MESIN DC

Mesin ini mempunyai sebuah lilitan (winding) DC atau magnet permanen pada bagian stator. Rotor

(armature) di suplay dengan sebuah arus DC yang melalui komutator (commutator) dan sikat2 (brushes).

Komutator dan sikat2 memerlukan perawatan. Kecepatan maksimal dibatasi oleh kemampuan dari

komutator dan sikat2. Tegangan rating umumnya antara 6V sampai 700 V. Berikut ini gambar sebuah

mesin DC.

Prinsip operasi :

Gaya

liBF **=

Dimana : F : gaya (Newton)

B : Kerapatan Fluks (N/A.m)

i : arus (ampere)

l : panjang (meter)

Torka T (N.m)

aIkT Φ=

Dimana Φ=Φ sZp

kπ

Arah torka dapat dibalik dengan membalik arah arus medan atau arus jangkar (armature).

Komponen motor DC

Sikat dan komutator

Sikat2 karbon membuat sebuah kontak selip dengan komutator. Komutator terdiri dari segmen tembaga

terisolasi yang diletakkan pada tempat dudukan yang silinder. Komutator perlu untuk selalu bersih, dan

sikat serta sesuatu yang berhubungan deng slip ring harus selalu diservis. Bekas sikat akan membuat panas

dan panas tersbut akan dikeluarkan melalui ventilasi udara. Debu debu bisa menyebabkan hubung pendek

dan gangguan. Panjang aksial dari komutator tergantung pada arus yang melewatinya.

Stator

Dapat berupa lingkaran atau berbentuk polygonal. Dibuat dari besi laminasi (steel laminated ) atau cast

iron. Kutub medan diletakkan simetri disekeliling rotor, terdiri dari magnet permanen atau lilitan medan.

Keuntungan dari magnet permanen :

+ tidak dibutuhkan supply listrik

+ tidak ada rugi rugi Ri 2

+ kemungkinan bisa mempunyai ukuran frame yang lebih

kecil

Kekurangan dari magnet permanen :

- kekuatan dari medan selalu konstan.

sebuah interpole atau commutating pole biasanya diletakkan

diantara dua buah kutub medan. Komponen ini terdiri dari

lilitan yang memfasilitasi proses komutasi.

Stator juga mempunyai compensating winding yang

berfungsi untuk menetralkan reaksi pada jangkar (armature).

Jumlah Kutub

Kecepatan yang sama dapat dicapai dengan jumlah kutub yang berbeda. Secara ekonomi 2 kutub (2 sikat)

atau 4 kutub (4 sikat) digunakan di motor ukuran kecil dan menengah, dan jumlah kutub yang lebih untuk

motor besar (akan memberikan minimum biaya dan berat). Faktor pembatas utama adalah frekuensi dari

pembalikan fluks (2

pn) di dalam inti jangkar (armature) (umumnya 25-50Hz). Jumlah kutub makin besar

akan memberikan end winding (akhir lilitan) yang lebih pendek sehingga memberikan lebih sedikit rugi

rugi tembaga. Juga akan memberikan lebih sedikit fluks pada yoke.

Air gaps

Antara stator dan rotor. Yang menyebabkan untuk bisa berputar sebuah mesin. Juga bisa digunakan untuk

The layer of bonding tape disekitar rotor dan untuk pendingin udara yang melalui sebuah system tersebut.

Air gap yang lebar dapat mengurangi getaran yang mana jika terlalu lebar air gaps dapat mengurangi

medan magnetik kontak dengan konduktor.

a. Produksi Torka, sebuah fungsi dari komutator

b. Torka akan dihasilkan oleh reaksi antara komutator dan jangkar seperti pada gambar di bawah ini :

Pengurangan dari fluks magnetik berakitan dengan reaksid ari jangkar (armature).

c. Produksi torka, merupakan fungsi dari komutator dan interpoles

Induktansi sendiri dari belitan jangkar dan energy yang tersimpan karenanya, mungkin dapat menyebabkan

loncatan fluks pada permukaan sebelah luar yang kecil dari sikat2. Ini dapat dicegah dengan menggunakan

interpoles. Biasanya digunakan untuk motor rotor belitan ukuran sedang dan besar (di motor kecil, loncatan

masih bisa diterima, dan dalam motor magnet permanen, induktansinya kecil). Interpoles akan

menginduksi sebuah gaya gerak listrik (electromagnetic force or emf) pada belitan yang akan bergerak

melalui komutator.

Reaksi dari jangkar dapat dicegah dengan menggunakan interpoles dan untuk mesin besar, compensating

winding, sering juga digunakan.

Gaya gerak listrik or ggl (electromagnetic force)

Ggl bolak balik terjadi pada jangkar (armature) dan biasanya

dinamakan steel laminations. Dan ggl searah terjadi pada

sikat2.

ωΦ= kE Volt

aIkT Φ= %mr

Dimana : Φ=Φ sZp

kπ

%m/A atau Vs/rad

Dan nnrpm

ππ

ω 260

2== rad/s

Dimana n = kecepatan rotor per detik (rev/s).

Rangkaian ekuivalen motor DC

Dimana erpolesrotorsikata RRRR int++= Ω

Edt

dILIRV a

aa ++= dan r tergantung dari suhu

0

0235

235

t

tRR tt

+

+•=

Karakteristik Steady state : Torka vs

kecepatan dan variasi dengan

tegangan

Steady state :

R

EVI

ERIV

−=

+=

Kecepatan tanpa beban :

0,

)(

00 =Φ

=

Φ=Φ=

=

Φ

Φ

Ik

V

kZp

k

VoltkE

s

ω

π

ω

Tk

R

k

V

R

kVkIkT a

2

2

ΦΦ

ΦΦ

Φ

−=

−==

ω

ω

Karakteristik Steady state : Generation dan regeneration

Semua mesin listrik secara prinsip mampu dioperasiakn sebagai generator.

Motor dapat ”regenerate” , yaitu mengembalikan energi ke supply. Seperti pada rolling mill (untuk

membalikan arah putaran) dan pada aplikasi dimana diperlukan pengereman yang cepat. Cara lain yaitu

dengan membuang energi di resistor (dynamic braking).

Generation, ketika mesin diputar oleh penggerak mula (prime mover), arah arus akan dibalik dan E lebih

besar dari V

Operasi 4 kuadran dan pengereman

regenerative

Mesin DC yang dikontrol oleh

tegangan jangkar, mampu beroperasi

dalam 4 kuadran dengan mengontrol

polaritas dan besarnya V.

Motoring : V˃E, arah putaran

berbalik jika V berganti polaritasnya.

Generating : E˃V, arah putaran

berbalik jika V berganti polaritasnya.

torkaI

kecepaV

∞

∞ tan

Jika kita bekerja dalam mode

motoring di kuadran 1 (Q1) (V˃E),

dan kita tiba2 mengurangi tegangan ke V˂E, arus akan berubah arah, dan daya (energi kinetik dari motor

dan beban inertia) akan menyuply sistem. Torka beban dan torka motor akan memperlambat rotor sampai

steady state (di Q1) tercapai ( pada kecepatan rendah dan tegangan rendah).

Pengereman regenerative terjadi pada saat setiap kita menurunkan tegangan untuk menurunkan kecepatan.

Pengeraman regenerative pada putaran penuh (pada tanpa beban) .

Perubahan secara mendadak dari V ke –V akan

memberikan arus yang sangat besar.

Kita perlu menjaga arus pada nilai rating.

Karakteristik Steady state : kecepatan dasar dan pengurangan medan (field weakening)

Tk

R

k

V2

ΦΦ

−=ω

Effesiensi dan rugi rugi mekanik

Effisiensi dapat dicari dengan rumus

input

rugiinput

P

PP −=η biasanya sekitar 80-95%

Rugi rugi mekanik terjadi karena gesekan mekanik dan windage. Rugi akan meningkat jika kecepatan

meningkat. Kenaikan rugi windage akan berbanding lurus dengan pangkat tiga dari kecepatan, sedangkan

rugi gesekan akan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatan. Gesekan terjadi diantara shaft dan

bearing akibat dari adanya putaran, seperti pada sikat2 komutator, makanya bisa juga disebut rugi gesekan

sikat. Windage terjadi akibat adanya pendinginan cairan (fluid). Rugi mekanik biasnaya tidak tergantung

pada beban, biasnaya sekitar 1-2% dari daya masukan. Sedangkan rugi yang lain tergantung pada beban.

Rugi rugi besi, terjadi pada semua lilitan ( RI 2 ), pada beban tinggi, biasanya rugi bisa mencapai 50% dari

total rugi rugi.

Rugi rugi inti besi : rugi rugi histerisis dan eddy current

Pada putaran rotor, medan magnet akan selalu berubah secara terus menerus, dan partikel magnet di rotor

juga akan menyusun kembali diantara mereka secara terus menerus juga sesuai dengan perubahan medan

magnet yang menyebabkan gesekan magnet dan rugi rugi (histerisis) dan bisa di hitung dengan

menggunakan rumus : αfBKP hyhy = , dimana f merupakan frekuensi, B medan magnetik maksimal, α

merupakan konstanta ( antara 1,6 – 2,4) dan K merupakan konstanta yang berdasarkan properti magnetik

dari material di rotor.

Rotor juga merupakan sebuah konduktor listrik dan arus eddy akan menginduksi ketika motor berputar

dalam medan magnet yang dihasilkan oleh stator, yang akan menghasilkan rugi rugi dan bisa dihitung

dengan menggunakan rumus 22BfKP ecec = .

Rugi rugi inti besi tidak bergantung pada beban, dan biasnaay 1-2% dari daya masukkan (10-20% total

rugi)