6
Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya reaksi
jangkar. Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap kinerja, efisiensi, dan torsi dari motor tersebut. Untuk mengurangi reaksi jangkar ini, ada tiga carateknik
yang dapat dilakukan yaitu melakukan pergeseran posisi sikat, menambahkan kutub bantu, dan belitan kompensasi.
2.2. Prinsip Kerja Motor Arus Searah
Prinsip kerja motor arus searahdapat dijelaskan dengan Gambar 2.1 berikut :
Gambar 2.1 Prinsip Kerja Motor Arus Searah Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi
magnetic. Ketika kumparan medab dan kumparan jangkar dihubungkan dengan sumber tegangan DC maka pada kumparan medan mengalir arus medan I
f
pada kumparan medan, sehingga menghasilkan fliksi magnet yang arahnya dari kutub
utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus
Universitas Sumatera Utara
7
jangkar I
a
, sehingga pada konduktor kumparan jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini akan memotong fluksi dari kumparan medan
sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Sesuai hukum Lorentz, interaksi antara kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu
gaya mekanik pada konduktor jangkar yang disebut gaya Lorentz. Besar gaya ini sesuai dengan persamaan 1 berikut ini [1] :
F = B .i .l 2.1
Dimana : F= gaya yang bekerja pada konduktor N
B = kerapatan fluks magnetik Wbm
2
i = arus yang mengalir pada konduktor A l = panjang konduktor m
Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor
kerapatan fluks B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.
Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan
persamaan 2 berikut ini : T
a
= F .r 2.2
Dimana : T
a
= torsi jangkar N-m r = jari-jari motor m
Universitas Sumatera Utara
8
2.3. Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar merupakan medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam mangnet.
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 terlihat pada Gambar 2.2 berikut ini :
Gambar 2.2 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan Dari Gambar 2.2 dapat dijelaskan bahwa :
Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.
Bidang netral magnetis didefenisikan sebagai bidang di dalam motor dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet, sehingga gaya
Universitas Sumatera Utara
9
gerak listrik industry pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat dari Gambar 2.2 sikat selalu ditempatkan disepanjang bidang netral magnetis. Oleh
karena itu, bidang netral magnetis disebut juga sebagai sumbu komutasi karena pembalikan arah arus jangkar berada pada bidang tersebut. Vektor OF
M
mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, dimana vektor ini tegak lurus terhadap
bidang netral matgnetis. Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus listrik sementara
kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada Gambar 2.3
berikut ini :
Gambar 2.3 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar
ditentukan dengan aturan putaran sekrup. Besar dan arah garis gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OF
A
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 karenanya distribusi
fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah
Universitas Sumatera Utara
10
mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat pada Gambar 2.4
berikut ini :
Gambar 2.4 Hasil kombinasi santara fluksi medan dan fluksi jangkar 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 jangar 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 2.4 terlihat bahwa vektor OF merupakan resultan vektor OF
A
dan OF
M
, serta posisi bidang netral magnetis yang baru, dimana selalu tegak lurus terhadap
vekto r OF. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β karena
posisi bidang netral magnetis ini selalu tagak lurus terhadap vektor OF. Dengan
Universitas Sumatera Utara
11
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. Apabila kejenuhan magnetik terjadi, maka efek penguatan fluksi resultan lebih kecil bila
dibandingkan dengan efek pelemahan fluksi resultan atau dengan kata lain pertambahan kerapatan fluksi resultan pada salah satu bagian kutub lebih sedikit
bila dibandingkan dengan pengurangan kerapatan fluksi pada bagian yang lainnya. Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hal
inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.
Akibat pelemahan fluks ini, efek yang ditimbulkan pada motor arus searah menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus
searah khususnya motor arus searah parallel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali.
Oleh sebab itu, perlu dilakukannya hal-hal yang dapat mencegah atau mengurangi terjadinya hal diatas. Ada tiga cara yang dapat dilakukan, yaitu
1. Pergeseran sikat Brush Shifting 2. Penambahan kutub bantu Interpole
3. Belitan kompensasi Compensating Windings
2.3.1. Pergeseran Sikat Brush Shifting
Sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi jangkar adalah pergeseran atau
Universitas Sumatera Utara
12
perpindahan garis netral searah dengan arah putaran motor. Dalam hal ini sikat yang semula segaris dengan garis netral, kini bergeser beberapa derajat dari garis
netral. Untuk itu sikat dipindahkan seirama dengan perpindahan bidang netral. Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang
netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin sehingga setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul, maka jarak
perpindahan bidang netralnya pun berpindah. Sehingga sikat juga harus dirubah setiap saat, seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu
pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin.
Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.5 berikut ini :
U S
Bidang Netral Lama
Bidang Netral Baru
Sikat Arah Rotasi
Motor
U S
Bidang Netral Lama
Bidang Netral Baru
Sikat Arah Rotasi
Motor
a b
F
Kutub
F
Rotor
F
Resultan
F
Resultan
F
Rotor
F
Kutub
c d
Gambar 2.5 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral
Universitas Sumatera Utara
13
Pada Gambar 2.5 a diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula. Ggm resultan yang
terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.5 c. Sedangkan pada Gambar 2.5 b terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin.
Akibat pergeseran tersebut ggm resultannya melemah sedemikian rupa. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5 d.
2.3.2. Penambahan Kutub Bantu Interpole
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang kutub bantu interpole. Kutub bantu ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya
lebih kecil dari kutub utama. Kutub bantu interpole ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Kutub bantu akan memperpendek jalannya garis medan
magnet. Dengan dipasang kutub bantu maka garis netral akan kembali ke posisi semula dan kedudukan sikat tegak lurus dengan kutub utamanya.
Gambar 2.6 Pergeseran garis netral akibat reaksi jangkar
Universitas Sumatera Utara
14
Gambar 2.7 Kutub magnet utama dan kutub bantu
2.3.3. 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 belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser.
Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, juga masih memerlukan kutub bantu interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat
diatasi oleh belitan kompensasi. Karenanya teknik ini tidak digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi
masalah yang serius [2].
2.4. Jenis-Jenis Motor Arus Searah
Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya yaitu hubungan rangkaian kumparan medan magnet dengan
kumparan jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :
Universitas Sumatera Utara
15
2.4.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas
Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Dimana kumparan medan disuplai
dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikutini :
R
a
I
a
E
a
R
f
V
f
I
f
V
t
+
-
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas
V = E
a
+ I
a
R
a
2.3 V
f
= I
f
+ R
f
2.4 Dimana:
V = tegangan terminal jangkar motor arus searah Volt I
a
= arus jangkar Ampere R
a
= tahanan jangkar Ohm I
f
= arus medan penguatan bebas Ampere R
f
= tahanan medan penguatan bebas Ohm V
f
= tegangan terminal medan penguatan bebas Volt E
a
= gaya gerak listrik motor arus searah Volt
Universitas Sumatera Utara
16
2.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga yaitu
1. Motor Arus Searah Penguatan Shunt
R
a
E
a
+
- I
L
V
t
R
sh
I
sh
I
a
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan shunt Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt
V
t
= E
a
+I
a
R
a
V
sh
= V
t
= I
sh
. R
sh
2.5 I
L
= I
a
+I
sh
2.6 Dimana :
I
sh
= arus kumparan medan shunt Ampere V
sh
= tegangan terminal medan shunt motor arus searah Volt R
sh
= tahanan medan shunt Ohm I
L
= arus beban Ampere
Universitas Sumatera Utara
17
2. Motor Arus Searah Penguatan Seri
R
a
E
a
+
- I
L
V
t
I
a
R
s
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen dc penguatan seri Persamaan umum motor arus searah penguatan seri
V
t
= E
a
+ I
a
R
a
+ R
s
2.7 I
a
= [
V
t
- E
a
R
a
- R
s
] 2.8
I
a
= I
L
= I
f
Dimana : I
a
= arus kumparan medan seri Ampere R
s
= tahanan medan seri Ohm R
a
= tahanan jangkar Ohm E
a
= gaya gerak listrik motor arus searah Volt V
t
= tegangan terminal jangkar motor arus searah Volt
Universitas Sumatera Utara
18
3. Motor Arus Searah Penguatan Kompon
Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu :
3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek
R
a
E
a
+
- I
L
V
t
I
a
R
s
R
sh
I
sh
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek
I
L
= I
a
+I
sh
V
t
= E
a
+I
a
R
a
+I
L
R
s
2.9 P
in
= V
t
I
L
2.10 Dimana :
I
L
R
s
= tegangan jatuh pada kumparan seri I
a
R
a
= tegangan jatuh pada kumparan jangkar E
a
= gaya gerak listrik motor arus searah Volt V
t
= tegangan terminal jangkar motor arus searah Volt
Universitas Sumatera Utara
19
3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
