18

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Umum

Motor arus searah (motor DC) adalah mesin yang mengubah energi listrik

arus searah menjadi energi mekanis. 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 digunakan 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

magnetik. Dimana kumparan medan akan menghasilkan fluksi magnet yang

arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan dan kumparan jangkar akan

menghasilkan fluksi magnet yang melingkar. Interaksi antara kedua fluksi magnet

ini menimbulkan suatu gaya sehingga akan menimbulkan momen puntir atau

torsi.

19

2.2 Konstruksi Motor Arus Searah

Gambar di bawah ini merupakan konstruksi motor arus searah.

Gambar 2.1 Konstruksi Motor Arus Searah

Gambar 2.2 Konstruksi motor arus searah bagian stator

Gambar 2.3 Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Rotor

20

Keterangan dari gambar di atas adalah:

1. Badan motor (rangka)

Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin

listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu:

a. Merupakan sarana pendukung mekanik untuk mesin secara

keseluruhan.

b. Untuk membawa fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub

magnet.

Untuk mesin kecil, pertimbangan harga lebih dominan dari pada beratnya,

biasanya rangkanya terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin

besar umumnya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau lembaran baja (rolled

steel). Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti,

selain itu rangka ini juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi, disamping

kuat secara mekanik.

Biasanya pada motor terdapat papan nama (name plate) yang bertuliskan

spesifikasi umum atau data-data teknik dari mesin, juga terdapat kotak ujung yang

merupakan tempat-tempat ujung-ujung belitan penguat medan dan lilitan jangkar.

2. Kutub

Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub yang

berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Adapun fungsi

dari sepatu kutub adalah :

21

a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan

b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh

jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung.

3. Inti jangkar

Inti jangkar yang umum digunakan dalam motor arus searah adalah

berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat

melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar

yang terbuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar komponen-

komponen (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar,

supaya ggl induksi dapat bertambah besar. Seperti halnya inti kutub magnet maka

jangkar dibuat dari bahan berlapis- lapis tipis untuk mengurangi panas yang

terbentuk karena adanya arus linier ditunjukkan pada gambar 2.4

Gambar 2.4 Inti Jangkar yang Berlapis-Lapis

Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silikon.

Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara

berlapis.

22

4. Kumparan jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat

dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang

kumparan medannya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor

DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap

kumparan jangkar.

5. Kumparan medan

Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti

kutub. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama

dibentuk dari kumparan pada setiap kutub. Pada aplikasinya rangkaian medan

dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik seri maupun paralel dan juga

dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber tegangan sesuai dengan jenis

penguatan pada motor.

6. 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. Di mana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen

komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya.

7. Sikat-Sikat

Sikat-sikat ini (gambar 2.5) berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus ke

kumparan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen

23

komutator untuk menyalurkan arus listrik. Besarnya tekanan pegas dapat diatur

sesuai dengan keinginan.

Gambar 2.5 Sikat-Sikat

Disamping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya

komutasi. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk

mengurangi rugi-rugi listrik. Agar gesekan antar komutator-komutator dan sikat

tidak mengakibatkan ausnya komutator. Maka sikat harus lebih lunak dari pada

komutator.

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.

2.3 Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Sebuah konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet

disekelilingnya. Pada saat konduktor yang dialiri arus listrik yang ditempatkan

24

pada suatu medan magnet maka konduktor akan mengalami gaya mekanik, separti

diperlihatkan pada gambar:

(a) (b) (c)

Gambar 2.6 Pengaruh Penempatan Konduktor Berarus Dalam Medan Magnet

Pada gambar 2.6(a) menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus

listrik menghasilkan medan magnet disekelilingnya. Arah medan magnet yang

dihasilkan oleh konduktor dapat diperoleh dengan menggunakan kaidah tangan

kanan.

Kuat medan tergantung pada besarnya arus yang mengalir pada konduktor.

Sedangkan gambar 2.6(b) menunjukkan sebuah medan magnet yang arah medan

magnetnya adalah dari kutub utara menuju kutub selatan.

Pada saat konduktor dengan arah arus menjauhi pembaca ditempatkan

didalam medan magnet seragam, maka medan gabungannya akan seperti yang

ditunjukkan pada gambar 2.6(c) daerah di atas konduktor, medan yang

ditimbulkan konduktor adalah dari kiri ke kanan, atau pada arah yang sama

dengan medan utama. Hasilnya adalah memperkuat medan atau menambah

kerapatan fluksi di atas konduktor dan melemahkan medan atau mengurangi

kerapatan fluksi di bawah konduktor.

25

Dalam keadaan ini, fluksi di daerah di atas konduktor yang kerapatannya

bertambah akan mengusahakan gaya ke bawah kepada konduktor, untuk

mengurangi kerapatannya. Hal ini menyebabkan konduktor mengalami gaya

berupa dorongan ke arah bawah. Begitu juga halnya jika arah arus dalam

konduktor dibalik. Kerapatan fluksi yang berada di bawah konduktor akan

bertambah sedangkan kerapatan fluksi di atas konduktor berkurang. Sehingga

konduktor akan mendapatkan gaya tolak ke arah atas. Konduktor yang

mengalirkan arus dalam medan magnet cenderung bergerak tegak lurus terhadap

medan.

Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar

berikut ini.

Gambar 2.7 Prinsip Perputaran Motor DC

Pada saat kumparan medan dihubungkan dengan sumber tegangan,

mengalir arus medan 𝐼𝑓 pada kumparan medan karena rangkaian tertutup sehingga

menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutup utara menuju kutup selatan.

Selanjutnya ketika kumparan jangkar dihubungkan kesumber tegangan, pada

26

kumparan jangkar mengalir arus jangkar 𝐼𝑎. Arus yang mengalir pada konduktor-

konduktor kumparan jangkar menimbulkan fluksi magnet yang melingkar. Fluksi

jangkar ini memotong fluksi dari kutub medan, sehingga menyebabkan perubahan

kerapatan fluksi dari medan utama. Hal ini menyebabkan jangkar mengalami gaya

sehingga menimbulkan torsi.

Gaya yang dihasilkan pada setiap konduktor dari sebuah jangkar,

merupakan akibat aksi gabungan medan utama dan medan disekeliling konduktor.

Gaya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besar fluksi medan utama dan kuat

medan di sekeliling konduktor. Medan di sekeliling masing-masing konduktor

jangkar tergantung pada besarnya arus jangkar yang mengalir pada konduktor

tersebut. Arah gaya ini dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri.

Gambar 2.8 Aturan Tangan Kiri untuk Prinsip Kerja Motor DC

Besarnya gaya F = B . I . l . sinθ, karena arus jangkar (I) tegak lurus

dengan arah induksi magnetik (B) maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus

yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan

magnet adalah :

F=B .I . l Newton……………………...………………………(2.1)

27

Dimana :

F = Gaya lorenz (Newton)

I =

B = Kerapatan fluksi (Weber/m

Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)

2

l = Panjang konduktor jangkar (m)........

)

Sedangkan torsi yang dihasilkan motor dapat ditentukan dengan:

T=F.r…………………………………………………………...(2.2)

Bila torsi yang dihasilkan motor lebih besar dari pada torsi beban maka

motor akan berputar. Besarnya torsi beban dapat dituliskan dengan:

𝑇 = 𝐾.∅. 𝐼𝑎…………………………..………………………...(2.3)

𝐾 = 𝑃.𝑍2𝜋𝑎

…………………………..…………………………(2.4)

Dimana : T = torsi (N-m)

r = jari-jari rotor (m)

K = konstanta (bergantung pada ukuran fisik motor)

∅ = fluksi setiap kutub

𝐼𝑎 = arus jangkar (A)

P = jumlah kutub

z = jumlah konduktor

a = cabang pararel

28

2.4 Gaya Gerak Listrik (GGL) Lawan Pada Motor Arus Searah

Ketika jangkar motor berputar konduktornya juga berputar dan memotong

fluksi utama. Sesuai dengan hukum faraday, akibat gerakan konduktor di dalam

suatu medan magnetik maka pada konduktor tersebut akan timbul GGL induksi

yang diinduksikan pada konduktor tersebut dimana arahnya berlawanan dengan

tegangan yang diberikan pada motor. Karena arahnya melawan, maka hal tersebut

disebut GGL lawan. Besarnya tegangan yang diinduksikan tersebut sesuai dengan

persamaan berikut:

𝐸𝑏 = 𝑃𝑎𝑍60

𝑛.∅ (𝑣𝑜𝑙𝑡) ........................................................................(2.5)

Persamaan tegangan secara umum dapat ditulis sebagai berikut:

𝐸𝑏 = 𝐾′.𝑛.∅...........................................................................................(2.6)

Dimana:

𝐾 ′ = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 = 𝑃.𝑍𝑎.60

...................................................................(2.7)

2.5 Jenis-Jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis

penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan

jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi :

2.5.1 Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber

tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan

disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus

searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

29

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas

Gambar 2.9 Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Persaman umum motor arus searah penguatan bebas

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎𝑅𝑎........................................................................ (2.8)

𝑉𝑓 = 𝐼𝑓 + 𝑅𝑓.............................................................................(2.9)

Dimana: 𝑉𝑡 = tegangan terminal jangkar motor arus searah (volt)

𝐼𝑎 = arus jangkar (Amp)

𝑅𝑎 = tahanan jangkar (ohm)

𝐼𝑓 = arus medan penguatan bebas (amp)

𝑅𝑓 = tahanan medan penguatan bebas (ohm)

𝑉𝑓 = tegangan terminal medan penguatan bebas (volt)

𝐸𝑎 = gaya gerak listrik motor arus searah (volt)

Umumnya jatuh tegangan pada sikat relatif kecil sehingga besarnya dapat

diabaikan. Dan untuk rumus selanjutnya Vsikat

ini diabaikan.

30

2.5.2 Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

Motor arus searah penguatan sendiri dibagi atas tiga yaitu:

2.5.2.1 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt

Gambar 2.10 Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Persamaan umum motor arus searah penguatan shunt

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎𝑅𝑎......................................................................................(2.10)

𝑉𝑠ℎ = 𝑉𝑡 = 𝐼𝑠ℎ.𝑅𝑠ℎ................................................................................(2.11)

𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ ...........................................................................................(2.12)

Dimana :

𝐼𝑠ℎ = arus kumparan medan shunt (ohm)

𝑉𝑠ℎ = tegangan terminal medan motor arus searah (volt)

𝑅𝑠ℎ = tahanan medan shunt (ohm)

𝐼𝐿 = arus beban (amp)

31

2.5.2.2 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri

Gambar 2.11 Motor Arus Searah Penguatan Seri

Persamaan umum motor arus searah penguatan seri:

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎(𝑅𝑎 + 𝑅𝑠)..........................................................(2.13)

𝐼𝑎 = �𝑉𝑡− 𝐸𝑎𝑅𝑎− 𝑅𝑠

� .......................................................................(2.14)

𝐼𝑎 = 𝐼𝐿 ..............................................................................(2.15)

Dimana:

𝐼𝐿 = arus beban (amp)

2.5.2.3 Motor Arus Searah Penguatan Kompond

Motor arus searah penguatan kompon terbagi atas dua, yaitu:

2.5.2.3.1 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond pendek

32

Gambar 2.12 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Pendek

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond pendek:

𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ.......................................................................................(2.16)

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝐿 .𝑅𝑠𝑟 + 𝐼𝑎.𝑅𝑎 ................................................................(2.17)

𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝑡 . 𝐼𝐿...........................................................................................(2.18)

Dimana:

𝐼𝐿 .𝑅𝑠𝑟 = tegangan jatuh pada kumparan seri

(𝐼𝐿)2.𝑅𝑠𝑟 = rugi daya pada kumparan seri

𝐼𝑎.𝑅𝑎 = tegangan jatuh pada kumparan armatur

(𝐼𝑎)2.𝑅𝑎 = rugi daya armatur

33

2.5.2.3.2 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompond panjang

Gambar 2.13 Motor Arus Searah Penguatan Kompond Panjang

Persamaan umum motor arus searah penguatan kompond panjang:

𝐼𝐿 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑠ℎ.......................................................................................(2.19)

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 + 𝐼𝑎. (𝑅𝑠𝑟 + 𝑅𝑎) ..................................................................(2.20)

𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝑡 . 𝐼𝐿...........................................................................................(2.21)

𝑉𝑡 = 𝑉𝑠ℎ.............................................................................................(2.22)

Dimana:

𝐼𝐿 .𝑅𝑠𝑟 = tegangan jatuh pada kumparan seri

(𝐼𝑎)2.𝑅𝑠𝑟 = rugi daya pada kumparan seri

(𝐼𝑎)2.𝑅𝑠ℎ = rugi daya pada kumparan shunt

(𝐼𝑎)2.𝑅𝑎 = rugi daya armatur

34

2.6 Komputasi ( Penyearahan )

Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah terdapat dua

masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin tersebut, yaitu:

- Reaksi jangkar

- Tegangan (L di/dt)

2.6.1 Reaksi Jangkar

Reaksi jangkar merupakan pengaruh medan magnet yang disebabkan oleh

mengalirnya arus pada jangkar, di mana jangkar tersebut berada di dalam medan

magnet. Reaksi jangkar menyebabkan terjadinya 2 hal, yaitu :

1. Demagnetisasi atau penurunan kerapatan fluksi medan utama.

2. Magnetisasi silang.

Apabila kumparan medan dialiri oleh arus tetapi kumparan jangkar tidak

dialiri oleh arus, maka dengan mengabaikan pengaruh celah udara, jalur fluksi

ideal untuk kutub utama dari motor arus searah dua kutub, berasal dari kutub

utara menuju kutub selatan seperti pada gambar 2.14 berikut ini :

Gambar 2.14 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Medan

U S

O M

Bidang Netral Magnetis

Sikat

F

35

Dari gambar 2.14 dapat dijelaskan bahwa :

Fluksi didistribusikan simetris terhadap bidang netral magnetis.

Sikat ditempatkan bertepatan dengan bidang netral magnetis.

Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam motor di

mana konduktor bergerak sejajar dengan garis gaya magnet sehingga gaya gerak

listrik induksi konduktor pada bidang tersebut adalah nol. Seperti yang terlihat

dari gambar 3.1 sikat selalu ditempatkan di sepanjang bidang netral magnetis.

Oleh karena itu, bidang netral magnetis juga disebut sebagai sumbu komutasi

karena pembalikan arah arus jangkar berada pada bidang tersebut. Vektor OFM

Sewaktu hanya konduktor jangkar saja yang dialiri oleh arus listrik

sementara kumparan medan tidak dieksitasi, maka disekeliling konduktor jangkar

timbul ggm atau fluksi. Gambaran arah garis gaya magnet ditunjukkan pada

gambar 3.2 berikut ini :

mewakili besar dan arah dari fluksi medan utama, di mana vektor ini tegak lurus

terhadap bidang netral magnetis.

Gambar 2.15 Fluksi Yang Dihasilkan Oleh Kumparan Jangkar

Penentuan arah dari garis gaya magnet yang diakibatkan oleh arus jangkar

ditentukan dengan aturan putaran sekrup (cork-screw rule). Besar dan arah garis

U S

Bidang Netral Magnetis

O

AF

36

gaya magnet tersebut diwakili oleh vektor OFA

U Sβ

Bidang netral magnetis lama

Bidang netral magnetis baru

ω

FA

FMO

Fr

yang sejajar dengan bidang netral

magnetis. Pada prakteknya, sewaktu mesin beroperasi maka konduktor jangkar

dan konduktor medan sama- sama dialiri oleh arus listrik, distribusi fluksi resultan

diperoleh dari menggabungkan kedua fluksi tersebut. Oleh karena itu distribusi

fluksi medan utama yang melalui jangkar tidak lagi simetris tetapi sudah

mengalami pembelokan saat mendekati konduktor yang dialiri arus tersebut. Hal

tersebut dikarenakan pengaruh fluksi jangkar yang dapat dilihat dari gambar 2.16

berikut ini:

Gambar 2.16 Hasil Kombinasi Antara Fluksi Medan dan Fluksi Jangkar

Fluksi yang dihasilkan oleh gaya gerak magnet (ggm) jangkar menentang

fluksi medan utama pada setengah bagian dari salah satu kutubnya dan

memperkuat fluksi medan utama pada setengah bagian yang lain. Hal ini jelas

akan menyebabkan penurunan kerapatan fluksi pada setengah bagian dari salah

satu kutubnya dan terjadi kenaikan pada setengah bagian yang lain di kutub yang

sama. Efek dari intensitas medan magnet atau lintasan fluksi pada jangkar yang

memotong lintasan fluksi medan utama ini disebut sebagai reaksi jangkar

magnetisasi-silang (cross-magnetization).

37

Magnetisasi-silang ini juga menyebabkan pergeseran bidang netral. Pada

Gambar 2.16 terlihat bahwa vektor OFr merupakan resultan vektor OFA dan OFM,

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluksi yang dekat dengan

titik jenuhnya, sehingga dapat menimbulkan kejenuhan magnetik. Pengaruh

kejenuhan magnetik terhadap fluksi medan utama dapat dijelaskan dengan

bantuan gambar 2.17 sebagai berikut:

serta posisi bidang netral magnetis yang baru, di mana selalu tegak lurus terhadap

vektor OFr. Bidang netral magnetis motor yang baru bergeser sejauh β karena

posisi bidang netral magnetis ini selalu tegak lurus terhadap vektor OF. Dengan

pergeseran bidang netral ini maka sikat juga akan bergeser sejauh pergeseran

bidang netral magnetis. Hal ini dapat menimbulkan bunga api di segmen

komutator dekat sikat.

Gambar 2.17 Kurva Pemagnetan Saat Terjadi Reaksi Jangkar

Misalkan fluks sebesar Ox adalah fluksi dihasilkan medan utama tanpa

dipengaruh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya reaksi jangkar

O

Φ

gg

z

x y

B B

38

pertambahan-pengurangan kuat medan magnet (ggm) yang terjadi pada kutub

medan sebesar B ampere-lilitan. Pada lokasi di permukaan kutub di mana gaya

gerak magnet (ggm) rotor menambahkan ggm kutub terjadi penambahan

kerapatan fluks sebesar xy. Sedangkan pada lokasi permukaan kutub di mana ggm

rotor mengeliminir ggm kutub terjadi penurunan kerapatan fluksi sebesar xz, di

mana harga xz lebih besar dari pada xy. Oleh karena itu, penjumlahan rata-rata

kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin

berkurang. Hal inilah yang disebut sebagai efek demagnetisasi reaksi jangkar dan

perlu dicatat bahwa demagnetisasi timbul hanya karena adanya saturasi magnetik.

2.6.2 Tegangan L.di/dt

Masalah utama kedua adalah tegangan L.di/dt yang terjadi pada segmen

komutator yang terhubung singkat oleh sikat-sikat (inductive kick). Misalkan arus

pada sikat (IA) sebesar 400 A, arus tiap jalur 1/2IA

Dengan induktansi yang kecil pada rangkaian, tegangan V = L.di/dt yang

signifikan akan diinduksikan pada segmen komutator. Tegangan tinggi ini secara

alami menyebabkan adanya percikan bunga api pada sikat-sikat mesin.

sebesar 200 A. Pada saat

segmen komutator terhubung singkat, arus yang melalui segmen komutator

terbalik arahnya. Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran/menit dan

mesin memiliki 50 segmen komutator, maka tiap segmen komutator berpindah

pada sikat selama t=0.0015 detik. Sedangkan rentang perubahan arus terhadap

waktu pada rangkaian terhubung singkat rata-rata sebesar di/dt = 400/0.0015 =

266.667 Amper/detik.

39

2.6.3 Mengatasi Masalah Komutasi

Ada tiga cara untuk mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses

komutasi, yaitu:

1. Pergeseran sikat (brush shifting)

2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles)

3. Belitan kompensasi (kompensating windings)

2.6.3.1 Pergeseran Sikat (Brush Shifting)

Ide dasarnya adalah dengan memindahkan sikat seirama dengan

perpindahan bidang netral untuk menghindari percikan bunga api yang timbul.

Namun dalam penerapannya hal ini cukup sulit karena jarak perpindahan bidang

netralnya sangat ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul, maka jarak

perpindahan bidang netralnya pun berpindah, sehingga sikat harus juga diubah

setiap saat, seirama dengan perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu

pergeseran sikat akan memperburuk melemahnya fluks akibat reaksi jangkar

mesin, selain dengan metode ini mesin arus searah tidak dimungkinkan untuk

bekerja sebagai generator (akan menimbulkan percikan api yang lebih besar), dan

sangat tidak ekonomis terutama untuk mesin-mesin berukuran kecil.

Adapun efek diperburuknya fluks akibat reaksi jangkar dapat dilihat pada

Gambar 2.18 berikut ini. Pada gambar 2.18(a) diperlihatkan kondisi ketika bidang

netral mesin bergeser (lihat gambar segitiga ggm-nya), sedangkan pada gambar

2.18(b) terlihat bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat

mesin. Akibat pergeseran tersebut (lihat gambar segitiga ggm-nya), terlihat ggm

resultannya melemah sedemikian rupa.

40

( a )

( b)

Gambar 2.18 Bidang netral yang bergeser disertai dengan bergesernya sikat

mesin.

2.6.3.2 Penambahan Kutub Bantu (interpole)

Ide dasar penambahan kutub bantu (interpole) yaitu jika tegangan pada

kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi penyearahan dibuat nol,

41

maka tidak akan terdapat percikan bunga api pada sikat-sikat mesin tersebut.

Untuk itu, kutub-kutub kecil yang disebut kutub komutasi ditempatkan ditengah-

tengah diantara kutub-kutub utama. Interpole ini dihubungkan seri terhadap

kumparan rotor. Sehingga dengan adanya fluks dari interpole ini akan dapat

mencegah/mengurangi adanya tegangan yang muncul pada kawat-kawat yang

sedang melakukan proses komutasi.

Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotor pun meningkat,

besarnya perubahan/ pergeseran bidang netral meningkat pula. Hal tersebut akan

menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang sedang

melakukan komutasi. Pada saat itu fluks interpole juga meningkat, menghasilkan

tegangan pada konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan

yang timbul akibat pergeseran bidang netral.

JangkarU S-

+

IA

IA

VT

Gambar 2.19 Motor DC yang Dilengkapi Dengan Kutub Bantu

2.6.3.3 Belitan Kompensasi (Compensating Windings)

Belitan kompensasi ini dihubungkan seri terhadap kumparan, rotor belitan

ini bertujuan untuk mengurangi penyimpangan yang timbul akibat reaksi jangkar.

Fluks yang ditimbulkan oleh reaksi jangkar diimbangi oleh fluks yang

ditimbulkan oleh belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan. Ketika

42

beban berubah, maka reaksi jangkar yang berubah akan selalu diimbangi oleh

fluks belitan kompensasi, sehingga bidang netralnya tidak bergeser.

Teknik ini memiliki kelemahan karena mahal harganya, dan juga masih

memerlukan interpole untuk mengatasi tegangan yang tidak dapat diatasi oleh

belitan kompensasi. Karenanya teknik ini digunakan untuk motor-motor yang

bekerja ekstra berat, dimana pelemahan fluks akan menjadi masalah yang serius.

2.7 Rugi – Rugi Motor Arus Searah Penguatan Sendiri

Motor DC menerima daya masukan berupa energi listrik dan

menghasilkan daya keluaran berupa energi mekanis. Akan tetapi, tidak seluruh

daya masukan ke motor diubah menjadi daya keluaran yang berguna, selalu ada

energi yang hilang selama proses pengkonversian energi tersebut. Energi yang

hilang tersebut ada yang dikonversikan menjadi panas dan ada yang diserap oleh

mesin untuk mengatasi gesekan karena adanya bagian yang berputar di dalam

mesin. Rugi-rugi daya dalam bentuk panas ini jika nilainya terlalu besar akan

dapat menyebabkan kenaikan temperatur motor yang dapat merusak isolasi dan

mempercepat berkurangnya umur ekonomis motor sehingga membatasi daya

keluaran motor. Berikut ini proses pengkonversian energi pada motor DC dalam

diagram aliran daya di bawah ini:

43

P P

PP

PL mkd

g j

Gambar 2.20 Diagram Aliran Daya( 𝑃𝐿 𝑃𝑚𝑘 )

Untuk mengubah daya listrik ( 𝑃𝐿 ) menjadi daya mekanik (𝑃𝑚𝑘 ) motor DC

mengalami kerugian-kerugian yaitu :

a. 𝑃𝑔 ( rugi gesekan )

b. 𝑃𝐽 ( Joule ) ialah kerugian-kerugian yang disebabkan oleh kerugian

tembaga dan kerugian besi 𝑃𝐽 = 𝑃𝑡𝑏 + 𝑃𝑏

c. 𝑃 pada penguat

d. 𝑃 pada sikat-sikat dan sebagainya.

Dengan demikian selalu ada selisih antara daya masukan dan daya

keluaran motor. Ini merupakan rugi-rugi daya yang terjadi di dalam motor.

Dalam persamaan dinyatakan dengan :

Σ Rugi-Rugi = Daya Masukan – Daya Keluaran.........(2.23)

Akhirnya, rugi-rugi di dalam motor DC didefinisikan sebagai selisih daya

antara daya masukan yang diterima motor dengan daya keluaran yang dapat

dihasilkannya dimana selisih daya tersebut berubah menjadi bentuk energi yang

lain yang tidak dapat digunakan bahkan dapat merugikan bagi motor itu sendiri.

44

Sebagian tenaga listrik ( input ) motor DC hilang atau berubah menjadi

panas. Dalam hal ini akan menimbulkan panas yang berlebihan yang berakibat

rusaknya isolasi. Hal tersebut terjadi pada setiap mesin arus searah, baik itu

generator DC maupun motor DC dan mesin AC. Kerugian – kerugian itu antara

lain disebabkan oleh reaksi jangkar, arus liar, gesekkan, arus yang mengalir pada

belitan, rheostat dan sebagainya.

2.7.1 Rugi-Rugi Tembaga (Copper losses)

Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan

medan dan kumparan jangkar motor. Karena kawat tembaga kedua kumparan

tersebut memiliki nilai resistansi Rf dan Ra, maka jika mengalir arus DC sebesar

If dan Ia

P

akan menyebabkan kerugian daya yang dihitung dengan persamaan :

a = Ia2Ra

dan

……………....…...…................................…….

.(2.24)

Pf =

If2Rf

Di mana : P

………………..….......................................….….(2.25)

a

P

= rugi tembaga kumparan jangkar

f

I

= rugi tembaga kumparan medan

a = arus jangkar Ra

I

= resistansi jangkar

f = arus medan Rf

3.7.2 Rugi-Rugi Inti (core or iron losses)

= resistansi medan

Rugi-rugi inti terjadi di dalam jangkar motor DC yang disebabkan oleh

perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutubnya. Ada dua jenis rugi-

rugi inti yaitu (1) rugi hysteresis dan (2) rugi arus pusar.

45

1). Rugi Hysteresis

Rugi hysteresis terjadi di dalam jangkar mesin DC karena setiap bagian

jangkar dipengaruhi oleh pembalikan medan magnetik sebagaimana bagian

tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.

Gambar 2.21 Perputaran jangkar di dalam motor dua kutub

Gambar 2.21 menunjukkan jangkar yang berputar di dalam motor dua

kutub. Dengan menganggap ab sebagai potongan kecil dari jangkar. Ketika

potongan ab berada di bawah kutub N, garis-garis magnetik lewat dari a ke b.

Setengah perputaran selanjutnya, dari potongan besi yang sama berada di bawah

kutub S dan garis-garis magnetik lewat dari b ke a sehingga sifat magnet di dalam

besi dibalik.

Untuk dapat membalik molekul-molekul magnet secara terus menerus di

dalam inti jangkar, sejumlah daya diserap sehingga menyebabkan pemanasan

pada inti jangkar. Daya yang diserap dan berubah menjadi panas tersebut

dianggap sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar dan disebut sebagai rugi

hysteresis. Untuk menentukan besarnya rugi hysteresis di dalam inti jangkar

digunakan persamaan Steinmentz yaitu :

46

Ph6,1

max = ηB fV

Watt………………..................…......(2.26)

Dimana : Ph

B

= rugi hysteresis

max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar

f = frekuensi pembalikan magnetik

= 120

P n dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub

V = volume jangkar dalam m

η = koefisien hysteresis Steinmentz

3

2). Rugi Arus Pusar

Sebagai tambahan terhadap tegangan yang diinduksikan di dalam

konduktor jangkar, ada juga tegangan yang diinduksikan di dalam inti jangkar.

Tegangan ini menghasilkan arus yang bersirkulasi di dalam inti jangkar seperti

yang ditunjukkan dalam Gambar 2.22. Ini disebut sebagai arus pusar (eddy

current) dan daya yang hilang karena alirannya disebut dengan rugi arus pusar.

Rugi arus pusar berlaku sebagai panas yang dapat menaikkan temperatur

motor dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai

inti jangkar, resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya

luas penampang inti. Akibatnya, nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan

menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat

resistansi inti sebesar mungkin secara praktisnya.

(a) (b)

47

Gambar 2.22 (a) Arus pusar di dalam inti jangkar yang padat

(b) Arus pusar di dalam inti jangkar yang dilaminasi

2.7.3 Rugi-Rugi Mekanis (mechanical losses)

Rugi-rugi mekanis di dalam motor DC merupakan rugi-rugi yang

berhubungan dengan efek-efek mekanis. Ada dua bentuk dasar rugi-rugi mekanis

di dalam motor DC yaitu gesekan dan angin.

Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan

antara permukaan bagian-bagian yang berputar dengan bagian-bagian yang diam

dari motor, diantaranya gesekan bearing atau bantalan peluru dengan rumah

bearing atau dengan as rotor. Juga gesekan antara permukaan sikat dengan

komutator. Karena adanya suatu nilai koefisien gesek antara permukaan bagian-

bagian tersebut, walaupun kecil, diperlukan gaya untuk mengimbangi gaya lawan

akibat koefisien gesek tersebut jika ingin menggerakkan rotor motor DC tersebut.

Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh

pergesekan antara bagian-bagian motor yang berputar dengan udara di dalam

rumah (casing) motor. Baik itu pergesekan antara permukaan rotor dengan udara

pada celah udara di dalam motor ataupun gesekan udara dengan kipas pendingin

yang dipasangkan pada rotor di dalam motor. Rugi-rugi angin ini bervariasi

tergantung pada kecepatan rotasi motor tersebut.

2.7.4 Rugi – rugi sikat (brush losses)

Jika kumparan jangkar motor DC dialiri arus listrik DC maka sikat-

sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi

48

sikat dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka

terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd

P

. Jatuh

tegangan sikat ini menyebabkan timbulnya rugi-rugi daya sebesar :

bd =

Vbd.Ia

Dimana : P

…………...........….........................…...……....(2.27)

bd

I

= rugi daya akibat jatuh tegangan sikat

a

V

= arus jangkar

bd

= jatuh tegangan sikat

Besarnya nilai jatuh tegangan sikat-sikat pada motor DC hampir konstan

dalam rentang arus jangkar yang besar. Maka rugi – rugi sikat dapat dihitung

dengan persamaan:

Pbd = 2 x Ia

…......……………..…...............................(2.28)

3.7.5 Rugi-Rugi Beban Stray (stray load losses)

Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus

pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi, yang timbul

karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak termasuk yang

disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung singkat komutasi.

Rugi-rugi beban stray ini tidak dapat dikategorikan ke dalam tipe rugi-rugi

yang disebutkan di atas. Di dalam perhitungan rugi-rugi motor DC, besarnya rugi-

rugi beban stray dinyatakan sebesar ± 1% dari beban penuh.

49

Rugi-rugi di dalam motor DC di atas juga dapat dikelompokkan menjadi

dua kelompok yaitu :

1. Rugi-rugi Konstan

2. Rugi-rugi Variabel

1. Rugi-rugi konstan yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya selalu

tetap, tidak tergantung pada arus pembebanan. Rugi – rugi inti + mekanis

disebut dengan rugi – rugi rotasi.Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi

konstan adalah :

a. Rugi-rugi inti yaitu rugi-rugi hysteresis dan arus pusar

b. Rugi-rugi mekanis yaitu rugi-rugi gesek dan angin

c. Rugi-rugi tembaga medan shunt.

2. Rugi-rugi variabel yaitu rugi-rugi di dalam motor DC yang nilainya bervariasi

terhadap arus pembebanan.Yang termasuk ke dalam kelompok rugi-rugi ini

adalah :

a. Rugi-rugi tembaga kumparan jangkar (Ia2Ra

b. Rugi-rugi tembaga kumparan medan seri (I

)

a2Rse

c. Rugi jatuh tegangan sikat (V

)

bdIa

Sehingga rugi-rugi total di dalam motor DC adalah :

)

Σ Rugi – Rugi = Rugi Konstan + Rugi Variabel…............….(2.29)

Generator DC dan motor DC mempunyai tipe kerugian-kerugian yang

sama. Kerugian-kerugian itu adalah :

50

Tabel 2.1 Tipe dan Jenis Kerugian

Tipe – tipe Kerugian Keterangan

a. Kerugian pada belitan shunt

b. Kerugian pada rheostat

c. Kerugian pada penguat

d. Kerugian oleh gesekkan dan oleh

angin

e. Kerugian karena gesekkan sikat-

sikat

f. Kerugian pada ventilasi

g. Kerugian inti

h. Kerugian pada lilitan jangkar

i. Kerugian pada lilitan seri

j. Kerugian pada kontak sikat

k. Kerugian stray load

Kerugian 𝐼2R pada belitan penguat

shunt

Kerugian 𝐼2R pada tahanan geser ( 𝑅𝑠𝑡 ,

R pengatur )

Kerugian mekanis akibat gesekkan

sikat-sikat

Kerugian pada kipas pendingin

Kerugian 𝐼2R pada lilitan jangkar

Kerugian 𝐼2R pada lilitan penguat seri

Kerugian listrik pada sikat-sikat dan

kontak-kontak

Kerugian-kerugian akibat arus liar pada

tembaga, kerugian inti, reaksi jangkar,

kerugian short circuit pada saat

51

komutasi.

Untuk lebih jelasnya pada tabel 4.2 menunjukkan jenis kerugian-kerugian

pada mesin DC dan bagaimana cara menentukan besarnya kerugian-kerugian

tersebut.

Tabel 2.2 Kerugian-kerugian pada Mesin DC

Kerugian- kerugian Cara menentukan

Perputara (Stray Power )

Gesekan :

Bantalan

Sikat

Kipas pendingin (windage)

Inti jangkar :

Histerisis

Arus liar

Biasanya ditentukan melalui tes

Tembaga

Lilitan jangkar

Lilitan kutub bantu

Lilitan seri

Lilitan kompensasi

Kontak sikat

𝐼𝑎 ² 𝑅𝑎

𝐼𝑎 ² 𝑅𝑏

𝐼𝑎 ² 𝑅𝑠𝑒

𝐼𝑎 ² 𝑅𝑐

( 1 s/d 6 ) x 𝐼𝑎

52

Lilitan shunt U 𝐼𝑠ℎ

Stray Load Losses 1 percent dari output untuk mesin yang

lebih besar dari 150 KW ( 200 HP )

2.8 Efisiensi pada Motor Arus Searah

Seperti halnya dengan mesin listrik lainnya, pada mesin listrik arus searah,

efisiensinya dinyatakan sebagai berikut:

η(%) = PoutPin

x 100% …………………………...…………………(2.26)

Atau pada motor :

η(%) = HP output x 746watt input

x 100%……………………………………..(2.27)

η(%) = HP output x 746(HP input x 746)+ watt rugi

x 100%………………….……….(2.28)

Dimana: Pin = daya masukan

Pout = daya keluaran

∑Prugi = rugi-rugi daya total