I Mesin Mesin Listrik

September 2017

Oleh : Yakob Liklikwatil

Mesin Arus Searah

KONSTRUKSI MESIN ARUS SEARAH

MESIN ARUS SEARAH

1.1 Pandangan UmumMesin listrik merupakan peralatan konversi energi elektro-magnetik-mekanik yang bekerja dengan suatu media perantara yaitu medan magnetik yang terdapat di dalam alat ini. Berdasarkan arah konversinya, mesin listrik dibagi dalam dua kelompok utama, yaitu :

1. Mesin disebut “Generator Listrik”, untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik,

2. Mesin disebut “Motor Listrik”, untuk mengubah sumber (energi) listrik menjadi energi mekanik,

Berdasarkan Tegangan atau arus yang dihasilkan atau yang digunakan, mesin dibedakan menjadi dua macam

yaitu :

3. Mesin Arus Searah (Dirrect Current Machine atau DC Machine)

4. Mesin Arus Bolak-Balik (Alternating Current Machine atau AC Machine)

Pada sistem arus bolak-balik mesin dibedakan dalam dua macam yaitu mesin sinkron (Synchronous

machine ) dan mesin induksi (Induction machine atau mesin tak sinkron)

Dua cara penghasil fluks magnetik (atau medan magnetik) pada mesin listrik yaitu :

- Magnet Permanen, yaitu menggunakan material magnetik permanen

- Magnet-listrik , adalah menggunakan Lilitan kawat pada inti besi yang dialiri arus listrik searah (dc)

HUKUM-HUKUM DASAR

• Hukum Induksi Faraday, Tegangan induksi / gaya gerak listrik (ggl): e = N.

• Hukum Pertama Maxwell : • Hukum Flemming : Tangan Kanan &

Tangan Kiri

• Hukum Gaya Lorenz• Hukum Biot-Savart

•  

1.2 Dasar Sebuah Generator

Ketentuan Pembangkitan tegangan induksi atau gaya gerak listrik (ggl) adalah : • Gerak (Rotasi/berputar), Proses secara mekanik• Medan magnetik (Fluks berubah), terhadap Ruang dan Waktu• Batang konduktor (Kumparan Kawat), Winding/Coil- conductor Menimbulkan Tegangan Induksi (ggl), Electromotiv-force (EMF) pada batang konduktor

  Berdasar pada hukum ‘Tegangan Induksi Faraday’,   (Lihat Gbr.1.1)

“  Apabila sebuah batang konduktor dengan panjang efektif l digerak-gerakan vertikal ke atas dan/atau dengan kecepatan v sejauh ds memotong garis-garis fluks di dalam ruang medan magnet yang homogen B diantara dua buah magnet permanen kutub Utara (U) dan selatan (S), maka akan timbul gaya gerak yang bersifat listrik pada kawat tersebut, yaitu suatu tegangan imbasan yang dinamakan tegangan induksi atau gaya gerak listrik (ggl) dengan bentuk gelombang Bolak-Balik. Besarnya ggl adalah, e = B. l .v, dan arahnya bergantung pada arah fluks magnet dan arah gerakan konduktor

Atau dengan pengertian lain pergerakan tersebut di atas akan terjadi perubahan fluks terhadap jarak pergerakan ds yang dialami oleh batang konduktor, dengan persamaan :

d = B. l. ds ( 1-1 )

A. Pembangkitan Tegangan / GGL.

Perhatikan gambar 1.3; Kumparan rotor (eksitasi) dicatu oleh arus searah dari luar atau dari dalam mesin tersebut, melalui sepasang sikat arang dan slip-ring. Kemudian kumparan tersebut diputar didalam ruang antara stator dan rotor, stator dengan kumparan yang kedua ujungnya merupakan terminal tegangan,

• Dari hukum Faraday diketahui  gaya gerak listrik e = d / dt, maka e = B.l. ds / dt                                 ( 1-2 ) dengan ds / dt = v adalah kecepatan gerak konduktor didalam medan magnet, maka

e = B.l.v ( 1-3 )   

• Dua Teknik Dasar Sistem Generator Listrik

Urutan Terjadinya Gelombang GGL Induksi• Bagaimana timbulnya ggl, dan seperti apa bentuk gelombangnya, berikut ini ditunjukkan

diagram skematis urutan terjadi ggl dengan bentuk dan bentuk gelombang yang dihasilkan

• Gerakan berputar kawat kumparan di dalam medan magnet homogen akan menimbulkan induksi tegangan elektrik atau strengt electric E pada kumparan tersebut

Silahkan anda jelaskan pertanyaan di bawah ini

• Mengapa bentuk kurva ggl,… sinusoida ???• Bagaimana pengaruh fluks (B) dan gerakan (v) terhadap besar dan bentuk

gelombang tegangan ggl ?• Adakah pengaruh banyaknya lilitan kawat kumparan terhadap besar tegangan

ggl,….Mengapa..demikian ?

• Apabila lilitan kawat dibuat sebanyak  N  lilitan dengan ujung kumparan  sebagai terminal tegangan  a dan b , maka pada terminal kumparan stator itu terjadi ggl  sebesar e   =   N. d / dt       volt               ( 1-5 )

• Jika pada kedua ujung kumparan stator (terminal a dan b) diberi beban resistansi  R, maka akan mengalir arus  stator  I   yaitu  

    I  =  e / R         ampere (A)           ( 1-6 )

Bentuk Gelombang dan Vektor  Tegangan dan Arus Yang dihasilkan

Analisis Pengaruh Kecepatan Putaran Terhadap Tegangan Ggl Yang Dibangkitkan

• Pada kecepatan putaran n lambat meskipun fluks eksitasi dari rotor besar dan tetap, maka garis fluks yang akan dicakup oleh inti kumparan stator (yang masuk ke inti stator) hanya yang sedikit atau dengan kata lain banyak garis fluks yang menyimpang keluar oleh itu stress atau tekanan fluks yang dirasakan oleh inti kumparan stator rendah sehingga selain lebar gelombang ggl sangat lebar (atau frekuensi sangat rensah) tetapi juga amlitudo gelombang ggl E = C.n. akan rendah dengan demikian tegangan keluaran generator juga rendah (lihat gambar 1, gel.rendah). Misalkan kecepatan putaran 60 rpm (sangat rendah) dan jumlah garis fluks magnetik yang berasal dari inti kumparan eksitasi (pada rotor) 105 garis, maka kutub stator hanya akan melingkupi garis fluks itu satu kali dalam 1 detik dengan jumlah yang lebih sedikit dari 105.

Banyak Garis Fluks Magnetik Yang Melewati Inti Jangkar akan Mempengaruhi Besar Stress Tegangan

Pada Kumparan• Jangkar dan Magnet Eksitasi

Bntuk Gelombang

• Fluks magnet dalam arah gerak v adalah  V

yaitu proyeksi fluks  kepada arah pergerakan konduktor,   dengan persamaan 

• V   =   .Cost• Dengan menerapkan hukum gaya Loren   dan   Faraday     e = B.l.v, maka nilai ggl pada setiap perubahan  sudut  ruang  dapat  dimodelkan dengan  persamaan  

• Gambar   disamping  menunjukkan  pergerakan  melingkar  dari konduktor  didalam  ruang  medan  magnet  dengan  jarak  sudut ruang  atau dengan keepatan sudut  dan waktu t

• Pergerakan konduktor didalam ruang medan magnet dan waktu dari  posisi  0O  sampai  dengan  180O    itu  merupakan  bentuk perputaran sebesar setengah  lingkaran   atau setengah putaran, dan …..ini  akan menghasilkan  kurva dari perubahan fluks relatif terhadap waktu  pergerakan   melingkar  dari  konduktor  dengan bentuk  setengah  gelombang  sinusoida  yang  positif  dan menimbulkan  tegangan  gerak  listrik  (tgl)  yang  juga  berbentuk setengah  gelombang  sinusoida.      Dan  selanjutnya  pergerakan konduktor  dari  posisi  sudut  180Ohingga  360O,  konduktor bergerak  memutar  dalam  arah  ke  kanan  (ke  bawah  atau menurun)  hingga  pada  posisi  270O    dan    kemudian  bergerak membelok  dan  naik  dalam  arah  kekanan  menuju  sudut  ruang 360O  atau  kembali  pada  posisi  sudut  0O.      Dengan  demikian pergerakan melingkar dari  konduktor 

• di dalam ruang medan magnet dan waktu perputaran sepanjang 1  lingkaran  penuh  atau  satu  putaran  akan  menghasilkan  fluks magnetik  yang  berubah  terhadap  pergerakan  konduktor  itu dengan bentuk kurva 1 gelombang penuh sinusoida  (atau fluks yang  bolak-balik).      Perubahan  fluks  magnet  terhadap  arah gerakan  konduktor  secara  matematis  dimodelkan  dengan mSint  ,  sedangkan  fluks  yang  berubah  ubah    itu  jika diproyeksikan  kepada  waktu  pergerakan  melingkar  dari konduktor  dinotasikan  dengan    d/dt    merupakan  hasil  yaitu tegangan gerak listrik (tgl) atau ggl.

 

• Dengan memasukan setiap sudut ruang , maka besar tegangan gerak listrik pada posisi sudut ruang  t = 60O  ini adalah

•Maka dengan t = 60O , nilai tegangan gerak listrik pada posisi ini adalah

• eV = .v.sin60O = 0,866..v volt

•Dengan t = 30O , nilai tegangan gerak listrik pada posisi ini adalah

• eV = .v.sin30O = 0,5..v volt

• Ingat Hukum Faraday : e = N. d / dt volt ( 1-5 )•

 

– Harga Maksimum dan Efektif (RMS) Tegangan GGL

–Nilai maksimum tegangan ggl

–

• = = C . Фm .n.

•dimana C = ( 1-10 )

•  

nN

m

60

2

Nilai RMS & Rata-rata GGL

• Harga RMS

• Erms = 4,44. N.f. A. Bm ( 1-12 )

• Harga rata-rata atau DC adalah

voltE

tdtSinET

tdeT

E

mm

ef

..2

....)(1

.1

2

0

22

2

0

2

mEtCosmE

tdtSinmErE2

...0

...1

KONSTRUKSI MESIN ARUS SEARAH• Bagian utama dari mesin arus searah adalah : Stator dan Rotor, sistem eksitasi

(exciter), Jangkar, kumparan stator dan kumparan rotor, alur (slot) pada intir besi stator dan pada inti besi rotor, magnet permanen (khusus mesin yang mempunyai sistim eksitasi magnet permanen), komutator (terbuat dari lempengan tembaga yang di pisahkan oleh isolator pada antara lempeng yang satu dengan yang lainnya), sikat arang (carbon-brush) sebagai kontak gesek untuk menghubungkan bagian yang bergerak berputar (Rotor) di dalam mesin dengan bagian luar yang tidak bergerak (Stator)

• Belitan mesin arus searah: pada mesin arus searah terdapat 2 macam atau cara gulungan kumparan kawat yaitu (a) Kumparan gelung (Lap-winding), yaitu bila bentuk kumparan kawat yang digulung sedemikian sehinga setiap belitan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya, seperti pada gambar 2.2a

• dimana : YC adalah kisaran bumbung komutator

• P adalah jumlah kutub C adalah jumlah kumparan / jumlah bar komutator = separuh dari jumlah

total konduktor (wave winding)

• Contoh: Jika sebuah mesin dc dengan P = 4 , C = 21, mak

Jadi kisaran komutator adalah 11 atau 10

Salah satu bentuk lilitan kawat konduktor pada alur (slot) inti rotor mesin dc

•Tegangan Yang Dibangkitkan•Untuk sebuah generator dengan bentuk kumparan gelung (lap winding) tegangan

EMF yang dibangkitkan , dengan : jumlah alur (konduktor parallel) = 2, jumlah

konduktor (yang diserikan) di dalam satu bagian = Z/2 adalah

Untuk sebuah generator dengan bentuk kumparan gelombang (wave winding) tegangan EMF yang dibangkitkan, dengan :jumlah alur (konduktor) parallel = Pjumlah konduktor (yang diserikan) di dalam satu alur = Z/P, adalah

dimana : = fluks perkutub (Wb = weber) Z = jumlah total konduktor jangkar = banyak slot jumlah konduktor

perslot (A) P = banyaknya kutub generator

A = jumlah alur parallel didalam jangkar n = perputaran jangkar (rpm) Ea = e.m.f induksi pada setiap alur parallel didalam jangkar

voltnZPZnP

Ea 120

..

260

..

voltnZ

P

ZnPEa 60

..

60

..

•Secara umum besar e.m.f yang dibangkitkan adalah,

dimana M = 2, untuk bentuk kumparan gelombang (wave winding) = P, untuk bentuk kumparan gelung (lap winding)

Contoh:Sebuah generator 4 kutub, dengan jangkar bentuk kumparan gelombang mempunyai 51 slot, dan setiap slot berisi 20 konduktor. Berapakah emf yang dibangkitkan didalam mesin apabila generator diputar dengan kecepatan putaran 1500 rpm, dengan asumsi fluks perkutub adalah 7 mWb; Dan berapakah besar emf jika bentuk kumparan gelung Penyelesaian :Dengan bentuk kumparan gelombang maka emf yang dibangkitkan adalah

Penyelesaian :a. Dengan bentuk kumparan gelombang maka emf yang dibangkitkan adalah

•Nilai Ea dan daya yang dihasilkan bergantung pada konstruksi mesin, selain n dan

voltM

PnZEa

60

..

voltM

PnZEa

3572

4

60

15001020107

60

.. 3

b. Dan untuk kumaparan gelung adalah

Mesin Arus Searah, Eksitasi Terpisah

Tegangan GGLEa = Vt + Ia.Ra ( 2-1 )Ea = C.n. ( 2-2 )Vf = If.Rf ( 2-3 )Torsi elektromagnetik jangkar motor adalah Ta = C.Ia. ( 2-4 )

Torsi poros motor adalah

voltM

PnZEa

5,1784

4

60

15001020107

60

.. 3

60..2 nm

PT

• dimana Ea = emf atau ggl motor (volt)

Vt = tegangan terminal masukan (volt)

Vf = tegangan kumparan medan penguatan (volt)

Ia = arus yang mengalir pada kumparan jangkar (amper)

If = arus kumparan medan penguatan (amper)

Ra = resistansi kumparan jangkar (ohm)

Rf = resistansi kumparan medan penguatan (ohm)

n = kecepatan putaran poros motor (rpm)

P = daya masukan ( watt )

• MAS penguatan Sendiri (Shunt, Seri, Kompound)

Vt = Ea + Ia.(Ra + Rse )      volt    ( 2-12 )Ea =  C.n.     C. n . Ia    volt    ( 2-13 )Vf =  If.Rf  =    Ia.Rf            volt    ( 2-14 )

Motor Arus Searah

• Motor arus searah (dc): alat konversi energi listrik arus searah menjadi energi mekanik dalam bentuk perputaran mekanik. Konstruksi motor dc sama dengan generator dc, dengan jenis-jenis yang beragam. Pnggunaan motor dc sangat luas terutama dalam bidang alat transportasi (Mobil, sepeda, Trem, hingga permaianan anak-anak). Seperti pada generator dc, jenis motor dc yaitu : eksitasi terpisah, eksitasi sendiri (Shunt, Seri, Kompound, Magnet permanen).

• Motor Starter

MOTOR LISTRIK ARUS SEARAH

Pandangan Umum

Motor  adalah  alat  penggerak  benda  dengan  suatu  sumber  energi  utama bisa  berupa  angin,  air,  bensin  atau  solar  dan  listrik.    Misalnya  motor bensin  atau  motor  bakar  yaitu  motor  sumber  energi  utamanya  adalah bensin.   Motor  listrik adalah motor yang bekerjanya oleh tenaga listrik.     Bergeraknya sebuah motor (yaitu berputar horizontal) disebabkan karena adanya gaya dan torsi yang diberikan oleh energi utama tersebut.   Motor listrik  berputar  karena  adanya  gaya  dan  torsi  elektromagnetik  di  celah udara  di  dalam  mesin  tersebut.      Berikut  ini  penjelasan  mengenai  bagai mana  motor listrik dapat berputar:   Sebelum masuk pada pokok masalah terlebih dahulu kita tinjau sebuah balok yang dapat berputar pada poros         ( lihat gambar 1.7).  Balok dipasang pada sebuah dudukan sebagai poros dari balok dengan panjang lengan kiri sama dengan panjang lengan kanan yaitu   r.    Jika unjung kanan dari  balok diberi  gaya  tekan    F yang  tegak lurus  terhadap  panjang  lengan    maka  akan  timbul  torsi    T    yang menyebabkan  balok  bergerak  melingkar  pada  titik  tumpuan  atau  poros bagaikan sebuah propeler (fun), berputar searah dengan jarum jam.   

Besar torsi putar tersebut adalah perkalian secara vektor dari gaya  F  dan  panjang lengan  r , yaitu :                                 T  =  F x  r                          ( 1­17 ) Prinsip Motor Berputar Jika  batang  konduktor  yang  ditempatkan  didalam  ruang  medan  magnet  homogen  dialiri  arus  listrik 

dengan arah  arus  seperti  pada  gambar, maka  konduktor pada  lengan  sebelah kiri  dekat  kutub utara magnet  (U) akan mendapat gaya gerak mekanik yang berarah keatas, sedangkan konduktor dilengan sebelah  kanan  dekat  kutub  selatan  magnet  (S)  akan  mendapat  gaya  dengan  arah  ke  bawah,  dengan demikian teromol atau rotor atau lengan akan timbul  torsi gera (putar) sehingga rotor berputar pada poros searah jarum jam.  Jika arah arus pada kawat konduktor dibalik, maka akan timbul gaya gerak dan  torsi  putar  yang  berlawanan  arah  sehingga  lengan/rotor  akan  berputar  berlawanan  arah  jarum jam.      Dasar  motor  berputar  adalah  adanya  interaksi  antara  fluks  magnet  B  yang  dihasilkan    oleh bagian  penghasil  medan  magnetik  utama  (exciter)  dengan  arus  listrik  I  di  kawat  konduktor    pada angkaian daya  

Berdasarkan hukum tangan kiri  dengan ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah  berturut­turut adalah  gaya (F), Fluks magnet (B), dan arus listrik ( I ),  yang merupakan prinsip kerja sebuah motor listrik.   Sebuah arus  listri melalui kawat penghantar di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya, F   di sebelah kanan dekat kutub  S  gaya akan mengarah ke bawah dan di sebelah kiri dekat kutub  U  gaya tersebut mengarah ke atas, seperti terlihat pada gambar 1.8 

Lengan Kiri Lengan Kanan

rr

F

Gambar 1.7,  Balok diberi gaya tekan

Arah pergerakan

Arah gerakan

Berputar

Jika suatu lilitan kawat dibentuk seperti pada gambar 1.9  dengan jari­jari  kumparan  r   dan panjang kawat efektif  l  yang dialiri arus listrik  I  dengan arah masuk bidang (di sisi kanan kawat) dan keluar bidang gambar (di sisi kiri kawat konduktor) ditempatkan di dalam medan magnet homogen dengan kerapatan fluks  B  seperti pada gambar, maka pada kawat tersebut akan timbul gaya yaitu :  di sisi kanan kawat  akan terjadi gaya dalam arah ke  bawah,  dan di sisi kiri kawat akan terjadi  gaya dalam arah ke atas .   Kedua gaya tersebut berlawanan arah dan akan menimbulkan torsi putar T yang akan menarik atau mendorong kawat kumparan sehingga berputar pada porosnya searah dengan arah jarum jam.  

 

 U  SI

F

B

B

I

FI

F

B

Gambar 1.8,  Gaya yang ditimbulkan oleh arus melalui kawat di dalam medan magnet

 U  S

Magnet Permanen

Sikat Arang

Slip Ring

Lilitan Kawat Konduktor

Fluks Magnet  B

I

F

B

I

I

Poros

F

B

I

+

r

Gambar 1.9,  Diagram skematis dasar dari kerja motor berputar

Apa itu Back EMF  ?

Tegangan GGL Lawan (Back EMF)Dengan memakai persamaan umum C.n. = E, maka pada motor listrik adanya   C.  (fluks eksitasi) dan I  (pada kawat kumparan  jangkar)  timbul pergerakan berputar pada poros  ( n) dan menghasilkan ggl lawan (Eb) pada kumparan jangkar yang arahnya menetang arah arus yang di kumparan jangkar itu. 

BACK  ELECTRO­MOTIVF­ORCE

Gambar, Diagram skematis timbulnya ggl lawan, dan rangkaian

pengganti

 TORSI PADA MOTOR ARUS SEARAH

Torsi Elektromagnetik pada Jangkar motor

                        Ta = C.Ia.                                         ( 2­18 )

Besar gaya yang ditimbulkan oleh arus I dan medan magnet B yang bekerja pada kumparan kawat dengan panjang efektif l dan panjang lengan sama dengan jari-jari r itu adalah

F = B.I.l.Sin N (newton) ( 1-18 )

Dan torsi putar yang dihasilkan oleh gaya tersebut adalah

T = B.I.l.r Nm ( 1-19 )

Contoh ,

Sebuah mesin dengan panjang kumparan l = 1,5 m, jari-jari r = 15 cm, mengalir arus I = 20 A, kerapatan fluks B = 0,012 Wb/m2. Berapakah Gaya dan Torsi yang timbul pada kumparan (rotor)

Jawab

Gaya yang ditimbulkan adalah:

F = B.I.l = 0,012 x 20 x 1,5 = 0,36 N

Torsi yang ditimbul

T = B.I.l.r = F x r = 0,36 x 0,15 = 0,054 Nm

Aplikasi Motor DC pada Sepeda-motor Listrik

ＴＩＧＡ　可変界磁モーター　 variable field magnet motor Solar Car

ＴＩＧＡ可変界磁モーター variable field magnet motor Solar Car