22
juga dalam menghubungkan dengan beban jangan menggunakan mekanisme penggerak yang mudah putus seperti ban-kopel V-belt.
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 2.5 d 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 Universitas Sumatera Utara
23
3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang a. Rangkaian Ekivalen
R
a
E
a
+
- I
L
V
t
R
s
R
sh
I
sh
I
a
Gambar 2.5 e Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Kompon Panjang
Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang I
L
= I
a
+I
sh
V
t
= E
a
+I
a
R
a
+R
s
2.11 P
in
= V
t
I
L
V
t
= V
sh
Dimana : I
a
R
s
= tegangan jatuh pada kumparan seri I
a
R
a
= tegangan jatuh pada kumparan jangkar
b. Karakteristik Motor DC penguatan kompon memiliki dua kumparan medan yakni
kumparan medan shunt dan kumparan medan seri. Berikut ini tiga karakteristik dari sebuah motor DC penguatan kompon panjang:
1. Karakteristik Torsi T=TIa V
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
24
Dengan penambahan arus jangkar Ia sehingga bertambah dan torsi T juga besar.
T=K. ∅m.Ia
dimana ∅m=∅sh+∅s
T=K ∅sh+∅sIa
2.12 Jika fluksi medan shunt lebih besar dibandingkan medan seri maka
bentuk karakteristik torsi dan arus seperti kurva 1. Sedangkan jika fluksi medan seri lebih besar dibandingkan dengan medan shunt maka bentuk
karakteristik torsi dan arus seperti kurva 2. Gambar karakteristik untuk torsi dan arus dapat dilihat seperti gambar berikut ini:
Gambar 2.5 f Karakteristik Torsi dan Arus Jangkar
2. Karakteristik Putaran n=nIaV Untuk motor kompon panjang:
Vt=Ea+IaRa+Rs 2.13
Ea=C.n. ∅m
2.14
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
25
Ea=C ∅sh+∅sn
2.15
Jadi :
n
=
∅ ℎ+∅
[Vt − Ia Ra + Rs ] 2.16
Dengan pertambahan arus jangkar Ia, fluks ∅ juga akan bertambah
dan [Vt-IaRa+Rs] berkurang. Dengan pertambahan arus jangkar maka kecepatan jatuh pada motor kompon lebih cepat dibandingkan dengan motor
arus shunt. Karakteristik dari kecepatan dengan arus jangkar dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 2.5g Karakteristik Kecepatan dan Arus Jangkar
3. Karakteristik Mekanis T=TnV Ini merupkan kurva antara kecepatan n dan torsi T dari motor DC.
Jika torsi T=k. ∅.Ia bertambah, maka nilai Ia bertambah, sedangkan fluks
∅ tetap. Dengan bertambahnya torsi T maka kecepatan n akan menurun, maka kurva motor kompon ini sama dengan motor shunt. Untuk
medan shunt karakteristik kecepatan dan torsi ini mendekati ke motor shunt
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
26
seperti kurva 1. Sedangkan untuk medan seri karakteristik kecepatan dan torsi mendekati ke motor seri seperti kurva 2. Seperti gambar berikut:
Gambar 2.5h Karakteristik Kecepatan dan Torsi 2.6
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 energipada motor DC dalam aliran daya di bawah ini :
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
27
Daya input V I
L
Watt Daya mekanis
yang dibangkitkan di
dalam jangkar Ea Ia Watt
Daya output motor
T
sh ω Watt
Rugi-rugi tembaga
Rugi-rugi besi dan
mekanis
Energi Listrik Energi
mekanis
Gambar 2.6 a 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
sinyatakan dengan : ∑ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran
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.
2.6.1 Rugi-Rugi Tembaga Copper Loss
Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumpran jangkar motor. Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut
memiliki nilai resistansi R
f
dan R
a
, maka jika mengalir arus searah sebesar I
f
dan I
a
akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan : P
a
= I
a 2
R
a
2.17 P
f
= I
f 2
R
f
2.18
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
28
Dimana : P
a
= rugi tembaga kumparan jangkar P
f
= rugi tembaga kumparan medan I
a
= arus jangkar I
f
= arus medan R
a
= resistansi jangkar R
f
= resistansi medan
2.6.2 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 magnetic sebagaimana bagian tersebut lewat
di bawah kutub-kutub yang berurut.
Gambar 2.6b Perputaran Jangkar di dalam Motor Dua Kutub
Gambar 2.6b 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
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
29
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 jangkardigunakan persamaan Steinmentzyaitu : P
h
= B
max 1,6
f υ Watt 2.19
Dimana : P
h
= rugi hysteresis B
max
= rapat fluks maksimum di dalam jangkar f = frekuensi pembalikan magnetik
=
n P 120
dimana n dalam rpm dan P=jumlah kutub υ = volume jangkar m
3
= koefisien hysteresis Steinmentz 2. Rugi Arus Pusar
Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam konduktor jangkar, ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam init jangkar. Tegangan ini
menghasilkan arus yang bersikulasi di dalam inti jangkar seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.15. 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
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
30
menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya.
1 2
Gambar 2.6 c1 Arus pusar di dalam jangkar yang padat c2 Arus pusar
di dalam inti jangkar yang dilaminasi
2.6.3 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 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
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
31
dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut.
2.6.4 Rugi-Rugi Sikat Brush Losses
Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikat-sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi sikat dan
juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan V
bd
. Jatuh tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :
P
bd
= V
bd
.I
a
2.20 Dimana :
P
bd
= rugi daya akibat tegangan sikat I
a
= arus jangkar V
bd
= jatuh tegangan sikat Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan
dalam rentang arus jangkar yang besar. Maka rugi-rugi sikat dapat dihitung dengan persamaan:
P
bd
= 2 x I
a
2.21
2.6.5 Rugi-Rugi Beban Stray Stray Load Losses
Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi, yang timbul karena
pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban tidak termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR dan rugi-rugi hubung singkat komutasi.
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
32
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 di atas juga dapat dikelompokkan menjadi
dua yaitu : 1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya selalu tetap,
tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi-rugi inti + mekanis disebut dengan rugi-rugi rotasi. Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi konstan
adalah : a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar
b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin. c. Rugi-rugi tembaga medan shunt.
2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervarisasi terhadap arus pembebanan. Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini
adalah: a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar I
a 2
R
a
. b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri I
a 2
R
s
c. Rugi jatuh tegangan sikat V
bd
I
a
Sehingga rugi-rugi total di dalam motor DC adalah : ∑ Rugi-Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel
2.7 Efisiensi Mesin Arus Searah
2.7.1 Efisiensi Generator Berikut ini gambar aliran daya pada generator dc:
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
33
Gambar 2.7a Aliran Daya Generator DC
[1]
Efisiensi dapat dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Efisiensi Mekanik
�� = =
� � � � �
� � �
� � � � �
� �
=
�� ��
2. Efesisnsi Elektrik �� = =
� � �
� � �
� � � � �
�
=
��
3. Efisiensi Keseluruhan atau Komersial �� = =
� � �
� �
� � � � � �
2.7.2 Efisiensi Motor Daya masukan yang diterima oleh motor DC berupa daya listrik sedangkan
daya keluaran berupa daya mekanik yaitu gerak rotor dan selisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut rugi-rugi. Dengan demikian,
efisiensi suatu motor DC diperoleh dengan:
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
34
Efisiensi =
�
� Dimana:
Pin = Daya masukan
Pout = Daya keluaran Karena, Pout = Pin-
∑ Rugi-rugi Dan, Pin
= Pout+ ∑ Rugi-rugi
Maka,efisiensi motor DC dapat ditunjukkan dalam bentuk sebagai berikut:
Efisiensi =
Pi −∑r i−r i Pi
Efisiensi =
P P
+∑r i−r i
Metode yang paling nyata dalam menentukan efisiensi motor DC adalah membebaninya langsung dan mengukur daya masuk dan keluarnya. Namun,
metode ini harus memperhatikan tiga hal utama yaitu metode ini membutuhkan pembebanan pada motor. Kedua, untuk motor-motor dengan
rating daya yang besar, beban-beban yang diperlukan tidak mungkin diperoleh. Ketiga, bahan lebih mustahil untuk memberikan beban
sedemikian rupa, karena daya yang besar akan terbuang menjadikan metode ini sangat mahal.
Metode yang paling umum untuk mendapatkan efisiensi motor DC adalah menentukan rugi-ruginya dari pengukuran daya masukan dan daya
keluarannya pada saat berbeban. Metode ini memiliki keuntungan yang nyata karena lebih mudah dan ekonomis.
Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara
35
Berikut ini adalah gambar aliran daya pada motor DC
Gambar 2.7b Aliran Daya Motor
[1]
Efisiensi motor dapat dibagi tiga, yaitu: 1. Efisiensi Mekanik
�� = =
� ��
� �
�
=
��
2. Efesiensi Elektrik �� = =
� �
�� �
3. Efesiensi Keseluruhan atau Komersial �� = =
� �
�
Terlihat pada gambar 2.7b bahwa A-B = rugi tembaga dan B-C = rugi besi dan gesekan
2.8 Pengujian Motor Arus Searah