BAB V

BAB V

MESIN ARUS SEARAH (DIRECT CURRENT MOTOR)Mesin arus searah adalah mesin listrik yang menghasilkan arus searah (generator direct current) atau mengubah arus searah menjadi gerak mekanik (motor). Secara umum untuk menghasilkan arus searah dapat dilakukan menjadi tiga yaitu menggunakan mesin listrik arus bolak balik (sistem mekanik, AC) kemudian disearahkan menggunakan sikat-sikat dan cincin penyearah. Kedua menggunakan arus bolak-balik yang disearahkan dengan menggunakan komponen listrik penyearah seperti diode atau thyrostor. Ketiga listrik DC yang dihasilkan dari proses kimia (batere listrik, aki) ataupun semikonduktor fotovoltaik (solar cell) lihat Gambar 5.1.Generator AC Motor DC

Gambar 5.1. Mesin AC, motor DC dan solar cell penghasil tegangan DC

5.1. Prinsip Kerja Mesin DCDari Gambar 5.1 dapat dilihat komutator berfungsi untuk menghubungsingkatkan ujung-ujung kumparan. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul tegangan yang sinusoida. Bila setengan periode tegangan positif saklar di hubungkan, maka tegangan menjadi nol. Dan bila sakalar dibuka lagi akan timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setengah periode teganganKomutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung kumparan jangkar. Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangan bolak balik sinusoidal. Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan perioda perputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah gelombang penuh (lihat gambar 5.2).

Gambar 5.2. Prinsip kerja komutator dan cincin sebagai diode.

Dari kegunaan utamanya mesin arus searah dibagi dua kelompok utama yaitu: motor Listrik dan Generator atau sering disebut dinamo. Pada pengoperasiannya, motor DC dapat mengkoversi energi listrik arus searah menjadi energi mekanik, sedangkan generator DC sebaliknya. Suatu motor listrik pada intiya dapat dianggap terdiri dari bagian-bagian yang diam yang dinamakan stator (rangka atau Gambar 5.3) dan suatu bagian yang berputar dinamakan rotor, pada mesin arus searah lazim disebut jangkar (rotor).Dari mesin listrik sistem mekanik ini, dalam konversi energi, baik dari energi listrik ke energi mekanik (motor listrik) atau dari energi mekanik ke energi listrik (Generator) selalu melalui suatu medium medan magnit (lihat bab I, II dan III). Dalam hal ini ada 3 parameter yang selalu berinteraksi yaitu:1. Fluksi magnit2. Konduktor berarus3. Gerak (force)Ketiga parameter tersebut dipenuhi dengan adanya:1. Kumparan medan2. Kumparan jangkar 3. Sistim poros dan bantalanmotor arus searah terdiri dari lima bagian utama yaitu:1. Poros yang terbuat dari baja2. Inti rotor terbuat dari plat dinamo3. Kumparan Rotor4. Kumparan medan 5. Komutator dilengkapi dengan lamel-lamel sebagai terminal kumparan jangkar

motor

Gambar 5.3 Bagian uatama mesin listrtik arus searah

5.1.1. Stator/Rangka Gandar Pada motor arus searah, gandar berfungsi sebagai bagian dari rangkaian magnetik yang biasanya di buat dari besi tuang. Pada gandar terdapat seperangkat kutub-kutub medan yang dibuat dari inti laminasi baja pelat dan kumparan medan dipasngkan pada kutub-kutub medan tersebut, seperti ditunjukkan pada gambar 5.4.

Gambar 5.4 Stator dan rangka gandar dan kumparan medan. Sepatu kutub dibuat dari besi lapis yang cukup tipis (plat dinamo) yang dijadikan satu, dimasukkan kedalam kumparan magnitnya yang telah di bungkus isolasi yang memadai. Sepatu kutub ini dipasangkan pada rangka (yoke) yang sekaligus jadi badan mesin dengan dua buah bautBagian dalam badan motor arus searah (yoke) dibubut agar sepatu kutubnya mempunyai celah udara serapat mungkin (minimum) dan lingkaran dalam betul-betul bulat. Dalam rangka ini ditempatkan sejumlah pasang sepatu kutub. Pasangan kutub U dan S selalu berurutan seperti letak sepatu kutubnya dan ujung-ujung kawat kumparannya dihubungkan satu pada yang lain sehingga keluar hanya 2 ujung dan dipasang pada kotak klem dengan tanda huruf simbol F1 dan F2; pada kotak/plat klem itu juga ditempatkan klem untuk kabel peralatan sikat yang berhubungan dengan jangkar (armature) atau rotor dan diberi huruf simbol A1 dan A25.1.2. Kumparan Medan dan Rotor Jangkar Kumparan medan juga dikenal dengan kumparam penguat untuk menghasilkan medan magnit pada kutub uama ( main pole ) .Gambar 5.4. menunjukkan penepatan kumparan medan pada inti kutub.Rotor motor arus searah dilengkapi dengan komutator dengan lamel-lamel sebagai terminal kumparan jangkar motor dan dipasangkan pada poros. Rotor atau jangkar dibuat dari plat-plat tipis baja campuran dalam bentuk tertentu. Alur-alur pada jangkar dibuat untuk meletakkan lilitan jangka, lihat Gambar 5.5

Gambar 5.5 Rotor/jangkar 5.1.3. Bantalan (Bearing) dan Tutup (End plate)Bantalan pada motor/dinamo berfungsi sebagai: 1. Memperlancar gerak putar poros2. Mengurangi gesekan putaran dan perlu diberi pelumas3. Penstabil poros terhadap gaya horizontal dan gaya vertikal poros motor. Menurut tipe bantalan (bearing) dapat dibedakan antara lain:1. Bantalan peluru2. Bantalan roller3. Bantalan bos.

Gambar 5.6. Bagian tutup dan sikat-sikat dan cincin pembalik fasa AC ke DC.Pada setiap motor listrik atau generator mempunyai 2 (dua) buah tutup, masing masing ditempatkan pada dua sisi rangka di ikat dengan baut.Kedua tutup tersebut befungsi sebagai:1. Dudukan bantalan poros motor/dinamo2. Titik senter antara rotor/poros dengan rumah stator3. Pelindung bagian dalam motor/dinamo5.1.4. Bagian Mekanik Sikat Arang Sikat karbon ditempatkan diatas perputaran komutator berfungsi sebagai jaringan untuk memindahkan arus antara jangkar dan kumparan medan. Peralatan sikat, terdiri dari pemegang sikat (A) yaitu tempat dudukan sikat yang diikatkan pada rangka mesin, (B) Sikat arang , (C) Komutator dan (D) Pegas. Dengan tekanan pegas sikat arang akan selalu menekan pada komutator tanpa mengganggu kelancaran putaran rotor. Setiap sikat terpasang pada dudukan sikat , yang disatukan dengan pegas untuk mempertahankan tekanan sikat yang konstan pada komutator.

Perlengkapan (Rigging Brush) digunakan untuk dukungan pemegang sikat terdiri dari sepatu dan gagang sikat. Bagian-bagian mekanik sikat arang dapat dilihat pada Gambar 5.6. Sekalipun sudah dibentuk, pada kenyataannya, sikat arang berbentuk lengkungan seperti lengkungan komutatornya terutama ujung-ujung sikat arangnya. Hal ini menyebabkan arus keluaran tidak linier, sehingga perlu kutub kompensator atau kutub bantu atau interpole (lihat Gambar 5.7)

Gambar 5.7. Mesin DC dengan garis gaya magnet

Gambar 5.7. mesin DC apabila bebannya berfluktuasi, garis netral mondar-mandir antara posisi tanpa beban dan beban penuh. Untuk generator kecil, sikat-sikatnya dipasang pada posisi tengah untuk menghasilkan komutasi yang dapat diterima pada semua beban. Pada generator yang lebih besar, dipasang interpole antar kutub medan utama untuk mengurangi pengaruh reakasi jangkar. Medan magnet yang dibangkitkan oleh kutub bantu dirancang untuk memperbaiki komutasi.5.2. Motor DC Sebuah motor DC menggunakan energi listrik dan energi magnet untuk menghasilkan energi mekanis dibuat dari tegangan listrik dari luar. Operasi motor tergantung pada interaksi dua magnet. Secara umum dikatakan bahwa motor listrik bekerja dengan prinsip bahwa dua medan magnet dapat dibuat berinteraksi untuk menghasilkan gerakan.

Gambar 5.8a. Motor DC penguatan bebas Gambar 5.8b Motor DC Seri

Gbr.5.8b. Motor DC jenis seri ini terdiri dari medan seri dibuat dari sedikit lilitan kawat besar yang dihubungkan seri dengan jangkar. Jenis motor DC ini mempunyai karakteristik torsi start dan kecepatan variable yang tinggi. Ini berarti bahwa motor dapat start atau menggerakkan beban yang sangat berat, tetapi kecepatan akan bertambah kalau beban turun. Motor DC seri dapat membangkitkan torsi starting yang besar karena arus yang sama yang melewati jangkar juga melewati medan. Jadi, jika jangkar memerlukan arus lebih banyak, arus ini juga melewati medan, menambah kekuatan medan. Oleh karena itu, motor seri berputar cepat dengan beban ringan dan berputar lambat saat beban ditambahkan.Gambar 5.9. Motor DC Jenis Shunt Pada motor shunt, kumparan medan shunt dibuat dengan banyak lilitan kawat kecil sehingga mempunyai tahanan yang tinggi. Motor shunt mempunyai rangkaian jangkar dan medan yang dihubungkan parallel yang memberikan kekuatan medan dan kecepatan motor yang sangat konstan. Kecepatan motor dapat dikontrol di atas kecepatan dasar. Kecepatan motor akan menjadi berbanding terbalik dengan arus medan. Ini berarti motor shunt berputar cepat dengan arus medan rendah dan berputar lambat pada saat arus medan ditambah. Motor shunt dapat melaju pada kecepatan tinggi jika arus kumparan medan hilang.

(a) (b) Gambar 5.9. ( a). Motor shunt dan (b) motor kompoundGambar 5.9. (b) motor DC jenis Compound Motor jenis ini menggunakan lilitan seri dan lilitan shunt, yang umumnya digabung sehingga medan-medannya bertambah secara komulatif. Hubungan dua lilitan ini menghasilkan karakteristik pada motor medan shunt dan motor medan seri. Kecepatan motor tersebut bervariasi lebih sedikit dibandingkan motor shunt, tetapi tidak sebayak motor seri. Motor dc jenis compound juga mempinyai torsi starting yang agak besar jauh lebih besar daripada motor jenis shunt, tapi lebih kecil dibandingkan jenis seri. Keistimewaan gabungan ini membuat motor compound memberikan variasi penggunaan yang luas. 5.3. Generator Arus Searah Generator arus searah dihasilkan dari pemberian arus dari luar dan medan magnet dari dalam yang dapat dibangkitkan dari lilitan, sehingga timbul kutub yang saling menimbulkan putaran. Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu : Magnet permanen (magneto dynamo) jarang digunakan, sulit untuk membuat magnet permanen. Magnet remanen, menggunakan medan magnet listrik, mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu : Medan magnet yang dibangkitkan diaturPada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :Ea = ( z n P / 60 a VoltDimana:Ea = ggl yang dibangkitkan pada jangkar generator,( = fluks per kutub, z= jumlah penghantar total, n= kecepatan putar,a = jumlah hubungan pararel.Bila zP/60a = c (konstanta), maka :Ea = cn( Volt Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu:1. Generator berpenguatan bebasGenerator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan medannya tidak ada hubungannya dengan kumparan angkar dapat dihubungkan ke sumber DC yang secara listrik tidak tergantung dari mesin.

Gambar 5.10 Generator penguatan bebas

Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.

Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah: Vf = If Rf Ea = Vt + Ia Ra Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :- Tegangan jepit (V)- Arus eksitasi (penguatan)- Arus jangkar (Ia)- Kecepatan putar (n) 2. Generator berpenguatan sendiri Generator yang kumparan medan dihubungkan dengan kumparan jangkar, terdiri dari: (a) Generator searah seri

Gambar 2.11. Generator penguatan sendiri seri dan paralel.

2.1. Generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan : Adanya sisa magnetik pada sistem penguat dengan hubungan dari rangkaian medan pada jangkar hingga arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.Bagaimana pembangkitan tegangan induksi generator shunt dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor, akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil. Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk generator tersebut.

Reaksi JangkarFluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator tak berbeban merupakan fluks utama. Jika generator dibebani, timbullah arus jangkar. Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktor tersebut. Dengan mengnggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam kumparan medan, fluks ini seperti digambarkan pada Gambar 5.12. di bawah ini.

Gambar 2.12. Generator paralel Perhatian pada konduktor yang terletak pada daerah AC, ternyata fluks yang ditimbulkan arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkecil, sehingga fluks yang terjadi disini menjadi berkurang. Perhatikanlah kemudian konduktor pada daerah bd, ternyata fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkuat, sehingga fluks yang terjadi disini bertambah. Fluks total saat generator dalam keadaan berbeban adalah penjumlahan vector kedua fluks. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi jangkar. Interaksi kedua fluks tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Karena operasi suatu generator arus searah selalu pada daerah jenuh, pengurangan suatu fluks pada konduktor dibandingkan dengan pertambahan fluks pada konduktor lain lebih besar.Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau: a. Sisa magnetik tidak ada.Misal: pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetik adalah pada generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatan bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputaran nominalb. Hubungan medan terbalik,

Karena generator diputar oleh arah yang salah dan dijalankan salahan, sehingga arus medan tidak memperbesar nilai fluks. Untuk memperbaikinya/mengubah hubungan-hubungan dan diberi kembali sisa magnetik.c. Tahanan rangkaian penguat terlalu besar.

Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan, hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau komutator kotor. 2.2. Generator Kompond Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaan dari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari dari tegangan terminal kecil sekali dan terpengaruh. Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan seri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF nya searah. Bila generator ini dihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu mempunyai kumparan kompon bantu.Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut kompon lawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau generator-generator khusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu yang mempunyai peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seri dirancang untuk kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar pada range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara otomatis pada satu range beban tertentu.

Gambar 5.13. Generator Kompound panjang dan pendek Untuk memberi tenaga pada suatu beban kadang-kadang diperlukan kerja pararel dari dua atau lebih generator. Pada penggunaan beberapa buah mesin perlu dihindari terjadinya beban lebih pada salah satu mesin. Kerja pararel generator juga diperlukan untuk meningkatkan efisiensi yang besar pada perusahaan listrik umum yang senantiasa memerlukan tegangan yang konstan. Untuk hal-hal yang khusus sering dynamo dihubungkan pararel dengan aki, sehingga secara teratur dapat mengisi aki tesebut.Tujuan kerja pararel dari generator adalah : Untuk membantu mengatasi beban dan manjaga jangan sampai mesin dibebani lebih.Jika satu mesin dihentikan akan diperbaiki karena ada kerusakan, maka harus ada mesin lain yang meueruskan pekerjaan atau untuk menjamin kontinuitas dari penyediaan tenaga listrik. Gbr 5.13. B. Generetor Arus Searah Generator arus searah tidak banyak dipakai seperti dulu sebab arus searah dapat dihasilkan oleh dioda penyearah solid-state. Dulu pabrik industri kadang-kadang menggunakan perangkat motor generator untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Pada aplikasi ini motor AC digunakan untuk mencatu generator setelah disearahkan menjadi arus DC. Arus bolak-balik yang diberikan pada motor diubah menjadi tegangan DC dengan menggunakan rectifier (penyearah)..

Gbr 5.14 Gambar diatas ini menunjukkan gambaran generator dc sederhana.Gbr 5.14 Gambar bentuk tegangan yang dibangkitkan pada loop masih bentuk tegangan gelombang sinus AC, Komutator bertindak sebagai saklar mekanis atau penyearah untuk secara otomatis mengubah tegangan AC yang dibangkitkan menjadi tegangan DC. Satu-satunya perbedaan yang penting antara generator AC dan DC adalah penggunaan cincin-pengubah pada generator AC dan komutator pada generator DC. Generator arus searah diklasifikasikan menurut metode dimana arus diberikan pada kumparan medan. Yaitu generator yang diberi penguatan terpisah dan generator dengan penguatan sendiri. Generator dc yang mempunyai arus medan sendiri yang disuplai oleh sumber luar disebut dengan generator dengan penguatan terpisah. Sumber luar tersebut kemungkinan baterai atau jenis suplay dc yang lain dengan kecepatan konstan.

Gbr 5.15. Generator dengan penguatan sendiri Untuk generator dengan penguatan sendiri menggunakan sebagian arus yang dibangkitkan untuk memperkuat medan. Generator dengan penguatan sendiri diklasifikasikan menurut metode dimana kumparan medan dihubungkan. Generator dengan penguatan sendiri kemungkinan di seri, shunt, atau compound. Pada generator yang dihubung seri fluks medannya diperoleh dari rangkaian medan yang dihubungkan seri dengan kumparan jangkar generator tersebut. Generator jenis ini memiliki tegangan yang tidak konstan, tergantung pada besarnya arus beban yang ditarik. Karenanya generator jenis ini hanya digunakan untuk keperluan khusus, misalnya untuk las listrik, dimana untuk aplikasi ini yang dipentingkan adalah pasokan arus listrik yang besar.

Gbr 5.16. Pada generator shunt, kumparan medan shunt dihubungkan paralel dengan jangkar. Kumparan medan shunt terdiri dari banyak lilitan dengan kawat yang relatif kecil. Reostart yang dihubungkan seri dengan kumparan medan digunakan untuk mengubah arus medan, yang pada gilirannya mengontrol tegangan output generator. Saat beban ditambahkan pada generator tegangan Output akan turun.

Gbr 5.17. Generator kompounGenerator kompound hampir sama dengan generator shunt, kecuali bahwa pada compound generator mempunyai tambahan kumparan medan yang dihubungkan seri dengan jangkar. Kumparan medan yang dihubung seri tesebut dipasang atau ditempatkan pada kutub yang sama dengan kumparan medan shunt, dibuat dengan sedikit lilitan dengan kawat yang besar, cukup besar untuk mengalirkan arus jangkar. Generator ini dikembangkan untuk mencegah tegangan terminal generator dc dari penurunan akibat penambahan beban.Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:- Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.- Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.Berdasrakan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam:- Half wave rectifier (penyearah setengah gelombang)- Full wave rectifier (penyearah satu gelombang penuh)

Aplikasi Mesin DC

Kereta Api Listrik dengan tegangan motor 1500 V dengan pengereman menggunakan generator asinkron.