Bahan - Uas - Mesin Listrik I (Gen & Mot DC) [PDF]

Citation preview

ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Wasimudin Surya S, ST, MT Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



GENERATOR ARUS SEARAH Konstruksi Mesin Arus Searah Konstruksi dari mesin arus searah terbagi atas: 1. Stator; adalah bagian mesin arus searah yang diam, 2. Rotor atau angker atau jangkar atau armature; adalah bagian dari mesin yang berputar, 3. Celah udara; adalah ruangan yang ada antara stator dan rotor



Stator umumnya terdiri dari: i. Gandar/rangka/frame (rumah magnetis) ii.Kutub, yang terdiri dari: inti kutub, sepatu kutub dan lilitan penguat (medan) iii.Sikat



ET-241 Mesin Elektrik I Rotor umumnya terdiri dari: i. Inti ii.Belitan jangkar iii.Komutator



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gandar/rangka/frame (rumah magnetis) Fungsi utama dari rangka mesin adalah sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnet. Karena itu rangka mesin dibuat dari bahan ferromagnetik. Selain itu rangkapun befungsi untuk meletakkan alat-alat tertentu dan melindungi bagianbagian mesin lainnya. Mesin-mesin yang kecil rangkanya dibuat dari besi tuang, sedangkan mesin-mesin yang besar rangkanya dibuat dari plat campuran baja yang berbentuk silinder.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Kutub, yang terdiri dari: inti kutub, sepatu kutub dan lilitan penguat (medan) Fluks magnet yang terdapat pada mesin listrik dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. Kutub magnet diberi lilitan penguat magnet yang berfungsi untuk tempat aliran arus listrik supaya terjadi proses elektromagnetisme. Pada dasarnya kutub magnit terdiri dari dua bagian pokok, yaitu inti kutub magnet dan sepatu kutub magnet. Karena kutub magnet berfungsi menghasilkan fluks magnet, maka kutub magnet dibuat dari bahan ferromagnetik, misalnya campuran baja-silikon. Disamping itu, kutub magnet dibuat dari bahan berlapis-lapis tipis untuk mengurangi panas karena adanya arus pusar yang terbentuk pada kutub magnet buatan tersebut.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Sikat Fungsi utama sikat adalah sebagai penghubung untuk aliran arus dari lilitan jangkar ke terminal luar (generator) atau dari terminal luar ke lilitan jangkar (motor). Karena itu sikat dibuat dari bahan konduktor. Disamping itu sikat juga berfungsi untuk terjadinya komutasi, bersama-sama dengan komutator, bahan sikat harus lebih lunak dari bahan komutator. Supaya hubungan/kontak antara sikat-sikat yang diam dengan komutator yang berputar dapat sebaik mungkin, maka sikat memerlukan alat pemegang dan penekan berupa per/pegas yang dapat diatur. Memilih bahan yang digunakan untuk suatu sikat, perlu memperhatikan: putaran mesin, kerapatan arus yang melalui sikat, tekanan sikat terhadap komutator.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



(Inti) Jangkar Jangkar yang umum digunakan dalam mesin arus searah adalah yang berbentuk silinder, yang diberi alur pada bagian permukaannya untuk melilitkan kumparankumparan tempat terbentuknya ggl imbas. Jangkar dibuat dari bahan yang kuat yang mempunyai sifat ferromagnetik dengan permeabilitas yang cukup besar, dengan maksud agar kumparan lilitan jangkar terletak dalam daerah yang imbas magnetnya besar sehingga ggl yang terbentuk dapat bertambah besar.



ET-241 Mesin Elektrik I Lilitan Jangkar Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl imbas. Lilitan jangkar terdiri atas beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiaptiap kumparan dapat tediri atas lilitan kawat atau lilitan batang. Z = Jumlah penghantar/kawat jangkar atau batang jangkar. Zs = Jumlah kawat tiap sisi kumparan S = Jumlah sisi kumparan. Tiap-tiap kumparan mempunyai dua sisi kumparan dan jumlahnya harus genap. Pada tiap-tiap alur bisa dipasang dua sisi kumparan atau lebih dalam dua lapisan bertumpuk (lihat gambar ). Dalam tiap-tiap alur terdapat 2U sisi kumparan, maka jumlah alur G adalah:



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I G = S/(2U) Bila dalam tiap-tiap kutub mempunyai 8 s.d. 18 alur, maka : G = (8 – 18) 2p Tiap-tiap kumparan dihubungkan dengan kumparan berikutnya melalui lamel komutator, sehingga semua kumparan dihubung seri dan merupakan rangkaian tertutup. Tiap-tiap lamel dihubungkan dengan dua sisi kumparan sehingga jumlah lamel k, adalah : S = 2.k Z/Zs = 2.k k = Z/(2Zs) Bila dalam tiap-tiap alur terdapat dua sisi kumparan (U = 1) maka jumlah lamel juga sama dengan jumlah alur G = S/(2U) = 2k/(2U) = k/U  k = U.G



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Komutator Seperti diketahui komutator berfungsi sebagai alat penyearah mekanik, yang bersama-sama dengan sikat membentuk suatu kerjasama yang disebut komutasi. Supaya menghasilkan penyearah yang lebih baik, maka komutator yang digunakan jumlahnya banyak. Karena itu tiap belahan/segmen komutator tidak lagi merupakan bentuk sebagian selinder, tetapi sudah berbentuk lempeng-lempeng. Di antara setiap lempeng/ segmen komutator terdapat bahan isolator. Isolator yang digunakan menentukan kelas dari mesin berdasarkan kemampuan suhu yang timbul dalam mesin tersebut. Jadi disamping sebagai isolator terhadap listrik isolator yang digunakan harus mampu terhadap panas tersebut. Berdasarkan jenis isolator yang digunakan terhadap kemampuan panas ini maka mesin DC dikenal atas :  Kelas A (maksimum 70 oC)  Kelas B (maksimum 110 oC)  Kelas H (maksimum 185 oC)



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Tegangan yang dibangkitkan pada sisi kumparan sebuah generator arus searah, sebenarnya adalah dalam bentuk gelombang arus bolak balik, selanjutnya komutator akan mengubah menjadi arus searah. Proses perubahan arus bolak-balik menjadi arus searah oleh komutator bisa dijelaskan sebagai berikut :



Proses terbentuknya ggl pada sisi kumparan generator



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Proses penyearahan tegangan pada generator arus searah Komutator 1 dihubungkan dengan sisi kumparan 1 dan komutator 2 dengan sisi kumparan 2. Jadi kalau kumparan berputar, maka sikat komutator akan bergesekan dengan komutator secara bergantian. Peristiwa pergesekan /perpindahan sikat dari satu komutator ke komutator berikutnya biasa disebut komutasi. Peristiwa komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan.



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Tegangan (ggl) induksi pada Gen. DC Tegangan induksi jangkar atau Ggl jangkar dibangkitkan pada kumparan-kumparan jangkar dari sebuah generator. Nilai tegangan ini bisa dihitung berdasarkan persamaan:



Ea = tegangan (ggl) yang diinduksikan pada jangkar Z = jumlah total konduktor/penghanta jangkar yang efektif P = jumlah kutub (= 2p, dengan p = jumlah pasangan kutub) = laju putaran jangkar dalam rad/s = fluks per kutub dalam weber (1 weber = 108 maxwell) a = jumlah cabang atau garis edar paralel  untuk belitan gelung, a = mP dengan m = plex dari belitan (1,2,3 dst)  untuk belitan gelombang, a = 2m K = ZP/(2a) = konstanta



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Bila laju putaran jangkar dinyatakan dalam rpm, maka ggl induksi dapat dinyatakan dengan persamaan:



n = laju putaran jangkar dalam rpm K’ = ZP/(60a) = konstanta



ET-241 Mesin Elektrik I



Reaksi Jangkar Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5.71). Fluks ini memotong belitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi, bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 5.72).



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Selanjutnya perhatikan gambar 5.73, di sini terlihat fluks medan utama disebelah kiri kutub utara dilemahkan oleh sebagian fluks medan lintang (jangkar) dan disebelah kanan diperkuat. Sedangkan pada kutub selatan fluks medan utama disebelah kanan diperlemah dan disebelah kiri diperkuat oleh fluks medan lintang. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi jangkar.



Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral teoritis AB, tetapi bergeser sebesar sudut  sehingga tegak lurus pada garis netral teoritis A' B'. Sikat yang diletakkan pada permukaan komutator yang terletak pada garis netral AB harus digeser letaknya supaya tidak timbul bunga api. Sikat harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Hubungan Generator Arus Searah Berdasarkan sumber arus kemagnitan untuk lilitan kutub magnit, maka dapat dibedakan atas :  Generator dengan Penguatan Terpisah, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari sumber arus searah yang terletak di luar generator.  Generator dengan Penguatan Sendiri, jika arus untuk lilitan kutub magnit berasal dari generator itu sendiri.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Generator dengan Penguatan Terpisah Dengan terpisahnya sumber arus searah untuk lilitan medan dan generator, berarti besar kecilnya arus medan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus atau pun tegangan pada generator.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Suatu generator arus searah penguatan terpisah melayani beban 450A pada tegangan terminal 230V. Resistansi jangkar 0,03 ohm, rugi tegangan pada seluruh sikat 2V. Berapa besar tegangan yang dibangkitkan jangkar? Jika arus medan untuk membangkitkan fluks magnet dipertahankan sebesar 4A, tegangan sumber arus searah untuk penguatan sebesar 220V serta resistans kumparan medan adalah 50 ohm, tentukan berapa besarnya resistansi pengatur arus masuk kumparan medan. Jawab: Ia = IL = 450A; Vt = 230V; Ra = 0,03 ohm; Im = 4A; Rm = 50 ohm  Ea = Vt + IaRa + 2e = 230 + 450.0,03 + 2 = 245,5V  Em = Im (Rm + R) 220 = 4 (50 + R) 55 = 50 + R R = 5 ohm



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Generator dengan Penguatan Sendiri Karena generator jenis ini memperoleh arus untuk lilitan medan dari dalam generator itu sendiri, maka dengan sendirinya besarnya arus medan akan terpengaruh oleh nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Hal ini akan tergantung pada cara hubungan Iilitan penguat magnit dengan lilitan jangkar. Generator Arus Searah Shunt



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Suatu generator arus searah shunt, 4 kutub, mempunyai 55 alur jangkar, tiap alur berisi 8 penghantar. Bila kecepatan putar generator 900 rpm, fluks per kutub 5,6 x 106 maxwell dan garis edar paralel 4, hitung ggl yang dibangkitkan oleh jangkar. Jika arus jangkar 100A, resistans kumparan jangkar 0,05 ohm, rugi tegangan pada semua sikat 2V, hitung besar tegangan terminal generator. Jawab:



369,6 = Vt + 100.0,05 + 2 369,6 = Vt + 7 Vt = 362,6 V



ET-241 Mesin Elektrik I Generator Arus Searah Seri



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Suatu generator arus searah seri, 50 kW, 250V, resistans kumparan jangkar 0,1 ohm, rugi tegangan pada semua sikat tidak ada. Hitung a. Arus jangkar bila bekerja pada beban penuh b. Resistansi medan seri bila tegangan yang dibangkitkan jangkar 300V



Jawab:



300 = 250 + 200.0,1 + 200.Rseri + 0 30 = 200.Rseri Rseri = 0,15 ohm



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Generator Arus Searah Kompon Pada generator kompon lilitan medan penguat yang terdapat pada inti kutub magnit terdapat 2 (dua), yaitu untuk seri dan shunt. Berdasarkan cara meletakkan lilitan tersebut maka dapat dibentuk hubungan. Generator kompon panjang dan generator kompon pendek. Generator Arus Searah Kompon Panjang



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Suatu generator kompon panjang melayani beban 50 ampere pada tegangan terminal 500 volt. Diketahui resistansi jangkar , medan seri dan medan shunt berturut-turut 0,05 ohm, 0,03 ohm dan 250 ohm. Rugi tegangan sikat 1 volt per sikat. Jika output prime mover atau penggerak mula 27,5 kW, hitung: a. Tegangan yang dibangkitkan jangkar; b. Efisiensi generator



ET-241 Mesin Elektrik I Generator Arus Searah Kompon Pendek



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Suatu generator arus searah kompon pendek 20 kW bekerja dengan beban penuh pada tegangan terminal 250V. Resistansi kumparan jangkar, kumparan medan seri dan kumparan medan shunt berturutturut 0,05 ohm; 0,025 ohm dan 100 ohm. Hitung tegangan yang dibangkitkan jangkar.



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



A. GENERATOR DC DENGAN PENGUATAN TERPISAH Karakteristik Terminal Generator DC Penguatan Terpisah



Karakteristik terminal suatu peralatan adalah grafik dari besaran keluaran sebagai fungsi dari besaran keluaran lainnya dari peralatan tersebut. Untuk generator dc, besaran keluaran tersebut adalah tegangan terminal dan arus saluran.



Gambar 2-44 Rangkaian ekivalen generator dc penguatan terpisah



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Jadi karakteristik terminal generator dc penguatan terpisah adalah plot dari Vt terhadap IL untuk laju konstan . Dengan hukum tegangan Kirchhoff, tegangan terminal adalah



Karena tegangan internal yang dibangkitkan tidak bergantung kepada Ia, maka karakteristik terminal generator dc penguatan terpisah berupa garis lurus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-45a. Apa yang terjadi dengan generator bila tiba-tiba bebannya naik? Bila beban yang dicatu generator naik, IL (dan oleh karenanya juga Ia) naik. Dengan kenaikan arus jangkar, jatuh tegangan IaRa naik, sehingga tegangan terminal turun. Karakteristik terminal ini tidak seluruhnya selalu akurat. Pada generator tanpa belitan kompensasi, kenaikan Ia menyebabkan kenaikan reaksi jangkar, dan reaksi jangkar ini akan melemahkan fluks. Pelemahan fluks akan menurunkan Ea = K yang selanjutnya akan menurunkan tegangan terminal generator.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-45 Karakteristik terminal generator dc penguatan terpisah (a) dengan dan (b) tanpa belitan kompensasi.



Karakteristik terminal karena adanya pengaruh reaksi jangkar diperlihatkan pada Gambar 2-45b. Dalam pembahasan selanjutnya, generator akan diasumsikan memiliki belitan kompensasi kecuali dnyatakan lain. Akan tetapi perlu dicatat bahwa reaksi jangkar dapat mengubah karakteristik bila belitan kompensasi tidak ada.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Tegangan Terminal



Tegangan terminal generator dc penguatan terpisah dapat diatur dengan mengubah tegangan internal yang dibangkitkan mesin Ea. Dengan hukum tegangan Kirchhoff Vt = Ea – Ia Ra, sehingga jika Ea naik, Vt akan naik, dan jika Ea turun, Vt akan turun. Karena Ea mengikuti persamaan Ea = K, ada dua cara yang mungkin untuk mengatur tegangan generator: 1. Mengubah laju putaran. Jika  naik, maka Ea = K naik, sehingga Vt = Ea– Ia Ra naik. 2. Mengubah arus medan. Jika (Rm + R) turun, maka arus medan naik (Im = Em/(Rm+R). Oleh karenanya fluks pada mesin juga naik. Dengan kenaikan fluks, Ea = K harus naik juga, sehingga Vt = Ea– Ia Ra naik. Dalam banyak aplikasi, rentang kelajuan penggerak mula cukup terbatas, sehingga tegangan terminal umumnya lebih banyak diatur dengan mengubah arus medan.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-46 (a) Generator dc penguatan terpisah dengan beban resitif. (b) Efek penurunan resistansi medan pada tegangan keluaran generator.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Analisis Nonlinier Generator DC Penguatan Terpisah



Karena tegangan internal yang dibangkitkan generator merupakan fungsi nonlinier dari gaya gerak magnet, maka tidak mungkin untuk menghitung dengan mudah nilai Ea yang diharapkan dari arus medan yang diketahui. Kurva magnetisasi generator harus digunakan untuk menghitung secara akurat tegangan keluaran untuk tegangan input tertentu. Sebagai tambahan, jika mesin memiliki reaksi jangkar, fluks akan berkurang dengan kenaikan beban, yang menyebabkan Ea juga turun. Cara yang betulbetul akurat untuk menentukan tegangan keluaran mesin dengan reaksi jangkar adalah dengan menggunakan analisis grafik. Total gaya gerak magnetik dalam generator dc penguatan terpisah adalah gaya gerak magnet rangkaian medan dikurangi gaya gerak magnet akibat reaksi jangkar (AR):



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Selanjutnya akan didefinisikan arus medan ekivalen yang menghasilkan tegangan keluaran yang sama sebagai kombinasi dari seluruh gaya gerak magnetik yang ada dalam mesin. Kemudian tegangan yang dihasilkan Eao dapat ditentukan dengan menempatkan arus medan ekivalen pada kurva magnetisasi. Arus medan ekivalen untuk generator dc penguatan terpisah diberikan oleh



Perbedaan antara laju kurva magnetisasi dan laju real generator harus diperhitungkan dengan menggunakan persamaan:



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Contoh Soal: Generator dc penguatan terpisah memiliki rating 172 kW, 430 V, 400 A, dan 1800 rpm. Rangkaian ekivalen ditunjukkan pada Gambar 2-47 dan kurva magnetisasi pada Gambar 2-48.Mesin memiliki karakteristik: Ra = 0,05; Rm = 20 ; R = 0 - 300 ; Em = 430V; Nm = 1000 lilit per kutub (a) Jika resistor variabel R pada rangkaian medan generator diatur pada nilai 63  dan penggerak mula diputar pada 1600 rpm, berapa tegangan terminal generator pada kondisi tanpa beban? (b) Berapa tegangan terminal bila beban 360-A dihubungkan pada terminal tersebut? (Asumsikan generator memiliki belitan kompensasi). (c) Berapa tegangan terminal bila beban 360-A dihubungkan pada terminal tersebut tetapi generator tidak memiliki belitan kompensasi? Asumsikan reaksi jangkar pada beban tersebut 450 ampere-lilit. (d) Pada nilai berapa R harus diset agar generator tersebut memiiliki nilai seperti pada jawaban (a). (e) Berapa nilai arus medan yang diperlukan agar tegangan terminalnya sama dengan nilai tegangan ketika tanpa beban. (Asumsikan mesin memiliki belitan kompensasi). Berapa nilai R saat itu?



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-47 Generator dc penguatan terpisah untuk contoh soal di atas.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-48 Kurva magnetisasi untuk contoh soal di atas.



ET-241 Mesin Elektrik I Pembahasan:



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I B. GENERATOR DC SHUNT



Gambar 2-49 Rangkaian ekivalen generator dc shunt.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Generator dc shunt adalah generator yang mencatu arus medannya sendiri dengan memiliki belitan medan yang terhubung secara langsung dengan terminal mesin. Rangkaian ekivalen generator dc shunt ditunjukkan pada Gambar 2-49. Pada rangkaian ini, arus jangkar mesin mencatu baik rangkaian medan maupun beban yang terhubung ke mesin:



Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk rangkaian jangkar mesin ini adalah



Jenis generator ini memiliki kelebihan yang jelas terhadap generator dc penguatan terpisah yakni dalam hal tidak diperlukannya catu daya eksternal untuk rangkaian medan. Tetapi hal ini meninggalkan pertanyaan penting: Jika generator mencatu arus medannya sendiri, bagaimana mesin memperoleh fluks medan awal untuk start ketika pertama kali dinyalakan?



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pembentukan Tegangan dalam Generator Shunt



Asumsikan bahwa generator dalam Gambar 2-49 tidak memiliki beban dan penggerak mula mulai memutar poros generator. Bagaimana tegangan awal muncul pada terminal mesin? Tegangan yang terbentuk dalam generator dc shunt bergantung pada kehadiran fluks residu (sisa) pada kutub generator. Ketika generator pertama kali di-start, tegangan internal akan dibangkitkan dan diberikan oleh Tegangan ini muncul pada terminal generator (mungkin hanya satu atau dua volt). Tetapi ketika tegangan muncul pada terminal, hal ini akan menyebabkan arus mengalir dalam kumparan medan generator (IF = VT/RF). Arus medan ini menghasilkan gaya gerak magnetik pada kutub, yang akan menaikkan fluks. Kenaikan fluks menyebabkan kenaikan EA = K, yang akan menaikkan tegangan terminal VT. Pada saat VT naik, IF akan naik lagi, menaikkan fluks lebih banyak lagi, yang selanjutnya akan menaikkan EA, dan seterusnya.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Perilaku pembentukan tegangan ini ditunjukkan pada Gambar 2-50. Perhatikan bahwa terdapat efek saturasi magnetik pada muka kutub yang akhirnya membatasi tegangan terminal pada generator.



Gambar 2-50 Tegangan yang terbentuk pada saat starting generator dc shunt.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Bagaimana jika saat generator shunt di-start tidak timbul tegangan? Apa yang salah? Ada beberapa kemungkinan yang jadi penyebab gagalnya terbentuk tegangan saat start. Penyebab itu diantaranya adalah 1. Mungkin tidak ada fluks magnetik sisa di generator untuk memulai proses starting. Jika fluks sisa res = 0, maka EA = 0, dan tegangan tidak pernah terbentuk. Jika hal ini terjadi, putuskan medan dari rangkaian jangkar dan hubungkan secara langsung dengan sumber dc eksternal seperti batere. Arus yang mengalir dari sumber dc eksternal akan meninggalkan fluks sisa pada kutub yang memungkinkan staring normal. Prosedur ini dikenal sebagai “flashing the field”. 2. Arah putaran generator mungkin harus dibalik, atau koneksi medan mungkin harus dibalik. Dalam kedua kasus ini, fluks sisa menghasilkan tegangan internal yang dibangkitkan EA. Tegangan EA menghasikkan arus medan yang menghasilkan fluks yang berlawanan dengan fluks sisa, alihalih menambahnya. Pada keadaan ini, fluks turun di bawah res dan tegangan tidak pernah terbentuk.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Jika hal ini terjadi, dapat diperbaiki dengan membalik arah putaran, dengan membalik koneksi medan atau dengan “flashing the field” dengan polaritas magnetik yang berlawanan. 3. Resistansi medan mungkin lebih besar daripada resistansi kritis. Untuk memahami masalah ini, perhatikan Gambar 2-51. Pada kondisi normal, tegangan pada generator shunt akan terbentuk sampai titik dimana kurva magnetisasi beririsan dengan garis resistansi medan. Jika resistansi medan memiliki nilai pada R2 pada gambar, garis ini hampir sejajar dengan kurva magnetisasi. Pada titik ini, tegangan generator dapat berfluktuasi sangat lebar hanya karena perubahan yang kecil dalam RF atau IA. Nilai resistansi ini dikenal sebagai resistansi kritis. Jika RF melebihi resistansi kritis (seperti R3 dalam gambar), maka tegangan operasi tunak (stedy state) pada dasarnya berada pada tingkat residu, dan tidak pernah terbentuk. Solusinya adalah dengan mengurangi RF.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-51 Pengaruh resistansi medan shunt pada tegangan terminal tanpa-beban generator dc. Jika RF > R2 (resistansi kritis), tegangan generator tidak akan pernah terbentuk.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Karakteristik Terminal Generator DC Shunt



Karakteristik terminal generator dc shunt berbeda dengan generator dc penguatan terpisah karena arus medan pada mesin bergantung pada tegangan terminal. Untuk memahami karakteristik terminal generator shunt, mulailah dengan mesin tanpa beban dan kemudian tambahkan beban, amati apa yang terjadi. Dengan kenaikan beban generator, IL naik sehingga IA = IF + IL juga naik. Kenaikan IA akan menaikan jatuh tegangan pada resistansi jangkar IARA, menyebabkan VT = EA - IARA turun. Ini adalah perilaku yang betul-betul sama dengan yang diamati pada generator dc penguatan terpisah. Akan tetapi, ketika VT turun, arus medan pada mesin juga turun. Ini menyebabkan fluks turun, dan selanjutnya menurunkan EA. Penurunan EA menyebabkan penurunan lebih jauh lagi pada tegangan terminal VT = EA - IARA. Karakteristik terminal yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 2-52. Perhatikan bahwa pengurangan tegangan lebih curam daripada jatuh tegangan IARA pada generator dc penguatan terpisah. Dengan kata lain, regulasi tegangannya lebih buruk daripada penguatan terpisah.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-52 Karakteristik terminal generator dc shunt



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Tegangan Generator DC Shunt



Seperti halnya generator penguatan terpisah, ada dua cara untuk mengatur tegangan generator shunt: 1. Mengubah laju putaran m poros generator. 2. Mengubah resistansi medan generator (yang berarti mengubah arus medan). Mengubah resistansi medan merupakan metode utama yang digunakan untuk mengatur tegangan terminal pada generator shunt real. Jika resistansi medan RF diturunkan, maka arus medan IF = VT/RF akan naik. Ketika IF naik, fluks mesin  juga naik, dan menyebabkan tegangan internal yang dibangkitkan EA naik. Kenaikan EA menyebabkan tegangan terminal generator naik.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Analisis Generator DC Shunt



Analisis generator dc shunt sedikit lebih kompleks daripada analisis generator penguatan terpisah, karena arus medan pada mesin bergantung secara langsung pada tegangan keluaran mesin itu sendiri. Analisis pertama generator shunt adalah untuk mesin tanpa reaksi jangkar dan setelah itu efek reaksi jangkar dilibatkan.



Gambar 2-53 menunjukkan kurva magnetisasi untuk generator dc shunt yang dibuat pada kelajuan operasi aktual dari mesin. Resistansi medan RF, yang sama dengan VT/IF, ditunjukan oleh garis lurus . Pada kondisi tanpa beban, VT = EA dan generator beroperasi pada tegangan dimana kurva magnetisasi berimpit dengan garis resistansi medan. Kunci untuk memahami analisis grafik generator shunt adalah dengan mengingat kembali hukum tegangan Kirchhoff:



atau



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Perbedaan antara tegangan internal yang dibangkitkan dengan tegangan terminal sama dengan tegangan jatuh IARA pada mesin. Garis dari semua nilai EA yang mungkin adalah kurva magnetisasi, dan garis dari semua nilai tegangan yang mungkin adalah garis resistor (IF = VT/RF). Oleh karenanya, untuk mencari tegangan terminal pada suatu beban yang diberikan, tinggal tentukan jatuh tegangan IARA dan cari posisinya pada grafik dimana tegangan jatuh ini sama persis dengan jarak antara garis EA dan garis VT. Ada paling banyak dua tempat pada kurva dimana jatuh tegangan IARA akan sesuai secara tepat. Jika ada dua kemungkinan posisi, salah satu yang lebih dekat dengan tegangan tanpa beban akan merepresentasikan titik operasi normal. Plot yang lebih detail yang menunjukkan beberapa titik berbeda pada karakteristik generator shunt ditunjukkan pada Gambar 2-54. Perhatikan garis putus-putus pada Gambar 2-54b. Garis ini adalah karakteristik terminal bila beban dikurangi. Alasan mengapa tidak berimpit dengan garis kenaikan beban adalah adanya histeresis pada kutub stator generator.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-53 Analisis grafik generator dc shunt dengan belitan kompensasi



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-54 Derifasi grafik dari karakteristik terminal generator dc shunt



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



C. GENERATOR DC SERI



Generator dc seri adalah generator yang belitan medannya terhubung secara seri dengan jangkar. Karena jangkar memiliki arus yang lebih tinggi daripada medan shunt, medan seri pada generator ini hanya memiliki sedikit lilitan kawat, dan kawat yang digunakan akan lebih tebal dibandingkan kawat untuk medan shunt. Karena gaya gerak magnetik diberikan oleh persamaan F = NI, maka ggm yang sama dapat dihasilkan dari sedikit lilitan dengan arus tinggi seperti halnya dari banyak lilitan dengan arus rendah. Karena arus beban penuh akan lewat melaluinya, maka medan seri didesain untuk memiliki resistansi serendah mungkin. Rangkaian ekivalen generator dc seri ditunjukkan pada Gambar 2-56. Di sini, arus jangkar, arus medan, dan arus saluran memiliki nilai yang sama. Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk mesin ini adalah



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-56 Rangkaian ekivalen generator dc seri.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Karakteristik Terminal Generator DC Seri



Kurva magnetisasi generator dc seri memiliki bentuk yang sama dengan kurva magnetisasi generator yang lain. Akan tetapi, pada kondisi tanpa beban, tidak ada arus medan, sehingga VT berkurang sampai level rendah yang diberikan oleh fluks sisa pada mesin. Dengan kenaikan beban, arus medan meningkat, sehingga EA naik dengan cepat. Jatuh tegangan IA(RA + RS) juga naik, tetapi pertama-tama kenaikan EA lebih cepat daripada kenaikan IA(RA + RS), sehingga VT naik. Setelah beberapa waktu, mesin mencapai saturasi, dan EA menjadi hampir konstan. Pada titik ini, jatuh tegangan resitif dominan, dan VT mulai jatuh. Jenis karakteristik ini ditunjukkan pada gambar 2-57. Sangat jelas bahwa mesin ini akan merupakan sumber tegamgan konstan yang buruk. Pada kenyataannya, regulasi tegangan memiliki nilai negatif yang besar.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-57 Penurunan karakteristik terminal generator dc seri.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Generator seri hanya digunakan pada sedikit aplikasi khusus, dimana karakteristik tegangan yang curam dari perlatan dapat dimanfaatkan. Satu dari penerapan tersebut adalah las busur. Generator seri digunakan dalam las busur dan dengan sengaja didesain supaya memiliki reaksi jangkar yang besar, yang akan memberikan karakteristik terminal seperti ditunjukkan pada Gambar 2-58. Perhatikan bahwa ketika elektroda las membuat kontak satu sama lain sebelum pengelasan dimulai, arus yang sangat besar mengalir. Ketika operator memisahkan elektrode las, muncul kenaikan yang curam dari tegangan generator, sementara arus dijaga tetap tinggi. Tegangan ini menjamin busur las tetap terjaga di udara antara kedua elektroda.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-58 Karakteristik terminal generator seri dengan efek reaksi jangkar yang besar, cocok untuk las listrik.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



D. GENERATOR DC KOMPON KUMULATIF



Generator dc kompon kumulatif adalah generator dc yang memiliki sekaligus belitan medan seri dan shunt, dihubungkan sedemikian rupa sehingga ggm dari kedua medan saling menjumlahkan. Gambar 2-59 menunjukkan rangkaian ekivalen generator dc kompon kumulatif dengan koneksi “long-shunt”. Tanda titik (dot) yang muncul pada kedua kumparan medan memiliki arti yang sama dengan tanda dot pada transformator: Arus yang mengalir menuju suatu titik (dot) menghasilkan ggm positif. Perhatikan bahwa arus jangkar mengalir menuju ujung bertanda dot dari kumparan medan seri dan arus medan IF mengalir menuju ujung bertanda dot dari kumparan medan shunt. Oleh karenanya, total ggm pada mesin diberikan oleh



Dimana FF adalah ggm medan shunt, FSE ggm medan seri, dan FAR ggm reaksi jangkar. Arus medan shunt efektif ekivalen untuk mesin ini diberikan oleh



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-59 Rangkaian ekivalen generator dc kompon kumulatif dengan koneksi “long-shunt”



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Hubungan tegangan dan arus yang lain untuk generator ini adalah



Ada cara lain untuk menghubungkan generator kompon kumulatif, yaitu koneksi “short-shunt”, dimana rangkaian medan seri berada di luar medan shunt dan medan seri ini dialiri arus IL, bukannya IA. Generator dc kompon kumulatif “short-shunt” ditunjukkan pada Gambar 2-60.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-60 Rangkaian ekivalen generator dc kompon kumulatif dengan koneksi “short-shunt”



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Karakteristik Terminal Generator DC Kompon Kumulatif



Misalkan beban generator dinaikkan. Maka dengan kenaikan beban, arus beban IL naik. Karena IA = IF + IL, arus jangkar IA juga naik. Pada titik ini, dua efek terjadi pada generator: 1. Dengan kenaika IA, jatuh tegangan IA(RA + RS) juga naik. Hal ini cenderung menyebabkan penurunan pada tegangan terminal VT = EA - IA(RA + RS).



2. Dengan kenaika IA, ggm medan seri FSE = NSEIA juga naik. Ini akan menaikkan ggm total Ftot = NFIF + NSEIA yang akan menaikan fluks pada generator. Kenaikan fluks pada generator akan menaikan EA, yang cenderung membuat VT = EA - IA (RA + RS) naik. Kedua efek ini tentunya berlawanan satu dengan lainnya, dimana yang satu cenderung menaikkan VT dan satu lagi cenderung menurunkan VT. Efek mana yang lebih mendominasi? Semuanya ternyata bergantung kepada berapa banyak lilitan seri yang ditempatkan pada kutub mesin. Permasalahan ini dapat dijawab dengan mengambil beberapa kasus individu:



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



1. Sedikit lilitan seri (NSE kecil). Jika hanya ada sedikit lilitan seri, jatuh tegangan resitif lebih dominan. Tegangan turun seperti halnya pada generator shunt, tetapi tidak terlalu curam (Gambar 2-61). Jenis konstruksi ini dimana tegangan terminal beban penuh lebih kecil dibandingkan tegangan terminal tanpa beban dikenal sebagai undercompounded.



2. Lebih banyak lilitan seri (NSE lebih besar). Pertama-tama efek penguatan fluks dominan, dan tegangan terminal naik dengan kenaikan beban. Akan tetapi dengan terus naiknya beban, saturasi magnetik terjadi, dan jatuh tegangan resistif menjadi lebih kuat dari efek kenaikan fluks. Pada mesin seperti ini, tegangan terminal pertama-tama naik dan kemudian turun seiring kenaikan beban. Jika VT pada kondisi tanpa beban sama dengan VT pada kondisi beban penuh, disebut flat-compounded. 3. Lebih banyak lagi lilitan seri yang ditambahkan (NSE besar). Jika lebih banyak lagi lilitan seri ditambahkan, efek penguatan fluks dominan. Hasilnya adalah tegangan terminal beban penuh yang lebih besar dari tegangan terminal tanpa beban. Kondisi ini disebut overcompounded.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-61 Karakteristik terminal generator dc kompon kumulatif



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Adalah memungkinkan untuk merealisasikan karakteristik tegangan ini dalam satu generator tuggal bila digunakan resistor pembagi (diverter). Gambar 2-62 menunjukkan generator dc kompon kumulatif dengan lilitan seri NSE yang relatif besar. Resistor diverter dihubungkan di sekitar medan seri. Jika resistor Rdiv diatur pada nilai yang besar, sebagian besar arus janghkar mengalir melalui medan seri, dan generator mengalami overcompounded. Sebaliknya jika Rdiv diatur pada nilai yang kecil, sebagian besar arus mengalir melalui Rdiv, dan generator menjadi undercompounded. Resistor dapat diatur secara halus untuk memperoleh kondisi yang diinginkan.



Gambar 2-62 Generator dc kompon kumulatif resistor diverter seri.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Tegangan Generator DC Kompon Kumulatif



1. Mengubah laju putaran. Kenaikan  menyebabkan EA = K naik, dan ini akan menaikan tegangan terminal VT = EA - IA (RA + RS).



2. Mengubah arus medan. Penurunan RF menyebabkan IF = VT/RF naik yang selanjutnya akan menaikkan total ggm pada generator. Dengan kenaikan Ftot, fluks pada mesin  naik, dan EA = K naik. Akhirnya EA akan menaikkan VT. Analisis Generator DC Kompon Kumulatif



Arus medan shunt ekivalen Ieq akibat efek medan seri dan reaksi jangkar diberikan oleh



Oleh karenanya, total arus medan shunt efektif dalam mesin adalah



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Arus ekivalen Ieq merepresentasikan jarak horizontal ke kiri atau ke kanan dari resistansi medan (IF = VT/RF) sepanjang sumbu kurva magnetisasi.



Gambar 2-63 Analisis grafik generator dc kompon kumulatif



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



E. GENERATOR DC KOMPON DIFERENSIAL



Generator dc kompon DIFERENSIAL adalah generator dc yang memiliki sekaligus belitan medan seri dan shunt, dihubungkan sedemikian rupa sehingga ggm dari kedua medan saling mengurangi. Rangkaian ekivalen generator dc kompon diferensial ditunjukkan pada Gambar 2-65. Perhatikan bahwa arus jangkar sekarang mengalir keluar dari ujung kumparan dengan tanda dot, sedangkan arus medan shunt mengalir menuju ke ujung kumparan bertanda dot. Pada mesin ini, gaya gerak magnetik total adalah



dan arus medan shunt ekivalen akibat medan seri dan reaksi jangkar diberikan oleh



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Total arus medan shunt efektif dalam mesin adalah



atau



Gambar 2-65 Rangkaian ekivalen generator dc kompon diferensial dengan koneksi “long-shunt”



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Karakteristik Terminal Generator DC Kompon Diferensial



Pada generator dc kompon diferensial, dua efek yang sama terjadi seperti halnya pada generator dc kompon kumulatif. Akan tetapi, pada generator dc kompon diferensial ini, kedua efek bekerja dalam arah yang sama, yakni 1. Dengan kenaika IA, jatuh tegangan IA(RA + RS) juga naik. Hal ini cenderung menyebabkan penurunan pada tegangan terminal VT = EA - IA(RA + RS).



2. Dengan kenaika IA, ggm medan seri FSE = NSEIA juga naik. Ini akan menurunkan ggm total Ftot = NFIF - NSEIA yang akan menurunkan fluks total pada generator. Penurunan fluks pada generator akan menurunkan EA, yang cenderung membuat VT = EA - IA (RA + RS) turun. Karena kedua efek ini cenderung menurunkan VT, tegangan jatuh secara drastis dengan kenaikan beban pada generator. Karakteristik terminal untuk generator dc kompon diferensial ditunjukkan pada Gambar 2-66.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-66 Karakteristik terminal generator dc kompon diferensial.



Pengaturan Tegangan Generator DC Kompon Diferensial



Sekalipun karakteristik tegangan jatuh generator dc kompon diferensial cukup jelek, tetap memungkinkan untuk mengatur tegangan terminal pada berbagai setting beban. Ada pun tekniknya adalah dengan cara 1. Mengubah laju putaran, m. 2. Mengubah arus medan, IF.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Analisis Grafik Generator DC Kompon Diferensial



Karakteristik tegangan generator dc kompon diferensial ditentukan secara grafik dengan cara yang sama seperti pada generator dc kompon kumulatif.



Gambar 2-67 Analisis grafik generator dc kompon diferensial.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-68 Penurunan grafik karakteristik terminal generator dc kompon diferensial.



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



MOTOR ARUS SEARAH A. PENDAHULUAN MOTOR DC



Sistem tenaga listrik awal di Amerika Serikat adalah sistem dc, tetapi pada tahun 1890-an sistem tenaga listrik ac berhasil mengalahkan sistem dc. Meskipun demikian, motor dc tetap merupakan bagian bagian yang signifikan dari mesin-mesin listrik yang dibeli tiap tahun sampai 1960-an (penggunaan motor dc terus menurun pada 50 tahun terakhir ini). Mengapa motor dc tetap digunakan, sementara sistem tenaga listrik dc sendiri cukup jarang? Ada beberapa alasan untuk tetap melanjutkan penggunaan motor dc. Pertama adalah bahwa sistem tenaga dc tetap ada pada mobil, truk, dan pesawat terbang. Ketika kendaraan tersebut memiliki sistem tenaga dc, adalah masuk akal untuk mempertimbangkan penggunaan motor dc. Penerapan motor dc yang lain adalah dalam situasi dimana variasi laju putaran yang lebar dibutuhkan. Sebelum meluasnya penggunaan rectifier-inverters elektronika daya, motor dc tidak terkalahkan dalam penerapan pengaturan laju putaran.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Sekalipun tidak ada sumber daya dc, penyearah solid-state dan rangkaian chopper digunakan untuk menghasilkan tenaga dc yang diperlukan, dan motor dc digunakan untuk menyediakan laju putaran yang diinginkan. (Sekarang ini, paket motor induksi dengan penggerak solid-state merupakan pilihan yang lebih diminati dibandingkan motor dc untuk kebanyakan aplikasi pengaturan laju putaran. Akan tetapi, ada beberapa aplikasi yang tetap lebih memanfaatkan penggunaan motor dc). Motor dc sering dibandingkan berdasarkan regulasi kelajuannya. Regulasi kelajuan (speed regulation, SR) motor didefinisikan oleh



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-1 Motor DC awal. (a) Motor dc paling awal yang dibangun oleh Elihu Thompson tahun 1886. Ratingnya sekitar ½ hp. (b) Motor dc empat-kutub yang lebih besar dari tahun pergantian abad. Perhatikan handle untuk menggeser sikat ke bidang netral.



ET-241 Mesin Elektrik I Ada lima jenis motor dc utama yang biasanya digunakan: 1. 2. 3. 4. 5.



Motor dc penguatan terpisah Motor dc shunt Motor dc magnet permanen Motor dc seri Motor dc kompon



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



B. RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR DC



Gambar 2-2 (a) Rangkaian ekivalen motor dc. (b) Rangkaian ekivalen yang disederhanakan dengan mengeliminasi jatuh tegangan pada sikat dan mengkombinasikan Radj dengan resistansi medan.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Tegangan internal yang dibangkitkan pada mesin diberikan oleh persamaan



dan torsi induksi yang dikembangkan oleh mesin diberikan oleh



C. KURVA MAGNETISASI MESIN DC



Tegangan internal yang dibangkitkan EA pada motor atau generator diberikan oleh persamaan



Oleh karenanya, EA berbanding lurus dengan fluk pada mesin dan laju putaran mesin. Bagaimana tegangan internal dibangkitkan dalam hubungannya dengan arus medan pada mesin? Perhatikan kurva magnetisasi pada Gambar 2-3 dan 2-4.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-3 Kurva magnetisasi bahan/material ferromagnetik ( terhadap F).



LOGO



Gambar 2-4 Kurva magnetisasi mesin dc dinyatakan sebagai plot antara EA terhadap IF, untuk kelajuan tertentu yang tetap, o.



ET-241 Mesin Elektrik I D. MOTOR DC PENGUATAN TERPISAH DAN MOTOR DC SHUNT



Gambar 2-5 (a) Rangkaian ekivalen motor dc penguatan terpisah



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Persamaan hukum tegangan Kirchhoff (KVL) untuk rangkaian jangkar motor ini adalah



Gambar 2-5 (b) Rangkaian ekivalen motor dc shunt



ET-241 Mesin Elektrik I Karakteristik Terminal Motor DCShunt



Persamaan hukum tegangan Kirchhoff (KVL) untuk motor dc shunt Tegangan induksi EA = K, sehingga



Karena torsi induksi ind = KIA, maka IA dapat dinyatakan sebagai



Kombinasi persamaan (2-4) dan (2-5) menghasilkan



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Akhirnya, diperoleh kelajuan motor



Persamaan ini merupakan persamaan garis lurus dengan kemiringan negatif. Karakteristik torsi-kelajuan motor dc shunt ditunjukkan pada Gambar 2-6a. Agar kelajuan motor berubah secara linier terhadap torsi, maka besaran lain pada persamaan (2-7) harus konstan dengan adanya kenaikan beban. Tegangan terminal yang dicatu oleh sumber daya dc diasumsikan konstan – bila tidak konstan akan mempengaruhi bentuk kurba torsi – kelajuan. Hal lain yang harus diperhatikan adalah reaksi jangkar. Jika motor memiliki reaksi jangkar, maka dengan kenaikan beban akan terjadi pengurangan fluks yang pengaruhnya adalah menaikkan kelajuan motor pada berbagai beban di atas kelajuan motor pada saat tidak ada reaksi jangkar. Pengaruh reaksi jangkar dapat dihilangkan dengan menambahkan belitan kompensasi.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-6 (a) Karakteristik torsi-kelajuan motor dc shunt atau penguatan terpisah dengan belitan kompensasi untuk mengeliminasi reaksi jangkar. (b) Karakteristik torsi-kelajuan motor dengan kehadiran reaksi jangkar.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Analisis Nonlinier Motor DCShunt



Fluks  dan tegangan internal yang dibangkitkan EA dari mesin dc merupakan fungsi non-linier dari gaya gerak magnetik. Oleh karenanya, apapun yang mengubah ggm dalam mesin akan memiliki efek nonlinier terhadap tegangan internal yang dibangkitkan mesin. Karena perubahan EA tidak dapat dihitung secara analitik, kurva magnetisasi mesin harus digunakan untuk menentukan EA secara akurat untuk ggm yang diberikan. Dua kontributor utama terhadap ggm pada mesin adalah arus medan dan reaksi jangkar (bila ada). Ggm total pada motor dc shunt,



Arus medan ekuivalen pada motor dc shunt,



ET-241 Mesin Elektrik I Karena persamaan tegangan induksi mesin dc dapat dinyatakan sebagai



maka dimana EA0 dan n0 merepresentasikan nilai acuan tegangan dan kelajuan.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Kelajuan Motor DCShunt



Dua cara yang umum digunakan untuk mengatur laju putaran mesin dc shunt adalah 1. Mengatur resistansi medan RF (yang berarti mengatur fluks medan)



2. Mengatur tegangan terminal yang diterapkan ke jangkar. Metode pengaturan kelajuan yang jarang digunakan adalah dengan 3. Menyisipkan resistor secara seri dengan rangkaian jangkar. MENGUBAH RESISTANSI MEDAN



1. 2. 3. 4.



Menaikkan RF menyebabkan IF (=VT/RF) turun. Penurunan IF akan menurunkan . Penurunan  menurunkan EA (=K). Penurunan EA menaikan IA (= VT - EA)/RA.



ET-241 Mesin Elektrik I 5.



6. 7. 8. 9.



LOGO



Kenaikkan IA menaikkan ind (= KIA), dengan perubahan IA dominan terhadap perubahan dalam fluks). Kenaikkan ind menyebabkan ind > beban, dan kelajuan  meningkat. Kenaikan  akan menaikkan lagi EA = K. Kenaikan EA menurunkan IA. Penurunan IA menurunkan ind sampai ind = beban pada kelajuan  yang lebih tinggi.



Pengaruh kenaikan resistansi medan pada karakteristik keluaran motor shunt ditunjukkan pada Gambar 2-12a. Perhatikan bahwa dengan penurunan fluks pada mesin, kelajuan tanpa beban motor meningkat, dan kemiringan kurva tosi-kelajuan menjadi lebih curam. Tentunya, penurunan RF akan memberikan pengaruh yang berkebalikan dengan proses ini, dan kelajuan motor akan turun. Gambar 2-12b menunjukkan karakteristik terminal motor pada rentang penuh. Dari gambar terlihat bahwa pada kelajuan yang sangat rendah, kenaikan resistansi medan akan menurunkan kelajuan motor.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-12 Pengaruh pengaturan kelajuan resistansi medan pada karakteristik kelajuan-torsi motor dc shunt: (a) pada rentang operasi kerja normal; (b) pada seluruh rentang mulai dari tanpa beban sampai kondisi stall.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



MENGUBAH TEGANGAN JANGKAR Bentuk pengaturan kelajuan yang kedua adalah mengubah tegangan yang diterapkan ke jangkar tanpa mengubah tegangan yang diterapkan ke medan. Koneksi yang sama dengan Gambar 2-13 adalah penting untuk jenis pengaturan ini. Sebenarnya, motor harus berupa motor penguatan terpisah untuk menggunakan pengaturan tegangan jangkar.



Penerapan metode pengaturan kelajuan dengan mengubah tegangan yang diterapkan ke jangkar dapat diringkas sebagai berikut: 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Menaikkan VA akan menaikkan IA [=(VA - EA)/RA]. Kenaikan IA akan menaikkan ind (= KIA). Kenaikkan ind menyebabkan ind > beban, dan kelajuan  meningkat. Kenaikan  akan menaikkan EA (= K). Kenaikan EA menurunkan IA [=(VA – EA)/RA]. Penurunan IA menurunkan ind sampai ind = beban pada kelajuan  yang lebih tinggi.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-13 Pengaturan tegangan jangkar dari motor dc shunt (atau penguatan terpisah)



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-14 Efek pengaturan kelajuan melalui tegangan jangkar pada karakteristik torsi-kelajuan motor dc shunt.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



MENYISIPKAN RESISTOR SERI DENGAN RANGKAIAN JANGKAR. Jika suatu resistor disisipkan secara seri dengan rangkaian jangkar, efeknya adalah secara drastis menaikkan kemiringan karakteristik torsi-kelajuan motor, dan membuat motor beroperasi lebih lambat bila dibebani (Gambar 215). Kenyataan ini dapat dengan mudah dilihat dari persamaan (2-7). Penyisipan resistor merupakan metode pengaturan kelajuan yang sangat boros, karena rugi-rugi pada resistor sisipan ini sangat besar . Oleh karenanya metode ini jarang digunakan. Metode ini hanya ditemui dalam aplikasi dimana motor dioperasikan pada putaran penuh sepanjang waktu dan dalam aplikasi dimana ingin diperoleh pengaturan kelajuan yang lebih baik.



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-15 Efek pengaturan kelajuan resistansi jangkar pada karakteristik torsi-kelajuan motor dc shunt.



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Dalam pengaturan resistansi medan, semakin rendah arus medan dalam motor dc shunt (atau penguatan terpisah), semakin cepat motor berputar; dan semakin tingi arus medan, semakin lambat putaran. Karena kenaikan arus medan menyebabkan penurunan kelajuan, maka selalu ada kelajuan minimum yang dapat dicapai dengan pengaturan rangkaian medan. Kelajuan minimum terjadi ketika rangkaian medan motor mencapai nilai arus maksimum yang diperbolehkan. Jika motor dioperasikan pada tegangan terminal , daya, dan arus medan rating, maka motor akan berputar pada kelajuan rating, dan dikenal sebagai kelajuan dasar (base speed). Pengaturan resistansi medan dapat mengatur kelajuan motor untuk kelajuan di atas kelajuan dasar tetapi tidak untuk kelajuan di bawah kelajuan dasar. Untuk mencapai kelajuan di bawah kelajuan dasar dengan metode ini akan memerlukan arus medan yang berlebih, dan ada kemungkinan dapat membakar belitan medan.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Dalam pengaturan tegangan jangkar, semakin rendah tegangan jangkar dalam motor dc penguatan terpisah, semakin lambat motor berputar; dan semakin tinggi tegangan jangkar, semakin cepat putaran. Karena kenaikan tegangan jangkar menyebabkan kenaikan kelajuan, maka selalu ada kelajuan maksimum yang dapat dicapai dengan pengaturan tegangan jangkar. Kelajuan maksimum terjadi ketika tegangan jangkar motor mencapai level maksimum yang diperbolehkan. Jika motor dioperasikan pada tegangan terminal , daya, dan arus medan rating, maka motor akan berputar pada kelajuan rating. Pengaturan tegangan jangkar dapat mengatur kelajuan motor untuk kelajuan di bawah kelajuan dasar tetapi tidak untuk kelajuan di atas kelajuan dasar. Untuk mencapai kelajuan di atas kelajuan dasar dengan metode ini akan memerlukan tegangan jangkar yang berlebih, dan ada kemungkinan dapat merusak rangkaian jangkar.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Kedua teknik pengaturan kelajuan ini jelas sekali saling komplementer. Pengaturan tegangan jangkar bekerja dengan baik untuk kelajuan di bawah kelajuan dasar, dan pengaturan resistansi medan atau arus medan bekerja dengan baik untuk kelajuan di atas kelajuan dasar. Dengan kombinasi kedua teknik pengaturan kelajuan ini pada motor yang sama, adalah memungkinkan untuk mendapatkan rentang variasi kelajuan yang lebih besar. Motor dc shunt dan penguatan terpisah akan memiliki karakteristik pengaturan kelajuan yang baik.



Untuk pengaturan tegangan jangkar:  Fluks pada motor konstan;  Torsi maksimum konstan tidak bergantung pada laju putaran  Daya keluaran motor berbanding lurus dengan laju operasi motor.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Untuk pengaturan resistansi medan: 



Daya keluaran maksimum motor dc pada kondisi pengaturan arus medan adalah konstan, sedangkan torsi maksimum berbanding terbalik dengan kelajuan motor.



Gambar 2-16 Batas daya dan torsi sebagai fungsi kelajuan untuk motor shunt pada kondisi pengaturan tegangan jangkar dan resistansi medan.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



www.themegallery.com



www.themegallery.com



ET-241 Mesin Elektrik I Semester Genap 2012/2013



Dosen: Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE Wasimudin Surya S, ST, MT



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



E. MOTOR DC MAGNET PERMANEN



Motor dc magnet permanen (PMDC-motor) adalah motor dc dimana kutubnya terbuat dari magnet permanen. Motor dc magnet-permanen menyediakan sejumlah keuntungan dibandingkan motor dc dalam beberapa aplikasi. Karena motor tidak membutuhkan rangkaian medan eksternal, motor ini tidak memiliki rugi-rugi tembaga rangkaian medan seperti halnya pada motor dc shunt. Karena tidak membutuhkan belitan medan, ukurannya dapat lebih kecil. Motor dc magnet permanen biasanya memiliki kapasitas yang lebih kecil, hanya sepersekian hp. Akan tetapi, motor PMDC juga memiliki beberapa kerugian. Magnet permanen tidak dapat menghasilkan kerapatan fluks yang tinggi sehingga akan memiliki torsi induksi per arus jangkar yang lebih rendah dibandingkan motor shunt untuk ukuran dan konstruksi yang sama. Sebagai tambahan, motor PMDC memiliki risiko demagnetisasi. Demagnetisasi dapat terjadi karena adanya reaksi jangkar atau pemanasan berlebih.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-19 (a) Kurva magnetisasi tipikal bahan feromagnetik. Perhatikan loop histeresis. Setelah intensitas magnetisasi yang besar H diterapkan pada inti dan kemudian dihilangkan kerapatan fluks sisa Bres tetap ada dalam inti. Fluks ini dapat dinolkan bila intensitas magnetisasi koersif HC diterapkan pada inti dengan polaritas berlawanan. Hal ini dapat menyebabkan demagnetisasi pada inti.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-19 (b) Kurva magnetisasi bahan feromagnetik yang sesuai untuk digunakan untuk magnet permanen. Perhatikan kerapatan fluks sisa Bres dan intensitas magnetisasi koersih HC yang relatif besar. (c) Kuadran dua kurva magnetisasi dari beberapa bahan magnetik tipikal.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



F. MOTOR DC SERI



Motor dc seri adalah motor dc yang belitan medannya terdiri dari lilitan yang relatif sedikit dihubungkan secara seri dengan rangkaian jangkar. Rangkaian ekivalen motor dc seri ditunjukkan dalam Gambar 2-20.



Gambar 2-20 Rangkaian ekivalen motor dc seri.



ET-241 Mesin Elektrik I Hukum tegangan Kirchoff untuk motor dc seri,



Torsi Induksi pada Motor DC Seri Torsi induksi pada mesin diberikan oleh persamaan



Karakteristik Terminal Motor DC Seri



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



Gambar 2-21 Karakteristik torsi kelajuan motor dc seri



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Kelajuan Motor DC Seri



Tidak seperti motor dc shunt, hanya ada satu cara yang efisien untuk mengubah kelajuan motor dc seri, yaitu dengan cara mengubah tegangan terminal motor. Jika tegangan terminal dinaikkan, bagian pertama dari persamaan (2-23) naik dan akan menghasilkan kelajuan yang lebih tinggi untuk berbagai torsi. Kelajuan motor dc seri dapat juga diatur dengan menyisipkan resistor secara seri dengan rangkain motor, tetapi teknik ini sangat boros terhadap daya dan hanya digunakan untuk periode yang berselang-seling selama pengasutan beberapa motor. Sampai 50 tahun terakhir, tidak ada cara yang sesuai untuk mengubah VT, sehingga metode yang digunakan untuk mengatur kelajuan motor dc hanyalah motede resitansi seri yang boros. Akan tetapi sekarang ini semuanya sudah berubah sejak diperkenalkannya rangkaian kontrol solidstate.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



G. MOTOR DC KOMPON



Motor dc kompon adalah motor dc yang sekaligus memiliki belitan medan shunt dan seri. Motor seperti ini ditunjukkan dalam Gambar 2-24. Tanda dot yang muncul pada kedua kumparan medan memiliki arti yang sama dengan tanda dot pada transformator. Arus yang mengalir menuju tanda dot menghasilkan gaya gerak magnetik positif. Jika arus mengalir menuju tanda titik pada kedua kumparan medan, ggm yang dihasilkan saling menjumlahkan dan menghasilkan ggm total yang lebih besar. Situasi seperti ini dikenal sebagai kompon kumulatif. Jika arus mengalir menuju tanda titik pada satu kumparan medan dan keluar dari tanda titik pada kumparan medan yang lain, maka ggm total yang dihasilkan akan saling mengurangi. Motor seperti ini disebut motor kompon diferensial. Dalam Gambar 2-24, tanda dot bulat menunjukkan motor kompon kumulatif, dan tanda dot persegi menunjukkan motor kompon diferensial.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Gambar 2-24 Rangkaian ekuivalen motor dc kompon: (a) koneksi long-shunt (kompon panjang); (b) koneksi short-shunt (kompon pendek)



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk motor dc kompon adalah Arus pada motor dc kompon dihubungkan oleh



Gaya gerak magnetik total dan arus medan shunt efektif pada motor dc kompon dihubungkan oleh



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



dimana tanda positif pada persamaan tersebut berhubungan dengan motor kompon kumulatif dan tanda negatif berhubungan dengan motor kompon diferensial.



Karakteristik Torsi-Kelajuan Motor DC Kompon Kumulatif



Gambar 2-25 (a) Karakteristik torsi-kelajuan motor dc kompon kumulatif dibandingkan dengan motor dc seri dan shunt pada rating beban penuh yang sama. (b) Karakteristik moto dc kompon kumulatif dan motor dc shunt pada kelajuan tanpa beban yang sama.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Karakteristik Torsi-Kelajuan Motor DC Kompon Diferensial



Gambar 2-26 Karakteristik torsi-kelajuan motor dc kompon diferensial



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



Pengaturan Kelajuan Motor DC Kompon Kumulatif



Teknik untuk mengontrol kelajuan motor dc kompon kumulatif sama dengan teknik pada motor dc shunt: 1. 2. 3.



Mengubah resistansi medan RF. Mengubah tegangan jangkar VA. Mengubah resistansi jangkar RA.



Analisis Non-linier Motor DC Kompon Kumulatif Untuk memahami karakteristik torsi-kelajuan motor dc kompon kumulatif, perhatikan contoh soal berikut ini.



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



ET-241 Mesin Elektrik I



LOGO



www.themegallery.com



www.themegallery.com