integral siklus kontrol.

Putaran VS Tegangan

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 50 100 150 200 250

Tegangan ( Vt ) Volt

P u ta ra n ( n ) r p m

Gambar 4.6. Grafik kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt dengan integral siklus kontrol.

Putaran VS Arus Jangkar

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

P

u

ta

ra

n

(

n

)

rp

m

Gambar 4.7. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt dengan integral siklus kontrol.

Dari tabel dan grafik di atas menunjukkan motor dc penguatan shunt yang

menggunakan integral siklus kontrol dengan tidak menggunakan, sama sekali

tidak ada perbedaan dalam karakteristiknya tetapi penggunaan integral siklus

kontrol mudah dalam penggunaan tetapi motor dan dioda akan cepat panas yang

diakibatkan sumber tegangan yang tidak sinusoidal.Peralatan ini hanya dapat

digunakan untuk motor di bawah 2 KW karena integral siklus kontrol akan terjadi

International Edition, 1999.

2. Deshpande M.V, “Electric Motors Applications And

Control”,A.H.Wheeler & C.O. Private Limited, Bombay,1985.

3. Dubey.Gopal K.,”Power Semiconduktor Controlled Driver”,Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey,1989.

4. Eugene C. Lister,”Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi keenam, Erlangga, Jakarta.

5. Kadir Abdul., “Mesin Arus Searah”, Djambatan, Jakarta, 1980.

6. Mehta V.K dan Rohit., “ Principles of Elektrical Mechines”, S.Chand dan Company LTD, Ram Nagar New Delhi, 2002.

7. Theraja B.L., “A Text Book of Electrical Technology”, Nurja Construction & Development,New Delhi, 1980.

Ia = IL - If

Ia = 0,77 – 0,4

Ia = 0,37 Ampere.

Ea = Vd – ( Ia. Ra )

Ea = 140 – ( 0,41.0,31 )

Ea = 139,87 Volt

n = φ . ) ( K R I V_d − _a + _a

n = x 1000rpm

1399 , 0 ) 31 , 0 37 , 0 ( 140 = −

IV.7.2. Analisa Pengaturan Kecepatan Motor Dc Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol.

M

R_sh = 287 Ohm Ish IL I_a

Vd E_a

R_a = 0,31 Ohm n

R_var

Hasil Pengujian Data I dengan Integral Cycle Control : ) / ( 2 2 2 1 C C V

V_{d ph}

π =

(

)

ph d V V C C 2 2 / 2 1 π = = 161 2 2 140 π

= 0,96

Vf = Vt = If .( Rf + Rdiv )

If =

var

R R

V f

t

+

= 0,4Ampere

63 287

140 = + Ia = IL - If

Ia = 0,77 – 0,4

Ia = 0,37 Ampere.

Ea = Vd – ( Ia. Ra )

Ea = 140 – ( 0,41.0,31 )

Ea = 139,87 Volt

n =

φ .

) (

K R I V_d − _a+ _a

n = x 1000rpm

1399 , 0

) 31 , 0 37 , 0 ( 140

= −

Cara perhitungan yang dilakukan untuk data yang lain dengan cara yang sama maka didapatkan hasil perhitungan seperti Tabel IV.1.

Tabel 4.1

Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Tanpa Integral Siklus Kontrol.

Ish = 0,4 A

V d( Volt ) n ( rpm ) IL ( A ) Ia ( A ) Ea (Volt)

0 0 0 0 0

Tabel 4.1

Analisis Pengaturan Kecepatan Motor DC Penguatan Shunt Dengan Integral Siklus Kontrol

Ish = 0,4 A

Vsumber ( Volt ) V d( Volt ) n ( rpm ) IL ( A ) Ia ( A ) Ea (Volt) C1/C2

0 0 0 0 0 0 0

161 140 1000 0,77 0,37 139,885 0,99

182 160 1125 0,82 0,42 159,87 0,99

200 180 1250 0,83 0,43 179,87 1

230 200 1400 0,85 0,45 199,86 0,965

267 220 1500 0,89 0,49 219,85 0,96

Dari data pengujian akan diperoleh grafik sebagai berikut.

Putaran VS Tegangan

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 50 100 150 200 250

Tegangan ( Vt ) Volt

P

u

ta

ra

n

(

n

)

r

p

m

Gambar 4.4. Grafik Kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt tanpa integral kontrol.

Putaran VS Arus Jangkar

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

P

u

ta

ra

n

(

n

)

rp

m

Gambar 4.5. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt tanpa integral siklus kontrol.

Putaran VS Tegangan

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 50 100 150 200 250

Tegangan ( Vt ) Volt

P

u

ta

ra

n

(

n

)

r

p

m

Gambar 4.6. Grafik kecepatan terhadap tegangan motor DC shunt dengan integral siklus kontrol.

Putaran VS Arus Jangkar

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Arus Jangkar ( Ia) Ampere

P

u

ta

ra

n

(

n

)

rp

m

Gambar 4.7. Grafik kecepatan terhadap arus jangkar motor DC shunt dengan integral siklus kontrol.

Dari tabel dan grafik di atas menunjukkan motor dc penguatan shunt yang menggunakan integral siklus kontrol dengan tidak menggunakan, sama sekali tidak ada perbedaan dalam karakteristiknya tetapi penggunaan integral siklus kontrol mudah dalam penggunaan tetapi motor dan dioda akan cepat panas yang diakibatkan sumber tegangan yang tidak sinusoidal.Peralatan ini hanya dapat digunakan untuk motor di bawah 2 KW karena integral siklus kontrol akan terjadi break down dan menyebabkan integral siklus kontrol tidak berfungsi.

International Edition, 1999.

2. Deshpande M.V, “Electric Motors Applications And

Control”,A.H.Wheeler & C.O. Private Limited, Bombay,1985.

3. Dubey.Gopal K.,”Power Semiconduktor Controlled Driver”,Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey,1989.

4. Eugene C. Lister,”Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi keenam, Erlangga, Jakarta.

5. Kadir Abdul., “Mesin Arus Searah”, Djambatan, Jakarta, 1980.

6. Mehta V.K dan Rohit., “ Principles of Elektrical Mechines”, S.Chand dan Company LTD, Ram Nagar New Delhi, 2002.

7. Theraja B.L., “A Text Book of Electrical Technology”, Nurja Construction & Development,New Delhi, 1980.