4.1 Konstruksi Motor DC

Motor DC telah digunakan dalam industri selama bertahun-tahun. Jika digabungkan dengan DC Drive, motor DC menghasilkan kontrol yang akurat. Motor DC dapat digunakan pada aplikasi conveyor, elevator, extruder, marine, material handling, paper, plastik, rubber, steel dan tekstil.

Motor DC dibuat dari beberapa komponen utama yaitu :

• Frame
• Shaft
• Bearing
• Field Winding (Stator)
• Armature (Rotor)
• Brush Assembly

Perlu dipahami karateristik kelistrikan dari kumparan field, disebut juga stator dan kumparan yang berputar, disebut juga armature. Jika kita memahami kedua komponen tersebut akan membantu memahami fungsi-fungsi dari DC Drive.

Gambar 4.1 Konstruksi motor DC

Konstruksi Dasar

Hubungan dari komponen kelistrikan pada motor DC ditunjukan pada gambar dibawah ini. Kumparan field dipasang pada potongan kutub untuk membentuk elektromagnet. Pada motor DC kecil kumparan field bisa juga dipasang permanent magnet. Kumparan field dan potongan kutub dibaut ke frame. Armature dimasukan antara kumparan field. Armature didudukan pada bearing dan bracket. Carbon brush ditahan terhadap komutator.

Gambar 4.2 Hubungan komponen kelistrikan motor DC

Armature

Armature berputar antar kutub kumparan field. Armature dibuat dari shaft, core, kumparan armature dan komutator. Kumparan armature biasanya membentuk gulungan dan kemudian diletakan dalam slot pada core.

Gambar 4.3 Armature motor DC

Carbon Brush

Carbon brush menumpang disisi komutator untuk memberikan pasokan tegangan ke motor. Secara mekanis, motor DC rumit dan dapat menyebabkan masalah pada lingkungan tertentu. Komutator yang kotor dapat menghambat pasokan tegangan. Perawatan khusus dibutuhkan ketika menggunakan motor DC pada beberapa aplikasi industri. Karat dapat menyebabkan kerusakan komutator. Selain itu, carbon brush terhadap komutator menyebabkan spark yang mungkin bermasalah pada lingkungan yang berbahaya.

Gambar 4.4 Carbon brush

4.2 Prinsip Kerja Dasar Motor DC

Medan magnet

Kita telah membahas dua komponen kelistrikan motor DC yaitu kumparan field dan armature. Kumparan armature dibuat dari konduktor/kawat yang membawa arus yang berakhir di komutator. Tegangan DC diterapkan ke kumparan armature melalui carbon brush yang menumpang pada komutator.

Pada motor DC kecil, permanent magnet dapat digunakan untuk stator. Tetapi pada motor besar yang digunakan pada aplikasi industri, stator adalah elektromagnet. Ketika tegangan diterapkan pada kumparan stator sebuah elektromagnet dengan kutub utara dan selatan dibuat. Medan magnet yang dihasilkan adalah statis (tidak berputar). Untuk menjelaskan, stator akan direpresentasikan oleh permanen magent pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.5 Medan magnet stator

Motor DC berputar sebagai hasil dari dua medan magnet yang berinteraksi satu dengan lainnya. Medan magnet yang pertama dari field yang terdapat pada kumparan stator. Medan magnet kedua terdapat pada armature. Ketika arus mengalir melalui konduktor, medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor.

Gambar 4.6 Medan magnet stator dan armature

Hukum Tangan Kanan untuk Motor

Hubungan yang diketahui sebagai hukum tangan kanan untuk motor terdapat antara medan magnet utama (field), medan magnet disekeliling konduktor dan arah gerak.

Jika jari jempol, telunjuk dan jari tengan ditahan pada sudut yang tepat terhadap satu dengan lainnya dan ditempatkan seperti gambar dibawah ini, maka jari telunjuk menunjukan arah flux dari medan magnet utama (field) dan jari tengah menunjuk arah dari aliran elektron pada konduktor, jari jempol akan mengindikasikan arah pergerakan konduktor. Seperti yang kita lihat pada gambar dibawah, konduktor pada sisi kiri cenderung terdorong ke atas. Konduktor pada sisi kanan cenderung terdorong kebawah. Hasil ini akan menyebabkan motor berputar searah jarum jam. Kita akan melihat selanjutnya nilai gaya pada konduktor untuk menghasilkan putaran proporsional terhadap kekuatan medan magnet dan nilai arus yang mengalir pada konduktor.

Gambar 4.7 Hukum tangan kanan untuk motor

CEMF (Counter Electromotive Force)

Ketika konduktor memotong garis flux, tegangan diinduksikan ke konduktor. Didalam motor DC, konduktor armature memotong garis flux medan utama (field). Tegangan yang di induksikan ke konduktor armature selalu berlawanan arah terhadap tegangan DC yang diterapkan. Ketika tegangan yang diinduksikan berlawanan arah terhadap tegangan yang diterapkan disebut juga CEMF. CEMF memnurunkan tegangan armature yang diterapkan.

Gambar 4.8 CEMF

Nilai CEMF yang diinduksikan tergantung pada banyak faktor seperti jumlah gulungan pada coil, flux density dan kecepatan ketika garis flux dipotong.

Armature

Armature dibuat dari banyak gulungan dan konduktor. Medan magnet pada konduktor tersebut dikombinasikan untuk membentuk sebuah  arah medan magnet armature dengan kutub utara dan selatan. Kutub utara armature ditarik ke kutub selatan medan magnet utama (field). Kutub selatan armature di tarik ke kutub utara medan utama. Atraksi ini memberikan torsi terus menerus ke armature. Walaupun armature terus menerus bergerak, arah medan terlihat tetap. ini disebabkan oleh komutasi.

Gambar 4.9 Medan armature

Komutasi

Ilustrasi motor DC dibawah ini hanya menunjukan satu konduktor armature. Separuh konduktor diberikan warna hitam dan separuh lagi berwarna putih. Konduktor dihubungkan dengan dua segmen komutator.

Pada possisi 1 separuh konduktor berwarna hitam membuat kontak dengan sisi negatif tegangan DC yang diterapkan. Arus mengalir dari komutator pada sisi konduktor berwarna hitam dan kembali ke sisi positif, mengalir melalui konduktor berwarna putih.

Gambar 4.10 Komutasi posisi 1

Pada posisi 2, konduktor telah berputar 90 derajat. Pada posisi ini konduktor sejajar dengan medan magnet utama. Konduktor tidak memotong flux medan magnet oleh karena itu tidak ada tegangan yang diinduksikan ke konduktor. Hanya tegangan yang diterapkan yang ada di konduktor. Gulungan konduktor di hubung singkatkan oleh carbon brush yang menjangkau dua segmen komutator yang berdekatan. Ini memungkinkan arus untuk berbalik ketika segmen komutator berwarna hitam membuat kontak dengan dengan sisi positif pada tegangan DC yang diterapkan dan segmen komutator berwarna putih membuat kontak dengan sisi negatif pada tegangan DC yang diterapkan.

Gambar 4.11 Komutasi posisi 2

Ketika konduktor berputar dari posisi 2 ke posisi 3, arus mengalir dari komutator berwarna putih menuju komutator berwarna hitam. Arus telah berbalik arahnya pada konduktor. Ini sebut juga komutasi.

Gambar 4.12 Komutasi posisi 3

4.3 Jenis Motor DC

Medan pada motor DC dapat berupa magnet permanen atau electromagnet yang dihubungkan seri, shunt atau compound.

Motor Permanen Magnet

Motor permanen magnet menggunakan magnet untuk memasok medan flux. Motor DC permanen magnet mempunyai torsi awal yang baik dengan regulasi kecepatan yang baik. Kekurangan dari motor DC permanen magnet adalah terbatas pada jumlah beban yang dapat dikendalikan. Motor tersebut dapat ditemukan pada aplikasi daya rendah. Kekurangan lain adalah torsi nya dibatasi 150% dari torsi pengenalnya untuk menjaga demagnetisasi pada magnet permanennya.

Gambar 4.13 Motor DC permanen magnet

Motor Seri

Pada motor DC seri, field disambung secara seri dengan armature. Field merupakan gulungan dengan beberapa kawat besar karena field harus membawa arus armature yang besar.

karateristik pada motor seri adalah motor dibuat dengan nilai torsi awal yang besar. Tetapi kecapatan banyak bervariasi antara tanpa beban dan beban penuh. Motor seri tidak dapat digunakan dimana kecepatan yang konstan dibutuhkan pada beban yang bervariasi. Beban harus selalau disambung ke motor seri. Motor seri umumnya tidak cocok untuk penggunaan aplikasi VSD.

Gambar 4.14 Motor DC Seri

Motor Shunt

pada motor shunt, field disambung secara paralel dengan armature. Motor shunt menawarkan regulasi kecapatan yang baik. Kumparan field dapat dipisah atau disambung dengan sumber yang sama dengan armature. Keuntungan field yang terpisah adalah kemampuan untuk aplikasi VSD untuk menyediakan kontrol tersendiri pada armature dan field. Motor shunt menawarkan kontol yang sederhana untuk membalik putaran. Ini sangat berguna untuk regenerative drive.

Gambar 4.15 Motor DC Shunt

Motor Compound

Motor compound mempunyai field yang disambung secara seri dengan armature dan shunt field yang terpisah. Field yang disambung seri menyediakan torsi awal yang lebih baik dan shunt field menyediakan regulasi kecepatan yang lebih baik. Tetapi, field seri dapat menyebabkan permasalahan kontrol dalam aplikasi VSD dan umumnya tidak digunakan pada drive empat quadran.

Gambar 4.16 Motor DC Compound

Kurva Kecepatan/Torsi

Kurva dibawah ini membandingkan karateristik kecepatan dan torsi pada motor DC. Pada titik kesetimbangan, torsi yang dihasilkan oleh motor sama dengan nilai torsi yang dibutuhkan untuk memutar beban pada kecepatan konstan. Pada kecepatan rendah, torsi motor lebih tinggi dari torsi beban dan motor akan melakukan percepatan sampai titik kesetimbangan. Pada kecepatan diatas titik kesetimbangan, motor mengendalikan torsi kurang dari torsi yang dibutuhkan oleh beban dan motor akan melakukan perlambatan sampai titik kesetimbangan.

Gambar 4.17 Kurva Kecepatan dan Torsi

4.4 Pengenal Motor DC

Nameplate pada motor DC menyediakan informasi penting yang dibutuhkan untuk mengaplikasikan motor DC dengan DC drive. Spesifikasi dibawah ini umumnya terdapat pada nameplate:

• Manufacture type’s and Frame Designation
• Horsepower at Base Speed
• Maximum Ambient Temperature
• Insulation Class
• Base Speed at Rated Load
• Rated Armature Voltage
• Rated Field Voltage
• Armature Rated Load Current
• Winding Type
• Enclosure

Gambar 4.18 Contoh nameplate

Horsepower

Horsepower adalah satuan daya, yang mengindikasikan nilai dimana usaha dilakukan. Pengenal horsepower pada motor merujuk pada kecepatan dasar (base speed). Ini dapat dilihat dari formula dibawah ini bahwasanya menurunkan kecepatan (RPM) menghasilkan penurunan horsepower (HP) yang proporsional.

HP = (Torque x RPM) / 5250

Kecepatan, Tegangan dan Arus Armature

Umumnya tegangan armature di U.S 250 VDC atau 500 VDC. Kecepatan dari motor tanpa beban dapat diprediksi dengan tegangan armature. Sebagai contoh, motor tanpa beban dapat berputar pada kecepatan 1250 RPM pada 500 volt. Motor yang sama akan berputar kira-kira 600 RPM pada 250 volt.

Gambar 4.19 Kurva Kecepatan dan Torsi

Kecepatan dasar yang tertera pada nameplate motor adalah indikasi seberapa cepat motor akan berputar pada tegangan armature pengenalnya dan beban (amp) pengenalnya terhadap flux pengenalnya.

Kecepatan maksimum pada motor juga dapat tertera pada nameplate. Kecepatan maksimum mengindikasikan kecepatan maksimum motor yang dapat berputar dalam field weakening.

Gulungan

Jenis gulungan field juga tertera pada nameplate. Umumnya yang digunakan pada DC drive adalah gulungan shunt.

Tegangan dan Arus Field

Shunt field umumnya digulung untuk 150 VDC atau 300 VDC. Contoh motor dibawah ini mempunyai gulungan yang dapat disambung ke tegangan 150 VDC atau 300VDC.

Gambar 4.20 Gulungan field

Field Economy

Pada kebanyakan aplikasi mungkin membutuhkan untuk menerapkan tegangan ke shunt field ketika motor diam dan sirkuit armature tidak energize. Tegangan maksimum yang diterapkan pada shunt field ketika motor tidak bekerja akan menghasilkan panas yang dapat menyebabkan shunt field terbakar. Field economy adalah teknik yang digunakan oleh DC drive untuk menurunkan nilai tegangan field yang diterapkan ketika armature tidak energize. Keuntungan dari field economy terhadap mematikan tegangan field adalah untuk menjaga kondensasi.

Insulation Class

Sebelum motor dijalankan, gulungan berada pada suhu dari udara disekitarnya. Ini disebut juga suhu lingkungan. NEMA mempunyai standar pada suhu lingkungan yaitu 40°C untuk semua kelas.

Suhu akan meningkat dalam motor selama motor bekerja. Kombinasi dari suhu lingkungan dan peningkatan suhu yang diizinkan sama dengan suhu maksimum gulungan dalam motor. Motor dengan insulasi kelas F (yang umumnya digunakan) mempunyai peningkatan suhu maksimum 105°C. Suhu maksimum gulungan adalah 145°C (40°C + 105°C). Margin diizinkan untuk titik tengah pada gulungan motor dimana suhunya lebih tinggi, ini dirujuk sebagai hot spot motor.

Gambar 4.21 Insulation class

Suhu kerja pada motor sangat penting agar bekerja lebih efisien dan pemakaian jangka lama. Motor yang bekerja diatas batas kelas insulasi akan mengurangi umur motor. Kenaikan 10°C pada suhu kerja akan mengurangi umur motor sebesar 50% dan juga meningkatkan pemakaian carbon brush.

4.5 Hubungan Kecepatan/Torsi pada Motor Shunt

Pemahaman beberapa hubungan pada motor DC akan membantu kita untuk memahami tujuan dari berbagai fungsi dalam DC drive. Formula dibawah ini diterapkan pada semua jenis motor DC (seri, shunt dan compound). Tetapi, kita akan fokus pada motor DC shunt karena motor tersebut banyak dipergunakan menggunakan DC drive.

Persamaan Motor DC

Dalam DC drive, tegangan yang diterapkan (Va) ke sirkuit armature di terima dari sumber tegangan DC variabel. Tegangan yang diterapkan ke sirkuit field (Vf) dari sumber yang berbeda. Armature pada semua motor DC memiliki nilai resistansi (Ra). Ketika tegangan (Va) diterapkan , arus (Ia) mengalir melalui armature. Arus yang mengalir melalui konduktor armature menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini berinteraksi dengan shunt field (ɸ) dan menghasilkan putaran.

Gambar 4.22 Sirkuit armature dan field

Tegangan Armature

Persamaan tegangan armature dibawah ini akan digunakan untuk mendemostrasikan beberapa prinsip kerja pada motor DC. Variasi persamaan ini dapat digunakan untuk mendemonstrasikan bagaimana tegangan armature, CEMF, torsi dan kecepatan motor berinteraksi.

Va = (Ktɸn) + (IaRa)

Dimana :

Va = Tegangan armature yang diterapkan

Kt = Konstanta motor

ɸ = Flux shunt field

n = Kecepatan armature

Ia = Arus armature

Ra = Resistansi armature

CEMF

Putaran armature melalui shunt field menginduksikan tegangan pada armature (Ea) yang berlawanan arah terhadap tegangan armature (Va). Ini adalah CEMF (counter electromotive force).

CEMF tergantung pada kecepatan armature (n) dan kekuatan shunt field (ɸ). Peningkatan pada kecepatan armature (n) atau peningkatan kekuatan shunt field (ɸ) akan menyebabkan peningkatan CEMF juga.

Ea = Ktɸn atau Ea = Va – (IaRa)

Kecepatan Motor

Hubungan antara Va dan kecepatan adalah linear selama flux (ɸ) tetap konstan. Sebagai contoh, kecepatan 50% dari kecepatan dasar dengan penerapan tegangan 50%.

Gambar 4.23 Hubungan kecepatan motor dengan tegangan armature

Torsi Motor

Interaksi medan magnet armature dan field menghasilkan torsi (M). Peningkatan pada arus armature (Ia) akan meeningkatkan flux armature, yang akan meningkatkan torsi. Peningkatan arus field (Ir) akan meningkatkan flux shunt field, yang akan meningkatkan torsi.

M = Iaɸ

Kecepatan dasar berhubungan dengan tegangan armature penuh (Va) dan flux (ɸ) penuh. Motor DC dapat bekerja pada torsi (M) pengenal pada kecepatan berapapun sampai dengan kecepatan dasarnya, dengan memilih nilai tegangan armature yang sesuai. Terkadang ini disebut sebagai constant torque region. Torsi (M) aktual yang dihasilan ditentukan oleh kebutuhan beban (Ia).

Gambar 4.24 Kurva torsi

Konstan Horsepower

Beberapa aplikasi membutuhkan motor untuk bekerja diatas kecapatan dasar. Tegangan armature (Va) tidak dapat lebih tinggi dari tegangan pengenal nameplate. Metode lain untuk meningkatkan kecepatan yaitu dengan melemahkan field (ɸ). Pelemahan field menurunkan nilai torsi (M) motor. Aplikasi yang bekerja dengan pelemahan field (field weakening) harus membutuhkan torsi yang kecil pada kecepatan tinggi.

Gambar 4.26 Kurva konstan horsepower

Horsepower dikatakan konstan karena kecepatan (N) meningkat dan torsi (M) menurun secara proposional.

HP = (M x N) / 5250

Field Saturation

Field saturatin dapat dilihat dari formula kecepatan (n) dan torsi (M) dimana density flux field mempunyai efek terhadap kecepatan motor dan torsi. Peningkatan field flux (ɸ) akan menyebabkan penurunan kecepatan (n) dan meningkatkan kemampuan torsi (M) motor.

n = CEMF/ɸ

M ≈ Iaɸ

Hubugan antara arus field (If) dan flux (ɸ) tidak proposional seperti yang dilihat. Ketika density flux meningkat kemampuan field untuk menahan tambahan flux menurun. Ini menjadi sangat sulit untuk meningkatkan density flux. Ini disebut juga saturasi (saturation).

Kurva saturasi, seperti contoh gambar dibawah ini, dapat di plot untuk motor DC. Flux (ɸ) akan meningkat secara proposinal dengan meningkatnya arus field (Ir) sampai knee kurva. Peningkatan arus field lebih lanjut akan menghasilkan peningkatan flux yang kurang proposional. Ketika field saturasi, tidak ada tambahan flux yang akan dihasilkan.

Gambar 4.27 Field saturation

Referensi :

• Siemens Basic DC Drive
• Electrical Drive : Principal-Planning-Application-Solution, Jens Weidauer & Richard Messer