tugas mesin dc arnoldus ardianto(d41110286)
TRANSCRIPT
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.