MOTOR DC SHUNT

Tugas Ini disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Mesin Listrik II semester IV

Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro

Disusun Oleh :

Nurcholis Fitrianto (101321084)

Nurhadi Muslim (101321085)

Rezky Ilhammur Rahman (101321091)

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2012

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah dan Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat

dan hidayah-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga penyusunan Makalah yang

berjudul “MOTOR DC SHUNT” ini dapat diselesaikan. Tugas ini disusun untuk memenuhi

salah satu tugas mata kuliah Mesin Listrik II semester IV Program Studi Teknik Listrik, Jurusan

Teknik Elektro.

Dalam usaha penyusunan Makalah ini tidak mungkin akan berhasil tanpa adanya

bantuan yang penulis peroleh, baik berupa petunjuk, bimbingan, nasihat, dukungan moril, serta

fasilitas lain yang penulis pergunakan dalam penyusunan Makalah ini. Oleh karena itu, pada

penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada yang terhormat :

1. Allah SWT, atas segala karunia dan petunjuk yang telah diberikan-NYA dalam penulisan

dan penyusunan laporan ini.

2. Kedua orang tua tercinta, Ayah dan Ibuku yang telah memberikan dukungan baik moril

maupun materil, serta do’a dan kasih sayang yang selalu menyertai setiap langkahku.

3. Bapak Sofyan Yahya, selaku Dosen Pembimbing mata kuliah Mesin Listrik II Program

Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung.

4. Rekan – rekan mahasiswa Teknik Listrik angkatan 2010 Politeknik Negeri Bandung ,

khususnya anak – anak kelas 2C, Terima Kasih buat suntikan semangatnya. Semoga kita

semua sukses bersama dan diberkati selalu oleh Allah SWT, ‘amien’.

Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat, khususnya bagi penulis dan

umumnya bagi pembaca. Penulis menyadari bahwa laporan yang dibuat ini masih jauh dari

kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun menjadi hal yang sangat

diharapkan penulis.

Bandung, Mei 2012

Penulis

i

DAFTAR ISI

Kata Pengantar…………………………………………………………………………………………………..……………………… i

Daftar Isi……………………………………………………………………...………………………………………………………….…. ii

1.1 Konstruksi Motor DC………………………………………………………………………….………………………..…...... 1

1.2 Prinsip Dasar Kerja Motor DC……………………………………………………………………………………………..… 4

1.3 Penentuan Parameter………………………………………………………………………………………………….………. 6

1.4 Jenis – Jenis Motor DC………………………………………………………………………………………………………..… 6

1.5 Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………………………………. 7

1.6 Contoh Perhitungan…………………………………………………………………………………………………………….. 9

1.7 Karakteristik Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………….. 11

1.8 Penggunaan Motor DC Shunt……………………………………………………………………………………………….. 12

1.9 Pengaturan Kecepatan Motor DC Shunt………………………………………………………………………………. 13

Daftar Pustaka……………………………………………………………………………………………………………………………. 15

ii

1.1. KONSTRUKSI MOTOR DC

Pada prinsipnya konstruksi motor AC ataupun DC itu sama, hanya saja yang

membedakan adalah terdapat Komutator yang terpasang pada bagian poros motor.

Berikut adalah konstruksi motor DC :

Gambar 1.1. Konstruksi motor DC pada bagian stator

Gambar 1.2.Konstruksi motor DC pada bagian rotor

1

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 menggunakan bahan ferromagnetik yang

memiliki permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau

baja lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai

bagian dari rangkaian magnet.

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

2

supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen 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 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:

1. Kumparan jerat (lap winding)

2. Kumparan gelombang (wave winding)

3. 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.

3

Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka komutator yang digunakan

hendaknya dalam jumlah yang besar.

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.

1.2. PRINSIP DASAR KERJA MOTOR DC

Motor DC berfungsi mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanis dimana

gerak tersebut berupa putaran dari motor. Prinsip dasar dari motor arus searah adalah

kalau sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet (U-S), maka pada kawat itu

akan bekerja suatu gaya yang menggerakan kawat itu. Arah gerakan kawat dapat

ditentukan dengan mengguankan kaidah tangan kiri, yang berbunyi sebagai

berikut:”Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub U dan S, sehingga garis-

garis gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam

kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya

yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari”. Yang diperlihatkan dengan gambar berikut ini.

Gambar 1.3. Prinsip dasar kerja motor DC

Pada motor arus searah medan magnet akan dihasilkan oleh medan dengan

kerapatan fluks sebesar B. bila kumparan jangkar yang dilingkupi medan magnet dari

4

kumparan medan dialiri arus sebesar I, maka akan menghasilkan suatu gaya F dengan

besarnya gaya tersebut adalah:

F = B I L 1.10-1 dyne………………………………….(2.3)

Dimana : B = kepadatan fluks magnet (Gauss)

L = penghantar (cm)

I = arus listrik yang mengalir (Ampere)

Persamaan di atas merupakan prinsip sebuah motor searah, dimana terjadi proses

perubahan energi listrik (I) menjadi energy mekanik (F), bila motor DC memiliki jari-jari

sepanjang r, maka kopel yang dibangkitkan adalah :

T = F . r = B I L . r…………………………………(2.4)

Pada saat gaya F dibandingkan, konduktor bergerak dalam medan magnet dan

menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakn reaksi lawan terhadap tegangan

penyebabnya.

Suatu motor listrik disebut sebagai motor DC jika memerlukan supply tegangan

searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi

mekanik. Pada motor DC, kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan

medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi energy

listrik yang diubah menjadi energi mekanik berkangsung melalui medium medan magnet.

Energi yang akan diubah dari suatu sistem yang lainnya, sementara akan disimpan dalam

medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem yang lainnya.

Dengan demikian, medan magnet berfungsi sebagai tempat penyimpanan energy dan

mengkopel proses pengubah energi.

Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi mekanik

dapat dinyatakan sebagai berikut : “Energi listrik sebagai input = Energi mekanik sebagai

output + Energi yang diubah sebagai panas + Energi yang tersimpan dalam medan

magnet”.

5

1.3. PENENTUAN PARAMETER

Parameter motor arus searah dapat diidentifikasi melalui beberapa perhitungan

aljabar statistik. Proses identifikasi itu dilakukan terhadap data hasil pengukuran

tegangan terminal, kecepatan putar dan arus jangkar selama selang waktu tertentu. Dalam

selang waktu itu dikehendaki terdapat selang motor dalam keadaan mantap dengan

masukan konstan dan terdapat selang motor dalam keadaan transien. Masukan berbentuk

gelombang kotak sangat cocok untuk keperluan ini. Tapis Kalman secara mandiri tidak

dapat digunakan untuk identifikasi parameter karena dalam model diskret motor arus

searah parameter muncul dalam bentuk perbandingan, sehingga diperlukan proses

statistik untuk menentukan sebagian parameter. Pengamatan eksperimental menunjukkan

bahwa model motor arus searah hasil identifikasi dapat digunakan mengestimasi

kecepatan motor dengan selisih sebesar 5 persen nilai kecepatan motor sebenarnya.

Identifikasi dengan algoritma genetika dilakukan untuk menguji apakah hasil identifikasi

dengan tapis Kalman dapat disebut baik dibanding dengan metode lain dan apakah

terdapat kombinasi parameter lain selain yang dapat ditemukan oleh tapis Kalman.

Pengamatan yang telah dilakukan menunjukkan belum ditemukan kombinasi parameter

lain dan hasil identifikasi dengan algoritma genetika belum dapat disebut lebih baik

dibanding hasil identifikasi dengan tapis Kalman.

1.4. JENIS-JENIS MOTOR DC

Setelah mengetahui prinsip dasar kerja dari motor DC yang dimana apabila ada suatu

kondktor yang dialiri arus listrik diantara dua kutub magnet (U-S) maka pada konduktor tersebut

akan timbul sebuah gaya yang akan menggerakan konduktor tersebut.

Jenis-jenis motor DC dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya, yaitu hubungan

rangkaian kumparan medan dengan kumparan jangkar. Sehingga motor DC dibedakan menjadi :

1. Motor DC penguat terpisah.

Untuk motor arus searah penguat terpisah, sumber tegangan penguatannya berasal dari

luar motor. Dimana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri.

6

2. Motor DC penguat sendiri.

Motor DC penguatan sendiri adalah motor DC yang sumber tegangan penguatannya

berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan medan berhubungan langsung dengan

kumparan jangkar. Kumparan medan dapat dihubungkan secara seri maupun paralel

dengan kumparan jangkar. Dan juga dapat dihubungkan dengan keduanya,yaitu secara

seri dan paralel, tergantung pada jenis penguatan yang diberikan terhadap motor.

1.5. MOTOR DC SHUNT

Salah satu macam penguatan sendiri motor DC adalah motor DC penguat shunt, kata

shunt sendiri berarti paralel dimana maksud dari paralel disini adalah pemasangan paralel antara

kumparan jangkar pada rotor dengan kumparan medan pada strator. Untuk lebih jelas, berikut

rangakaian ekivalen dari motor DC penguat shunt :

Gambar 1.4. Rangkaian ekivalen Motor DC Penguat Shunt

Persamaan - persamaan yang berlaku pada motor shunt adalah:

Vt = Ea + Ia.Ra ......................................................... (2-15)

Ish =

…………………………………………….. (2-16)

IL = Ia + Ish .............................................................. (2-17)

Dimana :

Vt = tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)

IL = arus dari jala-jala (Ampere)

Ia = arus pada jangkar (Ampere)

Ra = Tahanan pada jangkar (Ohm)

Ea = Ggl lawan (volt)

7

Ish = arus kumparan medan shunt (Ampere)

Rsh = tahanan medan shunt (Ohm)

Pada tipe ini belitan medan dihubungkan secara parallel dengan belitan jangkarnya.

Sehingga besarnya arus medan yang mengalir akan tergantung dengan besarnya tegangan

jangkar dan besarnya resistansi belitan medan. Regulasi kecepatan akibat perubahan beban pada

motor dc shunt lebih baik dibandingkan dengan motor dc seri. Ketika torsi beban bertambah

maka kecepatan motor dc akan menurun, akibatnya tegangan dalam motor dc shunt juga akan

menurun. Arus jangkar pada motor dc shunt merupakan selisih tegangan antara tegangan dalam

dan tegangan terminal dibagi resistansinya. Akibat tegangan dalam yang turun tadi, maka arus

jangkar akan naik. Kenaikan arus jangkar akan menaikkan torsi yang diberikan oleh motor dc

sehingga kecepatan akan konstan pada titik tersebut, begitu pula sebaliknya jika terjadi

pengurangan torsi beban. Untuk lebih jelas, berikut adalah diagram satu garis (one line diagram)

motor DC shunt :

Gambar 1.5. One Line Diagram motor DC shunt

8

1.6. CONTOH PERHITUNGAN

Diketahui :

sebuah Motor Shunt 220 Volt menyerap arus arus total 80 dan berputar pada kecepatan 800

rpm A. Resistansi medan shunt adalah 50 Ω, dan resistansi medan jangkar 0,1 Ω. Jika rugi

besi dan gesekan 1600 watt. Hitunglah:

a) Daya Input (Pin)?

b) Daya pada jangkar (Pa)?

c) Daya output dalam HP (Pout)?

d) Rugi tembaga (Pcu)?

e) Torsi Jangkar (Ta)?

f) Torsi Poros (Tsh)?

g) Efisiensi (η)?

9

Penyelesaian :

a) Pin = V . IL e) Ta =

= 220 V . 80 A =

= 17.600 VA = 191,8 Nm

b) Ish =

f) Tsh =

= 220 V. 50 Ω =

= 4,4 A = 172,74 Nm

Ia = IL - Ish g) η =

x 100%

= 80 A . 4,4 A =

x 100%

= 75,6 A = 82,16 %

E = V – (Ia . Ra)

= 220 V – (75,6 A . 0,1)

= 212,44 V

Maka, Pa = E . Ia

= 212,44 V . 75,6 A

= 16060,464 Watt

c) Puot = Pa – Rugi-rugi gesekan

= 16060,464 Watt – 1600 Watt

= 14460,46 Watt

d) Pcu = Ia2 . Ra

= 75,62 . 0,1

= 571,536 Watt

10

1.7. KARAKTERISTIK MOTOR DC SHUNT

Gambar 1.6. Karakteristik Motor DC Shunt

Berikut tentang kecepatan motor shunt :

Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu)

setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar dan oleh karena itu cocok untuk

penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.

Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri

dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan

(kecepatan bertambah).

11

1.8. PENGGUNAAN MOTOR DC SHUNT

Motor DC Shunt sangat cocok untuk aplikasi yang menggunakan sabuk. Hal tersebut

karena kecepatan motor yang konstan sangat cocok digunakan dalam industri dan otomotif,

biasanya digunakan pada beban tinggi. Berikut adalah alat-alat yang biasa menggunakan prinsip

dasar motor DC shunt :

1. Mesin Bubut

Gambar 1.7. Mesin Bubut

2. Drills atau Mesin Bor

Gambar 1.8. Drills atau Mesin Bor

12

3. Boring Mills

Gambar 1.9. Boring Mills

1.9. PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC SHUNT

Kecepatan motor DC Shunt dapat dengan mudah dikendalikan. Meskipun terjadi

perubahan pada beban, motor DC Shunt dapat mempertahankan kecepatannya. Ketika beban

meningkat, rotor cenderung untuk memperlambat. Hal ini mengakibatkan kurang kembali EMF.

Ini menyumbang kurang oposisi terhadap tegangan yang diberikan. Jadi, arus motor akan

menarik lebih banyak arus. Peningkatan arus ini mengakibatkan pula kenaikan torsi guna

menstabilkan kembali kecepatan. Dengan demikian, bahkan ketika beban meningkat, efek beban

pada kecepatan motor DC shunt hampir nol. Ketika beban menurun, rotor akan kembalik pada

kecepatannya dan kembali pula membangkitkan lebih banyak EMF. Seperti kembalinya

polaritas EMF terhadap tegangan suplai, pengurangan beban mengakibatkan kurang arus dan

kecepatan yang dihasilkanpun konstan.

Kecepatan Motor DC Shunt dapat dikendalikan melalui 2 cara :

1. Dengan mengatur jumlah arus yang masuk ke kumparan shunt.

2. Dengan mengatur jumlah arus yang masuk ke bagian rotor.

Sementara tegangan disuplai ke rotor secara konstan, tegangan yang disuplai ke kumparan shunt

13

bervariasi dari pengaturan beberapa rheostat yang terhubung seri atau menggunakan pengendali

arus SCR. Teknik yang sama diterapkan untuk mengatur arus pada rotor. Tapi ketika terjadi

peningkatan arus pada rotor , rheostat yang digunakan untuk mengendalikan rotor biasanya jauh

lebih besar disbanding menggunakan kendali pada kumparan shunt.

Umumnya, motor diklasifikasikan dengan nilai tegangan dan kecepatan tertentu. Namun, ketika

motor DC shunt beroperasi di bawah tegangan yang penuh, torsi yang dihasilkan pula semakin

kecil.

14

2.1. DAFTAR PUSTAKA

1. Kurniawan, Endar Aditya. 2010. Sepeda Motor Lsitrik (Elctric Motorcycle). Jogjakarta.

Universitas Gajah Mada

2. Nugroho, Gesit Ari. 2006. Sistem Power Window pada Suzuki Baleno. Semarang.

Universitas Negeri Semarang

3. http://konversi.wordpress.com/2008/09/01/motor-arus-searah-dc-bagaimana-bekerjanya

4. http://duniaelektronika.blogspot.com/2008/04/mesin-arus-searah.html

5. http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/electricmotors.html#DCmotors

6. http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/motor-listrik.html

7. http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/09/animasi-motor-dc.html

15