PLTU SURALAYA 3.400MW

MOTOR DC PENGUAT TERPISAH

MOTOR DC PENGUAT TERPISAH

Prinsip Motor DC

Motor DC (Direct Current) bekerja dengan prinsip, ketika sejumlah arus yang mengalir di dalam sebuah  penghantar  diletakkan  di  dalam  sebuah  medan  magnet, maka  terjadi  sebuah  torsi  dan mempunyai kecenderungan untuk berputar (bergerak). Ini dikenal sebagai aksi mesin penggerak. Jika  arah  arus  listrik dalam  penghantar  dibalik, maka  arah  putaran  juga  terbalik. Saat  medan magnet dan medan listrik berinteraksi, keduanya menghasilkan energi mekanik. Atas dasar itulah motor DC bekerja. Arah dari putaran motor ditentukan oleh kaidah tangan kiri Fleming. 

                                    

Gambar 1. Kaidah Tangan Kiri Fleming

Gambar  1  menjelaskan  bahwa  arah  arus  ditunjukkan  oleh  jari  tengah, arah  garis  gaya  medan

magnet ditunjukkan oleh jari telunjuk dan arah putaran motor ditunjukkan oleh jari jempol.

Secara  struktur  dan  konstruksi,  motor  DC ialah  sama  dengan  generator  DC tapi  secara

kelistrikannya  berbeda. Maka  dari  hal  ini  motor  dan generator  DC lebih  sering  disebut  sebagai mesin  DC  saja. Yang  membuat  berbeda  secara  kelistrikannya  maksudnya  ialah  jika  kita  ingin menjadikan  mesin  DC tersebut  menjadi  motor  maka  sumber  listrik diberikan  ke  kumparan penguat  medan  magnet  (eksitasi)  dan  kumparan  jangkar. Untuk mesin  DC yang  menggunakan magnet permanen cukup memberikan sumber listrik ke kumparan jangkar saja. 

Jika  kita  ingin  menjadikan  mesin  DC ini  menjadi  generator  maka  sumber  listrik diberikan  ke kumparan penguat medan magnet saja dan  jangkar harus diputar. Dari kumparan jangkar inilah keluar GGL. Untuk mesin DC magnet permanen maka cukup hanya jangkarnya diputar maka GGL timbul pada kumparan jangkar

 

Gambar 2. Blok Diagram Kerja Motor DC

Dari gambar 2, motor DC disuplai tegangan E dan arus I menuju terminal kelistrikan atau terminal input  dan  terminal  mekanikal  dihasilkan  torsi  T dan  kecepatan  ω.  Terminal  input  dan  output merupakan variabel Motor DC yang dihubungkan sebagai parameter K.

T = K . I & E = K . ω

Jadi  dari  gambar  tersebut  kita  dapat  mengerti  bahwa  motor  DC hanyalah  fenomena  yang

berlawanan  dari  sebuah  generator  DC. Kita  dapat  membuat  operasi  membangkitkan  dan menggerakkan dari mesin yang sama.

Konstruksi Motor DC

Ada dua komponen utama motor DC yaitu stator dan rotor. Stator merupakan bagian yang diam yang  juga  berfungsi  sebagai  rumah  (bodi)  motor  yang  di  dalamnya  juga  terdiri  dari  kumparan penguat  medan  magnet  dan  terminal  motor. Rotor  merupakan  bagian  yang  berputar  yang menghasilkan  putaran  mekanik. Selain  dari  komponen  utama  tersebut  ada  bagian  pendukung yaitu  kuk (gandar/housing/yoke)  motor, kutub  motor, kumparan  penguat  medan  magnet, kumparan jangkar, komutator dan sikat arang.  

                           

Gambar 3. Gambaran Konstruksi Motor DC

Kuk (gandar/yoke/housing)

Kerangka  magnet  atau  yoke  motor  DC dibuat  dari  besi  atau  baja  dan  bentuknya  merupakan bagian integrasi dari stator motor. Fungsi utamanya ialah melindungi dan menutupi bagian dalam stator  serta  menyangga  jangkar. Yoke juga  berfungsi  untuk melindungi  sistem  kutub  medan magnet dan penguat medan magnet. 

                                

Gambar 4. Bentuk Yoke Motor DC

Kutub Motor DC

Kutub ini dibuat menempel pada dinding yoke. Konstruksi dasar kutub ini terdiri dari dua bagian

yaitu, inti kutub dan sepatu kutub. Keduanya ditumpuk bersama dengan menggunakan tekanan

hidrolik kemudian  ditempelkan  pada  yoke. Pada  sepatu  kutub  tersedia  slot  untuk meletakkan

kumparan penguat medan magnet. 

                            

Gambar 5. Gambaran Kutub Motor DC

Kumparan Penguat Medan Magnet

Kumparan  penguat  medan  magnet  dibuat  dari  kawat  email  tembaga  yang  digulung  pada  slot sepatu  kutub. Kumparan  ini  bekerja  dengan  prinsip  elektromagnetik, yang  mana  menghasilkan fluks magnet saat dialiri arus listrik. 

                         

Gambar 6. Gambaran Kumparan Penguat Medan Magnet

Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar motor DC diletakkan pada rotor. Kumparan jangkar ini dibuat dengan laminasi baja silikon yang rendah histeresis untuk mengurangi kehilangan magnetik seperti histeresis dan arus Eddy. Lembaran laminasi baja ini ditumpuk membentuk struktur silinder dari inti jangkar.

 

Gambar 7. Gambaran Lembaran Laminasi Baja Untuk Kumparan Jangkar

Inti jangkar juga tersedia slot untuk kumparan jangkar

Komutator Motor DC

Komutator dibuat dari kumpulan tumpukan segmen tembaga, di antara segmen tersebut di solasi

mika. Fungsi utamanya dari komutator ialah media penghantar bergerak dari sikat arang menuju

kumparan jangkar.

Gambar 8. Gambaran Bentuk Komutator

Sikat Arang Motor DC

Sikat  arang  dibuat  dari  karbon  atau  grafit, materi  ini  dapat  membuat  kontak berputar  pada

komutator. Sikat arang digunakan untuk penghantar dari terminal suplai menuju  komutator lalu

ke kumparan jangkar.

Gambar 9. Gambar Bentuk Sikat Arang

Torsi Motor DC

Torsi  dihasilkan  berdasarkan  energinya, bersinggungan  dengan  arah  putaran  jangkar  dikalikan

dengan jarak.

T = F . cos α . w . r

T = B . I . L . w . r. cos α

T = k . ϕ . I_a

dimana α ialah sudut antara posisi awal jangkar dengan posisi sesudah berputar.

Gambar 10. Gambaran Tentang Torsi Motor DC

Jenis-Jenis Motor DC

Motor  DC banyak digunakan  pada  peralatan  teknik. Contohnya  untuk starter  mesin  mobil  atau

sepeda motor, dari ukuran kecil hingga yang besar. Ini dikarenakan torsi awal yang dihasilkan oleh

motor DC lebih besar dibanding motor AC sehingga dapat menggerakkan start awal mesin untuk

melakukan pembakaran.

Motor  DC dikategorikan  menjadi  tiga  jenis  utama, yaitu  penguat  terpisah, penguat  sendiri  dan

magnet  permanen. Untuk penguat  sendiri  dibagi  lagi  menjadi  tiga  macam, yaitu  penguat  seri,

penguat paralel (shunt) dan penguat kompon. Penguat kompon juga ada dua jenis, yaitu kompon

komulatif  dan  kompon  diferensial. Kedua  kompon  ini  sama-sama  memiliki dua  jenis  lagi, yaitu

kompon panjang dan kompon pendek.

Gambar 11. Kategori Jenis-Jenis Motor DC

Pada kali ini hanya dibahas tentang motor DC penguat terpisah saja.

Motor DC Penguat Terpisah

Sesuai dengan namanya, motor DC ini mempunyai penguat medan magnet yang disuplai terpisah

dengan suplai untuk kumparan jangkar. Dari persamaan torsi motor DC kita tahu bahwa T = K . ϕ .

I_a. Jadi  di  sini  torsi  bisa  divariasikan  dengan  mengatur  fluks  ϕ  penguat  medan  magnet  dan

terbebas dari arus kumparan jangkar I_a.

Dengan  terpisahnya  suplai  untuk penguat  medan  magnet, maka  motor  jenis  ini  dapat  diatur

kecepatan putarnya. Pada kenyataannya terdapat dua hal yang berpengaruh untuk motor ini yaitu

tegangan dan fluks medan magnet.

V = E_a + I_a . R_a

jika      E = c n ϕ

maka  V_t = c n ϕ + I_a . R_a

n = V_t – I_a . R_a : c ϕ

n  : kecepatan

c  : konstanta

R_a  : tahanan jangkar

V_t  : tegangan terminal motor

I_a  : arus jangkar

ϕ  : fluks magnet

Fluks  medan  secara  umum  biasanya  diusahakan  dalam  kondisi  konstan  dan  tegangan  sumber

ditambah  linier  hingga  kecepatan  motor  nominal. Kemudian  setelah  kecepatan  nominal, untuk

menjaga  agar  tidak  melebihi  kecepatan nominal  maka  tegangan  sumber dibiarkan  konstan dan

fluks  kumparan  penguat  medan  diperkecil  dengan  mengurangi  arus  medan  (I_f). Saat  itu  terjadi

pelemahan magnet kumparan penguat medan.

Rangkaian Motor DC Penguat Terpisah

Gambar 12. Gambar Rangkaian Ekuivalen Motor DC Penguat Terpisah

Persamaan Rangkaian Motor DC Penguat Terpisah

V_f = R_f . I_f + L_f Volt

V_t = k . ϕ . ω . m + L_a R_a . I_a  Volt

Ti = k . ϕ . I_a – j    – T loss

Pada  keadaan  steady, turunan  terhadap  fungsi  waktu  ialah  nol  dan  jika  variabel  I_f, I_a  dan  ωm

konstan maka diperoleh persamaan berikut:

V_f = R_f . I_f  Volt

V_t = k . ϕ . ω . m + R_a . I_a . Volt

Ti = k . ϕ . I_a – T loss Nm

Tegangan GGL lawan yang dihasilkan pada kumparan jangkar saat bekerja ialah:

ea = k . ϕ . ω . m Volt

Saat motor start, GGL lawan nilainya nol sehingga arus pada kumparan jangkar cukup besar. Torsi

pada motor ini ialah:

T = k . ϕ . I_a Nm

ωm =      -

Cara yang digunakan untuk mengatur kecepatan motor DC penguat terpisah ialah mengacu pada

persamaan V_f = R_f . I_f + L_f Volt. Pada saat steady, kecepatan motor ini dapat diatur langsung

dengan  mengatur  nilai  tegangan  jangkar  V_t  , kemudian  juga  dengan  mengatur  nilai  fluks  ϕ

penguat medan magnet dengan cara menambah arus medan I_f.

Karakteristik Motor DC Penguat Terpisah

Saat  tegangan  sumber  yang  diberikan  pada  kumparan  penguat  medan  magnet  diatur  konstan

pada  harga  maksimum  motor  maka  fluks  motor  ϕ  yang  dihasilkan  menjadi  besar  sehingga  V_t

konstan. Hubungan antara torsi dan kecepatan dapat digambarkan dengan hubungan antara dua

buah garis lurus dengan kemiringan garis gradien negatif yang kecil dengan perpotongan yang

terletak pada  sumbu  kecepatan. Jika  proses  dari  motor  ini  dihubungkan  pada  suatu  sistem

mekanik (diberi  beban  mekanik pada  motor)  maka  sistem  akan  bekerja  pada  poin  P1  dimana

merupakan titik pertemuan antara dua buah garis.

Jika  motor  tidak dihubungkan dengan  beban  mekanik maka  motor  akan  bekerja pada  poin P0.

Untuk kumparan  jangkar  yang  disuplai  oleh  sumber  yang  terkendali  tegangan  DC maka

kecepatannya dapat diatur mulai dari nol sampai harga V_t pada nilai maksimum.