MESIN DC Mesin ini mempunyai sebuah lilitan (winding) DC atau magnet permanen pada bagian stator. Rotor (armature) di suplay dengan sebuah arus DC yang melalui komutator (commutator) dan sikat2 (brushes). Komutator dan sikat2 memerlukan perawatan. Kecepatan maksimal dibatasi oleh kemampuan dari komutator dan sikat2. Tegangan rating umumnya antara 6V sampai 700 V. Berikut ini gambar sebuah mesin DC. Prinsip operasi : Gaya
F = B *i *l Dimana :
F : B: i : l :
gaya (Newton) Kerapatan Fluks (N/A.m) arus (ampere) panjang (meter)
Torka T (N.m)
T = kΦ I a Dimana
kΦ =
p
π
ZsΦ
Arah torka dapat dibalik dengan membalik arah arus medan atau arus jangkar (armature). Komponen motor DC
Sikat dan komutator Sikat2 karbon membuat sebuah kontak selip dengan komutator. Komutator terdiri dari segmen tembaga terisolasi yang diletakkan pada tempat dudukan yang silinder. Komutator perlu untuk selalu bersih, dan sikat serta sesuatu yang berhubungan deng slip ring harus selalu diservis. Bekas sikat akan membuat panas dan panas tersbut akan dikeluarkan melalui ventilasi udara. Debu debu bisa menyebabkan hubung pendek dan gangguan. Panjang aksial dari komutator tergantung pada arus yang melewatinya. Stator Dapat berupa lingkaran atau berbentuk polygonal. Dibuat dari besi laminasi (steel laminated ) atau cast iron. Kutub medan diletakkan simetri disekeliling rotor, terdiri dari magnet permanen atau lilitan medan.
Keuntungan dari magnet permanen : + tidak dibutuhkan supply listrik 2
+ tidak ada rugi rugi i R + kemungkinan bisa mempunyai ukuran frame yang lebih kecil Kekurangan dari magnet permanen : - kekuatan dari medan selalu konstan. sebuah interpole atau commutating pole biasanya diletakkan diantara dua buah kutub medan. Komponen ini terdiri dari lilitan yang memfasilitasi proses komutasi. Stator juga mempunyai compensating winding yang berfungsi untuk menetralkan reaksi pada jangkar (armature). Jumlah Kutub Kecepatan yang sama dapat dicapai dengan jumlah kutub yang berbeda. Secara ekonomi 2 kutub (2 sikat) atau 4 kutub (4 sikat) digunakan di motor ukuran kecil dan menengah, dan jumlah kutub yang lebih untuk motor besar (akan memberikan minimum biaya dan berat). Faktor pembatas utama adalah frekuensi dari pembalikan fluks (
pn ) di dalam inti jangkar (armature) (umumnya 25-50Hz). Jumlah kutub makin besar 2
akan memberikan end winding (akhir lilitan) yang lebih pendek sehingga memberikan lebih sedikit rugi rugi tembaga. Juga akan memberikan lebih sedikit fluks pada yoke. Air gaps Antara stator dan rotor. Yang menyebabkan untuk bisa berputar sebuah mesin. Juga bisa digunakan untuk The layer of bonding tape disekitar rotor dan untuk pendingin udara yang melalui sebuah system tersebut. Air gap yang lebar dapat mengurangi getaran yang mana jika terlalu lebar air gaps dapat mengurangi medan magnetik kontak dengan konduktor. a. Produksi Torka, sebuah fungsi dari komutator
b. Torka akan dihasilkan oleh reaksi antara komutator dan jangkar seperti pada gambar di bawah ini :
Pengurangan dari fluks magnetik berakitan dengan reaksid ari jangkar (armature). c. Produksi torka, merupakan fungsi dari komutator dan interpoles Induktansi sendiri dari belitan jangkar dan energy yang tersimpan karenanya, mungkin dapat menyebabkan loncatan fluks pada permukaan sebelah luar yang kecil dari sikat2. Ini dapat dicegah dengan menggunakan interpoles. Biasanya digunakan untuk motor rotor belitan ukuran sedang dan besar (di motor kecil, loncatan masih bisa diterima, dan dalam motor magnet permanen, induktansinya kecil). Interpoles akan menginduksi sebuah gaya gerak listrik (electromagnetic force or emf) pada belitan yang akan bergerak melalui komutator. Reaksi dari jangkar dapat dicegah dengan menggunakan interpoles dan untuk mesin besar, compensating winding, sering juga digunakan.
Gaya gerak listrik or ggl (electromagnetic force) Ggl bolak balik terjadi pada jangkar (armature) dan biasanya dinamakan steel laminations. Dan ggl searah terjadi pada sikat2. E = k Φ ω Volt
T = k Φ I a %mr Dimana : Dan
kΦ =
ω=
p
Z s Φ %m/A atau Vs/rad
π 2πn rpm 60
= 2πn rad/s
Dimana n = kecepatan rotor per detik (rev/s).
Rangkaian ekuivalen motor DC
Dimana
Ra = R sikat + Rrotor + Rint erpoles Ω V = Ra I a + L
dI a 235 + t + E dan r tergantung dari suhu Rt = Rt 0 • dt 235 + t 0 Karakteristik Steady state : Torka vs kecepatan dan variasi dengan tegangan Steady state :
V = RI + E I=
V −E R
Kecepatan tanpa beban :
E = k Φ ω (Volt ) kΦ =
ω0 =
p
π
Z s Φ = kΦ
V , I0 = 0 kΦ
k ΦV − k Φ2 ω T = kΦ I a = R V R ω= − 2T kΦ kΦ
Karakteristik Steady state : Generation dan regeneration Semua mesin listrik secara prinsip mampu dioperasiakn sebagai generator. Motor dapat ”regenerate” , yaitu mengembalikan energi ke supply. Seperti pada rolling mill (untuk membalikan arah putaran) dan pada aplikasi dimana diperlukan pengereman yang cepat. Cara lain yaitu dengan membuang energi di resistor (dynamic braking).
Generation, ketika mesin diputar oleh penggerak mula (prime mover), arah arus akan dibalik dan E lebih besar dari V Operasi 4 kuadran dan pengereman regenerative Mesin DC yang dikontrol oleh tegangan jangkar, mampu beroperasi dalam 4 kuadran dengan mengontrol polaritas dan besarnya V. Motoring : V˃E, arah putaran berbalik jika V berganti polaritasnya. Generating : E˃V, arah putaran berbalik jika V berganti polaritasnya.
V∞kecepa tan I∞torka Jika kita bekerja dalam mode motoring di kuadran 1 (Q1) (V˃E), dan kita tiba2 mengurangi tegangan ke V˂E, arus akan berubah arah, dan daya (energi kinetik dari motor dan beban inertia) akan menyuply sistem. Torka beban dan torka motor akan memperlambat rotor sampai steady state (di Q1) tercapai ( pada kecepatan rendah dan tegangan rendah). Pengereman regenerative terjadi pada saat setiap kita menurunkan tegangan untuk menurunkan kecepatan. Pengeraman regenerative pada putaran penuh (pada tanpa beban) .
Perubahan secara mendadak dari V ke –V akan memberikan arus yang sangat besar.
Kita perlu menjaga arus pada nilai rating.
Karakteristik Steady state : kecepatan dasar dan pengurangan medan (field weakening)
ω=
V R − 2T kΦ kΦ
Effesiensi dan rugi rugi mekanik Effisiensi dapat dicari dengan rumus
η=
Pinput − Prugi Pinput
biasanya sekitar 80-95%
Rugi rugi mekanik terjadi karena gesekan mekanik dan windage. Rugi akan meningkat jika kecepatan meningkat. Kenaikan rugi windage akan berbanding lurus dengan pangkat tiga dari kecepatan, sedangkan rugi gesekan akan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatan. Gesekan terjadi diantara shaft dan bearing akibat dari adanya putaran, seperti pada sikat2 komutator, makanya bisa juga disebut rugi gesekan sikat. Windage terjadi akibat adanya pendinginan cairan (fluid). Rugi mekanik biasnaya tidak tergantung pada beban, biasnaya sekitar 1-2% dari daya masukan. Sedangkan rugi yang lain tergantung pada beban. Rugi rugi besi, terjadi pada semua lilitan ( I total rugi rugi.
2
R ), pada beban tinggi, biasanya rugi bisa mencapai 50% dari
Rugi rugi inti besi : rugi rugi histerisis dan eddy current Pada putaran rotor, medan magnet akan selalu berubah secara terus menerus, dan partikel magnet di rotor juga akan menyusun kembali diantara mereka secara terus menerus juga sesuai dengan perubahan medan magnet yang menyebabkan gesekan magnet dan rugi rugi (histerisis) dan bisa di hitung dengan menggunakan rumus :
Phy = K hy fB α , dimana f merupakan frekuensi, B medan magnetik maksimal, α
merupakan konstanta ( antara 1,6 – 2,4) dan K merupakan konstanta yang berdasarkan properti magnetik dari material di rotor. Rotor juga merupakan sebuah konduktor listrik dan arus eddy akan menginduksi ketika motor berputar dalam medan magnet yang dihasilkan oleh stator, yang akan menghasilkan rugi rugi dan bisa dihitung dengan menggunakan rumus
Pec = K ec f 2 B 2 .
Rugi rugi inti besi tidak bergantung pada beban, dan biasnaay 1-2% dari daya masukkan (10-20% total rugi)
