1 BAB I PENDAHULUAN
1.1. Pengertian Mesin Elektrik I
Mesin Elektrik I adalah mata kuliah tentang perangkat mesin arus searah.
Mesin tersebut dapat berfungsi sebagai generator dan pada saat yang lain dapat berfungsi sebagai motor, karena kedua mesin mempunyai konstruksi yang sama.
Pada pembahasana selanjutnya mesin elektrik I hanya terkait dengan mesin arus searah baik sebagai generator maupun sebagai motor.
Mesin elektrik akan berfungsi apabila memiliki :
a. Belitan medan, untuk mengasilkan medan magnet.
b. Belitan jangkar (armartur), untuk mengimbas GGL (Gaya Gerak Listrik) pada penghantar-pengantar yang terletak pada alur-alur jangkar.
c. Celah udara, yang memungkinkan berputamya jangkar dalam medan magnet.
Pada mesin arus searah, belitan medan pada inti yang berbentuk kutub sepatu merupakan stator dan belitan jangkar berfungsi sebagai rotor (seperti terlihat pada gambar 1.1). Sebagai generator, bila belitan jangkar berputar dalam medan magnet, maka akan dibangkitkan GGL yang berubah-ubah arah setiap setengah putaran, dan merupakan tegangan bolak balik yang diberikan oleh persamaan : e = Emaks Sin t ... (1.1) Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyarah yang disebut komutator dan sikat.
1.2. Ruang Lingkup Mesin Elektrik I
Ruang lingkup yang dipelajari pada Mesin Elektrik I berupa generator dan motor arus searah. Generator berfungsi mengubah energi mekanis dari penggerak mulanya menjadi energi listrik yang diberikan ke beban. Motor arus searah berfungsi mengubah energi listrik yang diterima menjadi energi mekanis berupa kecepatan putar poros yang nantinya dipergunakan untuk memutar peralatan-peralatan produksi.
2
Gambar 1.1. Mesin Arus Searah Dasar dengan Komutator
1.3. Rumus Dasar Mesin Elektik I
Berdasarkan teori elektromagnetik, dapat diturunkan tiga rumus dasar untuk mesin arus searah yaitu untuk tegangan induksi, kecepatan, dan kopel eletromagnetik.
1.3.1. Tegangan Induksi
Untuk tegangan induksi berlaku hubungan
Ea = C . n . ...(1.2)
= Fluks / kutub n = putaran ( rpm)
C = konstanta = ( p/a) x (Z/60) p = jumlah kutub
a = jalur paralel konduktorjangkar Z = jumlah konduktorjangkar
1.3.2. Kecepatan
Rumus kecepatan putar, diturunkan dari rumus tegangan induksi dan merupakan kecepatan tanpa beban yaitu :
C
n E
a ... (1.3) Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan mengubah nilai Ea atau 3 1.3.3. Kopel Elektromagnetik
Rumus kopel elektromagnetik yaitu T =C.Ia.(j)
= Fluks / kutub la = Anisjangkar C = Konstanta
Kopel Elektromagnetik tidak sama dengan kopel yang terdapat pada sumbu.
Kopel sumbu = kopel elektromagnetik - kopel geser
Hubungan lain antara kopel elektromagnetik dengan daya mekanik diberikan oleh persamaan :
Ea Ia. = Tm ...(1.5) di mana Mm = 2n /60
4 BAB II
GENERATOR ARUS SEARAH
2.1. Konstruksi dan Prinsip Kerja Generator Arus Searah
2.1.1, Konstruksi Generator Arus Searah
Konstruksi generator arus searah terbagi atas* dua bagian utama yaitu : 1. Rotor, atau angker adalah bagian yang berputar. Rotor terdiri dari
a. Porosjangkar b. Inti
c. Komutator d. Belitanjangkar.
2. Stator adalah bagian yang diam yang terdiri dari a. Rumah Generator terbuat dari besi tuaog (gandar) b. Kutub utama berserta belitannya
c. Kutub-kutub bantu beserta belitannya d. Bantalan-bantalan Poros
e. Sikat
Gambar Konstruksi dari generator arus searah disajikan pada gambar 2.1.
Gambar.2.1. Konstruksi Mesin Arus Searah
2.1.2. Prinsip Kerja Generator Arus Searah
Berdasarkan Hukum Imbas dari FARADAY yaitu apabila lilitan penghantar diputar memotong garis - garis gaya medan magnet yang diam, atau lilitan penghantar diam dipotong oleh garis-garis gaya medan magnet yang berputar, maka pada penghantar tersebut timbul ggl. GGL yang dibangkitkan pada penghantar jangkar adalah tegangan bolak balik lihat gambar 2.2 tegangan bolak balik
5
tersebut kemudian disearahkan oleh komutator (lihat Gambar 2.3).
Tegangan arus searah tersebut oleh sikat dikumpulkan, kemudian diberikan keterminal Generator untuk di transfer kebeban.
lilitan penghantar berputar
a. Posisi SesaatLilitan Penghantar Berputar
b. Tegangan GGL AC yang dibangkitkan Sebagai Fungsi Sudnt Rotasi
Gambar 2.2. GGL AC Dibangkitan satu lilitan oleh satu lilitan penghantar jangkar
Gambar 2.3. GGL DC yang dibangkitkan oleh satu lilitan penghantar jangkar. Dalam menentukan arah arus dan GGL yang timbul pada pengantar setiap detik berlaku hukum tangan kanan fleming, sebagaimana terlihat pada gambar 2.4.
berikut:
a. Segm en Kom utator dan Sikat b. GGL DC yang telah diSearahkan oleh
Kom utator
6
Gambar 2.4. Hukum Tangan Kanan Fleming Keterangan gambar.
1. Ibu jari menyatakan arah gerak (F ) perputaran penghantar.
2. Jari telunjuk menyatakan arah medan magnet dari kutub utara kekutub selatan (arah B sama degan arah kecepatan fluks )
3. Jari tengah menyatakan arah arus dan tegangan.
Ketiga arah tersebut saling tegak lurus seperti gambar diatas.
Dapat diterangkan bahwa tegangan satu volt adalah ggl yang dibangkitan pada penghantar untuk tiap 108 garis gaya fluks yang dipotong perdetik . Sedangkan tegangan rata-rata yang dibangkitkan dalam suatu penghantar sama dengan garis gaya fluks total yang dipotong dibagi dengan waktu yang dipergunakan. Secara matematik dapat dinyatakan dengan persamaan :
Volt E t
810 .
...(2.1)Di mana:
E = tegangan rata-rata yang timbul dalam suatu penghantar
= fluks total yang dipotong oleh penghantar
t = waktu dipergunakan untuk memotong fluksnya (detik)
Contoh soal 2.1.
Sebuah generator arus searah 2 kutub mempunyai belitan jangkar yang terdiri dari 1296 penghantar total yang dihubungkan dalam 2 garis edar paralel. Jika fluks perkutub 0,321xl06 maxwell dan kecepatan perputaran dari jangkar 1800 rpm.
Tentukan tegangan rata-rata dan tegangan total yang,dibangkitkan !
7 Penyelesaian :
Banyaknya penghantar sen per garis edar paralel = (1296/2) = 648 Banyak fluks yang dipotong perputaran :
= 2.(0,31 x 106 ) = 0,642 x 106 maxwell Putaran jangkar per detik = 30rpm
60 1800
waktu yang digunakan per putaran t = 1/30 = 0,0333 detik
8 6
10 0333 , 0
10 642 , 0
x
Em x =0,193 volt Volt x
Eg 0,193 648125
2.2. Belitan Jangkar
Belitan jangkar jenisnya ada dua macam yaitu : a. Belitan gelung (Lap Winding)
Belitan gelung terdiri dari belitan penghantar, dengan satu belitan penghantar dapat terdiri dari satu atau lebih lilitan yang membentuk trapesium.
Dua ujung belitannya dihubungkan ke segmen komutator yang berdekatan atau yang berjarak satu segmen, dua segmen dan setemsnya. Sehingga memberikan hubungan multiplex yakni simplex, duplex, triplex dan seterusnya. Multiplex tersebut dapat menentukan garis edar (jalur) paralel jalannya arus (a = banyaknya kutub x plex), a = (p . m) seperti terlihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Belitan Jangkar untuk satujenis gelung dengan ujungnya disambung ke segmen komutator.
8 b. Belitan Gelombang (Wave Winding)
Sama halnya dengan belitan gelung akan tetapi kedua ujung kumparan dihubungkan ke segmen komutator yang berjarak 360°, hubungan ke komutator ini juga memberikan multiplex dan menentukan garis edar paralel jalannya arus (a
= 2 x-plex) a = 2p seperti terlihat pada gambar dibawah ini:
Gambar 2.6. Belitan jangkar untuk satujenis lilitan gelombang dengan ujungnya disambung ke segmen komutator.
Contoh 2.2.
Hitung GGL yang dibangkitkan oleh generator dc 4 kutub, jangkar belitan gelombang mempunyai 45 slot'dengan 18 penghantar per slot. Apabila dijalankan pada 1200 rpm, di mana fluks per kutub 0,016 weber.
Penyelesaian :
= 0,016 weber ; n = 1200 rpm; z = 45 x 18 -= 810;
p = 4; a = p/2 = 2; belitan gelombang.
Volt a Volt
p n
E z 518,4
60 .
.
2.3. Pembangkitan Tegangan-Rekasi Jangkar dan Komutasi
2.3.1. Pembangkitan tegangan oleh generator searah akan mengikuti persamaan umum dibawah ini :
znx Volt
E 108
60 .
.
... (2.2)
9 di mana :
Eg =Tegangan total yang dibangkitkan dalam volt
= Fluks perkutub dalam maxwell p = Banyaknya kutub
n = Kecepatan putaran jangkar dalam permenit z = Jumlah total dari penghantar jangkar yang efektif
a = Banyaknya garis edar paralel dari arus pada penghantar jangkar
Pada pembangkitan tegangan induksi generator shunt dalam keadaan tanpa beban dapat dijelaskan bahwa saat mesin dihidupkan (S ditutup) timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya tegangan induksi ini mengalirkan arus pada belitan medan. Arus ini akan menimbulkan fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil. Perhatikan gambar 2.7a. garis lengkung pada gambar 2.7b menggambarkan kurva pemagnetan untuk suatu generator berpenguatan sendiri pada suatu putaran tertentu, sedangkan garis lurus menyatakan persamaan tegangan belitan medan dengan tahanan Tf. OA adalah tegangan yang timbul akibat adanya fluks residu dan menimbulkan arus pada belitan medan sebesar .Ob. Dengan adanya arus kumparan ini, tegangan induksi membesar menjadi Oc (akibat bertambahnya fluks). Selanjutnya tegangan Oc memperkuat arus medan yaitu menjadi sebesar Od. Dengan demikian proses penguatan arus medan berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil yaitu Rd titik x (perpotongan antara kurva pemagnetan dengan garis tahanan medan). Jika tahanan medan diperbesar tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan lemparan medan makin buruk generator tersebut.
10
Gambar 2.7. Pembangkitan tegangan induksi pada generator shunt tanpa beban
2.3.2.Reaksi Jangkar (Armature Reaction)
Fluks yang menembus belitan jarang pada keadaan generator tak berbeban dapat digambar seperti gambar 2.8a. Fluks ini merupakan fluks utama bila genetator dibebani, timbullah arus jangkar. Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar tersebut. Dengan menganggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam belitan medan, fluks ini digambarkan seperti gambar 2.8b. Perhatikan penghantar yang terletak pada daerah ac. Temyata fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkuat, sehingga fluks yang terjadi disini bertambah. Fluks total dimana generator dalam keadaan berbeban adalah jumlah vektoris kedua fluks. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi jangkar. Interaksi kedua fluks tersebut dapat digambarkan seperti gambar 2.8c.
Karena operasi suatu generator arus searah selalu berada pada daerah jenuh, pengurangan fluks di suatu penghantar dibandingkan dengan pertambahan fluks pada penghantar lain lebih besar. Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:
Misalnya sebesar Ox adalah fluks yang dihasilkan tanpa dipengaruhi oleh reaksi jangkar. Misalkan pula dengaji adanya pengaruh reaksi jangkar pertambahan dan pengurangan kuat medan magnet (GGM) yang terjadi pada penghantar jangkar ac dan bd masing-masing sebasar B ampere-turn.
Dengan demikian seperti terlihat pada gambar 2.9, pertambahan fluks pada a. Rangkaian Genetaror Shunt b. Kurva pemagnetan untuk generator penguatan
sendiri pada suatu piitaran tertentii
11
penghantar bd hanyalah sebesar. xy, sedangkan berkurangnya fluks pada penghantar jangkar ac sebesar xz, dimana harga xz lebih besar dari harga xy. Oleh karena itu fluks keseluruhan yang dihasilkan oleh konduktor jangkar akibat adanya reaksi jangkar akan selalu berkurang harganya. Berkurangnya fluks ini dinamakan pendemagnetan.
Bentuk resultan gaya gerak magnet (ggm) akibat mengalirnya arus pada kumparan jangkar (NJe) dapat dilihat pada gambar 2.10. Tampak ggm arus jangkar mengubah bentuk ggm medan utama pada kumparan stator (gambar 2.10).
c. Interaksi fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan fluks utama Gambar 2.8. Fluks yang menembus penghantar jangkar pada generator.
Gambar 2.9. Perbandingan pertambahan fluks dari generator arus searah.
12
Gambar 2.10. Bentuk resultan gaya gerak magnet 2.3.3. Komutasi
Dari prinsip pembangkitan arus searah pada generator setiap pembalikan polaritas tegangan atau komutasi dapat dilakukan dengan pertolongan komutator. Hal ini pun terdapat pada mesin-mesin dengan sisi belitan yang banyak. Pada setiap saat terdapat belitan-belitan yang menjalani komutasi. Lebih lanjut jalannya komutasi ini pada salah satu belitan yang pada gambar 2.11 digambar dengan garis tebal.
Gambar 2.11. Proses Komutasi
Gambar 2.11.a menunjukkan saat sebelum komutasi, gambar 2.11.b menunjukkan keadaan komutasi, gambar 2.11.C keadaan segera setelah komutasi.
Pada saat sebelum komutasi, arah arus dalam belitan yang bersangkutan berlavvanan dengan arah perputaran jarum jam. Setelah komutasi, arah arus balik menjadi searah dengan perputaran jarum jam. Diantara kedua keadaan tersebut,
13
yakni pada saat komutasi tampak bahwa belitan ini dihubungkan singkat oleh sikat. Karena itu untuk menghindarkan arus yang berlebih-lebihan, adalah ideal bila pada saat-saat demikian itu tegangan yang diinduksikan pada belitan sama dengan nol. Darimanakah asalnya tegangan induksi ini ?.
Pertama-tama tegangan dapat diinduksikan bila induksi magnet B ditempat sisi belitan yang menjalani komutasi tidak sama dengan nol. Kecuali itu perlu diingat, bahwa bila generator dibebani dengan arus I, pada kumparan bersangkutan mengalir arus sebesar 1/2. Setelah komutasi, dalam belitan juga dialiri arus sebesar 1/2, akan tetapi dengan arah yang berlawanan. Misalkan waktu' komutasi, yakni waktu yang dibutuhkan oleh segmen 1 untuk pindah dari kedudukan seperti pada gambar 2.11.a kedudukan seperti pada gambar 2-ll.c, adalah tk detik. Maka dalam waktu tk terjadi perubahan arus sebesar I dalam kumparan tersebut. Kalau kumparan yang sedang menjalani komutasi mempunyai induktivitas L, maka dalam kumparan tersebut akan diinduksikan ggl sebesar :
k
k
t
e LI
... (2.3)Untuk menghindarkan arus hubungan singkat yang berlebih-lebihan dalam kumparan, maka ek hams diimbangi. Salah satu jalan, yang biasa dilakukan pada mesin-mesin yang kecil, ialah dengan menggeserkan sikat-sikat searah dengan arah perputaran rotor. Kalau sikat-sikat hanya diletakkan digaris netral yang barn saja, maka induksi magnet setempat sama dengan nol, jadi ek tak ada yang mengimbangi. Untuk itu sikat harus digeserkan agak lebih jauh sedikit kearah perputaran mesin, sehingga dapat ggl yang melawan ek. Jalan inijelas kurang sempurna, karena baik ek maupun letak garis netral yang baru tergantung dari beban mesin, sedang sikat-sikat tidak dapat selalu digeser-geserkan dalam keadaan mesin bekerja. Pada mesin-mesin besar, dipasangkan kutub-kutub bantu untuk memperbaiki komutasi. Kutub-kutub ini dipasangkan diantara kutub-kutub utama dan dialiri oleh arus beban (gambar 2.12). Untuk menekan ek, maka polaritas kutub-kutub bantu haru5 demiJdan, seolah-olah kutub-kutub utama diajukan berlawanan dengan perputaran rotor (bandingkan dengan cara pergeseran sikat-sikat). Jadi urut-urutan yang sesuai dengan generator bila diikuti arah perputaran mesin adalah U-S - S-U- ... dan sebagainya.
14
