M.Ridho's Blog---------------------: Mesin Arus Searah

Mesin Arus Searah

Sebagaimana mesin berputar lainnya, mesin arus searah juga merupakan alat konversi energi. Mesin arus searah yang mengkonversi listrik arus searah menjadi gerak rotasi disebut motor arus searah dan yang yang mengkonversi gerak rotasi (mekanik) menjadi listrik disebut generator arus searah.

Perbedaan dengan mesin sinkron dan asinkron adalah bahwa pada mesin ini listrik yang dihasilkan generator dan yang digunakan motor, berupa listrik arus searah. Pada generator arus searah, tegangan yang dihasilkan sebenarnya berupa tegangan/arus bolak-balik. Tetapi arus yang dihasilkan dilewatkan pada sebuah alat penyearah mekanik yang disebut ”komutator” yang dipasang pada mesin arus searah, sehingga outputnya berubah menjadi tegangan /arus searah. Jika mesin difungsikan sebagai motor, komutator ini berfungsi sebagai inverter merubah arus searah yang diberikan menjadi arus bolak-balik dalam belitan mesin, dengan frekuensi yang bersesuaian dengan kecepatan motor.

Generator Arus Searah

Prinsip pembangkit tegangan pada generator arus searah sama saja dengan prinsip pembangkitan tegangan pada mesin berputar lainnya. Tegangan yang dibangkitkan dalam belitan utama berupa tegangan / arus bolak-balik seperti gambar berikut:

Yang menarik untuk diperhatikan jika konduktor dalam gambar di atas diputar searah jarum jam adalah bahwa setiap kaki konduktor a-b, maupun d-c bergerak di dekat kutub selatan (s) mak terminal a maupun d akan selalu berpolaritas positif(+) sementara jika masing-masing bergerak dekat kutub utara (u) maka terminal a maupun d berpolaritas negatif(-). Keadaan inilah yang dimanfaatkan ntuk menyearahkan tegangan output dengan membuat penghubung belitan yang berputar dengan rangkaian luar seperti diperlihatkan pada gambar berikut:

Sebuah sekmen berbentuk busur lingkaran disambungkan pada masing ujung a dan d dari konduktor- konduktor kedua segmen ini turut berputar sessuai putaran belitan (konduktor). Dua buah sikat sebagai terminal output dipasang diam(mantap). Masing segmen dan sika ditempatkan sedemikian hingga jika salah satu konduktor bergerk di dekat kutub selatan s, segmen akan bersentuhan dengan salah satu sikat 1 yang kita tandai sikat positif. Dan jika ia bergerak di dekat kutub utara, ia akan bersentuhan dengan sikat 2. dengan demikian sikat 1 akan menjadi terminal positif dan sikat 2 negatif dari tegangan / arus output. Sikat dan segmen ini yang bekerja untuk menyearahkan tegangan/arus pada generator arus searah yang disebut komutator.

Bentuk tegangan keluaran dari sistem seperti gambar diperlihatkan dalam gambar berikut :

Metode Penguatan Medan

Medan generator ac ada yang diperoleh dari magnet permanene, umumnya untuk motor/generator kecil. Untuk generator besar medan diperoleh dari belitan yang dialiri arus arus searah. Berdasarkan sumber arus belitan medan, dikenal beberapa generator.

v Jika sumber arus medan terpisahdari generator, disebut generator eksitasi terpisah.

v Jika sumber arus medan dari generator itu sendiri dan dihubungkan parallel dengan belitan utama (jangkar) disebut generator shunt.

v Jika sumber arus medan dari generator itu sendiri dan dihubungkan seri dengan jangkar, maka disebut generator seri.

v Jika sumber arus medan dari generator itu sendiri dimana belitan medan terdiri dari dua, satu dihubung paralel dan lainnya dihubung seri maka generator itu disebut generator arus searah kompon.

Persamaan tegangan

Dimana :

p : jumlah kutub

Φ : fluks tiap kutub

n = kecepatan (rpm)

z = total jumlah konduktor jangkar

b= jumlah jalur paralel melalui jangkar

Jika disederhanakan

yang nilai konstan, maka

; c = konstanta mesin

Bila mensuplai daya ke beban, akan ada arus pada belitan jangkar, reaksi arus dan medan dalam generator ini menimbulakan torka lawan penggerak mula.

Dari Persamaan

Untuk jumlah konduktor z

F = f z

Sehingga torkanya

Dimana,

Dengan memasukkan nilai ini ke persamaan Torka :

Dimana :

f = gaya yang timbul/konduktor

B = rapat medan di sekitar jangkar

l = panjang konsuktor efektif

z = total konduktor

Φ = fluks

Tp= besar busur jangkar yang dilalui oleh medan dari salah satu kutub

r = jari-jari celah udara

Motor Arus Searah

Motor arus searah mengubah listrik arus searah menjadi energi mekanik (putaran). Prinsip pembangkitan gaya pada motor selain dapt dijelaskan daei hukum gaya Lorentz juga dapat dianalisis secara grafik seperti gambar

Jika pada kawat arus menjauhi pembaca yang diletakkan dalam medan magnet seragam, maka medan gabungan seperti diperlihatkan pada gambar diatas. Konduktor medan saling menguatkan sehingga kerapatannya tinggi, sementara di bawah konduktor medan saling melemahkan sehingga kerapatannya rendah. Karena garis-garis medan ini berperilaku seperti tali elastis, maka kerapatan medan yang lebih tinggi di atas konduktor akan memberi gaya dorong pada konduktor ke arah bawah.

Konstruksi motor arus searah sama dengan generator arus searah. Sebuah mesin arus searah dapat difungsikan sebagai motor juga difungsikan sebagai generator.

Torka yang dihasilkan motor sama dengan gaya lawan penggerak mula bila difungsikan sebagai generator, yakni :

T = c_ai_a Φ

T = Torka

c_a= Konstanta mesin

i_a = arus jangkar

Φ = fluks/kutub

Prinsip Kerja Motor Dc

Suplai tegangan arus searah yang diberikan pada motor, akan melalui komutator sebelum masuk belitan. Komutator ini bekerja sedemikian hingga setiap konduktor yang berada di dekat salah satu kutub selalu memberikan arah arus yang sama. Konduktor a-b maupun d-c ketika ia bergerak di dekat kutub utara (u) selalu disuplai arus yang arahnya masuk(menjauhi) sehingga interaksi dengan medan menghasilkan arah gaya ke atas. Sementara jika konsuktor a-b maupun d-c ketika ia bergerak diakibat kutub selatan(s) akan selalu mendapat arus yang arahnya keluar (mendekat), sehingga interaksinya dengan medan memberikan gaya arah ke bawah. Kesua gaya ini akan selalu memberikan torka yang saling menguatkan.

Jika kita melihat arah arus pada konsuktor maka arah arus dalam konsuktor akan selalu berubah setiap setengah periode putaran. Konsuktor a-b ketika berada dekat dengan kutub u (sebelah kiri bidang netral), arus yang mengalir padanya selalu dari a ke b, tetapi ketika ia dekat dengan kutub s (sebelah kanan bidang netral), ia akan dialiri arus dari b ke a. Demikian juga yang terjadi pada konduktor d-c, komutator mengubah arus searah menjadi abb dengan frekuensi sesuai dengan putaran motor.

Ggl Lawan

Ggl Lawan seing disebut aksi generator pada motor, yakni timbulnya suatu ggl pada konduktor akibat pergerakan konduktor tersebut dalam medan magnet. Dimana ggl tersebut mempunya polaritas yang berlawanan dengan polaritas tegangan yang diberikan pada motor.

E_a= c n Φ

Adanya ggl lawan ini mempengaruhi arus yang mengalir dalam konduktor.