Mesin-Mesin Listrik 1 2010-2011

8/10/2019 Mesin-Mesin Listrik 1 2010-2011

1/87

12/29/2014 PS S1 Teknik Elektro 1

Mesin-Mesin Listrik 1

TKE 1504

REFERENSI :A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Stephen D.Umans


2/87

Materi


1. Rangkaian Magnetik

2. Prinsip Konversi Energi Elektromekanis

3. Konsep Dasar Mesin Berputar

4. Aspek Teknis5. Mesin DC Keadaan Tetap

6. Pengaturan dan Dinamika Mesin DC


3/87


BAB 1. Rangkaian Magnetik

Gambar 1. Rangkaian Magnetik Sederhana

Pada gambar 1, sumber medan magnetikdalam inti adalah hasilkali ampere lilitan Ni.

Dalam rangkaian magnetik istilah Ni adalaharus gerak magnet / agm (magnetomitiveforce = mmf).

Hubungan antara intensitas medan

magnetik H dan rapat fluksmagnetik B merupakan sifat daridaerah yang di dalamnya terdapatmedan tersebut

Fluks magnetik yang menembussuatu permukaan adalah integralpermukaan dari komponen normalB, jadi

Bila Fluks diluar inti diabaikan,diperoleh persamaan skalar


4/87


Rangkaian Magnetik

Alat konversi energi yang bersatu dengan elemenyang bergerak harus mempunyai celah udara (air

gaps) dalam rangkaian magnetiknya. Gambar 2adalah suatu rangkaian magnetik yangmempunyai celah udara dengan panjang g sangatkecil dibanding dengan ukuran muka inti yangberdekatan. Fluks magnetik dipaksa untuk beradadidalam inti dan celah udara.

Gambar 2. Rangkaian magnetik dengan celah udara.

Gambar 2 dapat dianalisa

sebagai suatu rangkaianmagnetik dengan duakomponen seri, yaitu intimagnetik dengan denganpermeabilitas serta panjangrata-rata lc dan suatu celah

udara dengan permeabilitas0serta panjang g. Jadi

Jika efek pinggir diabaikan,maka Ac = Ag


5/87


Rangkaian Magnetik

Dari persamaan:

Suku yang mengalikan fluks dalam persamaanini dikenal sebagai reluktansi (reluctance )

Suku yang mengalikanmmf dikenal sebagaipermeansi


6/87


Rangkaian Magnetik

Gambar 3. Analogi rangkaian listrik (a) dan

rangkaian magnet (b).


7/87


Rangkaian Magnetik

Contoh soal 1:Rangkaian magnetik seperti yang ditunjukkan pada gb.2mempunyai ukuran-ukuran Ac=9 cm2; Ag=9 cm2; g = 0.05 cm;lc = 30 cm; N = 500 lilitan. Misalkan nilai R = 70000 untuk besi,tentukan: a) arus i untuk Bc = 1 T; b) Fluks dan fluks yangdilingkupi (linkage) = N.


8/87


Rangkaian Magnetik

Contoh soal 2:

Rangka magnetik suatu mesinserempak (synchrounousmachine) diperlihatkan sepertigambar disamping. Dengananggapan bahwa besi rotor danstator mempunyai permeabilitastak terhingga (=) tentukanlahfluks celah udara dan rapatfluksnya Bg.Untuk contoh ini I = 10 A; N =1000 lilitan; g = 1 cm dan Ag =2000 cm2.

Gambar 4. Mesin Serempak Sederhana


9/87


1.2 Gandengan Fluks, Induktansi dan Energi

Bila suatu medan magnetik berubahterhadap waktu, maka didalam ruangakan timbul medan listrik. Padagambar 2, rangka magnetik dengankumparan dimana medan magnetikyang berubah-ubah didalam intimenimbulkan tegangan induksi epada ujungnya yang besarnyaditentukan dengan hukum Faraday:

Definisi hubungan antara dan i dengan induktansi Ldinyatakan

Dimana = Nadalah fluks yangdirangkum dinyatakan dalamweber-lilitan


10/87


Gandengan Fluks, Induktansi dan Energi

Contoh soal 3:

Tentukan induktansi kumparan pada rangkaian magnetik gambar 2,abaikan efek pinggir celah udara.


11/87



Gambar 5. Suatu rangkaian magnetikdengan satu celah udara dan duakumparan

adalah resultan dari arus gerak magnetik 1 dan 2.Dan yang dirangkum oleh kumparan 1 adalah:

L11adalah induktansi diri(selfinduktance) kumparan 1. L11i1

adalah fluks yang dirangkumolehkumparan 1 yang disebabkan oleharusnya sendiri i1.

L12adalah Induktansi saling(mutual induktance) antarakumparan 1 dan 2. Dan L12 i2adalah fluks yang dirangkumolehkumparan 1 yang disebabkanoleh arus i2.


12/87



yang dirangkum oleh kumparan 2 adalah:

L22adalah induktansi diri(self induktance) kumparan 2.L22i2adalah fluks yang

dirangkumoleh kumparan 2yang disebabkan oleharusnya sendiri i2.

L21adalah Induktansi saling(mutual induktance) antarakumparan 1 dan 2. Dan L21 i1

adalah fluks yang dirangkumolehkumparan 2 yang disebabkanoleh arus i1.


13/87



Dari hukum Faraday:

Dalam peralatan konversi energielektromekanik induktansi seringberubah terhadap waktu sehingga

Daya ditentukan dari perkalianarus dan tegangan

Jadi perubahan pada energi tersimpanmagnetik W dalam rangkaian magnetikdengan selang t1hingga t2adalah:

Untuk sistem kumparan tunggal yanginduktansinya konstan, perubahanenergi magnetik tersimpan dinyatakan:

Total energi magnetik yang tersimpanpada suatu nilai tertentu dapatditentukan dengan mengambil 1 samadengan nol:


14/87



15/87

2.Prinsip Konversi Energi Elektromekanis


- Gaya dan Torsi dalam sistem Medan Magnetik

Berdasarkan Hukum gaya Lorentz:

2.1. Gaya dan Kopel Dalam Sistem Medan Magnetik

Aturan tangan kanan utk menentukanarah gaya Lorentz:


16/87

Gaya dan Kopel Dalam Sistem Medan Magnetik


Contoh soal 1:Suatu rotor yang bukan magnetik

terdiri dari suatu kumparan berlilitan

tunggal ditempatkan dalam suatu

medan magnetik serbasama B0

seperti gambar disamping. Sisi

kumparan tersebut berjari-jari R dan

kawatnya dialiriarus I. Tentukan arah

torsi sebagai fungsi dari posisi

rotor , apabila I=10A, B0=0.5 Tdan R=0.1 m. Misalkan panjang

rotor 0.6 m.T=2IB0Rl sin


17/87

Gaya dan Kopel Dalam Sistem Medan Magnetik


Gambar skema peralatan konversi

energi elektromekanis.

Gambar Peralatan penghasil gaya sederhana.


18/87

2.2 Kesetimbangan Energi


Input Energi

Dari Sumber

Listrik

=Output

Energi

Mekanik

Kenaikan

Energi Yang

DisimpanDalam

Medan

Magnetik

Energi

Yang

DirubahKedalam

Kalor

+ +

Untuk sistem penyimpan

energi magnetik tanpa rugi

dinyatakan sbb:


19/87

2.3 Energi dan gaya dalam sistem medan

magnetik yang dieksitasi tunggal



20/87

Energi dan gaya dalam sistem medan magnetik yang dieksitasi tunggal


Jalur integrasi Wfld


21/87


Contoh Soal 2

Gambar 2-7 (a). Relay dengan torakbergerak. (b) detail dari celah udara.

Relai pada gambar dibawah terbuat dari bahan magnetis yang

permeabilitasnya tak terhingga dilengkapi dengan suatu torak yang dapatbergerak yang terbuat dari bahan dengan permeabilitasnya tak terhingga.Tinggi torak jauh lebih besar dari panjang celah udara (h>>g). Tentukanenergi magnetik Wfld sebagai fungsi dari kedudukan torak (0


22/87


Contoh Soal


23/87


2.4 Penentuan Gaya Magnetik Dan Torsi Dari Energi

Sistem penyimpanan energi magnetiktanpa rugi-rugi Wfldadalah fungsikeadaan yang ditentukan olehvariabel keadaan bebas dan xsecara bebas.

Untuk setiap fungsi F(x1,x2) diferensial totaldari F terhadap kedua variabel keadaanbebas x1dan x2dituliskan sebagai

Untuk Wfldberlaku persamaan

Karena dan x adalah variabelbebas maka persamaan 1 dan 2harus sama untuk semua nilai dariddan dx. Dengan menganggapx konstan

(1)

(2)

Dengan menganggap konstan

Untuk sebuah sistem denganterminal mekanik berputar,variabel terminal mekanik menjadipergeseran sudut dan torsi TfldPersamaan (1) menjadi


24/87


2.4 Penentuan Gaya Magnetik Dan Torsi Dari Koenergi

Koenergi Wfld

adalah fungsi keadaanyang didefinisikan sebagai fungsi darii dan x.

dan


25/87


Contoh Soal 3

Tentukan gaya pada plunyer (torak pompa) sebagai fungsi dari x,untuk relai pada contoh sebelumnya. Apabila arus kumparan dibuatkonstan 10. Gunakan pernyataan energi dan koenergi.

energikoenergi


26/87


Penentuan Gaya Magnetik Dan Torsi DariKoenergi

Penafsiran grafis dari

energi dan koenergi Efek dari x pada energidan koenergi peralatanyang dieksitasi tunggal


27/87


Sistem Medan Magnetik yang Dieksitasi Ganda

energi koenergi


28/87


Sistem Medan Magnetik yang Dieksitasi Ganda

Contoh soal

Dalam sistem seperti gambar dibawah, induktansi dalam henrydiberikan sebagai L11=(3+cos 2) x 10

-3; L12=0.3 cos 2); L22=30 +10 cos 2. Temukan torsi Tfld() untuk arus i1=0.8 A dan i2=0.01 A


29/87


BAB 3. Konsep Dasar Mesin Berputar

Dari hukum Faraday

Kumparan Jangkarpada bagian bergerak

Kumparan Jangkarpada bagian diam

3.1. Konsep Dasar


30/87


Konsep Dasar Mesin Berputar

Untuk mengurangi rugi-rugi arus eddy, inti

stator dibuat berlapis-lapis


31/87


3.2. Pengantar Mesin AC dan DC

Mesin Serempak

Lilitan jangkar berisi N lilitan, berupa2 sisi kumparan a dana. Lilitanmedan dieksitasi oleh arus searah.

Kerapatan fluks celah udara B tampakpada gambar (a) sebagai fungsi dari sudut

ruang disekitar keliling celah udara.Pada gambar (b) saat rotor berputar, fluksbergerak melalui sisi kumparan a danasehingga diperoleh tegangan kumparanyang merupakan fungsi dari waktu.

Besarnya frekwensi = kecepatan rotorsehingga disebut sebagai mesin serempak.

Mesin serempak 2 kutub berputar padakecepatan 3600 putaran/menit untukmenghasilkan tegangan 60 Hz.


32/87


Mesin AC

Kumparan jangkar terdiri dari 2kumparan a1, -a1 dan a2, -a2.Tegangan yang mencapai 2 daurpenuh setiap putaran rotor. Besarnyafrekwensi juga menjadi 2 kali

kecepatan dalam putaran tiap detik.

Karena terdapat P/2 panjang gelombang dalamsatu putaran penuh, maka terdapat hubungan


33/87


Mesin AC


34/87


Mesin AC

Generator 3 fasa


35/87


Mesin AC

Motor serempak


36/87


Mesin AC

Mesin Induksi Dasar


37/87


Mesin DC

Pada mesin dc pembagian fluks celahudara tidak berupa sinus seperti padamesin ac.


38/87


3.3. MMF Pada Lilitan Terbagi

Dari struktur yang simetris,

intensitas magnetik H dalamcelah udara pada sudut dibawah sebuah kutub,mempunyai magnitude yangsama dengan + dibawahkutub yang berlawanan danmedannya mempunyai arahberlawanan.


39/87


a. Mesin AC

Lilitan terbagi menghasilkangelombang agm yang lebihmendekati sinus.

Bentuk persamaan untuk suatu lilitan kutup Pterbagi yang mempunyai lilitan sebanyak Nderet tiap fasa. Dimana faktor 4/timbul dari

analisa deret Fourier suatu gelombang agmgigi gergaji dari kumparan langkah penuhterpusat dan faktor lilitan kwmemperhitungkan pembagian dari lilitannya.


40/87


Contoh Soal

Kumparan jangkar 2 kutup fasa a seperti gambar atas ditinjau terdiri dari 8 Nc-turn,full-pitch coils terhubung secara seri, dengan setiap slot terdiri 2 coil. Terdapat total 24

slot-slot jangkar, dan setiap slot terpisah oleh 360/24 = 15 . Asumsikan sudut adiukur dari sumbu magnetik fasa a sedemikian hingga 4 slot-slot berisi sisi-sisi coilbernotasi a adalah pada a= 67.5 , 82.5 , 97.5 , dan 112.5 . Sisi-sisi berlawanansetiap coil dalam slot-slot pada -112.5 , -97.5 , -82.5 , dan -67.5 masing-masing.

Asumsikan kumparan ini sedang membawa arus ia.

a. Tulislah persamaan untuk mmf ruang-dasar yang dihasilkan oleh 2 coil-coil yang sisi-sisinya adalah dalam slot pada a= 112.5 dan -67.5 .

b. Tulislah persamaan untuk mmf ruang-dasar yang dihasilkan oleh 2 coil-coil yang sisi-sisinya adalah dalam slot pada a= 67.5 dan -112.5 .

c. Tulislah persamaan untuk mmf ruang-dasar pada kumparan jangkar lengkap.

d. Tentukan faktor kumparan kwuntuk kumparan yang terdistribusi ini.


41/87


Contoh Soal


42/87


b. Mesin AC (Bagian Rotor)


43/87

b. Mesin DC


Karena adanya pembatasan

komutator dalammenyusun lilitan, maka

gelombang mmf mesin dc

menyerupai gigi gergaji.


44/87

b. Mesin DC



45/87


46/87


a. Mesin dengan celah udara tak seragam


47/87


Contoh Soal


48/87


3.5. Gelombang MMF Berputar Pada Mesin AC

a.Lilitan Fasa-Tunggal


49/87


b. Lilitan Fasa-Banyak

Dalam arus fasa 3 seimbang,


50/87


b. Lilitan Fasa-Banyak


51/87


c. Analisa Grafis MMF Fasa Banyak


52/87


Tegangan Yang Dibangkitkan

Pada Rotor:a) Mesin ac


53/87



Pada Stator:


54/87




55/87


Contoh Soal


56/87

Contoh soal



57/87


b) Mesin dc


58/87

b) Torsi pada mesin kutub tak tonjol (silindris)


Pandangan rangkaian tergandeng

P d k i t d


59/87




60/87




61/87

Pandangan medan magnet



62/87




63/87


12/29/2014 PS S1 Teknik Elektro

63


64/87




65/87

Mesin DC Keadaan Ajek


5.1 Pengantar


66/87

Pengantar



67/87

Pengantar



68/87

5.2 Cara Kerja Komutator



69/87


5 3 Efek Dari AGM Jangkar


70/87

5.3 Efek Dari AGM Jangkar



71/87



72/87

Dasar-Dasar Analisa Dari Segi Rangkaian Listrik


Torsi dan tegangan yang dibangkitkan padasuatu mesin dc adalah:

Gambar pembagian daya mesin dc


73/87

Gambar pembagian daya mesin dc


Pembagian Daya Pada Generator DC

Pembagian Daya Pada Motor DC

EaIa sering

disebut sebagai

dayaelektromagnet


74/87

Diagram hubungan motor-generator


Tanda + : motor

Tanda - : generator


75/87


5.5. Dasar-Dasar Analisa Dari Segi Rangkaian Magnit

a. Reaksi Jangkar Diabaikan

b. Pengaruh Reaksi Jangkar (MMF Jangkar)


76/87

Motor



77/87

Motor



78/87

Pengaturan Dan Dinamika Mesin



79/87



80/87


Motor Generator


81/87



82/87



83/87



84/87



85/87


Multiquadrant Operation

For each electric drive application, the mechanical load to be driven has a specific set

of requirements. The torque/speed possibilities of the electric drive can be representedas a speed versus torque graph consisting of four quadrants. In the first quadrant, the

electric torque and the speed signs are both positive, indicating forward motoring since

the electric torque is in the direction of motion. In the second quadrant, the electric

torque sign is negative and the speed sign is positive, indicating forward braking since

the electric torque is opposite to the direction of motion. In the third quadrant, the

electric torque and speed signs are both negative, indicating reverse motoring. In thefourth quadrant, the electric torque sign is positive and the speed is negative,

indicating reverse braking. The drive braking is handled either by a braking chopper

(dynamic braking) or by bidirectional power flow (regenerative braking).

The following figure illustrates the four-quadrants operating region of an electric drive.

Each quadrant has a constant torque region from 0 to +/- nominal speed b and aregion where the torque decreases inversely with the speed from b to the maximum

speed max. This second region is a constant power region and is obtained by

decreasing the motor magnetic flux.


86/87


Four-Quadrant Operation of an

Electric Drive


87/87

REFERENSI

AE Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans, Electric Machinery.

Documents

Mesin-Mesin Listrik 1 2010-2011