Analisis Perbandingan Efisiensi Dan Torsi Motor Dc Seri Akibat Pergeseran Sikat Dengan Menggunakan Metode Field’s Test

59 DAFTAR PUSTAKA

[1] Zuhal:”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2000.

[2] Wijaya, Mochtar. 2001. Dasar-Dasar Mesin Listrik. Djambatan. Jakarta. [3] Theraja B. L and Theraja A. K, “Electrical Technology”, Nirja Construction & Development company Pvt. Ltd., New Delhi, Volume II,22nd Edition, 1997. [4] T. Thyagarajan, “Fundamentals of Electrical and Electronics Engineering”, SciTech publications (Ind.) Pvt. Ltd., 3rd Edition, October 2000

[5] Lister, Eugene C, Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi ke-6, Penerbit Erlangga, Jakarta : 1986

[6] Mehta,V.K. and Rohit Mehta,Principles of Electrical Enginering And Electronics, S. Chand & Company Ltd, New Delhi : 2000

[7] Rijono,Yon, Dasar Teknik Tenaga Listrik, Andi Offset, Yogyakarta : 1997 [8] Sumanto, Mesin Arus Searah, Andi Offset, Yogyakarta : 1991

[9] Djoko, Achayanto. Ir. M.SC. EE. 2001. “ Mesin mesin Elektrik “. Edisi ke -4, Penerbit Erlangga. Jakarta

[10] Elgerd, Olle I. 1976. ”Basic Electric Power Engineering”, AddisonWesley Publishing Company, Florida.

[11] P.S. Bimbra, “Electrical Machinery”, Khana Publisher,1990.

[12] Fitzgerald,A.E.,CharlesKingsley,Jr.danStephen D. Umans. 1990. Mesin-Mesin Listrik. Edisi Keempat.Trans. Djoko Achyanto. Jakarta: Erlangga.

44 BAB III

METODE PESELITIAS

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Pengambilan data dalam penelitian tugas Akhir ini dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU, pada tanggal 20 November 2015 pukul 18.00 s/d 23.00 WIB.

3.2 Bahan dan Peralatan Dua buah Mesin DC

a) Mesin DC-1 : TYP Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983733 sebagai motor b) Mesin DC-2 : TYP Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 sebagai generator Tahanan jangkar = 3,8 ohm

Tahanan seri = 0,6 ohm Tegangan nominal = 220 V P = 1,2 KW

Kutub Bantu

Alat Ukur Multimeter Kabel Penghubung Tahanan Geser Tachometer

3.3 Variabel yang Diamati

Variabel-variabel yang diamati pada penelitian ini meliputi : - Pergeseran sikat yang diubah-ubah

45 - Besar nilai arus dimana IL=Ia=Is

- Putaran motor

- Besar nilai tegangan terminal motor dc 3.4 Prosedur Penelitian

Langkah-langkah penelitian yang ditempuh dalam penelitian ini meliputi :

3.4.1 Tahap Persiapan

Tujuannya adalah untuk mengkoordinasikan agar penelitian dapat berjalan dengan lancar. Langkah-langkah yang dilakukan adalah :

1. Mempersiapkan alat dan bahan untuk penelitian.

2. Mengkondisikan Objek Penelitian

Objek penelitian yang dimaksudkan adalah motor dc shunt, sikat, kutub bantu, dan beban. Adapun langkah mengkondisikan objek penelitian ini meliputi:

a. Memastikan bahwa motor dc shunt dapat beroperasi dan mengatur beberapa posisi sikat, menambahkan kutub bantu, beserta beban.

b. Memeriksa power supply dan multitmeter apakah sudah disetting dengan benar.

3.Mengkondisikan Alat Ukur Alat ukur sebagai pengambil data harus memiliki validitas yang baik. Untuk mendapatkan validitas yang baik alat ukur harus disetting sesuai dengan seperti skala operasi.

3.4.2 Tahap Pengambilan Data

Tujuan dari tahap ini untuk memperoleh data penelitian yang meliputi arus dan putaran.Adapun prosedur pengambilan data dalam penelitian ini adalah

46 Merangkai rangkaian percobaan Sebelum melakukan percobaan,lalu merangkai rangkaian percobaan sesuai dengan percobaan yang dilakukan.Adapun rangkaian percobaan yang akan digunakan seperti yang terlihat berikut:

3.4.3 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

AC P T D C 1 V₁ A M

G

V2 1 R_s

sikat I = I = I_{L s} a

A PTDC 2 AC 2 S S S 1 2 3 GA GA HB HB E F R

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

47 3.4.4 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub

Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

AC P T D C 1 V₁ A M G V2 1 _R s sikat

I = I = IL s a

A PTDC 2 AC 2 S S S 1 2 3 GA GA HB HB E F R Belitan Kutub Bantu

Gambar 3.2 Rangakaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi

3.5 Prosedur Pengujian

3.5.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

Adapun prosedur percobaannya adalah :

1. Rangkaian dibuat seperti pada Gambar 3.1 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum. 2. Atur besar RL menjadi 120 Ohm.

3. Atur posisi sikat padap posisi -300_.

4. Tutup saklar S3, naikkan PTDC 2 sampai 0,64 ampere lalu tutup

saklar S2.

5. Tutup saklar S1, naikkan PTDC 1 sampai 85 volt.

48 7. Turunkan PTDC 2 hingga posisi nol lalu turunkan putaran dengan

mengatur PTDC 1 hingga posisi nol.

8. Buka saklar S1,S2 dan S3 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. Pengujian selesai.

3.5.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test

Adapun prosedur percobaannya adalah :

1. Rangkaian dibuat seperti pada Gambar 3.2 dimana semua switch dalam keadaan terbuka dan PTDC dalam keadaan minimum.

2. Atur besar RL menjadi 120 Ohm.

3. Atur posisi sikat padap posisi -300_.

4. Tutup saklar S3, naikkan PTDC 2 sampai 0,64 ampere lalu tutup

saklar S2.

5.Tutup saklar S1,naikkan PTDC 1 sampai 85 volt.

6. Catat nilai V1,V2,A1,A2 dan n pada kondisi ini.

7. Turunkan PTDC 2 hingga posisi nol lalu turunkan putaran dengan mengatur PTDC 1 hingga posisi nol.

8. Buka saklar S1,S2 dan S3 lalu atur posisi sikat sesuai dengan yang

diinginkan. Kemudian ulangi langkah 3, 4, 5, dan 6 hingga diperoleh data tiap posisi sudut yang diinginkan.

49 BAB 4

HASIL PESELITIAS DAS PEMBAHASAS 4.1 Umum

Motor arus searah adalah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi listrik arus searah (DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik,dimana energi gerak mekanik tersebut berupa putaran rotor.Proses pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet.

Motor arus searah penguatan seri adalah motor arus searah dimana belitan medannya dihubungkan langsung dengan jangkarnya sehingga arus yang melalui belitan medan seri ini sama dengan arus yang mengalir pada jangkar.

Pada saat motor arus searah penguatan seri diberi beban maka pada kumparan stator akan mengalir arus jangkar.Dan arus ini akan menimbulkan fluksi jangkar yang akan berinteraksi dengan fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan rotor (fluksi utama).Akibatnya akan terjadi perubahan bentuk fluksi utama.Pengaruh reaksi jangkar ini akan menyebabkan adanya percikan bunga api pada sikat-sikat motor.

Percikan ini dikarenakan oleh pergeseran bidang netral magnetik dari motor tersebut (biasanya dalam keadaan normal garis netral magnetik berimpit dengan garis netral geometrik).Untuk mengatasi masalah ini maka diperlukan tiga cara yaitu pergeseran sikat,kutub kutub komutasi dan belitan kompensasi.Pada tulisan ini akan dibahas tentang perbandingan metode komutasi antara pergeseran sikat dengan kutub kutub komutasi dan tanpa kutub kutub komutasi terhadap efisiensi dan torsi motor dc seri berbasis metode field’s test.

50 dimana data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU.Motor yang digunakan pada pengujian ini adalah motor DC AEG tipe Gd 110/110 G-Mot Nr. 7983745 dengan spesifikasi sebagai berikut :

V = 220 V P=1,2kW

Jumlah Kutub=2 Kelas Isolasi=B

Tahanan Medan Shunt (J-K) = 1,25 k Tahanan Medan Seri (E-F) = 0,6 Tahanan Jangkar (GA-HB) = 3,8 

4.2 Data Pengujian

Vt = 85 Volt Ra = 3,8 Ω

RL = 120 Ω Rs = 0,6 Ω

Tabel 4.1 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

Pergeseran

sikat IL(A) =Ia=Is n(rpm) VGenerator (Volt) IGenerator (A)

-300 _{5,02 1450 151 1,35}

-200 _{5,28 1400 153 1,27}

-100 5,59 1375 157 1,3

0 6,77 1350 164 1,37

+100 _{7,36 1300 165 1,38}

+200 _{7,88 1200 164 1,36}

51 Vt = 85 Volt Ra = 3,8 Ω

RL = 120 Ω RKB = 2 Ω

Rs = 0,6 Ω

Tabel 4.2 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi

Pergeseran

sikat IL(A) =Ia=If n(rpm) VGenerator (Volt) IGenerator (A)

-300 _{4,19 1250 154 1,55}

-200 _{4,27 1175 156 1,47}

-100 4,62 1100 159 1,5

0 5,01 975 166 1,39

+100 _{5,19 850 167 1,4}

+200 _{5,48 800 167 1,38}

+300 6,26 700 165 1,37

4.3 Analisa Data

4.3.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

Dari data-data Tabel 4.1,maka akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan torsi.

1. Posisi Sikat -30 Ea = Vt –Rs.Ia

=85 - 0,6 x 5,02 =81,988 volt

Daya masukan sistem(Total) Pinsistem = Vt x Ia = 85 x 5,02

52 Daya Keluaran sistem Poutsistem = Vgenerator x Igenerator

= 151 x 1,35

= 203,85 watt

Rugi Total Sistem, Wtotal =Pinsistem - Poutsistem

=426,7 – 203,85 =222,85 watt

Rugi Tembaga jangkar dan medan,Wcu = ( Ra + 2 Rs) x Ia2 + Ig2 x Ra

=(3,8+2.0,6) x5,022 +1,352 x 3,8

= 132,9275 watt

Stray Losses/mesin = (Wtotal – Wcu ) : 2

=(222,85 – 132,9275) : 2 =44,96 watt

Pin pada Motor = Ea x Ia

= 81,988 x 5,02

= 411,58 watt

Rugi tembaga kumparan jangkar pada motor, Pcu = (Ra+Rs) x Ia2

= (3,8+0,6) x5,022

=110,88 watt

Rugi total pada motor,Plosses = Pcu + Stray Losses

=110,88 + 44,96 =>155,84 watt Pout = Pin - Plosses

= 411,58 – 155,84 =255,74 watt

53 η = 100%

= ,_, 100%

= 62,13 % Tsh = 9,55 x Pout/n

=9,55 x 255,74/1450 =1,68 N-m

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap pergeseran sikat, maka akan diperoleh efisiensi dan torsinya seperti pada Tabel 4.3 berikut ini :

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

Pergeseran Sikat

Ia n

VG (volt) IG Efisiensi Torsi

(A) (rpm) (A) (%) (N-m)

-300 5,02 1450 151 1,35 62,13 1,68 -200 _{5,28 1400 153 1,27 59 1,73}

-100 _{5,59 1375 157 1,3 58 1,83}

0 6,77 1350 164 1,37 52,75 2,04 +100 7,36 1300 165 1,38 49,71 2,16 +200 _{7,88 1200 164 1,36 46,59 2,34}

+300 _{9,28 1100 163 1,35 39,69 2,54}

4.3.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi

Dari data-data Tabel 4.2,maka akan dilakukan perhitungan untuk mendapatkan efisiensi dan torsi.

1. Posisi Sikat -30 Ea = Vt –Rs.Ia

54 =82,486 volt

Daya masukan sistem(Total) Pinsistem = Vt x Ia = 85 x 4,19

= 356,15 watt

Daya Keluaran sistem Poutsistem = Vgenerator x Igenerator = 154 x 1,55

= 238,7 watt

Rugi Total Sistem,Wtotal= Pinsistem - Poutsistem

=356,15 – 238,7 =117,45 watt

Rugi Tembaga jangkar dan medan,Wcu = ( Ra + 2 Rs) x Ia2 + Ig2 x Ra

=(3,8+2.0,6) x4,192 _+1,552 _{x 3,8}

= 96,91 watt

Stray Losses/mesin = (Wtotal – Wcu ) : 2

=(117,45 – 96,91) : 2 =10,27 watt

Pin pada Motor = Ea x Ia

= 82,486 x 4,19

= 345,61 watt

Rugi tembaga kumparan jangkar pada motor, Pcu = (Ra+Rs+Rkb) x Ia2

= (3,8+0,6+2) x4,192

55 Rugi total pada motor,Plosses = Pcu + Stray Losses

=112,359 + 10,27 = 122,629 watt Pout = Pin - Plosses

= 345,61 – 122,629 =222,98 watt

η = 100%

= ,_, 100% = 64,518 % Tsh = 9,55 x

=9,55 x , =1,7 N-m

Dengan melakukan perhitungan seperti di atas pada tiap pergeseran sikat, maka akan diperoleh efisiensi dan torsinya seperti pada Tabel 4.4 berikut ini :

Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi

Pergeseran Sikat

Ia N

VG (volt) IG Efisiensi Torsi

(A) (rpm) (A) (%) (N-m)

-300 4,19 1250 154 1,55 64,518 1,7 -200 _{4,27 1175 156 1,47 61,98 1,77}

-100 _{4,62 1100 159 1,5 58,91 1,9}

0 5,01 975 166 1,39 53,31 2,14

+100 5,19 850 167 1,4 51,76 2,47 +200 _{5,48 800 167 1,38 48,37 2,58}

+300 _{6,26 700 165 1,37 40,56 2,81}

56 Dari hasil perhitungan di atas maka didapat perbandingan efisiensi dan torsi antara pergeseran sikat motor dc seri tanpa kutub komutasi dengan motor dc seri dengan kutub komutasi seperti pada tabel 4.5 dan tabel 4.6 sebagai berikut

Tabel 4.5 Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

Penggeseran Sikat

Efisiensi(%)

Tanpa Kutub

Komutasi Dengan Kutub Komutasi

-300 62,13 64,518

-200 59 61,98

-100 _{58 58,91}

0 52,75 53,31

+100 49,71 51,76

+200 _{46,59 48,37}

+300 _{39,69 40,56}

Tabel 4.6 Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

Penggeseran Sikat

Torsi (N-m) Tanpa Kutub

Komutasi Dengan Kutub Komutasi

-300 _{1,68 1,7}

-200 _{1,73 1,77}

-100 1,83 1,9

0 2,04 2,14

+100 _{2,16 2,47}

+200 _{2,34 2,58}

57 Dari tabel 4.5 dan tabel 4.6 maka akan didapat grafik perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri tanpa kutub komutasi vs motor dc seri dengan kutub komutasi yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 sebagai berikut:

Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi

0 10 20 30 40 50 60 70

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

Ef

is

ie

fs

i(%

)

Pergeseraf Sikat ( derajat)

Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi

Motor DC Seri dengan Kutub komutasi 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

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

To rs i ( N -m )

Pergeseraf sikat ( derajat)

Motor Dc Seri tanpa Kutub komutasi Motor Dc Seri dengan Kutub komutasi

58 BAB 5

KESIMPULAS DAS SARAS

5.1 Kesimpulan

Dari hasil percobaan dan pembahasan yang dilakukan,diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Pada masing-masing motor DC yang diuji,efisiensi yang tertinggi diperoleh pada pergeseran sikat -300 yaitu pada motor DC seri tanpa kutub komutasi sebesar 62,13 %, sedangkan pada motor DC seri dengan kutub komutasi sebesar 64,51.

2. Pada masing masing motor DC yang diuji,torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat +300 _{yaitu pada motor DC seri tanpa kutub komutasi}

sebesar 2,54 N-m, sedangkan pada motor DC seri dengan kutub komutasi sebesar 2,81 N-m.

3. Dari hasil analisa dapat dilihat bahwa ada peningkatan nilai efisiensi dan torsi setelah ditambahkan kutub komutasi dan posisi sikat yang digeser.

5.2 Saran

Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut

1. Disarankan untuk menguji pada motor DC lainnya

2. Pada pengujian selanjutnya disarankan untuk mengubah-ubah beban motor DC.

5 BAB 2

TISJAUAS PUSTAKA

2.1 Motor Arus Searah

Motor arus searah adalah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi listrik arus searah (DC) menjadi energi gerak atau energi mekanik,dimana energi gerak mekanik tersebut berupa putaran rotor.Proses pengkonversian energi listrik menjadi energi mekanik tersebut berlangsung di dalam medan magnet [1].

Berdasarkan konstruksinya, motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam (stator) dan bagian yang berputar (rotor).Pada bagian yang diam merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar ditempati oleh rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat [2].

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 akan menimbulkan suatu gaya sehingga akan menimbulkan torsi[3]

Motor arus searah biasanya digunakan terutama untuk melayani beban dengan torsi start yang besar dan memiliki efisiensi yang tinggi sehingga lebih unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron[2].

Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisiensi.Untuk memenuhi semuannya ini,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi.

6

Disaat motor diberi beban, maka fluksi akan berkurang dan amper-turn medan akan berkurang juga. Hal ini disebabkan oleh karena adanya reaksi jangkar[2].

Reaksi jangkar sangat berpengaruh terhadap kinerja,efisiensi, dan torsi dari motor tersebut.Untuk mengurangi reaksi jangkar ini,ada tiga cara atau teknik yang dapat dilakukan yaitu dengan melakukan pergeseran sikat, menambahkan kutub kutub komutasi, dan belitan kompensasi[4].

2.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Secara umum motor arus searah memiliki konstruksi yang sama, terbagi atas dua bagian, yaitu : bagian yang diam dan bagian yang bergerak. Bagian yang diam disebut stator dan bagian yang berputar/bergerak disebut rotor. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar di bawah ini [1]:

7

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor Keterangan dari gambar tersebut adalah:

1 Badan Motor (Rangka)

Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan melindungi bagian mesin.Untuk itu rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi,yaitu:1.Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. 2.Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara keseluruhan.Rangka dibuat dengan menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki permeabilitas tinggi.Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkaian magnet. Biasanya pada badan (rangka) motor terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum atau data data teknik dari mesin tersebut[5].

8

2 Kutub medan

Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub.Sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti.Dimana fungsinya adalah untuk menahan kumparan medan di tempatnya dan menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung.Inti kutub terbuat dari laminasi pelat-pelat baja yang terisolasi satu sama lain.Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut ke inti kutub.Maka kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka.Pada inti kutub ini dibelitkan kumparan medan yang terbuat dari kawat tembaga yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnetik[7].

Gambar 2.3 Konstruksi Kutub dan Penempatannya 3 Sikat

Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar.Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.Sikat sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam

9

beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga.Sikat harus lebih lunak daripada segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator[11].

Gambar 2.4 Sikat Pada Motor DC 4 Kumparan Medan

Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat atapun persegi.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].

5 Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi.Pada motor arus searah penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar,sedangkan pada motor arus searah penguatan kompon panjang kumparan medan serinya diserikan

10

terhadap kumparan jangkar.Konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam yaitu[12]:

1. Kumparan jerat (lap winding)

2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan zig-zag (frog-leg winding)

6 Inti Jangkar

Inti jangkar yang umumnya digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi.Inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik,dengan maksud agar komponen-komponen (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar supaya ggl induksi dapat bertambah besar.Bahan yang digunakan untuk jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silicon.Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus linier seperti ditunjukkan pada Gambar di bawah ini[8]:

11

7 Komutator

Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat.Fungsi komutator untuk fasilitas penghubung arus dari konduktor jangkar,sebagai penyearah mekanik,yang bersama-sama dengan sikat membuat sesuatu kerjasama yang disebut komutasi.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. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan,maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar[10].

Gambar 2.6 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[2].

12

2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Sebuah konduktor mempunyai medan magnet disekelilingnya apabila konduktor tersebut dialiri oleh arus listrik. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik ditempatkan pada suatu medan magnet, maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, seperti diperlihatkan pada Gambar di bawah ini[2] :

Gambar 2.7 Pengaruh Penempatan Konduktor yang Dialiri Arus Listrik Dalam Medan Magnet

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. Untuk lebih jelasnya perhatikan Gambar 2.8 berikut ini[6].

13

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[3].

Pada saat konduktor dengan arah menjauhi pembaca ditempatkan di dalam medan magnet seragam,maka medan gabungnya 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 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 atau 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 akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas.Konduktor yang mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan[9].

Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar berikut.

14

Gambar 2.9 Prinsip perputaran motor arus searah

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. Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus jangkar Ia,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.Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya sehingga menimbulkan torsi[1].

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

15

pada konduktor tersebut.Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri[9].

Gambar 2.10 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor DC

Besarnya gaya F = B . I . l . sin θ,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 Lorentz [Newton]

I = arus [Ampere]

l = panjang penghantar [meter] B = kerapatan fluksi [Webber/m2] Sedangkan torsi yang dihasilkan motor adalah :

T = F . r . . . .. . . .(2.2) Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka motor akan berputar.Besar torsi beban dapat dituliskan dengan[1]:

16

K = . . . . .(2.4) Dimana : T = torsi [N-m]

r = jari-jari [m]

K = konstanta [tergantung pada ukuran fisik motor]

Φ = fluksi setiap kutub Ia = arus jangkar [A] p = jumlah kutub z = jumlah konduktor a = cabang paralel

2.4 Permasalahan dengan Komutasi Pada Mesin Arus Searah

Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut yaitu[2]:

- Reaksi jangkar - Tegangan (L di/dt)

2.4.1 Reaksi Jangkar

Reaksi jangkar merupakan medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam magnet.Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal yaitu [3] :

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 dari kutub utara menuju kutub selatan Dari gambar 2.11 dapat dijelaskan bahwa :

17

 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 2.11 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.

Gambar 2.11 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi.

18

Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada gambar 2.12 berikut ini :

Gambar 2.12 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 2.13 berikut ini[10]:

19

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 (crossmagnetization)[6].

Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral.Pada Gambar 2.13 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.

2.4.2 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 ½ IA sebesar 200 A. Pada saat

segmen komutator terhubung singkat,arus yang melalui segmen komutator terbalik arahnya.Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran/menit

20

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[7].

2.4.3 Mengatasi Masalah Komutasi

Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses komutasi, yaitu[2]:

1. Pergeseran sikat (brush shifting)

2. Kutub kutub komutasi (comutating poles/interpoles) 3. Belitan kompensasi (kompensating windings)

2.4.3.1 Penggeseran Sikat (Brush Shifting)

Sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar. Salah satu akibat yang ditimbulkan reaksi jangkar adalah pergeseran atau 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

21

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 fluksi akibat reaksi jangkar mesin.

Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada Gambar 2.14 berikut ini [2] :

Gambar 2.14 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral

Pada Gambar 2.14(a)diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula.Ggm resultan yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.14 (c).Sedangkan

22

pada Gambar 2.14 (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 2.14 (d) [2].

2.4.3.2 Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles)

Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang kutub-kutub komutasi (comutating poles /interpole).Kutub k u t u b k o m u t a s i ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama.Kutub k u t u b k o m u t a s i (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[4].

23

Gambar 2.16 Kutub magnet utama dan kutub bantu

2.4.3.3 Belitan kompensasi (kompensating 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].

2.5 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 :

24

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 Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri.Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut ini[8]:

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas:

Vt = Ea + Ia.Ra . . . (2.5) Vs = Is+ Rs . . . (2.6)

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

25

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt: Vt=Ea+Ia.Ra

Vsh=Vt=Ish.Rsh. . . .. . . (2.7) IL = Ia+Ish. . . (2.8)

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan seri

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri: Vt=Ea+Ia(Ra+Rs). . . (2.9) Ia= . . . (2.10) Ia=IL=Is. . . . . . (2.11)

Dimana:

Ia=arus kumparan jangkar seri (Ampere) Is= arus kumparan medan seri (Ampere) Rs=tahanan medan seri(Ohm)

Ra=tahanan jangkar seri(Ohm)

Ea=gaya gerak listrik motor arus searah (Volt) Vt = tegangan terminal motor arus searah seri (Volt)

26

2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon

Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua,yaitu :

2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek

Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek IL = Ia+Ish

Vt = Ea+Ia.Ra+IL.Rs. . . (2.12)

Pin = Vt.IL . . . (2.13)

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang

27

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang IL= Ia+Ish

Vt = Ea+Ia(Ra+Rs) . . . . . . .(2.14) Pin = VtIL

Vt = Vsh

2.6 Karakteristik Motor DC Seri

Karakteristik Motor DC Seri terdiri dari [5] :

2.6.1 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar

Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar mulanya membentuk garis parabola saat nilai arus jangkar kecil dan ketika saturasi membentuk garis lurus seperti gambar dibawah ini :

Gambar 2.22 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri

28

2.6.2 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar

Ketika suplai tegangan V dijaga tetap konstan,kecepatan motor akan berbanding terbalik dengan fluksi.dalam motor dc seri arus medan sama besarnya dengan arus jangkar.Oleh karena itu saat beban ringan saturasi tak tercapai,fluksi akan sebanding dengan arus jangkar dan putaran akan berbanding terbalik dengan arus jangkar.Karena itu karakteristik putaran dan arus jangkar membentuk kurva hiperbolic menuju saturasi.ketika beban naik maka arus jangkar ikut naik dan medan memperoleh saturasi,saat medan memperoleh saturasi maka fluksi menjadi konstan dan tak bergantung lagi dengan kenaikan arus jangkar. Oleh karena itu saat beban berat,putaran motor dc seri tetap konstan seperti gambar dibawah ini :

Arus Jangkar (Ia) Y

x

Gambar 2.23 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri

2.6.3 Karakteristik putaran terhadap torsi

Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc seri serupa dengan karakteristik putaran terhadap arus jangkar yang berbentuk seperti hiperbola persegi panjang seperti yang ditunjukkan gambar dibawah ini :

29

Gambar 2.24 Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc penguatan seri

2.7 Rugi-Rugi Motor Arus Searah

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 proses pengkonversian energi pada motor DC dalam aliran daya di bawah ini [2] :

30

Gambar 2.25 Diagram aliran daya pada motor arus searah

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 :

∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran [2]

Akhirnya,rugi-rugi di dalam motor DC didefenisikan 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.

2.7.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper Loss)

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 Rs dan Ra,maka jika mengalir arus searah sebesar IS dan Iaakan menyebabkan kerugian daya

yang dihitung dengan persamaan [3] :

Wcu =(Ra+2Rs) I12 + I22 Ra ...(2.15)

31

I_{1 = arus motor}

I_{2 = arus generator (beban)} R_{a = resistansi jangkar} R_{s = resistansi medan seri}

2.7.2 Rugi-Rugi Inti (Core or Iron Losses)

Rugi-rugi ini 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

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 2.26 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub

Gambar 2.26 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 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[9] :

Ph = η B1.6 _{max f υ Watt...(2.16)}

Dimana : Ph = rugi hysteresis

32

f = frekuensi pembalikan magnetik

= dimana n dalam rpm dan P=jumlah kutub υ = volume jangkar (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 bersikulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.27.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 sebesar mungkin secara praktisnya[10].

(a) (b)

Gambar 2.27 (a) Arus pusar didalam jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi

2.7.3 Rugi-Rugi Mekanis (Mechanical Losses)

Rugi-rugi mekanis di dalam mekanis motor DC merupakan rugi-rugi yang berhubungan dengan efek-efek mekanis di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin.Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang

33

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[8].

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

Rugi-rugi di dalam motor DC seri di atas juga dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu :

34

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.

2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervarisasi terhadap arus pembebanan. Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini adalah:

a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ia2Ra). b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (Ia2Rs) c. Rugi jatuh tegangan sikat (VbdIa)

Sehingga rugi-rugi total di dalam Motor DC adalah : ∑ Rugi-Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel [3]

2.8 Torsi Motor Arus Searah

Yang dimaksud torsi adalah putaran dari suatu gaya terhadap suatu poros.Ini diukur dengan hasil gaya itu dengan jari-jari lingkaran dimana gaya tersebut bekerja.

Gambar 2.28 menunjukkan pada suatu pulley dengan jari-jari r bekerja suatu gaya F Newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran per detik [4]

Torsi = F x r Newton-meter (N-m) ...(2.17) Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada suatu putaran,

35

= F x 2 π r Joule ...(2.18)

Gambar 2.28 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya Daya yang dibangkitkan:

= F x 2 π r x n Joule/detik

= (F x r) x 2 π n Joule/detik ...(2.19) Jika :

2 π n = kecepatan sudut (ω) dalam rad/detik F x r = torsi T

Maka daya yang dibangkitkan = T x ω Joule/detik = T x ω Watt

2.8.1 Torsi Jangkar

Di dalam motor DC,setiap konduktor di bagian permukaan jangkar akan mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari jangkar.Dengan demikian,masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang cenderung untuk memutar jangkar.Jumlah seluruh torsi yang dihasilkan oleh konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar (Ta) [4]

Jika pada suatu motor DC :

r = rata-rata jari-jari jangkar (meter)

36

Z = jumlah total konduktor jangkar

I = arus dalam setiap konduktor = Ia/A (Ampere) B = rapat fluks rata-rata (Weber/meter2)

Φ = fluks per kutub (Weber) P = jumlah kutub

Maka gaya pada setiap konduktor, F = B i l Newton

Torsi yang dihasilkan oleh suatu konduktor = F x r Newton-meter Torsi jangkar total, Ta = Z F r Newton-meter

Ta = Z B i l r Newton-meter

Sekarang i = Ia/A, B = Φ/a dimana a adalah luas penampang jalur fluks per kutub pada jari-jari r. Jelasnya, a = 2 π r

Ta = 0,159 x x Ia atau Ta = 9,55 x . N-m ...(2.20)

2.8.2 Torsi Poros

Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan Tsh.Torsi poros merupakan torsi yang akan menghasilkan daya keluaran motor yang berguna. Jika kecepatan motor adalah n rpm, maka Daya keluaran (Watt) = 2 π n Tsh /60

Atau Tsh = 9,55 x N-m... (2.21)

2.9 Efisiensi Pada Mesin Arus Searah

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

η = 100% ... (2.22) Dimana : Pin=daya masukan

37

Pout=daya keluaran [5]

2.10 Metode Field’s Test

Metode ini dapat diterapkan untuk dua motor seri yang identik. Seperti pada pengujian hopkinson,kedua motor seri dikopel secara mekanis,dimana mesin yang satu bekerja sebagai motor dan yang lainnya sebagai generator,namun pada pengujian ini keluaran generator dibuang melalui resistansi R [3].

Berikut ini adalah rangkaian field’s test untuk motor seri : Dimana :V = Tegangan suplai ke motor (volt)

V1 = Tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)

I1 = Arus motor (ampere)

V2 = Tegangan terminal jangkar generator arus searah (volt)

I2 = Arus beban (ampere)

Rs = tahanan medan seri Ra = tahanan jangkar seri R = Tahanan Variabel

38

Gambar 2.29 Rangkaian field’s test untuk motor arus searah

berpenguatan seri

Rugi besi dan gesekan kedua mesin dibuat sama dengan [2] :

1.Menggabung kumparan medan seri generator pada rangkaian jangkar motor,sehingga kedua mesin akan mendapat penguatan yang sama

2.Memutar kedua mesin dengan kecepatan yang sama.

Motor arus searah tersebut diberi pasokan catu daya arus searah dengan tegangan nominalnya.Variabel resistor R disetel sedemikian rupa hingga motor mencapai keadaan beban penuh (diindikasikan oleh Amperemeter A),kemudian catat semua penunjukan instrumen ukur[3].

Daya masukan sistem (total) = Vt. I1

Daya keluaran sistem =V2. I2

Rugi total sistem = Wt = Vt. I1 - V2. I2

Rugi tembaga jangkar dan medan sistem = Wcu = ( Ra + 2Rs ).I12 + I22 Ra

Rugi beban stray sistem = Wt – Wcu

Rugi beban stray per mesin=WS = (Wt – Wcu) / 2

39

Daya masukan motor =V1. I1

Rugi-rugi motor=Wm = ( RA + RS ).I12 + WS

η (%) = {V1. I1 - Wm}/ V1. I1

Efisiensi generator [3] :

Efisiensi generator untuk pengujian ini jarang dicari, karena generator beroperasi dalam keadaan abnormal (penguatan terpisah), namun jika diinginkan dapat dicari sebagai berikut :

Daya Keluaran Generator = V2.I2

Rugi-rugi Generator =Wg= Rs .I12 + Ra.I22 + WS

η (%) = {V2.I2}/ (V2.I2 + Wg)

2.11 Prinsip Penyearahan Tegangan Listrik Mesin DC (Komutasi)

Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan (dropforged),yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Komutator merupakan alat penyearah arus secara mekanik yang bekerja bersama sama dengan sikat.Adapun fungsi komutator ini adalah untuk mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat.

Sedangkan sikat terbuat dari karbon,grafit,logam grafit atau campuran karbon-grafit yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kontak sikatnya.besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan.Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik Sikat sikat berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus yang dihasilkan oleh lilitan jangkar ke bagian beban.sikat juga berfungsi sebagai tempat terjadinya komutasi Kerja komutator dan sikat untuk penyearahan arus yang dihasilkan oleh kumparan disebut komutasi

Komutasi merupakan suatu peristiwa perpindahan sikat-sikat dengan cara gesekan dari satu komutator ke komutator yang lain,peristiwa komutasi ini menyebabkan terjadinya penyearahan arus. Pembangkitan tegangan yang

40

dihasilkan oleh mesin arus searah pada prinsipnya sama seperti pada mesin arus bolak-balik yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan listrik bolak-balik.

Gambar 2.30 Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal Perhatikan gambar 2.30 Untuk terjadinya induksi tegangan, penghantar rotor yang bergerak harus memotong medan magnet.Dengan demikian, maka tegangan hanya akan terinduksi pada segmen ab dan cd dari belitan rotor pada gambar 2.30 Tegangan induksi yang terjadi dinyatakan sebagai :

eind = (v x B).l

di mana v = kecepatan gerak penghantar rotor B = kerapatan fluks magnetik l = panjang penghantar

Arah (v x B) merupakan arah arus di dalam penghantar bila terhubung dengan beban, seperti pada gambar 1. Besar tegangan induksi yang terbentuk pada penghantar tunggal adalah sbb :

eloop = eab + ebc + ecd + eda

eloop = Blv + 0 + Blv + 0

eloop = 2 Blv

Dengan bergeraknya belitan, maka polaritas tegangan pada belitan akan berubah bergantung posisi penghantar terhadap kutub utara dan kutub selatan. Bentuk gelombang tegangan yang terinduksi pada belitan rotor diperlihatkan pada

41

gambar berikut ini. Dapat dilihat bahwa tegangan yang terbentuk adalah tegangan bolak-balik (AC). Untuk itu diperlukan proses penyearahan didalam mesin arus searah.

Gambar 2.31 Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan rotor

Prinsip penyearahan pada mesin arus searah dilakukan oleh komutator dan sikat secara mekanis, dan prosesnya dapat dilihat pada penjelesan berikut :

42 Pada waktu t1 :

Segmen komutator tepat berhimpit pada sikat, pada saat ini arus listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½IA + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen

komutator sebelah kanan ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA kearah kanan.

Pada waktu t2:

Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 1 : 3 antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersebut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandingan bagian komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¼ IA dengan segmen komutator sebelah kanan

sebesar 3/4 IA. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA kearah

kanan.

Pada waktu T3 :

Sikat tepat bearada ditengah-tengah segmen komutator, sehingga arus yang mengalir terdistribusi menjadi dua bagian yang sama besar antara segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga pada kumparan k tidak ada arus yang mengalir (nol).

Pada waktu T4 :

Segmen komutator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 3 : 1 antar segmen komutator sebelah kiri dan kanan, sehingga arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersbut (kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandigan bagain komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya : segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¾ IA dan segmen komuntator sebelah kanan sebesar ¼ IA.

Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ¼ IA ke arah kiri.

Pada waktu T5 :

Segmen komuntator sebelah kiri tepat berhimpit pada sikat ( segmen telah meninggalkan segmen komuntator sebelah kanan sama sekali), pada saat ini arus

43

listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½ A1 + ½ IA = IA’ mengalir melalui segmen mengalir melalui segmen komutator sebelah kiri ke sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA ke arah kiri.

Perpindahan arus yang terjadi pada kumparan k (kumparan jangkar) yang berputar pada medan magnet menyebabkan gaya gerak listrik (tegangan induksi) membentuk gelombang searah (terjadi pembalikan), seperti pada gambar berikut :

Gambar 2.33 Tegangan mesin arus searah hasil komutasi

Sedangkan gambar arus sebagai fungsi waktunya dilukiskan pada gambar berikut:

Gambar 2.34 Arus searah mesin arus searah

Prinsipnya penyearahan ideal terlihat sebagai garis linear. Sedangkan hasil penyearahan pada parakteknya berbentuk seperti gambar setengah lingkaran yang bergaris putus-putus, hal ini akibat pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat. Solusi untuk menjadikannya ideal (berupa garis liner), dapat ditempuh dengan menetralkan ggm yang timbul akibat induktansi tersebut, salah satunya dengan menambahkan kutub bantu komutasi,kumparan kompensasi. dimana ggm nya sama dan berlawanan dengan ggm induktansi.

t

1

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.Motor arus searah sangat banyak digunakan dalam bidang industri.Penggunaan motor arus searah dapat dijumpai misalnya sebagai motor penggerak beban mekanik seperti pompa,penggerak kipas angin,blower,lift,eskalator,penggerak pulley konveyor,dan lain-lain.Motor arus searah yang digunakan dibidang industri pada umumnya memiliki kapasitas daya yang relatif besar dan disesuaikan dengan beban mekanis serta jumlah produksi yang diinginkan.

Untuk memenuhi semuanya itu,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi. Pada motor arus searah suplai daya yang diperoleh berasal dari sumber tegangan listrik arus searah. Dimana sumber tegangan searah ini diberikan kepada kumparan jangkar dan kumparan medan dari motor tersebut.

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 cara atau teknik yang dapat dilakukan yaitu melakukan penggeseran sikat(brush shifting),kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles),dan belitan kompensasi (compensating windings).

2

Pada tugas akhir ini,penulis akan membahas tentang Analisis perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri akibat pergeseran sikat dengan menggunakan metode field’s test.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari tugas akhir ini adalah :

1. Bagaimana pengaruh pergeseran sikat terhadap efisiensi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test

2. Bagaimana pengaruh pergeseran sikat terhadap torsi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test

3. Bagaimana pengaruh kutub kutub komutasi terhadap efisiensi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode

field’s test

4. Bagaimana pengaruh kutub kutub komutasi terhadap torsi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk :

1. Mengetahui pengaruh pergeseran sikat terhadap efisiensi dan torsi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode

field’s test.

2. Mengetahui pengaruh kutub kutub komutasi terhadap efiesiensi dan torsi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test.

3

3. Memperlihatkan perbandingan efisiensi dan torsi antara pergeseran sikat dengan kutub kutub komutasi dan pergeseran sikat tanpa kutub kutub komutasi motor arus searah penguatan seri dengan menggunakan metode field’s test.

1.4 Batasan Masalah

Adapun pembatasan masalah yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:

1. Motor yang dipergunakan sebagai aplikasi adalah motor arus searah penguatan seri pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.

2. Rugi-rugi yang di hitung adalah rugi-rugi tembaga dan rugi-rugi beban stray pada motor dc penguatan seri

3. Motor arus searah penguatan seri dalam keadaan berbeban.

4. Tidak membahas tentang gangguan-gangguan yang terjadi pada motor arus searah penguatan seri.

5. Analisis data dan perhitungan berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU.

4

1.5 Manfaat

Dari penulisan tugas akhir ini diharapkan dapat dimanfaatkan sebagai bahan pembelajaran guna memberikan pemahaman yang lebih jelas mengenai permasalahan komutasi(penyearahan) pada motor arus searah penguatan seri dan bagaimana pengaruhnya terhadap efisiensi dan torsi motor arus searah penguatan seri bila dilakukan pergeseran sikat ataupun ditambahkan kutub kutub komutasi

Adapun hasil dari tugas akhir ini,kita bisa melihat nilai perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri antara pergeseran sikat dengan kutub kutub komutasi dan tanpa adanya kutub kutub komutasi,dan kita dapat menyimpulkan cara yang terbaik untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses komutasi yang berpengaruh terhadap efisiensi dan torsi pada motor arus searah

i ABSTRAK

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisien.Untuk memenuhi semuanya ini,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi.Pergeseran sikat dan penambahan kutub kutub komutasi berpengaruh terhadap kinerja dari motor DC.Dengan menggeser posisi sikat dan menambahkan kutub kutub komutasi,maka akan diperoleh efisiensi dan torsi yang lebih baik sehingga motor DC dapat bekerja dengan lebih baik.Pada tugas akhir ini akan dibahas analisis perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri akibat pergeseran sikat dengan menggunakan metode field’s test.Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan,efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 _{yaitu pada} motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi sebesar 62,13% sedangkan pada motor DC seri dengan kutub kutub komutasi sebesar 64,51%.Torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi +300 _{yaitu pada motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi} sebesar 2,54 N-m sedangkan pada motor DC seri dengan kutub kutub komutasi sebesar 2,81 N-m.

Kata kunci : motor dc seri, pergeseran sikat, kutub kutub komutasi, metode field’s test

TUGAS AKHIR

ASALISIS PERBASDISGAS EFISIESSI DAS TORSI MOTOR DC SERI AKIBAT

PERGESERAS SIKAT DESGAS MESGGUSAKAS METODE FIELD’S TEST

Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub konsentrasi Teknik Energi Listrik Oleh

Riandi Fuanto SIM : 110402102

DEPARTEMES TEKSIK ELEKTRO FAKULTAS TEKSIK

USIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAS

i ABSTRAK

Motor arus searah adalah sebuah mesin arus searah yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.Pada penggunaannya motor arus searah harus disesuaikan dengan kebutuhan agar ekonomis dan efisien.Untuk memenuhi semuanya ini,maka diperlukan motor arus searah yang memiliki efisiensi dan torsi tinggi.Pergeseran sikat dan penambahan kutub kutub komutasi berpengaruh terhadap kinerja dari motor DC.Dengan menggeser posisi sikat dan menambahkan kutub kutub komutasi,maka akan diperoleh efisiensi dan torsi yang lebih baik sehingga motor DC dapat bekerja dengan lebih baik.Pada tugas akhir ini akan dibahas analisis perbandingan efisiensi dan torsi motor dc seri akibat pergeseran sikat dengan menggunakan metode field’s test.Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan,efisiensi yang tertinggi diperoleh pada posisi sikat -300 _{yaitu pada}

motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi sebesar 62,13% sedangkan pada motor DC seri dengan kutub kutub komutasi sebesar 64,51%.Torsi yang tertinggi diperoleh pada posisi +300 _{yaitu pada motor DC seri tanpa kutub kutub komutasi}

sebesar 2,54 N-m sedangkan pada motor DC seri dengan kutub kutub komutasi sebesar 2,81 N-m.

Kata kunci : motor dc seri, pergeseran sikat, kutub kutub komutasi, metode field’s test

ii KATA PESGASTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus,karena atas berkat dan rahmat-Nya Tugas Akhir ini dapat disusun dan diselesaikan dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas akhir ini adalah:

“ASALISIS PERBASDISGAS EFISIESSI DAS TORSI MOTOR DC SERI AKIBAT PERGESERAS SIKAT DESGAS MESGGUSAKAS METODE

FIELD’S TEST”

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda (Simon Sembiring) beserta Ibunda (Enny Tarigan) dan Abang – adik tersayang (Rejan Refanly Sembiring dan Lasya Yolanda Sembiring) yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis selama studi hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Selama masa kuliah hingga penyelesaian Tugas Akhir ini penulis juga banyak mendapatkan dukungan maupun bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam kepada :

1. Bapak Ir.Raja Harahap,M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya untuk selalu memberikan bantuan,bimbingan dan pengarahan kepada penulis selama perkuliahan hingga penyusunan Tugas Akhir ini.

iii

2. Bapak Ir. Eddy Warman,M.T. selaku dosen Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini dan telah memberikan pengarahan kepada penulis selama perkuliahan hingga penyusunan Tugas Akhir ini.

3. Bapak Ir.Syamsul Amien,M.S. selaku dosen penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan masukan demi perbaikan Tugas Akhir ini.

4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si. selaku Ketua Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara yang telah banyak memberikan bimbingan,nasehat dan motivasi kepada penulis selama menjalani perkuliahan.

5. Ibu Naemah Mubarakah,S.T.,M.T. selaku dosen Wali yang selalu memberikan arahan,bimbingan dan nasihat selama penulis menjalani perkuliahan di Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.

6. Seluruh Bapak dan Ibu dosen yang telah mendidik serta memberikan pengalaman hidup yang berharga selama masa perkuliahan kepada penulis.

7. Bang Marthin,Kak Ester,Kak Umi,Pak Ponijan dan Bang Dipo, selaku staf pegawai Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah membantu penulis dalam pengurusan administrasi.

8. Sahabat Kerja Praktek Dedywidya Sitindaon,Sandro Levi Panggabean,Yudha Pratama Simamora dan Youki Lantona

iv

Hutauruk yang telah memberikan motivasi dan semangat selama perkuliahan,kerja praktek hingga menyelesaikan Tugas Akhir ini. 9. Seluruh pengurus Ikatan Mahasiswa Teknik Elektro periode

2014/2015 stambuk 2011 Riko Jogi Petrus Pasaribu,Wahyudi Syahputra,Hajijah afni,Seprianti,James Napitupulu (Jimbo),Emir Lutfi Pahlevi,Rizky Wira Handalan,Risjen sianturi,Ferro Hudson,Samgar Siahaan,Tidauccy Samuel,Faisal Hasibuan,Bill Immanuel Tarigan,Yosef Tarigan,Fernando EP,Yoshua Bangun, Canboy dan Biondi Laurens.

10. Rekan - rekan Asisten Laboratorium Dasar Konversi Aspar nasution serta Muhammad zein yang telah membantu penulis dalam mengambil data yang berkaitan dengan Tugas akhir penulis, Asisten Teknik Tegangan Tinggi Josiah Suatan,Memory Hidyart, Asisten Laboratorium Transmisi dan Distribusi Andreas VHS,Ann Alberth Sitorus(ciputo),M.Fikri,Sakinah,Syahlan Hutagaol dan frederik Serta tidak ketinggalan Asisten Laboratorium Komputer Frans M silaban dan Mian sianturi.

11. Anak Kos Terompet 28 Tony Putra L.Tobing yang telah memberikan nasehat nya yang bijak kepada penulis dikala malam hari,Ari frahma ginting,freddy sinaga(Denago),Nuel dan Goster. 12. Agustina Angelina Sinaga Uruk,seorang teman,sahabat dan

penyemangat yang istimewa. Terima kasih atas semua bantuan, Motivasi,Doa dan dukungannya selama ini kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

v

13.Teman SMA ku Deny Frans Sihotang,Frandy Manurung,Dandy Sitompul,Bayu aditya sinuraya,Minta tio Hari yang telah memberikan nasehat dan dukungan kepada penulis.

14.Teman Sastra China, Widy Tobing (dek wede),Mey Elizabeth,Nerly Catherine, kedua itokku Febrina Tampubolon dan Sanny Tung.

15.Seluruh teman-teman stambuk 2011 yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang sudah memberikan pelajaran hidup,cerita,canda dan ilmu selama penulis menjalani perkuliahan di Departemen Teknik Elektro,Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari pembaca yang dapat membuat Tugas Akhir ini lebih baik lagi.Semoga Tugas Akhir ini dapat berguna dan bermanfaat bagi pembaca.

Medan, Januari 2016

Riandi Fuanto

NIM: 110402102

vi DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Perumusan Masalah ... 2

1.3Tujuan ... 2

1.4Batasan Masalah ... 3

1.5Manfaat ... 4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1Motor Arus Searah ... 5

2.2Konstruksi Motor Arus Searah ... 6

2.3Prinsip Kerja Motor Arus Searah ... 12

2.4Permasalahan dengan Komutasi Pada Mesin Arus Searah ... 16

2.4.1 Reaksi Jangkar ... 16

2.4.2 Tegangan L.di/dt ... 19

2.4.3 Mengatasi Masalah Komutasi ... 20

vii

2.4.3.2 Kutub Kutub Komutasi ... 22

2.4.3.3 Belitan Kompensasi ... 23

2.5 Jenis Jenis Motor Arus Searah ... 23

2.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas ... 24

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri ... 24

2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Shunt ... 24

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri ... 25

2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon ... 26

2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek ... 26

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang ... 26

2.6 Karakteristik Motor DC Seri ... 27

2.6.1 Karakteristik Torsi Terhadap Arus Jangkar ... 27

2.6.2 Karakteristik Putaran Terhadap Arus Jangkar ... 28

2.6.3 Karakteristik Putaran Terhadap Torsi ... 28

2.7 Rugi Rugi Motor Arus Searah ... 29

2.7.1 Rugi Rugi Tembaga (Copper Loss) ... 30

2.7.2 Rugi Rugi Inti (Core or Iron Losses) ... 31

viii

2.7.4 Rugi Rugi Beban Stray (Stray Load Losses) ... 33

2.8 Torsi Motor Arus Searah ... 34

2.8.1 Torsi Jangkar ... 35

2.8.2 Torsi Poros ... 36

2.9 Efisiensi Pada Mesin Arus Searah ... 36

2.10 Metode Field’s Test ... 37

2.11 Prinsip Penyearahan Tegangan Listrik Mesin DC(Komutasi) ... 39

BAB 3 METODE PENELITIAN... 44

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 44

3.2 Bahan dan Peralatan ... 44

3.3 Variabel yang diamati ... 44

3.4 Prosedur Penelitian ... 45

3.4.1 Tahap Persiapan ... 45

3.4.2 Tahap Pengambilan Data ... 45

3.4.3 Rangkaian Percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 46

3.4.4 Rangkaian Percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 47

ix

3.5 Prosedur Pengujian ... 47

3.5.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 47

3.5.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 48

BAB 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 49

4.1 Umum ... 49

4.2 Data Pengujian ... 50

4.3 Analisa Data ... 51

4.3.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi ... 51

4.3.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi ... 53

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1 Kesimpulan ... 58

5.2 Saran ... 58

x DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator...6

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor...7

Gambar 2.3 Konstruksi Kutub dan Penempatannya...8

Gambar 2.4 Sikat Pada Motor DC...9

Gambar 2.5 Inti Jangkar yang Berlapis lapis...10

Gambar 2.6 Komutator...11

Gambar 2.7 Pengaruh Penempatan Konduktor yang Dialiri Arus Listrik Dalam Medan Magnet...12

Gambar 2.8 Kaidah tangan kanan...12

Gambar 2.9 Prinsip perputaran motor arus searah...14

Gambar 2.10 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor DC...15

Gambar 2.11 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan...17

Gambar 2.12 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar...18

Gambar 2.13 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar...18

Gambar 2.14 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral...21

Gambar 2.15 Pergeseran garis netral akibat reaksi jangkar...22

Gambar 2.16 Kutub magnet utama dan kutub bantu...23

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas...24

Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan shunt...24

Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan seri...25

Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek...26

Gambar 2.21 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon panjang...26

Gambar 2.22 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri...27

Gambar 2.23 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri...28

Gambar 2.24 Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc penguatan seri...29

Gambar 2.25 Diagram aliran daya pada motor arus searah...30

Gambar 2.26 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub...31

xi

(b)Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi...32

Gambar 2.28 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya...35

Gambar 2.29 Rangkaian field’s test untuk motor arus searah berpenguatan seri..38

Gambar 2.30Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal...40

Gambar 2.31Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan rotor...41

Gambar 2.32Proses penyearahan tegangan (komutasi)...41

Gambar 2.33Tegangan mesin arus searah hasil komutasi...43

Gambar 2.34Arus searah mesin arus searah...43

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi...46

Gambar 3.2 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi...47

Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi...57

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi...57

xii DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri

Tanpa Kutub Komutasi...50 Tabel 4.2 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri

Dengan Kutub Komutasi...51 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat

Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi...53 Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat

Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi...55 Tabel 4.5 Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi ...56 Tabel 4.6 Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

vii

2.4.3.2 Kutub Kutub Komutasi ... 22

2.4.3.3 Belitan Kompensasi ... 23

2.5 Jenis Jenis Motor Arus Searah ... 23

2.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas ... 24

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri ... 24

2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Shunt ... 24

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri ... 25

2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompon ... 26

2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek ... 26

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang ... 26

2.6 Karakteristik Motor DC Seri ... 27

2.6.1 Karakteristik Torsi Terhadap Arus Jangkar ... 27

2.6.2 Karakteristik Putaran Terhadap Arus Jangkar ... 28

2.6.3 Karakteristik Putaran Terhadap Torsi ... 28

2.7 Rugi Rugi Motor Arus Searah ... 29

2.7.1 Rugi Rugi Tembaga (Copper Loss) ... 30

2.7.2 Rugi Rugi Inti (Core or Iron Losses) ... 31

viii

2.7.4 Rugi Rugi Beban Stray (Stray Load Losses) ... 33

2.8 Torsi Motor Arus Searah ... 34

2.8.1 Torsi Jangkar ... 35

2.8.2 Torsi Poros ... 36

2.9 Efisiensi Pada Mesin Arus Searah ... 36

2.10 Metode Field’s Test ... 37

2.11 Prinsip Penyearahan Tegangan Listrik Mesin DC(Komutasi) ... 39

BAB 3 METODE PENELITIAN... 44

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 44

3.2 Bahan dan Peralatan ... 44

3.3 Variabel yang diamati ... 44

3.4 Prosedur Penelitian ... 45

3.4.1 Tahap Persiapan ... 45

3.4.2 Tahap Pengambilan Data ... 45

3.4.3 Rangkaian Percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 46

3.4.4 Rangkaian Percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 47

ix

3.5 Prosedur Pengujian ... 47

3.5.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 47

3.5.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi Kondisi Berbeban Metode Field’s Test ... 48

BAB 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 49

4.1 Umum ... 49

4.2 Data Pengujian ... 50

4.3 Analisa Data ... 51

4.3.1 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi ... 51

4.3.2 Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri dengan Kutub Komutasi ... 53

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1 Kesimpulan ... 58

5.2 Saran ... 58

x DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi motor arus searah bagian stator...6

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian rotor...7

Gambar 2.3 Konstruksi Kutub dan Penempatannya...8

Gambar 2.4 Sikat Pada Motor DC...9

Gambar 2.5 Inti Jangkar yang Berlapis lapis...10

Gambar 2.6 Komutator...11

Gambar 2.7 Pengaruh Penempatan Konduktor yang Dialiri Arus Listrik Dalam Medan Magnet...12

Gambar 2.8 Kaidah tangan kanan...12

Gambar 2.9 Prinsip perputaran motor arus searah...14

Gambar 2.10 Aturan tangan kiri untuk prinsip kerja motor DC...15

Gambar 2.11 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan...17

Gambar 2.12 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar...18

Gambar 2.13 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar...18

Gambar 2.14 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral...21

Gambar 2.15 Pergeseran garis netral akibat reaksi jangkar...22

Gambar 2.16 Kutub magnet utama dan kutub bantu...23

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas...24

Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan shunt...24

Gambar 2.19 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan seri...25

Gambar 2.20 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek...26

Gambar 2.21 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon panjang...26

Gambar 2.22 Karakteristik Torsi terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri...27

Gambar 2.23 Karakteristik putaran terhadap arus jangkar motor dc penguatan seri...28

Gambar 2.24 Karakteristik putaran terhadap torsi motor dc penguatan seri...29

Gambar 2.25 Diagram aliran daya pada motor arus searah...30

Gambar 2.26 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub...31

xi

(b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi...32

Gambar 2.28 Suatu pulley yang berputar karena mengalami suatu gaya...35

Gambar 2.29 Rangkaian field’s test untuk motor arus searah berpenguatan seri..38

Gambar 2.30 Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal...40

Gambar 2.31 Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan rotor...41

Gambar 2.32 Proses penyearahan tegangan (komutasi)...41

Gambar 2.33 Tegangan mesin arus searah hasil komutasi...43

Gambar 2.34 Arus searah mesin arus searah...43

Gambar 3.1 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi...46

Gambar 3.2 Rangkaian percobaan Pergeseran Sikat Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi...47

Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi...57

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub komutasi terhadap Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi...57

xii DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri

Tanpa Kutub Komutasi...50 Tabel 4.2 Data Pengujian Pergeseran Sikat Motor DC Seri

Dengan Kutub Komutasi...51 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat

Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi...53 Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Efisiensi Dan Torsi Pergeseran Sikat

Motor DC Seri Dengan Kutub Komutasi...55 Tabel 4.5 Perbandingan Efisiensi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi

Dengan Motor DC Seri Dengan Kutub komutasi ...56

Tabel 4.6 Perbandingan Torsi Motor DC Seri Tanpa Kutub Komutasi