MOTOR DC

Konsep MOTOR / GENERATOR

Suatu mesin listrik ( Generator atau motor ) akan berfungsi bila : memiliki :

1. Kumparan Medan, untuk menghasilkan medan magnet

2. Kumparan jangkar, untuk mengimbaskan GGL pada konduktor-konduktor yang

terletak pada alur-alur jangkar.

3. Celah udara, yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan magnet,

Pengertian Motor DC

Dasar dari pergerakan motor adalah interaksi dari medan magnet.

FLUX MAGNET ( Garis gaya magnet )

Gambar 1 memperlihatkan medan magnet dari 2 buah magnet permanen, aliran medan

magnet ini dinyatakan / direpresentasikan dalam garis-garis gaya magnet ( flux) [ agar

fenomenamya dapat dimengerti, tidak abstrak ). Jumlah garis gaya tersebut untuk setiap

medan magnet masing-masing berbeda, tergantung dari kuat medan magnet tersebut. Medan

magnet yang lebih besar mempunyai garis gaya yang lebih besar dan lebih banyak

alirannya, Arahnya dari kutub utara ( N) ke kutub Selatan ( S pole ).

North = Kutub Utara → dan S= Kutub selatan

Gambar 1. Garis gaya magnet ( flux) pada magnet permanent a) Konduktor b ) tapal kuda

1

Medan medan pada suatu konduktor.

Jika arus ( I ) dilewatkan pada suatu “ konduktor “ ( kawat ) akan dihasilkan suatu medan

magnet yang arahnya dapat dilihat pada Gambar 2a. Arah garis gaya magnet ( flux)

terkonsentrasi berbentuk lingkaran sepanjang konduktor/kawat tersebut. Model aliran garis

gaya magnet ini pada ilmu fisika dapat dinyatakan dengan model lengan kiri, seperti

terlihat pada Gambar 2b. Terlihat pada model tersebut terdapat anak panah , yang

menggambarkan arah pergerakan dari gaya garis medan magnet tersebut, ( Keluar /menjauh

disimbolkan dengan “ titik “ , ujung dari anak panah , sedangkan kedalam / mendekat

digambarkan dengan tanda x ,pangkal busur anak panah )

2

FIGURE 8–6 A magnetic field surrounds a current-carrying conductor.

Gambar 2, Arah pergerakan aliran arus listrik ( I ) dan arah aliran garis gaya magnet

( melingkar )

Kopel :

Arus listrik I yang dialirkan didalam ssuatu medanmagnet dengan kerapatan fluks ( B) akan menghasilkan suatu gaya ( F ) sebesar :

F = BIl sin Ф

Arah gaya ini ditentukan oleh aturan TANGAN KIRI : dimana jempol ( F ) , telunjuk ( B ) dan jari tengan ( I ) yang saling tegak lurus.

Jika bentuk kawatnya dililit dalam bentuk lingkaran atau dalam bentuk “ coil “ ( lilitan),

arah garis gaya dapat dilihat pada Gambar 3. Arah garis gaya medan Keluar dari kutub N

( utara) , masuk menuju kutub “ S “. Jika sejumlah lilitan disusun dalam suatu kesatuan

atau beberapa kumparan (gulungan). Besar garis gaya magnet merupakan perjumlahan dari

garis gaya masing-masing lilitan ( jadi lebih besar medan magnet). Hal ini yang mendasari

mengapa koil kita gulung , dengan tujuan untuk memperoleh magnet yang lebih kuat.

3

Figure 3 - The magnetic lines around a current carrying conductor leave from the N-pole

and re-enter at the S-pole

Arah garis gaya pada kumparan :

Arah garis gaya magnet pada kumparan dapat diatur , yaitu dengan cara merubah arah arus .

Lihat Gambar 4,

Bila arah arus masuk kekoil dari arah “A “ menuju kedalam ( arah normal ) dan keluar

dari arah “B “ , maka posisi kutub N ( utara ) diatas dan kutub “ S” ( selatan ) dibawah,

arah pergerakan garis gaya magnet “ keluar “ lihat Gambar 4.a, dan sebaliknya bila arah

arus masuk dari “B” keluar dari “ A”, posisi kutub magnet “ N “ dibawah dan kutub “ S”

diatas, arah garis gaya medan masuk masuk kedalam. Dengan mengatur

Figure 4 - The poles of an electro-magnetic coil change when the direction of current flow

changes

Catatan :

Kutub Utara ( N) Selatan ( S)

4

Dari kutub utara ( N ) meneuju kutub selatan ( S )

Dengan mengatur arah arus ini, maka kita dapat mengatur arah pergerakan motor menjadi 2

arah yaitu : searah pergerakan jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.

Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi

energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa,

fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik digunakan

juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut

“kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70%

beban listrik total di industri.

Prinsip kerja motor DC

Motor listrik arus searah adalah peralatan listrik yang berfungsi mengubah energy

listrik menjadi energy mekanik. Sebagai masukan pada motor ini adalah energy listrik arus

searah. Motor DC merupakan kebalikan dari generator arus searah.

Prinsip kerja motor DC sama dengan generator Dc. Bila kumparan jangkar dialirkan

arus searah dan pada kumparan medan diberi penguat maka akan timbul gaya Lorentz pada

sisi kumparan jangkar tersebut.

Besarnya gaya Lorentz yang timbul adalah perkalian antara fluksi dan arus yang dirumuskan

sebagai berikut:

F = B I L

5

FIGURE 8–7 The right-hand rule for magnetic field direction is used with the conventional theory of electron flow.

Dimana:

F = gaya yang timbul

B = keraatan fluksi

I = arus yang mengalir pada kumparan jangkar

L = panjang sisi kumparan

Gambar konstruksi motor DC adalah sebagai berikut:

Gambar 5.1 Konstruksi sederhana motor DC

Bagian-bagian utama motor DC:

1. Medan stator : menghasilkan medan magnet stator. Dapat berupa kumparan atau

magnet permanen.

2. Kumparan jangkar : berfungsi menghasilkan gaya akibat adanya gaya gerak magnet.

3. Komutator : mengalirkan arus dari sumber kumaan rotor. Biasa disebut cincin belah.

Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah

menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang

tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi

putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan

(GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan

bolak-balik. Yang dinyatakan dengan persamaan :

e = Emaks sin wt

6

Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang

mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang

berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor

paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-

kutub magnet permanen.

Gambar 5. Motor D.C Sederhana

7

F̄=I L̄×B̄

Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator,

dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar 5

disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di

antara medan magnet.

Gambar Cara kerja motor DC

8

Prinsip Dasar Cara Kerja

Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah

medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.

9

Gambar 2. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor .

Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar

konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah

aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks. Gambar 6 menunjukkan

medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena bentuk U.

Gambar 6. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor.

Catatan :

Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada

konduktor tersebut.

Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.

Gambar 7. Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub.

10

Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan selatan

yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet kutub. Lihat

gambar 8.

Gambar 8. Reaksi garis fluks.

Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped

conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B.

Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan

menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke

atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam

akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di atas konduktor.

Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan yang kuat tersebut.

Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah jarum jam.

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum :

Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran / loop, maka

kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada

arah yang berlawanan.

Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar / torque untuk memutar kumparan.

11

Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga

putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan

elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Pada motor dc, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan

magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi

listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan

magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk

menyimpan energi, sekaligus sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi,

daerah tersebut dapat dilihat pada gambar 9 .

Gambar 9 Prinsip kerja motor dc

Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan

sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan

memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan

perputaran pada motor.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban

motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tenaga putar / torque sesuai dengan

kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok :

12

Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi

dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan

torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.

Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan

kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan

fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan).

Peralatan Energi Listrik : Motor Listrik.

Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah

dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan

adalah peralatan-peralatan mesin.

Prinsip Arah Putaran Motor

Untuk menentukan arah putaran motor digunakan kaedah Flamming tangan kiri.

Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutub utara ke

kutub selatan. Jika medan magnet memotong sebuah kawat penghantar yang dialiri arus

searah dengan empat jari, maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini disebut gaya

Lorentz, yang besarnya sama dengan F.

F = B.i.l

Dimana :

i = arus yang mengalir pada konduktor [Ampere]

B = kerapan dari garis gaya magnet (flux) yang dihasilkan oleh arus tersebut [webwer/m2]

l = panjang konduktur (kawat penghantar ) [m]

F = gaya gerak (putar)[Newton]

Prinsip motor : aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam pengaruh

medan magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar akan bertambah

besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.

Contoh soal :

Sebuah motor DC mempunyai kerapatan medan magnet 0,8 T. Di bawah pengaruh medan

magnet terdapat 400 kawat penghantar dengan arus 10A. Jika panjang penghantar

seluruhnya 150 mm, tentukan gaya yang ada pada armature.

13

Jawab :

F = B.I.ℓ.z = 0,8 (Vs/m2). 10A. 0,15 m.400

= 480 (Vs.A/m)

= 480 (Ws/m) = 480 N.

Electromotive Force (EMF) / Gaya Gerak Listrik

EMF induksi biasanya disebut EMF Counter. atau EMF kembali. EMF kembali artinya

adalah EMF tersebut ditimbulkan oleh angker dinamo yang yang melawan tegangan yang

diberikan padanya.

Teori dasarnya adalah jika sebuah konduktor listrik memotong garis medan magnet maka

timbul GGL pada konduktor.

14

Gambar 8. Konsep EMF kembali

EMF induksi terjadi pada motor listrik, generator serta rangkaian listrik dengan arah

berlawanan terhadap gaya yang menimbulkannya.

HF. Emil Lenz mencatat pada tahun 1834 bahwa “arus induksi selalu berlawanan arah

dengan gerakan atau perubahan yang menyebabkannya”. Hal ini disebut sebagai Hukum

Lenz.

Timbulnya EMF tergantung pada:

kekuatan garis fluks magnet

jumlah lilitan konduktor

sudut perpotongan fluks magnet dengan konduktor

kecepatan konduktor memotong garis fluks magnet

Tidak ada arus induksi yang terjadi jika angker dinamo diam.

JENIS-JENIS MOTOR DC

1. JENIS Penguat terpisah

Adalah apabila arus pada rotor dan arus pada stator didapat dari 2 sumber berbeda.

Rangkaiannya adalah sbb:

Gambar 5.2 Rangkaian motor DC penguat terpisah

15

Ganbar 5.3 Konstruksi motor DC penguat terpisah

Persamaan arus, tegangan, dan daya:

Im = EmRm

Ia = I.L

E = V-Ia.Ra-2E

Pm = V.IL

Pout = Pm-rugu besi dan gesekan

2. Motor DC penguat Seri

Motor seri memiliki susunan kumparan medan yang terhubung seri dengan armature.

Sehingga arus yang mengalir pada rotor bernilai cukup besar.

Rangkaian motor seri penguat seri sebagai berikut:

Gambar 5.4 Rangkaian motor DC penguat seri

16

Gambar 5.5 Knstruksi motor DC penguat seri

3 Motor DC penguat shunt

Adalah motor DC yang memiliki susunan kumaran medan yang parallel dengan

kumparan jangkar.

Pada motor DC ini, fluks yang dihasilkan pada stator cenderung konstan karena medan

shunt langsung terhubung ke sumber masukan.

Rangkain motor DC penguat shunt dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 5.6 Rangkaian mtor DC penguat shunt

Gmbar 5.7 Knstruksi motor DC penguat shunt

Persamaan arus dan tegangan:

I L = Ia+Ish Dimana: I L= arus masukan

17

Ish = V

Rsh Ish= arus medan shunt

E = V-Ia.Ra Ia = arus armature

Ra = hambatan rotor

Rsh = hambatan shunt

4 Motor DC penguat kompon pendek

Merupakan motor DC penguat sendiri yang medan statornya merupakan gabungan

antara kumparan seri dan kumparan parallel. Pada kompon pendek, arus masukan akan

terbagi 2 yaitu satu arus masuk ke medan start dan sebagian masuk ke medan seri.

Gambar motor DC kompon pendek adalah sbb:

Gambar 5.8 Rangkaian motor DC kompon pendek

Persamaan arus dan tegangan:

I L = Ia+Ish Dimana: I L= arus masukan

Ish = VabRsh Ish= arus medan shunt

E = Vab+I L . Rs Ia = arus armature

Rs = hambatan series

Vab = tegangan rotor

5 Motor DC penguat kompon panjang

Merupakan motor DC penguat sendiri dan medan stator merupakan gabungan

antara kumparan seri dan kumparan shunt. Pada motor DC kompon panjang nilai arus yang

masuk ke rotor sama dengan arus yang ada pada medan seri.

Rangkaian motor DC kompon panjang sbb:

18

Gambar 5.9 Rangkaian mtr DC kompon Panjang

Persamaan arus dan tegangan :

I L = Ia+Ish Dimana: I L= arus masukan

Ish = V

Rsh Ish= arus medan shunt

E = V+Ia(Ra+Rs) Ia = arus armature

Ra = hambatan rotor

Rsh = hambatan shunt

Rs = R series

Torsi ( T )

Torsi didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya medan rotor yang dapat

mempengaruhi beban untuk ikut bergerak. Trsi yang dibangkitkan motor DC merupakan

aksi dari fluks medan, arus armature (Ia) yang menghasilkan medan magnet di daerah

sekitar knduktr. Oleh karena itu, trsi dirumuskan:

T = k . Ф . Ia

Dimana : Ф = fluks medan

Ia = arus armature

K = konstanta

19

Gambar 5.11 karakteristik momen motor DC

Karakteristik putaran MOTOR DC

Karakteristik putaran dieroleh berdasarkan persamaan yaitu:

n = V−IaRa

cФIa

Sehingga variable pada setiap nilai bila Ia naik, maka fluksi akan turun karena

adanya reaksi jangkar. Pada motor penguat terpisah fluksi tetap tidak dipengaruhi reaksi

jangkar, maka putarannya juga hampir tetap. Demikian juga ada enguat shunt, karena

tahanan jangkar pada Ra sangat kecil, maka putarannya juga hampir tetap. Sedangkan pada

penguat seri, karena fluksi sebanding dengan arus jangkar maka pada waktu tidak ada aliran

arus jangkar berarti tidak ada fluksi. Hal ini berakibat utaran tak berhingga. Oleh karena itu,

sebelum dijalankan motor penguat seri harus sudah ada beban. Perlu diingat bahwa dengan

meningkatnya arus jangkar Ia menyebabkan reaksi jangkar juga ikut besar dan rugi-rugi

tegangan pada jangkar semakin besar pula.

20

Reaksi jangkar bisa melemahkan medan tapi dibagian lain juga dapat menguatkan.

Oleh karena itu, perubahan tegangan terminal pada kumparan jangkar dipengaruhi selain Io,

Ra juga oleh besar dan sifat reaksi jangkar terhadap medan utama.

Selain itu, adanya sifat kejenuhan permeabilitas bahan ferrmagnetis yang dipakai

pada mesin yaitu meskipun arus medan diperbesar berapapun, fluksi tidak akan bertambah

(sudah mencapai titik jenuh).

Karakteristk putaran dari berbagai macam jenis penguat yang berbeda digambarkan pada

grafik sbb:

Gambar 5.10 Karakteristik putaran motor DC

Kecepatan Putar motor pada Armature

Berdasarkana persamaan di bawah ini :

Jika flux Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan armature voltage

(Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau turun sesuai dengan

perbandingannya.

21

Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa Es dapat divariasikan dengan menghubungkan

motor armature M ke excited variable – voltage dc generator G yang berbeda. Field

excitation dari motor tetap dijaga tetap kosntan, tetapi generator Ix bisa divariasikan dari nol

sampai maksimum dan bahkan sebaliknya. Oleh sebab itu generator output voltage Es bisa

divariasikan dari nol sampai maksimum, baik dalam polaritas positif maupun negatif. Oleh

karena itu, kecepatan motor dapat divariasikan dari nol sampai maksimum dalam dua arah.

Metode speed control ini, dikenal sebagai sistem Ward-Leonard, ditemukan di pabrik baja

(steel mills), lift bertingkat, pertambangan, dan pabrik kertas.

Dalam instalasi modern, generator sering digantikan dengan high-power electronic

converter yang mengubah ac power dari listrik ke dc.

Ward-Leonard sistem lebih dari sekadar cara sederhana dengan menerapkan suatu

variabel dc ke armature dari motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa motor utnuk

mengembangkan torsi dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban. Contohnya, misalkan Es

disesuaikan dengan sedikit lebih tinggi daripada Eo dari motor. Arus akan mengalir dengan

arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor mengembangkan torsi yang positif. Armature

dari motor menyerap power karena I mengalir ke terminal positif.

Sekarang, misalkan kita megurangi Es dengan mengurangi excitation ΦG. Segera

setelah Es menjadi kurang dari Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi motor berbalik dan

armature dari motor menghantarkan daya ke generator G. Akibatnya, motor dc mendadak

menjadi generator dan generator G mendadak menjadi motor. Maka, dengan mengurangi Es,

motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat.

Apa yang terjadi kepada power dc yg diterima oleh generator? Saat generator

menerima daya listrik, generator beroperasi sebagai motor, mengendalikan motor ac nya

sendiri sebagai asynchrounous generator. Hasilnya, ac power memberikan kembali ke

22

rangkaian yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya daya bisa diperoleh kembali,

cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat efisien.

Contoh soal :

Calculate

a. Torsi motor dan kecepatan saat

Es = 400 V dan Eo = 380 V

b. Torsi motor dan kecepatan saat

Es = 350 V dan Eo = 380 V

Solution

a. Arus armature adalah

I = (Es – Eo)/R = (400-380)/0.01

= 2000 A

Daya ke motor armature adalah

P = EoI = 380 x 2000 = 760kW

Kecepatan motor adalah

n = (380 V / 500 V) x 300 = 228r/min

Torsi motor adalah

T = 9.55 P/n

= (9.55 x 760 000)/228

= 47.8 kN.m

b. Karena Eo = 380 V, kecepatan motor masih 228 r/min. Arus armature adalah

I = (Es-Eo)/R = (350-380)/0.01

= -3000A

Arusnya negatif dan mengalir berbalik; akibatnya, torsi motor juga berbalik. Daya

dikembalikan ke generator dan hambatan 10 mΩ :

P = EoI = 380 x 3000 = 1140kW

Braking torque yang dikembangkan oleh motor :

23

T = 9.55 P/n

= (9.55 X 1 140 000)/228

= 47.8 kN.m

Kecepatan dari motor dan dihubungkan ke beban mekanis akan cepat jatuh dibawah

pengaruh electromechanical braking torque.

Cara lain untuk mengontrol kecepatan dari motor dc adalah menempatkan rheostat

yang di-seri-kan dengan armature (gambar di atas). Arus dalam rheostat menghasilkan

voltage drop jika dikurangi dari fixed source voltage Es, menghasilkan tegangan suplai yang

lebih kecil dari armature. Metode ini memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan

dibawah kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena

banyak daya dan pasa yang terbuang dalam rheostat, dan efisiensi keseluruhannya rendah.

Di samping itu, pengaturan kecepatan lemah, bahkan untuk rheostat yg diatur fixed.

Akibatnya, IR drop sedangkan rheostat meningkat sebagaimana arus armature meningkat.

Hal ini menghasilkan penurunan kecepatan yang besar dengan naiknya beban mekanis.

Mengatur Kecepatan dengan Field

Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat memvariasikan kecepatan motor dc dengan

memvariasikan field flux Φ. Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agar numerator

pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor sekarang berubah

24

perbandingannnya ke flux Φ; jika kita menaikkan fluxnya, kecepatan akan jatuh, dan

sebaliknya.

Metode dari speed control ini seringkali digunakan saat motor harus dijalankan

diatas kecepatan rata-ratanya, disebut base speed. Untuk mengatur flux ( dan kecepatannya),

kita menghubungkan rheostat Rf secara seri dengan fieldnya.

Untuk mengerti metode speed control, pada gambar di atas awalnya berjalan pada

kecepatan konstan. Counter-emf Eo sedikit lebih rendah dari tegangan suplai armature Es,

karena penurunan IR armature. Jika tiba-tiba hambatan dari rheostat ditingkatkan, baik

exciting current Ix dan flux Φ akan berkurang. Hal ini segera mengurangi cemf Eo,

menyebabkan arus armature I melonjak ke nilai yang lebih tinggi. Arus berubah secara

dramatis karena nilainya tergantung pada perbedaam yang sangat kecil antara Es dan Eo.

Meskipun fieldnya lemah, motor mengembangkan torsi yang lebih besar dari sebelumnya.

Itu akan mempercepat sampai Eo hampir sama dengan Es.

Untuk lebih jelasnya, untuk mengembangkan Eo yang sama dengan fluks yang lebih

lemah, motor harus berputar lebih cepat. Oleh karena itu kita dapat meningkatkan kecepatan

motor di atas nilai nominal dengan memperkenalkan hambatan di dalam seri dengan field.

Untuk shunt-wound motors, metode dari speed control memungkinkan high-speed/base-

speed rasio setinggi 3 : 1. Range broader speed cenderung menghasilkan ketidakstabilan dan

miskin pergantian.

Di bawah kondisi-kondisi abnormal tertentu, flux mungkin akan drop ke nilai rendah

yang berbahaya. Sebagai contoh, jika arus exciting dari motor shunt sengaja diputus, satu-

satunya flux yang tersisa adalah remanent magnetism (residual magnetism) di kutub. Flux

ini terlalu kecil bagi motor untuk berputar pada kecepatan tinggi yang berbahaya untuk

25

menginduksi cemf yang diharuskan. Perangkat keamanan diperkenalkan untuk mencegah

kondisi seperti pelarian.

Shunt motor under load

Mempertimbangkan sebuah motor dc berjalan tanpa beban. Jika beban mekanis tiba-

tiba diterapkan pada poros, arus yang kecil tanpa beban tidak menghasilkan torsi untuk

membawa beban dan motor mulai perlahan turun. Ini menyebabkan cemf berkurang,

menghasilkan arus yang lebih tinggi dan torsi lebih tinggi. Saat torsi dikembangkan oleh

motor adalah sama dengan torsi yang dikenakan beban mekanik, kemudian, kecepatan akan

tetap konstan. Untuk menyimpulkan, dengan meningkatnya beban mekanis, arus armature

akan naik dan kecepatan akan turun.

Kecepatan motor shunt akan tetap relatif konstan dari tidak ada beban ke beban

penuh. Pada motor yang kecil, itu hanya turun sebesar 10-15 persen saat beban penuh

ditambahkan. Pada mesin yang besar, dropnya bahkan berkurang, sebagian ke hambatan

armature yang paling rendah. Dengan menyesuaikan field rheostat, kecepatan harus dijaga

agar benar-benar konstan sesuai dengan perubahan beban.

Series motor

Motor seri identik dalam kosntruksi untuk motor shunt kecuali untuk field. Field

dihubungkan secara seri dengan armature, oleh karena itu, membawa arus armature

seluruhnya. Field seri ini terdiri dari beberapa putaran kawat yang mempunyai penampang

cukup besar untuk membawa arus.

Meskipun kosntruksi serupa, properti dari motor seri benar-benar berbeda dari motor

shunt/ Dalam notor shunt, flux Φ per pole adalah konstan pada semua muatan karena field

shunt dihubungkan ke rangkaian. Tetapi motor seri, flux per pole tergantung dari arus

armature dan beban. Saat arusnya besar, fluxnya besar dan sebaliknya. Meskipun berbeda,

prinsip dasarnya dan perhitungannya tetap sama.

Pada motor yang mempunyai hubungan seri jumlah arus yang melewati angker

dinamo sama besar dengan yang melewati kumparan. Lihat gambar 9. Jika beban naik motor

berputar makin pelan. Jika kecepatan motor berkurang maka medan magnet yang terpotong

juga makin kecil, sehingga terjadi penurunan EMF. kembali dan peningkatan arus catu daya

pada kumparan dan angker dinamo selama ada beban. Arus lebih ini mengakibatkan

peningkatan torsi yang sangat besar.

26

Catatan :

Contoh keadaan adalah pada motor starter yang mengalami poling ( angker dinamo

menyentuh kutub karena kurang lurus atau ring yang aus). Arus yang tinggi akan

mengalir melalui kumparan dan anker dinamo karena kecepatan angker dinamo

menurun dan menyebabkan turunnya EMF kembali.

kkkkk

Gambar 9. Motor dengan kumparan seri.

EMF kembali (back EMF) mencapai maksimum jika kecepatan angker dinamo maksimum.

Arus yang disedot dari catu daya menurun saat motor makin cepat, karena EMF kembali

yang terjadi melawan arus catu daya.

EMF kembali tidak bisa sama besar dengan arus EMF. yang diberikan pada motor d.c.,

sehingga akan mengalir searah dengan EMF yang diberikan.

Karena ada dua EMF. yang saling berlawanan EMF kembali menghapuskan EMF. yang

diberikan, maka arus yang mengalir pada angker dinamo menjadi jauh lebih kecil jika ada

EMF kembali.

Karena EMF kembali melawan tegangan yang diberikan maka resistansi angker dinamo

akan tetap kecil sementara arus angker dinamo dibatasi pada nilai yang aman.

27

Pengereman Regeneratif

Bagan rangkaian di bawah ini menjelaskan mengenai rangkaian pemenggal yang bekerja

sebagai pengerem regeneratif. Vo hádala gaya gerak listrik yang dibangkitkan oleh mesin

arus searah, sedangkan Vt hádala tegangan sumber bagi motor sekaligus merupakan batería

yang diisi. Ra dan La masing-masing hádala hambatan dan induktansi jangkar.

Gambar Bagan Pengereman Regeneratif

Prinsip kerja rangkaian ini hádala sebagai berikut :

Ketika saklar pemenggal dihidupkan, maka arus mengalir dari jangkar, melewati skalar dan

kembali ke jangkar. Ketika sakalar pemenggal dimatikan, maka energi yang tersimpan pada

induktor jangkar akan mengalir melewati dioda, baterai dengan tegangan Vt dan kembali ke

jangkar. Analogi rangkaian sistem pengereman regeneratif dari gambar di atas dapat dibagi

menjadi dua mode. Mode-1 ketika saklar on dan mode ke-2 ketika saklar off seperti

ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar Rangkaian ekivalen untuk a) saklar on; b). Saklar off.

dengan :

28

Vo = gaya gerak listrik

La = induktansi jangkar

Ra = resistansi jangkar

Vt = tegangan batería

i1 = kuat arus jangkar ketika pemenggal on (arus tidak melewati baterai)

i2 = kuat arus jangkar ketika pemenggal off ( arus melewati baterai)

Sedangkan Gambar di bawah ini menunjukkan arus jangkar yang kontinyu dan yang tidak

kontinyu.

Gambar Arus Jangkar. a). Arus Kontinyu; b). Arus Terputus

dengan:

I1o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai on

I2o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai off

ton = lama waktu pemenggal on

toff = lama waktu pemenggal off

td = lama waktu dimana i2 tidak nol

Tp = perioda pemenggal, Tp = ton + toff

Karakteristik motor kompon

Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon,

gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan

dynamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6. Sehingga, motor kompon memiliki

29

torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase

penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin

tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini.

Gambar Karakteristik Motor Kompon DC

Pengereman pada motor

Pengereman secara elektrik dapat dilaksanakan dengan dua cara yaitu secara:

– Dinamis

– Plugging

Pengereman secara Dinamis

Pengereman yang dilakukan dengan melepaskan jangkar yang berputar dari

sumber tegangan dan memasangkan tahanan pada terminal jangkar. Oleh karena itu kita

dapat berbicara tentang waktu mekanis T konstan dalam banyak cara yang sama kita

berbicara tentang konstanta waktu listrik sebuah kapasitor yang dibuang ke dalam

sebuah resistor. Pada dasarnya, T adalah waktu yang diperlukan untuk kecepatan motor

jatuh ke 36,8 persen dari nilai awalnya. Namun, jauh lebih mudah untuk menggambar

kurva kecepatan-waktu dengan mendefinisikan konstanta waktu baru T o yang

30

merupakan waktu untuk kecepatan dapat berkurang menjadi 50 persen dari nilai

aslinya. Ada hubungan matematis langsung antara konvensional konstanta waktu T dan

setengah konstanta waktu T O Buku ini diberikan oleh

T o = 0,693 T

Kita dapat membuktikan bahwa waktu mekanis ini konstan diberikan oleh

di mana

T o = time for the motor speed to fall to one-half its previous value [s] T o = waktu

untuk kecepatan motor jatuh ke satu-setengah dari nilai sebelumnya [s]

J = moment of inertia of the rotating parts, referred to the motor shaft [kg×m] J =

momen inersia dari bagian yang berputar, yang disebut poros motor [kg × m]

n 1 = initial speed of the motor when braking starts [r/min] n 1 = awal laju pengereman

motor saat mulai [r / min]

P 1 = initial power delivered by the motor to the braking resistor [W] P 1 = awal

daya yang dikirim oleh motor ke pengereman resistor [W]

131.5 = a constant [exact value = (30/p) 2 log e 2] 131,5 = konstan [exact value =

(30 / p) 2 log e 2]

0.693 = a constant [exact value = log e 2] 0,693 = konstan [exact value = log e 2]

Persamaan ini didasarkan pada asumsi bahwa efek pengereman sepenuhnya karena

energi pengereman didisipasi di resistor. In general, the motor is subjected to an extra

braking torque due to windage and friction, and so the braking time will be less than

that given by Eq. Secara umum, motor dikenakan tambahan akibat torsi pengereman

windage dan gesekan, sehingga waktu pengereman akan lebih kecil dari yang diberikan

oleh Persamaan. 5.9. 5.9.

Pengereman secara Plugging

31

Kita bisa menghentikan motor bahkan lebih cepat dengan menggunakan metode yang

disebut plugging. Ini terdiri dari tiba-tiba membalikkan arus angker dengan membalik

terminal sumber (Gambar 5.19a).

Gambar 5.18 Kecepatan kurva terhadap waktu untuk berbagai metode pengereman.

Di bawah kondisi motor normal, angker arus / 1 diberikan oleh

I 1 = (E s - E o) IR

di mana R o adalah resistansi armature. Jika kita tiba-tiba membalik terminal sumber

tegangan netto yang bekerja pada sirkuit angker menjadi (E o + E s). Yang disebut

counter-ggl E o dari angker tidak lagi bertentangan dengan apa-apa tetapi sebenarnya

menambah tegangan suplai E s. Bersih ini tegangan akan menghasilkan arus balik yang

sangat besar, mungkin 50 kali lebih besar daripada beban penuh arus armature. Arus ini

akan memulai suatu busur sekitar komutator, menghancurkan segmen, kuas, dan

mendukung, bahkan sebelum baris pemutus sirkuit bisa terbuka.

32

Gambar A Amature terhubung ke sumber dc E s.

Figure 5.19b Plugging. Gambar B Menghubungkan.

Untuk mencegah suatu hal yang tidak diinginkan, kita harus membatasi arus balik

dengan memperkenalkan sebuah resistor R dalam seri dengan rangkaian pembalikan

(Gambar 5.19b). As in dynamic braking, the resistor is designed to limit the initial

braking current I 2 to about twice full-load current. Seperti dalam pengereman dinamis,

resistor dirancang untuk membatasi pengereman awal arus I 2 sampai sekitar dua kali arus

beban penuh. With this plugging circuit, a reverse torque is developed even when the

armature has come to a stop.

Dengan memasukkan rangkaian, torsi reverse dikembangkan bahkan ketika angker

telah datang berhenti. In effect, at zero speed, E o = 0, but I 2 = E s /R, which is about

one-half its initial value. Akibatnya, pada kecepatan nol, E o = 0, tapi aku 2 = E s / R,

yaitu sekitar satu setengah nilai awalnya. As soon as the motor stops, we must

immediately open the armature circuit, otherwise it will begin to run in reverse. Begitu

33

motor berhenti, kita harus segera membuka sirkuit angker, selain itu akan mulai

berjalan secara terbalik. Circuit interruption is usually controlled by an automatic null-

speed device mounted on the motor shaft. Sirkuit gangguan biasanya dikontrol oleh

sebuah null-kecepatan otomatis perangkat terpasang pada poros motor.

The curves of Fig. Lekuk Gambar. 5.18 enable us to compare plugging and dynamic

braking for the same initial braking current. 5,18 memungkinkan kita untuk

membandingkan pengereman plugging dan dinamis untuk pengereman awal yang sama

saat ini. Note that plugging stops the motor completely after an interval 2 T o .

Perhatikan bahwa memasukkan motor benar-benar berhenti setelah selang waktu 2 T o.

On the other hand, if dynamic braking is used, the speed is still 25 percent of its original

value at this time. Di sisi lain, jika pengereman dinamis digunakan, kecepatan masih 25

persen dari nilai aslinya pada saat ini. Nevertheless, the comparative simplicity of

dynamic braking renders it more popular in most applications. Meskipun demikian,

kesederhanaan komparatif pengereman dinamis menjadikan lebih populer di sebagian

besar aplikasi.

Reaksi Jangkar

Terjadinya gaya torsi pada jangkar disebabkan oleh hasil interaksi dua garis medan magnet.

Kutub magnet menghasilkan garis medan magnet dari utara-selatan melewati jangkar.

Interaksi kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang dihasilkan jangkar

mengakibarkan jangkar mendapatkan gaya torsi putar berlawanan arah jarus jam. Karena

medan utama dan medan jangkar terjadi bersama sama hal ini akan menyebabkan perubahan

arah medan utama dan akan mempengaruhi berpindahnya garis netral yang mengakibatkan

kecenderungan timbul bunga api pada saat komutasi.

Untuk itu biasanya pada motor DC dilengkapi dengan kutub bantu yang terlihat seperti

gambar dibawah ini

34

Gambar kutub bantu (interpole) pada motor DC

Kutub bantu ini terletak tepat pada pertengahan antara kutub utara dan kutub selatan dan

berada pada garis tengah teoritis. Lilitan penguat kutub ini dihubungkan seri dengan lilitan

jangkar, hal ini disebabkan medan lintang tergantung pada arus jangkarnya. Untuk

mengatasi reaksi jangkar pada mesin – mesin yang besar dilengkapi dengan lilitan

kompensasi. Lilitan kompensasi itu dipasang pada alur – alur yang dibuat pada sepatu kutub

dari kutub utama. Lilitan ini sepertijuga halnya dengan lilitan kutub bantu dihubungkan seri

dengan lilitan jangkar. Arah arusnya berlawanan dengan arah arus kawat jangkar yang

berada dibawahnya.

35

Contoh soal:

1. Jangkar sebuah motor DC tegangan 230 volt dengan tahanan 0.312 ohm dan

mengambil arus 48 A ketika dioperasikan pada beban normal.

a. Hitunglah GGL lawan (Ea) dan daya yang timbul pada jangkar.

b. Jika tahanan jangkar 0.417 ohm, keadaan yang lain sama. Berapa GGL lawan

(Ea) dan daya yang timbul pada jangkar. Penurunan tegangan pada sikat-

sikat sebesar 2 volt untuk soal a dan b.

Jawaban:

a. Ea = V – Ia Ra – 2∆E

= (230 – 2 ) – (48 x 0.312) = 213 volt

Daya yang dibangkitkan pada jangkar

Pa= Ea Ia

= 213 x 48

= 10.224 watt

b. Ea = V – Ia Ra – 2∆E

= (230 – 2) – (48 x 0.417) = 208 volt

Daya yang dibangkitkan pada jangkar

= Ea Ia

= 208 x 48

= 9984 watt

2. Sebuah mesin DC dalam sambungan shunt mempunyai tegangan terminal 220 volt

dan hambatan armature ( Ra) 0,5 ohm. Arus armature pada beban penuh sebesar 20

Amper. Tentukan

a) Gambarkan rangkaian ekivalen mesin sebgai generator dan hitung besar GGL

armature ( Ea )

b) Gambar rangkaian ekivalen sebagai generator danthitung besar GGL ( Ea)

36

Penguatan Terpisah, pada rangkaian Ra mendekati 0.Ra mendekati nol

Vt

Jawab a).Sebagai Generator

Rangkaian ekivalen sebagai generator ( Arus IL keluar )

Ea = Ia.Ra + Vt [ rumus plus ]

= ( 20 x0.5 ) + 220 V

= 230 V

Jawab b). Sebagai Motor ( Arus IL arahnya kedalam )

Ea = Vt – Ia.Ra [ rumusnya minus ]

= 220 V – ( 20 x 0.5 )

= 210 V

37

Ia

Ra=0.5 ohm

Ra

Vt=220 V

Ra

ArusIL = Ia + Ish

3. DC shunt mempunyai hambatan armature 0,8 ohm, hambatan shunt 200 ohm. Jika tegangan terminal ( Vt) 440 V, daya output 7,46 K Watt pada effisiensi ekonomis 85 %, tegangan jatuh pada sikat diabaikan. Hitung tegangan armature ( Ea ).Jawab :- Gambar rangkaian pengganti untuk motor DC shunt--

- NIlai ekonomi ( effeisiensi ) η = Po

Pi

85 % = 0,85 = 7460Watt

P¿; jadi P¿=8776 ,46 watt

Rumus tegangan armature ( jangkar ) : Ea = Vt - Ia.Ra

Vt = 440 V Ra = 0,8 ohm Ia ? ( cari arus Ia )Persamaan Arus untuk motor : IL = Ish + Ia

Ia = IL – Ish -- Hitung dulu IL dan Ish

Gunakan rumus : Hitung IL : Pin = Vt. IL -- IL = ( Pin ) / Vt

38

0,8Ω

0,8ΩVt=440V

ArusIL=Ish + Is

= Ish + Ia

IL = 8776,46

440=19,95 A

Hitung Ish ; Vt = Ish x Rsh

Ish = ( Vt ) / Rsh

= 440 V

200 ohm=2,2 A

Jadi : Ia = IL – Ish = 19,95 A – 2,2 A = 17,75 A

Tegangan armature: Ea = Vt - Ia.Ra = 440 – ( 17,75 x 0.8 ) = 425,8 V

4. Motor Shunt DC 500 volt, 37,3 Kwatt, 1000 rpm. Mempunyai efisiensi ekonomi sebesar 90 % pada beban penuh. Hambatan armature 0,24 ohm, arus pada kumparan medan 1,8 Ampere.a) Gambarkan rangkaian ekivalenb) Arus jala-jala beban penuhc) Besar koper ( Torsi )

Jawab :Rangkaian ekivaelen motor DC shunt

Effisiensi : η=Po

P¿

39

Ia

Ra=0,24

1,8 A

Vt=500V

p¿=Po

η

¿37300 watt

0.9=41444 watt

Arus jala-jala ( IL ) Daya input = Pin = Vt IL

I L=P ¿

V t=41444

500 = 82,9 Ampere

c) Besar kopel ( Torsi ) Rumus kopel ( Torsi poros ) adalah :

T=9,55 PoN

¿9,55 373001000

=356 Nm

40

5. Motor DC dalam sambungan series mempunyai data sebagai berikut : Tegangan

nominal 250 V, mempunyai 4 kutub, kumparan armature dalam belitan simplex

wave winding, jumlah konduktor pada seluruh slot 782 buah. Besar hambatan

armature dan kumparan medan masing-masing adalah 0.75 ohm. Dalam keadaan

bekerja motor menarik arus sumber sebesar 40 A.Tentukan :

a). Gambarkan rangkaian ekivalennya

b) Hitung kecepatan putar rotor ( N) , jika flux perkutub 25 mWb

c) Kopel armature ( T )

Jawab

A). Rangkaian ekivalen

b) Kecepatan putar ( N)

GGL induksi : Ea=ϕP N Z

60 a ( dari konstruksi )

= Vt – Ia Ra _ Ia Rar. ( dari rangkain ekivalen )

Dari persamaan 1 dan 2 : Ea

(25 x10−3 ) x 4 x N x78260 x2

= 250 – (40 x0.75) – ( 40x0.75) V

Jadi kecepatan putar: N = 291,56 rpm ( rotate per minute )

c) Kopel armature

T = 0,955 Ea I a

N=9,55{¿¿

41

0.75Ω0.75Ω 250 V

Atau menggunakan rumus :

T = 0,159 ϕ Z I a P

a

= 0,159 x25 x 10−3¿

x782 x 40 x 4

2 =249 Nm¿

Daftar Pustaka:

Yon Riyanto, Dasar Tenaga Listrik, Andi Ofset 1977.

Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia, 1988

Sumanto, Mesin Arus Searah. Jogjakarta: Penerbit ANDI OFFSET, 1994

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

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

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

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

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

www.energyefficiencyasia.org

http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/49#toc3 (national instrument)

42