BAB 2. MESIN DC Meskipun persentase yang jauh lebih besar dari

BAB 2. MESIN DC
Meskipun persentase yang jauh lebih besar dari mesin listrik dalam pelayanan adalah
mesin AC, namun mesin DC sangat penting bagi industri. Keuntungan utama dari mesin DC,
khususnya DC Motor, adalah bahwa ia menyediakan kontrol yang baik dari kecepatan.
Keuntungan tersebut tidak diklaim oleh motor AC apapun. Namun, generator DC tidak biasa
seperti dulu lagi, karena arus searah, bila diperlukan, terutama diperoleh dari suplai AC dengan
menggunakan rectifier. Namun demikian, pemahaman tentang generator DC ini penting karena
hal tersebut merupakan pengenalan logis untuk perilaku motor DC. Memang banyak motor DC
dalam industri benar-benar beroperasi sebagai generator DC untuk jangka waktu singkat. Dalam
bab ini, kita akan membahas berbagai aspek mesin DC.
Dipandang dari sisi suplai arus, secara umum mesin DC dapat dibedakan menjadi:
- Generator DC → mensuplai daya ke luar
- Motor DC → disuplai daya dari luar
Dilihat dari konstriksinya, secara umum mesin DC dapat dibagi menjadi:
- Mesin DC Shunt
- Mesin DC Seri
- Mesin DC Kompon (kompon panjang/ pendek, kompon kumulatif/ diferensial)
Model konstruksi berbagai mesin DC dapat dilihat pada gambar 2.0 di bawah.
(i)
(v)
(ii)
(iii)
(vi)
(iv)
(vii)
(viii)
Gambar 2.0 Berbagai konfigurasi Mesin DC
(i) Mesin DC Shunt
(ii) Mesin DC Seri
(iii) Mesin DC Kompon Pendek (Kompon Kumulatif)
(iv) Mesin DC Kompon Panjang (Kompon Kumulatif)
(v), (vi) Mesin DC Kompon Pendek Diferensial
(vii), (viii) Mesin DC Kompon Panjang Diferensial
2.1 Prinsip Generator
Generator listrik adalah mesin yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Generator listrik didasarkan pada prinsip bahwa setiap kali fluks dipotong oleh konduktor, ggl
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 1
diinduksi yang akan menyebabkan arus mengalir jika rangkaian konduktor tertutup. Arah induksi
e.m.f. (sehingga arus) diberikan oleh aturan tangan kanan Fleming. Oleh karena itu, komponen
penting dari generator adalah:
(a) medan magnet
(b) konduktor atau sekelompok konduktor
(c) gerakan konduktor w.r.t. medan magnet.
2.2 Generator Loop Sederhana
Pertimbangkan lingkaran (loop) tunggal (single turn) ABCD berputar searah jarum jam
dalam medan magnet seragam dengan kecepatan konstan seperti yang ditunjukkan pada Gambar.
(2.1). Saat lingkaran berputar, fluks menghubungkan sisi kumparan AB dan CD secara kontinyu.
Oleh karena itu e.m.f. yang diinduksi dalam kumparan sisi ini juga berubah, tapi emf yang
diinduksi dalam satu sisi kumparan menambah induksi yang lain.
(i) Ketika loop berada dalam posisi no. 1 [Lihat Gambar. 2.1], yang e.m.f. dihasilkan adalah
nol karena sisi coil (AB dan CD) yang memotong tidak ada fluks tetapi bergerak sejajar
dengan itu
(ii) Ketika loop berada dalam posisi no. 2, sisi koil bergerak pada sudut fluks dan, oleh karena
itu, emf rendah dihasilkan seperti yang ditunjukkan oleh angka 2 pada Gambar. (2.2).
(iii) Ketika loop berada dalam posisi no. 3, sisi coil (AB dan CD) berada di sudut kanan ke fluks
dan, oleh karena itu, memotong fluks pada tingkat maksimum. Dengan demikian pada saat
itu, yang dihasilkan e.m.f. maksimum seperti yang ditunjukkan oleh angka 3 pada Gambar.
(2.2).
(iv) Pada posisi 4, yang e.m.f. dihasilkan kurang karena sisi kumparan yang memotong fluks
membentuk suatu sudut.
(v) Pada posisi 5, tidak ada garis magnet dipotong sehingga induksi emf adalah nol seperti yang
ditunjukkan oleh titik 5 pada Gambar. (2.2).
(vi) Pada posisi 6, sisi kumparan bergerak di bawah kutub polaritas yang berlawanan sehingga
arah dihasilkan emf terbalik. Dengan e.m.f. maksimum arah ini (yaitu, arah kebalikannya,
Lihat Gambar. 2.2) ketika lingkaran akan berada pada posisi 7 dan nol ketika pada posisi 1.
Siklus ini berulang dengan masing-masing revolusi kumparan.
Gambar 2.1
Gambar 2.2
Perhatikan bahwa e.m.f. yang dihasilkan dalam sebuah loop bolak-balik. Hal ini karena
setiap sisi koil, dikatakan AB memiliki e.m.f. dalam satu arah saat di bawah pengaruh kutub-N
dan ke arah lain ketika berada di bawah pengaruh kutub-S. Jika beban dihubungkan pada ujungDasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 2
ujung loop, maka arus bolak-balik akan mengalir melalui beban. Tegangan bolak-balik yang
dihasilkan dalam lingkaran dapat dikonversi menjadi tegangan langsung oleh alat yang disebut
komutator. Dengan piranti komutator itu, kemudian terjadilah generator DC. Sebenarnya,
komutator adalah penyearah mekanik.
2.3 Perilaku Komutator
Jika, entah bagaimana, koneksi dari sisi koil ke beban eksternal dibalik pada saat yang
sama arus dalam membalikkan sisi kumparan, arus melalui beban akan arus searah. Inilah yang
pembalik tidak. Gambar. (2.3) menunjukkan komutator memiliki dua segmen C1 dan C2. Ini
terdiri dari cincin logam silinder dipotong menjadi dua bagian atau segmen C1 dan C2 masingmasing dipisahkan oleh lembaran tipis mika. Komutator dipasang pada tetapi terisolasi dari
poros rotor. Ujung-ujung sisi kumparan AB dan CD yang terhubung ke segmen C1 dan C2
masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar. (2.4). Dua sikat karbon stasioner
beristirahat di komutator dan memimpin arus ke beban eksternal. Dengan pengaturan ini,
komutator setiap saat menghubungkan sisi kumparan di bawah S-tiang ke ve kuas dan bahwa di
bawah N-kutub ke sikat ve.
(i) Pada Gambar. (2.4), sisi kumparan AB dan CD berada di bawah masing-masing tiang-N dan
tiang-S. Perhatikan bahwa segmen C1 menghubungkan sisi kumparan AB ke titik P dari
resistan beban R dan segmen C2 menghubungkan sisi kumparan CD ke titik beban Q. Juga
perhatikan arah arus melalui beban, yaitu dari Q ke P.
(ii) Setelah setengah revolusi loop (yaitu, rotasi 180 °), sisi kumparan AB berada di bawah
kutub-S dan sisi kumparan CD bawah kutub-N seperti yang ditunjukkan pada Gambar.
(2.5). Arus di sisi kumparan sekarang mengalir dalam arah sebaliknya tetapi segmen C1 dan
C2 juga bergerak 180°, yaitu segmen C1 sekarang kontak dengan sikat +ve dan segmen C2
kontak dengan sikat -ve. Perhatikan komutator yang telah terbalik koneksi kumparan ke
beban, yaitu sisi kumparan AB sekarang terhubung ke titik Q dari beban dan kumparan sisi
CD ke titik P beban. Juga perhatikan arah arus melalui beban, yaitu berulang lagi dari Q ke
P.
Gambar 2.3
Gambar 2.4
Gambar 2.5
Dengan demikian tegangan bolak-balik dihasilkan dalam lingkaran akan muncul sebagai
tegangan searah pada sikat. Dapat dicatat bahwa e.m.f. yang dihasilkan dalam belitan jangkar
dari generator DC adalah bolak-balik. Dengan menggunakan komutator, emf bolak-balik yang
dihasilkan dapat dikonversi menjadi tegangan searah. Tujuan dari sikat hanya untuk memandu
arus dari putaran loop atau belitan ke beban stasioner eksternal.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 3
Variasi tegangan melalui sikat dengan simpangan angular loop dapat ditunjukkan seperti
pada Gambar. (2.6). Ini bukan tegangan searah yang stasioner tapi karakter denyut. Hal tersebut
karena tegangan yang muncul di seluruh sikat bervariasi dari nol sampai nilai maksimum dan
kembali ke nol dua kali untuk setiap revolusi loop. Sebuah denyut tegangan searah seperti yang
dihasilkan oleh single loop tidak cocok untuk kebanyakan panggunaan komersial. Apa yang
dibutuhkan adalah tegangan searah stabil (berbentuk datar). Hal tersebut dapat dicapai dengan
menggunakan sejumlah besar kumparan yang dihubungkan secara seri. Pengaturan yang
dihasilkan dikenal sebagai belitan jangkar.
2.4 Konstruksi Generator DC
Generator DC dan motor DC memiliki konstruksi umum yang sama. Bahkan, ketika
mesin sedang dirakit, para pekerja biasanya tidak tahu apakah itu generator atau motor DC.
Setiap generator DC dapat dijalankan sebagai motor DC dan sebaliknya. Semua mesin DC
memiliki lima komponen utama yaitu, (i) sistem medan (ii) inti jangkar (iii) belitan jangkar (iv)
komutator (v) sikat [Lihat Gambar. 2.7].
Gambar 2.7
Gambar 2.8
(i) Sistem Medan
Fungsi dari sistem medan adalah untuk menghasilkan medan magnet yang seragam di
jangkar selama berputar. Terdiri dari sejumlah kutub menonjol atau salient pole (tentu saja
jumlahnya genap) dan disekrup ke bagian dalam bingkai melingkar (umumnya disebut yoke).
Yoke biasanya terbuat dari baja tuang padat sedangkan sepatu kutub (pole pieces) terdiri dari
tumpukan plat baja dilaminasi. Kumparan medan dipasang pada kutub dan membawa arus
eksitasi DC. Kumparan medan dihubungkan sedemikian rupa sehingga kutub yang berdekatan
memiliki polaritas yang berlawanan.
M.m.f. yang dikembangkan oleh kumparan medan menghasilkan fluks magnetik yang
melewati sepatu kutub (pole piece), celah udara (air gap), jangkar (armature) dan frame (yoke)
(Lihat Gambar. 2.8). Dalam prakteknya mesin DC memiliki celah udara berkisar antara 0,5 mm
sampai 1,5 mm. Jangkar dan sistem medan yang terdiri dari bahan-bahan memiliki permeabilitas
yang tinggi, sebagian besar mmf diperlukan oleh kumparan medan untuk mengatur fluks dalam
celah udara. Dengan mengurangi panjang celah udara, kita dapat mengurangi ukuran kumparan
medan (yaitu jumlah belitan).
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 4
Gambar 2.9
Gambar 2.10
(ii) Armature Core
Inti jangkar terkunci pada poros mesin (machine shaft) dan berputar diantara kutub
medan. Terdiri dari alur-alur (slot) baja-lunak (soft-iron) laminasi (tebal sekitar 0,4 - 0,6 mm)
yang ditumpuk untuk membentuk inti silinder seperti yang ditunjukkan pada Gambar (2.9).
Laminasi (Lihat Gambar. 2.10) secara individual dilapisi dengan isolasi film tipis sehingga tidak
terjadi kontak listrik satu sama lain. Tujuan laminating inti adalah untuk mengurangi kerugian
arus eddy. Laminasi yang disisipkan untuk mengakomodasi dan memberikan keamanan mekanik
terhadap belitan jangkar dan memberikan celah udara yang lebih pendek pada fluks untuk
menyeberang antara permukaan kutub dan "gigi" jangkar.
(iii) Belitan Jangkar
Slot inti jangkar memegang konduktor terisolasi yang terhubung dengan cara yang sesuai.
Hal ini dikenal sebagai belitan jangkar. Ini adalah belitan dimana induksi e.m.f. "bekerja".
Konduktor jangkar dihubungkan secara seri-paralel; konduktor yang dihubungkan secara seri
berguna untuk meningkatkan tegangan dan hubungan paralel berguna untuk meningkatkan arus.
Belitan jangkar dari mesin DC membentuk belitan untai tertutup; konduktor terhubung secara
simetris membentuk lingkaran tertutup atau serangkaian loop tertutup.
(iv) Komutator
Sebuah komutator adalah penyearah mekanik yang mengubah tegangan bolak-balik yang
dihasilkan dalam belitan jangkar menjadi tegangan searah di sikat. Komutator terbuat dari
segmen tembaga terisolasi satu sama lain dengan lembaran mika dan dipasang pada poros mesin
(Lihat Gambar 2.11). Konduktor jangkar disolder ke segmen komutator dengan susunan yang
sesuai untuk menimbulkan belitan jangkar. Tergantung pada cara di mana konduktor jangkar
yang terhubung ke segmen komutator, ada dua jenis belitan jangkar pada mesin DC yaitu, (a)
belitan gelung (lap winding) (b) belitan gelombang (wave winding).
Perhatian besar diambil dalam membangun komutator karena eksentrisitas apapun akan
menyebabkan sikat memantul, memproduksi percikan yang tidak diharapkan. Bunga api dapat
membakar sikat dan terlalu panas dan karbonasi komutator.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 5
Gambar 2.11
(i)
(ii)
Gambar 2.12
(v) Sikat (brush)
Kegunaan dari sikat adalah untuk memastikan sambungan listrik antara komutator yang
berputar dan untai beban eksternal yang stasioner. Sikat terbuat dari karbon dan menempel pada
komutator. Tekanan sikat disesuaikan dengan cara menyesuaikan pegas (Lihat Gambar. 2.12).
Jika tekanan sikat terlalu besar, gesekan menghasilkan pemanasan komutator dan sikat. Di sisi
lain, jika terlalu lemah, kontak kurang sempurna terhadap komutator dapat menghasilkan
percikan bunga api.
Mesin multipole memiliki banyak sikat sebanyak jumlah kutub. Misalnya, mesin 4- kutub
memiliki 4 sikat. Di keliling komutator, sikat berturut-turut memiliki polaritas positif dan
negatif. Sikat yang memiliki polaritas sama yang dihubungkan bersama-sama sehingga memiliki
dua terminal yaitu, + ve terminal dan terminal -ve.
2.5 Fitur Umum Belitan Jangkar DC
(i) Sebuah mesin DC (generator atau motor) umumnya menggunakan gulungan yang
didistribusikan di dalam alur (slot) bagian atas sekeliling inti jangkar. Setiap konduktor
terletak di sudut kanan arah fluks magnetik dan arah gerakannya Oleh karena itu, ggl induksi
dalam konduktor diberikan oleh;
e = B ℓ v Volt
Dengan
B = kerapatan fluks magnetic dalam Weber/ m2
ℓ = panjang konduktor dalam meter
v = kecepatan konduktor dalam m/ s
(ii) Konduktor jangkar dihubungkan untuk membentuk gulungan/ belitan. Komponen dasar dari
semua jenis gulungan jangkar adalah kumparan/ koil jangkar. Gambar. (2.13) (i)
menunjukkan kumparan belitan-tunggal (single-turn). Ini memiliki dua konduktor atau sisi
kumparan yang terhubung di bagian belakang jangkar. Gambar. 2.13 (ii) menunjukkan
kumparan 4-lilit (turn) yang memiliki 8 konduktor atau sisi kumparan.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 6
(i)
(ii)
Gambar 2.13
Sisi kumparan dari kumparan adalah letak bentangan kutub terpisah, yaitu satu sisi
kumparan dari kumparan bawah kutub-N dan sisi kumparan lain berada di bawah kutub-S
berikutnya pada posisi yang sesuai seperti ditunjukkan pada Gambar. 2.13 (i). Akibatnya
emf dari sisi kumparan menjumlah bersama-sama. Jika e.m.f. yang diinduksi dalam satu
konduktor 2,5 volt, maka emf yang dari kumparan lilit-tunggal (single-turn) akan = 2 2.5
= 5 volt. Untuk fluks yang sama dan kecepatan, e.m.f. yang dari kumparan 4-lilit akan = 8
2.5 = 20 V.
(iii) Sebagian besar mesin belitan jangkar adalah belitan lapisan ganda (double layer) yaitu, ada
dua sisi kumparan per slot seperti ditunjukkan pada Gambar. (2.14). Satu sisi kumparan dari
kumparan yang terletak di bagian atas slot dan sisi kumparan lainnya terletak di bagian
bawah beberapa slot lain. Kumparan bagian ujung kemudian akan diletakkan berdampingan.
Pada belitan dua-lapis (two-layer winding), diinginkan untuk memberi nomor sisi kumparan
bukan pada alur (slot). Sisi kumparan diberi nomor seperti ditunjukkan pada Gambar.
(2.14). Sisi kumparan di bagian atas alur diberi angka ganjil dan di bagian bawah diberi
nomor genap. Sisi kumparan diberi nomor berurutan sekeliling jangkar.
Seperti dibahas di atas, masing-masing kumparan memiliki satu sisi di bagian atas
slot dan sisi lain di bagian bawah slot; sisi kumparan hampir terpisah dari pole-pitch. Dalam
menghubungkan kumparan, maka dipastikan bahwa sisi kumparan atas bergabung ke sisi
kumparan bawah dan sebaliknya. Hal ini diilustrasikan pada Gambar. (2.15). Kumparan sisi
1 di atas slot bergabung ke samping kumparan 10 di bagian bawah slot lain terpisah sekitar
satu pole pitch. Kumparan sisi 12 di bagian bawah slot bergabung ke samping kumparan 3
di atas slot lain. Bagaimana kumparan terhubung di bagian belakang jangkar dan di depan
(komutator end/ ujung komutator) akan dibahas dalam bagian berikutnya. Dapat dicatat
bahwa sejauh menghubungkan kumparan yang bersangkutan, jumlah lilit tiap kumparan
tidak dipedulikan. Untuk mempermudah (supaya menjadi sederhana), maka, kumparan di
dalam diagram belitan akan diwakili seolah-olah hanya memiliki hanya satu belit (yaitu, dua
konduktor).
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 7
Gambar 2.15
Gambar 2.16
(iv) Sisi kumparan dihubungkan melalui segmen komutator sedemikian rupa sehingga
membentuk sistem seri-paralel; sejumlah konduktor dihubungkan secara seri sehingga dapat
meningkatkan tegangan dan dua atau lebih jalur yang terhubung-seri tersebut disambung
secara paralel untuk berbagi arus. Gambar. (2.16) menunjukkan bagaimana dua kumparan
terhubung melalui segmen komutator (A, R, C dll) memiliki emf yang ditambahkan secara
bersama-sama. Jika tegangan induksi di setiap konduktor 2-5 V, kemudian tegangan antara
segmen A dan C = 4
2.5 = 10 V. Hal ini dapat dicatat di sini bahwa dengan cara
konvensional mewakili jangkar dikembangkan belitan, garis-garis penuh mewakili sisi
kumparan bagian atas (yaitu, sisi kumparan berbaring di atas slot) dan garis putus-putus
mewakili sisi kumparan bawah (yaitu, sisi kumparan terletak di bagian bawah slot).
(v) Belitan jangkar D.C. adalah belitan untai tertutup. Dalam sebuah belitan, jika satu mulai
dibelitkan pada beberapa titik pada belitan dan menelusuri lintasan belitan, satu akan
kembali ke titik awal tanpa melalui koneksi eksternal. Gulungan jangkar DC harus jenis
tertutup guna menyediakan komutasi kumparan.
2.6 Komutator Pitch (Yc)
Pitch komutator adalah jumlah segmen komutator yang direntang oleh setiap kumparanya
belitan. Ini lambangkan dengan Yc.
Pada gambar 2.17, satu sisi dari kumparan disambung ke komutator segmen 1 dan sisi
yang lain disambung ke komutator segmen 2. Dengan demikian nomor segmen komutator yang
direntang oleh kumparan adalah 1, yaitu Yc = 1. Pada gambar 2.18. salah satu sisi kumparan
disambung ke komutator segmen 1 dan sisi lainnya ke komutator segmen 8, maka nomor segmen
komutator yang direntang oleh koil = 8 – 1 = 7 segmen, yaitu Yc = 7. Pitch komutator dari
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 8
belitan selalu bilangan bulat. Maka setiap kumparan mempunyai dua ujung sebagai sambungan
dua kumparan yang disambung menyatu pada segmen komutator.
Gambar 2.17
Gambar 2.18
Jumlah kumparan = jumlah segmen komutator
Sebagai contoh, jika sebuah jangkar mempunyai 30 konduktor, jumlah kumparan akan
menjadi 30/2 = 15. Oleh karena itu jumlah segmen komutator juga 15. Catatan, bahwa pitch
komutator adalah faktor yang penting dalam mempertimbangkan tipe belitan jangkar.
2.7 Pole Pitch
Ini adalah jarak yang diukur dari segi jumlah slot jangkar (atau konduktor jangkar) per
kutub. Jadi jika generator 4-kutub memiliki 16 kumparan, maka jumlah slot = 16.
Pitch kutub =
Demukian juga
= 4 slot
Pitch kutub =
=
= 8 konduktor
2.8 Coil Span atau Coil Pitch (Ys)
Ini adalah jarak yang diukur dari segi jumlah alur jangkar (atau konduktor jangkar)
direntang oleh kumparan. Jadi jika bentangan kumparan (coil span) adalah 9 alur, artinya satu
sisi kumparan berada di slot 1 dan sisi lainnya berada pada slot 10.
2.9 Coil Full Pitch
Jika bentangan-kumparan (coil-span) atau selang-kumparan (coil-pitch) sama dengan
selang-kutub (pole-pitch), hal itu disebut kumparan selang-penuh (full-pitch coil) (Lihat Gambar.
2.19). Dalam hal ini, emf-nya di sisi kumparan adalah aditif dan mempunyai perbedaan fasa 0 °.
Oleh karena itu, e.m.f. terinduksi dalam kumparan adalah maksimum. Jika e.m.f. terinduksi
dalam satu sisi kumparan adalah 2-5 V, maka e.m.f. yang melintasi terminal koil = 2 2.5 = 5
V. Oleh karena itu, bentangan kumparan harus selalu menjadi salah satu selang kutub (polepitch) kecuali ada alasan yang baik untuk membuatnya lebih pendek.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 9
Gambar 2.19
Gambar 2.20
Kumparan selang pecahan (Fractional pitched coil). Jika bentangan kumparan atau selang
kumparan kurang dari selang kutub, maka disebut kumparan selang pecahan (Lihat Gambar.
2.20). Dalam hal ini, perbedaan fasa antar emf-nya di dua sisi kumparan tidak akan menjadi nol
sehingga emf kumparan akan menjadi kurang dibandingkan dengan kumparan selang penuh.
Belitan selang pecahan membutuhkan sedikit tembaga tetapi jika selang terlalu kecil,
pengurangan yang cukup menyolok dalam menghasilkan emf yang dibangkitkan.
2.10 Jenis Belitan Jangkar DC
Kumparan jangkar yang berbeda pada belitan jangkar DC harus dihubungkan secara seri
satu sama lain dengan cara mengakhiri sambungan (sambungan belakang dan sambungan depan)
dengan cara sedemikian rupa sehingga setiap tegangan yang dibangkitkan dari kumparan akan
membantu satu sama lain dalam produksi emf terminal dari belitan. Dua metoda dasar
pembuatan akhir sambungan adalah:
1. Simplex lap winding (Belitan gelung searah)
2. Simplex wave winding (Belitan gelombang searah)
1. Simplex Lap Winding.
Untuk belitan simplex lap winding (Belitan gelung searah), komutator selang YC = 1 dan
rentang kumparan YS selang kutub. Jadi setiap ujung kumparan dibawa ke segmen komutator
yang berdekatan dan hasil dari metode koneksi ini adalah bahwa semua gulungan jangkar berada
dalam urutan dengan kumparan terakhir dihubungkan ke kumparan pertama. Akibatnya,
dihasilkan belitan untai tertutup. Hal ini diilustrasikan pada Gambar. (2.21) di mana bagian dari
belitan gelung (lap) ditampilkan. Hanya dua kumparan ditampilkan untuk kesederhanaan. Nama
lap berasal dari salah satu cara membuat gulungan yang berurutan secara tumpang tindih dengan
bagian sebelumnya (mirip gelungan konde).
2. Simplex Wave Winding
Untuk belitan gelombang simpleks, komutator selang YC ~ 2 selang kutub (pole pitches)
dan rentang kumparan (coil span) = selang kutub (pole pitch). Hasilnya adalah bahwa kumparan
di bawah pasangan kutub berturut-turut akan bergabung bersama dalam bentuk seri sehingga
bersama-sama menambah emf-nya [Lihat Gambar. 2.22]. Setelah melewati sekali putaran
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 10
jangkar, disisipkan belitan dalam slot ke kiri atau kanan titik awal dan dengan demikian
menghubungkan dengan untai yang lain. Selanjutnya dengan cara ini, semua konduktor akan
terhubung dalam belitan tertutup tunggal. Belitan ini disebut belitan gelombang (wave winding)
dari tampilannya yang (bergelombang) sampai sambungan terakhir.
Gambar 2.21
Gambar 2.22
2.11 Lebih Jauh Tentang Terminologi Belitan Jangkar
Selain dari segi bahasan sebelumnya, terminologi berikut memerlukan diskusi:
(1) Back Pitch (YB)
Ini adalah jarak yang diukur dari segi konduktor jangkar antara kedua sisi kumparan di
bagian belakang jangkar (Lihat Gambar. 2.23). Hal ini ditandai oleh YB Sebagai contoh, jika
sebuah kumparan yang dibentuk dengan menghubungkan konduktor 1 (konduktor atas dalam
slot) untuk konduktor 12 (konduktor bawah pada slot yang lain) di bagian belakang jangkar,
maka back pitch adalah YB = 12 - 1 = 11 konduktor.
(i)
(ii)
Gambar 2.23
(ii) Front Picth
Ini adalah jarak yang diukur dari segi konduktor jangkar antara sisi kumparan yang
melekat pada setiap satu segmen komutator [Lihat Gambar. 1,23]. Hal ini ditandai dengan YF
Sebagai contoh, jika sisi kumparan 12 dan sisi kumparan 3 yang terhubung ke segmen komutator
yang sama, maka selang depan YF = 12 - 3 = 9 konduktor.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 11
(iii) Resultan Pitch (YR)
Ini adalah jarak (diukur dari konduktor jangkar) antara awal satu kumparan dan awal
kumparan berikutnya yang terhubung (Lihat Gambar 2.23). Hal ini ditandai oleh YR. Oleh karena
itu, selang yang dihasilkan adalah jumlah aljabar dari pitch belakang dan depan.
(iv) Commutator Pitch (YC)
Ini adalah jumlah segmen komutator dibentang oleh masing-masing kumparan jangkar
belitan.
Untuk belitan lap simpleks, YC = 1
Untuk belitan wave simpleks, YC ~ 2 pole pitch (segmen)
(v) Progressive Winding
Sebuah belitan progresif adalah satu diantara sekian, yang merupakan suatu lintasan
melalui belitan, sambungan ke komutator akan berlanjut sekitar mesin dalam arah yang sama
seperti yang sedang dilintasi sepanjang jalan masing-masing individu kumparan. Gambar. (2,24)
(i) menunjukkan belitan lap progresif. Perhatikan bahwa YB > YF dan YC = + 1.
(vi) Retrogressive Winding
Sebuah belitan retrogressive adalah satu diantara, sebagai salah satu lintasan melalui
belitan, koneksi ke komutator akan berlanjut sekitar mesin dalam arah yang berlawanan dengan
apa yang sedang dilintasi sepanjang jalan masing-masing individu kumparan. Gambar. (2,24) (ii)
menunjukkan lap mundur belitan. Perhatikan bahwa YF> YB dan YC = - 1. Sebuah belitan
retrogressive jarang digunakan karena memerlukan lebih banyak tembaga.
(i)
(ii)
Gambar 2.24
2.12 Ketentuan Umum Belitan Jangkar DC
Dalam desain DC jangkar belitan (gelung atau gelombang), aturan berikut dapat diikuti:
(i) Bagian pitch belakang (YB) serta pitch depan (YF) harus hampir sama dengan pitch kutub.
Hal ini akan mengakibatkan peningkatan e.m.f. dalam kumparan.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 12
(ii) Kedua pitch (YB dan YF) harus ganjil. Hal ini akan memungkinkan semua ujung sambungan
(sama baiknya dengan koneksi depan) antara konduktor di atas slot dan satu di bagian
bawah slot.
(iii) Jumlah segmen komutator sama dengan jumlah slot atau kumparan (atau setengah jumlah
konduktor).
Jumlah segmen komutator = Jumlah slot = Jumlah kumparan
Hal ini karena setiap kumparan memiliki dua ujung dan dua koneksi kumparan bergabung
pada setiap segmen komutator
(iv) Belitan harus menjadi untai tertutup.
2.13 Hubungan Antara Pitch untuk Belitan Simplex Lap
Pada lap simpleks belitan, variasi pitch harus memiliki hubungan sebagai berikut:
(i) Pitch bagian belakang dan depan adalah ganjil dan menandakan berlawanan. Mereka berbeda
secara numerik dengan 2,
YB = YB = YF ± 2
YB = YF + 2 untuk progresif belitan
YB = YF - 2 untuk retrogresif belitan
(ii) Kedua YB dan YF harus mendekati sama dengan pole pitch.
(iii) Rata-rata pitch = (YB + YF) / 2. Ini sama dengan pitch pole (= Z / P).
(iv) Pitch komutator, YC = ± 1
YC = + 1 untuk belitan progresif
YC = - 1 untuk belitan retrogresif
(v) Resultan pitch (YB) genap, menjadi perbedaan aritmatika dari dua angka ganjil yaitu, YB dan
YF.
(vi) Jika Z = jumlah konduktor jangkar dan P = jumlah kutub, maka,
Pole-pitch =
Ketika YB dan YF keduanya harus sekitar satu pole-pitch dan berbeda secara numerik
dengan 2,
YB =
Untuk belitan progresif
YF =
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 13
YB =
Untuk belitan retrogresif
YF =
Jelas bahwa Z/ P harus berjumlah genap untuk membuat belitan memungkinkan.
Diagram Pengembangan
Diagram Pengembangan diperoleh dengan membayangkan permukaan silinder dari
jangkar yang akan dipotong oleh suatu bidang aksial dan kemudian diratakan. Gambar. (2.25) (i)
menunjukkan diagram yang dikembangkan dari belitan. Perhatikan bahwa garis-garis penuh
mewakili sisi kumparan atas (atau konduktor) dan garis putus-putus mewakili sisi kumparan
bawah (atau konduktor).
belitan menjauh dari komutator segmen 1 oleh konduktor 1 menyeberang kembali ke
konduktor 12 dan pada bagian depan ke komutator segmen 2, sehingga membentuk kumparan.
Kemudian dari komutator segmen 2, melalui konduktor 3 dan 14 kembali ke komutator segmen
3 dan seterusnya sampai belitan kembali ke komutator segmen 1 setelah menggunakan semua 40
konduktor.
Posisi dan Jumlah Sikat
Kita sekarang beralih untuk mencari posisi dan jumlah sikat yang dibutuhkan. Kuas,
seperti kutub medan, terlanjur tertanam dalam spasi sebagai komutator dan belitan berputar. Hal
ini sangat penting bahwa sikat berada dalam posisi yang benar relatif terhadap kutub medan.
Panah menandai "rotasi" pada Gambar. (1.25) (i) menunjukkan arah gerakan konduktor. Dengan
aturan tangan kanan, arah e.m.f. di setiap konduktor akan seperti yang ditunjukkan.
Dalam rangka untuk mencari posisi kuas, diagram cincin ditunjukkan pada Gambar.
(2.25) (ii) cukup membantu. Sebuah sikat positif akan ditempatkan pada segmen komutator
dimana arus dalam kumparan bertemu mengalir dari segmen. Sebuah sikat negatif akan
ditempatkan pada segmen komutator dimana arus dalam kumparan bertemu mengalir masuk.
Mengacu Gambar. (2.25) (i), ada empat kuas, dua positif dan dua negatif. Oleh karena itu, kita
sampai pada kesimpulan yang sangat penting bagi sebuah belitan lap simplex, jumlah sikat sama
dengan jumlah kutub. Jika sikat dari polaritas yang sama yang terhubung bersama-sama, maka
semua konduktor jangkar dihubungkan dalam empat jalur paralel; setiap jalur yang mengandung
jumlah yang sama dari konduktor dalam seri. Hal ini diilustrasikan pada Gambar. (1,26).
Karena segmen 6 dan 16 yang terhubung bersama-sama melalui sikat positif dan segmen
11 dan 1 dihubungkan bersama melalui sikat negatif, ada empat jalur paralel, masing-masing
berisi 10 konduktor dalam susunan seri. Oleh karena itu, dalam belitan lap simplex, jumlah jalur
paralel adalah sama dengan jumlah kutub.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 14
(i)
(ii)
Gambar 2.25
Gambar 2.26
Buku Acuan:
- V.K. Mehta, Rohit Mehta “Principles of Electrical machines”, 2002.
Dasar Tenaga Elektrik
Kunto2014
Page 15