generator dc arus searah (1)

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Listrik adalah suatu penemuan yang luar biasa yang ditemukn oleh
Thomas Alva Edison, dimana sebagai orang pertama kali yang
menemukan listrik pada tahun 1879, sekitar 120 tahun yang lalu. Listrik
suatu penemua yang femomenal yang dapat merubah semua kehidupan
dari zaman ke zaman, listrik semakin berkembang dari segi penggunaan
dan pencitaannya.
Beranekan macam cara untuk dapat mendapatkan listrik di zaman
moderen seperti ini dan banyak bermunculan versi-versi pembangkit
listrik yang ramah lingkungan dan praktis yang bisa digunakan di dalam
ruang lingkup yang kecil.
Listrik juga salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan
aman untuk mengirimkan energi. Pembangkit listrik juga diantaranya
seperti bahan baker fosil (minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas
bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik.
2.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan sistem pembangkit tenaga listrik?
2. Apa yang dimaksud dengan generator DC arus searah?
3. Apa yang dimaksud dengan motor DC arus searah?

2.3 Tujuan
1. Mengetahui apa yang dimaksud dengan sistem pembangkit tenaga
listrik?
2. Mengetahui apa yang dimaksud dengan generator DC arus searah?
3. Mengetahui apa yang dimaksud dengan motor DC arus searah?

1

BAB II
SISTEM PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK
2.1 Energi Listrik
Menurut Wikipedia (2012) Energi listrik adalah energi akhir yang
dibutuhkan bagi peralatan listrik/energiyang tersimpan dalam arus listrik
untuk

menggerakkan

motor,

lampu

penerangan,

memanaskan,

mendinginkan ataupun untuk menggerakkan kembali suatu peralatan
mekanik untuk menghasilkan bentuk energi yang lain. Energi yang
dihasilkan dapat berasal dari berbagai sumber, seperti air, minyak, batu
bara, angin, panas bumi, nuklir, matahari, dan lainnya. Energi ini besarnya
dari beberapa Joule sampai ribuan hingga jutaan Joule.
Energi listrik (kekuatan listrik / daya listrik) adalah bentuk energi
yang dihasilkan dari adanya perbedaan potensial antara dua titik, sehingga
membentuk sebuah arus listrik diantara keduanya ketika dibawa ke dalam
kontak melalui sebuah konduktor listrik, dan untuk memperoleh kerja
listrik tersebut. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain energi
seperti energi cahaya atau sinar, energi mekanik dan energi panas.
Energi listrik dinyatakan sebagai arus listrik, yakni sebagai
gerakan muatan listrik negatif atau elektron melalui kabel konduktor
logam karena perbedaan potensial diterapkan untuk generator pada ujungujungnya.
Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari

sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya:
• Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan
kompor listrik.
• Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.
• Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.
• Energi listrik menjadi energi kimia, contoh: peristiwa pengisian accu,
peristiwa penyepuhan (peristiwa melapisi logam dengan logam lain). Jika
arus listrik mengalir pada suatu penghantar yang berhambatan R, maka

2

sumber arus akan mengeluarkan energi pada penghantar yang bergantung
pada:
• Beda potensial pada ujung-ujung penghantar (V).
• Kuat arus yang mengalir pada penghantar (i).
• Waktu atau lamanya arus mengalir (t).
Berdasarkan pernyataan di atas, dan karena harga V = R.i, maka
persamaan energi listrik dapat dirumuskan dalam bentuk :
W = V.i.t
W= (R.i).i.t

W = i^2.R.t (dalam satuan watt-detik)
dan karena i = V/R, maka persamaan energi listrik dapat pula dirumuskan
dengan:
W = i^2.R.t
W = (V/R^2.R.t
W = V^2.t/R (dalam satuan watt-detik)
Keuntungan menggunakan energi listrik:
a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.
b. Mudah ditransmisikan.
c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.
Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan
berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang
berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:
Q = 0,24 V i t……kalori
Q = 0,24 i^2 R t…..kalori
Q = 0,24 V^2.t/R….kalori
Jika V, i, R, dan t masing-masing dalam volt, ampere, ohm, dan detik,
maka panas (kalor) dinyatakan dalam kalori.
Konstanta 0,24 didapat dari percobaan joule, Di dalam percobaannya
Joule menggunakan rangkaian alat yang terdiri atas kalorimeter yang

berisi air serta penghantar yang berarus listrik. Jika dalam percobaan arus
listrik dialirkan pada penghantar dalam waktu t detik, ternyata kalor yang
terjadi karena arus listrik berbanding lurus dengan:

3

a. Beda potensial antara kedua ujung kawat penghantar (V)
b. Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)
c. Waktu selama arus mengalir (t).
dan hubungan ketiganya ini dikenal sebagai "hukum Joule"
Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24
kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah:
Q = 0,24 V.i.t kalori
.
2.2 Teknik Tenaga Listrik
Teknik Tenaga Listrik ialah ilmu yang mempelajari konsep dasar
kelistrikan dan pemakaian alat yang asas kerjanya berdasarkan aliran
elektron dalam konduktor (arus listrik). Dalam Teknik Tenaga Listrik
dikenal dua macam arus :
1. Arus searah dikenal dengan istilah DC (Direct Current)

2. Arus bolak balik dikenal sebagai AC (Alternating Current)
2.3 Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik merupakan sekumpulan pusat listrik dan
pusat beban atau gardu induk yang dihubungkan oleh jaringan transmisi
sehingga menjadi sebuah kesatuan interkoneksi. Pada dasarnya sistem
tenaga listrik dapat dibagi menjadi tiga kelompok sub-sistem yaitu :
-

Sistem Pembangkit

-

Sistem Transmisi

-

Sistem Distribusi

Sistem pembangkitan terdiri atas sejumlah unit-unit pembangkit
yang umumnya tersebar luas pada daerah pelayanan sistem interkoneksi

jaringan sistem tenaga listrik. stasiun pembangkit umumnya terdiri lebih
dari satu unit pembangkit tergantung dari kebutuhannya dan sarana
infrastruktur yang dibutuhkan untuk mendukung pengoperasian sistemsistem tersebut. Tegangan keluaran pembangkit-pembangkit biasanya
berkisar diantara 6,6 hingga 24kV tergantung dari pihak pabrik pembuat,

4

tidak ada standar umum yang dibuat untuk mengatur tegangan keluaran
generator.
Pembangkit dapat dibedakan menjadi berbagai jenis seperti Pusat
Listrik Tenaga Diesel (PLTD), Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap
(PLTGU), Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA), Pusat Listrik Tenaga Nuklir
(PLTN), dan Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Energi alam berupa
tenaga angin, tenaga pasang naik dan pasang surut air laut masih belum
termanfaatkan dengan baik. Energi alam yang berasal dari fossil seperti
batu bara, minyak bumi dan gas alam adalah sumber dari mana tenaga
listrik dibuat.
Energi alam yang berasal dari fossil seperti batu bara, minyak
bumi dan gas alam adalah sumber dari mana tenaga listrik dibuat. Pada
umumnya sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi dua macam

pembangkit yaitu :
2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)
Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang
mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik.
Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang
dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap
panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai
macam bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO
untuk start up awal.

Gambar 2.4: PLTU

5

2.5 Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang
mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan
energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai
hidroelektrik.
Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang

dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air.
Namun, secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas
pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi
pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti
tenaga ombak.

Gambar 2.5: PLTA
2.6 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)
Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah stasiun
pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari
satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik.
PLTN termasuk dalam pembangkit daya base load, yang dapat bekerja
dengan baik ketika daya keluarannya konstan (meskipun boiling water
reactor dapat turun hingga setengah dayanya ketika malam hari). Daya
yang dibangkitkan per unit pembangkit berkisar dari 40 MWe hingga
1000 MWe. Unit baru yang sedang dibangun pada tahun 2005 mempunyai
daya 600-1200 MWe.

6

Perbedaan Pembangkit Listrik Konvensional (PLK) dengan PLTN. Dalam
pembangkit listrik konvensional, air diuapkan di dalam suatu ketel melalui
pembakaran bahan fosil (minyak, batubara dan gas). Uang yang
dihasilkan dialirkan ke turbin uap yang akan bergerak apabila ada tekanan
uap. Perputaran turbin selanjutnya digunakan untuk menggerakkan
generator, sehingga akan dihasilkan tenaga listrik.Pembangkit listrik
dengan bahan bakar batubara, minyak dan g as mempunyai potensi
yangdapat menimbulkan dampak lingkungan dan masalah transportasi
bahanbakar

dari

tambangmenuju

lokasi

pembangkitan.

Dampak

lingkungan akibat pembakaran bahan fosil tersebut dapat berupa CO2
(karbon dioksida), SO2 (sulfur dioksida) dan NOx (nitrogen oksida), serta
debu yang mengandung logam berat. Kekhawatiran terbesar dalam
pembangkit listrik dengan bahan bakar fosil adalah dapat menimbulkan
hujan asam dan peningkatan pemanasan global.

Gambar 2.6: PLTN
PLTN berperasi dengan prinsip yang sama seperti PLK, hanya panas yang
digunakan untuk menghasilkan uap tidak dihasilkan dari pembakaran
bahan fosil, tetapi dihasilkan dari reaksi pembelahan inti bahan fisil
(uranium) dalam suatu reaktor nuklir. tenaga panas tersebut digunakan
untuk membangkitkan uap di dalam sistem pembangkit uap ( Steam
Generator) dan selanjutnya sama seperti pada PLK, uap digunakan untuk
menggerakkan turbingeneratorsebagai pembangkit tenaga listrik. Sebagai
pemindah panas biasa digunakan air yang disirkulasikan secara terus
menerus selama PLTN beroperasi. Proses pembangkitan listrik ini tidak
membebaskan asap atau debu yang mengandung logam berat yang
dibuang ke lingkungan atau melepaskan partikel yang berbahaya seperti
7

CO2, SO2, NOx ke lingkungan, sehingga PLTN ini merupakan
pembangkit listrik yang ramah lingkungan. Limbah radioaktif yang
dihasilkan dari pengoperasian PLTN adalah berupa elemen bakar bekas
dalam bentuk padat. Elemen bakar bekas ini untuk sementara bisa
disimpan di lokasi PLTN sebelum dilakukan penyimpanan secara lestari.
2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Angin
PLT Angin ini pada prinsipnya memanfaatkan angin yang tersedia
di alam. PLT Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik
dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Energi angin yang
memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator
dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi
listrik. Energi Listrik ini akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat
dimanfaatkan. Ini dilakukan untuk menstabilkan keadaan listrik yang
terpengaruh saat kecepatan angin berubah-ubah. Angin yang dapat
dimanfaatkan untuk PLT Angin ini adalah angin yang termasuk pada
kelas angin nomor 3(berkecepatan 12-19,5 km/jam) sampai dengan kelas
angin nomor 8 (berkecepatan 61,6-74,5 km/jam). Kelas angin nomor 3
dapat ditandai dengan adanya asap bergerak mengikuti arah angin dan
kelas angin nomor 8 ditandai dengan ujung pohon melengkung, dan
hembusan angin terasa di telinga.
Negara Indonesia adalah negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya
adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ±
80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan
pembanglit listrik tenaga angin. PLT Angin dapat dimaksimalkan
pemberdayaannya disekitar pantai di Indonesia. Namun, tidak semua
pantai dan daerah dapat dijadikan PLT Angin, karena perlu dipilih daerah
yang memiliki topografi dan keadaan angin yang stabil. Sampai saat ini,
kapasitas total yang terpasang diseluruh Indonesia kurang dari 800
kilowatt. Terdapat lima unit kincir angin pembangkit listrik berkapasitas
80 kilowatt yang sudah dibangun. Pada tahun 2007 yang lalu, telah
ditambah tujuh unit kincir pembangkit berkapasitas sama di empat lokasi,

8

yaitu Pulau Selayar, Sulawesi Uutara, Nusa Penida,Bali, serta Bangka
Belitung.
Selain digunakan di daerah pesisir pantai, PLT Angin juga dapat
digunakan di daerah pegunungan dan daratan. Saat ini kapasitas total
pembangkit listrik yang berasal dari tenaga angin untuk Indonesia dengan
estimasi kecepatan angin rata-rata sekitar 3 m/s / 12 Km/jam, 6.7
knot/jam turbin skala kecil lebih cocok digunakan, di daerah pesisir,
pegunungan, dataran.. Salah satu daerah yang cocok untuk dijadikan PLT
Angin adalah daerah Sidrap.Daerah ini memiliki topografi yang
menunjang, datarannya luas dan memiliki kecepatan dan stabilitas angin
yang ideal. Selain untuk pembangkitan listrik, turbin angin sangat cocok
untuk mendukung kegiatan pertanian dan perikanan, seperti untuk
keperluan irigasi, aerasi tambak ikan, dan sebagainya.
Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi yang
paling berkembang saat ini. Berdasarkan data dari WWEA (World Wind
Energy Association), sampai dengan tahun 2007 perkiraan energi listrik
yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 93.85 GigaWatts,
menghasilkan lebih dari 1% dari total kelistrikan secara global. Saat ini
Amerika, Spanyol dan China merupakan negara terdepan dalam
pemanfaatan energi angin. Diharapkan pada tahun 2010 total kapasitas
pembangkit listrik tenaga angin secara global mencapai 170 GigaWatt.
Meskipun energi yang dihasilkan tidak sebesar energi yang berasal dari
batu-bara ataupun nuklir, tetapi PLT Angin merupakan solusi yang paling
murah dan rendah risiko untuk di terapkan di Indonesia. Diharapkan
dengan diberdayakannya PLT Angin di Indonesia, akan menjadi salah
satu sumber energi alternafif dalam “menyambut” datangnya masa krisis
energi yang sebenarnya.

9

Gambar 2.7: PLT Angin
2.8 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)
Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah
pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas
sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan
prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari
proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan
selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai
dengan kebutuhannya. Sistem PLTG menggunakan prinsip siklus Brayton
yang dibagi atas siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus terbuka,
fluida kerja adalah udara atmosfer dan pengeluaran panas di atmosfer
karena gas buang dari turbin dibuang ke atmosfer.
Adapun kekurangan dari turbin gas adalah sifat korosif pada
material yang digunakan untuk komponen-komponen turbinnya karena
harus bekerja pada temperature tinggi dan adanya unsur kimia bahan
bakar minyak yang korosif (sulfur, vanadium dll), tetapi dalam
perkembangannya pengetahuan material yang terus berkembang hal

10

tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan
dihilangkan.
Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu
dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada perkembangannya untuk
menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki temperature kerja siklus
dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada
temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan
menggabungkan antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin
uap dan hal ini biasa disebut dengan combined cycle.

Gambar 2.8: PLTG
2.9 Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD)

11

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) ialah Pembangkit listrik yang
menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover). Prime
mover merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan energi
mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Mesin diesel
sebagai penggerak mula PLTD berfungsi menghasilkan tenaga mekanis
yang dipergunakan untuk memutar rotor generator.
PLTD merupakan suatu instalasi pemabangkit listrik yang terdiri
dari suatu unit pembangkit (SPD) dan sarana pembangkitan. Mesin Diesel
adalah penggerak utama untuk mendapatkan energi listrik dan dikeluarkan
oleh Generator . Pada mesin Diesel Energi Bahan bakar diubah menjadi
energi mekanik dengan proses pembakaran di dalam mesin itu sendiri.
Mesin Diesel pada saat ini sudah banyak mengalami perkembangan dalam
pemakaian untuk angkutan darat dan laut, kemudian pembangkitan dalam
daya kecil dan menengah bahkan sampai daya besar sudah ada yang
menggunakannya. Untuk mempermudah dalam melakukan pemeliharaan
Mesin Diesel para teknisi harus mempunyai dasar-dasar pengetahuan
mengenai Mesin Diesel yang baik, agar setiap melakukan pemeliharaan
para teknisi dapat memperlakukan setiap komponen yang berada dalam
mesin, sesuai dengan konstruksinya.
Yang dimaksud dengan Unit PLTD adalah kesatuan peralatanperalatan utama dan alat-alat bantu serta perlengkapannya yang tersusun
dalam hubungan kerja, membentuk sistem untuk mengubah energi yang
terkandung didalam bahan bakar minyak menjadi tenaga mekanis dengan
menggunakan mesin diesel sebagai penggerak utamanya.dan seterusnya
tenaga mekanis tersebut oleh generator diubah menjadi tenaga listrik.

12

Gambar 2.8: PLTD

BAB III
GENERATOR DC (ARUS SEARAH)
3.1 Generator DC
a. Definisi
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis
yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.

Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC
dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan
magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator
DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
b. Konstruksi
Ada tiga hal pokok yang menjadi dasar kerja sebuah mesin listrik,
yaitu :

13




Adanya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnit.
Adanya kawat penghantar listrik, yang merupakan tempat terbentuknya
gaya gerak listrik (Ggl) atau aliran arus listrik.



Gerakan realtif antara fluk magnet dengan kawat penghantar listrik.
Dalam hal ini boleh magnitnya tetap, sedangkan kawat penghantarnya
yang bergerak atau sebaliknya.

c. Komponen Utama

Gambar 3.1.c: Bagian-bagian Generator
Komponen utama generator terdiri dari 2 bagian, yaitu:
1. STATOR : bagian Generator DC yang diam
◦ Bantalan dan Sikat
Fungsi utama sikat adalah sebagai penghubung untuk aliran arus
dari lilitan jangkar ke terminal luar (generator) atau dari terminal luar ke
lilitan jangkar (Motor). Karena itu sikat sikat dibuat dari bahan konduktor.
Disamping itu sikat juga berfungsi untuk terjadinya komutasi, berrsamasama dengan komutator, bahan sikat harus lebih lunak dari bahan
komutator.

14

Gambar 3.1.c.1: Konstruksi Sikat Komutator
Supaya hubungan/kontak antara sikatsikat yang diam dengan
komutator yang berputar dapat sebaik mungkin, maka sikat memerlukan
alat pemegang dan penekan berupa per/pegas yang dapat diatur. Memilih
bahan yang digunakan untuk suatu sikat, perlu memperhatikan :




Putaran mesin;
Kerapatan arus yang melalui sikat;
Tekanan sikat terhadap komutator.

◦ Kutub Bantu dan Belitan◦ Kutub Bantu dan Belitan
Fluks magnet yang terdapat pada mesin listrik dihasilkan oleh
kutub-kutub magnet. Kutub magnet diberi lilitan penguat magnet yang
berfungsi untuk tempat aliran arus listrik supaya terjadi proses
elektromagnetisme.
Pada dasarnya kutub magnit terdiri dari dua bagian pokok, yaitu
inti kutub magnet dan sepatu kutub magnet. Karena kutub magnet
berfungsi menghasilkan fluks magnet, maka kutub magnet dibuat dari
bahan ferromagnetik, misalnya campuran baja-silikon
◦ Kutub Utama dan Belitan
◦ Kerangka
Fungsi utama dari rangka mesin adalah sebagai bagian dari tempat
mengalirnya fluks; magnet. Karena itu rangka mesin dibuat dari bahan
ferromagnetik. Seiain itu rangkapun befungsi untuk meletakkan alat-alat
tertentu dan melindungi bagian-bagian mesin lainnya. Mesin-mesin yang
kecil rangkanya dibuat dari besi tuang, sedangkan mesinmesin yang besar
rangkanya dibuat dari plat campuran baja yang berbentuk selinder.

15

2. ROTOR : bagian Generator DC yang berputar
◦ Kumparan/Lilitan
Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya Ggl imbas.
Lilitan jangkar terdiri atas beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur
jangkar. Tiaptiap kumparan dapat tediri atas lilitan kawat atau lilitan
batang.

Gambar 3.1.c.2: Lilitan Jangkar

Gambar 3.1.c.3: Letak Sisi-sisi Kumparan dalam Alur
Z = Jumlah penghantar/kawat jangkar
atau batang jangkar.
Zs = Jumlah kawat tiap sisi kumparan
S = Jumlah sisi kumparan.
Tiap-tiap kumparan mempunyai dua sisi kumparan dan jumlahnya
harus genap. Pada tiap-tiap alur bisa dipasang dua sisi kumparan atau lebih
dalam dua lapisan bertumpuk. Dalam tiap-tiap alur terdapat 2U sisi
kumparan, maka jumlah alur G adalah :

16

Bila dalam tiap-tiap kutub mempunyai 8 s/d 18 alur, maka :

Tiap-tiap kumparan dihubungkan dengan kumparan berikutnya
melalui lamel komutator, sehingga semua kumparan dihubung seri dan
merupakan rangkaian tertutup. Tiap-tiap lamel dihubungkan dengan dua
sisi kumparan sehingga jumlah lamel k, adalah :

Bila dalam tiap-tiap alur terdapat dua sisi kumparan (U = 1) maka
jumlah lamel juga sama dengan jumlah alur

Lilitan Gelung
Jika kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa
sehingga setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan
berikutnya maka hubungan itu disebut lilitan gelung. Perhatikan gambar
5.67 Prinsip Lilitan gelung. Y = kisar lilitan, yang menyatakan
Y= jarak antara lamel permulaan dan lamel berikutnya melalui
kumparan.
Y C = kisar komutator, jumlah lamel yang melalui komutator.
Y1&2 = kisar bagian.

17

Gambar 3.1.c.4: Prinsip Lilitan Gelung
Pada lilitan gelung kisar bagian Y2 mundur atau negatif. Tiap
kumparan mempunyai satu sisi benomor ganjil dan satu sisi bernomor
genap, karena itu Y2 danY1 selamanya harus merupakan bilangan ganjil.
Kisar bagian Y1 ditetapkan oleh Iebar kumparan, diperkirakan sama
dengan jarak kutub-kutub . Bila lebar kumparan dinyatakan dengan jumlah
alur, biasanya dinyatakan dengan kisar Yg .

Kisar bagian Y1 biasanya dinyatakan dengan sejumlah sisi
kumparan yang harus dilalui supaya dari sisi yang satu sampai pada sisi
berikutnya. Di dalam tiap-tiap alur dimasukkan sisi kumparan 2U dan
secera serempak beralih dari lapisan atas ke lapisan bawah karena itu.

Kisar bagian Y1 menentukkan cara menghubungkan ujung
kumparan yang satu dengan kumparan berikutnya melalui lamel
komutator, kisar Y2 biasa disebut juga kisar hubung.

18

Tabel 3.1.c.5: Hubungan Sisi Kumparan dengan Lamel Lilitan
Gelung

Tegangan Induksi jangkar atau Ggl Jangkar dibangkitkan pada
kumparankumparan jangkar dari sebu-ah generator. Nilai tegangan ini bisa
dihitung berdasarkan persamaan-persamaan dibawah ini :

19

Untuk Lilitan Gelombang
Jumlah cabang paralel = 2

Jumlah penghantar terhubung seri

dalam satu cabang

Untuk Lilitan Gelung
Jumlah cabang paralel = a Jumlah penghantar terhubung seri
dalam satu cabang Z/a

◦ Komutator
Seperti diketahui komutator berfungsi sebagai alat penyearah
mekanik, yang ber-sama-lama dengan sikat membentuk suatu kerjasama
yang disebut komutasi. Supaya menghasilkan penyearah yang lebih baik,
maka komutator yang digunakan jumlahnya banyak. Karena itu tiap
belahan/segmen komutator tidak lagi merupakan bentuk sebagian selinder,
tetapi sudah berbentuk lempeng-lempeng.
◦ Inti◦ Inti

Gambar 3.1.c.6: Inti dan poros rotor
◦ Poros
20

d. Prinsip kerja

Gambar 3.1d.1: Prinsip Kerja Generator
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi
perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan
menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor
menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi
perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan
posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol.
Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar
pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

Gambar 3.1.d.2. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan
komutator.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua
cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1),

21

maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila
ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2)
dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang
positip.
• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi
bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC,
sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus
penguat medan).
3.2 Generator DC Penguat Tersendiri
Dengan terpisahnya sumber arus searah untuk lilitan medan dan
generator, berarti besar kecilnya arus medan tidak terpengaruh oleh nilainilai arus ataupun tegangan pada generator.

Gambar 3.2: Generator Penguat Terpisah

Keterangan :
Im = Arus penguat magnit
Em = Tegangan sumber penguat magnit

22

Rm = Tahanan lilitan penguat magnit
Ia = Arus jangkar
IL = Arus beban
Pj = Daya jangkar
V = Tegangan terminal jangkar
3.3 Generator DC Penguat Sendiri
Karena generator jenis ini memperoleh arus untuk lilitan medan
dari dalam generator itu sendiri, maka dengan sendirinya besarnya arus
medan akan terpengaruh oleh nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat
pada generator. Hal ini akan tergantung pada cara hubungan Iilitan
penguat magnit dengan lilitan jangkar.
3.3.1

Generator DC Seri

Gambar 3.3.1: Generator DC Seri

Ea = k.ɸ.n → volt
Ea = (ɸ.z.n/60).(p/a) → volt
Ia = I s = I l

23

Vl = Il = Rl (tegangan beban)
V = Tegangan terminal generator DC
V = Vl = Vs
V = Ea-Ia.Ra
Vl+Vs.= Ea-Ia.Ra
Ea = Vl+Vs-Ia.Ra
Ea = Vl+Is-Rs. +IaRa
Bila rugi tegangan setiap sikat (Vsi) diperhitungkan maka
Ea = Vl+IsRs+IaRa+2Vsi
Ea = ggl yang dibangkitkan generator
IaRa = rugi tegangan dalam jangkar
IsRs = rugi tegangan dalam belitan penguat dalam kutub magnet
Keterangan:
VL = Tegangan jepit/beban/pemakai

(Volt)

Ia

= arus listrik pada belitan jangkar

(Ampere)

IL

= arus luar/arus beban

(Ampere)

RL = Tahanan luar/beban

(Ω)

Ra = Tahanan pada belitan jangkar

(Ω)

IsRs = rugi tegangan pada kumparan penguat kutub magnet seri

(Volt)

IaRa = rugi tegangan pada kumparan jangkar

(Volt)

Rd = Tahanan divertor

(Ω)

n = Jumlah putaran jangkar

3.3.2 Generator Seri Dengan Tahanan Divertor

24

Tahanan Divertor = Rd
I a=I L =I s + I d

I sd =I s + I d
Rsd =

Rd Ra
Rs Rd

I sd =I a=I L
1
1 1 R d + Rs
= + =
R sd R s Rd Rs Rd

Rsd =

R s Rd
R d + Rs

V s=V d

V L =I L R L

Ea =V L + I a Ra + I s R s

25

V =V L + I s Rs

V s=V d
V s=I s R s

V d =I d R d
Ea =V L + I a Ra + I s R s

Ea =V L + I a Ra + I s R s +2 V si
Rsd =

Rd Ra
Rd+ Ra

V sd =I sd R sd=I sd

Rd R s
R d + Rs

Ea =V L + I a Ra + I sd Rsd

Ea =V L + I a Ra + I sd Rsd +2 V si
V =E a−I a R a−2 V si

V =V L +V s
V L +V s=E a−I a R a−2 V si

Ea =V L + I a Ra +V s+ 2V si
Ea =V L + I a Ra + I s R s +2 V si

3.3.3 Generator DC Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi terhubung paralel dengan rotor.
Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan
magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan
tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan
nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt diatur oleh
tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt
yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan
nominalnya.
Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa
megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah
putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau

26

energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.
Generator shunt mempunyai karakteristik tegangan output akan turun
lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan
tegangan output pada generator penguat terpisah.
Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah
dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator
mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada
generator kompon.

Gambar 3.3.b: Generator DC Shunt

27

I a=I l + I f

28

V L =V f =V

V L =I L R L
V f =I f Rf

V =E a−I a R a−2 V si
Tidak memperhitungkan kerugian sikat

Ea =V + I a Ra
Ea =V f + I a R a

Ea =V L + I a Ra
Jika memperhitungkan kerugian sikat

Ea =V + I a Ra +2 V si
Ea =V f + I a R a +2V si

Ea =V L + I a Ra +2 V si
3.3.4 Generator Dc Shunt Dengan Tahanan Rheostat

I a=I L + I h

I h=I f

29

V L =V f +V h

V =V L =V f +V h
V f =I f Rf

V h=I h R h
V L =V f +V h

V L =I f R f + I h Rh
R
¿
f
(¿ + Rh)
V L =I f ¿
R
(¿ ¿ f + Rh)
V L =I h ¿
Ea =V + I a Ra

Ea =V L + I a Ra
Ea =V f +V h + I a R a

V =E a−I a R a−2 V si
Ea =V L + I a Ra +2 V si

Ea =V L + V h+I a Ra +2 V si
Keterangan:
Rsh = Tahanan Rheostat

(Ω)

IfRf = Rugi tegangan pada kumparan magnet shunt
30

3.3.5

Generator Kompon Panjang
Pada generator kompon lilitan medan penguat yang terdapat pada

inti kutub magnit terdapat 2 (dua), yaitu untuk seri dan shunt.
Berdasarkan cara meletakkan lilitan tersebut maka dapat dibentuk
hubungan. Generator kompon panjang dan generator kompon pendek.
Generator Kompon Panjang

Gambar 3.3.5: Generator Kompon Panjang

I a=I s
I a=I L + I f

I s=I L + I f
I a=I f + I L

31

V L =V f

V =E a−I a R a
Ea =V L + V s + I a R a

Ea =V L + I a Ra + I s R s +2 V si
Ea =V f + I a R a + I s R s +2V si

32

3.3.6 Generator Kompon Pendek

Gambar 3.3.6: Generator Kompon Pendek

I a=I f + I L
I L =I s

33

V f =V f −Rf

V f =V L + I s R s
V =E a−I a R a

V =V f =V L + I s Rs
Ea =V L + I s R s+ I a Ra

Ea =V f + I a R a
V L =I L R L

V L =E a−( I s R s+ I a Ra )
Bila dilengkapi dengan Vsi

Ea =V L + I a Ra + I s R s +2 V si
3.4 Diagaram Daya dan Efisiensi
A = Rugi-rugi putaran tanpa beban
B = Rugi-rugi beban
C = Rugi-rugi kumparan angker (Ia2.Ra)
D = Rugi-rugi motor sikat (Ia2.2Vsi)
E = Rugi-rugi kumparan seri (Is2.Rs)
F = Rugi-rugi kumparan shunt (If2.Rf)
Pin = Daya input
Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia)
Pb = Rugi besi dan gesekan
Pcu = Rugi tembaga
Pn = Daya out put (VL.IL)

Pin =

Pn = Pem – Pcu
Efisiensi

Pem+Pb

ηlistrik =

Pn
×100
Pen

ηbruto =

Pen
×100
Pin

Pem = Pn+Pcu
Pb = Pin-Pem
Pcu = Pem-Pn

η gen=

Pn
×100
Pin

34

Rugi – rugi yang terjadi dalam sebuah generator arus searah dapat dibagi
sebagai berikut :
� Rugi Tembaga
a. Rugi Tembaga jangkar = Ia2 Watt
b. Rugi Tembaga Medan Shunt = Ish2. Rsh Watt
c. Rugi Tembaga Medan Seri = Is2 . Rs Watt
� Rugi Inti
a. Rugi Hysterisis , Ph � B max1.6 . f
b. Eddy Currents , Pe � B max2 . f2
� Rugi Mekanis
a. Rugi gesekan pada poros
b. Rugi angin akibat putaran jangkar.
c. Rugi gesekan akibat gesekan sikat dengan komutator.

Gambar 3.4: Diagram Aliran Daya pada Generator Arus Searah
Diagram aliran daya dari sebuah

35

generator dc bias diilustrasikan seperti
diperlihatkan pada gambar 3.3.5
Rugi Besi dan Gesekan = Daya Masuk Mekanis (Pm) – Daya Jangkar (Pj)

55.4.5
3.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros.
Torsi Jangkar

Penampang lintang jangkar generator DC dengan jari-jari = r,
terdapat gaya keliling F kerja ( W ) = F x jarak.Untuk jarak 1 x putaran
jangkar = 2πr
W = F x 2πr

n
Untuk 1 secon dengan 60
(rps)

F x r = τa (torsi anker)

2 πn πn
= =ωm
60
60
(kecepatan putar mekanik )

n
W = Fx2πr 60

ω=τ . ωm→F (newton )

πn
W = Fx2r 60

ω=τa×

2 πn
→r (m )
60

τa=F×r →( Nm )

36

Kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar perdetik (W ) sebanding
dengan daya armatur

ω=Pem=Ea. Ia

τa×

2 πn
=Ea. Ia
60

τa=

Ea . Ia 60
=
n
2A

τa=9,55×

Ea . Ia
→( Nm)
n

τa=9,55×

Pem
→(Nm)
n

Ea = volt, Ia = ampere, N=rpm
Konversi satuan
1 Nm = 0,737(lbft)
1N =0,102(kg)

τa=9,55×0, 737×
τa=7,03835×

Ea. Ia
n

Ea . Ia
n

τa=7,04×

Ea. Ia
→(lbft )
n

τa=7,04×

Pem
→(lbft )
n

τa=9,55×0, 102×
τa=0, 9741×

Ea. Ia
→(kgm)
n

Ea . Ia
→(kgm)
n

τa=0, 97×

Ea. Ia
→(kgm )
n

τa=0, 97×

Pem
→(kgm)
n

Ea=

Φ zn P
× →(volt )
60
n

37

τa=7,04×

Ea. Ia
n

τa=7,04×
τa=

Φ zn P Ia
× × →(lbft )
60
n n

7, 04 zP Ea
× × ×Φ Ia→(lbft )
60
n
n

τa=0,117×

zP
×Φ Ia→(lbft )
n

Bila→0, 117×

zP
=c
n

τa=cΦ Ia →(lbft )
Hub : daya armatur dengan torsi jangkar

τa=0,117×

60 . Ea. Ia
Ea . Ia
=7, 04×
n
n

Ea. Ia=τa×

n 2π . 746
=
×τa . n
7,04 33000

1 2 π. 746
=
×τa.n
7,04 33000
Pem=

τa. 2 π . n
×746→( watt )
33000

Besaran

=

τa .2 π.n
33000
disebut armatur generator dalam Horse Power

(HP)

HP=

τa. 2 πn
33000

τa (lb.ft)
n (rpm)
Torsi Poros
Akibat torsi jangkar (σa), maka pada generator timbul daya out put (Pn)
Dari daya out put (Pn) akan timbul torsi poros atau torsi sumbu (Tsh) atau
Ts

38

Ts = Tsh = torsi poros
Daya kuda yang dihasilkan torsi poros disebut Brake Horse Powe (BHP)
atau day kuda rem

BHP=

Tsh. 2 πn/60 Tsh×ωn
=
746
746

Hubungan BHP dengan daya input

BHP

Pin
746

Pin=Tsh×

Tsh→(kgm)
2 πn
=Tsh×ωm
60

HP=

τa. 2π . n
33000

τa→( lbft )
n→(rpm )

Pin→( waat ) ;
Tsh→(lbft )

39

BAB IV MOTOR DC (ARUS SEARAH)
4.1 Motor DC
a. Definisi
Motor arus searah (motor DC) adalah mesin yang merubah energy
listrik arus searah menjadi energy mekanis yang berupa putaran. Pada
prinsip pengoperasiannya, motor arus searah sangat identik dengan
generator arus searah. Kenyataannya mesin yang bekerja sebagai generator
arus searah akan dapat bekerja sebagai motor arus searah. Oleh sebab itu
sebuah mesin arus searah dapat digunakn baik sebagai motor arus searah
maupun generator arus searah.
Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas
bagian yang diam dan bagian yang berputar. Pada bagian yang diam
(stator) merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi
untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar
(rotor) ditempati oleh rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar,
komutator dan sikat.
Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua
fluksi magnetic. 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 menimbulkan suatu gaya.
Penggunaan motor arus searah akhir-akhir ini mengalami
perkembangan, khusunya dalam pemakaiannya sebagai motor penggerak.
Motor arus searah digunakan secara luas pada berbagai motor penggerak
dengan kecepatan yang bervariasi yang membutuhkan respon dinamis
dalam keadaan steady-state. Motor arus searah mempunyai pengaturan
yang sangat mudah dilakukan dalam berbagai kecepatan dan beban yang
bervariasi. Itu sebabnya motor arus searah digunakan pada berbagai
aplikasi tersebut. Pengaturan kecepatan pada motor arus searah dapat
dilakukan dengan memperbesar atau memperkecil tegangan pada jangkar
dengan menggunakan sebuah tahanan.

40

b. Konstruksi Motor Arus Searah
Gambar di bawah merupakan konstruksi dari motor arus searah.

Keterangan dari gambar tersebut adalah:
1. Rangka atau gandar
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 juga berfungsi sebagai tempat mengalirkan fluksi magnet
yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan. Rangka dibuat dengan
41

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 rangkain magnet.
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.
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 beberapa hal dibuat dari
campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada
segmen-segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmensegmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator.
4. Kumparan Medan
Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada
inti kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang

42

berbentuk bulat ataupun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk
menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.
5. 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. Bahan yang digunakan untuk
jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silikon.
6. Kumparan Jangkar
Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat
dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang
kumparan medan serinya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan
pada motor DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya
diparalel terhadap kumparan 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. Komutator
Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah
yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen
tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam
silinder yang terpasang pada poros. Dimana 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.

43

8. 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.
d. Prinsip Kerja Motor DC

Setiap konduktor yang mengalirkan arus mempunyai medan
magnet disekelilingnya. Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada
besarnya

arus yang mengalir dalam konduktor.
H= ¿
L
Dimana :
H = Kuat medan magnet (Weber/meter)
N = Banyak kumparan (lilitan)
I = Arus yang mengalir pada penghantar (Ampere)
l = Panjang dari penghantar (meter)

44

Pada Gambar (a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam
yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya
dari kutub utara menuju kutub selatan.. Sedangkan Gambar (b)
menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus searah dan
menghasilkan medan magnet (garis-garis gaya fluksi) disekelilingnya.
Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam
medan magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan
medan yang tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar (c).
Sehingga kerapatan fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan
konduktor (dekat kutub selatan) dan di bawah sebelah kiri konduktor
(dekat kutub utara) sedangkan kerapatan fluksi menjadi berkurang di atas
sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah kanan konduktor. Kerapatan
fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di sebelah kiri akan
mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan akan
mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi
yang akan memutar jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran
jarum jam.
Prinsip dasar diatas diterapkan pada motor dc. Prinsip kerja sebuah
motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar berikut:

Berdasarkan gambar diatas kedua kutub stator dibelitkan dengan
konduktor-konduktor sehingga membentuk kumparan yang dinamakan
kumparan stator atau kumparan medan. Misalkan kumparan medan
tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada
kumparan medan itu akan mengalir arus medan (If). Kumparan medan
45

yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan
fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub
utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis –
garis fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus
jangkar, maka dari hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah
konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka
pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya
pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus
yang mengalir pada kumparan jangkar (Ia), kerapatan fluksi (B) dari kedua
kutub dan panjang konduktor jangkar (l). Semakin besar fluksi yang
terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan
jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor
juga semakin besar. Arah dari gerakan kawat sesuai dengan aturan tangan
kiri.
Besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada
konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah :
F=B I a l

(Newton)

Dimana :
Ia = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar ( Ampere )
B = Kerapatan fluksi (Weber / m2)
l = Panjang konduktor jangkar (m)
Untuk mengetahui arah putaran motor searah atau perlawanan
dengan arah jarum jam (lihat gambar) pada gambar a arus listrik yang
mengalir melalui sisi kumparan sebelah atas (kutub utara) dengan arah
meninggalkan (keluar) sedangkan arus listrik pada sisi kumparan sebelah
bawah (kutub selatan) menuju kedalam (masuk) maka kumparan akan
berputar berlawanan jarum jam (perhatikan arah medan magnet) sekitar
kawat seperti pada gambar di: bawah ini:

46

Jika ujung-ujung kumparan dihubungkan dengan sumber listrik DC
dengan polaritasnya berlawanan dengan polaritas batery (gambar a), maka
kumparan akan berputar searah dengan jarum jam.
Bila kumparan jangkar dari motor berputar dalam medan magnet
dan memotong fluksi utama maka sesuai dengan hukum induksi
elektromagnetis maka pada kumparan jangkar akan timbul gaya gerak
listrik (ggl) induksi yang arahnya sesuai dengan kaidah tangan kanan,
dimana arahnya berlawanan dengan tegangan yang diberikan kepada

47

jangkar atau tegangan terminal. Karena arahnya melawan maka ggl
induksi ini disebut ggl lawan, yang besarnya :
e=N

dϕ
dt

Volt

dengan, ϕ=ϕm sin ωt
e=N

d ( ϕm sin ωt )
dt

e=N ω ϕm cos ωt

Volt

Besarnya ggl induksi maksimum dalam satu belitan adalah :
e maks=ω ϕm

Volt

Harga rata – ratanya adalah :
2
e r= . e maks
π

Volt

2
e r= . ω . ϕ m
π

Volt

Pada satu putaran jangkar berkutub p, ggl melalui satu periode. Jika
jangkar itu mengadakan n rpm atau n rps, maka bagi satu periode lamanya
T, adalah :
T=

60
n. p
2

detik

Dalam satu periode dilalui sudut yang besarnya 2 π radial, sehingga :
ω=

2π
T

Maka,
Ea =4

Ea =

2 2π
ϕ
π T m

1
ϕ
T m

np
2
Ea =4
ϕ
60 m

Volt

Volt
Volt

Jangkar memuat N belitan yang terdiri a cabang paralel, sehingga tiap
cabang jangkar akan mempunyai

N
a

buah belitan yang tersambung

seri, sehingga :

48

np
N 2
Ea =4
ϕ
a 60 m
Jika jumlah batang penghantar z, maka
np
z 2
Ea =4
ϕ
2 a 60 m

Maka,

Ea =

pz
n ϕm
60 a

Oleh karena

pz
60 a

N=

z
2

Volt
Volt

bernilai konstan, maka diperoleh :

Ea =c n ϕm

Volt

Dimana :
ω = Kecepatan sudut (rad/detik)
T = Periode
n = Kecepatan putaran (rpm)
Ea = Gaya gerak listrik induksi (volt)
p = Jumlah kutub
N = Banyaknya kumparan konduktor jangkar (belitan)
a = Jalur paralel konduktor jangkar
z = Jumlah total konduktor jangkar
ϕ = Fluksi setiap kutub (Weber)
c=

pz
=konstanta
60 a

Pada satu kali putaran gaya F akan menghasilkan kerja sebesar F . 2 π . r
Joule sehingga daya mekanik (Pm) yang dibangkitkan oleh jangkar untuk
n rpm sebesar:
Pm=F .2 π .r .

n
60

Pm=F .r .2 π .

Watt
n
60

Daya yang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berubah jadi daya
mekanik juga tergantung dari ggl lawan dan arus jangkarnya, sehingga
dapat dituliskan :

49

Ea . I a =T a .2 π .
Sehingga,

T a=

n
60

Ea . I a
n
2π .
60

T a=

Nm

Ea . I a
ω

Nm

p. z
. n . ϕm
60 a
T a=
Ia
n
2π.
60
T a=

p.z
60
. n . ϕm.
I
60 a
2 πn a
T a=

Oleh karena,

p. z
2 π .a

p. z
.ϕ .I
2π .a m a

bernilai konstan, maka diperoleh :
T a=k . ϕ m . I a

Dimana :
k=

p. z
=konstanta
2 π.a

4.2 Motor Dc dengan Penguat Bebas

Gambar 4.2: Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Terpisah &
Diagram Tegaangan Listrik.

50

Persamaan arus yang digunakan:
V L =E a+ I a Ra
I L =I a
I a=

Dimana: Ea =ϕ

V L −Ea
Ra

P n
Z (volt )
a 60

Persamaan Tegangan yang digunakan

V L =E a+ I a Ra
V L I a=E a I a + I a R a I a

V L I a=E a I a + I a2 R a
2

2

Pm=E a I a + I a R a

V L I L=P¿

V L I L=E a I a +I a2 R a
Pm=E a I a=V L I L −I a R a

(Daya Input)

51

Ea I a=Pm

(Daya Mekanik)

I a Ra =Pcu

(Rugi Daya Tembaga)

Pm

P¿ =P m + Pcu

akan mencapai harga maksimum apabila

d Pm
=0
d Ia

V L =2 I a R a
I a Ra =

VL
V
Ea= L
2
2

4.3 Motor DC dengan Penguat Sendiri
4.3.1 Motor DC Seri

Gambar 4.3.1: Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Seri &
DAL, DTL.

Persamaan Tegangan:
I a=I L =I s

V L =E a+ I a Ra +2 V si +V s
52

V L =E a+ I a Ra +2 V si + I s R s

Ea =V L −I a R a−2 V si −I s R s
x Ia

53

Ea I a=V L I a −I a Ra I a−2 V si I a−I s Rs I a
2

2

Ea I a=V L I L−I a R a−2 V si I a −I s Rs
Ea I a=V L I L−( I a2 Ra +2 V si I a + I s2 R s )

Pm=P¿ −Pcu
P¿ =V L I L

Pcu=I a2 Ra +2 V si I a + I s2 R s
4.3.2 Motor DC Shunt
Gambar 5.91 Rangkaian Motor Arus
Searah Penguat Sendiri Shunt &
Diagram Tegangan Listrik

Diagram Tegangan

Persamaan Tegangan
I L =I a+ I f

I a=I L −I f
V L =V f =E a+ I a Ra +2 V si

Ea =V L −I a R a−2 V si
V f =I f Rf

V L =E a+ I a Ra +2 V si
x Ia

V L I a=E a I a + I a R a I a +2 V si I a
2

Ea I a=V L I a −I a Ra−2V si I a

Ea I a=V L ( I L −I f )−I a2 R a−2 V si I a
2

Ea I a=V L I L−V L I f −I a Ra−2V si I a

2

Ea I a=V L I L−V f I f −I a R a−2 V si I a
2

Ea I a=V L I L−I f R f I f −I a R a−2 V si I a
2

2

Ea I a=V L I L−I f R f −I a R a−2 V si I a

Ea I a=V L I L−( I f 2 R f + I a2 R a +2V si I a )
Pm=P¿ −Pcu

P¿ =V L I L
2

2

Pcu=I f R f + I a Ra +2 V si I a

Jadi:

4.3.3 Motor DC Kompon Panjang

Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Panjang
Persamaan Tegangan

I s=I a

I L =I f + I s

I s=I L −I f

I L =I f +I a

I a=I L −I f

VL

Ea + I a R a +2V si

=

V f =Ea + I a R a +2V si +V s
V L =V f

V f =I f Rf
V s=I s R s

V L =E a+ I a Ra +2 V si +I s R s
V L =E a+ I a Ra +2 V si + I s R s

Ea =V L −I a R a−2 V si −I s R s
x Ia

Ea I a=V L I a −I a Ra I a−2 V si I a−I s Rs I a
Ea I a=V L ( I L −I f )−I a2 R a−2 V si I a −I s2 Rs
Ea I a=V L I L−V L I f −I a2 Ra−2V si I a−I s2 R s
2

2

Ea I a=V L I L−V f I f −I a R a−2 V si I a −I s Rs
2

2

2

Ea I a=V L I L−I f R f −I a R a−2 V si I a−I s Rs
Ea I a=V L I L−( I f 2 R f + I a2 R a +2V si I a+ I s2 Rs )

Pm=P¿ −Pcu

P¿ =V L I L
2

2

Pcu=I f R f + I a Ra +2 V si I a + I s

2

Jadi:

4.3.6 Motor DC Kompon pendek

Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Pendek

I L =I s

I s=I a + I f

I a=I s−I f

I L =I a+ I f

I a=I L −I f

V f =Ea + I a R a +2V si
V L =V f +V s

V L =E a+ I a Ra +2 V si +V s

V f =I f + R f
V s=I s R s

V L =E a+ I a Ra +2 V si +I s R s
Ea =V L −I a R a−2 V si −I s R s

x Ia
Ea I a=V L I a −I a Ra I a−2 V si I a−I s Rs I a

Ea I a=V L ( I L −I f )−I a2 R a−2 V si I a −I s R s ( I s −I f )
2

2

Ea I a=V L I L−V L I f −I a Ra−2V si I a−I s R s+ I s R s I f

Ea I a=V L I L−( V f +V s ) I f −I a2 R a−2 V si I a−I s2 R s + I s R s I f
2

2

Ea I a=V L I L−V f I f −V s I f −I a Ra −2V si I a−I s R s + I s R s I f

Ea I a=V L I L−I f 2 R f −I s Rs I f −I a2 R a−2 V si I a −I s2 R s+ I s Rs I f
Ea I a=V L I L−( I f 2 R f + I a2 R a +2V si I a+ I s2 Rs )

Pm=P¿ −Pcu
P¿ =V L I L

Pcu=I f 2 R f + I a2 Ra +2 V si I a + I s2 Rs

4.4 Diagram Daya dan Efisensi
Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dapat dibagi kedalam :
1.
2.
3.
1.

Rugi- rugi tembaga atau listrik.
Rugi-rugi besi atau magnet.
Rugi-rugi mekanis.
Rugi-rugi tembaga atau listrik

Daya yang hilang dalam panas lilitan medan dan rangkaian jangkar
Rugi tembaga dari lilitan dibagi atas:
Rugi tembaga jangkar

Ia2 . Ra Watt
Rugi tembaga medan terdiri dari:
Ish2.Rsh Watt = Motor Shunt / Motor Kompon
Is2.Rs Watt = Motor Seri / Motor Kompon
2. Rugi-rugi Besi atau Magnet
- Rugi histerisis
Ph = .Bmax X f . V Watt
􀁋 = Steinmetz hysterisis coefficient
Bmax = Kerapatan fluks
maksimum :
m2
Wb
f = Frekuensi dlm Hertz
V = Volume inti (m3)
nilai x = antara 1,6 s/d 2
- Arus Pusar (Eddy Current)
Pe = Ke.Bmax
2 . f2 . V . t2 Watt
Ke = Konstanta arus pusar
t = Ketebalan dari inti magnit (m)
3. Rugi Mekanis
Rugi mekanis yang terjadi pada motor disebabkan oleh adanya gesekan
4.5 Torsi Jangkar Dan Torsi Poros