GENERATOR DAN MOTOR DC

 Selamat malam sobat blogger. Malam ini saya mulai postingan awal saya mengenai Generator dan Motor DC. Sebenarnya sih postingan ini juga sekalian untuh memenuhi tugas mata kuliah Teknik Tenaga Listrik di kampusku tercinta Universitas jember.. hehe,,, Ok Gak usa panjang lebar, mari kita langsung bahas mengenai Generator dan Motor DC

Pendahuluan

Mesin DC dapat difungsikan sebagai generator DC maupun sebagai motor DC. Saat sebagai generator DC fungsinya mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sedangkan sebagai motor DC mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Secara umum konstruksi motor dan generator DC adalah sama, yaitu terdiri dari stator dan rotor. Motor-motor DC pada awalnya membutuhkan momen gerak (gaya torsi) yang besar dan tidak memerlukan kontrol kecepatan putar. Kecepatan putar motor selanjutnya akan dikontrol oleh medan magnet.
Generator adalah suatu mesin yang dapat mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik.Tenaga mekanik di sini digunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet ataupun sebaliknya memutar magnet diantara medan kunparan kawat penghantar. Tenaga mekanik dapat berasal dari tenaga panas, tenaga potensial air, motor diesel, motor bensin bahkan ada yang berasal dari motor listrik.

Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
• Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
• Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.

Bagian – Bagian 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.

gb 1. Konstruksi generator DC

Keterangan :

1) RANGKA STATOR

Rangka Stator, dibuat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian lain dalam generator. Fungsi utamanya adalah sebagai tempat untuk mengalirnya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.

2) INTI KUTUB MAGNET

Inti kutub magnet , berfungsi sebagai tempat terjadinya fluks magnet. Untuk generator dengan kapasitas kecil digunakan magnet permanen, dan untuk generator kapasitas besar digunakan magnet buatan (elektromagnetik).

3) Rotor

Rotor merupakan bagian yang berputar. Pada Genenrator DC jangkar yang digunakanbiasanya berbentuk silinder yang pada bagian permukaannya diberi alur-alur sebagai tempat kawat-kawat lilitan. Bahan yang digunakan untuk pembuatan jangkar dari bahan ferromagnetic yang dibuat berlapis-lapis.

4) SIKAT-SIKAT

Sikat-sikat berfungsi sebagai penghubung aliran arus listrik dari lilitan jangkar dengan beban. Bahan yang digunakan untuk pembuatan sikat-sikat dari arang.

5) KAWAT LILITAN JANGKAR

Kawat Lilitan jangkar, adalah tempat terbentuknya ggl induksi. Dalam satu alur terdiri atas beberapa kawat yang disebut dengan kumparan. Antara kumparan satu dengan lainnya dihubungkan secara seri.

6) KOMUTATOR

Komutator digunakan sebagai penyearah (komutasi). Komutator pada prinsipnya mempunyai bentuk yang sama dengan cincin yang dibelah menjadi dua yang dipisahkan dengan bahan penyekat. Masing-masing komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terjadinya ggl induksi.

Prinsip Kerja Generator DC

Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialahPercobaan Faraday. Percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL Induksi apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah.
EMF yang dihasilkan tersebut dipengaruhi oleh 3 faktor yaitu:

1. kuat medan magnet atau yang ekuivalen dengan jumlah garis gaya medan magnet yang terbentuk (B).
2. Panjang konduktut yang memutus medan magnet (l)
3. Kecepatan gerak dari konduktor (v)

Sehingga dapat dirumuskam sebagai berikut:

e = B x l x v

dan dapat disimpulkan, menambah kuat medan magnet atau menambah panjang dari konduktor atau mempercepat gerak konduktor memotong medan magnet akan dapat meningkatkan EMF yang terbentuk.perumusan ini hanya berlaku jika kawat konduktor bergerak dalam garis lurus, atau dengan kata lain pemutusan garis dengan magnet dengan jumlah yang sama pada setiap gerakannya. Tetapi pada mesin yang sebenarnya konduktor tidak bergerak dalam garis lurus melainkan bergerak secara rotasi.

Ketika konduktor bergerak sera melingkar, jumlah garis medan magnet yang terputus adalah bervariasi tergantung pada posisi dari konduktor. Pada saat kondutor derada diatas atau di bawah dari medan magnet, maka tidak ada garis gaya magnet yang terpotong sehingga tidak ada EMF yang timbul. Tetapi pada saat konduktor berputar jumlah garis gaya medan magnet yang terpotong akan bertambah dan EMF maksimum yang ditimbulkan adalah pada jumlah pemotongan gaya medan magnet maksimum yaitu pada sudut 90o dan 270o . artinya ketika konduktor berputar 360o secara mekanik akan menghasilkan 360o EMF secara elektrik. Sehingga besar EMF yang terbentuk bergantung pada posisi sudut dari konduktor, dan dapat diformulasikan menjadi:

e = B.l.v.sin θ

sehingga arus yang di hasilkan secara internal oleh semua generator adalah dalam bentuk gelombang sinus atau arus bolak-balik (AC), dan untuk mendapatkan keluaran arus searah (DC) kita perlu menambahkan komutataor, sehingga EMF yang digunakan hanya satu arah saja.

prinsip kerja generator-dc

Pada gambar tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF.
• Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet.
• Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D.
• GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar :

Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:

• dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.

Gambar 2 Pembangkitan Tegangan Induksi

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

gambar 3 Tegangan Rotor yang Dihasilkan Melalui Cincin Serat dan komutator

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.

• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.

• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).

Jenis – Jenis Generator DC

1. Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
a. Penguat elektromagnetik
b. Magnet permanen/ magnet tetap

Gambar Generator Penguat Terpisah

2. 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 dibawah.

Gambar Rangkaian Generator Shunt

3. 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 Rangkaian Generator Kompon

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 :

Motor DC
Pada bagian ini, kita akan memahami mesin yang mengubah energi mekanik menjadi 
energi listrik dan sebaliknya. Motor mengubah energi listrik menjadi energi 
mekanik, sedangkan Generator mengubah energi mekanik menjadi energi lsitrik.

Konstruksi Dasar

Sebuah motor memiliki 2 bagian utama, yaitu stator dan rotor.

• Stator sendiri merupakan bagian motor yang diam. Stator winding akan dialiri arus listrik untuk menghasilkan flux magnet stator..
• Rotor merupakan bagian motor yang berputar.

Kedua bagian tersebut memiliki Winding. Winding tersebut dapat diklasifikasikan menjadi armature winding atau sebagai field winding.

• Armature winding mengalirkan arus yang bergantung pada daya mekanik yang dihasilkan
• Field Winding bertujuan untuk mengatur medan magnet di dalam mesin.

Tabel di bawah ini menjelaskan karakteristik dari motor listrik.

Losses, Power Ratings, dan Efisiensi

Gambar di bawah ini menunjukkan contoh aliran daya dari sumber tegangan 3 fasa yang dapat menjelaskan mengenai losses.

Power Rating merupakan daya keluar motor yang dapat dihasilkan secara aman pada continuous basis. Efisiensi daya motor secara matematis adalah

Prinsip dan Cara Kerja Motor-DC

Apabila terdapat arus yang melewati suatu konduktor, maka akan timbul medan magnet di sekitar konduktor tersebut. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor dapat dilihat pada gambar berikut.

Untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor dapat digunakan aturan tangan kanan.Ibu jari menunjukkan arah aliran arus, dan jari-jari yang lain menunjukkan arah garis fluks. Untuk mempermudah pemahaman, gambar di bawah ini dapat mengilustrasikannya.

Besarnya garis-garis gaya magnet dapat diketahui berdasarkan hukum Lorentz di mana bergantung pada besarnya arus dan besarnya medan magnet. Secara matematis:

Speed Regulation

Speed regulation dapat diartikan sebagai perbedaan antara kecepatan dengan tanpa beban dengan kecepatan dengan beban penuh yang direpresenasikan dalam bentuk persentase.
Gambar di bawah ini menunjukkan torsi vs speed pada berbagai macam motor:

• Motor Induksi

Pada kondisi awal, torsi motor cukup baik. Pada operasi normal, kecepatan motor induksi hampir sama dengan motor sinkron. Pada saat mula-mula, arus yang timbul oleh motor induksi dapat berkali-kali lipat dari kondisi full load.

• Motor Sinkron

Torsi awal dari motor sinkron adalah nol. Oleh karena itu, dapat diatasi dengan mengoperasikan sebagai motor induksi terlebih dahulu, kemudian saat kecepatannya mendekati motor sinkron, operasinya diubah menjadi motor sinkron

• Motor DC terhubung Parallel

Motor ini memiliki torsi awal yang sangat tinggi dan arus awal yang sangat besar. Umumnya, resistansi dimasukkan secara seri dengan armaturenya untuk membatasi arus tersebut.
Power flow di dalam motor ini dapat digambarkan sebagai berikut:

• Motor DC terhubung Seri

Motor ini memiliki torsi awal dan arus awal yang sedang. Kecepatannya secara otomatis menyesuaikan dengan torsi beban yang bermacam-macam. Motor ini juga dapat dihubungkan dengan sumber ac yang sering disebut Universal Motors. Motor ini memiliki beberapa keuntungan, yaitu:

1. Pada berat tertentu, universal motor dapat menghasilkan daya yang lebih besar dari tipe yang lain.
2. Universal motor menghasilkan torsi mula-mula yang besar tanpa diperlukan arus besar.
3. Ketika beban torsi bertambah, universal motor akan melambat mengakibatkan daya yang dihasilkan relatif konstan.
4. Universal motors dapat digunakan pada kecepatan yang sangat tinggi

Mesin DC Berputar

Struktur Rotor dan Stator dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Induced EMF and Commutation

Ketika rotor berputar, konduktor berpindah melewati medan magnet yang dihasilkan stator. Pole face, konduktor dan arah gerak harus tegak lurus satu sama lain. Kemudian, tegangan konstan diinduksikan ke masing-masing konduktor.

Pada kasus di atas, ujung lilitan dihubungkan dengan komutator yang memiliki 2 segmen. Segmen tersebut terinsulasi satu sama lain dan juga batan. Brush terpasang pada stator membuat kontak listrik dengan segmen komutator.

Nilai tegangan melewati nol ketika konduktor berada di antara pole di mana kerapatan fluxnya menuju nol. Ketika konduktor berada di pole face di mana kerapatan fluxnya konstan, tegangan induksi mendekati konstan. Karena komutator membalikkan hubungan eksternal dengan lilitan ketika berputar, tegangan yang teramati memiliki polaritas yang konstan.

Pengaturan Kecepatan Motor-DC

Beberapa metode dapat digunakan untuk mengatur kecepatan motor DC yaitu:

1. Menvariasikan tegangan yang diberikan ke armature circuite ketika berada pada medan yang konstan
2. Menvariasikan medan arus ketika berada pada tegangan yang konstan
3. Memasukkan resistansi secara seri dengan armature circuitnya.

Ok.. Cukup sekian dulu ya postingan ane mengenai Generator dan Motor DC. Semoga ane sempat untuk memposting mengenai Generator dan Motor AC. hehe.. Yaudah terima kasih udah membaca postingan ini dan sampai jumpa di postingan selanjutnya..

Share this post