Tugas akhir KENDALI MESIN LISTRIK MOTOR DC

KENDALI MESIN LISTRIK

MOTOR DC

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan mata kuliah

Kendali Mesin Listrik  semester Januari – Juni 2009

Oleh

SOFWAN

74089/2006

Program Studi D3 Teknik Elektro

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI PADANG

PADANG

2009

A.  Tujuan

Mengukur dan menganalisis karakteristik motor DC shunt.

Mengukur dan menganalisis karakteristik motor DC seri.

Mengukur dan menganalisis karakteristik motor DC kompon.

B.     Teori

Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri, sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum sama, yaitu:

1.      Aruslistrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

2.      ika 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.

3.      Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.

4.      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.
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan.

Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok:

1. Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya       bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.
2. Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan)
3. Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
   
   Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawahini.
   

Motor DC/Arus Searah

Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama:

1.      Kutub medan. Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.

2.      Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.

3.      Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.


Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:

1.      Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan

2.      Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut:

Gaya elektromagnetik: E = KΦN

Torsi: T = KΦIa
Dimana:
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt)
Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)
T = torsi electromagnetik
Ia = arus dinamo
K = konstanta persamaan

Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah

a.       Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt. Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 4. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.

                              Gambar 4. Karakteristik Motor DC Shunt.

Berikut tentang kecepatan motor shunt (E.T.E., 1997):

1.      Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.

2.      Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).

Karakteristik yang diukur yaitu karateristik torsi (mis: torsi sebagai fungsi kecepatan) dan karakteristik efisiensi (efisiensi sebagai fungsi daya output).

Belitan penguat medan pada motor DC shunt terhubung jajar dengan belitan jangkar, seperti terlihat pada gambar di bawah ini:

 Volt

Tahanan Rv digunakan kalau sehandainya dikehendaki pengaturan arus medan. Tetapi disini harus diperhatikan bahwa pada arus medan lemah, kopel putar motor shunt akan berkurang.

Jika arus medan dibuat konstan, maka kecepatan putar motor hampir tidak dipengaruhi oleh pertambahan beban lebih kuran dari 8 % dari kecepatan putaran    nominal.

b.      Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan  shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan dalam gambar 5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.
Berikut tentang kecepatan motor seri (Rodwell International Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):

1.      Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.

2.      Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.

Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar5).

Gambar 5. Karakteristik Motor DC Seri.

Belitan penguat medan pada motor DC seri terhubung secara seri terhubung secara seri terhadap belitan jangkar, seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini:

Dari gambar disamping dapat diambil beberapa persamaan:

Untuk mendapatkan torsi yang besar maka tegangan jangkar harus besar. Untuk mendapatkan tegangan jangkar yang besar maka tahanan medan seri harus kecil.

Percobaan motor dc seri tidak boleh dilakukan dengan beban nol karena arus jangkar dan juga arus medan penguat akan sangat kecil (disebabkan karena rangkaian terbuka). Hal ini akan mengakibatkan putaran motor menjadi sangat tinggi, sehingga dapat merusak motor.

b.      Motor DC Kompon/Gabungan.
Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6. Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-50% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok(myElectrical,2005).

Gambar 6. Karakteristik Motor DC Kompon.

Motor dc kompon mempunyai dua belitan penguat shunt dan belitan medan penguat seri. Pada waktu motor bekerja, kedua belitan medan penguat sama-sama menghasilkan fluksi.

Motor motor DC kompon pendek berlaku:

Pada motor DC kompon panjang berlaku:

Cara menyambung kedua belitan medan penguat akan sangat menentukan terhadap besarnya fluks total sebagai akibat dari variasi arus pertambangan beban yang juga akan berpengaruh terhadap jumlah putaran motor setiap menit (n)

Secara umum dapat dinyatakan:

Kompon jumlah: dengan V = konstan, maka n

Kompon selisih: konstan, maka n >karenaϕ <

C.  Peralatan

1. G         = Torsi meter listrik MV 100
2. M         = Mesin DC MV 120
3. TG       = Tachometer generator MV 153
4. Rs        = Starter MV 130
5. Rmy    = Shunt rheostat TS 500/440
6. Rb       = Resistor beban TB 40
7. Ib         = Ampermeter 12 A
8. Im        = Ampermeter 1 A
9. V         = Voltmeter 300 V
10. S          = Switch TO 30

D.  Prosedur

            Untuk motor DC shunt

1.  Merangkai dan menjalankan mesin

a.       Menghubungkan torsi meter sebagai generator dan mesin DC MV 120 sebagai motor sesuai dengan diagram rangkaian.

b.      Mencatat spesifikasi generator  DC seperti ditunjukan pada rating plate. Rating ini tidak boleh dilampau selama percobaan berlagsung.

c.       Dosen atau teknisi mencek rangkaian percobaan.

d.      Mencek switch S pada posisi off, stater Rs pada posisi start sehingga semua tahanan terhubung, dan shunt rheostat Rmy  pada posisi di mana dicapai arus

e.       Menghidupkan switch tegangan DC variable dan konstan. Naikan tegangan DC variable DC ke 220 V.

f.       Perlahan-lahan matikan stater Rs dan lihat bahwa kecepatan meningkat. Ketika tahanan starter fully off (operating position) motor akan mencapai kecepatan 1300 rpm.

2.  Pengukuran karakteristik efesiensi η = f(Pout) dan karakteristik torsi M = f(n)

a.       Atur tegangan DC variable ke 220 V. Catat U, Ib, Im, torsi M, dan putaran n.

b.      Cek resistor beban Rb pada posisi arus beban minimum. Hidupkan switch S.

c.       Variasikan beban dengan resistor beban dengan perubahan 1 A sehingga arus Ib bervariasi dari minimum sampai arus rating. V harus konstan 220 V. Catat V, Ib, Im, M dan n untuk masing-masing nilai.

3.  Pengaturan shunt (mis: pengaturan kecepatan dengan shunt resistor Rmy)

a.       Atur resistor beban Rb sehingga torsi 4 Nm, harga ini harus tetap selama pengukuran.

b.      Variasikan kecepatan dengan hati-hati shunt reostat Rmy mulai 100 rpm

c.       sampai dan n untuk masing-masing nilai. Cek bahwa torsi 4 Nm.

Untuk motor DC seri

Pengukuran karakteristik efisiensi dan karakteristik torsi untuk motor seri

1. Motor seri tidak boleh dijalankan tanpa beban. Sebelum tegangan diberikan, switch Sharus di on-kan dan resistor beban Rb di set ke arus minimum. Set shunt rheostat torsi meter untuk memberikan arus penguatan maximum. Starter harus terkoneksi dengan tahanan penuh,”START”.
2. Hidupkan tegangan konstan dan tegangan variable. Naikan tegangan variabel DC ke 220 V.
3. Perlahan-lahan matikan starter Rs dan amati amper Ib sehingga arus rating tidak terlampaui. Motor kemudian akan berputar dengan kecepatan 1500 rpm.
4. V harus konstan, 220V. Variasikan beban dengan resistor beban Rb dengan jarak 1 A dari minimum-harus diingat bahwa kecepatan tidak boleh melampau 2200 rpm-ke maksimim, sesuai dengan arus rating. Catat V, Ib, M dan n untuk masing-masing step.

Untuk motor DC kompon

1. Merangkai dan menjalankan mesin

a)      Hubungkan torsi meter sebagai generator dan mesin DC MV 120 sebagai motor sesuai dengan rangkaian.

b)      Catat spesifikasi generator DC seperti yang ditunjukan pada rating plate. Rating ini tidak boleh dilampau selama percobaan berlangsung.

c)      Dosen atau teknisi mencek rangkaian percobaan.

d)     Cek switch S pada posisi off, stater Rs pada posisi start sehingga semua tahanan terhubung, dan shunt rheostat Rmy pada posisi dimana dicapai arus penguatan maksimum.

e)      Hidupkan switch tegangan Dcvariable dan skontan. Naikan tegangan DC variable DC ke 220.

f)       Perlahan-lahan matikan starter Rs dan lhat bahwa kecepatan meningkat. Ketika tahanan starter fully off (operating position) motor akan mencapai kecepatan 1300 rpm.

2.  Pengukuran karakteristik efisiensi η =f(Pout)dan karakteristik torsi M = f (n)

a)      Atur tegangan DC variable ke 220 V. catat V, Ib, Im, torsi M, dan putaran n.

b)      Cek resistor beban Rb pada posisi arus beban minimum. Hidupkan switch S.

c)      Variasikan beban dengan resistor beban dengan perubahan 1 A sehingga arus Ib bervariasi dari minimum sampai arus rating. V harus skontan 220 V. Catat V, Im,Ib,M dan n untuk masing-masing nilai.

3.   Pengaturan tegangan rotor

Mis: pengontrolan kecepatan dengan merubah tegangan rotor. Rangkaian penguat harus dihubungkan dengan tegangan penuh. Matikan switch S.

Hidupkan switch DC konstan 220 V. Set kontrol tegangan DC variable ke nol dan hidupkan swicth. Perlahan-lahan naikan tegangan ke 220 V sambil mengecek Ib. Motor akan bergerak kira-kira 1300 rpm.

Bebani motor dengan menghidupkan switch S dan atur torsi 4 Nm dan tegangan V 220 v. Torsi harus 4 Nm selama percobaan berlangsung.

Turunkan teganagan V dengan jarak 40 V sampai nol dengan control tegangan variable DC. Catat V, Ib, dan n untuk masing-masing nilai. Cek torsi 4 Nm.

E.  Diagram Percobaan

Diagram percobaan motor DC shunt

Diagram percobaan motor DC seri

Diagram percobaan motor DC

F.      Tabel Percobaan

Tabel percobaan Motor DC shunt

Karakteristik Berbeban

V=f (Il), If= konstan (mis: 0,4 A), n= 1200 rpm, V= konstan (mis: 220 V)

IL (A)	Pengukuran
	Vt (Volt)	P in (Watt)	T (Nm)	n (rpm)
3	2,5	640	2,2	1400
3,5	2,5	760	3	1400
4	2,5	860	3,6	1350
4,5	2,5	1000	4,4	1350
5	2,5	1100	5	1350

V =f(Il), n₀ = 2000 rpm, V = konstan (mis: 220 V)

IL (A)	Pengukuran
	Vt (Volt)	P in (Watt)	T (Nm)
1550	4,5	980	0,3
1500	4,3	950	0,3
1450	4,2	940	0,36
1400	4,35	970	0,36
1350	4,2	940	0,47
1300	4,2	930	0,46

Tabel percobaan motor DC seri

Karakteristik berbeban (terminal D2-D3)

n = f(Il), n = 1550 rpm, V = konstan (mis: 220V)

Ia (A)	Pengukuran
	Pin (Watt)	T(Nm)	N (rpm)
4	870	2,4	1500
4,5	950	2,8	1350
5	1070	3,4	1150

Karakteristik Berbeban (Terminal D1-D2)

n = f(Il), n = 1550 rpm, V = konstan (mis: 220 V)

Ia (A)	Pengukuran
	Pin (Watt)	T(Nm)	N (rpm)
3	600	2,6	1550
3,5	710	3,6	1450
4	840	4,4	1350
4,5	940	5,2	1300
5,4	1050	6,2	1250
5,5	1750	7,2	1150

Referensi:

1. -----------1979, Electrical Machine part 1: Laboratory Experiment. Skarholmen, Swedia.
2. -----------2007, Jobsheet Pratikum Mesin Listrik 1, lab. Konversi Energi Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri padang, Padang.
3. Wildi, T, 2002, Electrical Machines, Drives, and Power System, 5 eds. Prentice Hall, New Jersey.
4. Zuhal, 2000, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia, Jakarta.