21/11/2016
T e k
k T e n
g a L is t r i Komutator
Belitan Belitan mesin listrik DC
Generator
e h :
z a A g u n g F i
a n s y a h S .S T .
T .
DC
Reaksi
Jangkar
Motor
DC
Eksitasi Pengaturan
S T T U T T E K N 2 0 1 6
I A D
I
A S U R A B A Y
Apabila sejumlah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotong suatu medan magnet, dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks didalam konduktor konduktor dengan dengan panjang panjang efektif l adalah :
kecepatan
Pengereman
Arus listrik yang dialirkan
dalam suatu medan magnet dengan kerapatan fluks (B) akan menghasilkan suatu gaya (F).
Arah gaya ditentukan oleh aturan tangan kiri fleming. Prinsip ini merupakan prinsip dasar sebuah motor
Sehingga :
STATOR rangka motor
rotor dan stator stator.. Umumya mesin listrik dinamik terdiri dari rotor Antara
rotor dan stator ada celah udara.
belitan stator sikat arang bearing dan terminal box. ROTOR komutator belitan rotor kipas rotor dan poros rotor. rotor.
Kumparan
a – a bila diputar CCW akan membangkitkan tegangan yang arahnya mendekati mendekati konduktor a dan menjauhi konduktor –a.
Tegangan Tegangan yang dibangkitkan berubah-ubah setiap setengah putaran sehingga merupakan tegangan tegangan AC.
1
21/11/2016
Jika suatu kumparan diputar di dalam medan magnet, dan apabila di ujung kumparan dipasang cincin, maka tegangan yang keluar dari ujung kumparan ini merupakan gelombang sinusoidal.
Untuk mengubah gelombang sinusoidal menjadi satu arah maka cincin yang digunakan harus berupa komutator (cincin belah). Prinsip ini digunakan dalam mesin listrik arus searah (DC).
p W i
Belitan gelung (Lap Winding)
Yc: kisar komutator Belitan Gelombang (Wave winding)
e W i
1
Jumlah brush = jumlahpole
Jumlah brush = 2
2
Disebut juga belitan paralel
Disebut juga belitan seri
3
Membutuhkan equalizer ring Membutuhkan dummy coil untuk untuk mendapatkan komutasi memberikan keseimbangan yang baik. mekanik pada armatur.
4
Digunakan untuk mesin listrik Digunakan untuk mesin listrik dengan tegangan rendah dengan tegangan tinggi dengan dengan arus tinggi. arus rendah.
5
Jalur paralel sebanding dengan Jalur paralel=2 jumlah kutub
Berdasarkan teori elektromagnetik, mesin listrik memiliki 3 persamaan dasar yaitu mengenai tegangan induksi, kecepatan, dan kopel elektromagnetik.
Kecepatan diturunkan dari persamaan sebelumnya.
Tegangan induksi didapatkan dari:
Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan mengatur nilai Ea atau . Kopel elektromagnetik
Dimana
= fluks/kutub; n= putaran (RPM); C=konstanta
Hubungan kopel dengan daya mekanik adalah:
dengan p=jumlah kutub; a=jalur paralel konduktor jangkar, z= jumlah konduktor jangkar
2
21/11/2016
Generator
adalah Mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik dengan menggunakanprinsip induksi elektromagnetik. Prinsip ini didasari oleh sebuah konduktor yang bergerak didalam medan magnet, maka akan menghasil sejumlah tegangan. Besar tegangan yang dihasilkan dipengaruhi oleh : Kuat medan magnet Sudut konduktor memotong medan magnet Kecepatan konduktor bergerak Panjang konduktor didalam medan magnet.
Tegangan efektif adalah ekivalen dengan level tegangan DC yang a ta - a t menyebabkan n i a i a r u s . Dengan menggunakan tambahan koil jangkar, maka tegangan e n j a d i n o l v o l . Dengan kata lain mengurangi r i yang terjadi. Kondisi riil banyak generator yang memakai lebih dari sepasang koil jangkar maupun koil kutub medan.
Untuk menghasilkan GGL yang lebih besar, apa saja yang perlu ditambahkan?
Hampir didalam kenyataan/ praktisnya generator menggunakan e le k o m a g n e t i kutub sebagai pengganti permanent magnet. Kutub medan elektromagnetik terdiri atas koil kawat tembaga yang terisolasi. Fungsi utama kutub elektromagnetik adalah : Menambah kuat medan Sebagai alat kontrol kuat medan, yang mengontrol tegangan output generator
Eksitasi
adalah cara memberikan fluks dalam generator/motor dengan cara memberikan arus listrik pada kumparan medan. Ada 2 macam eksitasi yaitu:
Eksitasi bebas Eksitasi sendiri
Seri
Paralel
Kompon panjang
Kompon pendek
Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan akan menghasilkan arus akan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator. Jika generator dihubungkan dengan beban, dan adalah tahanan dalam generator, maka hubungan dapat dinyatakan dengan:
3
21/11/2016
Pada saat generator dibebani maka akan mengalir arus didalam jangkar. Seperti teori sebelumnya bahwa setiap konduktor yang dialiri aliran arus maka akan menghasilkan medan magnet. Pada saat generator dihidupkan (S tutup), timbul suatu fluks residu yang berada dalam kutub. Saat rotor berputar, akan dibangkitkan tegangan induksi pada sikat Induksi ini mengalirkan arus ke kumparan medan
Medan magnet yang disebabkan karena arus jangkar ini akan mendistorsi medan magnet utama. Maka reaksi antara medan magnet yang dihasilkan oleh kutub medan dan medan magnet yang dihasilkan oleh jangkar dinamakan r e a k s i j a n g k a r .
Arus ini memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya Proses ini berlangsung hingga tegangan stabil
4
21/11/2016
A. Medan magnet utama yang dihasilkan arus medan B. Medan magnet jangkar yang dihasilkan arus jangkar C. Medan magnet utama terdistorsi oleh medan magnet jangkar, yang menyebabkan bergesernya bidang netral. Bergesernya bidang netral menyebabkan terjadinya percikan bunga api atau arcing antara komutator dan sikat. Juga akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mencegah terjadinya arcing maka sikat juga harus digeser ke bidang netral. Tetapi hal ini tidak sepenuhnya menyelesaikan permasalahan. Efek reaksi jangkar tergantung dari variasi beban. Karena dengan berubahnya arus beban maka bidang netral juga berubah. Dengan kata lain posisi sikat harus diubah mengikuti bidang netral pada setiap waktu ada perubahan arus beban.
Voltage regulation generator berarti perubahan tegangan ketika terjadi perubahan beban. Biasanya acuan yang digunakan adalah perubahan kondisi no load ke kondisi full load.
Pada generator skala kecil efek reaksi jangkar dapat dikurangi dengan mekanis menggeser posisi sikat. Pada generator skala besar efek reaksi jangkjar dapat dikurangi dengan menambahkan compensating winding atau interpole.
Semakin kecil nilai persentase regulasi tegangan, maka semakin bai k generator.
Contoh: Sebuah generator, tegangan tanpa beban 462 V, sedangkan pada beban penuh 440 V. Berapakah regulasi tegangan dalam persen ?
1) Hitung GGL pada generator DC 8 kutub dengan belitan gelung jika generator berputar dengan kecepatan 300 RPM dengan medan magnet sebesar 0,05 Weber, dan memiliki 960 konduktor jangkar! 2) GGL sebuah generator tanpa beban sebesar 500V. Generator tersebut memiliki jumlah belitan 144 alur dengan 6 batang konduktor per alur dan dihubungkan secara belitan gelung. Jika generator mempunyai 8 kutub, berapakah besar fluks/kutub jika kecepatan nominal sebesar 400 RPM! 3) Generator kompon panjang 4 kutub mempunyai rating 500V 25kW pada beban penuh. Jika tahanan jangkar 0,03 Ω , tahanan medan seri 0,04 Ω, dan tahanan medan shunt 200 Ω, tentukan GGL jika tegangan jatuh pada sikat sebesar 1 V/sikat! 4) Generator shunt 4 kutub mensuplai arus 400A pada tegangan 230V. Tahanan jangkar dan medan berturut-turut sebesar 0,15 Ω dan 100 Ω. Hitunglah arus pada konduktor (belitan gelung) dan GGL (asumsi tegangan drop sikat sebesar 1V/sikat!
5
21/11/2016
Pada
prinsipnya mesin listrik dapat berlaku sebagai motor maupun generator.
Eksitasi pada motor dc sama dengan generator dc yaitu:
Yang berbeda hanya terletak pada konversi daya.
Motor DC Shunt
Motor DC Seri Motor DC Kompon (panjang, dan pendek)
KonsepMesinDC Generator Motor
DC
DC
Paralel
Motor DC eksitasi sendiri
= Ia. Ra + Vt = Ea + Ia . Ra
6
21/11/2016
Motor types:
Motor types: Separately Excited DC motors.
m t o r
e em
t m
e D
A permanent magnet DC (PMDC) motor is a motor whose poles are made out of permanent magnets.
Separately excited DC motor : a field circuit is supplied from a separate constant voltage power source.
Advantages: 1. Since no external field circuit is needed, there are no field circuit copper losses; 2. Since no field windings are needed, these motors can be considerable smaller.
The Equivalent Circuit of Separately Excited dcMotor.
From the above figure,
Disadvantages:
I F
1. Since permanent magnets produces weaker flux densities then externally supported shunt fields, such motors have lower induced torque. 2. There is always a risk of demagnetization from extensive heating or from armature reaction effects (via armature mmf).
V F R F
V T
E A I A R A
I L
I A
A compounded DC motor is a motor with both a shunt and a series field.
A series DC motor is a DC motor whose field windings consists of a relatively few turns connected in series with armature circuit. Therefore:
Current flowing into a dotted end of a coil (shunt or series) produces a positive mmf.
V T E A I A R A RS
If current flows into the dotted ends of both coils, the resulting mmfs add to produce a larger total mmf cumulative compounding.
Long-shunt connection
If current flows into the dotted end of one coil and out of the dotted end of another coil, the resulting mmfs subtract differential compounding.
V T E A I A R A RS
(5.85.1)
Short-shunt connection
T k A I A
The currents in a compounded DC motor are
I F
I A I L I F
V T
(5.85.2)
T = torque of armature (N-m)
R F (5.85.3)
The mmf of a compounded DC motor:
Cumulatively compounded
F net F F F SE F AR
kA = geometry constant = flux/pole (Wb)
(5.85.4)
I A = armature current (A)
Differentially compounded
The effective shunt field current in a compounded DC motor: *
I F
I F
N SE N F
I A
F AR N F
(5.85.5) Number of turns
7
21/11/2016
k A
pN 2 M
(rad / s), k A'
pN 60 M
P EI A
(rpm)
P=power (W) – not counting losses
p = number of field poles
E = EMF induced in armature (back EMF)
N = number of active conductors on armature
I A = armature current (A)
M = number of parallel paths in armature winding (=p for lap
T = torque of armature (N-m)
winding, =2 for wave winding)
= speed of rotation (rad/s) Note that Pin = VLIL which will be higher than P because of loss in the field and armature windings as well as rotational (friction) losses.
Ketika suatu motor DC berputar, dia juga beraksi seperti generator. Ada medan magnet yang dihasilkan oleh kutub magnet, ada kumpulan kawat yang berputar, dan memotong medan magnet tersebut. Kalau diterjemahkan fungsi generator menggunakan aturan tangan kiri maka akan terlihat bahwa arah arus yang dihasilkan oleh generator akan melawan arus yang dihasilkan tegangan yang dikenakan dijangkar motor. Hal inilah yang dinamakan EMF Counter. Arus EMF counter juga berfungsi untuk membatasi arus dari sumber, sebab apabila tidak ada EMF maka arus yang mengalir dalam motor akan menjadi lebih besar.
E k A k A' n
+ E
VT
-
-
E I A R A
60 2
kA = geometry constant = flux/pole (Wb) = speed of rotation (rad/s) n = speed of rotation of armature (rpm)
n
V T
n
E = EMF induced in armature (V)
R A +
T
V T
I A R A '
k A
(applies to shunt connected motor only) Note that can also be written as kf If where kf is /If (normally a constant ratio)
VT = voltage at motor terminals E = EMF induced in armature (V) I A = armature current (A)
RA = armature resistance
Ratio Equation
n2 n1
E 2 E 1
8
21/11/2016
Speed Differential Compound
Cumulative Compound
Saat akan dijalankan, kecepatan dan tegangan induksi Ea sama dengan nol.
Sehingga dari persamaan
maka Ia bernilai sangat
besar karena nilai Ra cukup kecil.
Shunt
Series
Untuk
membatasi Ia maka diperlukan tahanan mula yang diseri dengan Ra.
Torque
Pengubah nilai tahanan bisa dilakukan secara manual maupun otomatis dengan relay elektromagnetik.
, atau
Dari persamaan tersebut, bagaimana cara mengatur kecepatan motor dc?
Dilakukan dengan cara mengubah nilai IF. Sederhana, murah, dan rugi panas yang ditimbulkan kecil. Cara ini hanya dapat dilakukan pada motor eksitasi sendiri, shunt, dan kompon.
Menyisipkan tahanan variabel secara seri dengan tahanan jangkar. Cara ini mudah dilakukan namun jarang dipakai karena rugi panas yang besar.
9
21/11/2016
Dikenal juga dengan sistem Ward Leonard Umumnya digunakan dalam motor berpenguatan bebas Cara ini menghasilkan pengaturan putaran yang halus Kelemahan sistem ini adalah biaya yang sangat mahal karena menambahkan generator dan penggerak mula
Pengereman pada motor dc umumnya digunakan tiga cara: Mendadak Dinamik Regeneratif
Pengereman mendadak dilakukan dengan cara membalik polaritas motor dc. Namun agar arus pengereman tidak terlalu besar maka disisipkan sebuah tahanan.
Pengereman dinamik dilakukan dengan mengganti Vt dengan sebuah tahanan. Saat Vt dilepas dan diganti oleh tahanan, maka motor akan berperan sebagai generator tanpa penggerak mula. Sehingga kecepatan putaranya akan turun.
Rugi-rugi yang muncul pada mesin dc: Rugi Besi (eddy current dan histeresis) Rugi Listrik (Rugi tembaga) Rugi Mekanik (rugi sikat, sumbu, gesekan)
Pengereman regeneratif dilakukan dengan cara memfungsikan motor sebagai generator. Energi yang tersimpan dalam putaran dikembalikan ke sistem power suplai. Jika power suplai berupa baterai maka pengereman regeneratif dilakukan untuk mengisi (mencharge) baterai.
Unfortunately, not all electrical power is converted to mechanical power by a motor
The efficiency of a DC machine is:
A=Medan shunt B=Medan Seri C=R Sikat D=R jangkar E=histeresis F=mekanik
or
P out P in
x100%
P in P loss P in
x100%
10
21/11/2016
There are five categories of losses occurring in DC machines.
2. Brush (drop) losses
1. Electrical or copper losses
brushes of the machine.
the resistive losses in the armature and field
P BD
windings of the machine. Armature loss: Field loss:
the power lost across the contact potential at the
P A
P F
2 A
I
R A
2 F
I
R F
V BD I A
Where I A is the armature current and V BD is the brush voltage drop. The v oltage drop across the set of brushes is approximately constant over a large range of armature currents and it is usually assumed to be about 2 V.
Where I A and I F are armature and field currents and R A and R F are armature and field (winding) resistances usually measured at normal operating temperature.
3. Core losses
hysteresis losses and eddy current losses. They v ary as B2 (square of flux density) and as n1.5 (speed of rotation of the magnetic field).
4. Mechanical losses
losses associated with mechanical effects: f riction (friction of the bearings) and windage (friction between the moving parts of the machine and the air inside the casing). These losses vary as the cube of rotation speed n3.
On of the most convenient technique to account for power losses in a machine is the power-flow diagram. For a DC motor:
5. Stray (Miscellaneous) losses
losses that cannot be classified in any of the previous categories. They are usually due to inaccuracies in modeling. For many machines, stray losses are assumed as 1% of f ull load. Electrical power is input to the machine, and the electrical and brush losses must be subtracted. The remaining power is ideally converted from electrical to mechanical form at the point labeled as P conv .
Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik”, Penerbit ITB.
The electrical power that is converted is
P conv
E A I A
And the resulting mechanical power is
P conv
ind m
After the power is converted to mechanical form, the stray losses, mechanical losses, and core losses are subtracted, and the remaining mechanical power is output to the load.
11
