MOTOR LISTRIK

MOTOR LISTRIK

A.    Pengertian Motor Listrik

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energy kinetik. Dasar kerja motor hampir sama dengan alat pengukur listrik, yaitu perputaran kumparan berarus listrik dalam suatu medan magnet. Alat yang dapat melakukan perubahan arah aliran dinamakan komutator yang terpasang pada poros motor.

Komponen utama dari motor listrik yaitu; sebuah magnet yang berbentuk U dengan ruang berbentuk silinder di antara kutub-kutubnya, sebuah kumparan yang dapat berputar di antara kutub magnet, dua buah sikat, dua buah cincin belah.

Cara kerja motor berdasarkan asas bahwa kawat yang berarus listrik mengalami gaya Lorentz di dalam medam nagnet.

Gambar Motor Arus Searah

Misal, sebuah kumparan kawat yang berarus listrik berada di dalam medan magnet serba sama seperti Gambar 20. Arah garis gaya magnet dari kiri ke kanan, sedangkan arah arus listrik seperti terlukis dengan anak panah.

Gaya dari medan magnet bekerja pada kawat di kedua sisi yang dapat dicari dengan aturan Fleming (aturan tangan kiri), seperti berikut :

” Jika telunjuk tangan kiri menunjuk arah yang sama dengan arah garis gaya dan jari tengan menunjuk arah yang sama dengan arah arus, maka ibu jari menunjuk arah gerakan kawat”

Jadi pada gambar 20 itu kawat yang kiri bergerak ke atas dan yang kanan  bergerak ke bawah, karena kedua gaya tersebut sama besar, sejajar dan berlawanan arahnya, maka pada kumparan tersebut bekerjalah suatu kopel kekuatan.

Supaya kopel ini senantiasa sama arahnya, dipergunakan sebuah komutator yang mengubah arah arus dalam kumparan apabila telah melintasi daerah netral.

Bagian yang berputar dinamakan Rotor dan bagian yang tidak bergerak yang dilengkapi dengan kutub-kutub magnet disebut Stator. Gaya magnet dari kutub-kutub stator ini dapat diperoleh dengan arus yang melalui Rotor (seri), atau dengan sebagian arus yang dialirkan ke motor (shunt).

Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energy gerak atau kinetik. Dasar kerja motor listrik adalah hampir sama dengan dasar kerja alat pengukur listrik, yaitu perputaran kumparan berarus listrik, yaitu perputaran kumparan berarus listrik ke dalam medan magnet.

Motor listrik mempunyai bagian utama yaitu ;

a. Sebuah magnet tetap berbentuk U dengan ruang di antara kutub-kutubnya berbentuk selinder.

b. Sebuah kumparan yang dapat berputar diantara kutub-kutub magnet tetap

c. Dua buah sikat S1 dan S2

d. Dua buah cincin belah B1 dan B2

B. PRINSIP KERJA MOTOR LISTRIK

1.      Arus listrik masuk melalui sikat S2 ke belahan B2, dari B2 arus mengalir melalui kumparan ke belahan B1 Ke sikat S1.

2.      Arus listrik ini memutar kumparan sampai bidang kumparan menghadap magnet kutub-kutub magnet tetap. B1 dan B2 berputar.

3.      Tepat pada saat iru B2 bersentuhan dengan S1 dan B1 bersentuhan dengan S2. Sekarang arus dalam kumparan menjadi dari S2 ke belahan B1 melalui kumparan lalu kebelahan B2 terus ke sikat S1. Jadi arus sekarang dalam kumparan berubah. Dengan demikian kumparan berputar setengah putaran lagi, demikian seterusnya tiap kali bidang kumparan berhadapan dengan kutub-kutub magnet tetap. Arah arus diubah oleh cincin belah itu yang terbuat dari penghantar dan disebut Komutator.

4.      Pengaruh medan magnet terhadap kumparan itu paling besar ketika bidang kumparan tidak terletak sejajar dengan garis-garis gaya. Sedangkan pengaruh medan magnet terhadap putaran kumparan paling kecil ketika bidang kumparan itu tegak lurus garis-garis gaya. Maka dari itu kumparan motor itu menggunakan satu kumparan yang berjalan agak tersentak sentak.

Untuk menghaluskan putaran maka digunakan dua buah kumparan, yang satu tegak lurus dengan yang lain, dengan dua pasang cincing belah. Dengan cara ini bila kumparan yang satu tegak lurus pada garis gaya maka kumparan yang lain sejajar dengan garis gaya.

Untuk membuat motor listrik yang kuat maka kumparan yang digunakan lebih banyak lagi, begitu pula cincin belahnya. Kumparan-kumparan diletakkan pada alur-alur sebuah selinder besi disebut Anker atau Sauh. Ujung-ujung tiap kumparan berakhir pada komutator yang berupa plat-plat tembaga yang tersekat atau sama lain tersusun sekeliling anker sedangkan sikatnya terbuat dari karbon.

Perlu diketahui bahwa pengaruh paling besar medan magnet terhadap kumparan adalah ketika bidang kumparang tidak sejajar dengan garis-garis gaya magnet. Sedangkan pengaruh medan magnet terhadap kumparan paling kecil ketika bidang kumparan berada tegak lurus dengan garis-garis gaya medan magnet. Hal ini akan mengakibatkan jalan motor tersentak-sentak, sehingga diperlukan paling tidak dua buah kumparan yang saling tegak lurus serta dua

pasang cincin belah.

Untuk membuat motor listrik yang kuat maka diperlukan lebih banyak lagi kumparan dan cincin belahnya. Kumparan-kumparan tersebut diletakkan pada alur-alur sebuah selinder besi disebut anker. Ujung dari setuap kumparan berakhir pada sebuah komutator yang berupa plat tembaga dan tersekat satu dengan yang lainnya, tersusun mengelilingi anker, sedangkan sikat terbuat dari karbon.

Sesuai dengan Hukum Lenz, setiap GGL induksi berkelakuan melawan perubahan yang menghasilkannya. Dengan demikian induksi diri selalu dalam arah sedemikian rupa sehuingga melawan perubahan arus dalam rangkaian. Jika kumparan atau rangkaian listrik mempunyai sifat melawan setiap perubahan arus dalam rangkaian, dikatakan mempunyai induksi diri atau induktansi, yang bersatuan Henry. Rangkaian mempunyai induktansi satu Henry jika GGL satu volt diinduksikan dalam rangkaian ketika arus berubah dengan laju satu amper per sekon.

C. Jenis-Jenis Motor Listrik

1. Motor DC

Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque 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.

§  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.

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

Gambar  Sebuah motor DC

Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:

§  Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan

§  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

Torque: 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 = torque electromagnetik

Ia = arus dinamo

K = konstanta persamaan

2.1.1 Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited

Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/ separately excited.

2.1.2 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 Karakteristik motor DC shunt

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

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

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

2.1.3 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):

§  Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM

§  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 Gambar 5).

Gambar Karakteristik Motor Seri DC

2.1.4 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 dynamo (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 komponen yang standar (12%) tidak cocok (myElectrical, 2005).

  

Gambar Karakteristik Motor Kompon DC

2.2 Motor AC

Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan daalam Gambar 7. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor.

Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).

2.2.1 Motor sinkron

Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.

  

Gambar Motor Sinkron

Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 7):

§  Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya.

§  Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok. Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):

Ns = 120 f / P

Dimana:

f = frekwensi dari pasokan frekwensi

P= jumlah kutub

2.2.2 Motor induksi

Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.

a. Komponen

Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8):

§  Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:

o   Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.

o   Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.

§  Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat

Gambar Motor Induksi

c. Klasifikasi motor induksi

Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003):

§  Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.

§  Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.

d. Kecepatan motor induksi

Motor induksi bekerja sebagai berikut. Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar.

Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/ slip ring motor”.

Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran (Parekh, 2003):

% Slip = Ns – Nb x 100

Ns

Dimana:

Ns = kecepatan sinkron dalam RPM

Nb = kecepatan dasar dalam RPM

e. Hubungan antara beban, kecepatan dan torque

Gambar 9 menunjukan grafik torque-kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):

§  Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torque yang rendah (“pull-up torque”).

§  Mencapai 80% kecepatan penuh, torque berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun.

§  Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun ke nol.

  

Gambar Grafik Torque-Kecepatan Motor Induksi AC

3-Fase