Dasar Teori Motor DC

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Pengertian Motor DC

Motor DC adalah sebuah peralatan listrik yang dapat merubah energi listrik menjadi

energi mekanik. Motor DC merupakan jenis motor yang banyak digunakan di industri

elektronik dan komponen pendukung untuk beberapa peralatan atau instrumentasi

elektronik. Motor DC juga disebut atau sama dengan motor arus searah. Selain memiliki

jenis yang beragam antara lain tipe magnet tetap dan elektromagnet ( seri,shunt, atau jenis

coumpound). Sehingga type motor DC dapat di implementasikan berdasarkan jenis magnet

yang digunakan. Pada jenis elektromagnet, pembentukan medan magnet sering disebut

eksitasi ( penguatan ) yang terbagi menjadi penguatan sendiri dan penguatan di dalam motor.

Gambar 2.1 Motor D.C Sederhanahttp://google.co.id

2.2. Prinsip Kerja Motor DC

Motor DC memiliki prinsip kerja yang berbeda dengan Motor AC. Pada motor DC jika

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

hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada konduktor tersebut.

Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor. Motor listrik arus

searah mempunyai prinsip kerja berdasarkan percobaan Lorents yang menyatakan

“Jika sebatang penghantar listrik yang berarus berada di dalam medan magnet maka pada

kawat penghantar tersebut akan terbentuk suatu gaya”. Gaya yang terbentuk sering

dinamakan gaya Lorents.

F = B I L

di mana :

F = Gaya yang terbentuk pada penghantar (Newton)

I = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar (Ampere)

B = Kerapatan fluksi (Weber/m2)

l = Panjang konduktor jangkar (m)

Untuk menentukan arah gaya dapat digunakan kaidah tangan kiri (Lorentz) atau kaidah

telapak tangan kiri.

Gambar 2.2 kaidah Lorentzhttp://google.co.id/

Gambar 2.3 prinsip kerja motor DChttp://google.co.id/

Besarnya gaya Lorents bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan

jangkar (I), kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub dan panjang konduktor jangkar (l).

Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada

kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga

semakin besar.

Pada motor DC, kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan merupakan

bagian yang tidak berputar (stator) dan kumparan jangkar merupakan bagian yang berputar

(rotor). Perubahan energi yang terjadi pada mesin DC adalah energi listrik menjadi energi

mekanik. Tegangan (Vt) menjadi sumber dan tegangan jangkar Ea merupakan tegangan

lawan.

Pada motor DC shunt tidak terjadi slip karena kecepatan rotor dan medan putar stator relatif konstan sehingga tidak terjadi perbedaan kecepatan antara rotor dengan medan putar stator.

Motor DC mempunyai 3 komponen yang utama yaitu:

Komponen Utama dari Motor DC :

Gambar 2.4 Bagian-bagian motor DChttp://google.co.id/

a. Rangka (frame)Rangka motor arus searah adalah tempat meletakan sebagian besar komponen

mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen – komponen yang ada di dalamnya. Rangka motor DC ini biasa dibuat dari bahan cast steel / baja tuang  atau bisa dari baja lembaran / rolled steel yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkaian magnet. Rangka juga memiliki fungsi sebagai mengalirkan fluks magnet yang timbul dari kutub – kutub medan itu. Rangka dibuat dengan menggunakan bahan yang kuat dan memiliki sifat ferromagnetic yang memiliki permeabilitas tinggi untuk melewatkan fluks magnet itu.

b. Kutub medan ( Stator) Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan

menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan jangkar 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.

c. Jangkar ( Rotor)Bila arus masuk menuju jangkar, maka arus ini akan menjadi elektromagnet.

Jangkar yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, jangkar 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 jangkar.

d. Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk

membalikan arah arus listrik dalam jangkar. Commutator juga membantu dalam

transmisi arus antara jangkar dan sumber daya.

e. Sikat / Brush

Sikat adalah jembatan bagi alira arus ke lilitan jangkar. Maka fungsi dan posisi

brush cukup penting sebagai komponen  pada motor DC ini. Sikat – sikat ini biasanya

berbahan dasar karbon dengan tingkat kekerasan material yang bervariasi. Brush pada

umumnya harus memiliki kekuatan material yang lebih lunak dari komutator.

Tujuannya adalah supaya gesekan yang terjadi antara segmen – segmen komutator dan

brush itu sendiri tidak mengakibatkan komutator cepat aus. Sebagai konsekuensinya

brush adalah kompunen yang sering diganti dari motor DC ini.

Rectifier

Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik

(AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Gelombang AC yang berbentuk

gelombang sinus hanya dapat dilihat dengan alat ukur CRO. Rangkaian rectifier banyak

menggunakan transformator step down yang digunakan untuk menurunkan tegangan

sesuai dengan perbandingan transformasi transformator yang digunakan. Penyearah

dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang

penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi penyearah

gelombang penuh dengan center tap (CT), dan penyearah gelombang penuh dengan

menggunakan dioda bridge. Dioda sendiri merupakan komponen semikonduktor yang

berfungsi menghantarkan arus pada tegangan maju dan menghambat arus pada aliran

tegangan balik. Selain itu dioda juga berfungsi sebagai penyearah untuk komponen

dioda brigde.

Gambar 2.5 Diagram rectifierhttp://google.co.id/

Gambar 2.6 Diodahttp://google.co.id

Arus yang diubah oleh rectifier adalah sebagai berikut :

Gambar 2.7 Diagram arus AC menuju rectifierhttp://google.co.id

Gambar 2.8 Diagram arus setelah melewati rectifierhttp://google.co.id

2.3. Jenis-Jenis Motor DC

a. Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya, motor DC dapat dibedakan atas : Motor DC penguat terpisah (separately excited) , yaitu motor DC yang menggunakan

arus penguat magnet yang diperoleh dari sumber arus searah di luar motor.

Gambar 2.9 Rangkaian motor DC penguat terpisah

Sumber: Marine Electrical, Sardono Sarwito

Motor DC penguat sendiri (self excited), yaitu motor DC yang menggunakan arus penguat magnet berasal dari motor DC itu sendiri.

b. Berdasarkan hubungan lilitan penguat magnet terhadap lilitan jangkar motor arus searah dengan penguat sendiri dapat dibedakan : Motor DC Shunt : motor DC yang menggunakan kumparan penguat yang

disambungkan pararel ( shunt ) dengan lilitan jangkar.

Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan kumparan motor DC (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).

Gambar rangkaian motor shunthttp://azzahratunnisa.wordpress.com

Motor DC seri : motor DC yang menggunakan lilitan penguat magnet yang dihubungkan seri dengan lilitan jangkar.

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 seperti pada gambar berikut.

Gambar rangkaian motor serihttp://azzahratunnisa.wordpress.com

Motor DC kompon : Pada motor kompon, lilitan penguat magnet dihubungkan secara paralel dan seri dengan lilitan jangkar. Sehingga, motor kompon memiliki 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. Motor DC yang menggunakan lilitan penguat magnet yang disambungkan seri dan pararel.

a. Motor DC kompon Panjangkumparan penguat medan tambahan diletakkan secara seri antara kumparan jangkar dan kumparan penguat medan pada motor DC shunt.

Gambar 2.10. Rangkaian Motor DC Kompon Panjang

Sumber: Marine Electrical, Sardono Sarwito

b. Motor DC kompon Pendek.Dimana tata letak kumparan penguat medan tambahan diletakkan seri dengan

kumparan medan pada motor DC shunt.

Gambar 2.9. Rangkaian Motor DC Kompon Pendek

Sumber: Marine Electrical, Sardono Sarwito

2.6 Pengereman

Pengereman motor DC ada 2 metode yaitu secara mekanik dengan menggunakan

shoe brake atau pedal rem, dan secara elektrik dengan 3 cara:

a. Pengereman dinamik

Pengereman yang dilakukan dengan melepaskan jangkar yang berputar dari sumber

tegangan dan memasangkan tahanan pada terminal jangkar.

b. Pengereman regeneratif

Dengan cara mengembalikan energi rotasi ke dalam sistem. Hal ini dapat dilakukan

ketika beban motor turun dan kecepatan motor menjadi lebih tinggi dari putaran

nominal (Ea > Vt) atau dengan kata lain fungsi motor berubah menjadi generator.

c. Pengereman plugging

Prinsipnya adalah hubungan ke sambungan jangkar dibalik sehingga motor akan

bekerja dengan membalikkan putaran. Metode ini pada umumnya digunakan dalam

mengontrol putaran pada lift/elevator.

2.7. Keuntungan dan Kerugian Motor DC

Keuntungan Kerugian

Motor DC mempunyai karakteristik kopel

kecepatan yang menguntungkan

dibandingkan motor lainnya.

Membutuhkan perawatan yang ekstra

Motor DC dapat diubah menjadi generator

DC dimana perbedaannya terletak pada arah

arus.

Lebih besar dan lebih mahal (jika

dibandingkan dengan motor AC induksi)

Kecepatan mudah diatur. Tidak cocok untuk aplikasi kecepatan tinggi

Sistem kontrolnya relatif lebih murah dan

sederhana

Tidak cocok untuk aplikasi berdaya besar

Untuk aplikasi berdaya rendah, motor DC

lebih h dari motor AC

Tidak cocok digunakan pada kondisi

lingkungan yang cepat berdebu

2.8. Perbedaan Motor AC dan DC

NO FAKTOR PEMBEDA MOTOR DC MOTOR AC

1 Suplai motor Arus DC Arus AC

2 komutator Ada Tidak ada

3 Daya Tetap bila kecepatan

turun

Turun bila kecepatan turun

4 Torsi Tinggi Rendah

5 Kecepatan Mudah dikendalikan Sulit dikendalikan

6 Gambar arus

2.9. Rugi – Rugi Pada Motor DC

Pada motor searah terdapat rugi / losses yaitu : Rugi listrik

Rugi ini diakibatkan oleh pemakaian konduktor tembaga. Rugi mekanis dapat dihitung dengan rumusan :

Rugi = I2.R ; R = tahanan konduktor (ohm) I = Arus listrik (Ampere)

Rugi besi/iron loss/core lossDiakibatkan oleh pemakaian besi ferromagnetik. Terdiri dari rugi histeris dan rugi arus eddy. Rugi ini bersifat konstan, sehingga kita tidak dapat mengetahui berapa besarnya.

Rugi HisterisisKerugian histerisis disebabkan oleh gesekan molekul yang melawan aliran gaya magnet di dalam inti besi. Gesekan molekul dalam inti besi ini menimbulkan panas. Panas yang timbul ini menunjukan kerugian energi, karena sebagian kecil energi listrik tidak dipindahkan , tetapi diubah bentuk menjadi energi panas.

Rugi arus eddyKerugian karena Eddy current (eddy current losses)Kerugian karena Eddy current disebabkan oleh aliran sirkulasi arus yang menginduksi logam. Ini disebabkan oleh aliran fluk magnetik disekitar inti besi. Karena inti besi trafo terbuat dari konduktor (umumnya besi lunak), maka arus Eddy yang menginduksi inti besi akan semakin besar.

Rugi mekanikRugi mekanis terdiri dari rugi geser pada sikat, rugi geser pada sumbu, dan rugi angin. Seperti pada rugi besi, rugi mekanis juga bersifat konstan sehingga besarnya rugi mekanis tidak dapat diketahui.

Pada saat tidak berbeban (beban = 0) maka tidak ada faktor daya luar yang menghambat daya input. P input = P luar + Losses = 0 + Losses

Vt. Im = Rugi tembaga + Rugi ( besi + mekanis )

Dan Rugi terbagi atas rugi besi + rugi mekanis. Karena P input dan rugi tembaga dapat dihitung, maka besarnya rugi tetap dapat diketahui. Saat motor DC berbeban, karena P input dan rugi tembaga dapat dihitung dengan rugi besi dan mekanis yang sudah diketahui besarnya, maka effisiensi dan P luar, dan torsinya dapat dihitung dengan rumusan

2.7. Aplikasi Motor DC

Untuk penggerak bagian-bagian dari crane seperti boom, spreader dan trolley.

maritimworld.web.id

Gambar 2.10 crane pelabuhanhttp://goo gle.com

Stearing Gears.

η= PluarPinput

×100 %

Torsi= Psh2 πn

= Ea . Ia2πn

Gambar 2.11 Steering gearhttp://goo gle.com

Radar Scanner

Gambar 2.12 dan 2.13 Radar Scanner

http://goo gle.com

Gambar 2.13 Motor Rudderhttp://goo gle.com