Mesin DC
Pendahuluan • Motor DC mengkonversikan energi listrik menjadi energi mekanik. • Sebaliknya pada generator DC energi mekanik dikonversikan menjadi energi listrik. • Prinsip kerja mesin DC (dan AC) adalah Hukum Faraday • Dalam rangkaian tertutup, emf (electromotife force) dan arus dihasilkan ketika sebuah konduktor memotong garis gaya magnet. • Kebalikan dari hukum ini diaplikasikan pada motor DC (dan AC), Gerakan dihasilkan ketika arus yang mengalir lewat kawat diletakkan dalam medan magnet.
Komutatif • Dalam mesin DC, arus di setiap kawat dari armature sejatinya berjalan bolak-balik. • Diperlukan suatu cara untuk mengkonversikan arus bolak-balik menjadi arus searah (lihat Gb. 1) • Pada Gb1 a, generator DC : induksi emf AC dikonversikan ke tegangan DC • Gb 1 b., Motor DC : input arus searah dikonversikan ke bolak-balik dalam armature pada waktu yang tepat untuk menghasilkan arus searah.
Commutation – Gb 1a
Commutation – Gb 1 b
Konstruksi Mesin DC
Komponen Utama Mesin DC • Stator mesin DC memiliki kutub, yang memungkinkan arus DC untuk menghasilkan medan magnet. • Dalam zone netral, pertengahan antara kutub, kutub komutatif diletakkan untuk mereduksi pemicu komutatif. • Kutub komutatif di supply oleh arus DC • Lilitan kompensasi diletakan pada kutub utama.
Komponen Utama Mesin DC • Kutub yang dipasang pada inti besi akan menghasilkan rangkaian magnetik tertutup. • Rumah motor mendukung inti besi, sikat, dan bearing • Rotor memiliki cincin yang melapisi inti besi dengan slot. • Koil dengan beberapa lilitan diletakkan dalam slot. • Jarak diantara dua lengan koil kira-kira 180 derajat. • Koil dihubungkan secara seri melalui bagian komutator.
Komponen Utama Mesin DC • Akhir setiap koil dikoneksikan ke segmen komutator. • Komutator berisi segmen tembaga terisolasi yang dipasang pada tube terisolasi. • Dua sikat dilekatkan pada komutator supaya arus dapat mengalir. • Sikat diletakkan pada zona netral, dimana medan magnet mendekati nol, untukmengurangi lengkungan.
DC Machine: Commutator
DC Machine: Commutator • Rotor memiliki cincin terisolasi inti besi dengan slot. • Komutator berisi segmen tembaga terisolasi yang diletakkan pada tube terisolasi. • Dua sikat dilekatkan pada komutator sehingga arus dapat mengalir. • Sikat diletakkan pada zona natural, dimana medan magnet mendekati nol, untuk mereduksi lengkungan.
DC Machine: Commutator • Komutator memindahkan arus dari satu koil rotor ke kumparan yang berdekatan. • Switching diperlukan untuk menginterupsi arus koil. • Interupsi yang tiba-tiba dari arus induksi membangkitkan tegangan tinggi. • Tegangan tinggi menghasilkan flashover dan lengkungan diantara segmen komutator dan sikat.
Komutator dengan koneksi koil rotor
Motor DC 4 Kutub
Rotor Motor DC
Irisan Melintang Motor DC
EMF dan Torsi • Medan magnet dihasilkan oleh kutub stator yang menginduksikan emf pada koil rotor (atau armatur) ketika mesin berotasi atau diputar. • Fluksi kutub dihasilkan oleh eksitasi/arus medan DC, yang secara magnetisasi berpasangan dengan rotor. • Fluksi adalah proporsional ke arus medan jika inti besi tidak jenuh
• Konduktor rotor memotong garis medan yang menghasilkan emf pada koil. • Nr = jumlah rangkaian koil, Bag = rata-rata densitas fluksi, lg panjang sumbu efektif, v kecepatan konduktor
EMF dan Torsi • Kecepatan motor dan fluksi dihitung dengan:
• m = kecepatan angular mekanik rotor, Dg = diameter rotor, p = jml kutub, fluksi per kutub. Kombinasi 3 persamaan memberikan:
EMF dan Torsi
• ka = konstanta armature, Ca = jml total konduktor, a = jml lilitan armatur paralel, p = jml kutub magnetik, a=2 utk lilitan gelombang, a=p untuk lilitan yg berputar
Rangkaian Ekivalen
Rangkaian Ekivalen
Shunt DC Motor
Series DC Motor
Compound DC Motor
Rangkaian Mesin DC
Contoh • Sebuah generator bertipe long shunt compound dengan 4 kutub, memberi arus pada teminal 100 A, tegangan 500 V. Jika hambatan jangkar (armature) 0.02 ohm, medan seri 0.04 ohm, dan medan paralel 100 ohm, hitung EMF yang dihasilkan. Diasumsikan drop sikat 1 V.
solusi • • • • • • •
Ish = 500 / 100 = 5 A Arus medan seri : 100 + 5 = 105 A Drop tegangan medan seri = 105 * 0,04 = 4,2 V Drop tegangan jangkar = 105 * 0.02 = 2,1 V Drop sikat = 2 * 1 = 2 V EMF = V + IaRa + drop seri + drop sikat = 500 + 2,1 + 4,2 + 2 = 508,3 V
Contoh 2 • Generator gabungan (compound) 20 kW, bekerja pada beban penuh dengan tegangan terminal 250 V, hambatan jangkar, seri, dan paralel, berturut-turut, 0,05 ohm, 0,025 ohm, dan 100 ohm. Hitung EMF yang dihasilkan jika mesin dikoneksikan short shunt.
Solusi • • • • • • •
Arus beban = 20.000 / 250 = 80 A Drop tegangan seri = 80 * 0,025 = 2 V Tegangan yang melewati lilitan paralel = 252 V Ish = 252/100 = 2,52 A Ia = 80 + 2,52 = 82,52 A IaRa = 82,52 * 0,05 = 4,13 V EMF = 250 + 4,13 + 2 = 256,13 V
Contoh • Generator long shunt compound, 300 kW, 600 V. Tahanan medan paralel 75 ohm, tahanan jangkar termasuk tahanan sikat = 0,03 ohm, tahanan belitan komutatif = 0,011 ohm, tahanan medan seri = 0,012 ohm, tahanan divertor = 0,036 ohm. Ketika mesing bekerja pada beban penuh, hitung tegangan dan daya yang dihasilkan jangkar (armature)
Contoh
Solusi • • • • • • • • •
Daya output = 300.000 W Arus output = 300.000/600 = 500 A Ish = 600/75 = 8 A Ia = 500 + 8 = 508 A Tahanan kombinasi (medan seri dan divertor) yang dihubungkan paralel = 0,012 * 0,036 / 0,048 = 0,009 ohm Total tahanan rangkaian jangkar = 0,03+0,011+0,009 = 0,05 ohm Drop tegangan = 508 * 0,05 = 25,4 V Tegangan dibangkitkan jangkar = 600 + 25,4 = 625,4 V Daya yang dihasilkan = 625,4 * 508 = 317.700 W = 317,7 kW
Menghitung EMF • • • • • • •
= flux / kutub (Weber) Z = total jumlah konduktor jangkar = jumlah slot x jml konduktor/slot P = jumlah kutub A = jml bagian (path) paralel dlm jangkar N = rotasi jangkar (rpm) E = e.m.f yang diinduksikan pada jangkar path paralel
• EMF yang dibangkitkan, Eg = EMF dibangkitkan pada sebuah path paralel • Rata-rata emf dibangkitkan/generator d/dt V, (n=1) • Flux cut/konduktor pada satu putaran d= P Wb • Jml putaran/detik = N/60, waktu per satu putaran dt=60/N second, berdasar Hk. Faraday • EMF / konduktor = d/dt = P N / 60 Volt
EMF Generator Belitan Wave
EMF Generator Belitan Lap • Jml path paralel = P • Jml konduktor (seri) dlm sebuah path = Z/P
• A = 2 untuk belitan wave • A = P untuk belitan lap
• Untuk Z, A, P konstan, Ka = ZP/A
