Mesin Arus Searah

GENERATOR DC 

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu: 

1. Generator penguat terpisah 

2. Generator shunt

3. Generator kompon 

1. Konstruksi Generator DC Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. 

Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC. 

Gambar 1. Konstruksi Generator DC Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. 

2. Prinsip kerja Generator DC 

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. 

Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat, sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. 

Untuk mengatasi permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. 

Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini. 

 Gambar 1.3 Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan mendesain bentuk sepatu kutub. 

Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan. 

KOMUTASI 

Mesin listrik disebut mesin DC (arus searah) karena mempunyai sistem komutasi pada cara kerjanya dimana fungsi dari komutator ini adalah menyearahkan arus-tegangan dari AC menjadi DC secara mekanis pada terminalnya untuk generator DC. Sedangkan pada motorDC untuk menjalankannya memerlukan catu daya DC yang dikonversike AC pada kumparan jangkarnya.Komutasi tersebut dilakukan oleh salah satu komponen mesin DC yang disebut komutator. Adapun prinsip kerja dari komutator dapat dijelaskan sebagai berikut: 

Dari gambar 3 ditunjukkan saat-saat komutator bergerak dari posisi di t0 sampai pada posisi t5. Pada saat t = t0 , segmen komutator tepat berimpit dengan carbon brush (sikat arang). 

Jika ada dua jalan parallel dalam kumparan jangkar tersebut maka arus jangkar Ia yang mengalir pada masing-masing jalan parallel adalah Ia/2 dengan arah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dengan demikian arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/2 dan arahnya ke kanan. 

Jika arah putaran jangkar ke kanan seperti pada gambar 3 dan pada saat t = t1 , sikat terletak diantara dua komutator dengan perbandingan 1 : 3 maka distribusi arus pada masing-masing segmen komutator adalah Ia/4 pada komutator sebelah kiri , dan 3Ia/4 pada komutator sebelah kanan. Dari hukum Kirchoff untuk arus, kita dapatkan besar arus yang megalir pada kumparan A = Ia/4 dengan arah masih tetap ke kanan. Pada t = t2 posisi sikat tepat berada ditengah-tengah diantara dua segmen komutator, sehingga tidak ada arus yang mengalir pada kumparan A (pada kondisi ini kumparan A sama dengan berada di bidang netral). Pada t = t3 sikat berada antara dua segmen komutator dengan perbandingan letak 1 : 3. Disini arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/4, dengan arah arus terbalik yaitu ke kiri. Akhirnya pada t = t4 sikat meninggalkan segmen komutator sebelah kiri. Pada kumparan A mengalir arus sebesar Ia/2 yang arahnya ke kiri. Jika arus dalam kumparan A digambarkan sebagai fungsiwaktu diperoleh hasil seperti terlihat pada gambar 4. 

Fungsi tersebut merupakan fungsi linier komutasi yang dihasilkan jika rapat arus dalam sikat seragam. Tapi karena adanya pengaruh induktans kumparan dan tahanan sikat untuk arus yang cukup besar maka fiungsi tersebut tidak linier lagi melainkan berupa garis lengkung. Demikianlah dengan adanya arus yang berbalik arah dalam kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet dihasilkan tegangan induksi (ggl) dengan bentuk gelombang seperti pada gambar 5. 

EFISIENSI 

Efisiensi Generator DC Seperti halnya dengan mesin-mesin lainnya , pada mesin listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai: Efisiensi yang dinyatakan dalam persamaan diatas disebut pula sebagai efisiensi komersial atau efisiensi keseluruhan (overall efficiency). Selain itu dalam generator searah dikenal dua macam efisiensi lainnya, yaitu : Berikut ini diagram aliran daya untuk generator arus searah : Dimana : Pin = Tmek Kondisi efisiensi maksimum generator arus searah akan terjadi bila : Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut : D dengan asumsi rugi variabel hanya berupa rugi tembaga kumparan jangkar di dapat : dengan asumsi IA = Ib = I, maka : dengan asumsi IA = Ib = I, maka : Kecepatan Putar Generator Sinkron Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah: (1.1) yang mana: fe = frekuensi listrik (Hz) nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm) p = jumlah kutub magnet Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm. 3. 

Jangkar 

Generator DC Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar. Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang. 

Gambar 4. Jangkar Generator DC. 4. 

Reaksi Jangkar Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi. Gambar 5. Medan Eksitasi Generator DC Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 6). 

Gambar 6. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b). 

Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator. Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada Gambar 7.(a). 

Gambar 7. Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b). Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya. Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu: • lilitan magnet utama • lilitan magnet bantu (interpole) • lilitan magnet kompensasi 5.

 Jenis-Jenis Generator DC Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:

1. Generator penguat terpisah 

2. Generator shunt 

3. Generator kompon 

• Generator Penguat Terpisah Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu: 1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a) 2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b) Gambar 8. Generator Penguat Terpisah. Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2. Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya. Karakteristik Generator Penguat Terpisah Gambar 9. 

Karakteristik Generator Penguat Terpisah Gambar 9 menunjukkan: 

a. karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar. 

b. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar. 

c. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil. • Generator Shunt Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. 

Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada Gambar 10. Gambar 10. 

Diagram Rangkaian Generator Shunt Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut. 

Karakteristik Generator Shunt Gambar 11. Karakteristik Generator Shunt. Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.

• Generator Kompon Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt. Gambar 12. 

Diagram Rangkaian Generator Kompon Karakteristik Generator Kompon Gambar 13. Karakteristik Generator Kompon Gambar 13 menunjukkan karakteristik generator kompon. 

Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik. 

TORSI 

Pengertian Torsi Motor DC Posted on March 14, 2015 by dealer 

Torsi adalah kemampuan puntir yang diberikan pada suatu benda, sehingga menyebabkan benda tersebut berputar. Torsi di rumuskan dengan T = F x r dimana T (Torsi), F (Gaya), r (jarak). Yang artinya Gaya dikali dengan jarak yang ditunjukkan dalam satuan Kg.m (Kg/m), Kg.cm (Kg/cm), atau N.m (N/m). Di dalam ilmu fisika, gaya adalah kemampuan dorong atau kemampuan tarik yang dapat menyebabkan sebuah objek dengan massa tertentu untuk bergerak atau berpindah tempat. Adapun gaya yang bekerja adalah gaya normal (gaya yang tidak dipengaruhi oleh gaya gravitasi maupun gaya gesek). Contoh aplikasi : Pada motor DC tertera spesifikasi Torsi 8,6 Kg.cm Artinya motor DC tersebut mempunyai kemampuan puntir dengan gaya dorong sebesar 8,6 Kg per 1 cm jarak. Dimana jarak yang dimaksud disini adalah jarak titik tengah shaft terhadap pulley atau roda. Jika Anda memakai pulley atau roda dengan jarak antara shaft dan pulleynya sebesar 2 cm dan kemampuan puntir 8,6 Kg.cm maka gaya dorong motor terhadap beban akan berkurang menjadi setengahnya yaitu sebesar 4,3 Kg. 

Daftar pustaka 

 

http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/19982/3/Chapter%20II.pdf http://dunia-listrik.blogspot.co.id/2009/01/generator-dc.html http://masholis.blogspot.co.id/2009/04/13-komutasi.html https://arifsh2009.wordpress.com/2014/11/02/generator-dan-motor-dc/ https://motordcgearbox.wordpress.com/2015/03/14/pengertian-torsi-motor-dc/