Analisis Perbandingan Pengaturan Kecepatan Dengan Metode Flux Magnet Dan Metode Ward Leonard Terhadap Efisiensi Pada Motor Dc Shunt

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Motor DC
Motor DC adalah suatu mesin yang mengubah energi listrik arus searah
(energi lisrik DC) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran rotor.

[1]

Pada

dasarnya, motor arus searah adalah sama dengan mesin arus bolak balik, kecuali
bahwa motor arus searah memiliki suatu komutator, yang berfungsi untuk
mengubah tegangan bolak balik menjadi tegangan searah. Berdasarkan prinsip
operasinya, motor arus searah juga memiliki banyak kesamaan dengan generator
arus searah, bahkan sering diidentikkan. Hal

itu terbukti dengan melihat

kenyataanya bahwa mesin yang bekerja sebagai generator searah dapat juga
bekerja sebagai motor arus searah.
Berdasarkan konstruksinya, secara umum motor arus searah dibagi

menjadi dua bagian, yakni bagian stator ( bagian yang diam ) dan baigan rotor
( bagian yang bergerak ). Stator merupakan bagian dimana kumparan medan
bekerja menghasilkan fluksi magnet dan rotor merupakan bagian dimana
rangkaian jangkar diletakkan, seperti kumparan jangkar, komutator, dan sikat.
Motor arus searah bekerja bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua
fluksi magnetik. Fluksi magnetik yang pertama dihasilkan oleh kumparan medan,
yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Selanjutnya, di rangkaian
jangkar, kumparan jangkar juga menghasilkan fluksi magnetik dalam bentuk
melingkar. Interaksi fluks magnetik yang pertama dan fluks yang melingkar inilah

4
Universitas Sumatera Utara

yang menimbulkan suatu gaya. Gaya ini kemudian menghasilkan suatu torsi. Jika
torsi start lebih besar daripada torsi beban, maka motor akan berputar.
Pada umumnya, motor arus searah digunakan untuk melayani beban
dengan torsi start yang besar, oleh sebab itu motor arus searah harus disesuaikan
dengan kebutuhan agar bersifat ekonomis.Dan oleh sebab itu juga, motor arus
searah lebih sering digunakan, karena memiliki efisiensi yang tinggi sehingga
lebih unggul bila dibandingkan dengan motor induksi ataupun motor sinkron.

Dalam kehidupan sehari-hari, aplikasi motor arus searah dapat kita jumpai
pada motor starter mobil, tape recorder, dan berbagai jenis mainan umum lainnya.
Pada pabrikasi industri, motor arus searah digunakan untuk taksi, elevator,
convenyor, dan lain sebagainya.

2.2.

Konstruksi Motor DC
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:

Gambar 2.1 Gambar Konstruksi Motor DC

5
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Konstruksi Motor DC Bagian Stator (Bagian yang diam)

Gambar 2.3 Konstruksi Motor DC Bagian Rotor (Bagian yang bergerak)

1. Badan Motor ( Rangka )
Rangka (frame atau yoke) motor arus searah adalah tempat dimana
sebagian besar komponen mesin berada dan rangka ini juga berfungsi untuk
melindungi bagian-bagianyang ada pada mesin. Oleh sebab itu, rangka harus

6
Universitas Sumatera Utara

dirancang sedemikian rupa sehingga memiliki kekuatan mekanis yang tinggi
untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.Rangka mesin arus searah
juga sama seperti mesin-mesin listrik lainnya, yang secara umum memiliki
beberapa fungsi, yaitu:
 Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub
magnet.
 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. Tetapi, pada mesin yang ukurannya lebih
kecil, pertimbangan harga menjadi faktor yang sangat memengaruhi, oleh sebab
itu, rangka biasanya dibuat dari besi tuang. Biasanya pada badan (rangka) motor
terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan spesifikasi umum mesin atau
data-data teknik dari mesin tersebut.

2. Kutub Medan
Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub berfungsi
sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan dan juga untuk
menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar
dengan menggunakan permukaan yang melengkung. Inti kutub terbuat dari
lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang yang terisolasi satu sama lain.
Kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian
dibuat pada rangka.

7
Universitas Sumatera Utara

3. Jangkar

Pada

umumnya,

motor

arus

searah

menggunakan

inti

jangkar

berbentuksilinder yang diberi alur-alur sebagai tempat melilitkan kumparan
jangkar dimana terbentuknya ggl induksi.Inti jangkarterbuat dari bahan
ferromagnetik, sejenis baja silikon, tujuannya agar komponen-komponen (lilitan
jangkar) berada dalam daerah yang induksi magnetnya besar, dengan begitu ggl

induksi dapat bertambah besar.Seperti halnya inti kutub magnet maka jangkar
dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis dengan tujuan untuk mengurangi panas yang
terbentuk karena adanya arus linier.

4. Celah Udara
Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan
permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan
sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi
yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.

5. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang
disebut komutator. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang
berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang
pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan komutator terisolasi dengan baik antara
satu dengan lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya mempunyai
dua bagian yaitu :

8

Universitas Sumatera Utara

a) Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator
dengan sikat-sikat.
b) Komutator riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan
komutator dengan ujung dari lilitan jangkar.

6. Kumparan Jangkar
Kumparan

jangkar

pada

motor

arus

searah

merupakan

tempat

dibangkitkannya ggl induksi. Kumparan jangkar ditempatkan di dalam alur-alur
inti jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam,
yaitu :
a) Kumparan jerat (lap winding)
b) Kumparan gelombang (wave winding)
c) Kumparan zig-zag (frog-leg winding)
7. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti
kutub.

Dimana konduktor tersebut

terbuat

dari kawat

tembaga

yang

berbentukbulat 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.

9
Universitas Sumatera Utara

8. 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 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.

2.3.Prinsip Kerja Motor DC
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi fluksi magnetik. Pada saat
kumparan medan dan kumparan jangakar dihubungkan dengan sumber tegangan
DC, maka mengalirlah arus medan pada kumparan medan. Mengingat bahwa arus
listrik yang mengalir melalui suatu hantaran merupakan aliran elektron, maka
pada sekitar hantaran listrik terseut akan timbul suatu medan magnet. Medan
magnet tersebut kemudian disebut fluksi magnet, yang pada kumparan medan ini
arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan
jangkar, mengalir arus jangkar, yang menyebabkan pada konduktor timbul fluksi
magnet yang melingkar. Fluksi magnet yang melingkar, yang ditimbulkan oleh
kumparan jangkar tersebut akan memotong fluksi magnet yang ada pada
kumparan medan sehingga mengakibatkan terjadinya pergeseran kerapatan fluksi
magnetik dari medan utama. Mengacu pada Hukum Lorenz, maka interaksi antara
kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya, berupa gaya mekanik pada

10
Universitas Sumatera Utara

konduktor jangkar, gaya ini biasa disebut dengan gaya Lorenz. Besarnya nilai
gaya ini sesuai dengan persamaan berikut ;
F=B.i.l

....................................................................... (2.1)

Dimana :
F= gaya yang bekerja pada konduktor (N)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
i = arus yang mengalir pada konduktor (A)
l = panjang konduktor (m)

Gaya yang dihasilkan dari peristiwa ini memiliki arah, dan arah gaya
tersebut dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri
menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks
magnet B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan
menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.

Gambar 2.4 Kaidah Tangan Kiri Flemming
11
Universitas Sumatera Utara

2.4. Reaksi Jangkar
Reaksi jangkar adalah suatu akibat yang ditimbulkan karena adanya
interaksi antara dua fluks. Interaksi ini bermula ketika kumparan medan diberi
tegangan. Tegangan ini kemudian menghasilkan arus medan pada kumparan
medan. Adanya arus medan pada kumparan medan menyebabkan timbulnya fluks
pada kumparan medan, yang arahnya dari utara menuju selatan.

Gambar 2.5 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus, sementara
kumparan medan tidak dieksitasi, maka di sekeliling konduktor jangkar timbul
garis gaya magnet atau fluksi dalam bentuk melingkar.

Gambar 2.6 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar

12
Universitas Sumatera Utara

Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar menentang fluksi medan
utama yang dihasilkan oleh kumparan medan 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 menyebabkan penguatan 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.

Gambar 2.7 Fluksi yang dihasilkan oleh interaksi kumparan jangkar dan
kumparan medan.

2.5 Gaya Gerak Listrik Lawan Motor Arus Searah
Proses terjadinya GGL lawan adalah suatu kumparan jangkar diberi
sumber DC. Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi sehingga jangkar
berputar. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul
GGL. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber yang
diberikan pada motor sehingga disebut dengan GGL lawan.

13
Universitas Sumatera Utara

Jadi GGl lawan pada motor DC adalah GGL yang terjadi pada jangkar
motor DC (pada waktu motor dioperasikan/berputar), yang disebabkan karena
jangkar tersebut berputar dalam medan magnet.
2.6 Jenis-Jenis Motor DC
Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis
penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan
jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi:
2.6.1 Motor DC Penguatan Bebas
[3]

Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang

sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan
disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus
searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar berikut.

Gambar 2.8 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Bebas

Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas :
Vt = Ea + Ia Ra ........................................................................................... (2.2)
Vf = If . Rf .................................................................................................... (2.3)

14
Universitas Sumatera Utara

Dimana :
Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)
Ia = arus jangkar (A)
Ra = tahanan jangkar (Ohm)
If = arus medan penguatan bebas (A)
Rf = tahanan medan penguatan bebas (Ohm)
Vf = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)
Ea = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)

2.6.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri
Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang
sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan
medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat
dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar dan dapat juga
dihubungkan dengan keduanya, yaitu secara seri dan paralel.
Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga, yaitu:
1. Motor arus searah penguatan shunt
2. Motor arus searah penguatan seri.
3. Motor arus searah penguatan kompond

15
Universitas Sumatera Utara

2.6.2.1 Motor arus searah penguatan shunt
Motor shunt, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat
magnetnyadihubungkan paralel dengan lilitan jangkar atau dihubungkan
langsungdengansumber tegangan dari luar.

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Shunt

Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah:
Vt = Ea + ( Ia x Ra ) ...................................................................................... (2.4)
Ish =� /� ℎ...................................................................................................(2.5)

IL = Ia + Ish .................................................................................................. (2.6)
dimana :
Vt = Tegangan jepit / tegangan masukan ke motor (Volt)
Ea = Gaya gerak listrik induksi (volt)
Ia = Arus jangkar (Ampere)
Ra = Tahanan Jangkar (Ohm)
Ish = Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)
Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)
IL = arus dari jala – jala (Ampere)

16
Universitas Sumatera Utara

Jika persamaan di atas dikalikan dengan Ia, kita peroleh :
Vt Ia = Ea Ia + Ia2Ra ..................................................................................... (2.7)
Persamaan ini dikenal dengan persamaan daya motor DC penguatan shunt
Dimana :
Vt Ia = Ea Ia + Ia
Vt Ia = daya listrik yang diberikan ke jangkar (daya masukan jangkar)
Ea Ia = daya yang dibangkitkan oleh jangkar (daya keluaran jangkar)
Ia2Ra =daya listrik yang terbuang di dalam jangkar (rugi tembaga jangkar)

Dengan demikian diketahui bahwa dari keluaran daya masukan
jangkarsebagian kecil terbuang sebagai rugi tembaga jangkar (Ia 2Ra) dan sebagian
lainnya(EaIa) dikonversikan menjadi energi mekanis di dalam jangkar.

2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Seri
Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan
secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada
kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.

Gambar 2.10 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan Seri

17
Universitas Sumatera Utara

2.6.2.2 Motor arus searah penguatan Kompon
Konfigurasi motor arus searah tipe ini menggunakan gabungan dari
kumparan seri dan shunt/paralel. Pada motor arus searah jenis ini, kumparan
medan dihubungkan secara paralel dan seri dengan kumparan jangkar. Dengan
demikian, motor arus searah jenis ini akan memiliki torsi penyalaan awal yang
baik dan kecepatan yang stabil. Semakin tinggi persentase penggabungan, yaitu
persentase kumparan medan yang dihubungkan secara seri, maka semakin
tinggipula torsi penyalaan awal yang dapat ditangani. Motor arus searah
penguatan kompond terbagi atas dua, yaitu ;

2.6.2.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek
Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya
terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt.
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek dapat dilihat pada
Gambar berikut :

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Pendek

18
Universitas Sumatera Utara

2.6.2.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang
Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang
dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen Motor DC Penguatan
Kompon Panjang

2.7 Metode Pengaturan Putaran Putaran Motor Arus Searah
Pengaturan kecepatan memiliki pengaruh yang sangat penting pada motor
arus searah, karena motor arus searah memiliki karakteristik kopel-kecepatanyang
menguntungkan dibandingkan dengan motor jenis lainnya.
[2]

Besar gaya gerak listrik induksi pada kumparan jangkar akibat putaran

rotor yang terletak diantara kutub magnit adalah :
�� =

∅

P Z

�

N

x 10-8................................................................................... (2.8)

Dimana :

∅ = Flux Magnit perkutub (Maxwel)
N = Putaran rotor (rpm)
Atau ;
�� =

∅

P Z
�

.............................................................................................. (2.9)

19
Universitas Sumatera Utara

Dimana :
�� = Gaya gerak listrik induksi (volt)
∅ = Flux Magnit perkutub (Weber)
n = Putaran Rotor

Seperti yang diketahui bahwa besarnya GGL armatur adalah :
∅

�� =

P N

Z

.............................................................................................. (2.10)

a

Atau dapat juga ditulis
Ea = C x ∅ x N .................................................................. ............................ (2.11)
Dimana:

∅ dalam weber
�=

P Z

�

....................................................................................................... (2.12)

Jadi dapat dituliskan selanjutnya
�=

V −Ia Ra
∅

..................................................................................................(2.13)

Dengan demikian, kecepatan putaran motor dapat diperoleh dengan
mengubah ubah flux magnet, arus armatur, atau peubahan tegangan sumber (Vt).

2.7.1 Pengaturan Putaran Dengan Metode Flux Magnet
Dengan menyisipkan tahanan variabel yang dipasang secara seri terhadap
kumparan medan ( pada motor shunt ), dapat diatur arus medan If dan fluxnya.
Cara ini sangat sederhana dan murah, selain itu rugi panas ang ditimbulkan sangat
kecil dampaknya.

20
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.13 Pengaturan putaran dengan Metode Fluxi Magnet

2.7.2 Pengaturan Putaran Dengan Metode Arus Armatur
Dengan menyisipkan tahanan variabel secara seri terhadap tahanan
jangkar, maka tahanan jangkar pun dapat diatur. Jika tahanan jangkar dapat diatur,
maka kecepatan putar motor pun dapat dikendalikan. Metode ini jarang
digunakan, karena menimbulkan rugi panas yang cukup besar.

Gambar 2.14 Pengaturan putaran dengan Meode Arus Armatur

2.7.3 Pengaturan Putaran Dengan Metode Ward Leonard
Pengaturan putaran Ward Leonard dilaksanakan dengan mengubah
tegangan jepit (U) dimana fluks magnet motor konstan. Penggerak mula yang
biasanya motor induksi berkecepatan konstan dipergunakan untuk menggerakan
generator (G). Tegangan keluaran dari generator kemudian menjadi input bagi
motor untuk berputar.

21
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.15 Pengaturan putaran dengan Metode Ward Leonard

2. 8 Rugi-Rugi Motor DC
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 tersebutlah yang disebut dengan rugi-rugi.
Rugi-rugi yang terjadi pada mesin listrik seperti halnya generator atau
motor terbagi dalam tiga kelompok utama yaitu Rugi tembaga, rugi besi serta rugi
gesekan dan celah udara. Semua kerugian ini menghasilkan panas pada beberapa
bagian mesin. Hal ini memerlukan daya yang cukup besar yang harus diberikan
pada mesin. Rugi-rugi yang terjadi di dalam motor dc dapat dibagi ke dalam lima
kategori dasar
yaitu :

 Rugi-Rugi Tembaga
 Rugi-Rugi Sikat

22
Universitas Sumatera Utara

 Rugi-Rugi Inti
 Rugi-Rugi Mekanis
 Rugi-Rugi Beban Stray

2. 9 Efisiensi Motor DC
Daya masukan yang diterima oleh motor DC berupa daya listrik,
sedangkan daya keluaran yang dihasilkannya berupa daya mekanik yaitu gerak
rotor, sedangkanselisih antara daya masukan dengan daya keluaran motor disebut
rugi-rugi.
Daya Keluaran = Daya Masukan – Σ Rugi – Rugi ........................... (2.14)
Dengandemikian, efisiensi suatu motor DC diperoleh dengan :
� � � � � =

a a Kel ara

� � �������

x

%............................................................. (2.15)

23
Universitas Sumatera Utara