1

FUNDAMENTAL ELECTRICAL MACHINE

ELECTRICAL MACHINE adalah term umum dipakai untuk generator dan motor listrik

Mesin listrik digunakan untuk performance ELECTROMECHANICAL ENERGY

CONVERSION ( merubah energi listrik kedalam energi mekanis atau sebaliknya )

Motor listrik - mengkonversi energi listrik ke energi mekanis

Generator listrik - mengkonversi energi mekanis ke energi listrik

Mesin listrik diperlukan karena dengan alat yang sama dapat dioperasikan sebagai motor

atau generator. Setiap mesin listrik mempunyai komponen diam (stationary) dan komponen

bergerak (moving) . Gerakan dari komponen mesin yang bergerak dapat linear, osilasi , atau

berputar . Umumnya kebanyakan type gerakan berputar

ELECTROMAGNETISM AND ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERSION

Perangkat konversi energi elektromekanis mentransfer energi antara sisi input dan sisi output,

seperti yang ditunjukkan pada gambar .1 Dalam sebuah motor listrik, input adalah energi

listrik diambil dari sumber pemasok dan output adalah energi mekanik disuplai ke beban,

yang mungkin pompa, kipas angin, hoist, atau beban mekanis lainnya. Sebuah generator

listrik mengubah energi mekanik yang disupply oleh

Gambar 1 Functional block diagram of electromechanical energy conversion devices as

(A) motor, and (B) generator

2

THE MAGNETIC FIELD

Energy is converted from one form to another in motors, generators, and transformers by the action

of magnetic fields. There are four basic principles that describe how magnetic fields are used in these devices:

1. A current-carrying wire produces a magnetic field in the area around it.

2. A time-changing magnetic field induces a voltage in a coil of wire if it passes Through that coil. (This is the basis of transformer action.)

3. A current-carrying wire in the presence of a magnetic field has a force induced on

it. (This is the basis of motor action.) 4. A moving wire in the presence of a magnetic field has a voltage induced in it. (This

Is the basis of generator action.)

Magnetic field around a current-carrying wire.

3

. Magnetic force law. From PSSC Physics, 7th edition, by

Haber-Schaim, Dodge, Gardner, and Shore, published by Kendall/Hunt, 1991

With the direction of B perpendicular to the wire, the strength (magnitude) of the magnetic induction

field B is defined to be

where Fmagnetic is the magnetic force, i is the current, and l is the length of wire perpendicular to the

magnetic field carrying the current. That is, B is the proportionality constant so that Fmagnetic = i l B.

As illustrated in Figure above

or, in scalar terms, Fmagnetic = is the component

of B perpendicular to the wire.'

FIGURE 1.2. Only the component BI of the magnetic field which is perpendicular to the wire

produces a force on the current. 'Motors are designed so that the conductors are perpendicular to the external magnetic field.

4

An electromagnetic wave

Fleming’s left hand rule

5

Faraday's Law shows a magnet moving upwards into a wire loop producing achanging magnetic flux in the loop.

FIGURE A magnet moving upwards produces a changing flux in the loop which in turn results in an induced emf and current in the loop.

Recall that a changing flux within a loop produces an induced electro motive force (emf) ε in the loop

according to Faraday’s law

Types dari mesin putar

1 Synchronous machines

2 Induction ( asynchronous) machines

3 DC machines

mesin putar terdiri dari dua bagian dasar stationary (sisi luar) porsi dari mesin disebut stator.

Rotating (didalam) porsi dari mesin disebut rotor.antara stator dan rotor adalah celah udara ( air gap) .

rotornya terpasang pada batang baja disebut poros (shaft)

6

Poros dihubungkan langsung dengan ke rotor .kecepatan putar dari mesin dengan istilah “machine

speed,”rotor speed,” dan “shaft speed” adalah synonymous. Setiap rotor dan stator terdiri dari tiga

komponen

Komponen Rotor/Stator

1. Inti (core) 2. Belitan (winding)

3. Isolasi (insulation

Inti dari rotor atau stator adalah bahan ferromagnetic digunakan untuk penghantar effectif medan

magnit melalui belitan (kumparan) . Arus belitan adalah sumber dari medan magnit dimesin. Disini

ada dua type arus belitan dan tiga type belitan

Arus Belitan

1.Arus beban - suatu arus belitan dengan variasi beban

2.Arus Magnitisasi (exciting) - suatu arus belitan penyedia medan magnit

Type-type Belitan

1 Jangkar (Armature) - hanya membawa arus beban

2 Belitan medan - hanya membawa arus magnittisasi 3 Belitan primer - membawa kedua arus beban dan magnitisasi

Daya yang diperlukan dari suatu belitan medan relatip kecil dibandigkan kebelitan yang harus

membawa arus beban . Typical daya input untuk belitan medan dimana antara 0,5% sampai 2% dari

rating daya mesin. Konductor belitan adalah typical tembaga atau alumunium dan bisa terdiri

kumparan atau batang (heavy bars) ,tergantung dari arus yang diperlukan.

7

Systim isolasi dari mesin putar terdiri dari tiga komponen.

Komponen isolasi

1. Isolasi penghantar – mengisolasi conductor belitan,typical natural atau synthetic varnish

2. Isolasi kumparan (coil insulation) – mengisolasi belitan kumparan dari

penghantar inti, biasanya tape. 3. Slot liner – untuk mesin dengan lokasi kumparan dalam slot

Berikut informasi basic operasi sekitar typical mesin putar yang dilengkapi pada name plate alat

1. Device type ( induction motor, DC motor , etc)

2. Name of manufacturer

3. Rated voltages and frequency 4. Rated currents and VA

5. Rated speed and horse power

D C MAHINE

Mesin DC dapat dioperasikan sebagai motor atau generator . jenis mesin ini bisanya dalam

realisasinya rotor sebagai internal /kutub external mesin . Rumah dari mesin juga digunakan sebagai magnetic yoke untuk medan magnit melalui jangkar (armature) dan kutub (pole)

Belitan medan ( excitation winding) lokasinya langsung pada kutub utama dari stator. Arus mengalir

dibelitan membangkitkan medan utama .karena mesin dioperasikan dengan arus DC, medan magnit

distator adalah constant dan semua bagian besi dari stator dapat dibuat dari massive material ,

Prinsip generator Sebuah generator listrik didasarkan pada prinsip bahwa setiap kali fluks dipotong oleh konduktor,

sebuah e.m.f. diinduksi yang akan menyebabkan arus yang mengalir jika konduktor sirkuit tertutup.

Arah tegangan induksi e.m.f. diberikan oleh kaidah tangan kanan Fleming. Oleh karena itu,

komponen penting generator adalah:

(a) medan magnet

(b) konduktor atau sekelompok konduktor

(c) gerak atau putaran

A conductor moving inside a magnetic field

8

Kelistrikan dan kemagnitan sering bekerja sama untuk menghasilkan gerakan . Dalam motor listrik arus mengalir dalam suatu konduktor yang ditempatkan didalam suatu medan magnit menghasilkan

gerakan . Sebuah Generator , pada tangan yang lain memproduksi suatu tegangan ketika sebuah

konduktor bergerak dalam medan magnit. Disini ada dua effect tenaga yang tertutup berkaitan satu

sama lain.

komutator ini dipasang pada poros rotor namun terisolasi dari.Ujung-ujung kumparan sisi AB dan CD

yang terhubung ke segmen C1 dan C2 masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2 diatas

9

Dua karbon sikat terpasang stasioner dikomutator dan penghantar berarus kebeban luar . Dengan. susunan ini , maka komutator setiap saat menghubungkan sisi kumparan dibawah kutub S

ke sikat + ve dan di bawah kutub N kesikat -ve.

Jadi tegangan arus bolak balik (AC) yang dibangkitkan dalam loop akan muncul sebagai tegangan arus searah DC . Hal ini dengan menggunakan komutator ,komutator adalah penyearah mekanis yang

mengubah tegangan E (emf) AC yang dihasilkan armature melalui sikat menjadi tegangan DC.

komutator terbuat dari segmen tembaga terisolasi dari satu sama lain dengan lembaran mika dan terpasang pada poros mesin.

Tujuan sikat hanya untuk menghantar arus dari loop putar atau belitan kebeban stasioner luar

Meratakan gelombang keluaran arus searah DC:

Gambar diagram schematic dari generator DC Tegangan antar sikat lebih merata

Empat kumparan dan empat batang komutator

Hukum faraday’s & perubahan flux

→ kumparan berputar

ΦB = B.A.cos ω t

E = - N dΦB / dt = NωBA sinωt

Bilamana tegangan yang diinduksikan berbentuk sinus ,maka nilai rata-rata tegangan tersebut adalah :

Er = 1/π

Em sin ωt =

cos ωt

= 2 / π . Em

10

dimana: Em = Z .ω .Фm . 10 .-8

; ω = 2 π f

Er = 4. π f .Фm . Z . 10 -8 Volt

karena E r = 4 .f .Фm . Z .10 -8

. Volt maka jika f =

dan Z = N / 4a

maka :

Er = p/a .n/60 .Фm. N. 10 -8

. Volt

Er = CE . n .Ф. Volt

CE = p/a . N. 1/60 .Фm . 10

Tegangan terminal yang dikeluarkan generator . pada umumnya lebih kecil dari gaya gerak listrik

(emf) E , sebab masih harus dikurangi berbagai kerugian , seperti kerugian –kerugian tegangan dalam jangkar , sikat-sikat , dan tempat peralihan .

Pada umumnya berlaku ; V = E - Ia.Ra

TORQUE DAN DAYA Berapakah besarnya momen atau torque ?

Misalkan kawat-kawat terpasang pada jangkar secara aksial , dan bahwa medan berarah tegak lurus

padanya , maka menurut lorentz , gaya yang bekerja pada kawat itu adalah :

Fx = Bx .l.i

Sedangkan momen yang diakibatkan adalah

Tx = Bx .l. i D/2

Besarnya seluruh momen , adalah .

T = Σ Tx = l.i . D/2 Σ Bx = l.i. D/2 . Br .N

atau :

T = ( Ni) ( l . D/ 2 Br )

dengan

Br adalah B rata-rata

bilamana : σp = jarak kutub = π D / 2p

D/2 = p . σp / π

maka :

T = 1/ π ( Ni ) ( p.Фp )

11

dengan catatan : Ni adalah jumlah arus listrik

p.Фp adalah jumlah arus magnit

T = CT .Ф . Ia Nm

Daya mekanis adalah torque kali putaran sudut mekanis :

P = T . ω = 1/ π ( Ni ) ( p.Фp ) . 2 π n / 60

bila :

i = Ia/ 2a maka :

P = p/a. n/60 . N .Фp .Ia = Ea. Ia Watt

Zona neutral zona netral tersebut pada lokasi permukaan angker dimana kepadatan fluks adalah nol.Ketika

generator beroperasi tanpa beban, zona netral terletak persis di antara kutub. Tidak ada tegangan

induksi dalam kumparan yang memotong zona netral.diusahakan untuk mengatur sikat sehingga kontak dengan kumparan yang sesaat dalam zona netral.

Diagram schematic armature dan tegangan induksi dalam 12 kumparan

12

Kutub utama dan kutub komutasi sering dibentuk lamel – lamel , bagian berputar dari mesin terpasang pada poros armature dengan komutator. Karena flux bolak balik mengalir melalui armature , bagian

besi harus dibentuk lamel-lamel ,sama-sama terisolasi dan alur –alur (slotted) lembar magnit baja ,

kumparan dari belitan armature terletak dialurnya , ujungnya dihubungkan pada segment komutator .

Arus mengisi ke komutator oleh sikat carbon (carbon brushess). Sebagai rotor berputar conductor berputar dengannya. kontak sikat dengan segment komutator berurutan .bila beban mesin bertambah,

medan armature tidak bisa diabaikan dan menyebabkan pergeseran bidang netral(neutral zone)

disebabkan dari superposisi medan utama dan medan armature Interupsi tiba-tiba arus induktif membangkitkan tegangan tinggi,tegangan tinggi menghasilkan loncatan api (flashover) dan busur api

(arcing) antara segment komutator dan sikat

KONTRUKSI MESIN DC

13

Kontruksi mesin listrik DC lengkap A two – pole machine with salient stator poles

14

Schematic connection diagram of dc machine

Konstruksi rotor sebagai jangkar (armature)

Mesin DC

15

Motor DC empat kutub utama.mesin ,juga mempunyai 4 kutub komutasi 12 kW , 1500 min-1 (Siemens

AG,Bad Neustadt) .

Kutub baja padat Sikat(brush) terpasang

Ciri umum dari belitan armature Mesin DC.

(i) mesin DC (generator atau motor) pada umumnya menggunakan gulungan didistribusikan dalam

slot atas lingkar inti armature. Setiap konduktor terletak di sudut kanan ke fluks magnetik dan ke

arah gerakan Oleh karena itu, tegangan induksi e.m.f. dalam konduktor diberikan oleh;

e = Bℓv volt dimana B = kerapatan fluks magnetik di Wb/m

2

ℓ = panjang konduktor dalam meter v = kecepatan (dalam m / s) dari konduktor

16

(ii) konduktor armature tersambung membentuk kumparan. Komponen dasar semua jenis belitan

adalah kumparan armature .gambar bawah menunjukkan kumparan satu belitan . armature memiliki dua konduktor atau sisi kumparan terhubung di belakang dari armature.gambar

bawah b menunjukan kumparan 4 lilitan yang memiliki 8 konduktor

Gambar kumparan

Sisi kumparan dari beberapa kumparan ditempatkan pada rentang kutub terpisah yaitu, satu sisi

kumparan berada di bawah kutub N dan sisi kumparan lainnya berada di bawah kutub S

berikutnya pada posisi yang sesuai seperti ditunjukkan pada Gambar kumparan Akibatnya tegangan induksi e.m.f. dari sisi kumparan menambahkan bersama. Jika e.m.f. diinduksi dalam

satu konduktor adalah 2,5 volt, maka e.m.f. dari satu belitan akan menjadi 2 x 2,5 = 5 volt.

Untuk fluks dan kecepatan yang sama , e.m.f. dari gulungan 4lilitan akan menjadi 8 x 2.5 = 20 V.

(iii) Sebagian besar belitan armature DC adalah belitan dua lapis (double layer) yakni, ada dua sisi

kumparan per alur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Salah satu sisi kumparan terletak di atas slot dan yang lainnya sisi kumparan terletak di bagian bawah dari beberapa lain slot. koil

berakhir berdampingan. Sisi kumparan diberi nomor seperti ditunjukkan pada Gambar.

Sisi kumparan diberi nomor yang diperlukan disekeliling armature.

17

A multiloop armature for a DC motor

FIGURE Commutator for the rotor

18

Lap winding wave winding

one side of the coil is connected to commutator segment 1 and the other side connected to

commutator segment 2. Therefore, the number of commutator segments spanned by the coil is 1 i.e.,

YC = 1. one side of the coil is connected to commutator segment 1 and the other side to commutator segment 8.

Number of coils = Number of commutator segments

19

Gambar sirkuit konduktor belitan jangkar (armature) a) belitan gelung b) belitan gelombang

a. Armature – Lap winding

b. Armature - Wave winding

20

21

Ketika konduktor melalui sepasang kutub, satu siklus tegangan dibangkitkan .

Kita katakan satu siklus mengandung 360 derajat listrik. Misalkan ada P kutub di generator. Dalam

satu putaran, ada 360 derajat mekanis dan 360 x P / 2 listrik

22

Beberapa jenis mesin DC dan banyak cara untuk mengklasifikasinya . salah satu cara klasifikasi

adalah cara memperoleh medan magnit . Disini ada empat dasar pendekatan untuk penyedia medan :

1) Penguat terpisah ( separately excited ) - Belitan medannya disuply dari sebuah power

supply terpisah dan tidak bergantung (independent) dari power supply jangkar (armature)

2) Shunt – penguatan sendiri (self excited) - Medannya ditempatkan parallel dengan armaturnya yang menghasilkan emf balik (back emf) oleh

armature penyedia tegangan melintas medannya.

3) Serie – Self excited - Belitan medannya ditempatkan seri dengan armature jadi bahwa ketika arus armaturenya mengalir,

medannya dihasilkan . Disini menyediakan medan

yang kuat dalam kondisi beban yang berat dan sebenarnya tidak ada medan dalam kondisi beban

yang ringan.

4) Compound machine - Kombinasi dari 2 dan 3 (tersedia kedua belitan shunt

dan serie).

Field-circuit connections of dc machines: (a) separate excitation,(b) series,(c) shunt,(d) compound.

23

Long compound short compound

Reaksi jangkar (armature reaction)

(1) Medan utama tanpa arus pada rotor, (2) Medan melintang Armature , (3) Resultant keseluruhan medan

kerapatan flux meningkat pada separuh kutubnya dan menurun pada separuh kutub yang lain

saturation - > reduction of flux per pole

24

25

Reactance voltage and commutation

Arus di kumparan α harus benar-benar membalikkan [gbr a dan c] pada saat sikat bergerak dari

segmen 2 ke segmen 3 Situasi yang ideal dipresentasikan oleh garis lurus gbr ; itu dapat disebut garis lurus komutasi . Karena kumparan α memiliki beberapa induktansi L, perubahan dari arus dI.

Dalam waktu dt menginduksi tegangan L (dI / dt) di kumparan. Menurut hukum Lenz, arah tegangan

ini, yang disebut reaktansi tegangan, menentang dengan perubahan (dI) yang menyebabkan itu. Akibatnya, arus dalam kumparan tidak sepenuhnya membalikkan pada saat sikat bergerak dari satu

segmen ke segmen yang lain. Kesetimbangan dari arus yang tak membalik ('' unreversed '') saat

melompat lebih sebagai percikan dari komutator pada sikat, dengan hasil bahwa komutator aus dari

bopeng (pitting).

26

Functions of Interpoles

The machines fitted with interpoles have their brushes set on geometrical neutral axis (no lead). The

interpoles perform the following two functions:

(i) As their polarity is the same as the main pole ahead (for a generator), they induce an e.m.f. in the coil (undergoing commutation) which opposes

reactance voltage. This leads to sparkless commutation. The e.m.f. induced by compoles is known as

commutating or reversing e.m.f. Since the interpoles carry the armature current and the reactance voltage is also proportional to armature current, the neutralization of reactance voltage is

automatic.

(ii) The m.m.f. of the compoles neutralizes the cross-magnetizing effect of armature reaction in small region in the space between the main poles. It is because the two m.m.f.s oppose each other in

this region.

27

EDDY CURRENT AND CORE LOSSES

Jika inti dikenakan pada medan magnet yang berubah terhadap waktu (disumsikan input sinusoida ),

energi diambil dari sumber dalam bentuk rugi hysteresis. Ada mekanisme kerugian lain yang timbul

sehubungan dengan penerapan medan magnet yang bervariasi waktu, yang disebut rugi arus eddy . Sebuah analisis ketat dari fenomena eddy-saat ini adalah proses yang kompleks tapi model dasar

dapat dijelaskan secara sederhana atas dasar hukum Faraday.

Perubahan fluks akan menginduksi tegangan dalam bahan inti yang akan menghasilkan arus yang

beredar di inti. Arus induksi cenderung membentuk fluks yang menentang perubahan asli yang dikenakan oleh sumber. Arus induksi, yang pada dasarnya arus eddy, akan menghasilkan daya yang

hilang akibat pemanasan bahan inti. Untuk meminimalkan kerugian arus eddy, inti magnetik terbuat

dari lapisan dari laminasi baja lembaran, idealnya dipisahkan oleh bahan yang sangat resistif. Hal ini jelas bahwa hasil ini secara efektif di daerah yang sebenarnya dari bahan magnetik yang kurang dari

gross area yang dipresentasikan oleh lapisan lamel. Untuk perhitungan hal ini, faktor lapisan

digunakan untuk perhitungan rangkaian praktis.

28

Biasanya ,ketebalan laminasi berkisar dari 0.01 mm sampai 0.35 m dengan diassosikan factor

susunan berkisar antara 0.5 sampai 0.95. Rugi daya arus eddy (eddy-current power) persatuan

volume dapat dinyatakan dengan rumus empiris

Rugi daya arus eddy (eddy-current power) persatuan volume bervariasi dengan kuadrat frekwensi f,

kerapatan flux maksimum Bm, dan ketebalan lamel t1. Ke adalah konstanta proporsional. Istilah

rugi inti ( core loss) digunakan untuk menandai kombinasi dari rugi daya arus eddy ( eddy-current ) dan hysteresis dalam material. Dalam prakteknya, produsen manufactur mensupply data untuk

digunakan mengestimasi rugi inti PC, untuk memberikan frekwensi dan kerapatan flux untuk jenis

material tertentu.

29

Diagram hubungan generator atau motor dan arah arus

Pembangkitan tegangan Generator DC Shunt

Losses and efficiency

30

31

Karakteristik Generator DC

Karakteristik motor DC

32