Motor Listrik DC

Sesuai namanya, motor DC adalah motor yang ditenagai sumber arus DC. Sehingga dibutuhkan rangkaian penyearah untuk mengubah arus sinusoidal (AC) menjadi arus linier (DC) jika sumber arus kita adalah arus AC.

Keuntungan menggunakan motor DC yaitu  besar kecepatan dan arah putaran dari motor dapat lebih mudah diatur dibanding motor AC.  Motor DC lebih banyak digunakan jika tersedia sumber arus DC, misal pada kendaraan bermotor.
Berikut gambaran skematik dari motor DC





PRINSIP KERJA MOTOR DC 


Untuk memahami prinsip kerja motor DC, mula-mula kita bayangkan suatu model rangkaian sederhana yang terdiri dari sumber tegangan, resistor dan batang yang dapat digerakkan disepanjang kabel seperti skema berikut :

Saat sirkuit pada t=0, seketika timbul arus sebesar i_A= V_T / R_A yang mengalir searah jarum jam pada rangkaian. Sesuai hukum Lorentz, timbul gaya pada batang sebesar
 


Dengan aturan tangan kanan untuk perkalian vector, didapat bahwa arah gaya pada batang adalah kekanan. Gaya tersebut menyebabkan batang dipercepat kekanan. Selama batang bergerak melintasi medan magnet dengan kecepatan u , timbul beda tegangan antara kedua ujung batang sebesar :

Rangkaian ekivalen dari kasus ini dapat digambarkan sebagai berikut :

Besar arus pada rangkaian selama batang bergerak menjadi

Seiring dengan peningkatan laju batang,  nilai beda tegangan terinduksi (e_A) terus meningkat sehingga                  e_A = V_T. Pada kondisi ini , gaya Lorentz yang bekerja pada batang bernilai nol dan batang akan bergerak dengan kecepatan konstan selama tidak ada gesekan.
Pemodelan sebagai Motor
Jika terdapat beban gaya pada batang (load) yang berlawanan terhadapa arah gaya Lorentz. Beban tersebut akan memperlambat batang sehingga timbul keseimbangan gaya antara gaya beban trehdapa gaya Lorentz. Pada saat kondisi ini tercapai, batang akan bergerak dengan kecepatan konstan.
Besar daya yang digunakan sebagai mechanical power pada batang berasal dari sumber tegangan V_T yaitu sebesar :

P = e_A.i_A = F.u

Pemodelan sebagai Generator
Jika terdapat gaya yang menarik batang pada saat besar arus dalam rangkaian bernilai nol , batang akan menghasilkan beda tegangan induksi pada kedua ujungnya. Beda tegangan ini akan menghasilkan arus yang berarah berlawanan jarum jam (lihat skema) . Arus ini dapat mengisi baterai atau hilang sebagai panas pada resistor. Pada kondisi ini, telah terjadi perubahan energy mekanis (akibat tarikan pada batang) menjadi energy kimiawi (muatan yang tersimpan pada senyawa kimia dalam baterai)
STRUKTUR DAN CARA KERJA MOTOR DC
Struktur Rotor dan Stator
Secara umum, motor DC terdiri dari stator (bagian diam) berbentuk silindris dengan dengan magnet yang dipasang secara berpasangan (poles, magnet dapat berupa magnet permanen atau kumparan electromagnet. Terdapat beda kutub magnet pada keliling stator.
Didalam stator terdapat rotor (bagian bergerak) yang terdiri dari silinder besi terlaminasi yang dipasang pada batang penggerak (shaft) yang disokong oleh bantalan (bearing) sehingga shaft dapat berputar. Ruang kosong antara permukaan rotor dengan stator dapat diberi lilitan armature untuk memperbesar efek gaya Lorentz.
Gambar penampang dari motor 2 kutub ditunjukkan oleh gambar berikut :

Fluks magnet cenderung memilih jalur yang paling kecil reluktansinya. Karena reluktansi udara lebih besr dibanding reluktansi pada besi, fluks akan bergerak melewati lintasan terpebdek dari stator ke rotor. Akibatnya fluks medan magnet akan berarah tegak lurus secara radial terhadap kumparan armature. Nilai fluks magnet sama besar untuk sekeliling rotor karena besar medan magnet sama. Dengan hukum Lorentz dan aturan tangan kanan, akan dihasilkan torka yang memutar shaft berlawanan arah jarum jam untuk kondisi yang digambarkan.

Gaya Gerak Listrik (GGL/emf) terinduksi dan Komutasi
Saat rotor berputar, konduktor (armature dan besi) bergerak melintasi medan magnet yang dihasilkan stator sehingga timbul gaya Lorentz. Namun seiring perputaran, arah medan magnet yang dilintasi akan berubah terbalik sehingga menimbulkan gaya yang melawan arah putaran. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan komutator untuk membalik arus sehingga arah medan magnet tetap sepanjang putaran rotor.
Ilustrasi dari cara kerja komutator digambarkan dalam skema berikut

Rangkaian Ekivalen Motor DC
Rangkaian ekivalen dari motor DC dapat digambarkan sebagai berikut :

Rangkaian pada stator direpresentasikan oleh hambatan R_F  dan inductor L_F secara seri_. Pada rangkaian DC, inductor berlaku sebagai short circuit sehingga besar tegangan pada stator bernilai

Tegangan E_A pada rotor mewakili tegangan rata-rata yang terinduksi pada armature akibat gerak dari konduktor relatuf terhadap medan magnet. Tegangan E_A biasa disebut back emf karena arahnya berlawanan dengan arah arus sumber dari luar motor. Resistor R_A adalah hambatan dari lilitan armature dan hambatan dari sikat (pada komutator)
Besar tegangan terinduksi pada armature dapat dihitung dengan persamaan :

Dimana K adalah konstanta motor yang bergantung pada desain motor, φ adalah fluks magnet yang dihasilkan oleh tiap kutub stator dan ω_m adalah kecepatan sudut rotor.
Dari persamaan gaya Lorentz didapat torka yang dihasilkan pada mesin sebesar

Dimana I_A adalah arus pada lilitan armature, sehingga didapat besar developed power  yaitu besar daya yang dirubah menjadi mechanical power :

Besar daya ini sama dengan daya listrik yang dihasilkan :

KURVA MAGNETISASI
Kurva magnetisasi dari mesin DC berupa plot dari tegangan armature E_A versus arus pada stator I_F pada saat motor berputar dengan kecepatan konstan. Plot dari kurva magnetisasi dapat digambarkan sebagai berikut ;

Karena E_A berbanding lurus dengan fluks magnet , kurva magnetisasi berbentuk mirip dengan kurva fluks terhadap arus I_F. Dari hubungan yang sudah ditunjukkan dapat dituliskan rasio
 
Rasio ini menjadi basis dari analisis motor DC.
Klasifikasi Motor DC

Mesin DC dapat digolongkan berdasarkan sambungan listrik pada lilitan armature dan lilitan stator. Hal ini dikarenakan sambungan dari lilitan pada motor dapat mempengaruhi karakteristik kerja motor. Lilitan stator dapat berkonfigurasi self-excited atau separately-excited maksudnya ujung dari lilitan dapat dihubungkan dengan terminal dari tegangan atau dari sumber teganagn terpisah. Lebih jauh lagi, pada self-excited motor lilitan dapat dihubungkan secara seri maupun parallel terhadap lilitan armature. Tiap jenis sambungan berbeda akan sangat mempengaruhi tipe operasi mesin.

1. 1.      Mesin Separately-excited

 

  

• Lilitan armature dan lilitan stator terpisah secara elektrik
• Lilitan stator dieksitasi oleh sumber arus DC yang terpisah
• Persamaan tegangan dan daya dari motor mengikuti persamaan sebelumnya. Besar Daya total pada motor

P_total = V_f.I_f  + V_T.I_a

1. 2.      Mesin Self-excited

Pada mesin ini, sumber tegangan yang digunakan tidak terpisah
2.1.Mesin Shunt

• Lilitan stator dan armature terhubung secara parallel
• Tegangan armature dan stator sama (satu sumber tegangan)
• Pada mesin ini terdapat hubungan :
  • Arus total dari catu daya : I_L = I_f  + I_a
  • Input daya total : V_T.I_L

2.2. Mesin DC seri

• Lilitan armature dan lilitan stator terhubung secara seri
• Arus pada lilitan stator dan lilitan armature memilik nilai yang sama.

Motor seri wound disebut juga motor universal. Disebut universal karena motor    ini dapat beroperasi untuk sumber tegangan AC maupun DC.
2.3.Mesin DC Majemuk (compound)
Mesin tipe ini memiliki hubungan lilitan shunt dan seri secara gabungan. Pada lilitan seri, litan stator terhubung secara seri dengan lilitan armature, dan pada lilitan shunt, lilitan stator terhubung secara parallel dengan armature. Terdapat dua jenis konfigurasi :
Cumulative compounding :
Jika fluks magnet yang dihasilkan dari kedua lilitan searah sehingga terjadi penjumlahan fluks
Differential compounding :
Jika fluks yang dihasilkan kedua lilitan saling berlawanan sehingga terjadi pengurangan fluks
PERHITUNGAN PERFORMA
Motor DC seringkali digunakan untuk memutar sistem mekanis . Engineer terkadang membutuhkan motor yang dapat memutar system mekanis dengan kecepatan konstan walau terjadi penambahan beban. Pada bangian ini kita akan membahas mengenai karakteristik torka dan kecepatan pada motor
i.        Regulasi Kecepatan
 Regulasi kecepatan didefinisikan sebagai perubahan kecepatan saat diberikan pembebanan penuh pada motor. Secara matematis dapat dinyatakan

ii.      Karakteristik Torka-Kecepatan

Agar dapat menggunakan motor DC secara tepat perlu dilakukan tinjauan terhadap kurva karakteristiknya seperti kurva torka/kecepatan dan kurva daya. Hubungan antara torka dan kecepatan pada motor merupakan salah satu basis pemilihan motor DC.
Motor DC separately-excited
Dari hubungan yang sudah dijelaskan

Dari persamaan developed torque

Substitusi dan rearrange didapat

Persamaan ini menunjukkan hubungan antara torka dan kecepatan dari separately excited DC motor. Jika tegangan terminal V_T dan fluks dijaga konstan, plot dari kurva karakterisitik berbentuk :

Grafik diatas menunjukkan bahwa terdapat hubungan trade-off antara torka yang diberikan oleh motor terhadap kecepatan putaran shaft. Terdapat dua bagian penting dalam kurva :

• Torka stall : merepresentasikan titik dimana torka maksimum namun shaft tidak berputar.
• Kecepatan tanpa pembebanan : Kecepatan maksimum dari putaran shaft ketika tidak ada torka yang diberikan oleh shaft.

Besar beban pada motor menentukan titik operasi akhir dari motor. Kasus ini diiliustrasikan dalam skema berikut :

Motor DC Shunt
Motor DC shunt memiliki persamaan yang sama dengan motor separately excited dan memiliki karakteristik tork-kecepatan yang sama
Motor DC Seri
Analisis karakteristik motor DC seri dapat dihasilkan dengan cara yang sama seperti pada motor Shunt.
Developed torque dari rotor :

Asumsi bahwa fluks magnet berbanding lurus terhadap arus (tidak ada saturasi kemagnetan)

Pada motor seri I_f  = I_a

dimana Kf bergantung darigeometri lilitan sirkuit sehingga torque developed menjadi

Dengan KVL (lihat skema)

Dan besar

Substitusi ke arus didapat

Fungsi Torka-kecepatan

Didapat kurva karakteristik

RUGI-RUGI (LOSSES)
Saat daya listrik dari catu daya dubah menjadi daya memutar shaft oleh motor DC terdapat daya yang hilang selama aliran. Dalam skematik, kehilangan daya dalam aliran listrik dapat digambarkan sebagai berikut

• Input Daya total

Besar input daya total diberikan oleh persamaan:

• Rugi konduktor (copper losses)

Daya yang dikonversi menjadi panas oleh lilitan stator

Daya yang dikonversi menjadi panas oleh lilitan armature

Sehingga total copper losses

• Rugi akibat rotasi (rotational losses)

Rugi daya yang dihasilkan akibat gesekan shaft , efek eddy-current dan hysteresis. Rotational losses sebanding dengan kecepatan putaran motor

EFISIENSI
Dari uraian diatas, efisiensi dari motor DC dapat ditentukan dengan persamaan :

Dengan menjabarkan rugi-rugi daya

Dasar Dasar Sistem/Teknologi Mesin Hidrolik

I. DASAR SISTEM HIDROLIK

Adalah suatu sistem yang memanfaatkan cairan bertekanan untuk menghasilkan suatu energi yang lebih kuat. Dalam sistem hidrolik fluida cair berfungsi sebagai penerus gaya. Minyak mineral adalah jenis fluida cair yang umum dipakai.
Hidrolik terbagi dalam 2 bagian :
Hidrodinamika : yaitu Ilmu yang mempelajar tentang zat cair yang bergerak
Hidrostatik : yaitu Ilmu yang mempelajari tentang zat cair yang bertekanan
Pada hidrostatik adalah kebalikan dari Hidrodinamika yaitu zat cair yang digunakan sebagai media tenaga, zat cair berpindah menghasilkan gerakan dan zat cair berada dalam tabung tertutup
Tekanan dan Gaya
Untuk menimbulkan tekanan maka fluida harus dikompress. Jumlah fluida yang dikompress dan nilai tekanan tergantung dari gaya yang digunakan untuk mengalirkan fluida dan gaya gaya yang menghambat (resisting) aliran fluida.



Sifat dari zat cair :
- Tidak mempunyai bentuk yang tetap, selalu menyesuaikan bentuk yang ditempatinya.
- Zat cair tidak dapat dikompresi.
- Meneruskan tekanan ke segala arah.

Hidrolik dapat dinyatakan sebagai alat yang memindahkan tenaga dengan mendorong sejumlah cairan tertentu. Komponen pembangkit aliran fluida bertekanan disebut pompa, dan komponen pengubah tekanan hidrolik menjadi gerak mekanik (lurus/rotasi) disebut elemen kerja (silinder/motor hidroulik).

Keuntungan-keuntungan sistem hidrolik :
- Fleksibel dalam penempatan komponen transmisi tenaga.
- Gaya yang sangat kecil dapat digunakan untuk mengangkut gaya yang besar.
- Penerus gaya (oli) juga berfungsi sebagai pelumas.
- Beban dengan mudah bisa dikontrol dengan menggunakan katup pengatur tekanan (relief valve).
- Dapat dioperasikan pada kecepatan yang berubah-ubah.
- Arah operasi dapat dibalik seketika.
- Lebih aman jika beroperasi pada beban berlebih.
- Tenaga dapat disimpan dalam akumulator.

Kelemahan sistem hidrolik :
Sistem hidrolik membutuhkan suatu lingkungan yang betul-betul bersih. Komponen-komponennya sangat peka terhadap kerusakan-kerusakan yang diakibatkan oleh debu, korosi dan kotoran-kotoran lain, serta panas yang mempengaruhi sifat-sifat minyak hidrolik.

PERSAMAAN / RUMUS DASAR
Tekanan adalah gaya per-satuan luas penampang.
Dalam persamaan dinyatakan dengan :
P = F / A

dimana :
P = Pressure/ Tekanan (Pascal).
F = Force/gaya (Newton).
A = Area/luas (Meter 2)

Kapasitas adalah jumlah aliran per-satuan waktu.
Dalam persamaan dinyatakan dengan :


Q = V / t

dimana :
Q = Kapasitas/Debit (M3/dt).
V = Volume Fluida (M3).
t = Waktu (dt).

Atau ;

Q = A x V

dimana :
A = Luas (Meter 2).
V = Kecepatan Fluida (M/dt).

Persamaan Boyle :
P1 x V1 = P2 x V2

dimana :
P = Tekanan
V = Volume

Persamaan Kontinuitas :
Q1 = Q2 A1 x V1 = A2 x V2

Konversi satuan :
- 1 Pascal = 1 Newton/ Meter2 (Pa = N/M2)
- 1 Bar = 105 Pa = 100 kPa = 14.7 Psi (Lbf/ in2) = 1 Kgf/ Cm2
- 1 M3/dt = 60 M3/menit
- 1 M3/menit = 1000 LPM (liter/menit).

II. FLUIDA HIDROLIK.
Fungsi fluida hidrolik :
- Sebagai pemindah/penerus gaya.
- Pelumas bagian-bagian yang bergesekan.
- Pengisi celah (seal) jarak antara dua bidang yang melakukan gesekan.
- Sebagai pendingin atau penyerap panas yang timbul akibat gesekan.

Syarat fluida hidrolik :
- Mampu mencegah korosi atau kontaminasi.
- Mampu mencegah adanya pembentukan endapan.
- Tidak mudah membentuk buih-buih oli.
- Stabil & mampu menjaga nilai kekentalan.
- Dapat memisahkan kandungan air.
- Sesuai atau cocok dengan penyekat/seal dan gasket yang dipakai pada komponen.

Hal terpenting yang perlu diperhatikan dalam pemilihan fluida hidrolik adalah “Viscositas”, karena viscositas akan mempengaruhi kemampuan untuk mengalir dan melumasi bagian-bagian yang bergesakan. Viscositas fluida hidrolik dinyatakan dengan Nilai Viscositas.

Dalam pemilihan nilai viscositas oli sebaiknya mengacu pada manufactur pompa / sistem hidrolik agar sistem bekerja secara optimal.

Viscositas oli yag tinggi memberikan pengisian yang baik antara celah (gap) dari pompa, valve & motor hidrolik, tetapi jika nilai viscositas terlalu tinggi akan mengakibatkan :
- Hambatan yang besar sehingga menyebabkan seretnya gesekan elemen penggerak (actuator) dan kavitasi pompa (udara masuk ke pompa).
- Pemakaian tenaga bertambah, karena kerugian gesekan.
- Penurunan tekanan bertambah melalui saluran-saluran dan katup-katup.

Jika viscositas oli terlalu rendah, akan mengakibatkan :
- Kerugian-kerugian kebocoran dalam yang berlebihan.
- Aus berlebihan oleh karena pelumasan tidak mencukupi pada pompa dan motor.
- Menurunkan efisiensi motor dan pompa.
- Suhu oli naik atau bertambah karena kerugian-kerugian kebocoran bagian dalam.

Nilai viscositas oli dinyatakan dengan :
- Viscositas absolut : Poise atau Centipoise (Cp).

Pressure Regulating Valve

- Viscositas kinematik : Centistoke (Cst).
- Viscositas relatif : SUS (Saybolt Universal Second).
- Angka koefisien Society of Automotive Engineer (SAE).
- Derajat engler (oE)

III. PRESSURE REGULATING VALVE (KATUP PENGATUR TEKANAN)
Pressure regulating valve digunakan untuk mengatur tekanan sistem atau subsistem suatu rangkaian hidrolik. Ada beberapa jenis valve tersebut yang mana fungsi dari valve tersebut didalam rangkaian dijadikan dasar untuk penamaannya.

Beberapa Valve yang digolongkan dalam rressure regulating valve adalah Pressure relief valve (Katup pelepas/pengaman tekanan), Pressure reducing valve (Katup penurun tekanan). Unloading valve, Offloanding valve, Counter balance valve dan Sequence valve

a. Pressure Relief Valve
Digunakan untuk mengatasi tekanan maksimum sistem dalam rangkaian atau sub rangkaian, dengan demikian akan memberikan perlindungan terhadap beban berlebih.

b. Pressure Reducing Valve
Digunakan untuk mengurangi atau menurunkan batas-batas tekanan dari rangkaian utama ke tekanan yang lebih rendah pada suatu sub rangkaian.

c. Unloading Valve
- Digunakan untuk menyediakan arah balik aliran pompa ke tanki, sementara sistem harus dipertahankan (sistem unloading).
- Disebut juga katup pengisi akumulator.

d. Offloading Valve
Digunakan untuk menyediakan arah balik aliran pompa ke tangki sementara tekanan sistem tidak dipertahankan (sistem off loading).

e. Counter Balance Valve
Digunakan untuk memberikan perlawanan aliran fluida pada saat batas-batas tekanan yang dapat dipilih (gaya pengimbang).

f. Sequence Valve
Digunakan untuk menimbulkan gerakan dalam suatu sistem dalam suatu urutan-urutan tertentu dan untuk menjaga tekanan minimum yang ditentukan sebelumnya dalam saluran primer sementara operasi sekunder tetap berlangsung.


Komponen-komponen dalam sirkuit dasar sistem hidrolik agar dapat bekerja dengan sempurna adalah sebagai berikut

1. Tangki Hidrolik (Hydraulic Tank) adalah sebagai tempat
penampung oli dari sistem. Selain itu juga berfungsi sebagai pendingin
oli yang kembali.

2. Pompa Hidrolik (Hydraulic Pump) sebagai pemindah oli dari
tangki ke dalam sistem. Artinya, pompa mengubah tenaga mekanis engine
menjadi tenaga hidrolis, Dan bersama komponen lain menimbulkan
hydraulic pressure.

3. Control Valve gunanya untuk mengarahkan jalannya oli ke tempat
yang diinginkan atau direksional

4. Actuator (Cylinder dan Motor) adalah sebagai perubah dari
tenaga hidrolik menjadi tenaga mekanik baik itu axial maupun putaran.

5. Main Relief Valve gunanya untuk membatasi tekanan maksimum
yang diijinkan dalam hydraulic system , agar sistem sendiri tidak rusak
akibat over pressure.

6. Selain itu juga diperlukan Filter untuk menyaring kotoran-kotoran seperti
gram-gram agar tidak ikut bersikulasi kembali.

Namun, sebenarnya tidak cuma terbatas pada komponen tersebut di atas, karena dalam perkembangannya sistem hidrolik sekarang lebih kompleks. Banyak terdapat komponen-komponen yang dipasang sesuai dengan tujuan penggunaan sistem hidrolik itu sendiri. Untuk lebih lengkapnya akan saya bahas di waktu yang akan datang.

 2. Fungsi Hidrolik
Sistem hidrolik adalah suatu system pemindah tenaga dengan menggunakan zat cair atau fluida sebagai perantara. Sistem hydraulic ini mempunyai banyak keunggulan dibanding jika menggunakan sistem mekanikal.

Adapun keuntungannya adalah sebagai berikut:
o Dapat menyalurkan torque dan gaya yang besar
o Pencegahan overload tidak sulit
o Kontrol gaya pengoperasian mudah dan cepat.
o Pergantian kecepatan lebih mudah
o Getaran yang timbul relatif lebih kecil
o Daya tahan lebih lama.

Namun system hydraulic ini juga mempunyai beberapa kekurangan yaitu:
o Peka terhadap kebocoran
o Peka terhadap perubahan temperatur
o Kadang kecepatan kerja berubah
o Kerja system saluran tidak sederhana.