1

Pengantar Mesin Listrik Lanjut

2

Deskripsi Mesin Listrik Lanjut• Mata kuliah Mesin Listrik Lanjut ini mempelajari perkembangan

mesin listrik yang kinerjanya ditinjau dari sisi pemakai, membantu para teknisi praktis dalam memahami mesin listrik lebih lanjut.

• Pada awal diulangi dasar trafo dan konsep teori untai gandeng magnit. Besaran untai listrik dihubungkan dengan gaya dan torsi yang dapat diaplikasikan pada dasar mesin.

• Selanjutnya analisis dinamis mesin listrik dengan representasi state space, linearisasi dan solusi deterministic dan pendekatan numeris akan dipelajari. Reference frame theory diperkenalkan untuk membuat model dan simulasi pada mesin sinkron dan mesin induksi dipelajari untuk mengetahui karakteristik dinamika mesin listrik.

3

Silabus

• Pengantar (1)• Dasar magnetik untuk mesin listrik (2)• Pengoperasian Kondisi ajeg :

– Transformator (1)– Motor Induksi (1)– Generator Sinkron (1)– Motor DC (1)

• Dasar matematis analisis dinamis mesin listrik (1)• Reference Frame Theory (2)• Pemodelan dan simulasi Mesin Induksi (2)• Pemodelan simulasi Mesin Sinkron (2)

4

Pendahuluan Mesin Listrik

• Kondisi Operasi :– Starting / Pengasutan / Inrush Current– Steady state /Ajeg :• Penentuan Rating• Pembebanan• Efisiensi

– Dinamik• Pengaturan• Gangguan

– Transien

5

Permasalahan yang sering dihadapi

• Pengoperasian yang aman• Perawatan Mesin :– Preventif Maintenance– Diagnostic Maintenance– Kuratif– Penggantian

6

Introduction• Principles for electrical machine analysis :

Electromechanical energy conversion is fundamental

Electromechanical torque paremater : Current and displacement of mechanical system

Derivations of equivalent circuit Concept of MMF Sinusoidally distribution of windings Derivations of windings inductance

7

Gerak Putar, Hukum Newton dan Daya

• Mesin listrik berputar pada porosnya• Besaran yang berhubungan dengan gerak putar :– Posisi Angular (θ)– Kecepatan angular (ω)– Percepatan angular (α)– Torsi (τ)– Gaya Putar (F)– Kerja (W)– Daya (P)

8

θ

Θ dalam radian atau derajat

Kecepatan angular ω = d Θ/dt , satuan radian/detik

ω kecepatan angular (rad/det)f kecepatan putar ( siklus/detik)n putaran per menit (rpm) = 60 f f = ω /2π

Percepatan angular α = d ω/dt

Besaran Putaran Mekanik

Gaya dan Kecepatan

Pada gerak linear, bila gaya F diberikan pada suatu obyek akan menyebabkan kecepatan benda berubah.

Semakin besar gaya F, perubahan kecepatan v makin besar.

Massa

F

v

• Torsi Mekanik

9

F

Torsi = 0

F

Torsi berlawanan arahjarum jam

Akibatnya silinder akan berputarBerlawanan arah jarum jam.

Silinder tidak berputar

10

• Besar Torsi Mekanik

F

r

R sin (180o-θ) = r sin θ

θ

180o-θ

Torsi , τ = jarak tegak lurus x gaya = r sin θ F, berlawanan arah jarum jam

11

• Hukum Newton Pada Benda Putar τ = α J dengan α = percepatan angular ; J = momen inersia Usaha W (Joule) pada benda putar :

Daya P (watt), benda putar :

12

Medan Magnet

• Ada 4 prinsip yang menjadi dasar bagaimana medan magnet digunakan pada trafo, motor dan generator :

1. Arus yang mengalir pada kawat akan menghasilkan medan magnet di sekitar kawat

2. Medan magnet yang berubah terhadap waktu akan menghasilkan tegangan induksi pada lilitan yang dilaluinya trafo

3. Kawat yang dialiri arus yang diletakkan pada medan magnet akan menghasilkan gaya induksi pada penghantar tersebut motor

4. Penghantar yang berputar pada medan magnet akan menghasilkan tegangan induksi generator

13

Medan Magnet

• Ada 4 prinsip yang menjadi dasar bagaimana medan magnet digunakan pada trafo, motor dan generator :

1. Arus yang mengalir pada kawat akan menghasilkan medan magnet di sekitar kawat

2. Medan magnet yang berubah terhadap waktu akan menghasilkan tegangan induksi pada lilitan yang dilaluinya trafo

3. Kawat yang dialiri arus yang diletakkan pada medan magnet akan menghasilkan gaya induksi pada penghantar tersebut motor

4. Penghantar yang berputar pada medan magnet akan menghasilkan tegangan induksi generator

14

Produksi Medan MagnetHukum Ampere :

Intensitas medan magnet, H

Rapat medan magnet, B

= μ Ni/lc

μ = permeabilitas bahanPermeabilitas relatif bahan

Bahan ferromagnetik

Total fluks pada suatu area:

Jika densitas fluks konstan :

φ = BA

15

Analogi Rangkaian Listrik dan Magnet

Tentukan induktansi belitan dan rapat fluks di gap 1.

Induktansi :

B1 adalah :

EMF

MMF

16

Penentuan Polaritas MMF

• Penentuan polaritas MMF (+ atau -) menggunakan aturan tangan kanan

17

• Tentukan fluks yang dihasilkan dalam inti ferromagnetik dengan μr=250 oleh 200 lilitan kawat yang dialiri arus 1 Amp !

18

Total fluks yang dihasilkan :

Total MMF yang dihasilkan :

Total reluktans dalam inti :

Reluktans area 2:

Reluktans area 1:

19

Tentukan intensitas fluks yang dihasilkan pada celah udara, bila diketahui μr inti 2000, banyaknya lilitan 200 dan dialiri arus 1 A.Dimensi inti stator : panjang 50 cm dan luas 12 cm2

inti rotor : panjang 5 cm dan luas 12 cm2

celah udara : lebar gap 0.05 cm dan luas gap 14 cm2

20

Reluktans Stator :

Reluktans Rotor :

Reluktans Celah udara :

Reluktans Ekuivalen:

MMF yang dihasilkan :

Fluks dalam inti : Intensitas fluks pada celah udara :

21

Bahan Ferromagnetik

Karakteristik bahan ferromagnetik dieksitasi sumber DC.

Inti dari bahan baja (steel)

22

Loop Histerisis

Bila sumber arus AC diberikan ke belitan pada inti ferromagnetik maka akan terjadi loop histerisis. Ada fenomena fluks sisa (residual flux dan coercive)

The coercivity, also called the magnetic coercivity, coercive field or coercive force, is a measure of the ability of a ferromagnetic material to withstand an external magnetic field without becoming demagnetized.

23

Magnetically Couple

• Fundamental for transformer dan electrical machine operation.• Components :

– Core (µr generally 2000-80000 ; µ steel = 2000-4000 ; µo = 4π x 10-7 H/m)

– winding/coils

Flux linking for each coil

Flux linkage

Voltage equation :

24

Linear Magnetic System• If saturation is neglected

Where reluctance :Ni = MMF

i1 in

iHdl

Ampere law :

H (A/m)

m

mmk

kk iNlH

µ= µo µr

Flux intensity

25

Flux Flux Linkage

When system is linear, flux linkage is experessed by inductance and current.

Leakage Inductance Coil 2

Magnetizing Inductance Coil 2

Finally, Flux Linkage :

26

Equivalent Circuit with coil 1 as reference Voltage equation

where

where

Equivalent T circuitUsing the substitute variable i2’, when flowing throuh coil 1 produce the same MMF as actual i2 flowing to coil 2.

27

Example• Open circuit and short circuit test of transformer

– Open circuit coil 2 : power input to coil 1 = 12 W when applied voltage 100 V 60 Hz and current 1 A.

– Short circuit test : power during test 22 W, applied voltage 30 V 60 Hz, current 1 A

• Determine parameters in T equivalent circuit, reference coil 1 ?

r1 = 12 Ω and Xl1 + Xm1 = 109,3 Ω

From Open Circuit Test

From Short Circuit Test

Z =

r2’ = 10 Ω , assume xl1=xl2’

xm = 109,3 – 10,2 = 99.1 Ω

28

T equivalent circuit

29

Non Linear Magnetic System

• Magnetic system has non linearity when saturation is occured and cause heating due to hysterisis.

ΔBΔH

µ=B

H

Non linear for dynamic transient analysis

Numerical computation

B = µHFlux density

30

Electromechanical Energy Conversion

• Energy relationship

Energy distribution :

+

E transfered E loss E stored

31

Total energy transfer to the coupling field :

E coupilng E dissipated

Energy conservation in electromechanical system:

32

Energy Balanced

33

Electric system :

Mechanical system dynamic:

Electric energy:

EE tranfs. to the coupling

EE tranfs. to the coupling

Electromechanical System

M = massK = springD = friction

34

• Energy balance

Differential form :

35

Steady State and Dynamic Condition

• Electrical system

• Steady state behaviour

• Mechanical system

Constant voltage Constant mechanical force

36

PR

• What is the diferent between magnet permanent and non permanent magnet material ?

• Chapman --> 56 : 1.2, 1.4 , 1.5, 1.6, 1.7; 1.15, 1.17,1.19

37

Electrical Motor Development

• Basic Priciples of Electrical Machine Analysis• DC Machine• Reference Frame Theory• Induction Machine• Synchronous Machine• BLDC Machine