BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Pengaruh Posisi Sikat dan Penambahan Kutub Bantu Terhadap Efisiensi dan Torsi Motor DC Shunt (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Motor Arus Searah

Motor arus searah adalah suatu mesin listrik yang berfungsi mengubah energi listrik asrus 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.

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.

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 suatau gaya sehingga akan menimbulkan torsi.

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. 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.

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/teknik yang dapat dilakukan yaitu melakukan pergeseran posisi sikat, menambahkan kutub bantu, dan belitan kompensasi.

Prinsip Kerja Motor Arus Searah 2.2.

Prinsip kerja motor arus searahdapat dijelaskan dengan Gambar 2.1 berikut :

Gambar 2.1 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Motor DC bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetic. Ketika kumparan medab dan kumparan jangkar dihubungkan dengan sumber tegangan DC maka pada kumparan medan mengalir arus medan (I f ) pada kumparan medan, sehingga menghasilkan fliksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan. Sedangkan pada kumparan jangkar mengalir arus a

jangkar (I ), sehingga pada konduktor kumparan jangkar timbul fluksi magnet yang melingkar. Fluksi jangkar ini akan memotong fluksi dari kumparan medan sehingga menyebabkan perubahan kerapatan fluksi dari medan utama. Sesuai hukum Lorentz, interaksi antara kedua fluksi magnet ini akan menimbulkan suatu gaya mekanik pada konduktor jangkar yang disebut gaya Lorentz. Besar gaya ini sesuai dengan persamaan 1 berikut ini [1] :

F = B .i .l (2.1) Dimana :

F= gaya yang bekerja pada konduktor (N)

2 B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m )

i = arus yang mengalir pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri Flemming. Kaidah tangan kiri menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B dan jari tengah menyatakan arah dari vektor arus I, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.

Gaya yang timbul pada konduktor jangkar tersebut akan menghasilkan momen putar atau torsi. Torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan persamaan 2 berikut ini :

T a = F .r (2.2)

Dimana : T = torsi jangkar (N-m) r = jari-jari motor (m)

2.3. Reaksi Jangkar

Reaksi jangkar merupakan medan magnet yang disebabkan oleh mengalirnya arus pada jangkar, dimana jangkar tersebut berada di dalam mangnet.

Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal yaitu : 1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama.

2. Magnetisasi silang.

Apabila kumparan medan dialiri oleh arus tetapi kumparan jangkar tidak dialiri oleh arus, maka dengan mengabaikan pengaruh celah udara, jalur fluksi ideal untuk kutub utama dari motor arus searah dua kutub berasal dari kutub utara menuju kutub selatan seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut ini :

Gambar 2.2 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan medan

Dari Gambar 2.2 dapat dijelaskan bahwa :  Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis  Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.

Bidang netral magnetis didefenisikan sebagai bidang di dalam motor dimana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet, sehingga gaya gerak listrik industry pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat dari

Gambar 2.2 sikat selalu ditempatkan disepanjang bidang netral magnetis. Oleh karena itu, bidang netral magnetis disebut juga sebagai sumbu komutasi karena

pembalikan arah arus jangkar berada pada bidang tersebut. Vektor OF M mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, dimana vektor ini tegak lurus terhadap bidang netral matgnetis.

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri arus listrik sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada Gambar 2.3 berikut ini :

Gambar 2.3 Fluksi yang dihasilkan oleh kumparan jangkar

Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar ditentukan dengan aturan putaran sekrup. Besar dan arah garis gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OF A yang sejajar dengan bidang netral magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar dan konduktor medan sama-sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karenanya distribusi fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut ini :

Gambar 2.4 Hasil kombinasi santara fluksi medan dan fluksi jangkar

Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet (ggm) jangkar menentang fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan terjadi kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub yang sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangar yang memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar magnetisasi silang (cross-magnetization).

Magnetisasi silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada

Gambar 2.4 terlihat bahwa vektor OF merupakan resultan vektor OF A dan OF M , serta posisi bidang netral magnetis yang baru, dimana selalu tegak lurus terhadap

vekto r OF. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β karena posisi bidang netral magnetis ini selalu tagak lurus terhadap vektor OF. Dengan pergeseran bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh pergeseran bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen komutator dekat sikat.

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan titik jenuhnya sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Apabila kejenuhan magnetik terjadi, maka efek penguatan fluksi resultan lebih kecil bila dibandingkan dengan efek pelemahan fluksi resultan atau dengan kata lain pertambahan kerapatan fluksi resultan pada salah satu bagian kutub lebih sedikit bila dibandingkan dengan pengurangan kerapatan fluksi pada bagian yang lainnya. Sehingga fluksi resultan akan berkurang dari harga tanpa bebannya. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.

Akibat pelemahan fluks ini, efek yang ditimbulkan pada motor arus searah menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah khususnya motor arus searah parallel akan demikian cepatnya hingga tak terkendali.

Oleh sebab itu, perlu dilakukannya hal-hal yang dapat mencegah atau mengurangi terjadinya hal diatas. Ada tiga cara yang dapat dilakukan, yaitu

1. Pergeseran sikat (Brush Shifting)

2. Penambahan kutub bantu (Interpole)

3. Belitan kompensasi (Compensating Windings)

Pergeseran Sikat (Brush Shifting) 2.3.1.

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 setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul, maka jarak perpindahan bidang netralnya pun berpindah. Sehingga sikat juga harus dirubah setiap saat, seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya fluks akibat reaksi jangkar mesin.

Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada

Gambar 2.5 berikut ini :

Bidang Netral Bidang Netral Bidang Netral Bidang Netral Lama Lama

Baru Baru

U S U S

Sikat Arah Rotasi Arah Rotasi Sikat Motor

Motor

(a) (b)

F F _Resultan _Resultan F _Rotor F _Rotor F _{Kutub F} _Kutub

Gambar 2.5 Pelemahan ggm akibat pergeseran bidang netral Pada Gambar 2.5 (a) diperlihatkan kondisi ketika bidang netral mesin bergeser dan sikat mesin masih tetap pada posisi semula. Ggm resultan yang terbentuk dapat dilihat pada Gambar 2.5 (c). Sedangkan pada Gambar 2.5 (b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat mesin.

Akibat pergeseran tersebut ggm resultannya melemah sedemikian rupa. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5 (d).

Penambahan Kutub Bantu (Interpole) 2.3.2.

Untuk mengembalikan garis netral ke posisi semula maka dipasang kutub bantu (interpole). Kutub bantu ini berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Kutub bantu (interpole) ini dihubungkan seri terhadap kumparan rotor. Kutub bantu akan memperpendek jalannya garis medan magnet. Dengan dipasang kutub bantu maka garis netral akan kembali ke posisi semula dan kedudukan sikat tegak lurus dengan kutub utamanya.

Gambar 2.6 Pergeseran garis netral akibat reaksi jangkarGambar 2.7 Kutub magnet utama dan kutub bantu

2.3.3. Belitan Kompensasi (Compensating Windings)

Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap kumparan, rotor belitan ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar.

Fluks yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar diimbangi oleh fluks yang ditimbulkan oleh belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan. Ketika beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser.

Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, juga masih memerlukan kutub bantu (interpole) untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh belitan kompensasi. Karenanya teknik ini tidak digunakan untuk motor-motor yang bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius [2].

2.4. Jenis-Jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya yaitu hubungan rangkaian kumparan medan magnet dengan kumparan jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :

2.4.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikutini :

+ a f

I I t

V f

V a a R E f R -

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan bebas

Persamaan umum motor arus searah penguatan bebas (2.3)

V = E + I R

t a a a

(2.4) V = I + R

f f f

Dimana: V = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)

I = arus jangkar (Ampere)

R = tahanan jangkar (Ohm)

I = arus medan penguatan bebas (Ampere)

R = tahanan medan penguatan bebas (Ohm)

V = tegangan terminal medan penguatan bebas (Volt)

E = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)

2.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga yaitu

1. Motor Arus Searah Penguatan Shunt + L

I a

I sh

I sh R t a a

V R E -

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan shunt

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt V +I R

t = E a a a

(2.5) V . R

= V = I sh sh

sh t

(2.6) I +I

L = I a sh

Dimana :

I = arus kumparan medan shunt (Ampere)

V = tegangan terminal medan shunt motor arus searah (Volt)

R = tahanan medan shunt (Ohm)

I L = arus beban (Ampere)

2. Motor Arus Searah Penguatan Seri s R +

I L I a t a a

V R E -

Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen dc penguatan seri

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri (2.7)

V = E + I (R + R )

t a a a s

V E - t a

(2.8)

a = [ ] R R a s

I = I = I

a L f

Dimana :

I = arus kumparan medan seri (Ampere)

s = tahanan medan seri (Ohm)

a = tahanan jangkar (Ohm)

a = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)

t = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)

Motor Arus Searah Penguatan Kompon 3.

Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu :

3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek s R + L

I I sh

sh R t a a

V R E -

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon pendek

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon pendek I +I

L = I a sh

(2.9) V = E +I R +I R

t a a a L s

(2.10) P

in = V t L

Dimana :

I R

L s = tegangan jatuh pada kumparan seri

I a R a = tegangan jatuh pada kumparan jangkar E = gaya gerak listrik motor arus searah (Volt)

V = tegangan terminal jangkar motor arus searah (Volt)

3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang R s +

I L I a I sh R sh t a a

V R E -

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen motor dc penguatan kompon panjang

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompon panjang I +I

L = I a sh

(2.11) V +I (R +R )

= E a a s

t a

P in = V t

I L V t = V sh

Dimana : I a R s = tegangan jatuh pada kumparan seri

[3]

I R

a = tegangan jatuh pada kumparan jangkar a Rugi-Rugi Motor Arus Searah 2.5.

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 :

Energi Energi Listrik mekanis Daya mekanis Daya input yang Daya output dibangkitkan di motor L

V I Watt dalam jangkar sh T ω Watt Ea Ia Watt Rugi-rugi besi dan Rugi-rugi mekanis tembaga

Gambar 2.13 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.

2.5.1. 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 :

(2.12) P R

a = I a a

(2.13) P R

= I f f

Dimana : P = rugi tembaga kumparan jangkar

f = rugi tembaga kumparan medan

a = arus jangkar

I = arus medan

R a = resistansi jangkar

R = resistansi medan

2.5.2. 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 2.14 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub Gambar 2.14 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 jangkardigunakan persamaan Steinmentzyaitu :

1,6

(2.14) P f υ Watt

h = ηB max

Dimana : P

= rugi hysteresis

max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar

f = frekuensi pembalikan magnetik

n P

dimana n dalam rpm dan P=jumlah kutub =

120

υ = volume jangkar (m ) 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 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 menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya.

(a) (b)

Gambar 2.15 (a) Arus pusar di dalam jangkar yang padat (b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi

2.5.3. 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 dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut.

Rugi-Rugi Sikat (Brush Losses) 2.5.4.

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 :

(2.15) P bd .I a

bd = V

Dimana : P = rugi daya akibat tegangan sikat

a = arus jangkar

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:

(2.16) P

bd = 2 x I a Rugi-Rugi Beban Stray (Stray Load Losses) 2.5.5.

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 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:

2 a a

a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (I R ).

b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (I a 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 [4]

2.6. 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 2.16 menunjukkan pada suatu pulley dengan jari-jari r bekerja suatu gaya F Newton yang menyebabkan benda berputar dengan kecepatan n putaran

per detik.

Torsi = F x r Newton-meter (N-m) (2.17) Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada suatu putaran, = F x 2 π r Joule

r n putaran/detik

Gambar 2.16 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

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

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

2.6.1. 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 (Gambar 2.16). Dengan demikian, masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang cenderung untuk memutar jangkar. Jumlah seluruh torsi yang dihasilkan oleh

a konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar (T ).

Jika pada suatu motor DC : r = rata-rata jari-jari jangkar (meter) l = panjang efektif masing-masing konduktor (meter) Z = jumlah total konduktor jangkar

i = arus dalam setiap konduktor = I /A (Ampere)

2 B = rapat fluks rata-rata (Weber/meter )

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, T a = Z F r Newton-meter

T a = Z B i l r Newton-meter a

Sekarang i = I /A, B = Φ/a dimana a adalah luas penampang jalur fluks per kutub

pada jari-jari r. Jelasnya, a = 2 π r

P Φ

I a

Maka T a = Z x

( ) x ( ) x l x r a A Φ

I a

= Z x

x x l x r

1 A

2πr( ) P

ZΦI P a

= N-m

2πA

atau (2.18)

Ta = 0,159 Z Φ I ( )

karena Z, P dan A nilainya selalu tetap, maka : T a a

~ Φ I Ekspresi lainnya untuk menyatakan besarnya torsi jangkar yaitu :

PΦZn

E a =

60 A PΦZ

60 E

a =

A n

Dari persamaan diatas diperoleh persamaan untuk T a yaitu

60 E

a a

T = 0,159 x

[ ] x I a n

atau

I a a

T a = 9,55 x N-m (2.19)

n Torsi Poros 2.6.2.

Torsi yang dapat dimanfaatkan pada poros untuk melakukan usaha yang

berguna dikenal dengan torsi poros. Ini dilambangkan dengan T . Torsi poros merupakan torsi yang akan menghasikan daya keluaran motor yang berguna. Jika kecepatan motor adalah n rpm, maka

2 π n T

Daya keluaran (Watt) =

Daya keluaran (watt) sh

Atau T =

2 π n/60 Daya keluaran (watt)

Atau T sh = 9,55 x N-m (2.20)

Efisiensi Pada Mesin Arus Searah 2.7.

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

P out

(2.21) η (%) = x100%

P in

Dimana : P = daya masukan

P = daya keluaran [5]

out

BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Pengaruh Posisi Sikat dan Penambahan Kutub Bantu Terhadap Efisiensi dan Torsi Motor DC Shunt (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)