TUGAS INDIVIDU

MESIN DC

ARNOLDUS ARDIANTO

D411 10 286

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS HASANUDDIN

2012

A. PRINSIP KERJA MESIN LISTRIK DC

1. Motor DC

Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik

menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller

pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik

digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik

kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor

menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Motor DC memerlukan suplai

tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik.

Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan

jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar

dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada

setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus

searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif

dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan

jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki

kumparan satu lilitan yang bias berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen.

Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator,

dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di

atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar

di antara medan magnet.

Gambar 1. Motor D.C Sederhana

Konstruksi Motor DC

a. Stator motor DC

Fungsi stator sebagai bagian dari rangkaian magnetik, dan oleh karenanya mempunyai

seperangkat kutub medan yang dipasangkan disebelah dalam stator.

Gambar 2. Konstruksi stator motor DC

b. Rotor atau Jangkar motor DC

Fungsi dari rotor atau jangkar yaitu untuk merubah energi listrik menjadi energi

mekanik dalam bentuk gerak putar. Rotor terdiri dari poros baja dimana tumpukan keping-

keping inti yang berbentuk silinder dijepit. Pada inti terdapat alur-alur dimana lilitan rotor

diletakkan.

Gambar 3. Rotor atau jangkar motor DC

c. Komutator

Konstruksi dari komutator terdiri dari lamel-lamel, antar lamel dengan lamel lainnya

diisolasi dengan mica.

Gambar 4. Komutator

d. Sikat (Brush)

Gambar 5. Brush dan pemegangnya

Prinsip kerja Motor DC

Berdasarkan pada prinsip kemagnetan, maka motor DC menggunakan prinsip

kemagnetan diatas. Penghantar yang mengalirkan arus ditempatkan tegak lurus pada medan

magnet, cenderung bergerak tegak lurus terhadap medan. Besarnya gaya yang didesakkan

untuk menggerakkan berubah sebanding dengan kekuatan medan magnet, besarnya arus yang

mengalir pada penghantar, dan panjang penghantar. Untuk menentukan arah gerakan

penghantar yang mengalirkan arus pada medan magnet, digunakan hukum tangan kanan

motor (Gambar 6 (a) ). Ibu jari dan dua jari yang pertama dari tangan kanan disusun sehingga

saling tegak lurus satu sama lain dengan menunjukkan arah garis gaya magnet dari medan,

dan jari tengah menunjukkan arah arus yang mengalir (min ke plus) pada peghantar. Ibu jari

akan menunjukkan arah gerakan penghantar, seperti diperlihatkan pada (Gambar 6 (b) ).

Gambar terebut menggambarkan bagaimana torsi motor dihasilkan oleh kumparan yang

membawa arus atau loop pada kawat yang ditempatkan pada medan magnet. Interaksi pada

medan magnet menyebebkan pembengkokan garis gaya. Apabila garis cenderung lurus

keluar, pembengkokan tersebut menyebabkan loop mengalami gerak putaran. Penghantar

sebelah kiri ditekan kebawah dan penghantar sebelah kanan ditekan keatas, menyebabkan

putaran jangkar berlawanan dengan arah putaran jarum jam.

Gambar 6. Prinsip motor

Motor DC magnet permanen adalah motor yang fluks magnet utamanya dihasilkan

oleh magnet permanen. Elektromagnetik digunakan untuk medan sekunder atau fluks

jangkar. Gambar 6 menggambarkan operasi motor magnet permanen. Arus mengalir melalui

kumparan jangkar dari sumber tegangan DC, menyebabkan jangkar beraksi sebagai magnet.

Kutub jangkar ditarik kutub medan dari polaritas yang berbeda, menyebabkan jangkar

berputar. Pada gambar 7 (a) jangkar berputar searah dengan putaran jarum jam. Apabila

kutub jangkar segaris dengan kutub medan, sikat-sikat ada ada celah di komutator dan tidak

ada arus mengalir pada jangkar. Jadi, gaya tarik atau gaya tolak magnet berhenti, sepertui

pada gambar 7 (b). Kemudian kelembaman membawa jangkar melewati titik netral.

Komutator membalik arus jangkar ketika kutub yang tidak sama dari jangkar dan medan

berhadapan satu sama lain, sehingga membalik polaritas medan jangkar. Kutub-kutub yang

sama dari jangkar dan medan kemudian saling menolak, menyebabkakan jangkar berputar

terus menerus seperti diperlihatkan pada gambar 7 (c).

Gambar 7. Operasi motor DC magnet permanen

2. Generator DC

Generator arus searah (DC) adalah mesin yang mampu membangkitkan tegangandan arus

searah (DC) dimana inputnya adalah energi mekanis dari putaran penggerak mula (prime

mover). Generator DC menghasilkan arus DC atau arussearah. Generator DC dibedakan

menjadi beberapa jenis berdasarkan darirangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya

terhadap jangkar (anker), jenisgenerator DC yaitu: generator penguat terpisah, generator

shunt, dan generator kompon. Komponen utama generator terdiri dari rotor ( bagian yang

bergerak ),dan stator ( bagian yang diam ). prinsip kerja dari generator sendiri

merupakanaplikasi dari hukum faraday Prinsip dasar generator DC menggunakan

hukumFaraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnetyang

berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik.

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.

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.

Prinsip Arah Putaran Motor

Untuk menentukan arah putaran motor digunakan kaedah Flamming tangan kiri.

Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutub utara ke

kutub selatan. Jika medan magnet memotong sebuah kawat penghantar yang dialiri arus

searah dengan empat jari, maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini disebut gaya

Lorentz, yang besarnya sama dengan F.

Prinsip motor : aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam pengaruh

medan magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar akan

bertambah besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.

Contoh :

Sebuah motor DC mempunyai kerapatan medan magnet 0,8 T. Di bawah pengaruh

medan magnet terdapat 400 kawat penghantar dengan arus 10A. Jika panjang penghantar

seluruhnya 150 mm, tentukan gaya yang ada pada armature.

Jawab :

F = B.I.ℓ.z = 0,8 (Vs/m2). 10A. 0,15 m.400

= 480 (Vs.A/m)

= 480 (Ws/m) = 480 N.

PENGARUH ARUS PENGUATAN TERHADAP PUTARAN MOTOR DC

Pengaruh muatan pada motor DC ini sangat besar terhadap putarannya. Apabila kita

menjalankan motor DC tanpa beban maka arus yang kta butuhkan hanya kecil saja hanya

beberapa persen dari arus nominalnya, hal ini akibat dari adanya tegangan induksi motor

yang hampir sama besar dengan tegangan yang diberikannya. Oleh karena itu bisa kita

asumsikan bahwa V (tegangan yang diberikan ke motor) sama dengan E (tegangan

induksi motor).

Dari asumsi diatas kita peroleh formulasi sebagai berikut :

E = K n ; n =

EKφ

; E = V – I.R

Dimana ; E = V = tegangan suplai motor (I = 0 pada beban nol)

K = konstanta

= f(Iex) = Fluksi akibat arus penguatan

n = putaran motor

Kesimpulan awal didapat bahwa putaran motor berbanding terbalik dengan arus

penguatannya.

Prinsip kerja Generator DC

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 9. 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 9 (a) dan (c). Pada posisi

ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi

jangkar pada Gambar 9.(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 10. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan

cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 10.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-

balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu

cincin Gambar 10.(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).

REAKSI JANGKAR

Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa

bebandisebut Fluks Medan Utama (Gambar 1).

a b c d

e

Gambar 1 a.Eksitasi generator DC, b. Medan jangkar dari generator, c. Reaksi jangkar,

d. Generator dengan kutub bantu, e. menunjukkan generator dengan komutator dan

lilitan kompensasinya.

Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.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 1a). 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 keposisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau

kutub bantu), sepertiditunjukkan pada Gambar1(d) 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. Kini

dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu lilitan magnet utama, lilitan

magnet bantu (interpole) dan lilitan magnet kompensasi. Gambar 1d dan 1e menunjukkan

generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya.

Tegangan

Ldidt

yang terjadi pada segmen komutator yang terhubung singkat oleh sikat-

sikat (inductive kick). Misalkan arus pada sikat (IA) sebesar 400A, arus tiap jalur ½ IA

sebesar 200A. Pada saat segmen komutator terhubung singkat, arus yang melalui segmen

komutator terbalik arahnya. Apabila mesin berputar dengan kecepatan 800 putaran permenit,

dan mesin memiliki 50 segmen komutator, maka tiap segmen komutator berpindah pada sikat

elemen t = 0,0015 detik. Sedangkan rentang / kisar perubahan arus terhadap waktu pada

rangkaian terhubung singkat rata-rata sebesar di/dt – 400/0.0015 = 266,667 Ampere / detik.

Dengan induktansi yang kecil pada rangkaian, tegangan V = Ldi/dt yang signifikan akan

diinduksikan pada segmen komutator. Tegangan tinggi ini secara alami menyebabkan adanya

percikan bunga api pada sikat-sikat mesin.

1. Efek Medan Magnet Pada Motor dan Generator

Efek medan magnet pada motor dan generator dapat kita lihat pada prinsip arah putaran

motor dan prinsip pembangkitan tegangan pada generator yaitu sebagai berikut.

Prinsip Arah Putaran Motor

Untuk menentukan arah putaran motor, digunakan kaedah Flamming tangankiri.

Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutubutara ke kutub

selatan. Jika medan magnet ini memotong sebuah kawat penghantaryang dialiri arus searah

dengan empat jari, maka akan timbul gaya gerak searah ibujari. Gaya ini disebut gaya

Lorentz, yang bersarnya sama dengan F.

F = B.I.ℓ.z

Gambar 2: Hukum tangan kiri untuk motor

F = Arah gaya penghantar

(Newton)

B = kerapatan flux magnet

(weber)

ℓ= panjang kawat

penghantar (meter)

I = Arus DC (Ampere)

z = Jumlah penghantar

Dengan demikian efek medan magnet pada generator dan motor dapat kita

simpulkan sebagai berikut

1.Pada prinsip motor : aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam

pengaruhmedan magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar

akanbertambah besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.

2.Pada prinsip generator : Medan magnet dan gerakan sepotong penghantar

yangdialiarus akan menimbulkan tegangan.

Eksitasi Pada Generator DC

Sistem eksitasi adalah sistem pasokan listrik DC sebagai penguatan pada generator listrik

atau sebagai pembangkit medan magnet, sehingga suatu generator dapat menghasilkan energi

listrik dengan besar tegangan keluaran generator bergantung pada besarnya arus eksitasinya.

Sistem ini merupakan sistem yang vital pada proses pembangkitan listrik dan pada

perkembangannya, sistem Eksitasi pada generator listrik ini dapat dibedakan menjadi 2

macam, yaitu: 

1. Sistem Eksitasi dengan sikat

Pada Sistem Eksitasi menggunakan sikat, sumber tenaga listriknya berasal dari generator

arus searah (DC) atau generator arus bolak balik (AC) yang disearahkan terlebih dahulu

dengan menggunakan rectifier. 

Jika menggunakan sumber listrik listrik yang berasal dari generator AC atau

menggunakan Permanent Magnet Generator (PMG) medan magnetnya adalah magnet

permanent. Dalam lemari penyearah, tegangan listrik arus bolak balik diubah atau

disearahkan menjadi tegangan arus searah untuk mengontrol kumparan medan eksiter utama

(main exciter).

Untuk mengalirkan arus Eksitasi dari main exciter ke rotor generator menggunakan slip ring

dan sikat arang, demikian juga penyaluran arus yang berasal dari pilot exciter ke main

exciter.

. 

Gambar 3. Sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation).

Prinsip kerja pada sistem Eksitasi dengan sikat (Brush Excitation)

Generator penguat yang pertama, adalah generator arus searah hubungan shunt yang

menghasilkan arus penguat bagi generator penguat kedua. Generator penguat (exciter) untuk

generator sinkron merupakan generator utama yang diambil dayanya.

Pengaturan tegangan pada generator utama dilakukan dengan mengatur besarnya arus

Eksitasi (arus penguatan) dengan cara mengatur potensiometer atau tahanan asut.

Potensiometer atau tahanan asut mengatur arus penguat generator pertama dan generator

penguat kedua menghasilkan arus penguat generator utama. Dengan cara ini arus penguat

yang diatur tidak terlalu besar nilainya (dibandingkan dengan arus generator penguat kedua)

sehingga kerugian daya pada potensiometer tidak terlalu besar. PMT arus penguat generator

utama dilengkapi tahanan yang menampung energi medan magnet generator utama karena

jika dilakukan pemutusan arus penguat generator utama harus dibuang ke dalam tahanan.

Sekarang banyak generator arus bolak-balik yang dilengkapi penyearah untuk

menghasilkan arus searah yang dapat digunakan bagi penguatan generator utama sehingga

penyaluran arus searah bagi penguatan generator utama, oleh generator penguat kedua tidak

memerlukan cincin geser karena. penyearah ikut berputar bersama poros generator. Cincin

geser digunakan untuk menyalurkan arus dari generator penguat pertama ke medan penguat

generator penguat kedua. Nilai arus penguatan kecil sehingga penggunaan cincin geser tidak

menimbulkan masalah.

Pengaturan besarnya arus penguatan generator utama dilakukan dengan pengatur

tegangan otomatis supaya nilai tegangan klem generator konstan. Pengaturan tegangan

otomatis pada awalnya berdasarkan prinsip mekanis, tetapi sekarang sudah menjadi

elektronik.

Perkembangan sistem eksitasi pada generator sinkron dengan sistem eksitasi tanpa

sikat, karena sikat dapat menimbulkan loncatan api pada putaran tinggi. Untuk

menghilangkan sikat digunakan dioda berputar yang dipasang pada jangkar. Gambar 2

menunjukkan sistem excitacy tanpa sikat.

2. Sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation)

Penggunaan sikat atau slip ring untuk menyalurkan arus excitasi ke rotor generator

mempunyai kelemahan karena besarnya arus yang mampu dialirkan pada sikat arang relatif

kecil. Untuk mengatasi keterbatasan sikat arang, digunakan sistem eksitasi tanpa

menggunakan sikat (brushless excitation).

Keuntungan sistem eksitasi tanpa menggunakan sikat (brushless excitation), antara lain

adalah:

1). Energi yang diperlukan untuk Eksitasi diperoleh dari poros utama (main shaft), sehingga

keandalannya tinggi.

2) Biaya perawatan berkurang karena pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation)

tidak terdapat sikat, komutator dan slip ring.

3) Pada sistem Eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) tidak terjadi kerusakan isolasi

karena melekatnya debu karbon pada farnish akibat sikat arang.

4) Mengurangi kerusakan ( trouble) akibat udara buruk (bad atmosfere) sebab semua

peralatan ditempatkan pada ruang tertutup

5) Selama operasi tidak diperlukan pengganti sikat, sehingga meningkatkan keandalan

operasi dapat berlangsung terus pada waktu yang lama.

6) Pemutus medan generator (Generator field breaker), field generator dan bus exciter atau

kabel tidak diperlukan lagi

7) Biaya pondasi berkurang, sebab aluran udara dan bus exciter atau kabel tidak memerlukan

pondasi.

Gambar 4. Sistem Excitacy tanpa sikat (Brushless Escitacy)

Keterangan gambar:

ME : Main Exciter

MG : Main Generator

PE : Pilot Exciter

AVR : Automatic Voltage Regulator

V : Tegangan Generator

AC : Alternating Current (arus bolak balik)

DC : Direct Current (arus searah)

Gambar 3. Sistem Eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation)

Prinsip kerja sistem Eksitasi tanpa sikat (Brushless Excitation)

Generator penguat pertama disebut pilot exciter dan generator penguat kedua disebut main

exciter (penguat utama). Main exciter adalah generator arus bolak-balik dengan kutub pada

statornya. Rotor menghasilkan arus bolak-balik disearahkan dengan dioda yang berputar pada

poros main exciter (satu poros dengan generator utama). Arus searah yang dihasilkan oleh

dioda berputar menjadi arus penguat generator utama. Pilot exciter pada generator arus bolak-

balik dengan rotor berupa kutub magnet permanen yang berputar menginduksi pada lilitan

stator. Tegangan bolak-balik disearahkan oleh penyearah dioda danmenghasilkan arus searah

yang dialirkan ke kutub-kutub magnet y ang ada pada stator main exciter. Besar arus searah

yang mengalir ke kutub main exciter diatur oleh pengatur tegangan otomatis (automatic

voltage regulator/AVR).

Besarnya arus berpengaruh pada besarnya arus yang dihasilkan main exciter, maka

besarnya arus main exciter juga mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh

generator utama. 

Pada sistem Eksitasi tanpa sikat, permasalahan timbul jika terjadi hubung singkat atau

gangguan hubung tanah di rotor dan jika ada sekering lebur dari dioda berputar yang putus,

hal ini harus dapat dideteksi. Gangguan pada rotor yang berputar dapat menimbulkan distorsi

medan magnet pada generator utama dan dapat menimbulkan vibrasi (getaran) berlebihan

pada unit pembangkit.

EFISIENSI DAN PEMANASAN PADA MOTOR LISTRIK

Pada saat mesin mengkonversi energi dari satu jenis atau bentuk energi ke

jenis atau bentuk energi yang lain, selalu terjadi rugi-rugi energi. Rugi-rugi

energi itu terjadi karena sebagian energi yang masuk dirubah menjadi bentuk

energi lain dan tidak bis a dimanfaatkan. Sehingga bisa dikatakan sebagai

kehilangan energi. Rugi-rugi energi itu terjadi di dalam mesin itu sendiri dan

akan menyebabkan (a) pemanasan terhadap mesin sehingga akan menaikkan

temperatur mesin, (b) menurunkan efisiensi dari mesin itu sendiri.

Pada mesin-mesin listrik (motor dan generator) jenis rugi-rugi energi

dikelompokkan ke dalam rugi-rugi elektrik dan rugi-rugi mekanik. Pada

pembahasan kali ini akan disampaikan rugi-rugi energi yang terjadi pada mesin

listrik dc, tetapi rugi-rugi yang sama juga akan terjadi pada mesin-mesin listrik

ac. Mempelajari rugi-rugi mesin sangatlah perlu, karena hal ini akan membantu

kita bagaimana untuk meminimalkannya sehingga akan meningkatkan efisiensi

mesin.

1. RUGI-RUGI MEKANIK

Rugi-rugi mekanik terjadi pada gesekan bantalan (bearing), gesekan pada

sikat dan angin. Rugi-rugi gesek tergantung pada kecepatan putar mesin dan

rancangan bantalan/bearing, sikat, komutator dan slip ring/cincin. Rugi-rugi

angin (windage losses) tergantung pada kecepatan putar dan rancangan kipas

pendingin serta turbulensi yang terjadi ketika mesin sedang berputar. Besarnya

rugi-rugi tersebut di atas dapat diperoleh dari pengetesan terhadap mesin.

Pada mesin-mesin listrik, umumnya dilengkapi dengan sistem pendinginan

berupa kipas internal yang dipasang pada as/poros daripada mesin itu sendiri.

Kipas ini akan mengalirkan udara dingin dari luar mesin dan dihembuskan ke

dalam mesin melewati kumparan yang ada di dalam dan dikeluarkan lagi melalui

lubang-lubang ventilasi yang ada. Pada aplikasi tertentu, sistem pendinginan

khusus kadang diperlukan.

2. RUGI-RUGI ELEKTRIK

Rugi-rugi elektrik terdiri dari :

1. Rugi-rugi pada kawat konduktor I2.R (rugi-rugi tembaga)

2. Rugi-rugi pada sikat

3. Rugi-rugi besi

Masing-masing jenis rugi-rugi elektrik tersebut dapat dijelaskan secara rinci

sebagai berikut :

a. Rugi pada kawat konduktor (Rugi tembaga)

Pada motor dc dan generator dc, rugi tembaga terjadi pada kumparan

jangkar, kumparan medan seri, kumparan medan shunt, kutub komutasi dan

kumparan kompensator. Rugi tembaga sebanding dengan I2.R. Rugi tembaga

ini akan didisipasikan dalam bentuk panas, dan bisa menyebabkan naiknya

temperatur pada konduktor/kawat kumparan sehingga melebihi temperatur

ambient.

Daripada menggunakan persamaan I2.R, terkadang lebih mudah menyatakan

rugi tembaga dalam bentuk kesebandingan dengan jumlah daya per kilogram

dari material konduktor yang digunakan untuk membuat kumparan. Sehingga

secara matematis dapat dinyatakan sebagai :

Pc =

1000 . J 2 .

dimana : Pc = Kerugian daya per kg bahan konduktor (Watt/kg)

J = Rapat arus (Amper/mm2)

= resistivitas dari konduktor (n.m)

= massa jenis konduktor (kg/m3)

1000 = konstanta untuk menyatak per unit

Dari persamaan yterakhir tersebut terlihat bahwa rugi per satuan masa adalah

proporsional dengan kuadrat kerapatan arusnya. Pada umumnya untuk bahan

tembaga memiliki nilai kerapatan arus J berkisar 1.5 A/mm2 – 6 A/mm2.

Kerugian tembaga berkisar 5 W/kg – 90 W/kg (lihat gambar 2). Untuk

kerapatan arus J yang lebih tinggi diperlukan sistem pendinginan yang lebih

bagus kagi untuk mencegah terjadinya kenaikan temperatur yang terlalu tinggi.

b. Rugi-rugi pada sikat (brush losses)

Rugi-rugi I2.R pada sikat biasanya bisa diabaikan, karena kerapatan arus J

sangat rendah. Nilai J pada sikat berkisar 0.1 A/mm2. Nilai ini terlalu kecil

dibandingkan dengan nilai J pada bahan tembaga untuk kumparan. Namun

demikian jatuh tegangan pada kontak antara sikat dengan komutator bisa

menimbulkan rugi-rugi yang signifikan. Jatuh tegangan tersebut berkisar 0.8 –

1.3 Volt. Nilai ini tergantung pada tipe sikat dan gaya tekan pegas pada sikat

serta besarnya arus pada sikat.

c. Rugi-rugi besi (Iron Losses)

Rugi-rugi besi terjadi pada jangkar dari mesin dc. Rugi-rugi ini mencakup rugi

histerisis dan rugi arus edi. Rugi-rugi ini tergantung pada kerapatan fluks

magnetik, kecepatan putar, kualitas baja dan ukuran armatur. Pada umumnya

rugi-besi berkisar 0.5 W/kg – 20 W/kg.

Rugi inti besi lebih besar nilainya pada bagian gigi armatur, dikarenakan

kerapatan fluksnya relatif tinggi bisa mencapai 1.7 Tesla. Rugi inti besi pada

bagian tengah relatif lebih rendah. Rugi-rugi inti besi ini bisa diperkecil dengan

membuat bahan campuran baja.