DASAR KONVERSI ENERGI ELEKTROMAGNETIK

1. KONDUKTOR YANG DIALIRI LISTRIK, AKAN MENGHASILKAN MEDAN MAGNET DISEKITAR KONDUKTOR TERSEBUT

EMPAT PRINSIP DASAR, YAITU :

2. MEDAN MAGNET YANG BERUBAH-UBAH TERHADAP WAKTU, AKAN MENGINDUKSIKAN TEGANGAN PADA SUATU BELITAN KUMPARAN (PRINSIP TRAFO)

3. SUATU KONDUKTOR YANG DIGERAKAN MEMOTONG MEDAN MAGNET AKAN MEMBANGKITKAN TEGANGAN INDUKSI PADA KONDUKTOR TERSEBUT (PRINSIP GENERATOR)

4. SUATU KONDUKTOR BERALIRAN LISTRIK, BILA BERADA DALAM MEDAN MAGNET, AKAN MENIMBULKAN GAYA PADA KONDUKTOR TSB. (PRINSIP MOTOR)

PROSES KONVERSI ENERGI

LISTRIK LISTRIK

MEKANIK

GENERATORMOTOR

TRAFO

INVERTER

MEDAN MAGNET

MEDAN MAGNET MEMILIKI ARAH, KERAPATAN, DAN INTENSITAS, DINYATAKAN DENGAN:

Ф : FLUKS MAGNET (WEBER)B : KERAPATAN FLUKS MAGNET (WEBER/M2)

H : INTENSITAS MEDAN MAGNET (AMPERE/METER)

B = μ . H μ = μO.

μr

μ= permeabilitas

4π x 10-7

Tergantung bahan yg di

pakai

RANGKAIAN MAGNET SEDERHANA

IC

N- turn

Penampang luas bidang

A

i

Persamaan yang terjadi adalah:

N i = H l

Dimana : N : Jumlah Lilitan

i : Arus (Ampere)

H : Kuat meda (A/m)

l : Panjang jalur (m)

Ф = B. A

Analogi antara Rangk. Listrik dengan Rangk. Magnet

Ф

N- turn

i

R

ER

i

E = I R

Dimana, F : GGM (A–Turn)

Ф : Fluks (Weber)

R : Reluktansi

F = Ф RDimana, E : GGL (Volt)

I : Arus (Ampere)

R : Resisitansi (Ohm)

A

lF

Ampere-turn/Weber

MESIN ARUS SEARAH (DC)

ADA 2 JENIS MESIN ARUS SEARAH:

1. GENERATOR DC, MERUBAH ENERGI MEKANIK KE ENERGI LISTRIK DC.

2. MOTOR DC, MERUBAH ENERGI LISTRIK DC KE ENERGI MEKANIK.

ADAPUN PRINSIP KERJA GENERATOR DAN MOTOR PADA DASARNYA SAMA, HANYA PROSES KONVERSI ENERGINYA SAJA YANG BERBEDA.

ADAPUN PRINSIP KERJANYA ADALAH SEBAGAI BERIKUT:

PRINSIP KERJA DAN KONSTRUKSI MESIN DC

SUATU MESIN DC TERDIRI DARI STATOR, YANG MERUPAKAN KUMPARAN MEDAN YANG BERBENTUK KUTUB SEPATU DAN ROTOR YANG MERUPAKANKUMPARAN JANGKAR YG TERDIRI DARI BEBERAPA BELITAN KONDUKTOR.

APABILA JANGKAR TSB DIPUTAR OLEH PENGGERAK (MOTOR, TURBIN, TENAGADALAM, DLL), MAKA PADA JANGKAR TSB AKAN TIMBUL GGL. ADAPUN BESARNYA

GGL YG TIMBUL BERDASAR HK. FARADAY ADALAH BEBRBENTUK TEG. BOLAK-BALIK, SEHINGGA DIPERLUKAN SUATU PENYEARAH UNTUK MENGHASILKAN

TEGANGAN SEARAH YANG DI KEHENDAKI. DALAM HAL INI ADALAH KOMUTATOR DALAM MELAKSANAKAN TUGAS TERSEBUT.

U S

ROTOR (JANGKAR) MESIN DCSTATOR MESIN DC

BAGIAN DARI MESIN DC

PRINSIP KERJA MOTOR DC

JENIS-JENIS LILITAN JANGKAR

1. BELITAN GELUNG/JERAT. TERDIRI DARI BEBERAPA KUMPARAN YANG DI HUBUNGKAN SATU SAMA LAIN. APABILA KUMPARAN DIHUBUNGKAN DAN DIBENTUK SEDEMIKIAN RUPA HINGGA SETIAP KUMPARAN MENGGELUNG KEMBALI KE SISI KUMPARAN BERIKUTNYA, MAKA HUBUNGAN ITU DISEBUT BELITAN GELUNG.

2. BELITAN GELOMBANG. KUMPARAN DI HUBUNGKAN SERTA DIBENTUK SEDEMIKIAN RUPA SEHINGGA BERBENTUK GELOMBANG

PRINSIP KERJA KOMUTATOR

SEPERTI DIKETAHUI BAHWA GGL YG DIBANGKITKAN DALAM KUMPARAN JANGKAR BERPUTAR ADALAH BOLAK-BALIK. JIKA KUMPARAN INI DIHUBUNGKAN KE RANGKAIAN LUAR DENGAN MENGGUNAKAN CINCIN SLIP (SLIP RING) ARUS BOLAK-BALIK MENGALIR KE RANGKAIAN LUAR. TETAPI ARUS BOLAK-BALIK

DALAM KUMPARAN JANGKAR ITU DAPAT DI UBAH MENJADI ARUS

SEARAH UNTUK RANGKAIAN LUAR DENGAN MENGGUNAKAN CINCIN

BELAH TUNGGAL (SINGLE- SLIP RING), SEPERTI DITUNJUKAN PADA

GAMBAR . KEDUA BAGIAN ATAU SEGMEN YG TERISOLASI SATU SAMA LAIN

DAN POROS MEMBENTUK KOMUTATOR SEDERHANA.

Tambahan:

PRINSIP KERJA DARI MESIN DC ADALAH SAMA DENGAN PRINSIP KERJA MESIN AC YANG MEMBEDAKAN HANYALAH KONSTRUKSINYA, DIMANA PADA MESIN DC TERDAPAT KOMUTATOR

KONDISI - 1

Sikat

KutubSelatan

KutubUtara

Arah Putar

a

b

Stator

Cincin

c

d

Beban

e

f

PADA KONDISI INI, GGL DI BANGKITKAN DALAM SISI

KUMPARAN DARI b KE a, DAN DARI d KE c, SEPERTI DI TUNJUKAN ANAK

PANAH. RANGKAIAN DI LENGKAPKAN OLEH LAMPU YANG DI

HUBUNGKAN PADA KEDUA SIKAT. GGL YANG DI BANGKITKAN

MENYEBABKAN ARUS MENGALIR KELUAR MELALUI SIKAT ATAS

MELALUI LAMPU MENUJU SIKAT BAWAH, DAN MENGELILINGI

KUMPARAN JANGKAR SEPERTI DITUNJUKAN ANAK PANAH.

KONDISI - 2

KutubSelatan

KutubUtara

Arah Putar

a

b

Stator

c

d

Beban

ef

PADA KONDISI INI KUMPARAN JANGKAR DI GERAKAN 90 DERAJAT,

AKIBATNYA ADALAH GGL = 0 KARENA KEDUA CICNCIN

SLIP TERHUBUNG SINGKAT OLEH SIKAT.

KONDISI-3

KutubSelatan

KutubUtara

Arah Putar

a

b

Stator

c

d

Beban

e

f

PADA KONDISI INI JANGKAR DI PUTAR KEMBALI 90 DERAJAT,

SEHINGGA GGL AKAN KEMBALI TIMBUL DARI a KE b

DAN DARI c KE d, TETAPI SEKARANG SIKAT ATAS

KONTAK DENGAN SEGMEN f DAN SIKAT BAWAH DENGAN

SEGMEN e

KESIMPULAN:

WALAUPUN ARUS DALAM KUMPARAN JANGKAR TELAH DI

BALIK, ARUS SELALU MENGALIR KELUAR DARI SIKAT ATAS KE SIKAT BAWAH MELALUI

LAMPU

PEMBANGKITAN TEGANGAN PADA GENERATOR DC

GGL YANG DI BANGKITKAN PADA SUATU GENERATOR BERDASARKAN HK. FARADAY YAITU:

Ea = C. n. Φ

C = (p/a) x (z/60)

DIMANA:

Ea = GGL YANG DI BANGKITKAN DI JANGKAR (VOLT)

Z = JUMLAH TOTAL KONDUKTOR PADA JANGKAR

Φ = FLUKSI SETIAP KUTUB (WEBER)

n = KECEPATAN JANGKAR (RPM)

a = JUMLAH JALUR PARALEL MELALUI JANGKAR

UNTUK BELITAN GELUNG/JERAT ----- a = pUNTUK BELITAN GELOMBANG ------- a = SELALU 2

Contoh soal

► Hitung ggl yg dibangkitkan oleh sebuah generator 4 kutub, jangkarnya belitan gelombang mempunyai 45 slot dengan 18 penghantar per slot dan diputar pada kecepatan 1200 rpm, flux perkutub adalah 0,016 weber. (518,4 Volt)

► Sebuah generator 2 kutub dengan jangkar belitan gelombang mempunyai 51 slot, setiap slot mempunyai 24 penghantar . Flux perkutub 0,01 weber, pada kecepatan berapa jangkar harus dijalankan shgg menimbulkan ggl sebesar 220V. (1078 rpm)

RANGKAIAN EKIVALEN GENERATOR DC

GGL YANG DIBANGKITKAN DI JANGKAR BERBEDA DENGAN TEGANGAN TERMINAL (Vt) YANG DI HASILKAN OLEH GENERATOR.

JANGKAR GENERATOR TERDIRI DARI LILITAN MEDAN, YANG MEMILIKI NILAI RESISTANSI, JUGA TERDAPAT SIKAT-SIKAT YANG

AKAN MENIMBULKAN DROP TEGANGAN KIRA-KIRA 1 VOLT. SEHINGGA RANGKAIAN EKIVALEN DARI GENERATOR DC DAN

PERSAMAAN YANG TIMBUL ADALAH:

ARM

Ra

Ea

Ia

Vt

Vt = Ea – Ia Ra – Vs

DIMANA:

Ea : GGL PADA JANGKAR (VOLT)

Ia : ARUS JANGKAR (A)

Ra : TAHANAN JANGKAR (OHM)

Vt : TEGANGAN TERMINAL (VOLT)

Vs : DROP TEG. PADA SIKAT (VOLT)

JENIS-JENIS GENERATOR DC

ARM

Ra

Ea

Ia

VtVf

Rhe

Rf

ZL

1. GENERATOR PENGUATAN TERPISAH (BEBAS)

a. DENGAN RHEOSTAT TERHUBUNG PARALEL DENGAN KUMP. MEDAN STATOR

b. DENGAN RHEOSTAT TERHUBUNG SERI DENGAN KUMPARAN MEDAN STATOR

c. TANPA RHEOSTAT, MENGGUNAKAN SUMBER DC YANG VARIABEL.

(a)

ARM

Ra

Ea

Ia

VtVf

Rhe

Rf

ZL

(b)

2. GENERATOR DENGAN PENGUATAN SENDIRI.

a. GENERATOR DC SERI

b. GENERATOR DC SHUNT

c. GENERATOR DC KOMPON PENDEK

d. GENARATOR DC KOMPON PANJANG

ARM

Ra

Ea

Ia

Vt

Rsr

ZL

IL

a. Generator DC Seri. Persamaan yang timbul:

Ia = IL

Vt = IL x ZL

Vt = Ea – Ia (Ra + Rsr)- Vs

Ea = C. n. Φ

b. Generator DC Shunt.

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh ZL

Ish

IL

Persamaan yang timbul

IL = Ia - Ish

Vt = IL x ZL

Vt = Ea – Ia Ra – Vs

b. Generator DC Kompon Panjang

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh ZL

Ish

IL

Rsr Persamaan yang timbul

IL = Ia - Ish

Vt = IL x ZL

Vt = Ea – Ia Ra – Ia Rsr - Vs

Contoh soal

► Sebuah generator dc shunt memberi arus ke beban 450 A, dengan tegangan 230 volt. Tahanan medan shuntnya 50 ohm, tahanan jangkarnya 0,03 ohm. Hitunglah GGL yang dibangkitkan.(243,6V)

► Sebuah generator shunt 100kW, 250Volt, pada jangkarnya diinduksikan tegangan 285Volt. Tentukan berapa tahanan jangkarnya jika diketahui arus medan shuntnya 6 A.(0,086 ohm)

► Sebuah generator DC kompon panjang memberikan arus 100 A pada tegangan terminal 500 V. jika tahanan armature nya 0,02 ohm, tahanan medan seri 0,04 ohm dan tahanan medan shunt 100 ohm, cari GGL yang dibangkitkan jika jatuh tegangan tiap sikat 1 volt.(508,3V)

► Sebuah generator kompon pendek 20KW, bekerja pada beban penuh dengan tegangan terminal 250V. Tahanan belitan shunt, seri dan jangkar, masing-masing 100 Ohm, 0,025 Ohm, dan 0,05 Ohm. Tentukan GGL yang dibangkitkan di jangkar. (256,126V)

b. Generator DC Kompon Pendek

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh ZL

Ish ILRsr

Persamaan yang timbul

IL = Ia - Ish

Vt = IL x ZL

Vt = Ea – Ia Ra – Ia Rsr - Vs

RUMUS TAMBAHAN

DAYA PADA JANGKAR UNTUK SEMUA JENIS GENERATOR

Pa = Ea x Ia (Watt)

RUGI DAN EFFISIENSI PADA GENERATOR DC

RUGI-RUGI PADA GENERATOR DC:

1. RUGI TEMBAGA. TERJADI PADA LILITAN JANGKAR, STATOR, KUMPARAN MEDAN SERI / SHUNT ----- Pcu = I2 . R (WATT)

2. RUGI BESI/MEKANIS ----- Pc (WATT)

EFFISIENSI PADA GENERATOR DC:

%100

%100

xPePcuPout

Pout

xPin

Pout

MOTOR ARUS SEARAH ( MOTOR DC)

Pada prinsipnya mesin listrik dapat berlaku sebagai generator listrik maupun motor listrik. Perbedaannya hanya terletak pada konversi energinya saja, dimana generator merubah energi mekanik ke listrik sedangkan motor merubah dari listrik kemekanik. Maka dengan membalik arah arus dari generator arus searah dimana Vt menjadi sumber teganagan dan dan Ea merupakan GGL lawan, mesin arus searah ini akan berlaku sebagai motor. Oleh karena itu rangkaian ekivalen motor DC adalah :

ARM

Ra

Ea

Ia

Vt

Sehingga persamaan yang timbul:

Ea = Vt – Ia Ra - Vs

JENIS-JENIS MOTOR DC

ARM

Ra

Ea

Ia

VtVf

Rhe

Rf

If

1. MOTOR DC DENGAN PENGUATAN TERPISAH

a. DENGAN RHEOSTAT TERHUBUNG PARALEL DENGAN KUMP. MEDAN STATOR

b. DENGAN RHEOSTAT TERHUBUNG SERI DENGAN KUMPARAN MEDAN STATOR

c. TANPA RHEOSTAT, MENGGUNAKAN SUMBER DC YANG VARIABEL.

ARM

Ra

Ea

Ia

VtVf

Rhe

Rf

ZL

If

2. MOTOR DC DENGAN PENGUATAN SENDIRI.

a. MOTOR DC SERI

b. MOTOR DC SHUNT

c. MOTOR DC KOMPON PENDEK

d. MOTOR DC KOMPON PANJANG

ARM

Ra

Ea

Ia

Vt

RsrIL

a. Motor DC Seri.Persamaan yang timbul:

Ia = IL

Ea = Vt – Ia (Ra + Rsr)- Vs

Ea = C. n. Φ

b. Motor DC Shunt.

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh

Ish

IL

Persamaan yang timbul

IL = Ia + Ish

Ea= Vt – Ia Ra – Vs

b. Motor DC Kompon Panjang

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh

Ish

IL

Rsr Persamaan yang timbul

IL = Ia + Ish

Ea = Vt – Ia Ra – Ia Rsr - Vs

Contoh soal

► Sebuah motor Dc shunt berputar pada kecepatan 1000 rpm dan menarik arus 25 A dari sumber. Jika tegangan sumber 250 Volt dan tahanan jangkar serta tahanan medan berturut-turut 1 ohm dan 250 ohm, hitunglah fluks per kutub jika diketahui jangkar tersebut mempunyai 48 slot dengan 4 konduktor/slot dan dihubungkan gelung. Juga hitung efisiensinya jika rugi-rugi besi, gesekan dan belitan adalah berturut-turut 200W, 350 Watt, dan250 W.

b. Motor DC Kompon Pendek

ARM

Ra

Ea

Ia

VtRsh ZL

Ish ILRsr

Persamaan yang timbul

IL = Ia + Ish

Vt = IL x ZL

Ea = Vt – Ia Ra – IL Rsr - Vs

TORSI MOTOR DC : C. Ia. Φ (N-m)

C= (p/a) x (z/60)

Ia = arus jangkar (A)

Φ = fluks (weber)

PE – REMAN MOTOR DCADA TIGA JENIS PE-REMAN :► Pe-reman Dinamik, pada metode ini penghentian motor

dilakukan dengan memutus aliran tegangan (Vt) dan diganti dengan oleh sebuah tahanan, sehinggan energi sisa putaran diserap oleh tahanan terssebut.

► Pe-reman Regeneratif, energi yang tersimpan pada putaran diberikan ke jala-jala, biasa diterapkan pada kereta listrik.

► Pe reman mendadak, polaritas motor di balik secara mendadak.

Karakteristik motor DC