Start Motor Dc Shunt Dan Motor Dc Seri Dengan Thyristor Controller Sesuai Dengan Respon Arus Start
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Motor DC
2.1.1. Prinsip Kerja Motor DC
Motor listrik adalah mesin dimana mengkonversi energi listrik ke energi
mekanik. Jika rotor pada mesin berotasi, sebuah tegangan akan terinduksi pada
kumparan. Kumparan yang ditunjukkan berbentuk segi empat, dengan sisi ab dan
cd tegak lurus dengan bidang halaman dan sisi bc dan da sejajar dengan bidang
halaman seperti pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Penampang kumparan rotor dari atas.[4]
Medan magnetik yang dihasilkan konstan dan tegak lurus dengan
permukaan rotor, seperti pada gambar 2.2, saat berada di daerah kutub dan
berkurang secara cepat menjadi nol saat berada di ujung daerah kutub.
5
Gambar 2.2 Penampang garis medan magnetik.[4]
Untuk mengetahui total tegangan induksi pada kumparan, setiap segmen
harus diuji dan dijumlahkan setiap tegangan yg dihasilkan. Rumus yg digunakan
ialah
eind = (v x B) • l
(2.1)
dimana :
eind
= tegangan induksi
v
= kecepatan kumparan
B
= medan magnetik
L
= panjang kumparan.
1.
Segmen ab. Di segmen ini, kecepatan dari kumparan tagensial kepada
jalur rotasi. Medan magnetik B mengarah keluar tegak lurus dengan
permukaan rotor disetiap daerah kutub dan menjadi nol saat berada di
ujung kutub. Saat di daerah kutub, kecepatan v tegak lurus dengan B, dan
nilai v x B mengarah kedalam dari halaman. Karena itu tegangan induksi
dari setiap segmen adalah :
6
eba
= (v x B) • l
= vBI (saat di daerah kutub)
=0
(saat di ujung kutub)
2. Segmen bc. Di segmen ini, nilai v x B tidak kedalam atau keluar, dimana
panjang kumparan l di bidang halaman , jadi v x B tegak lurus dengan l.
karena itu tegangan pada segmen bc adalah nol.
ecb
=0
3. Segmen cd. Di segmen ini, kecepatan pada kumparan tagensial terhadap
jalur rotasi. Medan magnetik B mengarah kedalam tegak lurus degan
permukaan rotor pada setiap permukaan di daerah kutub dan menjadi nol
saat berada di ujung kutub. Saat di daerah kutub, kecepatan v tegak lurus
dengan B, dan nilai v x B mengarah keluar. Karena itu, nilai tegangan
pada segmen ini ialah:
eDC `
=(v x B) • l
= vBl (saat di daerah kutub)
= 0 ( saat di ujung kutub)
4. Segmen da. Seperti di segmen bc, v x B tegak lurus terhadap l. karena itu
tegangan pada segmen sama dengan nol.
ead
=0
Total tegangan induksi pada kumparan ialah:
eind = eba + ecb + eDC + ead
eind = 2vBl (saat di daerah kutub)
= 0 (saat di ujung kutub)
7
Gambar 2.3 Penampang dari depan motor DC [4]
Ketika kumparan berputar 180˚, segmen ab berada di posisi segmen cd
sebelumnya. Saat itu, arah dari tegangan setiap segmen terbalik dari sebelumnya
tetapi nilainya tetap sama. Tegangan induksi ini masih dalam bentuk tegangan
bolak balik karena berbedanya arah tegangan induksi pada segmen ab dan cd.
Untuk membuatnya menjadi tegangan searah maka perlu ditambahkan komutator
pada ujung rotor.
Tegangan induksi ini berlawanan arah dengan tegangan supply utama. Arus
dari selisih tegangan supply utama dan tegangan induksi pada rotor, atau disebut
juga dengan arus armatur, jika rangkaian rotor dibuat tertutup.Saat kumparan
berarus ini bereaksi degan medan magnetik sehingga kumparan akan mengalami
gaya mekanik dimana arahnya sesuai dengan Hukum Tangan Kanan Fleming dan
besarnya yaitu F=BIl Newton
(2.2)
dimana :
F = gaya
B = kuat medan magnetic
I = arus
8
l = panjang penghantar
Ketika medan magnet diberi penguatan dan konduktor armatur diberi arus
dari supply utama, hal ini akan menyebabkan gaya mekanik yang akan memutar
armatur. Setiap konduktor pada armatur akan mengalami gaya yang sama dan
gaya ini akan menghasilkan torka yang membuat armatur berputar.
2.1.2. Persamaan Tegangan Motor DC
a. Persamaan Ekivalen Tegangan Motor DC Shunt
Tegangan V pada armatur motor harus:
(i). melebihi ggl balik Eb dan
(ii) mensupply tengangan drop armatur IaRa
(2.3)
Persamaan diatas disebut sebagai persamaan tegangan pada Motor DC Shunt.
Sekarang, dengan mengalikan kedua sisi dengan Ia, maka kita akan mendapatkan
persamaan daya pada Motor DC Shunt:
(2.4)
dimana:
VIa = Input elektrik ke armatur
EbIa= Ekivalen elektrik dari tenaga mekanik yang dihasilkan armatur
Ia2Ra= Rugi-rugi tembaga pada armatur
Rangkain ekivalen Motor DC Shunt dapat dilihat di Gambar 2.4.
9
Shunt Field
Ia
Ish
I
Eb v
V
I
Gambar 2.4 Rangkaian ekivalen Motor DC Shunt.
b. persamaan ekivalen tegangan pada Motor DC Seri yaitu:
(2.5)
Bila kita mengalikan kedua sisi dengan Ia, maka kita akan mendapatkan
persamaan daya pada Motor DC Seri:
(2.6)
dimana:
VIa
= Input elektrik ke armatur
EbIa
= Ekivalen elektrik dari tenaga mekanik yang dihasilkan armatur
Ia2(Ra+Rf)
= Rugi-rugi tembaga pada armatur dan pada medan
Rangkain ekivalen Motor DC Seri dapat dilihat di Gambar 2.5.
Series Field
I
Eb v
V
I
Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen Motor DC Seri.
Oleh sebab itu, keluaran dari input armatur, beberapa daya terbuang di rugirugi I2R dan sisanya diubah menjadi tenaga mekanik pada armatur. Perlu
diperhatikan bahwa efisiensi motor ialah perbandingan antara daya yang
10
dihasilkan oleh armatur ke input, yaitu EbIa /VIa = Eb/V . Dengan jelas, bahwa
semakin tinggi nilai Eb yang dibandingkan pada V, semakin tinggi effisiensi
motor.
2.1.3. Starting Motor DC
Besar arus yang mengalir pada armatur Motor DC Shunt ialah:
(2.7)
dan pada Motor DC Seri ialah :
(2.8)
dimana V adalah supply tegangan, Eb adalah ggl balik , Ra tahanan aramatur, dan
Rf tahanan medan.Ketika motor tidak bekerja maka tidak akan ada ggl balik yang
dihasilkan pada armatur (Eb=0). Jika tegangan supply diberikan secara penuh pada
armatur , armatur akan menyerap arus yang sangat besar karena tahanan armatur
yang relatif kecil. Misal sebuah motor 440V, 5H.P.(3,73kW) mempunyai tahanan
armatur 0,25Ω, tahanan medan 50Ω dan arus beban penuh 50A. Jika motor di
start secara langsung, maka pada motor ds shunt akan dihasilkan arus sebesar
440/0,25 = 1760 A dimana 1760/50 = 35,2 kali dari arus beban penuh motor dan
pada motor dc seri akan dihasilkan arus sebesar 440/(0,25+50) = 8,75 A dimana
8,75/50 = 0,175 kali dari arus beban penuh motor. Arus yang besar pda Motor DC
Shunt ini akan meleburkan fuse dan akan merusak komutator dan sikat motor.
Sedangkan pada Motor DC Seri nilai arus kecil karena nilai tahanan medan yang
besar dan dalam perhitungan nilai tahan armatur dapat diabaikan.
Untuk
mencegah hal ini, sebuah tahanan tambahan (Gambar 2.6 untuk Motor DC Shunt
dan Gambar 2.7 untuk Motor DC Seri) diberikan secara seri pada armatur
(sepanjang durasi periode start, misalkan 5 sampai 10 detik) yang akan membatasi
11
arus start ke nilai yang aman. Tahanan starting akan berkurang secara bertahap
ketika motor mencapai kecepatan dan menghasilkan ggl balik yang dapat
mengatur kecepatannya sendiri.
V
Shunt Field
Ia
Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen Motor DC Shunt dengan tahanan tambahan
terhubung seri.
Ia
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen Motor DC Seri dengan tahanan tambahan
terhubung seri.
a.Pengurangan Tahanan Starting pada Motor Shunt
Tahapan pengurangan pada tahanan starting Motor DC Shunt dilakukan
dengan cara menentukan jumlah tingkatan tahanan, nilai arus tertinggi, nilai arus
terendah. Nilai arus terendah bergantung pada jumlah tingkatan tahan yang telah
ditentukan. Hal ini dapat menunjukkan bahwa tingkatan tahanan pada rangkaian
12
dicari dengan menggunkan deret geometri, dimana rationya sama dengan arus
terendah dibagi dengan arus tertinggi.
Gambar 2.8 Rangkain pengurangan tahanan mekanik.[1]
Pada Gambar 2.8 kita akan melihat bila lengan pada lengan A memiliki
kontak dengan tingkatan
no. 1, maka arus armatur langsung bernilai arus
maksimum I1 yaitu I1 = V/R1 dimana R1= tahanan armatur dan tahanan start. Arus
maksimum I1 ialah nilai arus batasan tertinggi saat start. Ketika arus armatur turun
kenilai arus beban penuh yang bernilai I2 (disebut juga arus minimum), lengan A
bergerak ke tingkatan no.2. Misal nilai e.m.f. balik ialah Eb1, sesaat berpindah dari
tingkatan no.1 maka:
(2.9)
13
Ketika lengan A menyentuh di tingkatan no.2, maka arus akan kembali menuju
nilai I1. Karena kecepatan belum berubah maka nilai e.m.f. balik akan menjadi
sama.
(2.10)
Dari persamaan (2.8) dan (2.9) kita akan mendapatkan
=
(2.11)
Saat lengan A berada di tingkatan no.2, maka nilai arus akan menurun ke nilai
minimum (I2) yaitu:
(2.12)
Bila lengan A bergerak ke tingkatan 3, maka nilai arus :
(2.13)
Dari persamaan (2.11) dan (2.12) kita akan mendapatkan
=
(2.14)
Saat lengan A berada di tingkatan no.3 maka nilai arus akan menurun ke nilai
minimum (I2) yaitu:
(2.15)
Bila lengan A bergerak ke tingkatan 3 maka nilai arus :
(2.16)
Dari persamaan (2.14) dan (2.15) kita akan mendapatkan
=
(2.17)
Dari persamaan (2.10), (2.13), dan (2.16) maka didapatkan:
14
(2.18)
Jika n adalah jumlah dari tingkatan dan n-1 adalah jumlah resistor pada tingkatan
maka:
(2.19)
Bentuk formula tingkatan tahanan ini dapat juga dilihat dibawah ini:
(2.20)
(2.21)
(2.22)
dimana :
K = ratio arus maksimum dengan arus minimum
n = jumlah tingkatan
Rn = nilai tahanan pada tingkatan n
Ra = nilai tahanan armatur
rn = nilai tahanan ke-n
I1 = arus maksimum
I2 = arus minimum
V = tegangan supply
Dari persamaan diatas kita akan mendapatkan nilai dari berapa jumlah tingkatan
resistor dan besar resistor pada setiap tingkatan.
15
b.Pengurangan Tahanan Starting Pada Motor Seri
Pada prinsipnya mendesain pengurangan tahanan starting pada Motor Shunt
dan Seri hampir sama.Tetapi terdapat satu perbedaan yang penting yaitu fluks
medan tidak konstan tetapi bervariasi dengan nilai arus tahan armatur. Misal:
I1 = Arus maksimum
Φ2 = fluks untuk I2
I2 = Arus minimum
I1/I2= K dan Φ1/Φ2 = α
Φ1 = fluks untuk I1
Pada kondisi lengan tingkatan berada di posisi ke n dan (n+ 1). Ketika arus berada
di I2, maka Eb=V-I2Rn.
Sekarang, bila penstart bergerak ke (n+ 1), maka:
(2.23)
(2.24)
Sekarang, V/I1=R1 adalah tahanan total pada rangkaian ketika starter pada
tingkatan pertama.
(2.25)
Dengan mensubstitusi (n-1) ke n, maka kita mendapatkan
(2.26)
Maka tahanan antara ke n dan (n+ 1) dapat dilihat dibawah ini:
(2.27)
(2.28)
16
Dimana α=Φ1/Φ2 dan K=I1/I2. Dengan asumsi pada magnetisasi linear, maka I1≈
Φ1 dan I2≈ Φ2 sehingga akan mendapatkan:
؞I /I =Φ /Φ
1 2
1
2
؞α=K dan b= α/K = 1 ؞
Dengan kata lain, setiap tingkatan memiliki nilai tahanan yang sama.
(2.29)
dimana :
K = ratio arus maksimum dengan arus minimum
α = ratio fluks maksimum dengan fluks minimum
n = jumlah tingkatan
Rn = nilai tahanan pada tingkatan n
Ra = nilai tahanan armatur
Rf = nilai tahanan medan
rn = nilai tahanan ke-n
2.2
Thyristor
Simbol rangkaian untuk thyristor dan karakteristik i-v ditunjukkan pada
Gambar2.11 dan Gambar 2.12. Arus utama mengalir dari anoda (A) ke katoda
(K). Saat dalam keadaan off, thyristor dapat memblok tegangan bias maju dan
tidak terkonduksi, seperti terlihat di Gambar 2.11, bagian keadaan off pada
kareteristik i-v.
17
Gambar 2.11 Simbol Rangkaian Thyristor.[2]
Gambar 2.12 Karakteristik i-v Thyristor.[2]
Thyristor dapat dipicu menjadi keadaan on dengan memberikan pulsa arus
positif ke gate dengan durasi yang singkat pada saat peralatan berada di keadaan
bias maju terblok. Hasil dari hubungan karakteristik i-v pada bagian keadaan on
ditunjukkan pada Gambar. Tegangan jatuh bias maju pada saat keadaan on hanya
beberapa volt ( biasanya 1-3 V tergantung rating block tegangannya).
18
Ketika thyristor mulai terkonduksi, thyristor akan terpasang on (latch on)
dan arus gate dapat dihilangkan. Thyristor tidak dapat dijadikan keadaan off oleh
gate, dan thristor terkonduksi sama seperti dioda. Hanya jika arus anoda menjadi
negatif, dibawah pengaruh dari rangkaian dimana thyristor terhubung, yang
membuat thyristor menjadi keadaan off dan arus akan menjadi nol. Hal ini
memberikan gate untuk mendapatkan kembali kendali untuk membuat keadaan on
pada saat waktu yang terkendali setelah thyristor berada dikeadaan bias baju
terblok.
Di bias mundur pada tegangan dibawah tegangan breakdown bias mundur,
hanya sangat sedikit arus bocor yang mengalir pada thyristor , seperti pada
Gambar 2.13. Biasanya rating tegangan thyristor untuk tegangan bias maju dan
bias mundur adalah sama. Rating arus thyristor terspesifik pada kondisi rms
maksimum dan arus rata-rata yang dapat dikonduksikan. Karakter ideal thyristor
dapat ditunjukkan pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Karakteristik Ideal i-v Thyristor.[2]
19
2.3
Start Motor DC dengan Thyristor Controller
Penambahan tahanan tambahan pada armatur motor saat start dapat
mengurangi arus start ke batas yang aman. Saat motor mencapai kecepatan
kerjanya maka tahanan ini harus berkurang secara bertahap. Pengurangan tahanan
ini dapat dilakukan secara manual atau otomatis. Bentuk sederhana dari rangkaian
pengurangan tahanan dapat dilihat di Gambar 2.9. Bila secara manual maka,
pengguna motor listrik harus menggeser tuas kontrol pengatur tahanan armatur
motor. Bila secara otomatis maka motor akan secara otomatis mengurangi besar
tahanan sampai motor mencapai kecepatan kerjanya. Pengurangan otomatis ini
dapat dilakukan dengan control otomatis dengan menggunakan magnetik
kontaktor. Selain itu magnetik kontaktor dapat di ganti dengan thyristor . Thyristor
bekerja lebih baik dari magnetic kontaktor karena kemampuan thyristor dalam
menanggapi arus. Sebuah thyristor dapat switch on dengan menambahkan sinyal
yang sesuai ke terminal gate thyristor . Ketika teraliri, thyristor menghasilkan
tahanan nol saat bias maju (anoda ke katoda) dan akan menghubung- singkatkan
untuk tahanan start yang ada ketika terhubung. Thyristor dapat menjadi off ( misal
dikondisikan kembali menjadi keadaan tidak teraliri) dengan membalikkan
polaritas dari tegangan anoda-katoda.
20
Sensor Arus
V
Shunt Field
I2
Gambar 2.9 Diagram rangkaian Motor DC Shunt dengan tahanan seri yang diatur
dengan Thyristor Controller .
Sensor arus digunakan untuk memberi umpan balik kepada switch
thyristor agar thyristor menjadi terhubung sesaat arus pada aramatur mencapai
nilai tahanan minimum ( seperti yang dijelaskan pada sub bab 2.1.3). Sensor ini
berguna untuk membuat switch thyristor bekerja sesuai dengan respon arus pada
sensor sehingga tidak mengalami delay waktu yang lama atau terlalu cepat (sesuai
dengan Gambar 2.10).
21
Gambar 2.10 Grafik Arus –Waktu saat start dengan tahanan seri.[1]
22
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Motor DC
2.1.1. Prinsip Kerja Motor DC
Motor listrik adalah mesin dimana mengkonversi energi listrik ke energi
mekanik. Jika rotor pada mesin berotasi, sebuah tegangan akan terinduksi pada
kumparan. Kumparan yang ditunjukkan berbentuk segi empat, dengan sisi ab dan
cd tegak lurus dengan bidang halaman dan sisi bc dan da sejajar dengan bidang
halaman seperti pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Penampang kumparan rotor dari atas.[4]
Medan magnetik yang dihasilkan konstan dan tegak lurus dengan
permukaan rotor, seperti pada gambar 2.2, saat berada di daerah kutub dan
berkurang secara cepat menjadi nol saat berada di ujung daerah kutub.
5
Gambar 2.2 Penampang garis medan magnetik.[4]
Untuk mengetahui total tegangan induksi pada kumparan, setiap segmen
harus diuji dan dijumlahkan setiap tegangan yg dihasilkan. Rumus yg digunakan
ialah
eind = (v x B) • l
(2.1)
dimana :
eind
= tegangan induksi
v
= kecepatan kumparan
B
= medan magnetik
L
= panjang kumparan.
1.
Segmen ab. Di segmen ini, kecepatan dari kumparan tagensial kepada
jalur rotasi. Medan magnetik B mengarah keluar tegak lurus dengan
permukaan rotor disetiap daerah kutub dan menjadi nol saat berada di
ujung kutub. Saat di daerah kutub, kecepatan v tegak lurus dengan B, dan
nilai v x B mengarah kedalam dari halaman. Karena itu tegangan induksi
dari setiap segmen adalah :
6
eba
= (v x B) • l
= vBI (saat di daerah kutub)
=0
(saat di ujung kutub)
2. Segmen bc. Di segmen ini, nilai v x B tidak kedalam atau keluar, dimana
panjang kumparan l di bidang halaman , jadi v x B tegak lurus dengan l.
karena itu tegangan pada segmen bc adalah nol.
ecb
=0
3. Segmen cd. Di segmen ini, kecepatan pada kumparan tagensial terhadap
jalur rotasi. Medan magnetik B mengarah kedalam tegak lurus degan
permukaan rotor pada setiap permukaan di daerah kutub dan menjadi nol
saat berada di ujung kutub. Saat di daerah kutub, kecepatan v tegak lurus
dengan B, dan nilai v x B mengarah keluar. Karena itu, nilai tegangan
pada segmen ini ialah:
eDC `
=(v x B) • l
= vBl (saat di daerah kutub)
= 0 ( saat di ujung kutub)
4. Segmen da. Seperti di segmen bc, v x B tegak lurus terhadap l. karena itu
tegangan pada segmen sama dengan nol.
ead
=0
Total tegangan induksi pada kumparan ialah:
eind = eba + ecb + eDC + ead
eind = 2vBl (saat di daerah kutub)
= 0 (saat di ujung kutub)
7
Gambar 2.3 Penampang dari depan motor DC [4]
Ketika kumparan berputar 180˚, segmen ab berada di posisi segmen cd
sebelumnya. Saat itu, arah dari tegangan setiap segmen terbalik dari sebelumnya
tetapi nilainya tetap sama. Tegangan induksi ini masih dalam bentuk tegangan
bolak balik karena berbedanya arah tegangan induksi pada segmen ab dan cd.
Untuk membuatnya menjadi tegangan searah maka perlu ditambahkan komutator
pada ujung rotor.
Tegangan induksi ini berlawanan arah dengan tegangan supply utama. Arus
dari selisih tegangan supply utama dan tegangan induksi pada rotor, atau disebut
juga dengan arus armatur, jika rangkaian rotor dibuat tertutup.Saat kumparan
berarus ini bereaksi degan medan magnetik sehingga kumparan akan mengalami
gaya mekanik dimana arahnya sesuai dengan Hukum Tangan Kanan Fleming dan
besarnya yaitu F=BIl Newton
(2.2)
dimana :
F = gaya
B = kuat medan magnetic
I = arus
8
l = panjang penghantar
Ketika medan magnet diberi penguatan dan konduktor armatur diberi arus
dari supply utama, hal ini akan menyebabkan gaya mekanik yang akan memutar
armatur. Setiap konduktor pada armatur akan mengalami gaya yang sama dan
gaya ini akan menghasilkan torka yang membuat armatur berputar.
2.1.2. Persamaan Tegangan Motor DC
a. Persamaan Ekivalen Tegangan Motor DC Shunt
Tegangan V pada armatur motor harus:
(i). melebihi ggl balik Eb dan
(ii) mensupply tengangan drop armatur IaRa
(2.3)
Persamaan diatas disebut sebagai persamaan tegangan pada Motor DC Shunt.
Sekarang, dengan mengalikan kedua sisi dengan Ia, maka kita akan mendapatkan
persamaan daya pada Motor DC Shunt:
(2.4)
dimana:
VIa = Input elektrik ke armatur
EbIa= Ekivalen elektrik dari tenaga mekanik yang dihasilkan armatur
Ia2Ra= Rugi-rugi tembaga pada armatur
Rangkain ekivalen Motor DC Shunt dapat dilihat di Gambar 2.4.
9
Shunt Field
Ia
Ish
I
Eb v
V
I
Gambar 2.4 Rangkaian ekivalen Motor DC Shunt.
b. persamaan ekivalen tegangan pada Motor DC Seri yaitu:
(2.5)
Bila kita mengalikan kedua sisi dengan Ia, maka kita akan mendapatkan
persamaan daya pada Motor DC Seri:
(2.6)
dimana:
VIa
= Input elektrik ke armatur
EbIa
= Ekivalen elektrik dari tenaga mekanik yang dihasilkan armatur
Ia2(Ra+Rf)
= Rugi-rugi tembaga pada armatur dan pada medan
Rangkain ekivalen Motor DC Seri dapat dilihat di Gambar 2.5.
Series Field
I
Eb v
V
I
Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen Motor DC Seri.
Oleh sebab itu, keluaran dari input armatur, beberapa daya terbuang di rugirugi I2R dan sisanya diubah menjadi tenaga mekanik pada armatur. Perlu
diperhatikan bahwa efisiensi motor ialah perbandingan antara daya yang
10
dihasilkan oleh armatur ke input, yaitu EbIa /VIa = Eb/V . Dengan jelas, bahwa
semakin tinggi nilai Eb yang dibandingkan pada V, semakin tinggi effisiensi
motor.
2.1.3. Starting Motor DC
Besar arus yang mengalir pada armatur Motor DC Shunt ialah:
(2.7)
dan pada Motor DC Seri ialah :
(2.8)
dimana V adalah supply tegangan, Eb adalah ggl balik , Ra tahanan aramatur, dan
Rf tahanan medan.Ketika motor tidak bekerja maka tidak akan ada ggl balik yang
dihasilkan pada armatur (Eb=0). Jika tegangan supply diberikan secara penuh pada
armatur , armatur akan menyerap arus yang sangat besar karena tahanan armatur
yang relatif kecil. Misal sebuah motor 440V, 5H.P.(3,73kW) mempunyai tahanan
armatur 0,25Ω, tahanan medan 50Ω dan arus beban penuh 50A. Jika motor di
start secara langsung, maka pada motor ds shunt akan dihasilkan arus sebesar
440/0,25 = 1760 A dimana 1760/50 = 35,2 kali dari arus beban penuh motor dan
pada motor dc seri akan dihasilkan arus sebesar 440/(0,25+50) = 8,75 A dimana
8,75/50 = 0,175 kali dari arus beban penuh motor. Arus yang besar pda Motor DC
Shunt ini akan meleburkan fuse dan akan merusak komutator dan sikat motor.
Sedangkan pada Motor DC Seri nilai arus kecil karena nilai tahanan medan yang
besar dan dalam perhitungan nilai tahan armatur dapat diabaikan.
Untuk
mencegah hal ini, sebuah tahanan tambahan (Gambar 2.6 untuk Motor DC Shunt
dan Gambar 2.7 untuk Motor DC Seri) diberikan secara seri pada armatur
(sepanjang durasi periode start, misalkan 5 sampai 10 detik) yang akan membatasi
11
arus start ke nilai yang aman. Tahanan starting akan berkurang secara bertahap
ketika motor mencapai kecepatan dan menghasilkan ggl balik yang dapat
mengatur kecepatannya sendiri.
V
Shunt Field
Ia
Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen Motor DC Shunt dengan tahanan tambahan
terhubung seri.
Ia
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen Motor DC Seri dengan tahanan tambahan
terhubung seri.
a.Pengurangan Tahanan Starting pada Motor Shunt
Tahapan pengurangan pada tahanan starting Motor DC Shunt dilakukan
dengan cara menentukan jumlah tingkatan tahanan, nilai arus tertinggi, nilai arus
terendah. Nilai arus terendah bergantung pada jumlah tingkatan tahan yang telah
ditentukan. Hal ini dapat menunjukkan bahwa tingkatan tahanan pada rangkaian
12
dicari dengan menggunkan deret geometri, dimana rationya sama dengan arus
terendah dibagi dengan arus tertinggi.
Gambar 2.8 Rangkain pengurangan tahanan mekanik.[1]
Pada Gambar 2.8 kita akan melihat bila lengan pada lengan A memiliki
kontak dengan tingkatan
no. 1, maka arus armatur langsung bernilai arus
maksimum I1 yaitu I1 = V/R1 dimana R1= tahanan armatur dan tahanan start. Arus
maksimum I1 ialah nilai arus batasan tertinggi saat start. Ketika arus armatur turun
kenilai arus beban penuh yang bernilai I2 (disebut juga arus minimum), lengan A
bergerak ke tingkatan no.2. Misal nilai e.m.f. balik ialah Eb1, sesaat berpindah dari
tingkatan no.1 maka:
(2.9)
13
Ketika lengan A menyentuh di tingkatan no.2, maka arus akan kembali menuju
nilai I1. Karena kecepatan belum berubah maka nilai e.m.f. balik akan menjadi
sama.
(2.10)
Dari persamaan (2.8) dan (2.9) kita akan mendapatkan
=
(2.11)
Saat lengan A berada di tingkatan no.2, maka nilai arus akan menurun ke nilai
minimum (I2) yaitu:
(2.12)
Bila lengan A bergerak ke tingkatan 3, maka nilai arus :
(2.13)
Dari persamaan (2.11) dan (2.12) kita akan mendapatkan
=
(2.14)
Saat lengan A berada di tingkatan no.3 maka nilai arus akan menurun ke nilai
minimum (I2) yaitu:
(2.15)
Bila lengan A bergerak ke tingkatan 3 maka nilai arus :
(2.16)
Dari persamaan (2.14) dan (2.15) kita akan mendapatkan
=
(2.17)
Dari persamaan (2.10), (2.13), dan (2.16) maka didapatkan:
14
(2.18)
Jika n adalah jumlah dari tingkatan dan n-1 adalah jumlah resistor pada tingkatan
maka:
(2.19)
Bentuk formula tingkatan tahanan ini dapat juga dilihat dibawah ini:
(2.20)
(2.21)
(2.22)
dimana :
K = ratio arus maksimum dengan arus minimum
n = jumlah tingkatan
Rn = nilai tahanan pada tingkatan n
Ra = nilai tahanan armatur
rn = nilai tahanan ke-n
I1 = arus maksimum
I2 = arus minimum
V = tegangan supply
Dari persamaan diatas kita akan mendapatkan nilai dari berapa jumlah tingkatan
resistor dan besar resistor pada setiap tingkatan.
15
b.Pengurangan Tahanan Starting Pada Motor Seri
Pada prinsipnya mendesain pengurangan tahanan starting pada Motor Shunt
dan Seri hampir sama.Tetapi terdapat satu perbedaan yang penting yaitu fluks
medan tidak konstan tetapi bervariasi dengan nilai arus tahan armatur. Misal:
I1 = Arus maksimum
Φ2 = fluks untuk I2
I2 = Arus minimum
I1/I2= K dan Φ1/Φ2 = α
Φ1 = fluks untuk I1
Pada kondisi lengan tingkatan berada di posisi ke n dan (n+ 1). Ketika arus berada
di I2, maka Eb=V-I2Rn.
Sekarang, bila penstart bergerak ke (n+ 1), maka:
(2.23)
(2.24)
Sekarang, V/I1=R1 adalah tahanan total pada rangkaian ketika starter pada
tingkatan pertama.
(2.25)
Dengan mensubstitusi (n-1) ke n, maka kita mendapatkan
(2.26)
Maka tahanan antara ke n dan (n+ 1) dapat dilihat dibawah ini:
(2.27)
(2.28)
16
Dimana α=Φ1/Φ2 dan K=I1/I2. Dengan asumsi pada magnetisasi linear, maka I1≈
Φ1 dan I2≈ Φ2 sehingga akan mendapatkan:
؞I /I =Φ /Φ
1 2
1
2
؞α=K dan b= α/K = 1 ؞
Dengan kata lain, setiap tingkatan memiliki nilai tahanan yang sama.
(2.29)
dimana :
K = ratio arus maksimum dengan arus minimum
α = ratio fluks maksimum dengan fluks minimum
n = jumlah tingkatan
Rn = nilai tahanan pada tingkatan n
Ra = nilai tahanan armatur
Rf = nilai tahanan medan
rn = nilai tahanan ke-n
2.2
Thyristor
Simbol rangkaian untuk thyristor dan karakteristik i-v ditunjukkan pada
Gambar2.11 dan Gambar 2.12. Arus utama mengalir dari anoda (A) ke katoda
(K). Saat dalam keadaan off, thyristor dapat memblok tegangan bias maju dan
tidak terkonduksi, seperti terlihat di Gambar 2.11, bagian keadaan off pada
kareteristik i-v.
17
Gambar 2.11 Simbol Rangkaian Thyristor.[2]
Gambar 2.12 Karakteristik i-v Thyristor.[2]
Thyristor dapat dipicu menjadi keadaan on dengan memberikan pulsa arus
positif ke gate dengan durasi yang singkat pada saat peralatan berada di keadaan
bias maju terblok. Hasil dari hubungan karakteristik i-v pada bagian keadaan on
ditunjukkan pada Gambar. Tegangan jatuh bias maju pada saat keadaan on hanya
beberapa volt ( biasanya 1-3 V tergantung rating block tegangannya).
18
Ketika thyristor mulai terkonduksi, thyristor akan terpasang on (latch on)
dan arus gate dapat dihilangkan. Thyristor tidak dapat dijadikan keadaan off oleh
gate, dan thristor terkonduksi sama seperti dioda. Hanya jika arus anoda menjadi
negatif, dibawah pengaruh dari rangkaian dimana thyristor terhubung, yang
membuat thyristor menjadi keadaan off dan arus akan menjadi nol. Hal ini
memberikan gate untuk mendapatkan kembali kendali untuk membuat keadaan on
pada saat waktu yang terkendali setelah thyristor berada dikeadaan bias baju
terblok.
Di bias mundur pada tegangan dibawah tegangan breakdown bias mundur,
hanya sangat sedikit arus bocor yang mengalir pada thyristor , seperti pada
Gambar 2.13. Biasanya rating tegangan thyristor untuk tegangan bias maju dan
bias mundur adalah sama. Rating arus thyristor terspesifik pada kondisi rms
maksimum dan arus rata-rata yang dapat dikonduksikan. Karakter ideal thyristor
dapat ditunjukkan pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Karakteristik Ideal i-v Thyristor.[2]
19
2.3
Start Motor DC dengan Thyristor Controller
Penambahan tahanan tambahan pada armatur motor saat start dapat
mengurangi arus start ke batas yang aman. Saat motor mencapai kecepatan
kerjanya maka tahanan ini harus berkurang secara bertahap. Pengurangan tahanan
ini dapat dilakukan secara manual atau otomatis. Bentuk sederhana dari rangkaian
pengurangan tahanan dapat dilihat di Gambar 2.9. Bila secara manual maka,
pengguna motor listrik harus menggeser tuas kontrol pengatur tahanan armatur
motor. Bila secara otomatis maka motor akan secara otomatis mengurangi besar
tahanan sampai motor mencapai kecepatan kerjanya. Pengurangan otomatis ini
dapat dilakukan dengan control otomatis dengan menggunakan magnetik
kontaktor. Selain itu magnetik kontaktor dapat di ganti dengan thyristor . Thyristor
bekerja lebih baik dari magnetic kontaktor karena kemampuan thyristor dalam
menanggapi arus. Sebuah thyristor dapat switch on dengan menambahkan sinyal
yang sesuai ke terminal gate thyristor . Ketika teraliri, thyristor menghasilkan
tahanan nol saat bias maju (anoda ke katoda) dan akan menghubung- singkatkan
untuk tahanan start yang ada ketika terhubung. Thyristor dapat menjadi off ( misal
dikondisikan kembali menjadi keadaan tidak teraliri) dengan membalikkan
polaritas dari tegangan anoda-katoda.
20
Sensor Arus
V
Shunt Field
I2
Gambar 2.9 Diagram rangkaian Motor DC Shunt dengan tahanan seri yang diatur
dengan Thyristor Controller .
Sensor arus digunakan untuk memberi umpan balik kepada switch
thyristor agar thyristor menjadi terhubung sesaat arus pada aramatur mencapai
nilai tahanan minimum ( seperti yang dijelaskan pada sub bab 2.1.3). Sensor ini
berguna untuk membuat switch thyristor bekerja sesuai dengan respon arus pada
sensor sehingga tidak mengalami delay waktu yang lama atau terlalu cepat (sesuai
dengan Gambar 2.10).
21
Gambar 2.10 Grafik Arus –Waktu saat start dengan tahanan seri.[1]
22