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 D.C Sederhana
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.
Gambar 4. Medan magnet mengelilingi 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.
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 pada Armature
Berdasarkana
persamaan di bawah ini :
Jika flux Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan armature voltage (Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau turun sesuai dengan perbandingannya.
Pada
gambar di atas dapat dilihat bahwa Es
dapat divariasikan dengan menghubungkan motor armature M ke excited variable –
voltage dc generator G yang berbeda. Field excitation dari motor tetap dijaga
tetap kosntan, tetapi generator Ix
bisa divariasikan dari nol sampai maksimum dan bahkan sebaliknya. Oleh sebab
itu generator output voltage Es bisa
divariasikan dari nol sampai maksimum, baik dalam polaritas positif maupun
negatif. Oleh karena itu, kecepatan motor dapat divariasikan dari nol sampai
maksimum dalam dua arah. Metode speed control ini, dikenal sebagai sistem
Ward-Leonard, ditemukan di pabrik baja (steel mills), lift bertingkat,
pertambangan, dan pabrik kertas.
Dalam instalasi modern, generator
sering digantikan dengan high-power electronic converter yang mengubah ac power
dari listrik ke dc.
Ward-Leonard sistem lebih dari
sekadar cara sederhana dengan menerapkan suatu variabel dc ke armature dari
motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa motor utnuk mengembangkan
torsi dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban. Contohnya, misalkan Es disesuaikan dengan sedikit lebih
tinggi daripada Eo dari motor. Arus
akan mengalir dengan arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor mengembangkan
torsi yang positif. Armature dari motor menyerap power karena I mengalir ke terminal positif.
Sekarang, misalkan kita megurangi Es dengan mengurangi excitation ΦG.
Segera setelah Es menjadi kurang dari
Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi
motor berbalik dan armature dari motor menghantarkan daya ke generator G.
Akibatnya, motor dc mendadak menjadi generator dan generator G mendadak menjadi
motor. Maka, dengan mengurangi Es,
motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat.
Apa yang terjadi kepada power dc yg
diterima oleh generator? Saat generator menerima daya listrik, generator
beroperasi sebagai motor, mengendalikan motor ac nya sendiri sebagai
asynchrounous generator. Hasilnya, ac power memberikan kembali ke rangkaian
yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya daya bisa diperoleh kembali,
cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat efisien.
Contoh soal :
Calculate
a. Torsi motor dan
kecepatan saat
Es
= 400 V dan Eo = 380 V
b. Torsi motor dan
kecepatan saat
Es = 350 V dan Eo
= 380 V
Solution
a. Arus armature
adalah
I
= (Es – Eo)/R = (400-380)/0.01
= 2000 A
Daya ke motor armature adalah
P = EoI = 380 x 2000 = 760kW
Kecepatan motor adalah
n
= (380 V / 500 V) x 300 = 228r/min
Torsi motor adalah
T
= 9.55 P/n
= (9.55 x 760 000)/228
= 47.8 kN.m
b. Karena Eo = 380 V, kecepatan motor masih 228 r/min. Arus armature adalah
I
= (Es-Eo)/R = (350-380)/0.01
= -3000A
Arusnya
negatif dan mengalir berbalik; akibatnya, torsi motor juga berbalik. Daya
dikembalikan ke generator dan hambatan 10 mΩ :
P
= EoI = 380 x 3000 = 1140kW
Braking
torque yang dikembangkan oleh motor :
T
= 9.55 P/n
= (9.55 X 1 140 000)/228
= 47.8 kN.m
Kecepatan
dari motor dan dihubungkan ke beban mekanis akan cepat jatuh dibawah pengaruh
electromechanical braking torque.
Cara lain untuk mengontrol kecepatan
dari motor dc adalah menempatkan rheostat yang di-seri-kan dengan armature
(gambar di atas). Arus dalam rheostat menghasilkan voltage drop jika dikurangi
dari fixed source voltage Es,
menghasilkan tegangan suplai yang lebih kecil dari armature. Metode ini
memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan dibawah kecepatan nominalnya. Ini
hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena banyak daya dan pasa yang
terbuang dalam rheostat, dan efisiensi keseluruhannya rendah. Di samping itu,
pengaturan kecepatan lemah, bahkan untuk rheostat yg diatur fixed. Akibatnya, IR drop sedangkan rheostat meningkat
sebagaimana arus armature meningkat. Hal ini menghasilkan penurunan kecepatan
yang besar dengan naiknya beban mekanis.
