Pengertian Motor DC
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.
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. 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 1. Motor D.C Sederhana
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 di atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet
B. Konstruksi Motor Listrik Arus Searah
Gambar 4 melukiskan konstruksi bagian yang terpenting dari sebuah motor
listrik arus searah kutup dua dan kutub empat.
Secara umum konstruksi motor listrik arus searah dapat dibagi menjadi dua :
a. Stator (bagian yang diam)
b. Rotor (bagian yang berputar)
Untuk bagian yang diam (stator) dalam motor listrik arus searah terdiri atas badan (body),inti kutub magnet dan sikat-sikat. Sedangkan untuk bagian rotornya adalah komutator,jangkar dan lilitan jangkar.
C. Bagian-bagian Motor dan Fungsinya
a. Badan Motor listrik
Fungsi utama dari badan motor adalah sebagai bagian tempat untuk
mengalirnya fluks magnet yang dihasilkan kutub-kutub magnet, karena itu badanmotor dibuat dari bahan ferromagnetik. Disamping itu badan motor ini berfungsiuntuk meletakkan alat-alat tertentu dan melindungi bagian-bagian motor lainnya.
Pada badan motor terdapat papan nama (name plat) yang bertuliskanspesifikasi umum atau data teknik dari motor. Papan nama tersebut untukmengetahui beberapa hal pokok yang perlu diketahui dari motor tersebut. Selainpapan nama badan motor juga terdapat kotak hubung yang merupakan tempatujung-ujung penguat magnet dan lilitan jangkar.
Ujung-ujung lilitan jangkar ini tidak langsung dari lilitan jangkar tetapi
merupakan ujung kawat penghubung lilitan jangkar yang melalui komutator dansikat-sikat. Dengan adanya kotak hubung akan memudahkan dalam pergantiansusunan lilitan penguat magnet dan memudahkan pemeriksaan kerusakan yangmungkin terjadi pada lilitan jangkar maupun lilitan penguat tanpa membongkarmesin.
Untuk mengetahui ujung-ujung lilitan tersebut, setiap pabrik/negara
mempunyai normalisasi huruf tertentu, yang mana hal tersebut dapat dinyatakan dalam tabel di bawah ini :
b. Inti kutub magnet dan lilitan penguat magnet
Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada motor arus searah dihasilkan oleh kutub-kutub magnet buatan yang dibuat prinsipelektromagnetis. Lilitan penguat magnet berfungsi untuk mengalirkan arus listrik sebagai terjadinya proses elektromagnetis.
c. Sikat-sikat
Fungsi utama dari sikat-sikat adalah untuk jembatan bagi aliran arus dari lilitan jangkar dengan sumber tegangan. Disamping itu sikat-sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Agar gesekan antara komutatorkomutatordan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka bahan sikat lebih lunak dari komutator. Biasanya dibuat dari bahan arang (coal).
d. Komutator
Komutator yang digunakan dalam motor arus searah pada prinsipnya mempunyai dua bagian yaitu :
1) Komutator bar merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator dengan sikat-sikat.
2) Komutator riser merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator dengan ujung dari lilitan jangkar.
Keterangan :
a. Segmen komutator
b. Pemasangan komutator
c. Susunan komutator
i. Komutator bar
2. Riser
3. Isolator
4. Poros
5. Ring pengunci
6. Baut
Isolator yang digunakan yang terletak antara komutator yang satu dengankomutator yang lain harus dipilih sesuai dengan kemampuan isolator tersebut terhadap suhu yang terjadi dalam mesin. Jadi disamping sebagai isolator terhadap listrik, juga harus mampu terhadap suhu tertentu.
Berdasarkan jenis isolator yang digunakan terhadap kemampuan panas ini maka pada mesin listrik dikenal :
a. Klas A : jika temperatur tinggi diijinkan 70°C (katun, sutera, kertas)
b. Klas B : jika temperatur tinggi diijinkan 110°C (serat asbes, serat gelas)
c. Klas H : jika temperatur tinggi diijinkan 185°C (mika, gelas, porselin, keramik).
d. Jangkar (angker)
Umumnya jangkar yang digunakan dalam motor arus searah adalah
berbentuk selinder dan diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL lawan. Seperti halnya pada inti kutub magnet, maka jangkar dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus liar (Edy current). Bahan yang digunakan jangkar ini sejenis campuran baja silikon.
Adapun konstruksinya dari jangkar tersebut dapat dilukiskan seperti dibawah ini :
f. Lilitan jangkar (angker)
Lilitan jangkar pada motor arus searah berfungsi sebagai tempat
terbentuknya GGL lawan.
Pada prinsipnya kumparan terdiri atas :
1) Sisi kumparan aktif, yaitu bagian sisi kumparan yang terdapat dalam alur
jangkar yang merupakan bagian yang aktif (terjadi GGL lawan sewaktu motor bekerja).
2) Kepala kumparan, yaitu bagian dari kumparan yang terletak di luar alur yang berfungsi sebagai penghubung satu sisi kumparan aktif dengan sisi kumparanaktif lain dari kumparan tersebut.
3) Juluran, yaitu bagian ujung kumparan yang menghubungkan sisi aktif dengan komutator.
D. Jenis-jenis motor listrik arus searah
Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya motor arus searah dapat
dibedakan atas dua jenis :
a. . Motor dengan penguat terpisah
b. Motor penguat sendiri terdiri atas :
1) Motor Seri
2) Motor Shunt
3) Motor kompon pendek
4) Motor kompon panjang
a. Motor dengan penguat terpisah.
Yang dimaksud dengan penguat terpisah adalah bila arus penguat magnetnya diperoleh dari sumber arus searah di luar motor.
Persamaan arus :
Ia = I
Im
E
Rm
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + 27 e
dimana :
V : Tegangan jepit (volt)
Ea : GGL lawan (volt)
Ia : Arus jangkar (Ampere)
Ra : Tahanan lilitan jangkar (Ohm)
Im : Arus penguat terpisah(Ampere)
Rm: Tahanan penguat terpisah (Ohm)
e : Kerugian tegangan pada sikat-sikat (karena relatif kecil biasanya harga tersebut diabaikan).
b. Motor penguat sendiri
Motor dengan penguat sendiri dapat dibagi menjadi :
1. Motor Seri, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat magnetnya dihubungan seri dengan lilitan jangkar.
Persamaan arus :
I = Ia = Is
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs + 27e
Dimana :
Is : Arus penguat seri yang besarnya sama dengan arus sumber
Rs : Tahanan lilitan penguat seri
2) Motor shunt, motor penguat sendiri di mana lilitan penguat
magnetnya dihubungkan paralel dengan lilitan jangkar atau
dihubungkan langsung
dengan sumber tegangan dari luar.
Persamaan arus :
I = Ia + Ish
V / Rsh
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + 27 e
V = Ish . Rsh
dimana :
Rsh : Tahanan penguat shunt
Ish : Arus penguat shunt
3) Motor kompon pendek, motor penguat sendiri yang mempunyai dua lilitan
penguat magnet yaitu lilitan shunt dan seri, dimana lilitan seri terletak pada rangkaian sumber tegangan.
Persamaan Arus
I = Is = Ia + Ish
Rsh / Vsh
Ish?
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs + 27 e
Vsh = V – Is.Rs
Dimana :
Vsh : Tegangan pada lilitan penguat shunt
4) Motor kompon panjang, motor penguat sendiri yang mempunyai dua buah lilitan penguat seri dan shunt, dimana lilitan penguat seri dihubung seri dengan lilitan jangkar.
Persamaan arus :
I = Is + Ish
Is = Ia
Rsh / V
Ish ?
Persamaan tegangan :
V = Ea + Ia.Ra + Is.Rs
Vsh = V
E. Karakteristik Motor Listrik Arus Searah (DC)
Pada motor listrik arus searah dikenal 3 macam karakteristik yaitu :
a. Karakteristik Ta = f (Ia) untuk V = tetap
b. Karateristik n = f (Ia) untuk V =tetap
c. Karakteristik n = f(Ta) untuk V = tetap
Untuk membahas tentang karakteristik Ta = f(Ia), perlu dijelaskan terlebih dahulu tentang torsi yang ditimbulkan oleh motor listrik arus searah.
Ø Torsi
Yang dimaksud torsi adalah putaran atau pemuntiran dari suatu gaya
terhadap suatu poros. Untuk menentukan besarnya torsi pada motor dapat dihitung dengan rumus:
Berdasarkan gambar disamping torsi (T) adalah :
Torsi (T) = F x r Newton meter (N-m)
Usaha dalam satu putaran = gaya x jarak
Usaha = F x 2 r joule
Misalnya poros berputar n putaran perdetik maka :
Usaha perdetik = F x 2 r n joule/detik
= F x r (2 n) joule/detik
= T x joule/detik
atau Daya = T x watt
Untuk n = jumlah putaran per menit.
a. Karakteristik motor penguat terpisah
Karakteristik-karakteristik motor penguat terpisah mempunyaipersamaan dengan karakteristik-karakteristik pada motor shunt. Oleh karena itu tinjauan pada motor ini dapat dilihat pada motor shunt.
Motor dengan penguat terpisah ini hanya dipakai dalam hal-hal yang istimewa, terutama pada tegangan jala-jala yang tinggi dan sebagai motor-motor angkat dipertimbangan
b. Karakteristik motor shunt
1. Karakteristik Ta = f (Ia)
Sesuai dengan persamaan-persamaan pada motor shunt, maka akan didapat
bahwa karakteristik Ta = f (Ia) adalah linier seperti dapat dilukiskan pada gambar 18.
Karena ada kerugian daya, Ta tidak dimulai dari titik 0, tetapidimulai dari titik A. OA = arus beban kosong yaitu arus jangkar yang diperlukan untuk membangkitkan momen yaitu untuk jangkar.
Berdasarkan gambar disamping n dapat dijelaskan bahwa dengan memperbesar arus jangkar maka putaran akan turun.
3) Karakteristik n = f (Ta)
Karena, Ta = c . . Ia , di ma na Ta sebanding dengan Ia maka karakteristik
n = f(Ta) = Karakteristik n = f (Ia).
c. Motor Seri
i) Karakteristik Ta = f (Ia) Sesuai dengan persamaan arus : Is = Ia = I Jika beban naik, maka I, Ia dan Is naik, sehingga fluks magnet juga naik. Sebelum kutub jenuh, fluks magnet ( ) sebanding dengan Is. Berdasarkan : Ta = c Ia, di mana sebelum jenuh sebanding Ia maka persamaan di atas dapat ditulis : Ta = c . Ia² Secara matematika, sebelum mencapai titik jenuh, grafik Ta = f (Ia) merupakan parabola (fungsi kuadrant). Setelah mencapai titik jenuh, Ta = f (Ia) akan linier seperti pada gambar 20.
d. Karakteristik motor kompon
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.
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 3 menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena bentuk U.
Gambar 3. 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 4. Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub.
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 5.
Gambar 5. 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.
· 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 di bawah ini :
Gambar 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 :
· Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalahcorveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.
· Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabeltorque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan). Peralatan Energi Listrik : Motor Listrik.
· Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaantorque yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
F. Kelebihan dan kekurangan motor DC
Ø Kelebihan motor DC jika dibandingkan dengan motor AC adalah:
1. Torka dan kecepatannya mudah dikendalikan
2. Torka awalnya besar
3. Performansinya mendekati linier
4. Sistem kontrolnya relatif lebih murah dan sederhana
5. Cocok untuk aplikasi motor servo karena respon dinamiknya yang baik
6. Untuk aplikasi berdaya rendah, motor DC lebih murah dari motor AC
Ø Adapun kekurangan dari motor DC adalah:
1. Membutuhkan perawatan yang ekstra
2. Lebih besar dan lebih mahal (jika dibandingkan dengan motor AC induksi)
3. Tidak cocok untuk aplikasi kecepatan tinggi
4. Tidak cocok untuk aplikasi berdaya besar
5. Tidak cocok digunakan pada kondisi lingkungan yang cepat berdebu
G. Aplikasi Motor dalam Kehidupan sehari-hari
Contoh dari motor DC, yaitu motor penggerak wiper pada kendaraan bermotor. Dalam kehidupan sehari-hari, kita tidak dapat lepas dari fungsi motor DC. Mulai dari kipas angin, motor wiper, pemutar CD, dan lainnya. Semua menggunakan motor DC sebagai penggerak utamanya.
Contoh dari motor DC, yaitu motor penggerak pada mainan mobil-mobilan
H. Perhitungan pada Motor DC
· Pengaturan Kecepatan Mesin DC
Dalam penggunaan mesin DC, tidak akan berguna apabila tidak bisa dikontrol kecepatan perputaran dari mesin DC tersebut. Berikut adalah beberapa metode yang biasa digunakan untuk mengontrol kecepatan dari mesin DC.
1. Mengubah voltase pada motor, namun membiarkan medan magnetnya tetap
2. Mengubah medan magnet pada motor, namun membiarkan voltasenya tetap
3. Memberikan hambatan yang dipasang seri dengan motor.
· Outpur Daya Mesin DC
Keluaran daya yang diberikan oleh motor DC dapat dituliskan dalam perumusan matematika sebagai berikut
Pout = Tout . wm
dengan,
Pout = Daya
Tout = Torsi
wm = kecepatan sudut
Kecepatan sudut dari motor dapat didefinisikan melalui rumus berikut
wm = nm x 2phi/60
dengan,
nm = jumlah putaran yang dilakukanrotor
Dalam penilaian kerja motor DC, biasa digunakan istilah efisensi yang didefinisikan sebagai berikut
eff = Pout/Pin x 100%
Motor DC yang bagus, bekerja pada range efisiensi 85%-95%.
Dalam aplikasi motor DC dalam kehidupan sehari-hari dan dalam dunia industri diperlukan perhitungan untuk mengetahui arus, tegangan, ggl, gaya medan magnet dan masih banyak perhitungan lainnya. Berikut ini adalah contoh-contoh perhitungan pada motor DC dalam bentuk soal-soal dan penyelesaiannya :
1. 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.
Diketahui : B = 0,8 T
I = 10A
ℓ = 150 mm = 0,155 m
z = 400
Jawab :
F = B.I.ℓ.z
= 0,8 (Vs/m2). 10 A. 0,15 m.400
= 480 (Ws/m) = 480 N.
2. Tentukan nilai torsi motor dan kecepatan saat :
a. Es = 400 V dan Eo = 380 V
b. Es = 350 V dan Eo = 380 V
Jawab:
a. Arus armature adalah :
I = (Es – Eo)/R = (400-380)/0.01 = 2000 A
Daya ke motor armature adalah :
P = Eo.I = 380 x 2000 = 760kW
Kecepatan motor adalah :
n = (380 V / 500 V) x 300 r/min = 228 r/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 = Eo.I = 380 x 3000 = 1140kW
Braking torque yang dikembangkan oleh motor :
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.
3. 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.
Diketahui :
V = 230 V I = 48 A
Ra = 0.312 ohm Rb = 0.417 ohm
Jawab:
a. Ea = V – Ia Ra – 2∆E
= (230 – 2 ) – (48 x 0.312) = 213 volt
Daya yang dibangkitkan pada jangkar
= Ea. Ia = 213 x 48
= 10.224 watt
b. Eb = 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
Komentar
Posting Komentar