elektronika

Motor Arus Searah (DC)Motor DC adalah jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai sumber tenaganya. Persamaan-persamaan yang berlaku pada motor arus searah yaitu :Motor Arus Searah Berpenguatan TerpisahRangkaian EkivalenDari rangkaian ekivalen di atas berdasarkan Hukum Kirchoff tentang tegangan didapat persamaan berikut :KarakteristikKarakteristik motor arus searah dapat ditunjukkan pada grafik karakteristik di bawah ini.Pada grafik terlihat bahwa dengan penambahan beban (kopel beban) sehingga Tb > Tind akan menyebabkan perlambatan putaran motor () dari hubungan persamaan (1). Maka karena akan berakibat jatuhnya tegangan EB, juga dari hubungan persamaan (2), maka IA. Dengan naiknya IA, maka kopel induksinya pun akan meningkat (persamaan ) mencoba mengimbangi kopel beban dan akhirnya besar kopel induksinya sama dengan kopel beban pada kecepatan putar yang lebih rendah dari semula.Penurunan rumus lain yang menggambarkan karakteristik motor jenis ini adalah :Dari persamaan (3) dan (4) di atas didapat :Sehingga persamaan kecepatannya menjadi :Motor Arus Searah ParalelRangkaian Ekivalen Dari rangkaian ekivalen di atas berdasarkan Hukum Kirchoff tentang tegangan didapat persamaan :Karakteristik Pada dasarnya karakteristik motor arus searah jenis ini memiliki karakteristik yang sama dengan karakteristik motor arus searah berpenguatan terpisah apabila diberikan pasokan tegangan yang cukup stabil.Faktor-faktor yang mempengaruhi pengaturan kecepatan motor arus searah jenis ini dapat dilihat dari penurunan rumus-rumus berikut :Karena 60.A/Z.p adalah konstanta dan menganggapnya sama dengan k, maka dapat dituliskan :Dan karenanya didapat suatu perbandingan sebagai berikut :Motor Arus Searah SeriRangkaian EkivalenDari rangkaian ekivalen di atas, berdasarkan hukum Kirchoff tentang tegangan didapat persamaan :KarakteristikDari persamaan () terlihat hubungan antara kopel induksi (jangkar), arus jangkar dan fluks yang dapat dituliskan kembali sebagai :Persamaan () dan () di atas berlaku untuk kondisi di mana bahan magnetik motor belum sampai pada tingkat jenuh atau saturasi. Di mana ketika beban meningkat, IA dan fluks meningkat. Maka Tind pun akan meningkat secara kuadratis terhadap arus jangkar IA. Jadi, pada saat kondisi kejenuhan tercapai, fluks tidak lagi akan tergantung pada IA, maka Tind sebanding dengan IA dan kurvanya akan berbentuk garis lurus.Dengan mengacu ke persamaan () :Dengan memperhitungkan faktor kejenuhan magnetis :Adapun hubungan antara kopel dan kecepatannya dapat diturunkan sebagai berikut :Dengan menghubungkan persamaan () dan () terlihat bahwa ketika kopel induksi menuju nol, maka kecepatan putar motor akan menuju ke harga tak berhingga, hal ini merupakan salah satu kerugian motor arus searah berpenguatan seri.Namun dalam praktiknya, kopel induksi tersebut tidak dapat menjadi nol karena adanya rugi-rugi mekanis, inti, dan rugi besi yang harus diatasi. Bagaimanapun, jika tidak ada beban yang dihubungkan ke motor arus searah jenis ini, maka putaran motor menjadi sangat cepat dan cukup membahayakan. Karenanya jangan pernah sama sekali tidak membebankan motor jenis ini dan juga dalam menghubungkan dengan beban jangan menggunakan mekanisme penggerak yang mudah putus seperti ban-kopel (V-belt).

Motor Arus Searah KomponRangkaian EkivalenKarakteristikPada motor arus searah kompon kumulatif, ada komponen fluks yang konstan dan komponen lainnya yang sebanding terhadap arus jangkarnya dan bebannya. Karena itu, motor kompon kumulatif memiliki kopel mula (starting torque) lebih besar daripada motor arus searah paralel yang fluksnya konstan, tetapi kopel mulanya lebih kecil daripada motor arus searah seri yang seluruh fluksnya sebanding dengan arus jangkar.Motor arus searah kompon kumulatif mengkombinasikan keistimewaan yang terbaik dari motor arus searah seri dan paralel. Seperti motor arus searah seri, memiliki kopel mula ekstra, seperti motor arus searah paralel, tidak akan berkecepatan lebih (overspeed) pada saat beban nol.Pada beban ringan, medan seri memiliki pengaruh yang sangat kecil, maka motor berkelakuan seperti motor arus searah paralel. Ketika beban semakin besar, fluks seri menjadi cukup penting dan kurva kopel kecepatan mulai terlihat seperti karakteristik motor arus searah seri.Pada motor arus searah kompon diferensial, ggm paralel dan ggm seri saling mengurangi. Ini berarti bahwa pada saat beban motor meningkat, IA meningkat dan fluks berkurang. Tetapi pada saat fluks berkurang, kecepatan motor menjadi meningkat. Peningkatan kecepatan ini menyebabkan peningkatan lainnyapada beban yang lebih jauh meningkatkan IA, sehingga terjadi lagi pelemahan fluks dan peningkatan kecepatan kembali.Hasilnya adalah bahwa motor arus searah kompon diferensial tidak stabil dan cenderung tidak dapat dikendalikan. Ketidakstabilan ini jauh lebih buruk daripada reaksi jangkar motor arus searah paralel. Bahkan motor arus searah kompon diferensial ini tidak cocok untuk hampir semua aplikasi.Motor Arus Searah Magnet PermanenMotor arus searah magnet permanen adalah motor arus searah yang kutub-kutubnya terbuat dari magnet permanen. Pada dasarnya motor jenis ini sama dengan motor arus searah paralel, kecuali motor jenis ini memiliki fluks yang tetap. Motor ini memiliki kelebihan daripada motor arus searah jenis lainnya seperti : Rugi tembaga rangkaian medannya tidak ada karena tidak memiliki rangkaian medan penguat eksternal. Karena tidak ada kumparan medannya, maka ukuran motor jenis ini lebih kecil daripada motor arus searah paralel.Sedangkan kerugian dari motor ini antara lain : Tidak dapat menghasilkan kerapatan fluks seperti pada penguat medan paralel, sehingga kopel induksi per Ampere arus jangkar lebih rendah daripada motor arus searah paralel yang sama ukurannya. Akibat adanya reaksi jangkar yang membuat demagnetisasi, dapat menyebabkan panas berlebihan ketika terjadi kondisi beban lebih.

Karenanya pemilihan material sangat mempengaruhi kehandalan mesin jenis ini, kerapatan fluks sisa (Bsisa) harus sebesar-besarnya agar dapat dihasilkan kopel induksi yang lebih tinggi, begitu pula dengan koersivitas dari intensitas pemagnetan (Hc) yang tinggi, sehingga proses demagnetisasi hanya akan dimungkinkan kalau dipasok arus yang sangat besar.

Pengasutan Motor Arus SearahPada waktu motor arus searah mulai dioperasikan (starting), tegangan terminal EB = 0 volt. Karena nilai resistansi jangkar RA lebih kecil maka IA lebih besar.Untuk menghindari kerusakan isolasi kumparan dan hubung-singkat, maka diperlukan teknik khusus untuk mengatasi besarnya arus mula yang timbul hingga besarnya arus yang ditarik oleh motor sesuai dengan nilai nominalnya.Salah satu caranya adalah dengan menyisipkan resistor/tahanan secara seri terhadap tahanan jangkar. Agar dalam penghasutan diperoleh arus yang berubah secara halus, diperlukan beberapa resistor yang dihubungkan bertingkat secara seri.Banyaknya tingkatan atau jumlah resistor yang diperlukan (n) bisa didapatkan setelah diketahui berapa besar batasan arus jangkar maksimum IAmaks yang diperbolehkan dan arus jangkar minimum yang diinginkan untuk pindah ke langkah pengasutan berikutnya.Rtotal = R1 + R2 + ...... + Rn + RAAdapun persamaan umum arus yang mengalir adalah :Arus pengasutan di atas merupakan nilai maksimum karena pada saat itu nilai EB-nya masih sama dengan nol.Karena kemudian motor mulai beroperasi (setelah mendapat pasokan tegangan VT), tegangan EB meningkat, sehingga mengakibatkan arus turun sampai pada nilai stabilnya yang merupakan nilai minimum dalam rentang waktu dari mulai kontak tersentuh hingga putaran motor stabil, yang besarnya dinyatakan sebagai :Pada saat lengan kontak berpindah dari titik kontak pertama ke titik kontak kedua, seketika itu arus meningkat sedemikian rupa hingga menyentuh nilai maksimumnya sebesar :Tahanan sisa setelah pindah x tahapan pengasutan :RtotalRX = RX+1 + ...... + Rn + RAdi mana : x = 1, 2, 3, ......, n-1sehingga : RtotalRn = RA Beberapa saat kemudian setelah lengan kontak menetap di titik kontak kedua, EB meningkat kembali sehingga arus kembali turun menjadi :Kemudian saat lengan kontak berpindah dari titik kontak kedua ke titik kontak ketiga :Demikian pula saat lengan kontak berpindah dari titik kontak ketiga ke titik kontak keempat :Maka perbandingan IAmaks/IAmin pada tiap perpindahan titik kontak satu ke titik kontak lainnya dapat ditulis sebagai :Dengan menganggap K = IAmaks/IAmin, maka :Nilai n ini harus dibulatkan ke atas ke nilai integer selanjutnya.

EfisiensiEfisiensi pada motor arus searah ini sama dengan pada generator arus searah karena beda antara motor dan generator arus searah ini hanya pada konversi energinya, maka diagram aliran dayanya pun merupakan kebalikannya, sedangkan parameternya memiliki besaran yang sama.

Pengaturan KecepatanPutaran motor arus searah sama seperti motor listrik lainnya, dapat dibalik arah putarannya maupun diatur kecepatan putarnya.Untuk membalik putaran motor arus searah dengan membalik polaritas pada kumparan medannya. Semua jenis motor arus searah dapat dibalik putarannya, untuk jenis motor seri dengan membalik polaritas kumparan medan serinya, untuk jenis motor paralel dengan membalik polaritas kumparan medan paralelnya, sedangkan untuk motor kompon adalah dengan membalik kumparan medan seri dan medan paralelnya.

Perawatan Mesin Arus SearahPada umumnya perawatan mesin-mesin arus searah adalah sama prosedurnya seperti merawat mesin-mesin listrik arus bolak-balik, yang membedakan hanyalah bahwa pada mesin arus searah diperlukan perhatian tambahan yaitu pada bagian segmen komutator dan sikatnya.Perawatan kebersihan rangka (frame) mesin adalah hal mutlak. Di samping itu setiap kali mengoperasikan mesin tersebut, para operator harus cepat tanggap pada hal-hal yang mencurigakan, seperti getaran atau bunyi yang tidak biasa ataupun bau yang timbul apabila ada bagian kabel yang terbakar.Penanganan yang lebih cepat terhadap kelainan yang ditimbulkan oleh mesin diharapkan dapat mengatasi kemungkinan kerusakan yang akan timbul atau kerusakan yang lebih parah, paling tidak masa pakai (life time) mesin dapat dioptimalkan. Sebelum mengoperasikan dan setelah selesai mengoperasikan mesin, haruslah diperiksa keadaan baut-baut, kencangkan kalau jika ada yang kendur. Hal ini untuk menghindari terpentalnya bagian mesin yang berputar yang tidak saja dapat merusak mesin itu sendiri, namun dapat membahayakan manusia di sekitarnya. Begitu pula baut-baut pada terminal listriknya, baut yang kendur akan menyebabkan panas pada terminal kabel dan akhirnya akan terbakar yang juga dapat membahayakan mesin yang ada dan manusia akibat bersinggungan dengan bagian yang beraliran listrik.Bagian tambahan yang membutuhkan perhatian yaitu segmen komutator dan sikatnya, haruslah ditangani secara serius. Perlu dicatat bahwa sikat adalah komponen terpakai (wear parts), maksudnya sikat akan habis terpakai dalam periode waktu tertentu dan harus diganti dengan segmen komutator. Sikat yang sangat lembut akan cepat habis, namun apabila terlalu keras akan menyebabkan segmen komutator terkikis. Untuk itu, penggantian sikat harus sesuai dengan buatan dan model aslinya, dan perlu diperhatikan tekanan pegasnya sehingga tidak melebihi standar yang ditetapkan oleh pabrik pembuatnya. Hal lain yang harus yang diperhatikan adalah kebersihan sikat. Jika sikat kotor, maka mesin tidak akan bekerja sama sekali, demikian pula jika sikat terbuat dari bahan yang tidak baik (palsu), maka mesin akan mengalami gangguan pada proses komutasinya.

Pengujian Mesin Arus SearahPengujian mesin arus searah dilakukan untuk mengetahui efisiensi dari mesin arus searah (generator maupun motor).Uji Rem (Brake Test)Motor arus searah diberi catu daya arus searah dengan tegangan nominal kemudian poros motor dibebani dengan menggunakan puli sampai Amperemeter menunjukkan arus beban penuhnya. Beban W1 telah diketahui beratnya dan W2 adalah pembacaan berat yang dipikul akibat peregangan pegas.Dari persamaan kopel mekanis (umum) :T = F.lDi mana :F = gaya yang bekerja (Newton)l = panjang batang yang dikenai gaya F (meter)didapat kopel poros motor :Tsh = (W1 W2).g.RDan kopel keluaran motor :Tout = Tsh.2..N(ppd)Di mana : g = gaya gravitasi bumi (9,81 m/detik2)R = jari-jari puli motorN (ppd) = kecepatan putar motor dalam satuan putaran per detik = 2..N (kecepatan sudut)Sedangkan Pin = VT.I

Uji Tanpa Beban atau Uji Swinburne (Swinburnes Test atau Losses Method)Uji ini dilakukan hanya pada mesin arus searah yang memiliki fluks konstan, yaitu motor arus searah paralel dan motor arus searah kompon.Motor arus searah dipasok catu daya arus searah sebesar tegangan nominalnya, kemudian setel kumparan medannya sehingga didapat kecepatan nominalnya. Setelah itu, maka A1 akan menunjukkan nilai arus tanpa beban (Io) dan A2 menunjukkan nilai arus medannya. Adapun nilai arus jangkar beban nolnya (IA bn) sebesar :IA bn = (Io Ifp)Di mana :Ifp bn = arus medan paralel tanpa bebanIfp bp = arus medan paralel beban penuhIfp bn = Ifp bpDiketahui bahwa daya masukan(Pin) beban nol pada kumparan jangkar(rotor) terdiri dari : Rugi-rugi besi pada inti (Pi) Rugi-rugi gesekan dan angin (Pa&g) Rugi-rugi tembaga jangkar (Ptr bn)

Pengujian ini memiliki keuntungan dan kerugian sebagai berikut :Keuntungan pengujian :1. Sangat ekonomis karena daya yang dibutuhkan cukup kecil2. Efisiensi dapat ditentukan pada beban berapapunKerugian pengujian :1. Tidak memperhitungkan perubahan rugi besi dari keadaan beban nol hingga beban penuh2. Pada uji tanpa beban, tidaklah mungkin mengetahui apabila komutasi pada beban penuh cukup memuaskan dan apakah kenaikan suhu berada dalam batas yang ditetapkan.

Uji Regenaratif atau Uji Hopkinson (Hopkinsons Test atau Back to Back Test)Motor arus searah dan generator arus searah dikopel secara mekanis. Pada uji ini energi yang dihasilkan generator tidak dibuang percuma, melainkan diumpankan ke penguat medan kedua mesin tersebut.Motor arus searah dipasok catu daya arus searah dengan tegangan nominalnya, kemudian setel arus medan penguatnya. Lihat Amperemeter Afm sampai motor mencapai kecepatan putar nominalnya. Generator arus searah yang digerakkan oleh motor arus searah tersebut membangkitkan tegangan. Perbedaan antara tegangan yang dibangkitkan oleh generator dan yang dipasok catu daya tersebut terlihat pada Voltmeter V. Kemudian setel pengatur penguat medan generator tersebut hingga pembacaan Voltmeter = 0 Volt yang berarti tegangan generator dan catu daya telah sama.Pada saat itu, tutup saklar sehingga motor arus searah dan generator arus searah bekerja secara paralel. Dari parameter-parameter yang ada yaitu hasil pembacaan instrumen ukur dan parameter-parameter pasif mesin arus searah, dapat dicari besarnya efisiensi motor arus searah dan generator arus searah tersebut.Keuntungan uji Hopkinson :1. Daya yang dibutuhkan untuk percobaan ini kecil dibandingkan dengan daya beban penuh kedua mesin.2. Karena mesin-mesin tersebut diuji dalam keadaan beban penuh, kenaikan temperatur dan kualitas komutasi mesin-mesin dapat diawasi.3. Karena diuji dalam keadaan beban penuh, perubahan yang terjadi pada rugi-rugi besi akibat distorsi fluks dalam keadaan beban penuh dapat diperhitungkan.Sedangkan kerugian yang ada hanyalah faktor kemampuan pengadaan dua mesin yang identik.

Uji Medan untuk Motor SeriUji ini dapat diterapkan untuk dua motor seri yang identik. Dua motor seri dikopel secara mekanis, di mana mesin yang satu bekerja sebagai motor dan yang lainnya sebagai generator, namun keluaran generator dibuang melalui resistansi R.Rugi besi dan gesekan kedua mesin dibuat sama dengan :1. Menggabungkan kumparan medan seri generator pada rangkaian jangkar motor, sehingga kedua mesin akan mendapat penguatan yang sama.2. Memutar kedua mesin dengan kecepatan yang sama.Motor arus searah tersebut diberi pasokan catu daya arus searah dengan tegangan nominalnya. Variabel resistor R disetel hingga motor mencapai keadaan beban penuh kemudian catat semua penunjukan instrumen ukur.Efisiensi GeneratorEfisiensi generator untuk uji ini jarang dicari karena generator beroperasi dalam keadaan abnormal, namun jika diinginkan dapat dicari sebagai berikut :

Uji Perlambatan (Retardation Test atau Running Down Test)Metode ini diterapkan untuk motor dan generator arus searah paralel untuk mencari rugi-rugi butanya. Sedangkan rugi tembaga jangkar dan medan paralel pada saat arus beban mengalir dapat diketahui, sehingga efisiensinya dapat dihitung.Mesin yang diuji diputar kecepatannya sedikit lebih tinggi daripada kecepatan normalnya, setelah itu catu daya diputus dari kumparan jangkar sambil tetap menjaga penguatan kumparan medannya. Maka putaran rotor akan melemah dan energi kinetiknya digunakan untuk mendapatkan data rugi-rugi putaran (rugi-rugi gesekan, angin dan besi).