Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Mesin Listrik Arus Searah DC

Mesin arus searah bisa berupa generator DC atau motor DC. Untuk membedakan digunakan sebagai generator atau motor dari mesin difungsikan sebagai apa. Generator DC yaitu alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik DC. Motor DC yaitu alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik putaran.

Mesin Listrik Arus Searah

Sebuah motor DC bisa difungsikan sebagai generator, atau sebaliknya generator DC dapat difungsikan sebagai motor DC. Secara fisik mesin DC terlihat jelas saat rumah motor atau yang disebut stator dibongkar karena ada kutub-kutub magnet bentuknya menonjol (gambar 1).

Mesin DC yang sudah dipotong akan terlihat beberapa Komponen yang mudah dikenali. Pada bagian yang berputar dan berbentuk belitan kawat dan ditopang poros disebut sebagai rotor atau jangkar (gambar 2).

Mesin Listrik Arus Searah

Pada rotor mesin DC disalah satu ujungnya ada komutator yang merupakan kumpulan segmen tembaga, dan pada setiap ujungnya dihubungkan dengan ujung belitan rotor perhatikan (gambar 3).

Mesin Listrik Arus Searah

Komutator yaitu merupakan bagian yang perlu atau sering dibersihkan dan dirawat sebab pada bagian ini akan bersinggungan langsung dengan sikat arang untuk melewatkan arus dari jala-jala ke rotor.

Mesin Listrik Arus Searah

Sikat arang (carbon brush) yang dipegang oleh pemegang sikat (brush holder) (gambar 4) agar kedudukan sikat arang tetap stabil.Pegas akan menekan sikat arang sehingga hubungan antara sikat arang dengan komutator tidak goyah. Sikat arang lama kelamaan akan memendek karena usia pemakaian, dan secara periodik harus diganti dengan sikat arang yang baru.

Salah satu kelemahan dari mesin DC yaitu kontak mekanis antara komutator dan sikat arang yang harus tetap terjaga dan secara rutin dilakukan pemeliharaan. Namun mesin DC juga mempunyai keunggulan khususnya untuk menghasilkan pengaturan kecepatan yang stabil dan halus.

Motor DC banyak sekali digunakan pada industri kertas, tekstil, kereta api diesel elektrik, dsb. Mesin DC bisa difungsikan sebagai generator DC maupun sebagai motor DC. Ketika digunakan sebagai generator DC fungsinya yaitu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sedangkan ketika digunakan sebagai Motor DC fungsinya yaitu akan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Prinsip Kerja Generator DC

Prinsip kerja generator DC yaitu berdasarkan pada kaidah tangan kanan. Sepasang magnet permanen utara-selatan akan menghasilkan sebuah garis medan magnet Ф. Pada kawat penghantar yang diletakkan di atas telapak tangan kanan akan ditembus garis medan magnet Ф. Apabila kawat digerakkan ke arah ibu jari, maka pada kawat tersebut akan dihasilkan arus listrik I yang searah dengan keempat arah jari tangan (gambar 5).

Mesin Listrik Arus Searah

Bagaimana jika posisi utara-selatan magnet permanen ini dibalik? Ke mana arah arah arus listrik induksi yang dihasilkan?

Percobaan secara sederhana bisa dilakukan dengan memakai sepasang magnet permanen berbentuk U, sebatang kawat yang digantung pada kedua sisi ujungnya, pada ujung kawat dipasangkan Voltmeter (gambar 6).

Mesin Listrik Arus Searah

Batang kawat kemudian digerakkan ke arah panah, pada kawat akan dihasilkan ggl (gaya gerak listrik) induksi dengan tegangan yang terukur pada Voltmeter.

Besarnya ggl induksi yang dihasilkan:
ui = B.L.v.z Volt
ui Tegangan induksi pada kawat, V
B Kerapatan medan magnet, Tesla
L Panjang kawat efektif, meter
v Kecepatan gerak, m/detik
z Jumlah belitan kawat

Belitan pada kawat generator yang berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan yang selanjutnya disebut belitan rotor atau belitan jangkar.
  • Kedudukan I, pada saat rotor digerakkan searah jarum jam, kawat 1 tanda silang akan (menjauhi kita), kawat 2 tanda titik (mendekati kita) ggl induksi yang maksimum.
  • Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada garis netral ggl induksi yang sama dengan nol.
  • Posisi III kawat ini kebalikan dari posisi I dan ggl induksi tetap akan maksimum (gambar 7).

Mesin Listrik Arus Searah

Posisi tersebut diatas akan terjadi berulang-ulang selama rotor diputar pada porosnya, dan ggl induksi yang dihasilkan akan maksimum. Kemudian ggl induksi akan menjadi nol, selanjutnya ggl induksi menjadi maksimum akan terjadi berulang secara bergantian. GGL induksi yang didapatkan dari belitan rotor (gambar 7) bisa menghasilkan dua jenis listrik yang berbeda, yaitu listrik AC dan listrik DC.

Mesin Listrik Arus Searah

Apabila ujung belitan rotor dihubungkan dengan slipring yang berupa dua cincin (gambar 8a), maka akan dihasilkan listrik AC yang berbentuk sinusoidal. Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin (gambar 8b) dengan dua belahan. Maka akan dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif.

Mesin DC yang dikembangkan rotornya mempunyai banyak belitan dan komutator mempunyai beberapa segmen. Rotor mempunyai empat belitan dan komutator empat segmen, sikat arang dua buah, yang akan menghasilkan ggl induksi dengan empat buah buah gelombang pada setiap putaran rotornya (gambar 9).

Mesin Listrik Arus Searah

Tegangan DC yang mempunyai empat empat puncak. Medan magnet yang sebelumnya yaitu magnet permanen yang diganti menjadi elektromagnet, sehingga kuat medan magnet dapat diatur oleh besarnya arus penguatan medan magnet.

Pada belitan rotor akan dikembangkan menjadi belitan yang mempunyai empat cabang, komutator empat segmen dan sikat arang dua buah. Tegangan yang dihasilkan dari penjumlahan pada belitan 1-2 dan belitan 3-4 (gambar 10).

Mesin Listrik Arus Searah

Pada perkembangan berikutnya generator DC ini dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:
  1. Generator penguat terpisah
  2. Generator belitan Shunt
  3. Generator belitan Kompon

Penjelasan singkat tentang diagram pengawatan, karakteristik tegangan fungsi arus dan pengaturan tegangan bisa dilihat pada tabel di bawah.

* Prinsip pembangkitan listrik disini mengikuti kaidah tangan kanan Flemming, Untuk sepasang magnet permanen utara-selatan akan menghasilkan garis medan magnet Ф. Kawat penghantar di atas telapak tangan kanan ini akan ditembus oleh garis medan magnet Ф. Apabila kawat digerakkan ke arah ibu jari, maka pada kawat akan dihasilkan arus listrik I yang searah dengan keempat arah jari tangan.

* Komutator berfungsi untuk menyearahkan tegangan yang telah dihasilkan rotor menjadi tegangan DC.

Generator Penguat Terpisah

Mesin Listrik Arus Searah

Jenis dari generator penguat terpisah ada dua jenis yaitu penguat elektromagnetis (gambar 11a) dan magnet permanen (gambar 11b). Penguat elektromagnetis ini melalui belitan F1-F2 diberi sumber listrik DC dari luar, misalnya dengan baterai. Atau dengan mengatur besarnya arus eksitasi Ie, maka pada tegangan terminal rotor A1–A2 bisa dikendalikan.

Generator penguat terpisah digunakan dalam penggunaan khusus, misalnya pada Main Generator Lok Diesel Elektrik CC 201/CC203. Penguat dengan magnet permanen tegangan dengan output generator terminal rotor A1-A2 konstan. Karakteristik tegangan U yang relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit saat arus beban I dinaikkan mendekati nilai nominalnya (gambar 12).

Mesin Listrik Arus Searah

Generator Belitan Shunt

Mesin Listrik Arus Searah

Generator belitan Shunt E1-E2 dipasangkan dengan cara paralel dengan belitan rotor A1-A2 (gambar 13). Tegangan awal pada generator didapatkan dari magnet sisa yang berada pada medan magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, kemudian akan dihasilkan tegangan yang memperkuat medan magnet stator, hingga dicapai tegangan nominalnya. Dalam pengaturan arus eksitasi yang akan melewati belitan Shunt E1-E2 ini diatur oleh resistansi geser.

Semakin besar arus eksitasi Shunt maka akan semakin besar medan penguat Shunt dan tegangan terminal akan meningkat hingga pada tegangan nominalnya. Karakteristik tegangan U terhadap peningkatan arus ini relatif stabil, tegangan akan cenderung menurun saat arus I mendekati nilai nominalnya (gambar 14).

Mesin Listrik Arus Searah

Generator Belitan Kompon

Mesin Listrik Arus Searah

Generator belitan kompon disamping mempunyai belitan rotor A1-A2, juga mempunyai dua penguat magnet yaitu medan Seri notasi D1-D2 dan belitan penguat magnet Shunt notasi E1-E2 (gambar 15).

Belitan seri D1-D2 dihubungkan secara seri dengan rangkaian rotor A1-A2, sehingga arus yang ke beban sekaligus sebagai penguat Seri.
Belitan Shunt E1-E2 dihubungkan paralel dengan rangkaian belitan rotor. Arus eksitasi magnet Shunt Ie didapat dengan mengatur resistansi geser.

Generator penguat kompon yaitu kombinasi generator penguat Shunt dan generator seri. Karakteristik tegangan sebagai fungsi arus beban menghasilkan tegangan terminal yang konstan walaupun arus beban I mencapai nilai nominalnya (gambar 16).

Mesin Listrik Arus Searah

Konstruksi Generator DC

Mesin Listrik Arus Searah
Potongan melintang menunjukkan konstruksi generator DC (gambar 17). Generator DC ini terdiri dua bagian, yaitu stator bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor mesin DC yang berputar.

Bagian stator terdiri dari: rangka motor, terminal box, sikat arang, belitan stator, bearing.
Bagian rotor terdiri atas : komutator, belitan rotor, kipas rotor, poros rotor.

Bagian yang perlu menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah pada bagian sikat arang yang akan memendek dan harus diperiksa dan diganti secara periodik. Komutator harus selalu bersih dari kotoran sisa sikat arang dan serbuk arang yang menempel atau mengisi celah-celah komutator. Pakailah amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.

Reaksi Jangkar Generator DC

Medan magnet untuk generator DC berasal dari kutub elektromagnet, yang berupa belitan kawat yang diberikan listrik DC, dan diperoleh kutub Utara (North)-Selatan (South). Medan magnet akan melewati rotor seperti yang ditunjukkan arah panah (gambar 18).

Mesin Listrik Arus Searah

Dengan mengatur besarnya arus eksitasi yang melewati belitan magnet, maka semakin besar kuat medan magnet yang dihasilkan. Posisi garis netral tegak lurus dengan medan magnet. Dalam belitan rotor ini sesuai prinsip induksi yang dibangkitkan tegangan listrik, saat generator diberikan beban mengalir arus listrik pada belitan rotor. Ketika itu dalam rotor juga akan dibangkitkan medan elektromagnet, menurut prinsip hukum tangan kanan, arah medan magnetnya ke arah panah (gambar 19).

Mesin Listrik Arus Searah

Besar kecilnya medan magnet pada rotor berbanding lurus dengan besar kecilnya arus beban. Ketika arus beban maksimum, medan magnet rotor akan maksimum, ketika arus beban ini minimum, maka medan magnet rotor juga akan minimum. Interaksi antara medan magnet stator dengan medan elektromagnet rotor menyebabkan jalannya medan magnet menjadi bergeser beberapa derajat (gambar 20).

Mesin Listrik Arus Searah

Pergeseran garis netral ini searah dengan arah putaran rotor. Untuk menghasilkan tegangan maksimum, maka sikat arang yang semula segaris dengan garis magnet utama, sekarang bergeser beberapa derajat dari garis netral teoritis. Pergeseran garis netral disini akan melemahkan tegangan nominal generator, dan untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole).

Belitan magnet bantu yaitu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Kutub bantu ini akan memperpendek jalannya garis medan magnet. Dengan dipasang nya kutub bantu, sekarang garis netral kembali pada posisi semula. Dan kedudukan sikat arang tegak lurus segaris dengan kutub utamanya (gambar 21).

Mesin Listrik Arus Searah

Rangkaian kutub bantu dihubungkan secara seri dengan belitan rotor, sehingga kuat medan magnet kutub bantu yang didapatkan akan sebanding dengan arus ke beban. Kemudian untuk memperbaiki pengaruh reaksi jangkar, dikembangkan belitan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama. Baik pada belitan kutub utara-maupun pada kutub selatan (gambar 22).

Mesin Listrik Arus Searah

Sekarang dalam rangkaian generator DC mempunyai tiga belitan magnet, yaitu belitan magnet utama, belitan magnet bantu (interpole) dan belitan magnet kompensasi.

Tabel 1 Notasi pengenal belitan Generator DC
A = Belitan rotor/ jangkar
B = Belitan kutub magnet bantu
C = Belitan kutub magnet kompensasi
D = Belitan kutub seri
E = Belitan kutub Shunt
F = Belitan kutub terpisah

Rangkaian pada generator DC bisa dikenali dari diagram belitanya dan notasi pengenal kutub magnetnya. Pengawatan dengan belitan jangkar A1-A2, dihubungkan secara seri dengan magnet kutub bantu B1-B2 dan diseri juga dengan belitan magnet kutub kompensasi (gambar 23a).

Mesin Listrik Arus Searah

Pengawatan berikutnya yaitu terdiri kutub bantu kompensasi C1-C2 dan C3-C4 diseri dengan magnet bantu B1-B2 dan B3-B4 Dan pada tengah-tengah rangkaian terdapat belitan rotor, yang keseluruhannya disebut dengan rangkaian jangkar / rotor A1-A2 (gambar 23b).

Arah Putaran Mesin DC

Mesin Listrik Arus Searah

Sebuah mesin DC dengan belitan penguat Shunt E1-E2, dihubungkan secara paralel dengan rangkaian jangkar A1-A2 (gambar 24). Perhatikan pada terminal dengan notasi E1 dan A1 yang disatukan terhubung dengan sumber tegangan DC positif (+). Selanjutnya terminal notasi E2 dan A2 juga disatukan terhubung ke sumber DC negatif (-).

Arah mesin DC ditunjukkan dengan arah panah searah jarum jam. Arah arus DC ditunjukkan oleh panah dari E1 menuju E2 dan dari A1 menuju A2. Penyambungan tidak bisa dilakukan sembarangan namun dengan memperhatikan notasi angka dan jenis penguat magnetnya.

Berikut adalah diagram pengawatan mesin DC penguat Kompon. Yang terdiri dari penguat magnet Seri notasi D1-D2. Penguat magnet Shunt E1-E2 yang terhubung dengan resistansi geser yang mengatur besaran arus eksitasi (gambar 25a). Rangkaian jangkar dengan notasi terminal A1-A2.

Mesin Listrik Arus Searah

Perhatikan konfigurasi pertama yaitu, sumber DC positif (+), terminal A2, belitan jangkar A1, ke terminal D2, belitan seri D1, kembali ke sumber DC negatif (-). Arus eksitasi dari resistansi geser ke E1, kemudian ke belitan Shunt E2, dan ke sumber DC negatif.

Konfigurasi kedua yaitu, saat jangkar diputar arah panah (searah jarum jam), A1 akan menghasilkan tegangan positif (+) ke sumber DC. Arah arus DC pada belitan seri dari D1 akan menuju D2, dan arus di belitan Shunt dari E1 akan menuju E2. Terminal D1 dan E2 terhubung ke sumber DC negatif (-).

Prinsip kerja Motor DC

Prinsip motor listrik yang berdasarkan pada kaidah tangan kiri. Yaitu sepasang magnet permanen utara - selatan yang menghasilkan garis medan magnet Ф, kawat penghantar diatas telapak tangan kiri dan ditembus garis medan magnet Ф. Apabila kawat dialirkan arus listrik DC sebesar I yang searah keempat jari tangan, maka kawat akan mendapatkan gaya sebesar F searah ibu jari (gambar 26).

Mesin Listrik Arus Searah

Bagaimana jika posisi utara-selatan magnet permanen ini dibalik ? Ke mana arah gaya yang akan dirasakan pada batang kawat ? coba Anda lakukan peragaan dengan tangan kiri Anda.

Percobaan sederhana dari prinsip kerja motor bisa dilakukan dengan memakai sepasang magnet permanen yang berbentuk U. Dengan cara sebatang kawat digantung pada kedua sisi ujungnya, pada ujung kawat dihubungkan dengan sumber listrik DC (gambar 27).

Mesin Listrik Arus Searah

Arus listrik akan mengalir dari terminal positif (+) ke batang kawat sebesar I amper menuju ke terminal negatif (-). Kemudian kawat yang dipotong oleh garis medan magnet, pada batang akan menghasilkan hasilkan gaya tolak yaitu sebesar F searah panah.

Besarnya gaya F yang dihasilkan:
F = B.I. L.z Newton

dimana:
F = Gaya pada kawat, Newton
B = Kerapatan medan magnet, Tesla
I = Arus mengalir di kawat, Amper
L = Panjang kawat efektif, meter
z = Jumlah belitan kawat

Konstruksi motor DC ini terdiri dari dua bagian, yaitu stator bagian motor yang diam dan rotor bagian motor yang bergerak/berputar. Belitan pada stator ini merupakan elektromagnet, dengan penguat magnet yang terpisah F1-F2. Belitan jangkar akan ditopang oleh poros dengan ujung-ujungnya yang terhubung ke komutator dan sikat arang A1-A2 (gambar 28).

Mesin Listrik Arus Searah

Arus listrik DC pada penguat magnet akan mengalir dari F1 menuju ke F2 yang kemudian menghasilkan medan magnet yang memotong belitan jangkar. Belitan jangkar ini diberikan listrik DC dari A2 menuju ke A1. Sesuai dengan kaidah tangan kiri jangkar akan berputar berlawanan arah jarum jam.

Terjadinya gaya torsi pada jangkar ini disebabkan oleh hasil interaksi dari dua garis medan magnet. Kutub magnet akan menghasilkan garis medan magnet dari utara-selatan yang melewati jangkar. Belitan pada jangkar yang dialirkan arus listrik DC akan mengasilkan medan magnet dengan arah kekiri yang ditunjukkan panah (gambar 29).

Mesin Listrik Arus Searah

Interaksi pada kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang dihasilkan oleh jangkar membuat jangkar mendapatkan gaya torsi putar yang berlawanan arah jarum jam. Untuk menghasilkan medan magnet stator yang bisa diatur, maka dibuat belitan elektromagnet yang bisa diatur besarnya arus eksitasinya.

Percobaan untuk mengecek apakah pada belitan jangkar bisa berfungsi dengan baik, dan tidak ada yang putus atau hubung-singkat dengan inti jangkarnya periksa (gambar 30).

Mesin Listrik Arus Searah

Poros jangkar yang ditempatkan pada dudukan yang dapat berputar bebas. Alirkan arus listrik DC melalui komutator, kemudian dekatkan sebuah kompas dengan jangkar, dan lakukan pengamatan pada jarum kompas akan berputar ke arah jangkar.

Hal tersebut bisa membuktikan adanya medan elektromagnet pada jangkar, yang berarti belitan jangkar bisa berfungsi dengan baik. Namun bila jarum kompas diam dan tidak bereaksi, artinya tidak terjadi elektromagnet karena belitan ada yang putus atau hubung-singkat ke inti jangkar.

Starting Motor DC

Belitan jangkar nilai resistansi sangat kecil, ketika starting arus starting akan besar sekali yang mengalir pada rangkaian jangkar. Hal ini bisa merusak belitan jangkar A1-A2, komutator dan pada sikat arang. Agar arus starting kecil, maka harus ditambahkan resistansi awal pada rangkaian jangkar RV (gambar-6.31).

Mesin Listrik Arus Searah

Setelah motor berputar hingga dicapai putaran nominalnya resistansi awal RV tidak difungsikan. Kemudian untuk mengatur putaran motor DC bisa dilakukan dengan mengatur arus eksitasi penguat medan magnet dengan resistansi geser yang dipasang secara seri dengan belitan penguat Shunt E1-E2.

Pengatur Starting dan pengatur putaran motor DC yaitu merupakan satu perangkat yang bisa dipasang pada sebagai pengendali motor DC. Resistansi pengendali motor DC dihubungkan secara seri dengan jangkar motor DC, resistansi totalnya yaitu sebesar (RV + Rjangkar). Resistansi depan Jangkar RV bisa dibuat dalam empat step, step pertama memiliki nilai resistansi maksimum, arus yang mengalir ke rangkaian jangkar sebesar I = U/(RV + Rjangkar).

Nilai resistansi akan digeser ke step kedua, selanjutnya step tiga, step empat dan pada step terakhir arus yang mengalir ke jangkar adalah arus nominalnya. Karakteristik dari arus jangkar fungsi resistansi RV + Rjangkar (gambar 32).

Mesin Listrik Arus Searah

Rangkaian motor DC dengan penguat magnet yang terpisah. Rangkaian jangkar terdiri dari resistansi jangkar RA. Saat belitan jangkar berada pada medan magnet dan posisi jangkar berputar, pada jangkar muncul gaya gerak listrik yang arahnya berlawanan (gambar 33).

Mesin Listrik Arus Searah

Pada belitan jangkar akan terjadi drop tegangan yaitu sebesar (IA.RA).

Persamaan tegangan motor DC
UA = Ui + IA. Rdan Ui ≈ ФE .n

dimana:
UA = Tegangan sumber DC
Ui = Tegangan lawan
IA = Arus jangkar
RA = Resistansi belitan jangkar
ФE = Fluk Magnet
n = Putaran motor

Pengaturan Kecepatan Motor DC

Ketika motor DC berputar maka pada rangkaian jangkar akan terjadi ggl lawan sebesar Ui. Apabila tegangan sumber DC yaitu UA diatur besarannya, kemudian apa yang terjadi dengan putaran motor DC?

Besarnya tegangan lawan Ui berbanding lurus dengan putaran motor dan berbanding terbalik dengan medan magnetnya Ui ≈ ФE.n. Apabila arus eksitasi Ie dibuat konstan maka fluk medan magnet ФE akan konstan. Sehingga persamaan untuk putaran motor menggunakan rumus n ≈ U/ ФE. Sehingga bila tegangan sumber DC diatur besarannya, maka putaran pada motor akan berbanding lurus dengan tegangan ke rangkaian jangkar (gambar 34).

Mesin Listrik Arus Searah

Pengaturan pada tegangan sumber DC yang akan menuju ke rangkaian jangkar ini memakai sumber listrik AC tiga phasa dan dengan penyearah gelombang penuh tiga buah dioda dan tiga buah thyristor (gambar 35).

Mesin Listrik Arus Searah

Fuse F1 berfungsi untuk mengamankan rangkaian dioda dan thyristor bila terjadi suatu gangguan pada belitan motor DC. Dengan mengatur sudut phasa triger, maka ketika penyalaan thyristor bisa diatur besarnya tegangan DC yang akan menuju rangkaian jangkar A1-A2. Pada belitan penguat terpisah F1-F2 akan diberikan sumber DC dari luar, dan besarnya arus eksitasi dibuat konstan besarnya.

Apa yang terjadi bila tegangan sumber DC dibuat konstan dan untuk pengaturan putaran dilakukan dengan mengatur arus eksitasinya?

Persamaan untuk tegangan jangkar Ui ≈ ФE.n. atau pada putaran motor n ≈ Ui / ФE, dengan tegangan Ui konstan, maka karakteristik putaran n akan berbanding terbalik dengan fluk magnet (1/ФE). Artinya saat arus eksitasi dinaikkan dan harga fluk magnet ФE akan meningkat, dan yang terjadi justru putaran motor DC akan semakin menurun (gambar 36).

Mesin Listrik Arus Searah

Dari penjelasan dua kondisi diatas yang digunakan untuk mengatur putaran motor DC untuk menghasilkan momen torsi konstan yaitu dengan pengaturan tegangan ke jangkar.

Reaksi Jangkar pada Motor DC

Mesin Listrik Arus Searah

Reaksi jangkar pada motor DC kejadiannya ini mirip dengan reaksi jangkar pada generator DC yang sudah pernah dibahas sebelumnya. Reaksi jangkar akan membuat garis netral bergeser beberapa derajat dari posisi semula/awal. Agar garis netral kembali pada kondisi teoritis, dan sikat arang pada kedudukan awal/semula maka dipasang sebuah kutub bantu yang ditempatkan pada antara kutub magnet utama (gambar 37).

Belitan pada kutub bantu dihubungkan secara seri dengan rangkaian jangkar, fungsinya agar pada setiap kenaikan beban maka arus yang akan menuju kutub bantu sama besarnya dengan arus yang menuju rangkaian jangkar. Sehingga reaksi jangkar yang terjadi pada motor bisa terkendali secara otomatis oleh kutub bantu.

Motor DC menurut belitan penguat magnetnya terbagi menjadi empat jenis, yaitu :

1. Motor belitan seri D1-D2
2. Motor penguat terpisah F1-F2
3. Motor belitan Shunt E1-E2 dan motor belitan Kompon gabungan dari motor Shunt E1- E2
4. Motor belitan seri D1-D2.

Tabel di bawah ini menunjukkan diagram pengawatan pada keempat jenis motor DC.
Berikut karakteristik putaran n terhadap perubahan pada momen torsi beban.
1. Motor Seri
2. Motor penguat terpisah
3. Motor penguat Shunt
4. Motor Kompon

Mesin Listrik Arus Searah

Motor Belitan Seri

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC secara Seri mudah dikenali dari terminal box mempunyai belitan jangkar notasi A1-A2 dan belitan seri notasi D1-D2 (gambar 38).

Pada rangkaian jangkar A1-A2, ada dua belitan penguat yaitu kutub kompensasi dan kutub bantu, pada keduanya ini berfungsi untuk memperbaiki efek reaksi jangkar. Aliran sumber DC positif (+), akan melewati resistansi depan RV yang fungsinya yaitu untuk starting awal motor seri. Selanjutnya ke terminal A1, melewati jangkar ke terminal A2, lalu dikopel dengan D1, melewati belitan seri, ke terminal D2 dan menuju ke terminal negatif (-).

Belitan secara seri D1-D2 mempunyai penampang besar dan jumlah belitannya yang sedikit.
Karena dihubungkan secara seri dengan belitan jangkar, maka arus eksitasi pada belitan sebanding dengan arus beban. Saat beban dinaikkan, arus beban akan meningkat dan justru putaran yang menurun.

Motor seri harus selalu pada kondisi diberikan beban, sebab ketika tidak berbeban dan arus eksitasinya kecil. Maka yang terjadi adalah putaran motor akan sangat tinggi sehingga bisa membuat motor ”terbang”, dan menjadi sangat berbahaya. Motor seri banyak digunakan pada beban awal yang berat dengan momen gaya yang tinggi putaran motor akan rendah (gambar 39), seperti pada penggunaan motor stater mobil.

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC Penguat Terpisah

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC penguat terpisah dilihat dari terminal box dimana belitan jangkarnya A1-A2 dan belitan penguat terpisah F1-F2 (gambar 40). Aliran listrik dari sumber DC positif (+) yang melewati resistansi geser untuk starting awal, akan menuju terminal A1, ke belitan jangkar ke terminal A2 dan menuju negatif (-).

Penguat terpisah dari sumber DC positif (+), yang menuju F2 belitan terpisah oleh terminal F1 melewati resistansi geser pengatur arus eksitasi yang menuju negatif (-). Resistansi depan dipakai ketika starting agar arus jangkar bisa terkendali dan tidak merusak belitan jangkar atau merusak komutatornya.

Resistansi geser pengatur arus eksitasi penguat terpisah F1-F2 akan mengatur putaran pada range yang sempit, misalnya dari putaran maksimum 1500 rpm hingga 1400 rpm saja. Karakteristik dari putaran terhadap pembebanan momen, ketika beban nol putaran motor pada posisi n0, Motor kemudian diberikan beban maksimum dan putaran motor menjadi nn. Motor penguat terpisah dipakai pada beban yang relatif konstan dan tidak berubah secara drastis (gambar 41).

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC Belitan Shunt

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC belitan Shunt bila dilihat dari terminal box ada rangkaian jangkar A1-A2 dan belitan Shunt E1-E2 (gambar 42). Pengendali pada motor DC Shunt terdiri dari dua resistansi geser yang mempunyai fungsi berbeda. Satu resistansi geser fungsinya yaitu sebagai starting motor DC, dihubungkan secara seri dengan jangkar A1-A2 tujuannya yaitu agar arus starting terkendali.

Satu lagi resistansi geser disambungkan dengan belitan Shunt E1-E2, gunanya yaitu untuk mengatur arus eksitasi Shunt. Aliran daya dari sumber DC positif (+) akan melewati resistansi geser ke terminal A1, kemudian melewati rangkaian jangkar dengan belitan bantu, menuju terminal A2, dan menuju ke sumber DC negatif (-).

Dari positif (+) sumber DC setelah melewati resistansi geser, kemudian menuju terminal E1, ke belitan Shunt, lalu ke terminal E2 dan kembali ke sumber DC negatif (-).

Motor DC Belitan Kompon

Mesin Listrik Arus Searah

Motor DC Belitan Kompon yaitu merupakan penggabungan dari dua karakteristik yaitu motor DC belitan seri dan motor DC belitan Shunt (gambar 43). Pada terminal box mempunyai enam terminal, yang terdiri dari rangkaian jangkar A1-A2, belitan Shunt E1-E2 dan juga belitan seri D1-D2. Mempunyai dua resistansi geser, satu resistansi geser untuk mengatur starting motor diseri dengan rangkaian jangkar A1-A2.

Resistansi geser yang satunya lagi yaitu untuk mengatur arus eksitasi yang menuju belitan Shunt E1-E2. Aliran sumber DC positif (+) akan melewati resistansi geser untuk starting, menuju terminal A1, ke rangkaian jangkar dan belitan kutub bantu, ke terminal A2, dikopel terminal D1, ke belitan seri, ke terminal D2 ke sumber DC ne gatif (-).

Sumber daya DC positif (+) akan melewati resistansi geser dan mengatur arus eksitasi ke terminal E1, ke belitan Shunt, ke terminal E2, dikopel terminal D2 kembali ke sumber DC negatif (-). Karakteristik dari putaran n sebagai momen torsi beban yaitu merupakan gabungan dari karakteristik motor Shunt yang mempunyai putaran yang relatif konstan. Dan kerakteristik secara seri pada momen kecil dengan putaran yang relatif tinggi (gambar 44).

Mesin Listrik Arus Searah

Pengaturan putaran bisa dilakukan dengan pengaturan medan Shunt, dengan range putaran yang relatif rendah dalam orde ratusan rpm. Dengan putaran maksimal 1500 rpm dan putaran minimal 1400 rpm. Untuk menghasilkan range pengaturan putaran yang lebar dilakukan dengan mengatur tegangan yang masuk ke rangkaian jangkarnya.

Belitan Jangkar Motor DC

Mesin Listrik Arus Searah

Belitan jangkar Motor DC ini berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl (gaya gerak listrik) imbas. Belitan jangkar ini terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang didalam alur jangkar. Pada tiap-tiap kumparan bisa tediri dari belitan kawat atau belitan batang.

Z = Jumlah dari penghantar/kawat jangkar atau batang jangkar.
Zs = Jumlah dari kawat untuk tiap sisi kumparan
S = Jumlah sisi dari kumparan.

Pada tiap-tiap kumparan memiliki dua sisi kumparan dan jumlahnya harus genap. Setiap alur dapat dipasang dua sisi kumparan atau lebih dalam dua lapisan bertumpuk seperti pada (gambar 46).

Mesin Listrik Arus Searah

Dalam setiap alur terdapat 2U sisi kumparan, maka jumlah alur G adalah :



Jika dalam tiap-tiap kutub memiliki 8 s/d 18 alur, maka :

G = ( 8 – 18 ) 2p

Setiap kumparan dihubungkan dengan kumparan berikutnya lewat lamel komutator, sehingga pada semua kumparan terhubung secara seri dan merupakan rangkaian tertutup. Pada setiap lamel dihubungkan dengan dua sisi kumparan sehingga jumlah lamel k, yaitu:

S = 2 . k



Jika pada setiap alur terdapat dua sisi kumparan (U = 1) maka jumlah lamel juga akan sama dengan jumlah alur


Belitan Gelung

Mesin Listrik Arus Searah

Apabila kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa sehingga pada setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya maka hubungan tersebut dinamakan belitan gelung. Perhatikan gambar (47) Prinsip Belitan gelung.

Y = kisar belitan, menyatakan jarak antara lamel awal dan lamel berikutnya melalui kumparan.
YC = kisar komutator, atau jumlah lamel yang melewati komutator.
Y1 , Y2 = kisar bagian.
Y = Y1 + Y2 = 2.YC

Pada belitan gelung kisar yang berada di bagian Y2 mundur atau negatif. Setiap kumparan memiliki satu sisi benomor ganjil dan satu sisi yang bernomor genap, karena itu Y1 dan Y2 selamanya harus merupakan sebuah bilangan ganjil.

Kisar bagian Y1 ini ditetapkan oleh lebar kumparan, dan diperkirakan sama dengan jarak kutub-kutub. Jika lebar kumparan dinyatakan dengan jumlah alur, ini biasanya dinyatakan dengan kisar Yg.



Kisar pada bagian Y1 biasanya dinyatakan dengan sejumlah sisi kumparan yang harus dilewati supaya dari sisi yang satu hingga pada sisi berikutnya. Pada setiap alur dimasukkan sisi kumparan 2U dan secara serempak beralih dari lapisan atas ke lapisan bawah, karena itu

Y1 = 2 . U . Yg + 1

Kisar pada bagian Y1 ini menentukkan cara menghubungkan ujung kumparan yang satu dengan kumparan berikutnya lewat lamel komutator, kisar Y2 disebut juga dengan kisar hubung.

Y2 = 2 . YC – Y1

Contoh :
2p = 2 ,G = k = 8, S =16, dan U = 1 rencanakan belitan gelung tunggalnya :

Y1 = 2 . U . Yg + 1
= 2 .1 . 4 + 1
= 9

YC = 1

Y2 = 2. YC –Y1
= 2 . 1 - 9
= -7

Tabel 3
Hubungan antara Sisi Kumparan dengan Lamel Belitan Gelung
LAMEL
SISI KUMPARAN
LAMEL
1
1 – 10
2
2
3 – 12
3
3
5 – 14
4
4
7 – 16
5
5
9 – 2
6
6
11 – 4
7
7
13 – 6
8
8
15 – 8
1

Belitan Gelung Majemuk

Mesin Listrik Arus Searah

Belitan Gelung Majemuk ini terdiri dari dua belitan gelung tunggal atau lebih, yang dililit secara simetris antara gelung satu dengan yang lainnya. Pada belitan gelung tunggal banyaknya cabang paralel yaitu sama dengan banyaknya jumlah kutub (2p) dari mesin tersebut. Sedangkan pada belitan gelung majemuk yang memiliki m gelung tunggal, banyaknya cabang paralel yaitu:

a = m . p .
Yc= m
Y2 = 2 . m – Y1

Kemudian untuk menentukan Y1 sama seperti pada belitan gelung tunggal. Untuk menghasilkan belitan gelung majemuk tertutup ujung belitan terakhir harus kembali lagi ke lamel awal/permulaan.

Belitan Gelombang

Belitan Gelombang Tunggal

Mesin Listrik Arus Searah

Pada belitan gelombang kisar, komutator Yc lebih besar jika dibandingkan dengan Yc pada belitan gelung. Kisar bagian pada belitan gelombang memiliki nilai positif (maju).



Contoh :
2p = 4 ;; S = 42 ;; G = k = 21 ;; u = 1


Kita ambil Yc =10



Kemudian kita bulatkan menjadi 5

Y1 = 2 . u . YG + 1 = 2 .. 1.5 + 1 = 11

dan Y2 = 2 . Yc – Y1 = 2 . 10 – 11 = 9

Tabel 4
Hubungan antara Sisi Kumparan dengan Lamel Belitan Gelombang
LAMEL
SISI KUMPARAN
LAMEL
1
1 – 12
11
11
21 – 32
21
21
41 – 10
10
10
19 – 30
20
20
39 – 8
9
9
17 – 28
19
19
37 – 6
8
8
15 – 26
18
18
35 – 4
7
7
13 – 24
17
17
33 – 2
6
6
11 – 22
16
16
31 – 42
5
5
9 – 20
15
15
29 – 40
4
4
7 – 18
14
14
27 – 38
3
3
5 – 16
13
13
25 – 36
2
2
3 – 14
12
12
23 – 34
1
Pada belitan gelombang tunggal banyaknya sikat yang dibutuhkan yaitu hanya dua buah, dan tidak tergantung pada jumlah kutubnya.

Belitan Gelombang Majemuk

Mesin Listrik Arus Searah

Jika nilai arus atau tegangan yang dibutuhkan tidak dapat dipenuhi dengan belitan gelung atau gelombang tunggal, maka bisa diatasi dengan belitan gelombang majemuk. Belitan gelombang majemuk ini terdiri dari dua belitan gelombang tunggal atau lebih. Pada setiap belitan gelombang tunggal terdiri dari dua cabang paralel, untuk gelombang majemuk a = 2 . m



Berdasarkan pada penjelasan di atas maka bisa dilihat perbedaan-perbedaan yang ada pada belitan gelung dan gelombang yaitu :

Belitan Gelung

1. Digunakan untuk generator bertegangan rendah, arus besar.
2. Ujung-ujung pada kumparan disambung pada lamel yang berdekatan.
3. Pada belitan gelung tunggal, arus yang mengalir pada jangkar terbagi menjadi sesuai dengan jumlah kutub.
4. Pada belitan gelung majemuk, arus yang mengalir akan terbagi sesuai dengan rumusan a = m . p.
5. Pada sisi kumparan terbagi pada dua bagian, yaitu berada dihadapan kutub utara dan kutub selatan.

Belitan Gelombang

1. Digunakan untuk generator bertegangan tinggi, arus rendah.
2. Pada belitan gelombang tunggal ujung-ujung kumparan disambungkan pada lamel komutator dengan jarak mendekati 360° Listrik.
3. Jumlah pada cabang paralel dalam belitan gelombang tunggal adalah 2 (dua), meskipun jumlah kutubnya > 2.
4. Pada belitan gelombang tunggal penghantar-penghantar pada masing-masing cabang, ditempatkan terbagi rata pada seluruh permukaan kutub-kutubnya.
5. Belitan gelombang majemuk dipakai bila dengan belitan gelung atau gelombang tunggal arus atau tegangan yang dibutuhkan tidak tercapai.

Rugi-rugi Daya dan Efisiensi Motor DC

Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dibagi menjadi:
  • Rugi- rugi tembaga atau listrik.
  • Rugi-rugi besi atau magnet.
  • Rugi-rugi mekanis.

Rugi-rugi Tembaga atau Listrik

Rugi tembaga atau listrik ini terjadi karena adanya resistansi pada belitan jangkar dan belitan medan magnet. Rugi tembaga akan diubah menjadi panas pada kawat jangkar ataupun kawat penguat magnet.

Desain pada Motor DC dilengkapi dengan kipas rotor yang tujuannya untuk menghembuskan udara luar masuk kedalam jangkar dan juga mendinginkan panas yang terjadi akibat dari rugi-rugi tembaga.
Rugi-rugi pada tembaga dari belitan:
  • Rugi tembaga yang terjadi pada jangkar → Ia2. Ra Watt
  • Rugi tembaga medan terdiri dari:
Ish2.Rsh Watt → Motor Shunt/ Motor Kompon
Is2.Rs Watt → Motor Seri/ Motor Kompon

Rugi-rugi Besi atau Magnet

- Rugi Histerisis
Ph = ɳ.Bmax X f . V Watt
ɳ = Koefisien Histerisis Steinmetz
Bmax = Kerapatan fluks

f = Frekuensi dlm Hertz
V = Volume inti (m3)
nilai x = antara 1,6 s/d 2

Arus Pusar (Eddy Current)

Inti pada stator dan inti pada jangkar motor terdiri atas tumpukan plat tipis dari bahan fero magnetis. Tujuan dari pemilihan plat tipis yaitu untuk menekan rugi-rugi arus eddy yang terjadi pada Motor DC
.
Pe = Ke.Bmax2 . f2 . V . t2 Watt
Ke = Konstanta arus pusar
t = Ketebalan dari inti magnit (m)

Rugi Mekanis

Rugi mekanis yang terjadi pada motor dikarenakan oleh adanya gesekan dan hambatan angin, seperti yang terjadi pada bagian poros motor.

Efisiensi Motor

Efisiensi yaitu presentase perbandingan daya keluar dan daya masuk yang terjadi pada motor tersebut.

Mesin Listrik Arus Searah

Rangkuman

  • Mesin arus searah bisa berupa generator DC atau motor DC. Generator DC yaitu alat yang bisa mengubah energi mekanik menjadi energi listrik DC. Motor DC yaitu alat yang bisa mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik putaran.
  • Mesin DC terdiri dua bagian, yaitu bagian stator dan bagian rotor.
  • Komutator yaitu merupakan kumpulan segmen tembaga yang pada setiap ujungnya dihubungkan dengan ujung belitan rotor.
  • Prinsip kerja dari generator DC yaitu berdasarkan pada kaidah tangan kanan Fleming.
  • Hukum tangan kanan Fleming, apabila telapak tangan kanan ditembus garis medan magnet Ф. Dan kawat digerakkan ke arah ibu jari, maka pada kawat akan dihasilkan arus listrik I yang searah dengan keempat arah jari tangan.
  • Besarnya ggl (gaya gerak listrik) induksi yang dibangkitkan : ui = B.L.v .z Volt
  • Apabila ujung belitan rotor disambungkan dengan slipring berupa dua cincin, maka akan dihasilkan listrik AC yang berbentuk Sinusoidal.
  • Komutator berfungsi untuk menyearahkan tegangan yang dihasilkan oleh rotor menjadi tegangan DC.
  • Sikat arang berhubungan dengan komutator, tekanan dari sikat arang diatur oleh tekanan pegas yang sudah ditentukan.
  • Pada perkembangan berikutnya generator DC dibagi menjadi tiga jenis, yaitu: Generator Penguat Terpisah, Generator Belitan Shunt, dan Generator Belitan Kompon.
  • Generator penguat terpisah memiliki ada dua jenis yaitu 1). penguat elektromagnetis 2). magnet permanen.
  • Generator DC penguat terpisah dengan penguat elektromagnetis digunakan pada Lokomotif Diesel Elektrik jenis CC201 dan CC203.
  • Generator belitan Shunt, penguat medan Shunt E1-E2 dipasangkan secara paralel dengan belitan rotor A1-A2. Dengan mengatur arus eksitasi Shunt bisa mengatur tegangan terminal generator.
  • Generator belitan Kompon mempunyai belitan rotor A1-A2, mempunyai dua penguat magnet yaitu medan Seri notasi D1-D2 yang terhubung seri dan belitan penguat magnet Shunt notasi E1-E2 yang terhubung paralel.
  • Bagian stator motor DC terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing, terminal box, dan sedangkan pada bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor, poros rotor.
  • Komutator secara periodik akan dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, pakailah amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.
  • Pergeseran garis netral hasil dari interaksi antara medan magnet stator dengan medan elektromagnet rotor menyebabkan jalannya medan magnet bergeser beberapa derajat.
  • Dengan dipasang kutub bantu garis netral kembali ke posisi awal/semula.
  • Notasi belitan pada mesin DC ditandai dengan huruf A, B, C, D, E dan F.
  • Huruf A yaitu belitan jangkar, B belitan kutub magnet Bantu, C belitan kutub magnet kompensasi, D belitan kutub Seri dan F belitan kutub Shunt.
  • Motor DC untuk mengubah arah putaran rotor, bisa dilakukan dengan membalik aliran arus yang melalui rangkaian jangkarnya.
  • Prinsip motor listrik yaitu berdasarkan pada kaidah tangan kiri Fleming.
  • Kaidah tangan kiri Flemming menyatakan apabila kawat penghantar di atas telapak tangan kiri akan ditembus garis medan magnet Ф. Pada kawat akan dialirkan arus listrik DC sebesar I searah keempat jari tangan, maka pada kawat akan mendapatkan gaya sebesar F searah ibu jari.
  • Besarnya gaya F yang akan dibangkitkan : F = B.I. L.z Newton.
  • Konstruksi pada motor DC terdiri dari dua bagian, yaitu bagian stator bagian motor yang diam dan bagian rotor atau motor yang berputar.
  • Percobaan untuk melihat apakah belitan jangkar sudah berfungsi dengan baik, tidak ada yang putus atau hubung-singkat, yaitu hubungkan komutator dengan sumber DC, tempatkan kompas disekeliling jangkar.
  • Apabila jarum kompas menunjuk ke arah jangkar belitan artinya jangkarnya bagus. Apabila kompas tidak bereaksi apapun, bisa dipastikan belitan jangkarnya ada yang putus.
  • Untuk menghambat arus starting yang besar, bisa dipasang resistansi secara seri pada rangkaian belitan jangkar.
  • Persamaan putaran motor menggunakan rumus n ≈ Ui/ФE, sehingga bila tegangan sumber DC diatur besarannya, maka putaran pada motor akan berbanding lurus dengan tegangan ke rangkaian jangkar.
  • Pengaturan tegangan jangkar dari sumber listrik AC, memakai thyristor dengan mengatur arus gate/gerbang nya, dengan demikian tegangan ke jangkar bisa diatur dan putaran motor bisa dikendalikan.
  • Reaksi jangkar akan membuat garis netral bergeser beberapa derajat dari posisi semula/awal, untuk mengatasinya bisa dipasangkan kutub bantu untuk meminimalkan akibat dari reaksi jangkar.
  • Ada empat jenis motor DC berikut karakteristik putaran n terhadap perubahan momen torsi beban. a). Motor Seri, b). Motor penguat terpisah, c). Motor penguat Shunt, d). Motor Kompon.
  • Motor Seri banyak digunakan pada beban awal yang berat dengan momen gaya yang tinggi putaran motor akan rendah, misalnya pada motor stater mobil.
  • Motor penguat terpisah dipakai pada beban relatif konstan dan tidak akan berubah secara drastis.
  • Belitan jangkar Motor DC yaitu berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl (gaya gerak listrik) imbas.
  • Belitan jangkar ada dua jenis, yaitu belitan jangkar gelung dan belitan jangkar gelombang
  • Apabila kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya, maka hubungan itu disebut dengan belitan gelung.
  • Pada belitan gelombang, kisar komutator Yc lebih besar jika dibandingkan dengan Yc pada belitan gelung.
  • Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dibagi menjadi: a). Rugi-rugi tembaga atau listrik. b). Rugi-rugi besi atau magnet. dan c) Rugi-rugi mekanis.
  • Rugi tembaga (Ia2 . Ra) akan dirubah menjadi panas dalam kawat jangkar ataupun kawat penguat magnet.
  • Rugi besi dan magnet bisa terjadi pada besi inti stator dan rotor, tumpukan plat tipis dari bahan fero magnetis, tujuan dari pemilihan plat tipis yaitu untuk menekan rugi-rugi arus Eddy
  • Rugi mekanis yang terjadi pada motor dikarenakan oleh adanya gesekan dan hambatan angin
  • Efisiensi yaitu presentase perbandingan daya keluar dan daya masuk yang terjadi pada motor