[Part I] Mesin DC Lagi?

Pada postingan sebelumnya telah dibahas tentang dasar dari motor DC dari persamaan dasarnya dan juga dari konfigurasinya yang disederhanakan dan juga output tegangannya. Pada kali ini akan dijelaskan tentang beberapa jenis mesin DC, karena mesin DC tentunya terdiri dari beberapa jenis. Berikut ini jenis-jenis mesin DC:

1. Mesin DC penguatan bebas
2. Mesin DC Shunt
3. Mesin DC Seri
4. Mesin DC dengan magnet permanent

Pertama akan dibahas tentang mesin DC penguatan bebas dimana memiliki rangkaian ekuivalen sebagai berikut

Rangkaian disebelah kanan adalah bagian rotor dimana tegangan akan dihasilkan yang diberi notasi E_A dan V_brush adalah drop tegnagan pada komutator dan brush, resistor melambangkan resistansi dari belitan-belitan konduktor dirotor. Karena kecepatan motor DC aka meningkat jika arus pada rotor naik maka dengan memperbesar tegangan input maka arus naik dan motor akan berputar lebih cepat. Disebelah kiri adalah rangkaian dari penghasil medan magnet pada mesin DC, pada postingan sebelumnya medan magnet digambarkan dengan permanent magnet dangan dua kutub. Kutub selatan dan utara, pada mesin DC yang besar sangat susah untuk menggunakan permanent magnet karena dibutuhkan permanent magnet yang sangat besar. Oleh sebab itu maka medan magnet dihasilkan dari belitan konduktor yang dialiri arus listrik. Pada rangkaian diatas untuk bagian penghasil medan magnet direpresentasikan dengan induktor yang merupakan pengasil medan dan resistor yang merupakan resistansi dari belitan penghasil medan magnet dan resistor variabel yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya arus medan yang berpengaruh terhadap kecepatan perputaran jika itu motor dan tegangan jika itu generator. Karena hal tersebut dapat diatus dengan bebas oleh resistor variabel dan tegangan terminal maka disebut penguatan bebas. Pada bagian ini tegangan internal pada motor adalah E_A dimana persamaannya adalah

Persamaan e_ind sama seperti dengan postingan sebelumnya dimana hanya terdiri dari satu konduktor dan dua pole/kutub saja sedangkan mesin DC terdiri dari banyak konduktor dan lebih dari dua pole. Z adalah jumlah konduktor dan a adalah jalur arus dimana jika ada 2 jalur berarti ada dua konduktor yang berada pada posisi paralel dimana tegangannnya sama dengan asumsi jumlah konduktor/lilitannya sama. A_P sendiri adalah luas bidang yang ditembus medan dari setiap pole dimana luasnya tergantung dari jumlah pole, jika ada dua pole maka luas tiap pole adalah luas selimut tabung dibagi dua atau dibagi jumlah pole. Dengan begitu maka didapat persamaan fluks seperti diatas. Dengan subtitusi persamaan fluks ke persamaan tegangan maka didapatkan persamaan

Dengan vairabel K seperti diatas, untuk torka induksi pada mesin DC memiliki persamaan sebagai berikut

Dengan penurunan rumus sebagai berikut dengan parameter yang sama pada penurunan rumus pada tegangan E_A­

Telah dijelaskan diatas bahwa pada mesin DC medan dihasilkan dari lilitan konduktor yang diberi arus yang disebut stator, pada trafo kita mengenal adanya kurva magnetisasi dimana terdapat titik saturasi yang menyebabkan fluks yang dihasilkan tidak linier lagi dengan arus yang dihasilkan. Pada stator penghasil medan hal ini juga terjadi. Dimana saat arus pada rangkaian medan diperbesar fluks yang dihasilkan tidak bertambah dengan signifikan yang ditunjukan denga kurva berikut

Karena fluks ini linier dengan tegangan yang dihasilkna maka berikut ini kurva arus magnetisasi antara arus medan dengan tegangan

Mesin DC kedua adalah mesin DC penguatan Shunt, mesin DC ini rangkaian ekivalennya sama dengan mesin DC penguatan bebas tetapi terminal pada rotor dan rangkaian penghasil medan tergabung dalam node yang sama pada tegangan V_T, berikut ini adalah rangkaian ekivalen mesin DC shunt

Karena sumber untuk rotor dan rangkaian medan sama maka pengaturan arus medan dengan R_adj akan sekaligus mengatur arus pada rotor karena kedua rangkaian tersebut terhubung oleh tegangan yang sama. Jika R_adj naik maka fluks akan turun, sesuai persamaan E_A maka tegangan akan turun, karena persamaan berikut

Maka I_A akan naik dan jika I_A naik maka torka akan naik juga sehingga kecepatan akan naik karena beban torka beban jauh lebih kecil dibanding dengan torka induksi. Nah, saat kecepatan naik maka E_A akan naik kembali dan membuat I_A menjadi turun kembali sehingga akan didapatkan keadaan dimana saat kecepatan konstan pada kecepatan yang lebih tinggi dari sebelumnnya. Perubahan kecepatan juga dapat terjadi jika motor shunt diberikan beban mekanik, saat motor diberi beban mekanik maka torka beban akan lebih besar dibanding dengan torka induksi sehingga terjadi perlambatan kecepatan motor. Asumsi bahwa initial condition motor adalah berada dalam keadaan berputar dengan kecepatan konstan. Nah, saat motor melambat maka E_A akan turun dan arus I_A akan naik karena V_T bernilai tetap. Nah, ketika I_A naik maka torka induksi akan naik sehingga pada saat torka induksi dan torka beban bernilai sama (total gaya = 0) maka akan didapatkan kecepatan konstan dengan kecepatan yang sedikit lebih rendah dari kecepatan sebelumnnya. Berikut ini adalah penurunan rumus tentang hubungan kecepatan dan torka induksi pada motor shunt

Pada persamaan diatas menunjukan bahwa kecepatan sudut dari motor shunt memiliki hubungan linier dengan torka induksi dengan gradien yang negatif. Jika diperhatikan hubungan antara kecepatan sudut dan fluks adalah berbanding terbalik dan pada gradientnya besifat kuadratis. Hal ini menunjukan bahwa saat mesin sedang menyala jangan sampai fluks ini tiba-tiba menjadi nol karena pada persamaan diatas menunjukan bahwa saat fluks nol maka kecepatan sudut motor akan menjadi tak hingga. Selain itu jika kecepatan naik terus maka tegangan internal akan naik terus sehingga akan muncul tegangan yang sangat besar dan akan membuat motor terbakar karena terjadi breakdown isolasi pada motor hal ini juga berlaku pada motor DC penguatan bebas.

Berikut ini kurva hubungan antara kecepatan sudut motor dengan torka induksinya

Pada prakteknya kurva lurus linier seperti diatas itu susah didapatkan karena yang kurva yang sebenarnya adalah sebagai berikut dengan garis yang tebal bukan putus-putus

AR diatas adalah Armature reaction. Sebelum  berbicara tentang reaksi armatur, pada bagian sebelumnya dijelaskan bahwa jika terdapat lilitan konduktor yang dialiri arus maka akan timbul medan listrik. Hal ini yang diterapakan pada rangkaian medan pada motor, akan tetapi pada rotor juga terdiri dari belitan konduktor juga dimana juga menghasilkan medan listrik yang pada saat tertentu akan saling menghilangkan dengan medan yang dihasilkan pada rangkaian medan (torka induksi dihasilkan dari interakasi antar medan rotor dan stator yang tidak saling menghilangkan). Pada saat medan melemah walaupun arus medan tetap, maka akan terjadi penurunan fluks yang menyebabkan kecepatan naik walaupun arus medan tetap dan tidak dirubah. Seperti yang telah dijelaskan tadi bahwa kontrol pada mesin shunt ini ada pada pengaturan tegangan terminalnya, jika V_T naik maka kecepatan dan torka akan naik. Jika R_adj naik maka kecepatan akan naik dan jika turun kecepatan akan turun juga.

Nah pada permanent magnet, sama seperti dengan mesin DC penguatan bebas. Akan tetapi tidak terdapat rangkaian medan karena fluks dihasilkan langsung dari permanent magnet. Kecepatan motor diatur dari terminal motor langsung. Untuk jenis mesin selanjutnya akan diteruskan pada Part II.