MUHAMMAD FIKRI 2107112720
MESIN LISTRIK
DC MOTORS AND GENERATORS
INTRODUCTION TO DC MOTORS
Motor DC (Direct Current) adalah jenis motor listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dengan menggunakan arus searah. Motor ini memiliki dua komponen utama, yaitu rotor (bagian yang berputar) dan stator (bagian yang diam). Ketika arus listrik diterapkan pada rotor, medan magnet yang dihasilkan menyebabkan rotor berputar, menghasilkan gerakan mekanis. Motor DC digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk di dalam perangkat elektronik, otomotif, dan industri, karena keunggulannya dalam pengendalian kecepatan dan torsi yang relatif mudah.
Meskipun telah banyak digantikan oleh motor AC dalam
beberapa aplikasi, motor DC masih digunakan secara
luas di berbagai sektor.
Motor dc sering dibandingkan berdasarkan regulasi kecepatan mereka. Regulasi kecepatan (sr) dari sebuah motor didefinisikan oleh
Regulasi kecepatan pada motor dc adalah ukuran kasar dari karakteristik torsi-kecepatan motor, di mana regulasi kecepatan positif menunjukkan penurunan kecepatan motor dengan beban yang meningkat, sementara regulasi kecepatan negatif menunjukkan peningkatan kecepatan motor dengan beban yang meningkat.
Besarnya regulasi kecepatan memberikan perkiraan seberapa curam kurva torsi-kecepatan motor. Motor dc dioperasikan dari sumber daya dc, dan kecuali dinyatakan sebaliknya, tegangan masukan ke motor dc diasumsikan konstan untuk menyederhanakan analisis motor dan perbandingan antara jenis motor yang berbeda.
Ada lima jenis motor dc utama yang umum digunakan:
1. Motor dc terpisah (separately excited dc motor) 2. Motor dc shunt (shunt dc motor)
3. Motor dc magnet permanen (permanent-magnet dc motor) 4. Motor dc seri (series dc motor)
5. Motor dc dikompound (compounded dc motor)
THE EQUIVALENT CIRCUIT OF A DC MOTOR
Rangkaian ekivalen motor DC ditunjukkan dalam Gambar 8-2. Dalam gambar ini, rangkaian armatur direpresentasikan oleh sumber tegangan ideal EA dan resistor RA , yang sebenarnya merupakan ekivalen Thevenin dari seluruh struktur rotor, termasuk kumparan rotor, interpool, dan gulungan kompensasi, jika ada. Tegangan drop sikat direpresentasikan oleh baterai kecil Vbrush yang melawan arah aliran arus dalam mesin. Gulungan medan, yang menghasilkan fluks magnetik dalam generator, direpresentasikan oleh induktor LF dan resistor RF . Resistor terpisah Radj mewakili resistor variabel eksternal yang digunakan untuk mengontrol jumlah arus dalam sirkuit medan.
Terdapat variasi dan penyederhanaan dari rangkaian ekivalen dasar ini. Tegangan drop sikat seringkali hanya sebagian kecil dari tegangan yang dihasilkan dalam sebuah mesin. Oleh karena itu, dalam kasus di mana itu tidak terlalu kritis, tegangan drop sikat dapat diabaikan atau dimasukkan dalam nilai RA . Juga, resistansi internal dari gulungan medan kadang-kadang digabungkan dengan resistor variabel, dan totalnya disebut RF (lihat Gambar 8-2b). Variasi ketiga adalah bahwa beberapa generator memiliki lebih dari satu gulungan medan, yang semuanya akan muncul dalam rangkaian ekivalen.
Tegangan internal yang dihasilkan dalam mesin ini diberikan oleh persamaan
dan torsi yang diinduksi yang dikembangkan oleh mesin diberikan oleh
Kedua persamaan ini, yaitu persamaan hukum tegangan Kirchhoff pada rangkaian armatur dan kurva magnetisasi mesin, adalah semua alat yang diperlukan untuk menganalisis perilaku dan kinerja motor DC
THE MAGNETIZATION CURVE OF A DC MACHINE
Tegangan internal yang dihasilkan EAdari motor DC atau generator diberikan oleh persamaan:
Oleh karena itu, EAberbanding lurus dengan fluks dalam mesin dan kecepatan rotasi mesin.
Bagaimana tegangan internal yang dihasilkan terkait dengan arus medan dalam mesin?
Arus medan dalam mesin DC menghasilkan gaya magnetomotif medan yang diberikan oleh F=NF
IF.Gaya magnetomotif ini menghasilkan fluks dalam mesin sesuai dengan kurva magnetisasi mesin
(keterangan lebih lanjut dalam kurva tersebut). Karena arus medan berbanding lurus dengan gaya
magnetomotif dan karena EA berbanding lurus dengan fluks, biasanya kurva magnetisasi disajikan
sebagaiplotEAversusarusmedanuntukkecepatantertentuω0.
Perludicatatdisinibahwa,untukmendapatkandayamaksimumperpoundberatdarisuatumesin,
sebagianbesarmotordangeneratordirancanguntukberoperasidekatdengantitiksaturasipadakurva
magnetisasi(padasikukurva).Halinimenyiratkanbahwapeningkatanyangcukupbesardalamarus
medanseringkalidiperlukanuntuk mendapatkan peningkatan yang kecil dalam EAsaatoperasi
beradapadabebanpenuh.
SEPARATELY EXCITED AND SHUNT DC MOTORS
Rangkaian setara dari motor DC terpisah (separately excited) ditunjukkan dalam Gambar 8-5a, dan rangkaian setara dari motor DC shunt ditunjukkan dalam Gambar 8-5b. Motor DC terpisah adalah motor yang sirkuit medannya diberikan daya dari sumber daya tegangan konstan yang terpisah, sementara motor DC shunt adalah motor yang sirkuit medannya mendapatkan daya langsung melalui terminal armatur motor. Ketika tegangan pasokan ke motor diasumsikan konstan, tidak ada perbedaan praktis dalam perilaku antara kedua mesin ini. Kecuali dinyatakan lain, setiap kali perilaku motor shunt dijelaskan, motor terpisah juga termasuk.
Persamaan hukum tegangan Kirchhoff (KVL) untuk rangkaian armatur dari motor-motor ini adalah
KARAKTERISTIK TERMINAL DARI MOTOR DC SHUNT
Karakteristik terminal dari suatu mesin adalah plot dari kuantitas keluaran mesin versus satu sama lain. Untuk motor, kuantitas keluaran adalah torsi poros dan kecepatan, sehingga karakteristik terminal dari motor adalah plot torsi keluaran versus kecepatan.Bagaimana motor DC shunt merespons beban? Misalkan beban pada poros motor shunt meningkat. Maka torsi beban τloadakanmelebihitorsiyangdiinduksiτinddalammesin,danmotorakanmulaimelambat.
Saatmotormelambat,teganganinternalyangdihasilkanturunEA=KΦωm),sehinggaarusarmatur
dalammotorIA=RAVT−EAmeningkat.Seiringdengankenaikanarusarmatur,torsiyangdiinduksi
dalam motor meningkatτind=KΦIA), dan akhirnya torsi yang diinduksi akan sama dengan torsi
bebanpadakecepatanrotasimekanisyanglebihrendahωm).KarakteristikkeluarandarimotorDC
shunt dapat diperoleh dari persamaan tegangan yang diinduksi dan torsi motor ditambah dengan
hukumteganganKirchhoff(KVL).PersamaanKVLuntukmotorshuntadalah
THE PERMANENT-MAGNET DC MOTOR
Motor DC magnet permanen atau PMDC adalah motor DC dengan kutub
terbuat dari magnet permanen, tanpa memerlukan sirkuit medan eksternal seperti motor DC shunt. Keuntungan PMDC termasuk tanpa kerugian
tembaga sirkuit medan dan ukuran yang lebih kecil. Motor ini umumnya digunakan pada daya kecil, hingga sekitar 10 hp, terutama di aplikasi di mana biaya dan ruang untuk sirkuit medan terpisah tidak dapat
dibenarkan. Meskipun mirip dengan motor DC shunt, PMDC memiliki fluks tetap, sehingga kecepatannya dikontrol melalui tegangan armatur atau
resistansi armatur, bukan dengan mengatur arus medan seperti pada motor DC shunt. Teknik analisis untuk motor PMDC sama dengan motor DC shunt dengan arus medan konstan.
THE SERIES DC MOTOR
Motor DC seri adalah motor DC yang gulungan medannya terdiri dari beberapa lilitan yang
terhubung seri dengan rangkaian armatur. Pada motor seri, arus armatur, arus medan, dan arus garis semuanya sama. Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk motor ini adalah
Induced Torque in a Series DC Motor
Karakteristik terminal dari motor DC seri sangat berbeda dari motor shunt yang sebelumnya dibahas. Perilaku dasar dari motor DC seri disebabkan oleh kenyataan bahwa fluksnya berbanding lurus dengan arus armatur, setidaknya sampai mencapai saturasi. Saat beban pada motor meningkat, fluksnya juga meningkat. Seperti yang telah terlihat sebelumnya, peningkatan fluks dalam motor menyebabkan penurunan kecepatannya. Akibatnya, motor seri memiliki karakteristik torsi-kecepatan yang menurun dengan tajam. Fluks dalam mesin ini berbanding lurus dengan arus armaturnya (setidaknya sampai logam jenuh). Oleh karena itu, fluks dalam mesin dapat dinyatakan sebagai:
di mana c adalah konstanta proporsionalitas. Oleh karena itu, torsi yang diinduksi dalam mesin ini diberikan oleh
Dengan kata lain, torsi dalam motor ini berbanding lurus dengan kuadrat arus armaturnya. Akibat hubungan ini, mudah dilihat bahwa motor seri memberikan lebih banyak torsi per ampere dibandingkan dengan motor DC lainnya. Oleh karena itu, motor seri digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan torsi sangat tinggi. Contoh dari aplikasi-aplikasi tersebut termasuk motor starter dalam mobil, motor elevator, dan motor traktor dalam lokomotif
THE TERMINAL CHARACTERISTIC OF A SERIES DC MOTOR
Untuk menentukan karakteristik terminal dari motor DC seri, analisis akan didasarkan pada asumsi kurva magnetisasi linear, dan kemudian efek saturasi akan dipertimbangkan dalam analisis grafis.Asumsi kurva magnetisasi linear menyiratkan bahwa fluks dalam motor akan diberikan oleh Persamaan
Persamaan ini akan digunakan untuk menurunkan kurva karakteristik torsi-kecepatan untuk motor seri.Turunan karakteristik torsi-kecepatan dari motor seri dimulai dengan hukum tegangan Kirchhoff
arus armatur dapat dinyatakan sebagai
SPEED CONTROL OF SERIES DC MOTORS
Kecepatan motor DC seri juga dapat dikendalikan dengan menyisipkan resistor seri ke dalam rangkaian motor, tetapi teknik ini sangat boros daya dan hanya digunakan untuk periode intermittennya selama start-up beberapa motor.
THE COMPOUNDED DC MOTOR
Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk motor DC dikompound adalah
Gaya magnetomotif bersih dan arus medan shunt efektif dalam motor yang dikompound diberikan oleh
DC MOTOR STARTERS
Agar motor DC dapat berfungsi dengan baik dalam pekerjaannya, motor harus dilengkapi dengan beberapa peralatan kontrol dan perlindungan khusus. Tujuan dari peralatan ini adalah:
1. Melindungi motor dari kerusakan akibat hubung singkat dalam peralatan.
2. Melindungi motor dari kerusakan akibat beban berlebih dalam jangka panjang.
3. Melindungi motor dari kerusakan akibat arus awal yang berlebihan.
4. Menyediakan cara yang nyaman untuk mengendalikan kecepatan operasional motor.
DC MOTOR STARTING CIRCUITS
THE WARD-LEONARD SYSTEM AND SOLID-STATE SPEED CONTROLLERS
Kecepatan motor DC terpisah, shunt, atau dikompound dapat diubah dengan mengubah resistansi medan, mengubah tegangan armatur, atau mengubah resistansi armatur.
Kontrol tegangan armatur adalah metode paling berguna karena memungkinkan variasi
kecepatan tanpa memengaruhi torsi maksimum motor. Sistem pengendalian motor telah
berkembang untuk memanfaatkan torsi tinggi dan kecepatan variabel dari kontrol
tegangan armatur motor DC. Sebelum adanya komponen elektronik padat, sulit untuk
menghasilkan tegangan DC yang bervariasi, dan cara umumnya adalah dengan
memberikan generator DC terpisah untuk mengubah tegangan armatur motor DDalam
sistem pengendalian motor seperti itu, tegangan armatur motor dapat dikendalikan
dengan mengubah arus medan dari generator DC. Tegangan armatur ini
memungkinkan kecepatan motor untuk divariasikan dengan mulus antara nilai yang
sangat kecil dan kecepatan dasar. Kecepatan motor dapat diatur di atas kecepatan dasar
dengan mengurangi arus medan motor. Dengan pengaturan yang fleksibel seperti itu,
pengendalian total kecepatan motor menjadi mungkin.
DC MOTOR EFFICIENCY CALCULATIONS
Untuk menghitung efisiensi motor DC, kerugian-kerugian berikut harus ditentukan:
1. Kerugian tembaga (Copper losses)
2. Kerugian drop sikat (Brush drop losses) 3. Kerugian mekanis (Mechanical losses) 4. Kerugian inti (Core losses)
5. Kerugian stray (Stray losses)
Kerugian tembaga dalam motor disebabkan oleh kerugian I2R pada rangkaian armatur dan medan motor. Penghitungannya melibatkan pengetahuan tentang arus dalam mesin dan dua resistansi. Untuk menentukan resistansi rangkaian armatur, rotor diblokir agar tidak berputar, lalu tegangan DC kecil diterapkan ke terminal armatur.
Tegangan disesuaikan hingga arus armatur mencapai nilai beban penuh.
Rasio tegangan terhadap arus armatur adalah RA, dan pengujian dilakukan pada arus beban penuh karena RA bervariasi dengan suhu, dan pada nilai ini, lilitan armatur berada pada suhu operasi normal.
Kerugian drop sikat seringkali kurang lebih digabungkan dengan kerugian tembaga. Jika mereka dianggap secara terpisah, mereka dapat ditentukan dari plot potensial kontak versus arus untuk jenis sikat tertentu yang digunakan. Kerugian drop sikat hanyalah produk dari drop tegangan sikat VBD dan arus armatur IA .
Kerugian inti dan mekanis biasanya ditentukan bersama. Jika motor dibiarkan berputar bebas tanpa beban pada kecepatan tanpa beban, maka tidak ada daya keluar dari mesin. Karena motor tidak terbebani, IA sangat kecil dan kerugian tembaga armatur dapat diabaikan. Oleh karena itu, jika kerugian tembaga medan dikurangkan dari daya masukan motor, daya masukan yang tersisa harus terdiri dari kerugian mekanis dan inti mesin pada kecepatan tersebut. Kerugian ini disebut kerugian rotasi tanpa beban dari motor. Selama kecepatan motor tetap hampir sama seperti saat kerugian diukur, kerugian rotasi tanpa beban adalah perkiraan yang baik dari kerugian mekanis dan inti di bawah beban dalam mesin.
INTRODUCTION TO DC GENERATORS
Generator DC dibandingkan berdasarkan tegangan, daya, efisiensi, dan regulasi tegangan. Regulasi tegangan (VR) didefinisikan oleh persamaan:
di mana VnladalahteganganterminaltanpabebandarigeneratordanVfladalah
teganganterminalpenuhbebandarigenerator.Iniadalahukurankasardaribentuk
karakteristiktegangan-arusgenerator—regulasiteganganpositifberartikarakteristik
menurun,danregulasitegangannegatifberartikarakteristikmeningkat
THE SEPARATELY EXCITED GENERATOR
Generator DC terpisah adalah generator yang medan arusnya dipasok oleh sumber
tegangan DC eksternal terpisah. Rangkaian setara dari mesin tersebut .Dalam rangkaian
ini,teganganVTmewakiliteganganaktualyangdiukurditerminalgenerator,danarusIL
mewakiliarusyangmengalirdalamsaluranyangterhubungketerminal.Teganganyang
dihasilkan internal adalah EA, dan arus armatur adalah IA. Jelas bahwa arus armatur
samadenganarusgarisdalamgeneratorterpisah
THE SHUNT DC GENERATOR
Generator DC shunt adalah generator DC yang menyuplai arus medan sendiri dengan cara menghubungkan medan langsung ke terminal mesinDalam rangkaian ini, arus armatur mesin menyuplai baik sirkuit medan maupun beban yang terpasang pada mesin:
Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk rangkaian armatur mesin ini adalah:
THE SERIES DC GENERATOR
Generator DC seri adalah generator yang medannya dihubungkan seri dengan armaturnya. Karena armatur memiliki arus yang jauh lebih tinggi daripada medan shunt, medan seri dalam generator seperti ini akan
memiliki hanya beberapa lilitan kawat, dan kawat yang digunakan akan jauh lebih tebal daripada kawat dalam medan shunt. Karena gaya
magnetomotif diberikan oleh persamaan F=NI, magnetomotif yang sama persis dapat dihasilkan dari beberapa lilitan dengan arus tinggi seperti yang dapat dihasilkan dari banyak lilitan dengan arus rendah. Karena arus beban penuh mengalir melaluinya, medan seri dirancang untuk
memiliki resistansi yang sesedikit mungkin. Rangkaian setara dari generator DC seri ditunjukkan dalam Gambar 8-56. Di sini, arus armaturarus medan, dan arus saluran semuanya memiliki nilai yang sama.
Persamaan hukum tegangan Kirchhoff untuk mesin ini adalah:
THE CUMULATIVELY COMPOUNDED DC GENERATOR
Sebuah generator DC yang dikompound secara kumulatif adalah generator DC dengan medan seri dan medan shunt, yang dihubungkan sehingga
gaya magnetomotif dari kedua medan bersifat aditif. Titik-titik yang
muncul pada kedua gulungan medan memiliki arti yang sama seperti titik- titik pada transformator: Arus yang mengalir ke dalam suatu titik
menghasilkan gaya magnetomotif positif. Perhatikan bahwa arus armatur mengalir ke ujung titik gulungan medan seri dan bahwa arus shunt IF
mengalir ke ujung titik gulungan medan shunt. Oleh karena itu, gaya magnetomotif total pada mesin ini diberikan oleh:
di mana FF adalah gaya magnetomotif medan shunt, FSE adalah gaya magnetomotif medan seri, dan FAR adalah gaya magnetomotif reaksi armatur. Arus medan shunt efektif setara untuk mesin ini diberikan oleh
THE DIFFERENTIALLY COMPOUNDED DC GENERATOR
Sebuah generator DC yang dikompound secara diferensial adalah generator dengan medan shunt dan medan seri, tetapi kali ini gaya magnetomotif mereka saling
dikurangkanRangkaian setara dari generator DC yang dikompound secara diferensial ditunjukkan dalam Gambar 8-65. Perhatikan bahwa arus armatur sekarang mengalir keluar dari ujung gulungan yang berdot, sementara arus medan shunt mengalir ke ujung gulungan yang berdot. Pada mesin ini, gaya magnetomotif bersihnya adalah:
KESIMPULAN
Motor DC hadir dalam berbagai jenis, termasuk terpisah, shunt, magnet permanen, seri, dan bercampur. Cara medan fluksnya diperoleh memengaruhi karakteristik torsi-kecepatan mereka.
Motor DC terpisah atau shunt memiliki karakteristik torsi-kecepatan dengan penurunan kecepatan linear seiring meningkatnya torsi, dan kecepatannya dapat dikendalikan dengan mengatur arus medan, tegangan armatur, atau resistansi armatur.
Motor DC magnet permanen menggunakan magnet permanen untuk fluks dan dapat dikendalikan kecepatannya dengan metode selain mengubah arus medan. Motor seri memiliki torsi awal tertinggi namun cenderung berkecepatan tinggi pada tanpa beban, cocok untuk aplikasi ber-torsi tinggi seperti motor starter mobil. Motor DC bercampur secara kumulatif menggabungkan karakteristik motor seri dan shunt, sedangkan motor bercampur secara diferensial tidak stabil dan rentan terhadap overspeed.
Generator DC, yang digunakan untuk menghasilkan listrik, memiliki jenis seperti terpisah, shunt, seri, kumulatif bercampur, dan diferensial bercampur. Generator shunt dan bercampur mengandalkan kurva magnetisasi yang tidak linier untuk tegangan keluar yang stabil, ditentukan secara grafis atau numerik karena efek nonlinier. Namun, generator DC semakin digantikan oleh sumber daya AC dan komponen elektronik padat dalam berbagai aplikasi, bahkan dalam mobil.
