3
1.4 Tujuan
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh pengaturan tahanan shunt dan seri terhadap putaran dan efisiensi motor arus
searah kompon.
1.5 Manfaat
Manfaat penulisan tugas akhir ini adalah berupa informasi pengaruh pengaturan tahanan shunt dan seri terhadap putaran dan efisiensi motor arus
searah kompon, perbandingan efisiensi dan putaran motor arus searah kompon panjang dan kompon pendek setelah pengaturan tahanan shunt dan seri, maka
dapat diaplikasikan pada penggunaan motor arus searah.
Universitas Sumatera Utara
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Arus Searah
Sebuah mesin yang mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanik dikenal sebagai motor arus searah. Cara kerjanya berdasarkan prinsip,
sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada medan magnet, konduktor akan mengalami gaya mekanik. Arah gaya ini ditunjukkan oleh aturan tangan
kanan Fleming [1]. Motor arus searah jarang digunakan dalam aplikasi biasa karena semua
pasokan listrik dari perusahaan listrik memasok arus bolak-balik. Namun, untuk aplikasi khusus seperti pada pabrik baja, pertambangan dan kereta listrik, ada hal
yang menguntungkan untuk mengkonversi arus bolak-balik menjadi arus searah dalam rangka untuk menggunakan motor arus searah. Alasannya adalah
karakteristik kecepatantorsi motor arus searah jauh lebih unggul daripada motor arus bolak-balik. Karena itu, hal ini tidak mengejutkan untuk dicatat bahwa untuk
penggerak dalam industri, motor arus searah sama populernya dengan motor induksi tiga fasa [5].
2.2 Konstruksi Motor Arus Searah [3]
Adapun konstruksi dari motor arus searah terdiri dari beberapa bagian, yaitu:
2.2.1 Badan Motor
Badan motor atau rangka
frame
atau
yoke
mesin arus searah seperti juga mesin-mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
5 1.
Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.
2. 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 ujung-ujung belitan penguat medan dan lilitan jangkar. Gambar 2.1 adalah contoh rangka motor arus searah.
Gambar 2.1 Kerangka motor arus searah A. kutub dua, B. kutub empat 2.2.2 Kutub
Medan penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah:
Universitas Sumatera Utara
6 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 dibuat atau dikeling
rivet
ke rangka mesin. Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus
searah dihasilkan oleh kutub-kutub magnet buatan dengan prinsip elektromagnetik. Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari
kawat tembaga berbentuk bulat atau persegi yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu. Kumparan penguat medan berfungsi untuk
mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik. Gambar 2.2 adalah gambar inti kutub dan sepatu kutub.
Gambar 2.2 Konstruksi kutub dan penempatannya 2.2.3 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
Universitas Sumatera Utara
7 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. Contoh
sebuah inti jangkar ditunjukkan seperti pada Gambar 2.3. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja
silikon. Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.
Gambar 2.3 Inti jangkar yang berlapis-lapis 2.2.4 Kumparan Jangkar dan Kumparan Medan
Kumparan jangkar pada motor arus searah berfungsi tempat terbentuknya GGL induksi. Fungsi kumparan medan ini adalah untuk
membangkitkan fluksi yang akan dipotong oleh konduktor jangkar. Kumparan biasanya terdiri dari beberapa lilitan. Kumparan yang
dihubungkan satu sama lain membentuk belitan. Belitan ada beberapa jenis, diantaranya :
Universitas Sumatera Utara
8 1.
Belitan Gelung [4] Apabila kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa
sehingga setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya, maka hubungan ini disebut belitan gelung. Misalnya,
rotor dengan belitan gelung dua kutub, delapan alur dan delapan kumparan. Kumparan mempunyai dua ujung, dan setiap segmen
komutator menghubungkan dua ujung kumparan, terdapatlah delapan segmen komutator yang saling terisolir.
2. Belitan Gelombang
Dalam belitan gelombang, kumparan dihubungkan serta dibentuk sedemikian rupa sehingga berbentuk gelombang. Misalnya, rotor
yang mempunyai empat kutub, 21 kumparan rotor dan terdapat dua sisi kumparan di masing-masing alur. Perlu diingat bahwa
untuk belitan gelombang, berapa pun jumlah kutub yang ada, jalur paralel dan sikat akan selalu berjumlah dua. Tidak demikian
halnya dengan belitan gelung, yang jumlah paralelnya sebanding dengan bertambahnya jumlah kutub.
2.2.5 Komutator dan Sikat
Fungsi komutator adalah 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 bahan segmen komutator tidak lagi merupakan bentuk separuh cincin, tetapi sudah
Universitas Sumatera Utara
9 berbentuk lempengan-lempengan segmen komutator yang di antaranya
terdapat bahan isolasi. Sedangkan sikat-sikat ini 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. 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 arus komutator, maka sikat harus lebih lunak dari pada komutator. Gambar 2.4 adalah contoh penempatan
sikat pada komutator.
Gambar 2.4 Penempatan sikat pada komutator 2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah [2]
Ada dua kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan gaya pada suatu konduktor.
1. Konduktor harus membawa arus.
2. Konduktor harus berada dalam suatu medan magnet.
Universitas Sumatera Utara
10 Ketika kedua kondisi ini memenuhi, sebuah gaya akan diterapkan pada
konduktor, yang akan mencoba untuk memindahkan konduktor dalam arah tegak lurus terhadap medan magnet. Ini adalah teori dasar dari semua operasi motor
arus searah. Setiap konduktor yang mengalir arus didalamnya, memiliki medan magnet
di sekitarnya. Arah medan magnet ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri untuk konduktor yang membawa arus. Ketika ibu jari
menunjukkan arah arusnya, maka jari-jari akan menunjukkan arah medan magnet yang dihasilkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Aturan tangan kiri untuk menentukan arah medan magnet
dari konduktor yang dialiri arus Jika sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan dalam medan magnet,
medan gabungan yang dihasilkan, akan mirip dengan gambar yang ditunjukkan pada Gambar 2.5. Arah aliran arus melalui konduktor diindikasikan dengan x
atau .. Yang mana tanda x menunjukkan aliran arus menjauhi pembaca, atau
Universitas Sumatera Utara
11 menuju halaman. Sedangkan, tanda . menunjukkan aliran arus yang mengalir
menuju pembaca, atau keluar halaman.
Gambar 2.6 Konduktor yang dialiri arus pada suatu medan magnet
Dari Gambar 2.6 di atas, konduktor di sebelah kiri, medan yang disebabkan oleh konduktor adalah dalam arah yang berlawanan dari medan magnet utama,
dan karena itu, menentang dari medan utama. Di bawah konduktor di sebelah kiri, medan yang disebabkan oleh konduktor searah dengan medan utama, dan karena
itu menambah medan utama. Hasil akhirnya adalah bahwa di atas konduktor medan utama melemah, atau kepadatan fluks menurun, sedangkan di bawah
konduktor medan diperkuat, atau kepadatan fluks meningkat. Gaya dihasilkan pada konduktor yang menggerakkan konduktor ke arah medan yang melemah ke
atas, dan sebaliknya untuk Gambar 2.6 yang disebelah kanan gaya akan mengarah ke bawah.
Dalam sebuah motor arus searah, konduktor akan dibentuk dalam sebuah loop sedemikian rupa sehingga dua bagian konduktor berada di medan magnet
pada saat yang sama, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.7. Ini menggabungkan efek kedua konduktor medan magnet untuk mendistorsi
medan magnet utama dan menghasilkan gaya pada setiap bagian dari konduktor.
Universitas Sumatera Utara
12 Ketika konduktor ditempatkan pada rotor, gaya yang diberikan pada konduktor
akan menyebabkan rotor berputar searah jarum jam seperti yang ditunjukkan Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Aksi motor
Ketika tegangan diberikan ke motor, arus akan mengalir melalui kumparan medan, menghasilkan sebuah medan magnet. Arus juga akan mengalir melalui
belitan jangkar dari sikat negatif ke sikat positif. Karena jangkar adalah konduktor berarus dalam suatu medan magnet, konduktor akan mengalami gaya yang
cenderung bergerak menuju arah yang sesuai dengan arah medan magnet seperti yang ditunjukkan Gambar 2.8.
Universitas Sumatera Utara
13
Gambar 2.8 Prinsip kerja sederhana motor arus searah
Jika 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 [3] :
F = B.I.l
2.1 Dimana :
F
: gaya Lorentz newton
I
: arus yang mengalir pada konduktor jangkar ampere
B
: kerapatan fluksi Wbm
2
l
: panjang konduktor jangkar m Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:
T = F.r
2.2 Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka
motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:
T = K
.
Ф
m .
I
a
2.3
Universitas Sumatera Utara
14
K =
2.4 Dimana :
T
: torsi Nm
R
: jari-jari rotor m
K
: konstanta yang tergantung pada ukuran fisik motor Ф : fluksi setiap kutub weber
I
a
: arus jangkar A
P
: jumlah kutub
z
: jumlah konduktor
a
: cabang paralel 2.4 Motor Arus Searah Kompon
Dalam hal motor arus searah kompon motor eksitasi kompon, motor mempunyai belitan medan shunt dan belitan medan seri sekaligus. Bagian eksitasi
GGM yang lebih besar biasanya diberikan oleh belitan shunt. Belitan seri bertujuan membuat fluksi medan dapat diubah dalam batas yang wajar, dalam
keadaan berbeban. Belitan seri dapat dihubungkan ke belitan jangkar sehingga menghasilkan GGM yang searah dengan belitan shunt hubungan kompon
kumulatif atau GGM yang berlawanan arah dengan belitan shunt hubungan kompon diferensial. Mesin arus searah belitan kompon kumulatif, berlawanan
dengan mesin arus searah belitan shunt, memberikan kemungkinan mengimbangi jatuh tegangan di belitan jangkar, yang juga mengatasi efek demagnetisasi dari
reaksi jangkar [8]. Gambar 2.9 adalah gambar rangkaian ekuivalen motor kompon kumulatif
dan diferensial, baik panjang maupun pendek.
Universitas Sumatera Utara
15 a
Motor arus searah kumulatif kompon panjang
b Motor arus searah kumulatif kompon pendek
c Motor arus searah diferensial kompon panjang
Universitas Sumatera Utara
16 d
Motor arus searah diferensial kompon pendek
Gambar 2.9 Rangkaian ekuivalen motor arus searah kompon
Sedangkan total gaya gerak magnet GGM pada mesin arus searah jenis ini: F = F
p
+ F
s
- F
j
2.5 F = F
p
- F
s
- F
j
2.6 F =
N
fp
.I
fj
2.7 Persamaan 2.5 untuk motor kompon kumulatif, sedangkan 2.6 untuk
motor kompon diferensial. Dimana :
F
p
: ggm pada kumparan medan paralel =
N
fp
.I
f
ampere-lilitan F
s
: ggm pada kumparan medan seri =
N
fs
.I
A
ampere-lilitan F
j
: ggm pada kumparan medan jangkar ampere-lilitan
I
fj
: arus medan akibat adanya reaksi jangkar ampere Sehingga didapat :
I
fj
= I
f
-
.I
A
-
2.8
I
fj
= I
f
+ .I
A
-
2.9
Universitas Sumatera Utara
17
I
A
= I
fp
+ I
b
2.10
V
T
= E
A
– I
A
.R
A
+ R
fs
2.11
I
f
=
2.12 Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk mesin arus searah kompon, baik
panjang maupun pendek [6]. Pada mesin arus searah belitan kompon kumulatif, belitan medan shunt
dapat dihubungkan baik secara langsung berseberangan dengan terminal jangkar hubungan shunt pendek maupun berseberangan dengan terminal T
1
dan T
2
yang menghubungkan ke rangkaian eksternal koneksi shunt panjang. Bagian pertama
ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.10 dan bagian kedua pada Gambar 2.11. Tidak ada perbedaan yang sangat berarti diantara karakteristik
pengoperasian hubungan shunt panjang dan hubungan shunt pendek [8].
Gambar 2.10 Mesin arus searah dengan penguat kompon hubungan shunt
pendek
Universitas Sumatera Utara
18
Gambar 2.11 Mesin arus searah dengan penguat kompon hubungan shunt
panjang Gambar 2.12, Gambar 2.13, Gambar 2.14, dan Gambar 2.15 adalah gambar
rangkaian untuk pengaturan tahanan shunt dan seri pada motor arus searah kompon panjang dan kompon pendek.
Gambar 2.12 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan seri pada motor arus
searah kompon panjang
Universitas Sumatera Utara
19
Gambar 2.13 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan seri pada motor arus
searah kompon pendek
Gambar 2.14 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan shunt pada motor arus
searah kompon panjang
Universitas Sumatera Utara
20
Gambar 2.15 Rangkaian ekuivalen pengaturan tahanan shunt pada motor arus
searah kompon pendek
2.5 Efisiensi
Pada motor listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai:
η
= x 100
2.13
η
= x 100
2.14
P
out
=
2.15
P
in
= V
t
I
A
+ I
fp
2.16 Sehingga efisiensi dapat dinyatakan dengan :
η = 2.17
Yang mana persamaan 2.17 berlaku untuk motor kompon panjang dan motor kompon pendek.
Universitas Sumatera Utara
21 Dimana :
P
in
: daya masukan watt
P
out
: daya keluaran watt ΣP
rugi
: rugi-rugi daya total watt Pada motor arus searah rugi-ruginya dapat diklasifikasikan secara umum
menjadi 4 kategori : 1.
Rugi-rugi tembaga
P
t
, yang terjadi pada belitan atau kumparan jangkar dan medan penguat.
Rugi-rugi jangkar :
P
tj
= I
A 2
.R
A
2.18 Rugi-rugi medan seri maupun paralel:
P
tp
= I
f 2
.R
f
2.19 2.
Rugi-rugi sikat, yang terjadi akibat jatuh tegangan pada sikat penyearah yang dinyatakan sebagai:
P
sika t
= V
sika t
.I
A
2.20 3.
Rugi-rugi inti
P
i
, yang merupakan rugi-rugi histeris dan arus pusar
eddy current
. 4.
Rugi-rugi mekanis
P
a g
, yang merupakan akibat efek mekanis yang timbul, yaitu gesekan dan angin [6].
Universitas Sumatera Utara
22 Gambar 2.16 berikut ini adalah diagram aliran daya untuk motor arus
searah:
Gambar 2.16 Diagram aliran daya motor arus searah 2.6
Putaran
Dari persamaan tegangan motor arus searah [1]:
V = E
b
+ I
a
.R
a
2.21 Diperoleh,
E
b
= V
–
I
a
.R
a
2.22
= V
–
I
a
.R
a
2.23
n = –
2.24
n =
2.25
n =
2.26 Untuk motor arus searah kumulatif kompon panjang, dengan
memperhatikan Gambar 2.9a didapat :
V
T
= E
B
+ I
A
R
fs
+ R
A
2.27
Universitas Sumatera Utara
23
n =
2.28 Karena
ϕ ~ I, maka persamaan 2.28 dapat diubah menjadi
n =
2.29 Untuk motor arus searah kumulatif kompon pendek, dengan memperhatikan
Gambar 2.9b didapat :
V
T
= E
B
+ I
b
R
fs
+ I
A
R
A
2.30
n =
2.31
n =
2.32 Dimana :
V
: tegangan masukan V
I
a
: arus jangkar A
R
a
: tahanan jangkar Ω
E
b
: gaya gerak listrik motor V Ф : fluksi yang memotong kumparan Wb
Z
: jumlah konduktor jangkar
n
: kecepatan putar jangkar ppm
P
: jumlah kutub
A
: jumlah alur arus paralel
C
: konstanta VWb.s
Dari persamaan 2.26 menunjukkan bahwa putaran berbanding lurus dengan gaya gerak listrik
E
b
, dan berbanding terbalik dengan besarnya fluksi Ф,
Universitas Sumatera Utara
24
n ~
Dari perbandingan di atas, putaran motor arus searah dapat diubah-ubah dengan cara mengatur besarnya fluksi. Di dalam metode ini, tahanan variabel
rheostat
dihubungkan secara seri dengan belitan medan shunt.
Rheostat
medan shunt menghasilkan arus medan shunt
I
sh
dan juga fluksi Φ
.
Pada umumnya, metode ini mengizinkan untuk menaikkan kecepatan dalam rasio 1 : 3. Selain itu
pengaturan kecepatan juga dapat diubah dengan cara mengubah besarnya besarnya GGL lawan
E
b
.
Hal ini dilakukan dengan memasukkan tahanan variabel tahanan geser secara seri dengan tahanan jangkar. Dikarenakan terjadinya
penurunan tegangan pada tahanan geser, maka GGL balik
E
b
menjadi berkurang, sehingga kecepatan motor pun akan berkurang. Kecepatan maksimum dapat
diperoleh ketika besarnya tahanan variabel sama dengan nol [7]. Dari persamaan 2.26 dan pengertian daya keluaran
P
out
, efisiensi η dan
rugi-rugi daya didapat:
P
out
=
2.33
Rugi daya = P
in
–
P
out
2.34
P
out
= P
in
–
rugi daya
2.35 η
=
2.36 η
=
2.37 η
=
1
-
2.38
Universitas Sumatera Utara
25 Dari persamaan-persamaan di atas didapat hubungan:
P
out
~ n ~
η
~
Dan dapat disimpulkan bahwa semakin besar rugi daya, semakin kecil efisiensi
η
. Semakin besar putaran
n
, semakin besar rugi-rugi daya, sehingga semakin kecil efisiensi
η
. Semakin besar fluksi
ϕ
, semakin besar rugi-rugi daya, semakin kecil efisiensi
η
. Dari persamaan 2.29 jika
R
fp
diperbesar, maka
I
f
akan turun dan mengakibatkan
I
A
naik, karena
R
fp
jauh lebih besar dari tahanan yang lain, perubahan
R
fp
tidak akan terlalu mempengaruhi
I
f
+
I
A
. Karena kenaikan
I
A
maka,
I
A
R
A
+ R
fs
akan naik sedikit, yang mengakibatkan
V
T
-
I
A
R
A
+ R
fs
turun. Akibat dari semua perubahan ini, maka perubahan kecepatan putaran setelah perubahan
tahanan shunt dapat diramalkan seperti pada Gambar 2.17. Sebaliknya jika
R
fs
dinaikkan, karena nilai
R
fs
kecil dengan penambahan tahanan yang cukup besar dibandingkan nilai awal,
I
A
akan turun secara drastis dan
I
f
naik sedikit, sehingga
I
f
+
I
A
akan turun secara drastis. Karena
R
A
+ R
fs
naik dan
I
A
turun sehingga
I
A
R
A
+ R
fs
akan mengalami perubahan yang tidak terlalu besar sehingga
V
T
-
I
A
R
A
+ R
fs
dapat dianggap konstan. Akibat dari semua perubahan ini, maka perubahan kecepatan putaran setelah perubahan tahanan seri juga dapat
diramalkan seperti pada Gambar 2.18.
Universitas Sumatera Utara
26
Gambar 2.17 Perubahan putaran setelah pengaturan tahanan shunt pada
motor arus searah kompon
Gambar 2.18 Perubahan putaran setelah pengaturan tahanan seri pada
motor arus searah kompon
Universitas Sumatera Utara
27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang dilakukan dalam penelitian adalah metode pengukuran. Metode pengukuran dilakukan di Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan
Pendidik dan Tenaga Kependidikan Medan P4TK Medan, Sumatera Utara, untuk mengukur putaran dan besaran-besaran yang berhubungan dengan efisiensi
motor arus searah kompon setelah kumparan penguat shunt dan seri diatur tahanannya dengan nilai yang berbeda-beda. Sedangkan metode grafis dengan
menggunakan program Microsoft
®
Excel untuk melihat perbandingan putaran dan efisiensi di antara kedua jenis motor arus searah kompon.
3.1 Pengukuran