I. KONTRUKSI MESIN ARUS SEARAH
1. RANGKA
Rangka (frame atau yoke) mesin arus searah seperti juga mesin-mesin listrik lainnya secara umum memiliki dua fungsi, yaitu :
1. Merupakan sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan. 2. Untuk membawa fluk magnetis yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin.
Untuk mesin kecil, dimana pertimbangan harga lebih dominan dari pada beratnya, biasanya rangka terbuat dari besi tuang (cast iron), tetapi untuk mesin-mesin besar pada umunya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja lembaran (rolled steel).
Rangka ini pada bagian dalam dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti, selain itu rangka ini juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi, disamping kuat secara mekanis.
Gambar 1 : Kontruksi mesin arus searah
2. KUTUB
Magnet penguat atau magnet medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah :
1. Menyebaran fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet
Gambar 2 : Kontruksi kutub dan penempatannya
Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut ke inti kutub. Sedangkan kutub (inti kutub dan sepatu kutub) dubuat atau dikeliling (rivet) ke rangka mesin.
Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau strip/persegi) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu.
3. KOMUTATOR DAN SIKAT
Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan (dropforged), yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Adapun fungsi komutator itu adalah untuk menmgumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat.
Sedangkan sikat terbuat dari karbon, grafit (graphite), logam grafit atau campuran karbon – grafit, yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kotak sikatnya. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan. Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Karbon yang ada diusahakan memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik, dan koefesien gesekan yang rendah untuk mengurangi keausan (excessive wear).
4. KUMPARAN JANGKAR
Gambar 3 : Bentuk umum kumparan jangkar
Adapun jumlah konduktor dalam kumparan jangkar tersebut : Z = 2CN
Dimana : C = jumlah kumparan pada rotor atau segmen komutator pada rotor. N = jumlah lilitan setiap kumparan.
Normalnya bentangan kumparan adalah 1800 listrik, yang berarti ketika sisi
kumparan yang satu berada ditengah suatu kutub, sisi lainnya berada ditengah kutub yang berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling terletak 1800 mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat
mekanis dan derajat listrik dapat digunakan formula sbb :
mekanis listrik θ
2 P
θ
di mana : θlistrik = sudut dalam derajat listrik
mekanis
θ = sudut dalam derajat mekanis
P = jumlah kutub
Kumparan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar
sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Kumparan ini disebut sebagai kumparan kisar penuh (full-pitch coil).
Sedangkan kumparan yang bentangnya kurang dari kisar kutubnya (1800 listrik)
disebut juga sebagai kumparan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan tali busur (chorded winding).
1. Kumparan progresif (Progressive winding). Adalah kumparan yang salah satu ujungnya terhubung dengan logam komutator yang terletak di depan logam komutator di mana ujung lain kumparan yang sama terhubung.
2. Kumparan retrogresif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang salah satu ujungnya terhubung dengan logam komutator yang terletak di belakang logam komutator di mana ujung lain kumparan yang sama terhubung.
Gambar 4 : Kumparan progresif dan kumparan retrogresif
Sedangkan macam konstruksi kumparan rotor ada 3 macam :
1. Kumparan gelung/jerat ( lap winding). 2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan kaki katak (frog-leg winding)
4.1. Kumparan Gelung (Lap Winding)
Kontruksi kumparan gelung dapat digambarkan sebagai berikut
Gambar 5 : Kumparan gelung
Di mana :
YK = m………. (8-3)
YK
Y
J
YJ Y
B
YD
(tanda + untuk hubungan kumparan progresif dan tanda – untuk kumparan retrogresif) m = kelipatan kumparan ; simpleks m = 1, dupleks m = 2, tripleks m = 3, dan seterusnya.
YJ = YD-YB ……… (8-4)
YK = kisar komutator (commutator pitch)
YJ= kisar resultan/kisar jumlah (resultan pitch)
Y= kisar kumparan (pitch of winding)
YB = kisar belakang (back pitch)
YD = kisar depan (front pitch)
Pada kumparan jerat, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak :
a = m.p………. (8-5)
Dengan banyaknya jalur arus pada kumparan jerat ini, maka pilihan yang tepat adalah diaplikasikan pada sistem tegangan rendah dan arus tinggi, karena arusnya dapat dibagikan oleh banyaknya jalur arus pararel tersebut.
Gambar 6 : Efek akibat bantalan yang sudah aus
Adapun kelemahan yang menjadi masalah serius adalah pemanasan yang berlebih
(over-heating). Hal ini dijelaskan sebagai berikut : karena pemakaian mesin arus searah yang cukup lama, maka akan menyebabkan sedikit permukaan bantalan
(bearing) termakan (aus) akibat gesekan , dan akan menyebabkan kumparan bagian bawah akan lebih dekat ke kutubnya dari pada kumparan bagian atas.
Akibatnya terjadi tegangan yang lebih besar pada jalur arus masuk kumparan bagian bawah (yang lebih dekat ke kutub) dibandingkan dengan kumparan bagian atas. Karena semua jalur terhubung pararel, ini menyebabkan adanya arus sirkulasi
S
S
S
U
melalui sikat-sikatnya. Karena resistensi kumparan sangat kecil, perbedaan tegangan yang sangat kecil saja dapat menyebabkan arus sirkulasi yang besar, hingga memberikan efek pemanasan berlebih.
Gambar 7 : Tegangan pada konduktor rotor akibat permukaan bantalan yang termakan sebagian
Untuk mengurangi besarnya arus sirkulasi (karena tak mungkin meniadakan sama sekali) dilakukan dengan menggunakan kumparan penyama (equalizing-windings)
atau disebut juga sebagai equalizers. Dimana kumparan penyama ini menghubung-singkatan titik-titik yang tegangannya sama pada jalur pararel yang berlainan. Untuk kumparan kelipatannya (multipleks), misalnya kumparan ganda (dupleks) masing-masing kumparan berdiri sendiri dengan menggunakan kumparan penyama.
Kumparan gelombang ini disebut juga kumparan seri. Kontruksinya dapat digambarkan sbb :
Gambar 8 : Kumparan gelombang
Dimana :
YJ = YD + YB
YK = p
1) 2(C
……….
(8-6)
Pada kumparan gelombang, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak :
a = 2m ………. (8-7)
Pada kumparan jenis ini, karena jalur arusnya lebih sedikit dari pada kumparan jerat, maka sikatnyapun lebih sedikit, namun untuk mengurangi besarnya arus yang mengalir pada sikat-sikat yang ada, biasanya ditambahkan sikat-sikat ekstra.
Kumparan gelombang ini sangat cocok untuk arus searah bertegangan tinggi, karena jumlah kumparan yang terhubung seri antar segmen komutator memungkinkan tegangan lebih mudah dibangkitkan dari pada jenis kumparan jerat.
4.3. Kumparan Kaki Katak
Kumparan ini pada dasarnya merupakan perpaduan jenis kumparan jerat dan kumparan gelombang. Kumparan gelombang pada jenis kumparan ini berfungsi sebagai penyama (equalizers) kumparan jeratnya.
Adapun banyaknya jalur arus dinyatakan sebagai :
YK YJ
a = 2p.mlap ………. (8-9)
dimana : p = jumlah kutub ; mlap = kelipatan kumparan jeratnya.
Gambar 9 : Kumparan kaki katak atau kumparan penyama mandiri
Contoh soal 1 :
Tuliskan tabel uraian gulungan untuk kumparan jerat simpleks 2 lapis dari generator arus searah kutub 4 yang memiliki 20 jalur. Berapa besar kisar depan dan kisar belakangnya ?
Jawaban :
Diketahui : Generator arus searah jenis kumparan jerat simpleks P = 4 kutub C = 20 N = 1
Tabel uraian gulungan :
Hubungan belakang Hubungan depan
1 ke (1+11)=12 12 ke (12 – 9)=3
3 ke (3 + 11) = 14 14 ke (14 – 9 )=5
5 ke (5+11) = 16 16 ke (16 – 9 )=7
7 ke (7+11) = 18 18 ke (18 – 9 )=9
9 ke (9+11) = 20 20 ke (20 – 9 )=11
( kumparan progresif )
Kumparan gelung
11ke (11+11) = 22 22 ke (22 – 9 )=13
13ke (13+11) = 24 24 ke (24 – 9 )=15
15ke (15+11) = 26 26 ke (26 – 9 )=17
17ke (17+11) = 28 28 ke (28 – 9 )=19
19ke (19+11) = 30 30 ke (30 – 9 )=21
21ke (21+11) = 32 32 ke (32 – 9 )=23
23ke (23+11) = 34 34 ke (34 – 9 )=25
25ke (25+11) = 36 36 ke (36 – 9 )=27
27ke (27+11) = 38 38 ke (38 – 9 )=29
29ke (29+11) = 40 40 ke (40 – 9 )=31
31ke (31+11) = 42 karena 42>Z, maka:42 – 40 = 2 2 ke (42 – 9 )=33 33ke (33+11) = 44, karena 42>Z, maka:44 – 40 = 4 4 ke (44 – 9 )=35 35ke (35+11) = 46, karena 46>Z, maka:46– 40 = 6 6 ke (44 – 9 )=37 33ke (33+11) = 48, karena 42>Z, maka:48 – 40 = 8 8 ke (44 – 9 )=39 33ke (33+11) = 50, karena 42>Z, maka:50 – 40 = 10 10ke (44 – 9 )=4,
karena 41> Z, maka : 41 – 40 = 1
10 ke 1 sehingga sket hubungan kumparannya :
Bagian
Belakang 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 2 4 6 8 10
Bagian 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 1
Depan
Gaya gerak listrik rata-rata yang dibangkitkan perkondutor (1 lilitan), sesuai hukum induksi elektromagnetik Faraday = d/dt Volt
Dimana :
d = .p [Weber] : fluks yang memotong kumparan per konduktor dalam satu putaran.
dt = 60/N = waktu yang dibutuhkan untuk melakukan 1 kali putaran perdetik.
N = kecepatan putar rotor (dalam putaran perdetik = RPM);p = jumlah kutub generator.
Sehingga didapat :
60
Penyesuaian Rumus untuk diatas 2 jenis kumparan generator arus searah :
1. Kumparan gelombang (simplex wave-wound). Memiliki jalur pararel 2 dan jumlah konduktor (yang terhubung seri) pada satu jalur = Z//2
Z = jumlah konduktor jangkar = jumlah slot X jumlah konduktor /slot sehingga ggl yang dibangkitkan setiap jalur :
120
2. Kumparan jerat (simplex lap-wound). Memiliki jalur pararel sama dengan jumlah kutubnya (p) dan jumlah kondukroe (yang terhubung seri ) pada satu jalur sebanyak Z/p.
Sehingga ggl yang dibangkitkan setiap jalur :
60
Secara umum besarnya ggl yang dibangkitkan oleh generator ditulis sebagai :
Hitung fluks yang terdapat dalam dinamo (generator arus searah) 4 kutub dengan 772 konduktor jangkar yang membangkitkan tegangan 500 volt, ketika berputar pada kecepatan 1.000 putaran perdetik , jika jangkar :
1. Dalam hubungan jerat
2. Dalam hubungan gelombang.
Jawaban :
Diketahui : Generator arus searah
P = 4 kutub, Z = 722 konduktor, EA = 500 Volt, N = 1000 RPM
Ditanya : kumparan hubungan jerat ?
kumparan hubungan gelombang ?
Solusi :
1. Untuk kumparan terhubung jerat : a = p = 4
