Penyearah Tegangan Listrik Arus Rendah

TeganganPenyearah

1

PRINSIP PENYEARAHAN TEGANGAN LISTRIK

MESIN ARUS SEARAH (KOMUTASI)

Pembangkitan tegangan yang dihasilkan oleh mesin arus

searah pada prinsipnya sama seperti pada mesin arus bolak-

balik yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan listrik

bolak-balik.

Gambar 1 : Mesin arus searah sederhana dengan satu belitan

rotor tunggal

Perhatikan gambar 1. Untuk terjadinya induksi tegangan,

penghantar rotor tyang bergerak harus memotong medan magnet.

Dengan demikian, maka tegangan hanya akan terinduksi pada

segmen ab dan cd dari belitan rotor pada gambar 1. Tegangan

induksi yang terjadi dinyatakan sebagai :

eind = (v x B).l

di manav = kecepatan gerak penghantar rotor

TeganganPenyearah

2

B = kerapatan fluks magnetik

l = panjang penghantar

Arah (v x B) merupakan arah arus di dalam penghantar bila

terhubung dengan beban, seperti pada gambar 1. Besar tegangan

induksi yang terbentuk pada penghantar tunggal adalah sbb :

eloop = eab + ebc + ecd + eda

eloop = Blv + 0 + Blv + 0

eloop = 2 Blv

Dengan bergeraknya belitan, maka polaritas tegangan pada

belitan akan berubah bergantung posisi penghantar terhadap

kutub utara dan kutub selatan. Bentuk gelombang tegangan yang

terinduksi pada belitan rotor diperlihatkan pada gambar

berikut ini. Dapat dilihat bahwa tegangan yang terbentuk

adalah tegangan bolak-balik (AC). Untuk itu diperlukan proses

penyearahan didalam mesin arus searah.

Gambar 2 : Bentuk gelombang tegangan induksi pada belitan

rotor

TeganganPenyearah

3

Prinsip penyearahan pada mesin arus searah dilakukan oleh

komutator dan sikat secara mekanis, dan prosesnya dapat

dilihat pada penjelesan berikut :

Gambar 3 : Proses penyearahan tegangan (komutasi)

Pada waktu t1 :

Segmen komutator tepat berhimpit pada sikat, pada saat ini

arus listrik dari dua jalur pararel seluruhnya sebesar ½IA + ½

IA = IA’ mengalir melalui segmen komuntator sebelah kanan ke

sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA

kearah kanan.

Pada waktu t2:

Segmen komuntator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 1 :

3 antara segmen komuntator sebelah kiri dan kanan, sehingga

arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersebut

(kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandingan bagian

komutator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya :

segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¼ IA dengan segmen

komuntator sebelah kana sebesar 3/4 IA. Arus yang mengalir pada

kumparan k adalah sebesar ¼ IA kearah kanan.

TeganganPenyearah

4

Pada waktu T3 :

Sikat tepat bearada ditengah-tengah segmen komuntator,

sehingga arus yang mengalir terdistribusi menjadi dua bagian

yang sama besar antara segmen komuntator sebelah kiri dan

kanan, sehingga pada kumparan k tidak ada arus yang mengalir

(nol).

Pada waktu T4 :

Segmen komuntator berhimpit pada sikat dengan perbandingan 3 :

1 antar segmen komuntator sebelah kiri dan kanan, sehingga

arus listrik yang mengalir pada dua jalur pararel tersbut

(kiri dan kanan) juga proporsional dengan perbandigan bagain

komuntator yang berhimpit dengan sikat, distribusi arusnya :

segmen komuntator sebelah kiri sebesar ¾ IA dan segmen

komuntator sebelah kanan sebesar ¼ IA. Arus yang mengalir pada

kumparan k adalah sebesar ¼ IA ke arah kiri.

Pada waktu T5 :

Segmen komuntator sebelah kiri tepat berhimpit pada sikat

( segmen telah meninggalkan segmen komuntator sebelah kanan

sama sekali), pada saat ini arus listrik dari dua jalur

pararel seluruhnya sebesar ½ A1 + ½ IA = IA’ mengalir melalui

segmen mengalir melalui segmen komutator sebelah kiri ke

sikat. Arus yang mengalir pada kumparan k adalah sebesar ½ IA

ke arah kiri.

Perpindahan arus yang terjadi pada kumparan k (kumparan

jangkar) yang berputar pada medan magnet menyebabkan gaya

gerak listrik (tegangan induksi) membentuk gelombang searah

(terjadi pembalikan), seperti pada gambar berikut :

TeganganPenyearah

5

Gambar 4 : Tegangan mesin arus searah hasil komutasi

Sedangkan gambar arus sebagai fungsi waktunya dilukiskan pada

gambar berikut :

Gambar 5 : Arus searah mesin arus searah

Prinsipnya penyearahan ideal terlihat sebagai garis

linear. Sedangkan hasil penyearahan pada parakteknya berbentuk

seperti gambar setengah lingkaran yang bergaris putus-putus,

hal ini akibat pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat.

Solusi untuk menjadikannya idel (berupa garis liner), dapat

ditempuh dengan menetralkan ggm yang timbul akibat induktansi

tersebut, salah satunya dengan menambahkan kutub bantu

(kumparan kompensasi), dimana ggm nya sama dan berlawanan

dengan ggm induktansi.

i

t

TeganganPenyearah

6

PERMASALAHAN DENGAN KOMUTASI (PENYEARAHAN) PADA MESIN ARUS

SEARAH

Dalam proses komutasi (penyearahan) mesin arus searah

terdapat dua masalah utama yang mempengaruhi kerja mesin

tersebut, yaitu :

- Reaksi jangkar

- Tegangan L di/dt

REAKSI JANGKAR

Jika kumparan medan (stator) mesin arus searah dihubungkan

ke catu daya dan rotor diputar oleh daya mekanis dari sumber

eksternal, maka tegangan akan diinduksikan pada konduktor

rotor. Tegangan ini akan disearahkan ke dalam keluaran arus

oleh komutator.

Kemudian pada saat beban dihubungkan ke terminal mesin,

arus listrik akan mengalir pada kumparan jangkarnya. Aliran

listrik ini akan menghasilkan medan magnet sendiri, yang akan

mempengaruhi (distort) medan magnet yang telah ada sebelumnya

dari kutub mesin. Distrorsi fluks ini pada mesin pada saat

beban dinaikan disebut reaksi jangkar, yang menyebablan

timbulnya 2 masalah serius.

Masalah pertama yang disebabkan oleh reaksi jangkar adalah

pergeseran bidang netral (neutral plane). Bidang netral

magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam mesin dimana

kecepatan gerak kumparan rotor benar-benar pararel dengan

garis fluks magnet, sehingga gaya gerak listrik induksinya

TeganganPenyearah

7

pada konduktor yang berada pada bidang tersebut benar-benar

nol.

Untuk lebih jelasnya lihat gambar 6. Pada gambar 6a

diperlihatkan mesin arus searah dengan dua kutub (utara dan

selatan), serta bidang netral magnetik, fluks yang mengalir

adalah serba sama (uniform). Kumparan rotor memiliki tegangan

dengan arah masuk ke halaman untuk sisi kutub selatan dan

kearah luar halaman untuk tegangan pada sisi utara. Bidang

netral magnetik berada tegak lurus tegangan tersebut.

Gambar 6.a memperlihatkan jalur garis fluks magnet yang

ideal , sedangkan pada gambar 6.b diperlihatkan jalur garis

fluks magnetik yang melengkung akibat pengaruh adanya celah

udara antara kumparan rotor dan kumparan stator.

Pada gambar 6.c diperlihatkan fluks medan yang timbul

akibat terminal mesin di hubungkan dengan beban listrik.

Kemudian pada gambar 6.d diperlihatkan interaksi antara medan

magnet pada gambar 6.b dan medan magnet pada gambar 6.c.

Sedangkan pada gambar 6.e diperlihatkan hasil interaksi antara

2 medan magnet pada kumparan jangkar, yang mengakibatkan

pergeseran bidang netral magnetik. Hal ini dikarenakan,

seperti terlihat pada gambar 6.d, fluks magnetik dari arus

jangkar menyebabkan terjadinya pengurangan fluks magnetik

utama di beberapa titik di depan kutub medan dan penguatan

fluks pada bebrapa titik lainnya. Dengan demikian, distribusi

kepadatan fluks di antara kedua muka kutub menjadi berubah,

dalam kasus ini bergeser berlawanan arah dengan jarum jam

TeganganPenyearah

8

(counter clockwise). Implikasinya adalah bidang netral magnet

bergeser pada arah yang sama seperti diperlihatkan pada gambar

6.e. Gambar 6.e juga memperlihatkan bahwa pergeseran bidang

netral magnet ini, pada generator adalah searah dengan putaran

rotor. Sedangkan bila mesin pada gambar 6 bekerja sebagai

motor, dengan polaritas tegangan jangkar seperti yang

diperlihatkan, maka arus jangkar akan memiliki arah yang

berlawanan. Dengan demikian arah medan magnet jangkarnya juga

berlawanan arah dengan apa yang diperlihatkan pada gambar 6.c,

sehingga pada akhirnya bidang netral magnetik akan bergeser

berlawanan arah dengan arah putaran jangkar (rotor).

Fk - Fj Fk Fk + Fj

t

n

TeganganPenyearah

9

Gambar 6 : Pergeseran bidang netral magnetik akibat reaksi

jangkar

Masalah kedua akibat reaksi jangkar adalah pelemahan fluks.

Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut (lihat gambar 7).

Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluks yang

dekat dengan titik jenuhnya. Karena itu pada lokasi di

permukaan kutub dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor

menambahkan ggm kutub, terjadi sedikit peningkatan kerapatan

fluks (i). Tetapi pada lokasi permukaan kutub dimana ggm

rotor mengurangi ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluks

(d) yang lebih besar. Karena t < t, maka penjumlahan

rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks

kutub yang semakin berkurang (pelemahan fluks – flux

weakening)

Akibat pelemahan fluks ini pada generator arus searah

adalah pengurangan nilai pasokan tegangan oleh generator ke

beban (Ea = k). Pada motor arus searah efek yang ditimbulkan

menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan

motor arus searah, khususnya motor arus searah pararel akan

berputar demikian cepatnya hingga tak terkendali (runaway).

TeganganPenyearah

10

Gambar 7 : Pelemahan fluks (flux weakening)

TEGANGAN: L didt

Masalah utama kedua adalah tegangan L didt 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.

TeganganPenyearah

11

Gambar 8 : Pembalikan arah arus di dalam penghantar rotor

menyebabkan tegangan L didt

MENGATASI MASALAH KOMUTASI

Ada 3 cara mengatasi permasalahan yang timbul akibat proses

komutasi, yaitu :

1. Penggeseran sikat (brush shifting)

2. Kutub-kutub komutasi (comutating poles/interpoles).

3. Belitan kompensasi (compensating windings).

PENGGESERAN SIKAT

Ide dasarnya adalah memindahkan sikat seirama dengan

perpindahan bidang netral untuk meghindari percikan bunga api

yang mungkin timbul. Namun dalam penerapannya hal ini cukup

sulit karena jarak perpindahan bidang netralnya sangat

TeganganPenyearah

12

ditentukan oleh besarnya beban yang dipikul oleh mesin,

sehingga setiap ada perubahan besarnya beban yang dipikul oleh

mesin, maka jarak perpindahan bidang netralnya pun berpindah,

sehingga sikat harus juga diubah setiap saat, seirama dengan

perubahan jarak perpindahan bidang netral. Selain itu

penggeseran sikat ini akan memperburuk pelemahan fluks akibat

reaksi jangkar mesin, dan sangat tidak ekonomis terutama unutk

mesin-mesin berukuran kecil.

Gambar 9 : Pelemahan fluks akibat penggeseran bidang netral

magnet

KUTUB-KUTUB KOMUTASI

TeganganPenyearah

13

Ide dasar dari solusi ini adalah jika nilai tegangan pada

kawat-kawat yang sedang melakukan proses komutasi / penyearah

dibuat menjadi nol, maka tidak akan terdapat percikan bunga

api pada sikat-sikat mesin tersebut. Untuk itu, kutub-kutub

kecil yang disebut kutub komutasi ini ditempatkan ditengah-

tengah, diantara kutub-kutub utama. Kumparan kutub komutasi

(commutating poles) atau antar kutub (interpoles) ini

dihubungkan seri terhadap kumparan rotor (lihat gambar 10)

Gambar 10 : Kutub-kutub komutasi (interpoles)

Ketika beban yang dipikul mesin meningkat dan arus rotor

pun meningkat, besarnya perubahan/pergeseran bidang netral dan

besarnya efek Ldi/dt meningkat pula. Hal tersebut akan

menyebabkan timbulnya tegangan pada konduktor-konduktor yang

sedang melakukan komutasi. Pada saat itu juga fluks kutub

komutasi juga meningkat , menghasilkan tegangan pada

TeganganPenyearah

14

konduktor-konduktor tersebut dan berlawanan dengan tegangan

yang timbul akibat pergeseran bidang netral.

Patut dicatat, bahwa dengan metode ini mesin dapat bekerja

pada daerah operasi motor maupun generator, karena ketika

mesin berubah fungsi dari sebagai motor menjadi generator,

arus baik di rotor maupun antar kutub akan berubah

polaritasnya, karenanya efek tegangan yang mungkin timbul

dapat tetap ditiadakan. Namun demikian reaksi jangkar tetap

tidak dapat dihilangkan, sebab kutub-kutub komutasi hanya

membuat nol tegangan penghantar-penghantar yang berada pada

bidang netral magnet yang lama ketika terjadi pergeseran

bidang netral magnet akibat reaksi jangkar.

BELITAN KOMPENSASI

Belitan kompensasi ini dihubungkan serti terhadap kumparan

rotor. Belitan inii bertujuan untuk mengeliminir distorsi yang

timbul akibat reaksi jangkar. Fluks yang ditimbulkan oleh

reaksi jangkar diimbangi oleh fluks yang ditimbulkan oleh

belitan kompensasi yang besarnya sama dan berlawanan, karena

arus yang menyebabkannya sama dan berlawanan arah; yaitu arus

jangkar. Ketika beban berubah, maka reaksi jangkar yang

berubah akan selalu diimbangi oleh fluks belitan kompensasi,

sehingga bidang netralnya tidak akan bergeser.

TeganganPenyearah

15

Gambar 11 : Belitan kompensasi

TeganganPenyearah

16

Teknik tersebut memiliki kelemahan karena mahal harganya ,

dan juga masih memerlukan interpoles untuk mengatasi efek

tegangan L di/dt yang tidak dapat diatasi oleh belitan

kompensasi. Karenanya teknik ini digunakan untuk motor-motor

yang bekerja ekstra berat, dimana fluks akan menjadi masalah

yang serius.