Dkee.docx

BAB I MOTOR ARUS SEARAH

1. PENDAHULUAN Teknik Tenaga Listrik(TTL) ialah ilmu yang mempelajari sifat dan pemakaian piranti(alat) yang azas kerjanya berdasarkan aliran elektron dalam benda padat atau aliran elektron dalam konduktor. Dewasa ini tenaga listrik memegang peranan utama dalam kehidupan sehari-hari, khususnya dalam bidang industri dan pabrik yakni sebagai tenaga penggerak mesin-mesin produksi, penerangan dan sebagainya. Disamping itu dalam kehidupan rumah tangga yang sudah terjangkau oleh jaringan listrik, energi atau tenaga listrik ini sudah mulai dirasakan sebagai salah satu kebutuhan pokok disamping kebutuhan sandang, pangan dan papan. Dalam teknik tenaga listrik ataupun dalam elektro teknik dikenal dua macam arus: 1. Arus searah (Direct Current = DC) 2. Arus bolak-balik atau Arus Rangga (Alternating Current = AC) Motor arus searah pada zaman dahulu sebelum dikenal motor arus bolak-balik, banyak digunakan untuk menghasilkan tenaga mekanik berupa kecepatan atau perputaran, baik untuk mesin-mesin produksi di pabrik dan di industri maupun untuk traksi, tram listrk dan sebagainya. Untuk traksi, tram listrik sampai sekarang masih banyak mempergunakan motor arus searah, demikian pula untuk strat awal dari mobil. Dan rangkai peralatan elektronik. Berdasarkan karakteristiknya, maka motor arus searah ini mempunyai daerah pengaturan putaran yang luas dibandingkan dengan motor arus bolak-balik, sehingga sampai sekarang masih banyak dipergunakan pada pabrik dan industri seperti pabrik kertas, tekstil, dan pabrik-pabrik yang mesin produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas. Konstruksi motor arus searah, yakni sama dengan konstruksi generator arus searah, hanya perbedaanya pada prinsip kerjanya, sehingga satu perangkat mesin arus searah dapatberfungsi sebagai generator maupun sebagai motor. 1.1 Dimana motor digunakan Motor listrik merupakan sebuah 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.

1

2

1.2 Bagaimana sebuah motor bekerja

Prinsip kerja motor searah berdasarkan pada penghantar yang membawa arus ditempatkan dalam suatu medan magnet maka penghantar tersebut akan mengalami gaya. Gaya menimbulkan torsi yang akan mengahsilkan rotasi mekanik, sehingga motor akan berputar. Jadi, motor arus searah ini menerima sumber arus searah dari jalajala kemudian dirubah menjadi energi mekanik berupa perputaran, yang nantinya dipakai oleh peralatan lain. Motor ini memiliki medan Penguat yang dihubungkan seri dengan medan jangkar. Arus jangkar untuk motor jenis ini lebih besar dari pada arus jangkar pada kumparan jangkar untuk motor jenis shunt, selain itu kumparan Ns lebih sedikit. Tahanan Rf lebih kecil, ini disebabkan tahanan tersebut merupakan bagian dari jumlah lilitan yang sedikit. Pada waktu start bisa memberi momen yang besar dengan arus start yang rendah juga dapat memberi perubahan kecepatan atau beban dengan arus start yang rendah juga dapat memberi perubahan kecepatan atau beban dengan arus kecil dibandingkan motor tipe lain, tetapi kecepatan akan lebih besar bila beban rendah atau bebannya ringan dan dalam hal ini pengaturan kecepatannya bisa diatur melalui tegangan suplai. Motor DC atau motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik. Prinsip kerja dari motor DC hampir sama dengan generator AC, dimana perbedaannya hanya terletak dalam konversi daya. Prinsip dasarnya adalah apabila suatu kawat berarus diletakkan diantara kutub-kutub magnet (U - S), maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakkan kawat tersebut.

Gambar 2.18 Prinsip Kerja Motor DC Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama (gambar 1):   

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.

3



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.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok (BEE India, 2004): 

  

Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kwadrat kecepatan). 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. Komponen motor listrik bervariasi untuk berbagai jenis motor, dalam bab 2 dijelaskan untuk masing-masing motor. Dibawah ini :

4

2. JENIS MOTOR LISTRIK Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: DC dan motor. Gambar 3 memperlihatkan motor listrik yang paling umum. Motor tersebut dikategorikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dibawah ini.

2.1 Motor DC Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama: 



Kutub medan. Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.

5



Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Commutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.

Gambar 3. Sebuah motor DC



Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur: Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan  Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan. Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC. Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut:

Dimana : E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt) Ö = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit) T = torque electromagnetik Ia = arus dinamo K = konstanta persamaan

6

2.1.2. Motor DC daya sendiri: motor seri Motor ini memiliki medan Penguat yang dihubungkan seri dengan medan jangkar. Arus jangkar untuk motor jenis ini lebih besar dari pada arus jangkar pada kumparan jangkar untuk motor jenis shunt, selain itu kumparan Ns lebih sedikit. Tahanan Rf lebih kecil, ini disebabkan tahanan tersebut merupakan bagian dari jumlah lilitan yang sedikit. Pada waktu start bisa memberi momen yang besar dengan arus start yang rendah juga dapat memberi perubahan kecepatan atau beban dengan arus start yang rendah juga dapat memberi perubahan kecepatan atau beban dengan arus kecil dibandingkan motor tipe lain, tetapi kecepatan akan lebih besar bila beban rendah atau bebannya ringan dan dalam hal ini pengaturan kecepatannya bisa diatur melalui tegangan suplai. Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan dalam gambar 5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo. Berikut tentang kecepatan motor seri (Rodwell International Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):  

Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.

Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar 5).

7

(a) Kurva kecepatan terhadap torsi motor dc seri (b) Rangkaian ekivalen dari motor dc seri

2.1.3. Penggerak arus searah (DC) Teknologi penggerak DC merupakan bentuk tertua pengendali kecepatan listrik. Sistim penggerak terdiri dari sebuah motor DC dan sebuah pengendali. Motor terdiri dari dinamo dan gulungan medan. Penggulungan medan memerlukan pembanmgkitan daya DC untuk operasi motor, biasanya dengan tegangan yang tetap dari pengendali. Sambungan dinamo dibuat melalui perakitan sikat dan commutator. Kecepatan motor berbanding lurus dengan tegangan yang dipergunakan. Pengendali merupakan penyambungan rektifikasi fase control dengan sirkuit logic untuk mengendalikan tegangan DC yang dikirim ke dinamo motor. Pengendalian kecepatan dicapai dengan mengatur tegangan ke motor. Kadangkala sebuah tacho-generator dilibatkan untuk mencapai pengaturan kecepatan yang baik. Tacho-generator dapat digantungkan pada motor untuk menghasilkan sinyal umpan balik kecepatan yang digunakan dibagian dalam pengendali.  

Dengan demikian, torka motor: Motor juga mampu mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga elektrik = generator

 

Gaya gerak listrik (tegangan): Tegangan EMF juga muncul ketika motor berputar dengan dayanya sendiri tapi dengan kutub yg berlawanan dari tegangan jaringan = CEMF



Tegangan aktual yang tersedia:



Arus armature:



Hubungan laju motor & CEMF:



Motor DC memiliki regulasi laju – kemampuan motor mempertahankan laju ketika dipasangkan beban padanya

8

– beban ↑→ laju C↑→EMF ↑→IA ↑→ T ↑→laju tetap – regulasi maju dinyatakan dengan:

  

Motor ini memakai elektromagnet (lilitan medan) untuk membangkitkan medan magnet Laju motor diatur dengan mengubah tegangan lilitan medan dan/atau tegangan armature Contoh motor medan-lilitan – rated speed = laju motor ketika dibebani sesuai dengan Hp yang dimaksud – rated speed < laju motor ketika tanpa-beban

Konfigurasi ini menghasilkan torka awal yang besar:

9

2.2.1 Konstruksi Motor DC Bagian-bagian penting dari motor DC ditunjukkan oleh gambar 2.18. Statornya mempunyai kutup menonjol dan diteral oleh satu atau lebih kumparan medan. Pembagian fluks celah udara yang dihasilkan oleh lilitan medan secara simetris berada di sekitar tengah kutub medan sumbu.

Gambar 2.19 Konstruksi Motor DC Kumparan Penguat dihubungkan seri, jangkar merupakan besi laminasi yang bergerak untuk mengurangi arus Eddy. Letak kumparan jangkar pada slot besi disebelah luar permukaan jangkar.

2.2.2 Jenis Motor DC Ada beberapa jenis motor dc yang berada dipasaran. Motor dc dibedakan atas dua jenis, yaitu: 1. Berdasarkan sumber arus Penguat magnet 2. Berdasarkan hubungan lilitan Penguat magnet terhadap lilitan jangkar Berdasarkan sumber arus penguat magnet, motor dc dibedakan atas: a. Motor dc permanent magnet. b. Motor dc Penguat terpisah, bila arus penguatan medan diperoleh dari sumber dc diluar motor. Motor dc dengan penguatan sendiri, bila arus penguatan magnet berasal dari motor itu sendiri.

10

2.2.3. Karakteristik Motor DC Untuk motor arus searah, berlaku hubungan:

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa pada motor shunt bertambahnya kopel (artinya arus jangkar bertambah besar) mengakibatkan kecepatan (n) menurun. Pada motor seri, bertambahnya kopel (arus) akan menyebabkan bertambahnya harga fluks , Karena fluks pada motor seri merupakan fungsi arus jangkar (Ia). Dari rangkaian motor seri terlihat bahwa untuk harga arus jangkar sama dengan nol. Harga fluks juga nol, sehingga dari persamaan terakhir diatas diperoleh harga n menuju tak terhingga. Disini dapat dijelaskan bahwa antara putaran dengan tegangan adalah linier, sedangkan karakteristik kopel terhadap putaran sesuai dengan keadaan beban yang membutuhkan kopel mula yang besar. Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam motor arus searah, karena motor arus searah mempunyai karakteristik kopelkecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan motor lainnya. Telah diketahui bahwa untuk motor arus searah dapat diturunkan rumus sebagai berikut:

11

2.2.4. Di bawah ini merupakan contoh dari motor DC seri :