Dasar- dasar elektro mekanik

http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/dasar-dasar-elektro-mekanis.html

1. Konversi Energi Elektromekanik

Konversi energi baik dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari satu sistem ke sistem lainnya, sementara akan tersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem lainnya. Dengan demikian, medan magnet selain berfungsi sebagai tempat penyimpanan energi juga sekaligus sebagai medium untuk mengkopel perubahan energi.

Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi elektromekanik dapat dinyatakan sebagai berikut (untuk motor):

(Energi Listrik sebagai input) = (Energi Mekanik sebagai output + Energi panas) + (Energi pada medan magnet dan rugi-rugi magnetic)

atau dalam persamaan differensial, konversi energi dari elektris ke mekanis adalah sebagai berikut:

dWE = dWM + dWF

Ini hanya berlaku ketika proses konversi energi sedang berlangsung pada keadaan dinamis yang transient. Untuk keadaan tunak, dimana fluks merupakan harga yang konstan, maka;

dWF = 0

dWE = dWM

2. Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor digerakkan tegak lurus sejauh ds memotong suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor dengan panjang efektif l adalah:

dO = B l ds

Dari Hukum Faraday diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl)

E = d/dt

Maka e = B l ds/dt; dimana ds/dt = v = kecepatan

Jadi, e = B l v

3. Kopel

Arus listrik I yang dihasilkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B akan menghasilkan suatu gaya F sebesar:

F = B I l

Jika jari-jari rotor adalah r, maka kopel yang dibangkitkan adalah

T = F r

Perlu diingat bahwa saat gaya F dibangkitkan, konduktor bergerak di dalam medan magnet da seperti diketahui akan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi (lawan) terhadap tegangan penyebabnya. Agar proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik (motor) dapat berlangsung, tegangan sumber harus lebih besar daripada gaya gerak listrik lawan.

Begitu pula, suatu gerak konduktor di dalam medan magnet akan membangkitkan tegangan e = B l V dan bila dihubungkan dengan beban, akan mengalir arus listrik I atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik (generator). Arus listrik yang mengalir pada konduktor tadi merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). Interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang diberikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

4. Mesin Dinamik Elementer

Pada umumnya mesin dinamik terdiri atas bagian yang berputar disebut rotor dan bagian yang diam disebut stator. Di antara rotor dan stator terdapat celah udara. Stator merupakan kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu dan rotor merupakan kumparan jangkar dengan belitan konduktor yang saling dihubungkan ujungnya (lihat gambar) untuk mendapatkan tegangan induksi (ggl).

Jika kumparan rotor diputar dengan arah berlawanan dari arah jarum jam, tegangan akan dibangkitkan dengan arah yang berlawanan pada kedua ujung rotor yang tidak dihubungkan.

5. Interaksi Medan Magnet

Kerja suatu mesin dinamis dapat juga dilihat dari segi adanya interaksi antar medan magnet stator dan rotor, yaitu:

F = B I l

Seperti diketahui, arus listrik (I) pada persamaan di atas akan menimbulkan fluks juga di sekitar konduktor yang dilalui. Bila kerapatan fluks akibat arus listrik dinyatakan dengan Bs (pada stator), sedang kerapatan fluks akibat kumparan medan adalah Br (pada rotor), maka dapat dituliskan:

T = K Br Bs sin

Dimana adalah sudut antara kedua sumbu medan magnet Br dan BsK adalah konstanta l x r = 90o. dikenal sebagai sudut kopel atau sudut daya dengan harga maksimum Sudut

Dengan menganggap Br dan Bs sebagai fungsi arus rotor dan arus stator, persamaan kopel menjadi:

T = K Ir Is sin

Dengan demikian, kopel terjadi sebagai interaksi antara dua medan magnet atau dua arus.

6. Derajat Listrik

Pada setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang ditimbulkan sudah menyelesaikan p/2 kali putaran. Maka untuk mesin 4 kutub, satu kali putaran mekanik mesin (360o) berarti sama dengan dua kali putaran listrik (720o). Persamaan umumnya adalah sebagai berikut:

me = (p/2) p = jumlah kutub mesine = sudut listrikm = sudut mekanik

7. Frekuensi

Dari persamaan di atas, diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan listrik yang dihasilkan, mesin telah menyelesaikan p/2 kali putaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah:

f = (p/2)x(n/60)

dimana;n = rotasi per menitn/60 = rotasi perdetik

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan

ns = 120 (f/p)

Jadi misalnya untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 putaran per detik dan mempunyai jumlah kutub p=2, maka kecepatan berputar mesin tersebut adalah:ns = (120 x 50)/2 = 3000 rpm.

ELEKTRO MEKANIK DALAM SISTEM TENAGA

1.1 Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor dengan panjang efektif ℓ digerakkan tegak lurus sejauh ds dan memotong suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor tersebut adalah[3]: d = Bℓds (1.1)Dari hukum faraday, diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl) dinyatakan dengan:

e = (1.2)

atau,

e = (1.3)

dan jika ds/dt = v = kecepatan, maka:

e = Bℓv (1.4)

Persamaan (1.4) dapat diartikan bahwa apabila dalam medium medan magnet diberikan energi mekanik untuk menghasilkan kecepatan (v), maka akan dibangkitkan energi listrik (e), dan ini merupakan prinsip dasar dari generator. Arah gaya gerak listrik ini ditentukan oleh aturan tangan kanan, dimana ibu jari, telunjuk dan jari tengah saling tegak lurus, dengan ibu jari menunjukan arah kecepatan (v), telunjuk menunjukan arah kerapatan fluks (B) dan jari tengah menunjukan arah energi listrik (e).

Gambar 1.1 Generator yang dihubungkan dengan sebuah beban

Bila konduktor tersebut, dalam hal ini sudah merupakan sebuah rangkaian generator, kemudian dihubungkan dengan beban, misalnya suatu tahanan (R), seperti tampak pada gambar 1.1, maka pada konduktor tersebut akan mengalir arus listrik (I) atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik. Arus listrik (I) yang mengalir pada konduktor tadi, merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang di berikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik

yang yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

1.2 Karakteristik Mesin Sinkron

Suatu mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub, kumparan jangkarnya terdiri atas 2 kumparan yaitu a1, -a1 dan a2, –a2 seperti tampak pada gambar 1.2. kedua kumparan tersebut bila dihubungkan secara seri akan berbentuk seperti gambar 1.3.

Gambar 1.2 Mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub.

Gambar 1.3 Hubungan seri kumparan jangkar mesin sinkron 4 kutub.

Kerapatan fluks B yang ditimbulkan akibat berputarnya kumparan medan akan berbentuk sinusoida terhadap ruang (sebagai fungsi ruang, bukan sebagai fungsi waktu). Sehingga distribusi fluks B terhadap ruang digambarkan terlihat pada gambar 1.4.

Gambar 1.4 Grafik sinusoidal antara kecepatan rotor ω dan θ.

Pada mesin empat kutub seperti pada gambar 1.2, terlihat bahwa setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang di timbulkan sudah menyelesaikan dua siklus penuh, atau dengan kata lain 360° perputaran mekanik sama dengan 720° perputaran listrik, karena itu secara umum dapat dituliskan sebagai berikut[3]:

(1.5)

dimana: p = jumlah kutub

= sudut listrik

= sudut mekanik

Dari persamaan (1.5) diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan yang dihasilkan, mesin akan menyelesaikan kali putaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah:

f = (1.6)

dimana: n = rotasi per menit (rpm)

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan:

rpm (1.7)

Jadi misalkan untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 Hz dan mempunyai jumlah kutub dua (p = 2), maka kecepatan putaran mesin tersebut adalah: