Mesin DC

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