I Mesin Mesin Listrik
September 2017
Oleh : Yakob Liklikwatil
Mesin Arus Searah
KONSTRUKSI MESIN ARUS SEARAH
MESIN ARUS SEARAH
1.1 Pandangan UmumMesin listrik merupakan peralatan konversi energi elektro-magnetik-mekanik yang bekerja dengan suatu media perantara yaitu medan magnetik yang terdapat di dalam alat ini. Berdasarkan arah konversinya, mesin listrik dibagi dalam dua kelompok utama, yaitu :
1. Mesin disebut “Generator Listrik”, untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik,
2. Mesin disebut “Motor Listrik”, untuk mengubah sumber (energi) listrik menjadi energi mekanik,
Berdasarkan Tegangan atau arus yang dihasilkan atau yang digunakan, mesin dibedakan menjadi dua macam
yaitu :
3. Mesin Arus Searah (Dirrect Current Machine atau DC Machine)
4. Mesin Arus Bolak-Balik (Alternating Current Machine atau AC Machine)
Pada sistem arus bolak-balik mesin dibedakan dalam dua macam yaitu mesin sinkron (Synchronous
machine ) dan mesin induksi (Induction machine atau mesin tak sinkron)
Dua cara penghasil fluks magnetik (atau medan magnetik) pada mesin listrik yaitu :
- Magnet Permanen, yaitu menggunakan material magnetik permanen
- Magnet-listrik , adalah menggunakan Lilitan kawat pada inti besi yang dialiri arus listrik searah (dc)
HUKUM-HUKUM DASAR
• Hukum Induksi Faraday, Tegangan induksi / gaya gerak listrik (ggl): e = N.
• Hukum Pertama Maxwell : • Hukum Flemming : Tangan Kanan &
Tangan Kiri
• Hukum Gaya Lorenz• Hukum Biot-Savart
•
1.2 Dasar Sebuah Generator
Ketentuan Pembangkitan tegangan induksi atau gaya gerak listrik (ggl) adalah : • Gerak (Rotasi/berputar), Proses secara mekanik• Medan magnetik (Fluks berubah), terhadap Ruang dan Waktu• Batang konduktor (Kumparan Kawat), Winding/Coil- conductor Menimbulkan Tegangan Induksi (ggl), Electromotiv-force (EMF) pada batang konduktor
Berdasar pada hukum ‘Tegangan Induksi Faraday’, (Lihat Gbr.1.1)
“ Apabila sebuah batang konduktor dengan panjang efektif l digerak-gerakan vertikal ke atas dan/atau dengan kecepatan v sejauh ds memotong garis-garis fluks di dalam ruang medan magnet yang homogen B diantara dua buah magnet permanen kutub Utara (U) dan selatan (S), maka akan timbul gaya gerak yang bersifat listrik pada kawat tersebut, yaitu suatu tegangan imbasan yang dinamakan tegangan induksi atau gaya gerak listrik (ggl) dengan bentuk gelombang Bolak-Balik. Besarnya ggl adalah, e = B. l .v, dan arahnya bergantung pada arah fluks magnet dan arah gerakan konduktor
Atau dengan pengertian lain pergerakan tersebut di atas akan terjadi perubahan fluks terhadap jarak pergerakan ds yang dialami oleh batang konduktor, dengan persamaan :
d = B. l. ds ( 1-1 )
A. Pembangkitan Tegangan / GGL.
Perhatikan gambar 1.3; Kumparan rotor (eksitasi) dicatu oleh arus searah dari luar atau dari dalam mesin tersebut, melalui sepasang sikat arang dan slip-ring. Kemudian kumparan tersebut diputar didalam ruang antara stator dan rotor, stator dengan kumparan yang kedua ujungnya merupakan terminal tegangan,
• Dari hukum Faraday diketahui gaya gerak listrik e = d / dt, maka e = B.l. ds / dt ( 1-2 ) dengan ds / dt = v adalah kecepatan gerak konduktor didalam medan magnet, maka
e = B.l.v ( 1-3 )
• Dua Teknik Dasar Sistem Generator Listrik
Urutan Terjadinya Gelombang GGL Induksi• Bagaimana timbulnya ggl, dan seperti apa bentuk gelombangnya, berikut ini ditunjukkan
diagram skematis urutan terjadi ggl dengan bentuk dan bentuk gelombang yang dihasilkan
• Gerakan berputar kawat kumparan di dalam medan magnet homogen akan menimbulkan induksi tegangan elektrik atau strengt electric E pada kumparan tersebut
Silahkan anda jelaskan pertanyaan di bawah ini
• Mengapa bentuk kurva ggl,… sinusoida ???• Bagaimana pengaruh fluks (B) dan gerakan (v) terhadap besar dan bentuk
gelombang tegangan ggl ?• Adakah pengaruh banyaknya lilitan kawat kumparan terhadap besar tegangan
ggl,….Mengapa..demikian ?
• Apabila lilitan kawat dibuat sebanyak N lilitan dengan ujung kumparan sebagai terminal tegangan a dan b , maka pada terminal kumparan stator itu terjadi ggl sebesar e = N. d / dt volt ( 1-5 )
• Jika pada kedua ujung kumparan stator (terminal a dan b) diberi beban resistansi R, maka akan mengalir arus stator I yaitu
I = e / R ampere (A) ( 1-6 )
Bentuk Gelombang dan Vektor Tegangan dan Arus Yang dihasilkan
Analisis Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Tegangan Ggl Yang Dibangkitkan
• Pada kecepatan putaran n lambat meskipun fluks eksitasi dari rotor besar dan tetap, maka garis fluks yang akan dicakup oleh inti kumparan stator (yang masuk ke inti stator) hanya yang sedikit atau dengan kata lain banyak garis fluks yang menyimpang keluar oleh itu stress atau tekanan fluks yang dirasakan oleh inti kumparan stator rendah sehingga selain lebar gelombang ggl sangat lebar (atau frekuensi sangat rensah) tetapi juga amlitudo gelombang ggl E = C.n. akan rendah dengan demikian tegangan keluaran generator juga rendah (lihat gambar 1, gel.rendah). Misalkan kecepatan putaran 60 rpm (sangat rendah) dan jumlah garis fluks magnetik yang berasal dari inti kumparan eksitasi (pada rotor) 105 garis, maka kutub stator hanya akan melingkupi garis fluks itu satu kali dalam 1 detik dengan jumlah yang lebih sedikit dari 105.
Banyak Garis Fluks Magnetik Yang Melewati Inti Jangkar akan Mempengaruhi Besar Stress Tegangan
Pada Kumparan• Jangkar dan Magnet Eksitasi
Bntuk Gelombang
• Fluks magnet dalam arah gerak v adalah V
yaitu proyeksi fluks kepada arah pergerakan konduktor, dengan persamaan
• V = .Cost• Dengan menerapkan hukum gaya Loren dan Faraday e = B.l.v, maka nilai ggl pada setiap perubahan sudut ruang dapat dimodelkan dengan persamaan
• Gambar disamping menunjukkan pergerakan melingkar dari konduktor didalam ruang medan magnet dengan jarak sudut ruang atau dengan keepatan sudut dan waktu t
• Pergerakan konduktor didalam ruang medan magnet dan waktu dari posisi 0O sampai dengan 180O itu merupakan bentuk perputaran sebesar setengah lingkaran atau setengah putaran, dan …..ini akan menghasilkan kurva dari perubahan fluks relatif terhadap waktu pergerakan melingkar dari konduktor dengan bentuk setengah gelombang sinusoida yang positif dan menimbulkan tegangan gerak listrik (tgl) yang juga berbentuk setengah gelombang sinusoida. Dan selanjutnya pergerakan konduktor dari posisi sudut 180Ohingga 360O, konduktor bergerak memutar dalam arah ke kanan (ke bawah atau menurun) hingga pada posisi 270O dan kemudian bergerak membelok dan naik dalam arah kekanan menuju sudut ruang 360O atau kembali pada posisi sudut 0O. Dengan demikian pergerakan melingkar dari konduktor
• di dalam ruang medan magnet dan waktu perputaran sepanjang 1 lingkaran penuh atau satu putaran akan menghasilkan fluks magnetik yang berubah terhadap pergerakan konduktor itu dengan bentuk kurva 1 gelombang penuh sinusoida (atau fluks yang bolak-balik). Perubahan fluks magnet terhadap arah gerakan konduktor secara matematis dimodelkan dengan mSint , sedangkan fluks yang berubah ubah itu jika diproyeksikan kepada waktu pergerakan melingkar dari konduktor dinotasikan dengan d/dt merupakan hasil yaitu tegangan gerak listrik (tgl) atau ggl.
• Dengan memasukan setiap sudut ruang , maka besar tegangan gerak listrik pada posisi sudut ruang t = 60O ini adalah
•Maka dengan t = 60O , nilai tegangan gerak listrik pada posisi ini adalah
• eV = .v.sin60O = 0,866..v volt
•Dengan t = 30O , nilai tegangan gerak listrik pada posisi ini adalah
• eV = .v.sin30O = 0,5..v volt
• Ingat Hukum Faraday : e = N. d / dt volt ( 1-5 )•
– Harga Maksimum dan Efektif (RMS) Tegangan GGL
–Nilai maksimum tegangan ggl
–
• = = C . Фm .n.
•dimana C = ( 1-10 )
•
nN
m
60
2
Nilai RMS & Rata-rata GGL
• Harga RMS
• Erms = 4,44. N.f. A. Bm ( 1-12 )
• Harga rata-rata atau DC adalah
voltE
tdtSinET
tdeT
E
mm
ef
..2
....)(1
.1
2
0
22
2
0
2
mEtCosmE
tdtSinmErE2
...0
...1
KONSTRUKSI MESIN ARUS SEARAH• Bagian utama dari mesin arus searah adalah : Stator dan Rotor, sistem eksitasi
(exciter), Jangkar, kumparan stator dan kumparan rotor, alur (slot) pada intir besi stator dan pada inti besi rotor, magnet permanen (khusus mesin yang mempunyai sistim eksitasi magnet permanen), komutator (terbuat dari lempengan tembaga yang di pisahkan oleh isolator pada antara lempeng yang satu dengan yang lainnya), sikat arang (carbon-brush) sebagai kontak gesek untuk menghubungkan bagian yang bergerak berputar (Rotor) di dalam mesin dengan bagian luar yang tidak bergerak (Stator)
• Belitan mesin arus searah: pada mesin arus searah terdapat 2 macam atau cara gulungan kumparan kawat yaitu (a) Kumparan gelung (Lap-winding), yaitu bila bentuk kumparan kawat yang digulung sedemikian sehinga setiap belitan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya, seperti pada gambar 2.2a
• dimana : YC adalah kisaran bumbung komutator
• P adalah jumlah kutub C adalah jumlah kumparan / jumlah bar komutator = separuh dari jumlah
total konduktor (wave winding)
• Contoh: Jika sebuah mesin dc dengan P = 4 , C = 21, mak
Jadi kisaran komutator adalah 11 atau 10
Salah satu bentuk lilitan kawat konduktor pada alur (slot) inti rotor mesin dc
•Tegangan Yang Dibangkitkan•Untuk sebuah generator dengan bentuk kumparan gelung (lap winding) tegangan
EMF yang dibangkitkan , dengan : jumlah alur (konduktor parallel) = 2, jumlah
konduktor (yang diserikan) di dalam satu bagian = Z/2 adalah
Untuk sebuah generator dengan bentuk kumparan gelombang (wave winding) tegangan EMF yang dibangkitkan, dengan :jumlah alur (konduktor) parallel = Pjumlah konduktor (yang diserikan) di dalam satu alur = Z/P, adalah
dimana : = fluks perkutub (Wb = weber) Z = jumlah total konduktor jangkar = banyak slot jumlah konduktor
perslot (A) P = banyaknya kutub generator
A = jumlah alur parallel didalam jangkar n = perputaran jangkar (rpm) Ea = e.m.f induksi pada setiap alur parallel didalam jangkar
voltnZPZnP
Ea 120
..
260
..
voltnZ
P
ZnPEa 60
..
60
..
•Secara umum besar e.m.f yang dibangkitkan adalah,
dimana M = 2, untuk bentuk kumparan gelombang (wave winding) = P, untuk bentuk kumparan gelung (lap winding)
Contoh:Sebuah generator 4 kutub, dengan jangkar bentuk kumparan gelombang mempunyai 51 slot, dan setiap slot berisi 20 konduktor. Berapakah emf yang dibangkitkan didalam mesin apabila generator diputar dengan kecepatan putaran 1500 rpm, dengan asumsi fluks perkutub adalah 7 mWb; Dan berapakah besar emf jika bentuk kumparan gelung Penyelesaian :Dengan bentuk kumparan gelombang maka emf yang dibangkitkan adalah
Penyelesaian :a. Dengan bentuk kumparan gelombang maka emf yang dibangkitkan adalah
•Nilai Ea dan daya yang dihasilkan bergantung pada konstruksi mesin, selain n dan
voltM
PnZEa
60
..
voltM
PnZEa
3572
4
60
15001020107
60
.. 3
b. Dan untuk kumaparan gelung adalah
Mesin Arus Searah, Eksitasi Terpisah
Tegangan GGLEa = Vt + Ia.Ra ( 2-1 )Ea = C.n. ( 2-2 )Vf = If.Rf ( 2-3 )Torsi elektromagnetik jangkar motor adalah Ta = C.Ia. ( 2-4 )
Torsi poros motor adalah
voltM
PnZEa
5,1784
4
60
15001020107
60
.. 3
60..2 nm
PT
• dimana Ea = emf atau ggl motor (volt)
Vt = tegangan terminal masukan (volt)
Vf = tegangan kumparan medan penguatan (volt)
Ia = arus yang mengalir pada kumparan jangkar (amper)
If = arus kumparan medan penguatan (amper)
Ra = resistansi kumparan jangkar (ohm)
Rf = resistansi kumparan medan penguatan (ohm)
n = kecepatan putaran poros motor (rpm)
P = daya masukan ( watt )
• MAS penguatan Sendiri (Shunt, Seri, Kompound)
Vt = Ea + Ia.(Ra + Rse ) volt ( 2-12 )Ea = C.n. C. n . Ia volt ( 2-13 )Vf = If.Rf = Ia.Rf volt ( 2-14 )
Motor Arus Searah
• Motor arus searah (dc): alat konversi energi listrik arus searah menjadi energi mekanik dalam bentuk perputaran mekanik. Konstruksi motor dc sama dengan generator dc, dengan jenis-jenis yang beragam. Pnggunaan motor dc sangat luas terutama dalam bidang alat transportasi (Mobil, sepeda, Trem, hingga permaianan anak-anak). Seperti pada generator dc, jenis motor dc yaitu : eksitasi terpisah, eksitasi sendiri (Shunt, Seri, Kompound, Magnet permanen).
• Motor Starter
MOTOR LISTRIK ARUS SEARAH
Pandangan Umum
Motor adalah alat penggerak benda dengan suatu sumber energi utama bisa berupa angin, air, bensin atau solar dan listrik. Misalnya motor bensin atau motor bakar yaitu motor sumber energi utamanya adalah bensin. Motor listrik adalah motor yang bekerjanya oleh tenaga listrik. Bergeraknya sebuah motor (yaitu berputar horizontal) disebabkan karena adanya gaya dan torsi yang diberikan oleh energi utama tersebut. Motor listrik berputar karena adanya gaya dan torsi elektromagnetik di celah udara di dalam mesin tersebut. Berikut ini penjelasan mengenai bagai mana motor listrik dapat berputar: Sebelum masuk pada pokok masalah terlebih dahulu kita tinjau sebuah balok yang dapat berputar pada poros ( lihat gambar 1.7). Balok dipasang pada sebuah dudukan sebagai poros dari balok dengan panjang lengan kiri sama dengan panjang lengan kanan yaitu r. Jika unjung kanan dari balok diberi gaya tekan F yang tegak lurus terhadap panjang lengan maka akan timbul torsi T yang menyebabkan balok bergerak melingkar pada titik tumpuan atau poros bagaikan sebuah propeler (fun), berputar searah dengan jarum jam.
Besar torsi putar tersebut adalah perkalian secara vektor dari gaya F dan panjang lengan r , yaitu : T = F x r ( 117 ) Prinsip Motor Berputar Jika batang konduktor yang ditempatkan didalam ruang medan magnet homogen dialiri arus listrik
dengan arah arus seperti pada gambar, maka konduktor pada lengan sebelah kiri dekat kutub utara magnet (U) akan mendapat gaya gerak mekanik yang berarah keatas, sedangkan konduktor dilengan sebelah kanan dekat kutub selatan magnet (S) akan mendapat gaya dengan arah ke bawah, dengan demikian teromol atau rotor atau lengan akan timbul torsi gera (putar) sehingga rotor berputar pada poros searah jarum jam. Jika arah arus pada kawat konduktor dibalik, maka akan timbul gaya gerak dan torsi putar yang berlawanan arah sehingga lengan/rotor akan berputar berlawanan arah jarum jam. Dasar motor berputar adalah adanya interaksi antara fluks magnet B yang dihasilkan oleh bagian penghasil medan magnetik utama (exciter) dengan arus listrik I di kawat konduktor pada angkaian daya
Berdasarkan hukum tangan kiri dengan ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah berturutturut adalah gaya (F), Fluks magnet (B), dan arus listrik ( I ), yang merupakan prinsip kerja sebuah motor listrik. Sebuah arus listri melalui kawat penghantar di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya, F di sebelah kanan dekat kutub S gaya akan mengarah ke bawah dan di sebelah kiri dekat kutub U gaya tersebut mengarah ke atas, seperti terlihat pada gambar 1.8
Lengan Kiri Lengan Kanan
rr
F
Gambar 1.7, Balok diberi gaya tekan
Arah pergerakan
Arah gerakan
Berputar
Jika suatu lilitan kawat dibentuk seperti pada gambar 1.9 dengan jarijari kumparan r dan panjang kawat efektif l yang dialiri arus listrik I dengan arah masuk bidang (di sisi kanan kawat) dan keluar bidang gambar (di sisi kiri kawat konduktor) ditempatkan di dalam medan magnet homogen dengan kerapatan fluks B seperti pada gambar, maka pada kawat tersebut akan timbul gaya yaitu : di sisi kanan kawat akan terjadi gaya dalam arah ke bawah, dan di sisi kiri kawat akan terjadi gaya dalam arah ke atas . Kedua gaya tersebut berlawanan arah dan akan menimbulkan torsi putar T yang akan menarik atau mendorong kawat kumparan sehingga berputar pada porosnya searah dengan arah jarum jam.
U SI
F
B
B
I
FI
F
B
Gambar 1.8, Gaya yang ditimbulkan oleh arus melalui kawat di dalam medan magnet
U S
Magnet Permanen
Sikat Arang
Slip Ring
Lilitan Kawat Konduktor
Fluks Magnet B
I
F
B
I
I
Poros
F
B
I
+
r
Gambar 1.9, Diagram skematis dasar dari kerja motor berputar
Apa itu Back EMF ?
Tegangan GGL Lawan (Back EMF)Dengan memakai persamaan umum C.n. = E, maka pada motor listrik adanya C. (fluks eksitasi) dan I (pada kawat kumparan jangkar) timbul pergerakan berputar pada poros ( n) dan menghasilkan ggl lawan (Eb) pada kumparan jangkar yang arahnya menetang arah arus yang di kumparan jangkar itu.
BACK ELECTROMOTIVFORCE
Gambar, Diagram skematis timbulnya ggl lawan, dan rangkaian
pengganti
TORSI PADA MOTOR ARUS SEARAH
Torsi Elektromagnetik pada Jangkar motor
Ta = C.Ia. ( 218 )
Besar gaya yang ditimbulkan oleh arus I dan medan magnet B yang bekerja pada kumparan kawat dengan panjang efektif l dan panjang lengan sama dengan jari-jari r itu adalah
F = B.I.l.Sin N (newton) ( 1-18 )
Dan torsi putar yang dihasilkan oleh gaya tersebut adalah
T = B.I.l.r Nm ( 1-19 )
Contoh ,
Sebuah mesin dengan panjang kumparan l = 1,5 m, jari-jari r = 15 cm, mengalir arus I = 20 A, kerapatan fluks B = 0,012 Wb/m2. Berapakah Gaya dan Torsi yang timbul pada kumparan (rotor)
Jawab
Gaya yang ditimbulkan adalah:
F = B.I.l = 0,012 x 20 x 1,5 = 0,36 N
Torsi yang ditimbul
T = B.I.l.r = F x r = 0,36 x 0,15 = 0,054 Nm
Aplikasi Motor DC pada Sepeda-motor Listrik
TIGA 可変界磁モーター variable field magnet motor Solar Car
TIGA可変界磁モーター variable field magnet motor Solar Car