MOTOR DC
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 DC
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.
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.
Gmabar 4. Medan Magnet Mengeliligi 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 adalah corveyors,
rotary kilns, dan pompa displacement konstan.
§ Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatn
operasi. Contoh beban dengan variabel torque
adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat
kecepatan).
Peralatan Energi Listrik : Motor Listrik.
§ 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.
Prinsip Arah Putaran Motor
Untuk menentukan arah putaran motor
digunakan kaedah Flamming tangan kiri. Kutub-kutub magnet akan menghasilkan
medan magnet dengan arah dari kutub utara ke kutub selatan. Jika medan magnet
memotong sebuah kawat penghantar yang dialiri arus searah dengan empat jari,
maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini disebut gaya Lorentz, yang besarnya sama dengan F.
Prinsip motor : aliran arus di dalam
penghantar yang berada di dalam pengaruh medan magnet akan menghasilkan
gerakan. Besarnya gaya pada penghantar akan bertambah besar jika arus yang
melalui penghantar bertambah besar.
Contoh :
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.
Jawab :
F = B.I.ℓ.z = 0,8 (Vs/m2). 10A. 0,15 m.400
= 480 (Vs.A/m)
= 480 (Ws/m) = 480 N.
Electromotive Force (EMF) / Gaya Gerak Listrik
EMF induksi biasanya disebut EMF
Counter. atau EMF kembali. EMF kembali artinya adalah EMF tersebut ditimbulkan
oleh angker dinamo yang yang melawan tegangan yang diberikan padanya.
Teori
dasarnya adalah jika sebuah konduktor listrik memotong garis medan magnet maka
timbul ggl pada konduktor.
Gamabar 6. E.M.F kembali
EMF induksi terjadi pada motor listrik, generator serta
rangkaian listrik dengan arah berlawanan terhadap gaya yang menimbulkannya.
HF. Emil Lenz mencatat
pada tahun 1834 bahwa “arus induksi selalu berlawanan arah dengan
gerakan atau perubahan yang menyebabkannya”. Hal ini disebut sebagai Hukum
Lenz.
Timbulnya EMF tergantung pada:
·
kekuatan garis fluks
magnet
·
jumlah lilitan
konduktor
·
sudut
perpotongan fluks magnet dengan konduktor
·
kecepatan
konduktor memotong garis fluks magnet
Tidak ada arus induksi yang terjadi jika angker dinamo
diam.
Mengatur Kecepatan dengan Field
Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat
memvariasikan kecepatan motor dc dengan memvariasikan field flux Φ. Tegangan
armature Es tetap dijaga konstan agar
numerator pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor
sekarang berubah perbandingannnya ke flux Φ; jika kita menaikkan fluxnya,
kecepatan akan jatuh, dan sebaliknya.
Metode
dari speed control ini seringkali digunakan saat motor harus dijalankan diatas
kecepatan rata-ratanya, disebut base
speed. Untuk mengatur flux ( dan kecepatannya), kita menghubungkan rheostat
Rf secara seri dengan fieldnya.
Untuk
mengerti metode speed control, pada gambar di atas awalnya berjalan pada
kecepatan konstan. Counter-emf Eo
sedikit lebih rendah dari tegangan suplai armature Es, karena penurunan IR armature.
Jika tiba-tiba hambatan dari rheostat ditingkatkan, baik exciting current Ix dan flux Φ akan berkurang. Hal ini
segera mengurangi cemf Eo,
menyebabkan arus armature I melonjak
ke nilai yang lebih tinggi. Arus berubah secara dramatis karena nilainya
tergantung pada perbedaam yang sangat kecil antara Es dan Eo. Meskipun fieldnya
lemah, motor mengembangkan torsi yang lebih besar dari sebelumnya. Itu akan
mempercepat sampai Eo hampir sama
dengan Es.
Untuk
lebih jelasnya, untuk mengembangkan Eo
yang sama dengan fluks yang lebih lemah, motor harus berputar lebih cepat. Oleh
karena itu kita dapat meningkatkan kecepatan motor di atas nilai nominal dengan
memperkenalkan hambatan di dalam seri dengan field. Untuk
shunt-wound motors, metode dari speed control memungkinkan
high-speed/base-speed rasio setinggi 3 : 1. Range broader speed cenderung
menghasilkan ketidakstabilan dan miskin pergantian.
Di bawah
kondisi-kondisi abnormal tertentu, flux mungkin akan drop ke nilai rendah yang
berbahaya. Sebagai contoh, jika arus exciting dari motor shunt sengaja diputus,
satu-satunya flux yang tersisa adalah remanent magnetism (residual magnetism)
di kutub. Flux ini terlalu kecil bagi motor untuk berputar pada kecepatan
tinggi yang berbahaya untuk menginduksi cemf yang diharuskan. Perangkat
keamanan diperkenalkan untuk mencegah kondisi seperti pelarian.
