diktat pengantar

Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi

1

Diktat Kuliah

Pengantar Teknologi Informasi & Industri

Jilid I

oleh

Dr. Ir. Slamet Riyadi

Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata

Semarang September 2011


i

SAMBUTAN DEKAN

Kegiatan belajar mengajar di Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik

Soegijapranata menuntut peran aktif para dosen dalam mengembangkan wawasan

keilmuannya mengingat perkembangan disiplin teknik elektro yang begitu pesat.

Peletakan dasar pemahaman keteknikan sangat diperlukan khususnya teknik elektro.

Sebagai mata kuliah dasar keteknikan, Pengantar Teknologi Informasi dan Industri

memerlukan materi yang benar-benar dapat diserap secara prinsip oleh mahasiswa

semester awal dan mampu memberi bekal untuk memahami mata kuliah teknik elektro

lebih lanjut. Sebagai Dekan, saya sangat memberikan apresiasi atas tersusunya Diktat

Pengantar Teknologi Informasi dan Industri Jilid I yang menekankan pada beberapa

topik terkait bidang industri.

Semarang, September 2011

Dekan FTI

Dr. F. Budi Setiawan


ii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Rahmat-Nya

karena Diktat Pengantar Teknologi Informasi dan Industri Jilid I dapat diselesaikan.

Diktat ini disusun atas dasar kajian, pengalaman dan hasil penelitian yang kami lakukan.

Sangat diharapkan bahwa diktat ini dapat menjadi pendukung mata kuliah terkait. Kami

menyadari bahwa diktat ini masih jauh dari sempurna sehingga kritik dan saran pembaca

sangat kami tunggu.

Semarang, September 2011

Penulis

Slamet Riyadi


iii

DAFTAR ISI

SAMBUTAN DEKAN i

KATA PENGANTAR ii

DAFTAR ISI iii

DAFTAR GAMBAR v

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Gambaran Umum Materi Kuliah 1

1.2. Relevansi Isi Diktat dengan Bidang Lain 2

1.3. Tujuan Pembelajaran Umum 2

1.4. Petunjuk Mempelajari Diktat 3

BAB 2 TEKNIK TENAGA LISTRIK

2.1. Pendahuluan 4

2.2. Tujuan Pembelajaran 4

2.3. Kegiatan Belajar 5

2.3.1 Sistem Kelistrikan 5

2.3.2. Satuan dalam Sistem Kelistrikan 7

2.3.3. Sumber Tegangan AC 8

2.3.4. Sumber Tegangan DC 11

2.4. Latihan 15

2.5. Tugas 17

2.6. Rangkuman 18

2.7. Daftar Pustaka 18

BAB 3 KEMAGNETAN

3.1. Pendahuluan 19




iv

3.3.1 Besaran Magnet 20

3.3.2. Sifat Magnet 21

3.3.3. Gaya Akibat Interaksi Medan Magnet dan Arus Listrik 24

3.3.4. Gaya Akibat Medan Magnet 28

3.3.5. Tegangan Akibat Medan Magnet 30

3.4. Latihan 32

3.5. Tugas 35

3.6. Rangkuman 36


BAB 4 ELEMEN RANGKAIAN

4.1. Pendahuluan 37



4.3.1 Resistor 37

4.3.2. Kapasitor 39

4.3.3. Induktor 42

4.3.4. Sumber Bebas dan Sumber Tak Bebas 44

4.4. Latihan 45

4.5. Tugas 48

4.6. Rangkuman 48


BAB 5 MOTOR LISTRIK

5.1. Pendahuluan 50



5.3.1 Motor DC Konvensional 50

5.3.2. Motor AC 54

5.3.3. Motor DC Modern 60

5.4. Latihan 65

5.5. Tugas 67

5.6. Rangkuman 67



v

DAFTAR GAMBAR

Gambar-2.1 (a) batere dan (b) generator 5

Gambar-2.2 Skema kelistrikan dasar 6 Gambar-2.3

Sistem sederhana dengan sebuah sumber yang terhubung pada dua buah beban 6

Gambar-2.4 Diagram lengkap dari sistem 7

Gambar-2.5 Multimeter digital 8 Gambar-2.6

Gelombang AC berbentuk sinusoidal dengan nilai efektif 220 Volt pada frekuensi 50 Hz 9

Gambar-2.7

Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu yang diputar searah dengan jarum jam 10

Gambar-2.8 Fluksi magnet dari rotor menembus kumparan pada stator 10

Gambar-2.9 Gelombang tegangan pada terminal generator tiga fasa 10 Gambar-2.10

Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu (2 pasang kutub) 11

Gambar-2.11 Generator sinkron dengan rotor kutub silindris 11

Gambar-2.12 (a) prinsip batere (b) macam ukuran batere 12

Gambar-2.13 Tegangan batere jenis Li-ion saat pemakaian 12

Gambar-2.14 Peneyarah dioda setengah jembatan 13 Gambar-2.15

Gelombang tegangan peneyarah dioda setengah jembatan (a) tegangan masukan (b) tegangan keluaran tanpa tapis C 13

Gambar-2.16

Penyearah dioda gelombang penuh (a) dengan trafo CT (b) model jembatan 14

Gambar-2.17 Penampang generator DC 14

Gambar-2.18 Rotor dari geneartor DC yang diputar searah jarum jam 15

Gambar-2.19 Skema untuk latihan-1 15

Gambar-2.20 Pemasangan alat ukur (a) Voltmeter (b) Amperemeter 16

Gambar-2.21 Sumber tegangan tak ideal 16

Gambar-3.1 Fluksi bergerak dari kutub magnet N menuju ke kutub S 22

Gambar-3.2 Posisi kutub magnet bumi pada posisi geografis 22 Gambar-3.3

Arah fluksi magnet pada konduktor lurus yang dialiri arus listrik 23

Gambar-3.4

Arah fluksi magnet pada konduktor melingkar yang dialiri arus listrik 24

Gambar-3.5 Arah fluksi magnet pada lilitan yang dialiri arus listrik 24

Gambar-3.6 Kaedah tangan kanan 25

Gambar-3.7 Arah arus yang menghasilkan gaya ke bawah 25

Gambar-3.8 Arah arus yang menghasilkan gaya ke atas 26 Gambar-3.9

Dua konduktor dengan arah arus berlawanan menghasilkan dua gaya berlawanan 26

Gambar-3.10 Konsep motor DC 26


vi

Gambar-3.11

Inti besi untuk mengalirkan fluksi yang dihasilkan oleh lilitan dialiri arus listrik 27

Gambar-3.12 Celah udara pada inti besi 28 Gambar-3.13

Gaya yang dihasilkan oleh dua magnet permanen (a) fluksi pada magnet permanen (b) gaya tarik-menarik (c) gaya tolak-menolak 28

Gambar-3.14

Arah fluksi magnet ditentukan oleh arah arus listrik pada lilitan 29

Gambar-3.15

Gaya yang dihasilkan oleh elektromagnet dan magnet permanen (a) gaya tarik-menarik (b) gaya tolak-menolak 29

Gambar-3.16

Motor listrik sederhana dengan cakram dan magnet permanen 30

Gambar-3.17 Motor listrik sederhana dengan cakram dan elektromagnet 30

Gambar-3.18 Fenomena terjadinya tegangan induksi 31

Gambar-3.19 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada stator 31

Gambar-3.20 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada rotor 32

Gambar-3.21 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik DC 33

Gambar-3.22 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik AC 33

Gambar-3.23 Tegangan induksi tidak terjadi saat medan magnet konstan 34 Gambar-3.24

Tegangan induksi dibangkitkan saat medan magnet berubah terhadap waktu 34

Gambar-3.25

Tegangan induksi tidak dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan DC 35

Gambar-3.26

Tegangan induksi akan dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan AC 35

Gambar-4.1 Sistem pengkodean warna cincin resistor 38

Gambar-4.2 Simbol macam-macam resistor 39

Gambar-4.3 Kapasitor pelat sejajar 40

Gambar-4.4 Kapasitor dan rangkaian ekuivalen 40

Gambar-4.5 Kurva tegangan dan arus pengisian kapasitor 40

Gambar-4.6 Rangkaian kapasitor yang dihubung paralel 41

Gambar-4.7 Rangkaian kapasitor yang dihubung seri 42

Gambar-4.8 Induktor dan rangkaian ekuivalen 42

Gambar-4.9 Kurva perubahan arus dan tegangan terhadap waktu 43

Gambar-4.10 Sumber tegangan dan arus bebas 44

Gambar-4.11 Sumber tegangan dan sumber arus tak bebas 45

Gambar-4.12 Rangkaian RL dengan sumber tegangan DC 45 Gambar-4.13

Arus yang mengalir dan tegangan pada rangkaian RL dengan sumber tegangan DC 46

Gambar-4.14

Rangkaian untuk menjelaskan induktor sebagai elemen penyimpan energi 46

Gambar-4.15

Mode operasi saat induktor menyerap energi dan membuang energi 47

Gambar-4.16

Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi 47

Gambar-4.17

Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi 48


vii

Gambar-5.1 Skema dasar motor DC 51

Gambar-5.2

Bagian pada motor Arus Searah, terdiri dari rotor (bagian yang berputar) terdapat belitan rotor untuk mengalirkan arus dan stator (bagian yang diam) 52

Gambar-5.3 Bagian motor DC (a) rotor (b) stator dengan belitan 52 Gambar-5.4

Motor DC penguatan terpisah (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 53

Gambar-5.5

Motor DC penguatan seri (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 53

Gambar-5.6

Motor DC penguatan shunt (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 54

Gambar-5.7

Motor DC penguatan Compound (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 54

Gambar-5.8 Karakteristik torka-kecepatan motor induksi 56

Gambar-5.9 Bagian stator dari motor induksi 57

Gambar-5.10 Bagian rotor dari motor induksi (jenis squirrel cage) 57

Gambar-5.11 Rotor motor induksi jenis belitan 57

Gambar-5.12 Motor induksi satu fasa jenis kapasitor 58

Gambar-5.13 Motor induksi satu fasa jenis split-phase 59

Gambar-5.14 Motor induksi jenis shaded-pole 59

Gambar-5.15 Motor universal 59 Gambar-5.16

Beberapa motor BLDC tiga fasa yang dibedakan jumlah kutub stator dan rotor (a) dengan 2 set belitan stator dan 4 kutub rotor (b) dengan 3 set belitan stator dan 8 kutub rotor (c) dengan 4 set belitan stator dan 8 kutub rotor 61

Gambar-5.17

Konstruksi motor BLDC (a) inner rotor motor (b) outer rotor motor 61

Gambar-5.18 Motor BLDC 61 Gambar-5.19

Bagian stator dan rotor dari Switched Reluctance Motor (a) 4 phase 8/6 SRM (b) 3 phase 6/4 SRM 62

Gambar-5.20 Motor Reluctance 63

Gambar-5.21 Motor Stepper jenis magnet permanen 64

Gambar-5.22 Motor Stepper jenis variable reluctance 64

Gambar-5.23 Motor Stepper jenis hybrid 64

Gambar-5.24 Motor Stepper 65

Gambar-5.25 Operasi motor stepper secara full-step (step-1 dan step-2) 66

Gambar-5.26 Operasi motor stepper secara full-step (step-3 dan step-4) 66


1

Bab 1

Pendahuluan

1.1 Gambaran Umum Materi Kuliah

Kuliah Pengantar Teknologi Informasi dan Industri sesungguhnya merupakan

pengembangan dari mata kuliah Dasar Teknik Elektro yang berisikan pengantar dan

dasar-dasar terkait bidang keteknikan elektro. Pengembangan terletak pada pemberian

muatan teknologi informasi yang menjadi tren dewasa ini. Pada Buku Diktat Pengantar

Teknologi Informasi dan Industri Jilid I ini pokok bahasan difokuskan pada materi terkait

bidang industri.

Fokus pertama yang dipaparkan dalam diktat ini adalah teknik tenaga listrik. Materi yang

dipaparkan merupakan dasar yang teknik tenaga listrik yang mencakup sistem, satuan

dan tegangan yang umum digunakan dalam tenaga listrik. Pemahaman tentang elemen

sistem tenaga listrik mencakup definisi sumber, transmisi, kontrol daya dan beban listrik

mutlak harus diketahui oleh mahasiswa, begitu juga dengan satuan-satuan yang sering

dipakai. Sumber tegangan AC dan DC memegang peranana yang sangat penting karena

dalam setiap aplikasi selalu melibatkan elemen ini.

Fokus bahasan kedua yang diberikan adalah tentang medan magnet. Seorang Insinyur

teknik elektro memerlukan pengetahuan yang dalam tentang kemagnetan, karena

fenomena ini selalu muncul seiring dengan adanya arus dan tegangan listrik. Materi yang

dipaparkan pada bab ini mencakup besaran magnet, sifat magnet, gaya akibat interaksi

antara medan magnet dan arus listrik, gaya akibat medan magnet dan tegangan akibat

medan magnet.

Fokus bahasan yang ketiga adalah elemen rangkaian meliputi resistor, induktor dan

kapasitor. Dalam setiap rangkaian listrik ketiga elemen ini selalu muncul baik sendiri atau

bersamaan, karakteristik rangkaian dengan elemen yang berbeda akan menunjukkan

kinerja yang berbeda pula. Dasar-dasar jenis sumber juga ikut dipaparkan pada bab ini.


2

Bahasan yang keempat adalah tentang motor listrik. Dalam disiplin teknik elektro

terutama yang memiliki kekhususan aplikasi industri, motor listrik memegang peranan

dominan dalam berbagai aplikasi sehingga pemahaman yang relevan sangat diperlukan.

Dalam materi motor listrik, dasar yang diuraikan mencakup prinsip kerja dan jenis motor

listrik yang ada dalam aplikasi.

1.2 Relevansi Isi Diktat dengan Bidang Lain

Diktat yang berisikan tentang materi dasar keilmuan dalam bidang teknik elektro ini

memiliki keterkaitan dam relevansi dengan bidang lainnya. Karena bahasan yang

dipaparkan bersifat dasar maka secara garis besar akan mudah dihubungkan dengan

bidang lain. Dengan bidang ketenagalistrikan, diktat ini diharapkan mampu memberikan

dasar yang dapat dipakai mahasiswa untuk mempelajari ilmu lebih lanjut. Beberapa

bidang lain yang memiliki relevansi dengan isi diktat ini antara lain adalah :

Medan elektromagnetik

Motor listrik

Rangkaian listrik

dll

1.3 Tujuan Pembelajaran Umum

Dalam menyusun diktat kuliah ini tujuan pembelajaran telah disesuaikan dengan silabi

yang digunakan untuk pengajaran kuliah di dalam kelas. Dengan mengacu pada isi materi

yang diuraikan dalam diktat ini, beberapa tujuan secara umum dapat diuraikan sebagai

berikut :

Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal dasar teknik tenaga

listrik

Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal dasar teori medan

magnet

Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal elemen-elemen

rangkaian

Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal motor listrik, baik

terkait konsep maupun jenis


3

1.4 Petunjuk Mempelajari Diktat

Diktat ini diperuntukkan bagi mahasiswa semester awal sehingga tidak banyak

persyaratan yang disarankan untuk memahami isi diktat. Sebagai saran, maka penulis

mengharapkan mahasiswa yang menggunakan dapat mempelajari pustaka yang dirujuk

agar dapat memperdalam pengetahuan yang secara dasar disampaikan melalui buku

diktat ini.


4

Bab 2

Teknik Tenaga Listrik

2.1 Pendahuluan

Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak dimanfaatkan oleh

umat manusia, hal ini dilandasi oleh kemudahan bentuk energi listrik diubah menjadi

bentuk energi lainnya. Penggunaan energi listrik dapat dijumpai pada sektor industri,

sektor perkantoran dan dalam aplikasi rumah tangga. Bagi orang awam memahami

disiplin ilmu teknik elektro yang mempelajari tentang masalah kelistrikan merupakan

langkah yang sangat sulit karena di dalam ilmu ini banyak susuatu yang merupakan

misteri, sulit dilihat tetapi ada dampaknya.

2.2 Tujuan Pembelajaran

Teknik tenaga listrik merupakan suatu topik yang sangat penting untuk dijadikan

pembahasan tingkat awal bagi mahasiswa teknik elektro. Topik teknik tenaga listrik yang

diuraikan pada bab ini memiliki beberapa tujuan, yaitu :

Memberikan dasar pemahaman bagi mahasiswa tentang sistem kelistrikan,

mencakup sumber, beban dan elemen lain

Memberikan pemahaman tentang satuan-satuan yang sering dipakai dalam

bidang teknik elektro

Memberikan dasar-dasar tentang sumber tegangan arus bolak-baik (AC) dan

tegangan searah (DC)


5

2.3 Kegiatan Belajar

2.3.1 Sistem Kelistrikan

Dalam kelistrikan dasar dapat ditemui beberapa istilah yang sangat penting dan selalu

dijumpai di setiap aspek. Istilah tersebut adalah :

Sumber energi listrik (source), yaitu elemen dalam sistem kelistrikan yang

berfungsi menyediakan energi. Yang termasuk sumber adalah batere, generator

(Gambar-2.1) dan lain-lain. Dalam pemahaman lebih lanjut maka sumber energi

masih dapat dibedakan menjadi sumber tegangan dan sumber arus ataupun

sumber DC (direct current = arus searah) dan sumber AC (alternating current =

arus bolak-balik)

Beban listrik (load), yaitu elemen dalam sistem kelistrikan yang berfungsi

menyerap energi. Yang termasuk beban adalah lampu, pemanas (heater). Motor

listrik, tanur listrik dan lain-lain.

Sistem transmisi, elemen ini berfungsi untuk menyalurkan energi dari sumber

menuju ke beban. Dalam realisasinya dapat berupa konduktor berisolasi ataupun

konduktor tanpa isolasi.

Kontrol, elemen ini berfungsi untuk mengendalikan aliran energi dari sumber ke

sisi beban. Realisasi elemen kontrol di antaranya adalah saklar, pemutus daya

dan lain-lain.

(a) (b)

Gambar-2.1 (a) batere dan (b) generator [1], [2]


6

BEBAN

KO

NT

RO

L

SUMBER

TRANSMISI

Gambar-2.2 Skema kelistrikan dasar

Energi listrik mengalir melalui sistem transmisi dalam bentuk arus listrik. Syarat yang

diperlukan agar arus listrik dapat mengalir adalah

Terdapat rangkaian tertutup, hal ini dapat diartikan jika pada sumber terdapat dua

terminal (misalkan terminal positif (+) dan terminal negatif (-) maka arus listrik akan

keluar dari terminal (+) masuk ke beban dan kembali ke terminal (-) dari sumber.

Untuk mendorong arus maka dibutuhkan beda potensial (tegangan).

Guna mempermudah pemahaman maka pada Gambar-2.3 disajikan suatu sistem

kelistrikan yang sangat sederhana di mana terdapat sebuah sumber berupa batere yang

mencatu dua buah beban berupa lampu dan motor listrik. Untuk menyalakan lampu atau

motor listrik dibutuhkan elemen kontrol berupa saklar (S1 dan S2). Jika saklar S1

dihubung secara seri dengan lampu maka agar lampu dapat menyala S1 harus dalam

posisi ON (terhubung) begitu juga untuk saklar S2 yang digunakan untuk menjalankan

motor listrik. Melihat sebuah sumber yang dihubungkan pada dua buah beban masih

relatif mudah. Sekarang coba bayangkan jika beban yang terhubung jumlahnya cukup

banyak?. Maka pastilah akan sangat rumit penyajiannya. Oleh karena itu untuk

mempermudah diperlukan cara penggambaran sistem seperti pada Gambar-2.4.

S1

S2

Lampu

Motor

Batere

Gambar-2.3 Sistem sederhana dengan sebuah sumber yang terhubung pada dua buah beban


7

M

S1S2

Batere

LampuMotor

Gambar-2.4 Diagram lengkap dari sistem

2.3.2 Satuan dalam Sistem Kelistrikan

Dalam disiplin teknik elektro juga dikenal besaran dasar dan turunan, di antaranya adalah

arus, tegangan, muatan dan lain-lain.

Arus listrik : besaran ini memiliki simbol I dan satuan Ampere (A), di mana 1 Ampere

didefinisikan sebagai arus yang mengalir pada dua konduktor sejajar dengan panjang tak

berhingga yang berjarak 1 meter sehingga dihasilkan gaya sebesar 2x10-7 Newton tiap 1

meter panjang konduktor.

Muatan listrik : memiliki simbol Q dan satuan Coulomb (C), 1 Coulomb didefinisikan

sebagai banyaknya muatan yang mengalir dalam konduktor yang dialiri arus sebesar 1

Ampere selama 1 detik. Dengan demikian maka persamaan yang dapat diturunkan

melalui hubungan di atas adalah

t.IQ (2-1)

di mana

Q = muatan listrik (C)

I = arus listrik (A)

t = waktu (dt)

Beda potensial : sering dinamakan dengan tegangan yang memiliki simbol V dan satuan

Volt (V). Yang dimaksud dengan 1 Volt adalah beda potensial antara dua titik pada

konduktor yang dialiri arus sebesar 1 Ampere dengan disipasi daya sebesar 1 Watt.

Untuk mengukur arus listrik dapat digunakan Amperemeter sedangkan tegangan dapat

diukur dengan Voltmeter. Dalam aplikasi kedua alat dapat terintegrasi menjadi satu dan

sering dinamakan Multimeter.


8

Gambar-2.5 Multimeter digital [3], [4]

Frekuensi : dalam disiplin teknik elektro besaran frekuensi merupakan besaran yang

sangat penting dan didefinisikan sebagai jumlah gelombang yang terjadi dalam satu detik.

Dalam implementasi, nilai frekuensi dari suatu gelombang dapat ditentukan dengan

menggunakan nilai perioda (T), yaitu lamanya suatu gelombang terbentuk.

T

1f (2-2)

Di mana

f = frekuensi (Hertz = Hz)

T = perioda (dt)

2.3.3 Sumber Tegangan AC

Sumber energi listrik dalam implementasi teknik elektro biasanya tersedia dalam bentuk

catu daya (power supply) yang umumnya merupakan suatu sumber tegangan. Dalam

kondisi ideal suatu catu daya diharapkan menyediakan tegangan dengan nilai yang

konstan atau varaibel dalam toleransi yang ditentukan. Sumber tegangan dapat

menghasilkan tegangan AC maupun DC. Dalam sistem kelistrikan dengan ukuran besar

(rating daya), sumber tegangan yang dipakai akan menghasilkan tegangan AC berupa

gelombang sinusoidal. Sebagai contoh tegangan PLN yang diperuntukkan bagi konsumen

umumnya merupakan gelombang sinusoidal dengan nilai tegangan efektif sebesar 220

Volt pada frekuensi 50 Hz. Kondisi ini mengandung arti jika digunakan alat ukur Voltmeter

untuk mengukur tegangan antara kedua kawat (fasa dan netral dalam sistem satu fasa)

maka Voltmeter akan menunjukkan hasil pengukuran sebesar 220 Volt. Selanjutnya jika


9

digunakan alat ukur osciloscoupe maka akan terlihat suatu gelombang sinusoidal dengan

nilai puncak sebesar 2220 Volt dan perioda gelombang sebesar 20 mili-detik.

Tegangan AC banyak digunakan untuk menjalankan motor pompa, kipas angin, pemanas

dan lain-lain.

Untuk menghasilkan tegangan AC dalam aplikasi digunakan suatu generator jenis

sinkron. Bagian rotor dari generator ini dapat berupa kutub salient (sepatu) atau kutub

silindris. Pada Gambar-2.7 hingga Gambar-2.9 ditunjukkan rotor dari generator sinkron

yang diputar searah dengan jarum jam. Karena rotor menghasilkan fluksi magnet (dapat

berasal dari magnet permanen atau electromagnet) maka fluksi magnet akan keluar dari

kutub utara magnet rotor lalu memasuki stator dan kembali ke kutub selatan magnet pada

rotor. Dengan demikian maka kumparan pada stator akan ditembus oleh fluksi magnet.

Gambar-2.6 Gelombang AC berbentuk sinusoidal dengan nilai efektif 220 Volt pada frekuensi 50 Hz

Karena terjadi perubahan fluksi magnet pada kumparan stator maka akan dihasilkan gaya

gerak listrik (ggl) induksi pada stator yang besarnya

2

NE rss

(2-3)

Jika generator digunakan untuk menyalakan/menghidupkan beban listrik maka pada

kumparan stator akan mengalir arus, adanya arus ini akan menghasilkan fluksi yang

akhirnya juga menghasilkan tegangan sebesar

2

NE asa

(2-4)

Selisih antara tegangan pada stator akibat fluksi magnet rotor dan fluksi magnet akibat

beban listrik merupakan tegangan yang keluar pada terminal generator.

armst EEV (2-5)


10

Gambar-2.7 Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu yang diputar searah dengan jarum jam [5]

Gambar-2.8 Fluksi magnet dari rotor menembus kumparan pada stator

Gambar-2.9 Gelombang tegangan pada terminal generator tiga fasa


11

Gambar-2.10 Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu (2 pasang kutub)

Gambar-2.11 Generator sinkron dengan rotor kutub silindris

2.3.4 Sumber Tegangan DC

Suatu sumber tegangan DC dapat direalisasikan dengan menggunakan batere, suatu

penyearah (yang paling sederhana adalah penyearah dioda) ataupun generator DC.

Peralatan yang menggunakan sumber DC umumnya merupakan peralatan yang berbasis

elektronika. Tegangan DC yang dihasilkan oleh suatu batere merupakan tegangan DC

ideal, yaitu berupa tegangan dengan nilai yang konstan. Sedangkan tegangan DC yang

dihasilkan dari penyearah DC (yang dilengkapi tapis kapasitor C) merupakan tegangan

DC yang tidak konstan tetapi memiliki riak.


12

Suatu batere dapat menghasilkan energi listrik dari pengubahan energi kimia. Elemen

penting dalam suatu batere adalah elektrolit dan elektroda (anoda dan katodaa). Jenis

batere bermacam-macam di antaranya adalah Alkaline, NiMh (Nikel Metal Hydride), NiCd

(Nikel Cadmium), dan lain-lain begitu juga dengan tipe dan ukuran. Pada Gambar-2.12

disajikan kurva pemakaian batere jenis Li-ion, dari gambar tersebut tampak bahwa

tegangan abtere akan mengalami penurunan seiring dengan berkurangnya energi yang

tersimpan.

Gambar-2.12 (a) prinsip batere (b) macam ukuran batere

Gambar-2.13 Tegangan batere jenis Li-ion saat pemakaian

Cara menghasilkan tegangan DC yang banyak digunakan adalah pemakaian penyearah

dioda. Prinsip dari metoda ini adalah menggunakan tegangan AC yang disearahkan.


13

Metoda ini banyak diterapkan pada peralatan-peralatan elektronik baik yang klasik hingga

yang modern. Penyearah dioda yang paling sederhana adalah jenis penyearah setengah

gelombang (half wave rectifier) yang menggunakan sebuah trafo dan sebuah dioda.

Penyearah jenis ini mampu menghasilkan tegangan DC keluaran sebesar

peakdc

VV (2-6)

Gambar-2.14 Peneyarah dioda setengah jembatan

Gambar-2.15 Gelombang tegangan peneyarah dioda setengah jembatan (a) tegangan masukan (b) tegangan keluaran tanpa tapis C


14

(a)

(b)

Gambar-2.16 Penyearah dioda gelombang penuh (a) dengan trafo CT (b) model jembatan

Untuk menghasilkan tegangan DC juga dapat dipakai generator DC. Suatu generator DC

memiliki bagian stator (bagian yang tidak berputar) dengan fungsi menghasilkan fluksi

magnet (dapat berupa magnet permanen atau elektromagnet) sedangkan bagian rotor

(bagian yang berputar) berisi kumparan. Jika rotor diputar searah dengan jarum jam maka

kumparan pada rotor akan ditembus oleh fluksi magnet yang berasal dari magnet stator.

Adanya perubahan fluksi terhadap waktu maka pada rotor akan diinduksikan tegangan

sebesar

fmf1rr IKIKNNE (2-7)

Gambar-2.17 Penampang generator DC [6]


15

Gambar-2.18 Bagian generator DC (a) stator (b) rotor

Gambar-2.19 Rotor dari geneartor DC yang diputar searah jarum jam

2.4 Latihan

Latihan-1

Suatu sistem kelistrikan terdiri dari sebuah sumber yang mencatu tiga buah beban listrik.

Beban listrik pertama merupakan suatu lampu, beban listrik kedua berupa motor listrik

dan beban ketiga adalah suatu pemanas. Masing-masing beban dihubungkan ke sumber

melalui sebuah saklar. Tentukan justifikasi terkait elemen kelistrikan.

Jawab

Untuk lebih memahami uraian pada latihan di atas maka pada Gambar-2.20 disajikan

skema dari sistem kelistrikan yang ditanyakan. Elemen yang berfungsi sebagai sumber

akan mengeluarkan gaya gerak listrik yang mendorong arus listrik mengalir, selanjutnya

kabel atau konduktor akan berfungsi sebagai elemen transmisi yang menjadi media

penghantar bagi arus listrik. Elemen kontrol yang mengatur aliran daya diimplementasikan

dengan saklar, di mana saat saklar membuka maka arus tidak dapat mengalir sedangkan

saat saklar menutup maka akan terjadi aliran arus. Mengalirnya arus akan menghasilkan

daya pada beban.


16

M

sumber

kontrol

transmisi

beban

Gambar-2.20 Skema untuk latihan-1

Latihan-2

Dalam teknik elektro dikenal alat ukur dasar yang sangat sering digunakan, yaitu

Voltmeter dan Amperemeter. Jelaskan bagaimana cara pemakaian kedua alat ukur

tersebut dan apa perbedaannya.

Jawab

Alat pengukur tegangan (Voltmeter) dalam aplikasinya harus dipasang secara paralel

dengan elemen yang akan diukur tegangannya. Perlu diperhatikan suatu Voltmeter

memiliki tahanan dalam yang sangat besar sehingga pemasangan secara seri akan

sangat mempengaruhi arus yang mengalir dalam sistem. Sedangkan suatu alat ukur arus

(Amperemeter) memiliki tahanan dalam yang sangat kecil sehingga harus dipasang seri

dalam rangkaian.

V

elemen

rangkaian

elemen

rangkaian

A

(a) (b)

Gambar-2.21 Pemasangan alat ukur (a) Voltmeter (b) Amperemeter


17

Latihan-3

Suatu sumber tegangan harus mampu menyediakan tegangan dengan magnitude yang

relatif konstan. Jelaskan bagaimana pengaruh pembebanan terhadap karakteristik suatu

sumber tegangan.

Jawab

Dalam teori dikenal sumber tegangan yang ideal yaitu suatu sumber tegangan yang

mampu menyediakan tegangan konstan berapapun arus yang mengalir. Sumber

tegangan ideal secara logika dapat dianggap sebagai suatu sumber tegangan dengan

tahanan dalam sama dengan nil. Sedangkan sumber tegangan tak ideal memiliki tahanan

dalam yang tidak sama dengan nol sehingga makinbesar arus yang mengalir akan

menyebabkan jatuh tegangan makin besar. Kondisi ini berdampak pada menurunnya

tegangan keluaran suatu sumber tegangan seiring dengan bertambah besarnya arus

yang mengalir

R.iV

E R.iVVout

Gambar-2.22 Sumber tegangan tak ideal

2.5 Tugas

1. Jelaskan bagaimana tegangan AC diubah menjadi tegangan DC ?

2. Bagaimana cara menghasilkan atau membangkitkan tegangan AC ?

3. Gambarkan rangkaian-rangkaian dasar yang dapat digunakan untuk mengubah

tegangan AC menjadi tegangan DC ?


18

2.6 Rangkuman

Sistem kelistrikan mencakup elemen-elemen yang menyusun sistem tersebut, di

antaranya adalah sumber, beban, saluran transmisi dan kendali untuk mengatur aliran

daya. Untuk lebih memahami secara mendalam maka diperlukan pengetahuan tentang

satuan-satuan yang umum digunakan dalam sistem tenaga listrik, meliputi satuan untuk

besaran arus, tegangan, daya dan frekuensi. Salah satu elemen yang sangat dalam

sistem tenaga listrik adalah sumber. Untuk memberi pemahaman maka tegangan AC dan

tegangan DC juga dijabarkan.

2.7 Daftar Pustaka

1. www.motorpsychosport.com

2. www.pasargenset.blogspot.com

3. www.geraiprodukcom.indonetwork.co.id

4. www.etoolcart.com

5. www.skm-systems.blogspot.com

6. www.one-school.net


19

Bab 3

Kemagnetan

3.1 Pendahuluan

Magnet berasal dari bahasa Yunani Magnesian, suatu magnet merupakan material atau

obyek yang mampu menghasilkan medan magnet. Momen dipole suatu magnet

merupakan suatu vektor yang menentukan sifat magnet secara keseluruhan. Pada suatu

magnet batang, arah dari titik-titik momen dipole adalah dari kutub magnet N menuju

kutub magnet S dengan magnitude (besar) bergantung seberapa kuat dan seberapa jauh

jarak kedua kutub magnet. Dalam SI momen dipole memiliki satuan Ampere meter

kuadrat (Am2). Suatu konduktor dengan luas penampang sebesar A m2 yang dialiri arus

listrik sebesar I Ampere adalah merupakan suatu magnet dengan momen dipole sebesar

A.I.

Magnetisasi dari suatu obyek merupakan nilai momen dipole per satuan volume

(disimbolkan dengan M yang memiliki satuan A/m). Suatu magnet batang dengan momen

dipole 0,1 Am2 dan volume 1 cm3 akan memiliki magnetisasi sebesar 100.000 A/m

(bandingkan dengan suatu besi yang dapat memiliki magnetisasi sekitar jutaan A/m). Sifat

kemagnetan suatu bahan selalu berbeda dan dapat digolongkan sebagai berikut :

Paramagnetik : merupakan suatu material yang tidak mampu menghasilkan

magnet sendiri tetapi jika didekatkan pada medan magnet akan terjadi gejala

magnetisasi pada bahan dan akan tertarik oleh magnet.

Diamagnetik : material ini jika didekatkan pada medan magnet akan dihasilkan

sedikit magnetisasi dengan arah berlawanan sehingga akan muncul gaya tolak.

Suatu super-konduktor merupakan bahan diamagnetik yang kuat.

Ferromagnetik/Ferrimagnetik : merupakan material yang mudah termagnetisasi

dan cenderung tetap mempertahankan sifat kemagnetannya.


20


Kemagnetan merupakan bahasan yang harus diajarkan kepada mahasiswa teknik elektro

karena secara historis, disiplin teknik elektro merupakan implementasi dari sebagian

besar medan magnet. Tujuan pembelajaran dari bab ini adalah :

Memberikan pemahaman dasar tentang gejala kemagnetan

Memberi pengenalan terkait istilah dan parameter dalam bidang kemagnetan

Menjelaskan penerapan konsep magnet dalam beberapa aplikasi

Memberikan pemahaman hukum-hukum yang berlaku dalam medan magnet


3.3.1 Besaran Magnet

Besaran yang sering digunakan dalam kajian tentang fenomena kemagnetan adalah

H : intensitas medan magnet atau kuat medan magnet (Oersted atau A-turn/m)

B : medan magnet atau induksi medan magnet atau kerapatan medan magnet

(Tesla atau Weber/m2)

M : magnetisasi (A/m)

Dalam fenomena kemagnetan, juga dikenal definisi magnetic susceptibility ( ) yang

diartikan sebagai derajad magnetisasi suatu material dalam menanggapi medan magnet

yang dikenakan. Hubungan magnetic susceptibility dengan magnetisasi M dinyatakan

dengan persamaan

H.M (3-1)

H.H1MHB oo (3-2)

dengan demikian maka

1o (3-3)

di mana

o = konstanta magnet = permeabilitas ruang hampa

= magnetic susceptibility

= permeabilitas magnet

21Jika nilai positif maka materialnya dapat merupakan paramagnetik, ferromagnetik

atau ferrimagnetik, sedangkan untuk nilai negatif maka materialnya merupakan


21

diamagneti dengan demikian medan magnet akan diperlemah dengan keberadaan

material.

Tabel-3.1. Magnetic susceptibility and permeability data for selected materials

No Medium

Susceptibility

(m)

Permeability ()

x10-6 N/A2

Magnetic

field

1 Mu-Metal 20.000 25.000 at 0,002 T

2 Permalloy 8.000 10.000 at 0,002 T

3 Electrical Steel 4.000 5.000 at 0,002 T

4 Ferrite (Ni-Zn) 20-800

5 Ferrite Mg-Zn) > 800

6 Steel 700 875 at 0,002 T

7 Nickel 100 125 at 0,002 T

8 Platinum 2,65 104 1,2569701

9 Aluminium 2,22 105 1,2566650

10 Hydrogen 8 109 1,2566371

11 Vacuum 0 1,2566371 (0)

12 Sapphire 2.1 107 1,2566368

13 Copper 6.4 106 1,2566290

14 Water 8.0 106 1,2566270

3.3.2 Sifat Magnet

Suatu magnet memiliki dua kutub yang dinamakan kutub utara (N = North) dan kutub

selatan (S = South). Magnet juga selalu memancarkan fluksi (garis gaya magnet) yang

keluar dari kutub N emnuju ke kutub S. Karena kutub-kutub magnet memiliki sifat : kutub-

kutub yang sama akan tolak-menolak dan kutub-kutub yang berbeda akan tarik-menarik.

Dengan mengacu pada sifat tersebut maka untuk menganalisa arah fluksi dapat

digunakan sebuah kompas. Langkah yang harus dilakukan mula-mula adalah meletakkan

magnet batang di atas kertas kemudian dekatkan kompas pada salah satu kutub magnet.

Selanjutnya gerakkan kompas menuju kutub magnet lainnya maka akan tampak bahwa

pada setiap posisi terjadi penyimpangan arah jarum kompas. Lalu bagaimana

menentukan bagian mana dari magnet yang merupakan kutub N dan yang merupakan

kutub S. Untuk memahami jawaban ini maka perlu diketahui sifat dan karaketristik suatu


22

kompas (kompas jarum). Jarum yang bertanda utara dari suatu kompas akan selalu

menunjuk arah utara (sebenarnya mendekati arah utara geografis) sedangkan jarum

selatan dari suatu kompas akan selalu menunjuk arah selatan (sebenarnya mendekati

arah selatan geografis). Hal ini terjadi karena pada kutub utara geografis bumi (Artic)

terdapat kutub magnet S sedangkan pada kutub selatan geografis bum (Antartica)

terdapat kutub magnet N. Dengan demikian maka dapat disimpulkan bahwa sebenarnya

jarum utara kompas merupakan magnet dengan kutub N.

Gambar-3.1 Fluksi bergerak dari kutub magnet N menuju ke kutub S [1]

Gambar-3.2 Posisi kutub magnet bumi pada posisi geografis [2]

Magnet dan fenomena kemagnetan selalu dimanfaatkan dalam disiplin teknik elektro.

Mesin-mesin listrik merupakan alat yang mengadopsi konsep magnet. Oersted

mengemukakan konsep bahwa muatan elektron yang bergerak akan menghasilkan gejala

magnet. Suatu konduktor lurus yang dialiri arus listrik akan menghasilkan fluksi magnet


23

yang arahnya melingkari konduktor tersebut (Gambar-3.3). Dengan menganalogikan jika

ibu jari tangan kanan dianggap sebagai arah arus listrik maka jari tangan yang mengepal

dapat dianggap sebagai arah fluksi magnetnya. Jika arus yang mengalir pada konduktor

berupa arus DC maka arah fluksi akan tetap sedangkan jika arus yang mengalir adalah

arus AC maka arah fluksi akan berubah secara periodik.

Gambar-3.3 Arah fluksi magnet pada konduktor lurus yang dialiri arus listrik [3]

Pada titik yang berjarak R dari suatu konduktor yang dialiri arus sebesar I akan memiliki

kerapatan medan magnet B sebesar

R4

IB o

(3-4)

Untuk konduktor yang dibentuk lingkaran maka arah fluksi magnet dapat ditentukan

dengan acuan seolah ibu jari tangan kanan digerakkan melingkar seperti arah arus dan

arah fluksi ditunjukkan oleh arah jari-jari lain tangan kanan. Konsep lain yang dapat

dipakai sebagai acuan adalah konsep sekrup, jika sekrup dikendorkan dengan diputar

berlawanan arah jarum jam maka arus listrik dianalogikan juga berlawanan arah jarum

jam. Kondisi ini membuat sekrup akan keluar dari papan, arah fluksi dianalogikan juga

keluar dari papan. Dengan mengacu pada paparan tersebut maka arah fluksi pada suatu

lilitan akan dapat diketahui. Pada Gambar-3.4 dan Gambar-3.5 disajikan konduktor

melingkar dan lilitan yang dialiri arus listrik, akibatnya maka akan terbentuk fluksi yang

terlingkupi.


24

Gambar-3.4 Arah fluksi magnet pada konduktor melingkar yang dialiri arus listrik

Gambar-3.5 Arah fluksi magnet pada lilitan yang dialiri arus listrik [4]

3.3.3 Gaya Akibat Interaksi Medan Magnet dan Arus Listrik

Suatu konduktor yang dialiri arus listrik akan mendapatkan gaya jika diletakan di suatu

area yang terpengaruh medan magnet. Arah gaya ditentukan dengan menggunakan

kaedah tangan kanan, yaitu arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik, arah jari lain

tangan kanan menunjukkan arah medan magnet (fluksi) sedangkan telapak tangan kanan

menunjukkan arah gaya.

Implementasi dari fenomena tersebut dapat dibuktikan dengan memperhatikan Gambar-

3.7 dan Gambar-3.8, di mana sebuah sumber tegangan DC berupa batere yang

dihubungkan dengan kawat (konduktor) sehingga akan mengalir arus searah dari

polaritas positif batere menuju ke polaritas negatifnya. Sebuah magnet permanen

berbentuk U digunakan untuk menghasilkan fluksi. Selanjutnya konduktor tersebut

diletakkan pada magnet sehingga konduktor dipotong oleh fluksi tersebut. Adanya

fenomena arus listrik dalam medan magnet maka akan dihasilkan suatu gaya. Aliran arus


25

pada Gambar-3.7. mengakibatkan timbulnya gaya dengan arah ke bawah sedangkan

arah arus pada Gambar-3.8 mengakibatkan dihasilkannya gaya dengan arah ke atas.

Gambar-3.6 Kaedah tangan kanan

Jika dalam medan magnet diletakkan sebuah konduktor yang dilekukan di mana dua

sisinya mengalir arus dengan arah berlawanan (Gambar-3.9) dan diletakkan dalam

medan magnet maka masing-masing sisi konduktor akan mendapat gaya dengan arah

berlawanan sehingga konduktor akan berputar. Fenomena ini sering dipakai sebagai

dasar pembuatan suatu motor listrik. pada Gambar-3.10 disajikan suatu motor DC

sederhana yang menerapkan konsep tersebut. Untuk mengalirkan arus listrik pada bagian

konduktor motor (bagian berputar) maka digunakan sikat karbon.

Gambar-3.7 Arah arus yang menghasilkan gaya ke bawah


26

Gambar-3.8 Arah arus yang menghasilkan gaya ke atas

Gambar-3.9 Dua konduktor dengan arah arus berlawanan menghasilkan dua gaya berlawanan

Gambar-3.10 Konsep motor DC


27

Fenomena yang terjadi pada rangkaian magnet dalam beberapa kasus dapat

dianalogikan dengan memahami rangkaian listrik. dalam rangkaian listrik hubungan

antara tegangan (V ), arus ( I ) dan resistansi ( R ) dapat dinyatakan dengan persamaan

R

VI (3-5)

Dalam rangkaian magnet, suatu tegangan magnet (MMF = Magnetomotive force) dapat

dibangkitkan dengan mengaliri lilitan ( N ) dengan arus listrik ( i ) dan dinyatakan dengan

persamaan berikut

NiMMF (3-6)

Maka fluksi ( ) dapat diturunkan melalui MMF dibagi dengan resistansi magnet atau

reluktansi ( ) dan dinyatakan dengan

NiMMF

(3-7)

i

celahudaraN

Gambar-3.11 Inti besi untuk mengalirkan fluksi yang dihasilkan oleh lilitan dialiri arus listrik

Reluktansi pada celah udara dapat ditentukan dengan menggunakan parameter lebar

celah udara ( g ), permeabilitas udara ( o ) dan luas permukaan inti besi ( A ) yang

disajikan dengan persamaan

A

g

o (3-8)

Sehingga akhirnya persamaan fluksi akan menjadi

g

ANiNi o

(3-9)


28

g

A

Gambar-3.12 Celah udara pada inti besi

3.3.4 Gaya Akibat Medan Magnet

Gaya selain dapat dihasilkan dari interaksi antara medan magnet dan arus listrik maka

juga dapat dihasilkan dari interaksi antar medan magnet. Pada Gambar-3.13b disajikan

dua buah magnet yang diletakkan berdekatan dengan posisi kutub tak sejenis saling

berhadapan, kondisi ini menghasilkan gaya tarik antara kedua magnet permanen

sehingga keduanya akan semakin dekat. Sedangkan Gambar-3.13c ditunjukkan dua buah

magnet yang diletakkan berdekatan dengan posisi kutub sejenis saling berhadapan,

kondisi ini menghasilkan gaya tolak antara kedua magnet permanen sehingga keduanya

akan semakin jauh.

N

S

N

S

N

S

F

F

N

S

N

S

F

F

(b) (c)(a)

Gambar-3.13. Gaya yang dihasilkan oleh dua magnet permanen (a) fluksi pada magnet permanen (b) gaya tarik-menarik (c) gaya tolak-menolak

Untuk menghasilkan fluksi magnet juga dapat dilakukan dengan menggunakan

elektromagnet, yaitu melalui suatu lilitan yang dialiri arus listrik. pada Gambar-3.14

disajikan suatu lilitan yang dilalui arus listrik searah, dengan merubah arah arus maka

arah fluksi magnet juga akan berubah dengan demikian maka kutub magnet pada kedua


29

ujung lilitan juga berubah. Jika di dekat elektromagnet tersebut diletakkan suatu magnet

permanen dengan kutub pada posisi tertentu maka akan mengakibatkan suatu gaya

tarik/tolak. Dengan membalik polaritas arus pada lilitan elektromagnet maka akan

dihasilkan gaya dengan arah yang berlawanan dengan kondisi semula (Gambar-3.15).

i

N

i

N

Gambar-3.14 Arah fluksi magnet ditentukan oleh arah arus listrik pada lilitan

i

N

i

N

N

S

F F

N

S

(a) (b)

Gambar-3.15 Gaya yang dihasilkan oleh elektromagnet dan magnet permanen (a) gaya tarik-menarik (b) gaya tolak-menolak

Fenomena gaya tarik antara dua medan magnet dapat dijadikan landasan dalam

merancang sebuah motor listrik sederhana. Pada Gambar-3.16 ditunjukkan sebuah

cakram yang dipasangi dengan potongan magnet permanan yang terpisah sebesar 60

derajad dan di dekat cakram tersebut diletakkan sebuah magnet permanen. Fenomena

yang akan terjadi adalah cakram akan bergerak akibat adanya gaya tarik/tolak antara

magnet permanan yang terpasang pada cakram dan magnet permanen di dekatnya.

Dengan mengubah kutub magnet permanen dekat cakram sesuai posisi cakram maka


30

akan dihasilkan putaran. Metoda yang lebih mudah untuk membalik kutub magnet adalah

melalui pemakaian elektromagnet (Gambar-3.17).

Gambar-3.16 Motor listrik sederhana dengan cakram dan magnet permanen

Gambar-3.17 Motor listrik sederhana dengan cakram dan elektromagnet

3.3.5 Tegangan Akibat Medan Magnet

Selain menghasilkan gaya, medan magnet juga mampu membangkitkan tegangan.

Menurut Faraday : jika suatu kumparan dikenai medan magnet yang berubah terhadap

waktu maka suatu tegangan akan dihasilkan. Tegangan tersebut merupakan suatu

fenomena yang dihasilkan oleh induksi medan magnet dan dinyatakan dengan

persamaan

dt

dNe

(3-10)

di mana

e = tegangan induksi

N = jumlah lilitan dalam suatu kumparan

dt

d = perubahan fluksi magnet terhadap waktu


31

Pada Gambar-3.18 disajikan suatu magnet permanen yang digerakkan mendekati dan

menjauhi suatu kumparan. Akibat dari gerakan magnet permanen ini maka medan

magnet di dalam kumparan akan berubah terhadap waktu, sehingga mengacu pada

hukum Faraday maka akan dihasilkan beda potensial antara kedua ujung kumparan. Jika

kumparan dihubung singkat melalui suatu galvanometer maka jarum galvanometer akan

bergerak sebagai tanda terjadinya aliran arus pada kumparan.

Gambar-3.18 Fenomena terjadinya tegangan induksi

Proses sebaliknya dapat dilakukan dengan menggerakkan kumparan sementara magnet

permanen dalam posisi diam. Prinsip demikian banyak digunakan sebagai dasar

perancangan suatu generator. Pada Gambar-3.19 disajikan skema suatu generator AC

sederhana, di mana suatu magnet permanen pada ststor dipakai untuk menghasilkan

medan magnet dan selanjutnya kumparan diputar agar medan megnet yang memotong

kumparan menjadi berubah terhadap waktu. Tegangan induksi yang dihasilkan pada

kedua ujung kumparan diambil melalui slip-ring dan dipakai untuk beban. Prinsip yang

berbeda ditunjukkan pada Gambar-3.20 di mana medan magnet dihasilkan oleh rotor dan

diputar sehingga fluksi yang menembus inti besi akan berubah terhadap waktu.

Gambar-3.19 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada stator


32

Gambar-3.20 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada rotor

3.4 Latihan

Latihan-1

Jelaskan fenomena apa yang akan terjadi jika suatu belitan dialiri oleh arus DC dan jika

dialiri arus AC ?

Jawab

Suatu konduktor yang dilalui oleh arus listrik akan selalu menghasilkan medan magnet.

Jika yang mengalir arus DC maka akan dihasilkan medan magnet yang memiliki kutub-

kutub konstan. Tetapi dengan mengalirkan arus listrik jenis AC maka kutub-kutub magnet

yang dihasilkan akan berganti polaritas saat polaritas arus listrik berubah. Pada Gambar-

3.21 ditunjukkan suatu inti besi yang dililit oleh konduktor. Selanjutnya kedua ujung

konduktor dihubungkan dengan suatu sumber tegangan DC sehingga akan mengalir arus

listrik dengan arah tertentu. Dengan memperhatikan konsep atau hukum yang berlaku

maka akan dihasilkan medan magnet dengan arah ke atas. Besi yang digunakan sebagai

bahan inti akan memiliki kutub utara (N) di bagian atas dan kutub selatan (S) di bagian

bawah. Sedangkan pada Gambar-3.22 ditunjukkan modifikasi dari gambar sebelumnya di

mana tegangan sumber diganti dengan tegangan AC. Tegangan AC ini dapat diuraikan

menjadi dua, yaitu saat setengah siklus positif dan setengah siklus negatif. Kedua siklus

ini akan menghasilkan medan magnet yang berubah arah. Kondisi ini disebabkan kutub

magnet berganti. Saat setengah siklus positif tegangan sumber bagian atas sebagai kutub


33

utara (N) dan kutub selatan (S) di bagian bawah. Pada setengah siklus negatif akan

terjadi kutub magnet yang berkebalikan dari kondisi saat setengah siklus positif.

arus

medan

magnet

N

S

N = kutub utara magnet

S = kutub selatan magnet

Gambar-3.21 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik DC

arus

medan

magnet

N

S arus

medan

magnet

S

N

setengah siklus positif setengah siklus negatif

Gambar-3.22 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik AC

Latihan-2

Jelaskan fenomena bagaimana suatu tegangan induksi dihasilkan oleh medan magnet

yang berasal dari magnet permanen ?

Jawab

Dengan menggunakan dasar bahwa tegangan induksi akan dihasilkan jika terdapat

medan magnet yang berubah terhadap waktu. Untuk menjelaskan pemahaman ini maka

pada Gambar-3.23 ditunjukkan skema percobaan. Suatu konduktor dibelitkan pada inti

besi, selanjutnya kedua ujung konduktor dihubungkan dengan Galvanometer untuk


34

mengetahui adanya arus yang mengalir. Di dekat inti besi tersebut diletakkan magnet

permanen. Saat magnet permanen diam, maka medan magnet yang mengenai inti besi

akan memiliki nilai yang konstan. Kondisi ini tidak akan menghasilkan tegangan induksi

pada kedua ujung konduktor. Tetapi jika magnet permanen digerakkan menjauhi dan

mendekati inti besi maka akan dihasilkan medan magnet yang nilainya berubah.

Terjadinya perubahan medan magnet menyebabkan dihasilkan tegangan induksi

sehingga akan mengakibatkan jarum Galvanometer menyimpang yang menandakan ada

arus mengalir.

S N

Gambar-3.23 Tegangan induksi tidak terjadi saat medan magnet konstan

S N

Gambar-3.24 Tegangan induksi dibangkitkan saat medan magnet berubah terhadap waktu

Latihan-3

Dengan mengacu pada Gambar-3.23 dan mengganti magnet permanen dengan

elektromagnet, jelaskan fenomena terjadinya tegangan induksi?

Jawab

Untuk menjelaskan uraian maka disajikan Gambar-3.25 dan Gambar-3.26. pada Gambar-

3.25 tampak duabuah inti besi dengan lilitan konduktor. Inti besi yang sebelah kiri memiliki

konduktor yang kedua ujungnya dihubungkan dengan Galvanometer dan inti besi yang di

sebelah kanan memiliki konduktor yang kedua ujungnya dihubungkan dengan sumber

tegangan DC. Karena tegangan yang digunakan adalah DC maka medan magnet yang

dihasilkan memiliki nilai konstan akibatnya inti besi sebelah kiri merasakan medan magnet


35

dengan nilai yang konstan dan dengan demikian tidak dibangkitkan tegangan induksi.

Sedangkan pada Gambar-3.26 ditunjukkan modifikasi dari Gambar-3.25 dengan

menggunakan sumber tegangan AC sehingga akan menghasilkan medan magnet yang

berubah terhadap waktu. Kondisi ini mengakibatkan inti besi di sebelah kiri merasakan

medan magnet yang berubah dan akan dihasilkan tegangan induksi. Selanjutnya jarum

Galvanometer akan menyimpang.

Gambar-3.25 Tegangan induksi tidak dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan DC

Gambar-3.26 Tegangan induksi akan dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan AC

3.5 Tugas

1. Jelaskan dan uraikan peralatan listrik apa saja yang memanfaatkan fenomena

induksi medan magnet ?

2. Jika akan dibuat elektromagnet dengan menggunakan bahan inti, jelaskan

pengaruh bahan inti yang digunakan ?

3. Jelaskan pengaruh besar arus listrik yang mengalir pada belitan terhadap nilai

medan magnet yang dihasilkan ?


36

3.6 Rangkuman

Kemagnetan merupakan fenomena yang banyak diterapkan dalam mengembangkan

disiplin teknik elektro. Beberapa besaran magnet yang sering digunakan telah dijabarkan.

Sifat-sifat bahan magnet juga menjadi faktor penting dalam memahami dan menerapkan

fenomena kemagnetan. Medan magnet mampu menghasilkan tegangan/arus dan gaya

yang menjadikan dasar dikembangkannya motor listrik ataupun generator listrik.

3.7 Daftar Pustaka

1. www.basistik.blogspot.com

2. www.magnet.fsu.edu

3. www.sciencecity.oupchina.com.hk

4. www.anjungsainssmkss.wordpress.com


37

Bab 4

Elemen Rangkaian

4.1 Pendahuluan

Dalam sistem kelistrikan, dijumpai adanya berbagai macam elemen rangkaian yang ada

di dalamnya. Sebagai contoh, suatu reaktor (induktor) yang berupa lilitan akan memiliki

karakteristik berbeda pada kondisi ideal ataupun nyata. Belitan suatu induktor terbuat dari

bahan email yang memiliki resistansi sehingga pada kondisi nyata suatu reaktor dapat

diwakili dengan suatu induktor dan resistor. Dengan demikian pemahaman tentang

elemen-elemen rangkaian seperti resistor, induktor dan kapasitor merupakan hal yang

sangat penting. Pada bab ini dijelaskan jenis-jenis elemen pasif yang terdapat pada

rangkain, yaitu resistor, induktor dan kapasitor serta sifat-sifatnya. Dari bab ini diharapkan

mahasiswa dapat menggunakan dalam aplikasi lebih lanjut.


Untuk membekali mahasiswa teknik elektro terkait pemahaman elemen rangkaian maka

materi yang tersaji dalam bab ini ditujukan untuk

memberikan pemahaman tentang elemen rangkaian listrik (resistor, induktor,

kapasitor dan sumber)

mengetahui sifat-sifat dari elemen rangkaian


4.3.1 Resistor

Resistor adalah elemen pasif dalam rangkaian yang menyebabkan hambatan arus

listriknya. Suatu resistor dikatakan linier, jika arus yang mengalir di dalam resistor tersebut

berbanding lurus dengan besarnya tegangan pada kedua terminalnya. Tetapi jika nilai

arusnya tidak berbanding lurus dengan tegangannya, maka resistor tersebut dikatakan

tidak linier.


38

Jika suatu resistor dilalui oleh arus sebesar I , maka energi akan diserap oleh resistor

hingga menjadi rugi daya (panas) yang besarnya adalah RI 2 . Dalam aplikasinya,

kemampuan suatu resistor dibatasi oleh rating dayanya. Sebagai contoh : suatu resistor

dengan resistansi sebesar 100 Ohm dengan rating 1 W akan memiliki kemampuan

menghantarkan arus maksimal sebesar 100 mA. Sedangkan resistor dengan nilai

resistansi yang sama tetapi dengan rating daya 0,25 W akan memiliki kemampuan hantar

arus maksimal 50 mA.

Umumnya resistansi suatu resistor dapat diketahui berdasarkan cincin warna yang ada

pada resistor tersebut. Untuk mengetahui sistem pengkodean warna pada resistor dapat

dilihat pada Tabel-4.1 dan Gambar-4.1. Warna pada cincin pertama dan kedua

menunjukkan bilangan puluhan dan satuan, warna ketiga menunjukkan jumlah angka nol

dibelakang kedua angka tadi sedangkan warna pada cincin keempat menunjukkan

toleransi. Jika suatu resistor memiliki cincin oranye, biru, hijau dan silver, maka nilai

resistansi dari resistor tadi adalah 3.600.000 Ohm dengan toleransi sebesar 10% dari

3.600.000 atau lebih jelasnya nilai resistansinya berkisar pada 3.960.000 Ohm hingga

3.240.000 Ohm.

1 2 3 4

bil. puluhan

bil. satuan jumlah nol

toleransi

Gambar-4.1 Sistem pengkodean warna cincin resistor

Tabel-3.1 : Arti warna pada resistor Angka Warna

0 Hitam

1 Coklat

2 Merah

3 Oranye

4 Kuning


39

5 Hijau

6 Biru

7 Ungu

8 Abu-abu

9 Putih

Toleransi Warna

5% Emas

10% Perak

20% Tidak berwarna

fixed resistor variable resistor potensio

Gambar-4.2 Simbol macam-macam resistor

4.3.2 Kapasitor

Kapasitor merupakan peralatan (device) dengan dua terminal yang terdiri dari dua buah

material konduktif dan dipisahkan dengan suatu bahan dielektrik. Muatan yang berada

pada pelat-pelat kapasitor akan menimbulkan beda potensial, hubungan antara muatan,

kapasitansi dan tegangan dirumuskan sebagai berikut

CVQ (4-1)

Sedangkan hubungan antara arus, kapasitansi dan tegangan dapat diturunkan dari

persamaan di atas dengan mengasumsikan bahwa arus merupakan laju perubahan

muatan tiap satuan waktu, sehingga

dt

dVCi (4-2)

Dari persamaan (4-2), jika tegangan suatu kapasitor adalah konstan (DC), maka arus

yang mengalir akan sama dengan nol, hal ini dapat dasumsikan bahwa suatu kapasitor

pada analisa rangkaian dengan sumber DC dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka.


40

Sedangkan nilai sesaat dari tegangan suatu kapasitor, dapat diturunkan berdasarkan nilai

integrasi arus terhadap waktu, yaitu :

oVdtiC1

tv (4-3)

dielektrik

+

-

v q

Gambar-4.3 Kapasitor pelat sejajar

C

i

+

v

-

Gambar-4.4 Kapasitor dan rangkaian ekuivalen

t

v(t)

i(t)

t

Gambar-4.5 Kurva tegangan dan arus pengisian kapasitor


41

Kapasitor merupakan komponen yang dapat menyimpan energi dalam bentuk medan

listrik, persamaan yang menentukan besarnya energi suatu kapasitor dirumuskan sebagai

berikut

2C CV2

1W Joule (4-4)

atau

C

q

2

1W

2

C Joule (4-5)

Dalam aplikasi dalam rangkaian listrik, beberapa kapasitor dapat dihubungkan secara

seri, paralel maupun kombinasi keduanya.

C1 C2 Cni

Gambar-4.6 Rangkaian kapasitor yang dihubung paralel

Untuk kapasitor yang dipasang dengan hubungan paralel berlaku rumus sebagai berikut :

N

1n

nN321P CC...CCCC (4-6)

Untuk hubungan seri pada rangkaian yang terdiri dari beberapa kapasitor, berlaku rumus

sebagai berikut :

N

1n nN321SC

1

C

1...

C

1

C

1

C

1

C

1 (4-7)


42

+

-v

C1 C2 CN

Gambar-4.7 Rangkaian kapasitor yang dihubung seri

4.3.3 Induktor

Induktor merupakan elemen yang dapat menyimpan energi dalam bentuk medan magnet,

dalam aplikasinya suatu induktor berbentuk suatu alat dengan dua terminal dan

direalisasikan dengan suatu lilitan atau lebih. Karena terdiri dari lilitan yang dilalui arus,

maka akan terdapat fluksi magnet yang terlingkupi yang dirumuskan

N (4-8)

di mana

= fluksi magnet yang terlingkupi

N = jumlah lilitan

= fluksi magnet

persamaan (3-8) juga dapat dituliskan sebagai berikut

iL (4-9)

di mana

L = induktansi diri

i = arus yang mengalir pada induktor

+

-

v

i

Gambar-4.8 Induktor dan rangkaian ekuivalen


43

Persamaan tegangan pada induktor dirumuskan

dt

dv

(4-10)

atau

dt

diLv (4-11)

Jika dimisalkan suatu induktor mengalami penurunan arus dari 1 A menjadi 0 A dalam

waktu 1/b dt, maka

i = 1 t 0

i = 1 - bt 0 t 1/b

i = 0 t 1/b

Sedangkan untuk pemakaian induktor sebesar 1 H, maka akan didapatkan tegangan

v = 0 t 0

i = - b 0 t 1/b

i = 0 t 1/b

i

v

t

t

1

-b

1/ b

1/ b

Gambar-4.9 Kurva perubahan arus dan tegangan terhadap waktu

Persamaan arus sesaat pada suatu induktor dirumuskan

oIdtvL1

ti (4-12)

sedangkan energi pada induktor dituliskan dengan persamaan


44

43 2L iL2

1W Joule (4-13)

4.3.4 Sumber Bebas dan Sumber Tak Bebas

Dalam aplikasi sering dijumpai adanya sumber DC, baik sumber bebas maupun sumber

tak bebas, maka dalam bab ini akan dijelaskan mengenai definisi dari sumber bebas dan

sumber tak bebas (dependent source) dan aplikasi serta analisanya pada suatu

rangkaian. Suatu sumber bebas dapat didefinisikan sebagai suatu sumber arus ataupun

tegangan yang tidak terpengaruh beban. Dalam aplikasinya sering dijumpai suatu sumber

tegangan bebas, dalam hal ini sumber tegangan bebas yang ideal akan memiliki tahanan

dalam yang kecil sekali (mendekati nol), sehingga perubahan beban tidak akan

berpengaruh. Sedangkan sumber arus bebas yang ideal adalah sumber arus tetap yang

memiliki kemampuannya untuk mempertahankan kondisi arus tetapnya.

Suatu sumber tegangan terkendali atau tak bebas adalah suatu sumber tegangan di

mana terminal-terminalnya dikendalikan atau dikontrol oleh tegangan atau arus pada

rangkaian lainnya. Suatu voltage-controlled voltage source (VCVS) adalah suatu sumber

tegangan yang dikontrol oleh tegangan dan current-controlled voltage source (CCVS)

adalah suatu sumber tegangan yang dikontrol oleh arus.

+

-

sumber tegangan

bebas

sumber arus

bebas

Gambar-4.10 Sumber tegangan dan arus bebas


45

+

-v i

sumber tegangan

tak bebas

sumber arus

tak bebas

Gambar-4.11 Sumber tegangan dan sumber arus tak bebas

3.4 Latihan

Latihan-1

Suatu rangkaian seri terdiri dari sumber tegangan DC, resistor dan induktor, suatu saklar

digunakan untuk menghubungkan dan memutus arus. Lakukan analisis arus dan

tegangan pada rangkaian tersebut saat saklar ditutup dan dibuka.

Jawab

Pada Gambar-4.12 ditunjukkan rangkaian tersebut. Jika tegangan masukan yang

digunakan sebesar E dan resistor memiliki nilai R Ohm, maka arus maksimal yang

mungkin mengalir akan dibatasi oleh nilai resistansi (pada kondisi tunak). Sedangkan

pada saat peralihan respon-nya dipengaruhi oleh nilai induktor.

R

L

E

i

Gambar-4.12 Rangkaian RL dengan sumber tegangan DC

Pada saat saklar ditutup maka akan mengalir arus di resistor dan induktor. Karena sifat

induktor yang tidak bisa berubah arusnya secara mendadak maka arus yang mengalir

akan secara gradual meningkat hingga nilai tertentu. Gelombang arus disajikan pada

Gambar-4.13.


46

Gambar-4.13 Arus yang mengalir dan tegangan pada rangkaian RL dengan sumber tegangan DC

Latihan-2

Elemen induktor merupakan elemen yang mampu menyimpan energi listrik dalam bentuk

medan magnet. Jika dalam suatu rangkaian diinginkan terdapat komponen sumber

tegangan DC, lampu dan induktor, buatlah rangkaian dan jelaskan operasinya yang

menunjukkan fungsi induktor sebagai elemen penyimpan energi.

Jawab

Pada Gambar-4.14 ditunjukkan rangkaian yang terdiri dari dua buah saklar S1 dan S2,

sumber tegangan DC, induktor dan lampu. Jika saklar S1 ditutup dan saklar S2 dibuka

maka arus listrik dari sumber tegangan DC akan mengalir melalui melalui saklar S1,

induktor dan lampu. Pada kondisi ini lampu akan menyala terang secara gradual dan

induktor akan menyerap energi. Selanjutnya jika saklar S1 dibuka dan saklar S2 ditutup

maka energi yang tersimpan dalam induktor akan dibuang melalui lampu dan saklar S2.

S1 S2

L

Lampu

tegangan

DC

X

Gambar-4.14 Rangkaian untuk menjelaskan induktor sebagai elemen penyimpan energi


47

L

Lampu

tegangan

DC

X

L

LampuX

Saat saklar S1 ON dan S2 OFF Saat saklar S1 OFF dan S2 ON

Gambar-4.15 Mode operasi saat induktor menyerap energi dan membuang energi

Latihan-3

Elemen kapasitor merupakan elemen yang mampu menyimpan energi listrik dalam

bentuk medan listrik. Jika dalam suatu rangkaian diinginkan terdapat komponen sumber

tegangan DC, lampu dan kapasitor, buatlah rangkaian dan jelaskan operasinya yang

menunjukkan fungsi kapasitor sebagai elemen penyimpan energi.

Jawab

Pada Gambar-4.16 ditunjukkan rangkaian yang terdiri dari saklar S1, sumber tegangan

DC, kapasitor dan lampu. Jika saklar S1 ditutup maka arus listrik dari sumber tegangan

DC akan mengalir melalui melalui saklar S1, kapasitor dan lampu. Pada kondisi ini lampu

akan menyala, di saat yang sama kapasitor akan menyerap energi. Selanjutnya jika

saklar S1 dibuka maka energi yang tersimpan dalam kapasitor akan dibuang melalui

lampu.

LampuXtegangan DC

C

S1

Gambar-4.16 Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi


48

LampuXtegangan DC

C C LampuX

Saat saklar S1 ON Saat saklar S1 OFF

Gambar-4.17 Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi

3.5 Tugas

1. Jelaskan bagaimana suatu induktor dapat menyimpan energi dan berilah contoh

rangkaian.

2. Jelaskan bagaimana suatu kapasitor dapat menyimpan energi dan berilah contoh

rangkaian.

3. Jelaskan bagaimana pengaruh resistor dalam implementasi pada rangkaian.

3.6 Rangkuman

Resistor, induktor dan kapasitor dipakai sebagai elemen rangkaian di berbagai aplikasi.

Memahami sifat-sifat dari elemen tersebut akan sangat membantu dalam melakukan

analisis dan rancangan suatu sistem. Suatu resistor muncul dalam rangkaian aplikasi saat

di mana terdapat beban seperti lampu pijar, pemanas dan yang mengandung konduktor.

Resistor berukuran daya kecil biasanya ditandai dengan cincin-cincin warna untuk

memudahkan mengetahui nilai resistansinya. Suatu induktor merupakan elemen yang

mampu menyimpan energi listrik dalam bentuk medan magnet, banyak dijumpai di dalam

aplikasi dalam bentuk lilitan. Sedangkan kapasitor merupakan elemen penyimpan energi

listrik dalam bentuk medan listrik.

3.7 Daftar Pustaka

1. Hyat, William, (1972) : Engineering Circuit Analysis, Mc Graw Hill, Singapore

2. Johnson, David E, (1997) : Electric Circuit Analysis, Prentice Hall, London

3. Simpson, C. D. (1996) : Industrial Electronics, Prentice Hall International Inc


49

4. Schuller, C. A., McNamee, W. L. (1986) : Industrial Electronics and Robotics,

McGraw Hill

5. Rashid, M. H. (1993) : Power Electronics, Circuits, Devices, and Applications,

Prentice Hall International Inc


50

Bab 5

Motor Listrik

5.1 Pendahuluan

Motor listrik merupakan suatu piranti yang mengubah energi listrik menjadi energi

mekanik. Motor listrik memegang peranan yang sangat penting dalam beberapa aplikasi.

Menurut sumber yang memberi suplai, motor listrik dibedakan menjadi motor AC dan

motor DC. Klasifikasi lebih detil menghasilkan beberapa jenis motor yang lebih spesifik.

Pada bab ini diuraikan secara dasar motor-motor listrik yang ada dalam disiplin teknik

elektro. Konsep bagaimana motor berputar juga akan diuraikan serta sifat-sifatnya.


Motor listrik yang dibahas dalam diktat ini menitikberatkan pada konsep berputarnya dan

jenis. Uraian dan bahasan lebih lanjut dipaparkan dalam kuliah Motor Listrik. Sehingga

dalam pembelajaran ini tujuan yang diharapkan adalah :

Memberikan dasar pengenalan jenis-jenis motor listrik

Memberikan pemahaman bagaimana motor listrik dapat berputar


5.3.1 Motor DC Konvensional

Jika suatu konduktor yang dialiri arus listrik berada dalam medan magnet maka akan

muncul gaya. Dengan menggunakan kaedah tangan kiri, di mana ibu jari menunjukkan

arah gaya (F), jari telunjuk mewakili arah medan magnet dan jari tengah menunjukkan

arah arus listrik maka arah putar motor dapat ditentukan. Besarnya nilai gaya secara

sederhana dapat dinyatakan dengan persamaan

l.i.BF (5-1)


51

di mana

F = gaya

B = medan magnet

i = arus

l = panjang konduktor

Gambar-5.1 Skema dasar motor DC

Pada Gambar-5.1 disajikan suatu skema dasar dari motor DC guna menjelaskan

bagaimana putaran motor dihasilkan. Stator digunakan untuk menghasilkan medan

magnet baik melalui magnet permanen atau elektromagnet. Medan magnet yang

dihasilkan oleh stator akan bergerak dari kutub Utara (N) menuju kutub Selatan (S). Untuk

lebih jelas maka berikut disajikan bagian-bagian utama suatu motor DC, diantaranya

adalah :

Stator, merupakan bagian yang diam dan difungsikan untuk menghasilkan medan

magnet. Pada motor DC ukuran kecil maka stator merupakan magnet permanen,

sedangkan pada motor DC dengan ukuran lebih besar maka stator terbuat dari

laminasi inti besi yang dilengkapi dengan belitan untuk menghasilkan elektro-

magnet.

Rotor, merupakan bagian yang berputar terdiri dari inti besi yang dilengkapi belitan

untuk dilalui arus searah.

Komutator, bagian ini terletak pada ujung rotor dan terhubung ke ujung belitan

rotor. Bagian ini difungsikan mengalirkan arus yang akan masuk ke belitan rotor.


52

Sikat, berfungsi mengalirkan arus dari sumber tegangan untuk diteruskan ke

komutator. Karena selalu terjadi gesekan antara sikat yang terbuat dari karbon

dan komutator maka sikat memerlukan penggantian secara berkala.

Berdasarkan hubungan antara belitan stator dan belitan rotor maka motor DC dapat

diklasifikasikan menjadi

Motor DC penguatan terpisah

Motor DC penguatan seri

Motor DC penguatan shunt

Motor DC penguatan Compound

Gambar-5.2 Bagian pada motor Arus Searah, terdiri dari rotor (bagian yang berputar) terdapat belitan rotor untuk mengalirkan arus dan stator (bagian yang diam)

(a) (b)

Gambar-5.3 Bagian motor DC (a) rotor (b) stator dengan belitan [1], [2]

Suatu motor DC penguatan terpisah memerlukan dua buah sumber tegangan DC yang

dipakai untuk belitan stator dan belitan rotor (Gambar-5.4). Karakteristik kecepatan

terhadap torka memiliki kelinieran yang baik. Pada Gambar-5.5 disajikan rangkaian


53

ekuivalen dari motor DC penguatan seri, di mana belitan rotor dan belitan stator dihubung

secara seri. Dari karakteristiknya tampak bahwa motor DC jenis ini memiliki torka awal

yang sangat besar sehingga sesuai untuk menggerakkan beban berat atau beban lain

yang diputar pada kecepatan rendah

Ea

field

+

-

Va

+

-

Vf

100

50

400 800

% R

ate

d S

peed

% Rated Torque

(a) (b)

Gambar-5.4 Motor DC penguatan terpisah (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik

Ea

+

-

Va

field

240

100

400 800

% R

ate

d S

peed

% Rated Torque

(a) (b)

Gambar-5.5 Motor DC penguatan seri (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik

Pada motor DC dengan penguatan shunt maka belitan rotor dan belitan stator memiliki

hubungan parale (Gambar-5.6)l. Motor DC jenis ini memiliki torka yang relatif konstan

pada range kecepatan yang cukup luas. Motor DC juga tersedia dengan dua belitan

medan yang dihubung secara seri dan paralel, motor jenis ini adalah motor DC penguatan

compound. Karakteristik motor jenis ini merupakan kombinasi antara motor DC jenis seri

dan motor DC jenis shunt (Gambar-5.7).


54

Ea

+

-

Va

field

100

50

200 300

% R

ate

d S

peed

% Rated Torque

100

(a) (b)

Gambar-5.6 Motor DC penguatan shunt (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik

Ea

+

-

Va

field

(a)

field

100

50

300 450

% R

ate

d S

peed

% Rated Torque

150

(b)

Gambar-5.7 Motor DC penguatan Compound (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik

Motor DC memiliki kelemahan dalam hal kerumitan dan harga tetapi beberapa

keunggulan juga ditawarkan di antaranya torka awal yang besar dan mudah dalam

pengaturan kecepatan sehingga banyak diterapkan dan dimanfaatkan di berbagai sektor,

yaitu

Penggerak listrik di industri

Kereta api listrik (KRL)

Pengisi batere dan starter pada mobil

dan lain-lain

5.3.2 Motor AC

Motor AC memerlukan sumber tegangan masukan berupa tegangan AC baik satu fasa

maupun tiga fasa. Pada motor AC tiga fasa dikenal dua jenis, yaitu

Mesin Sinkron, lebih sering dioperasikan sebagai generator

Mesin Asinkron, lebih sering dioperasikan sebagai motor dan disebut motor

induksi, terdiri dua macam


55

o Motor Induksi Rotor Sangkar Tupai (Squirrel Cage Rotor)

o Motor Induksi Rotor Belitan (Wound Rotor)

Sedangkan motor AC dengan sumber satu fasa umumnya memiliki ukuran yang kecil

(biasanya di bawah 1 HP) sehingga dinamakan Fractional Horse Power Motor.

Untuk memutar motor induksi tiga fasa, tegangan AC tiga fasa diberikan pada belitan

stator. Arus yang dihasilkan akan menghasilkan medan magnet putar (rotary magnetic

field). Adanya medan magnet ini maka rotor akan terinduksi tegangan, karena rotor

berupa rangkaian tertutup maka akan mengalir arus. Adanya konduktor yang teraliri arus

dalam medan magnet maka akan dihasilkan torka sehingga rotor akan berputar.

Tegangan induksi pada rotor hanya akan dibangkitkan jika terdapat perbedaan

kecepatan putar rotor terhadap kecepatan medan magnet putar. Motor induksi merupakan

motor yang banyak dipakai dalam berbagai aplikasi. Jika tegangan tiga fasa ideal

digunakan sebagai catu untuk belitan stator motor induksi maka akan dihasilkan fluksi

stator yang berputar dengan kecepatan sinkron

P

f.120n ss (rpm) (5-2)

Pada karakteristik motor induksi, torka yang dihasilkan pada kecepatan sinkron ini sama

dengan nol sehingga rotor motor induksi akan berputar dibawah kecepatan sinkron

(ditentukan oleh torka beban). Perbedaan kecepatan antara rotor motor induksi dengan

kecepatan sinkron dinyatakan dengan slip (s)

s

sl

s

rs

n

n

n

nns

(5-3)

di mana :

sn = kecepatan sinkron (rpm)

rn = kecepatan rotor (rpm)

sf = frekuensi sinkron stator (Hz)

P = jumlah pasang kutub stator


56

Gambar-5.8 Karakteristik torka-kecepatan motor induksi

Motor AC memiliki keunggulan karena konstruksi yang sederhana, kokoh dan harganya

relatif murah tetapi memerlukan kompleksitas dalam pengaturan kecepatan. Motor Induksi

tiga fasa banyak digunakan sebagai :

Penggerak listrik di industri

Motor kipas

Motor penggerak pada KRL

dan lain-lain

Pada Gambar-5.9 disahikan gambar bagian stator dari motor induksi tiga fasa. Belitan

yang terdapat pada stator berfungsi untuk menghasilkan medan magnet putar melalui

sumber tegangan tiga fasa. Untuk rotor dari motor induksi dari jenis sangkar tupai tampak

rotor berupa laminasi besi dan sangkar yang dihubung singkat pada kedua ujungnya

(Gambar-5.10) sedangkan rotor jenis belitan (wound rotor) ditunjukkan pada Gambar-5.11

di mana diperlukan slip-ring untuk mengatur impedansi belitian.

Dalam aplikasi di lapangan, motor induksi jenis rotor sangkar tupai lebih banyak

digunakan karena sangat sederhana, kokoh dan harganya relatif murah dibandingkan

dengan motor induksi jenis rotor belitan.


57

Gambar-5.9 Bagian stator dari motor induksi

Gambar-5.10 Bagian rotor dari motor induksi (jenis squirrel cage)

Gambar-5.11 Rotor motor induksi jenis belitan [3], [4]

Karena kesederhanaannya maka motor induksi juga banyak dipakai untuk aplikasi rumah

tangga atau aplikasi kecil lain. Motor induksi yang dipakai di sini adalah motor induksi satu

fasa, di antaranya adalah :

motor kapasitor

motor split-phase

motor shaded-pole


58

dan lain-lain

dalam aplikasi pada sistem satu fasa, untuk menghasilkan medan magnet putar

memerlukan teknik tersendiri.

Pada motor induksi satu fasa jenis kapasitor terdapat dua buah belitan stator, belitan

stator yang pertama dihubungkan langsung dengan sumber tegangan satu fasa

sedangkan belitan yang kedua dihubungkan melalui kapasitor untuk mendapatkan arus

yang tergeser. Medan magnet putar pada motor ini merupakan resultan dari dua medan

magnet yang tergeser dengan sudut fasa tertentu. Pada Gambar-5.12 ditunjukkan motor

induksi satu fasa jenis kapasitor yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi rumah

tangga seperti kipas angin, pompa air dan lain-lain. Untuk menghasilkan dua buah medan

magnet yang tergeser dapat juga dibangkitkan melalui dua buah belitan yang memiliki

beda impedansi. Kedua belitan tersebut diletakkan pada stator yang dihubungkan dengan

sumber satu fasa. Motor induksi yang mengadopsi konsep ini adalah motor split-phase

seperti tampak pada Gambar-5.13. Untuk motor induksi satu fasa lainnya, gaya putar

(torke) dapat dihasilkan dari medan magnet stator dengan kutub yang teralingi (shaded-

pole). Dengan melilitkan konduktor tertutup pada bahan inti maka arah medan magnet

dapat digeser. Motor yang menggunakan konsep seperti ini dinamakan motor shaded-

pole yang banyak diterapkan untuk motor ukuran-ukuran kecil. Motor AC satu fasa jenis

lain yang sering dipakai adalah motor universal, yaitu motor yang dapat dioperasikan

pada sumber tegangan DC ataupun AC. Motor jenis ini pada prinsipnya merupakan motor

DC seri dan banyak digunakan untuk aplikasi sebagai motor pada mesin jahit.

Gambar-5.12 Motor induksi satu fasa jenis kapasitor [5], [6]


59

Gambar-5.13 Motor induksi satu fasa jenis split-phase [7], [8]

Gambar-5.14 Motor induksi jenis shaded-pole [9], [10]

Gambar-5.15 Motor universal [11], [12]


60

5.3.3 Motor DC Modern

Motor BLDC (Brusless DC Motor)

Motor DC konvensional yang menggunakan sikat-komutator dalam banyak aplikasi

memiliki banyak kelemahan. Beberapa keterbatasan dijumpai akibat adanya gesekan

antara sikat dan komutator dalam mengalirkan arus ke bagian rotor motor DC

konvensional. Sebagai alternatif penyempurnaan maka dikembangkan suatu motor DC

yang tidak menggunakan sikat, sebagai pengganti dipakai komutasi yang

diimplementasikan melalui rangkaian elektronik. Karena tidak adanya sikat dan komutator

mekanik maka jenis motor ini memiliki efisiensi lebih tinggi dan mampu menghasilkan

putaran tinggi. Pada bab ini dijabarkan tentang motor tersebut, yaitu motor DC tanpa sikat

atau sering dinamakan Brushless DC (BLDC) motor.

Berbeda dengan motor DC konvensional, suatu motor BLDC memiliki bagian rotor berupa

magnet permanen dan bagian stator berupa belitan untuk menghasilkan magnet.

Pengubahan polaritas arus dilakukan secara elektronik. Karena belitan terdapat pada

stator yang diam maka sangat mudah untuk mengalirkan arus. Suatu motor BLDC

sebenarnya mirip dengan motor AC sinkron, perbedaannya adalah pada motor AC

sinkron dihasilkan EMF yang sinusoidal. Tetapi kedua jenis motor memiliki medan magnet

putar yang menghasilkan torka pada rotor magnet. Motor BLDC memiliki beberapa

keunggulan dibanding dengan motor DC konvensional, di antaranya adalah

Memiliki efisiensi lebih baik

Lebih andal

Noise lebih sedikit

Umur lebih panjang

Karena rotor tidak memiliki belitan maka tidak terkena gaya sentrifugal

Untuk pengendalian suatu motor BLDC perlu penentuan posisi rotor, dalam praktis dapat

dilakukan dengan menggunakan hall-effect sensor atau rotary encoder untuk mengetahui

secara langsung posisi rotor, tetapi dapat juga dilakukan dengan mengukur EMF balik.

Rotor suatu motor BLDC memiliki jumlah kutub yang genap. Jumlah kutub akan

menentukan step size dan torque ripple. Makin banyak jumlah kutub maka akan

menyebabkan step size dan torque ripple semakin kecil. Pada Gambar-5.16 ditunjukkan

beberapa konfigurasi kutub stator dan rotor pada motor BLDC tiga fasa. Secara kontruksi

motor maka dibedakan dua jenis motor BLDC, yaitu inner rotor motor (in-runner) dan

outer rotor motor (out-runner). Pada jenis yang pertama memiliki keunggulan mampu


61

menghasilkan putaran lebih besar sedangkan pada jenis kedua karena rotor memiliki

diameter lebih besar sehingga momen inersia besar dan putarannya lebih lambat.

Gambar-5.16 Beberapa motor BLDC tiga fasa yang dibedakan jumlah kutub stator dan rotor (a) dengan 2 set belitan st

diktat pengantar

Documents