Simulasi Motor DC Shunt sebagai Generator DC dengan menggunakan Software PSIM 9.0

Mesin DC (Direct Current) merupakan salah satu jenis mesin listrik, dimana mesin ini digunakan untuk mengkonversi energi listrik arus searah menjadi energi mekanik, atau sebaliknya. Ada dua macam mesin DC, yakni: Motor DC dan Generator DC. Pada pengoperasiannya, motor DC dapat mengkoversi energi listrik arus searah menjadi energi mekanik, sedangkan generator DC sebaliknya.

Berdasarkan konstruksinya, ada tiga komponen penting dari mesin listrik, yakni: stator, rotor, dan air gap. Stator merupakan bagian mesin yang statis, rotor merupakan bagian mesin yang bergerak/ berputar, sedangkan air gap merupakan celah antara stator dan rotor yang berfungsi untuk mencegah terjadi friksi antara stator dengan rotor, serta mempermudah rotor untuk berputar pada porosnya.

Motor dan generator DC memiliki beberapa perbedaan dasar, diantaranya terkait dengan pencatuan pada komponen mesin tersebut, yakni stator dan rotor.

Pada motor DC, bagian stator dan rotornya diberi supply tegangan arus searah (VDC). Karena rangkaian stator dan rotor merupakan close loop, serta memiliki resistansi dalam (kawat penghantar), maka   timbulah arus searah (iDC) pada kedua komponen. Kemudian, berdasarkan hukum oersted, dimana saat sebuah kawat penghantar dialiri arus, akan dihasilkan medan magnet di sekeliling kawat penghantar.  Maka, pada kedua komponen tersebut dihasilkan medan magnet . Medan magnet pada stator  merupakan medan magnet utama, dimana nantinya akan mendominasi dalam penentuan arah perputaran rotor. Sedangkan medan magnet pada rotor seringkali disebut sebagai medan magnet jangkar, karena dalam prakteknya rotor seringkali disebut dengan kumparan jangkar (armature winding).Medan magnet merupakan besaran vector (besaran yang memiliki satuan dan arah). Bila ada dua medan magnet berdekatan, maka akan dihasilkan medan magnet resultan yang merupakan hasil interaksi antara magnet pada stator dengan Magnet pada rotor.

Karena rotor dialiri arus searah dan terdapat medan magnet resultan, maka timbulah gaya Lorentz (F).  Kemudian, pada rotor dihasilkan torsi (T) yang merupakan hasil kali vector antara lengan gaya (direpresentasikan dengan jari-jari rotor) dengan gaya yang timbul pada rotor. Pada akhirnya, torsi yang bekerja pada rotor inilah yang membuat rotor dapat berputar. Dalam hal ini, peran komutator dan brush diperlukan, yakni untuk menjaga arah putaran rotor supaya tetap satu arah, baik clock wise maupun counter clock wise.

Berdasarkan penjelasan singkat di atas, dapat diketahui bahwa pada pengoperasiannya motor DC dapat mengkonversi energi listrik, yakni energi yang disupply ke stator dan rotor, menjadi energi gerak, yakni energi yang menyebabkan rotor berputar pada porosnya.

Berbeda dengan motor DC. Pada generator DC, komponen mesin yang diberi supply tegangan arus searah (VDC) hanyalah stator, sedangkan rotor dikopel (dihubungkan secara fisik) dengan prime mover atau alat penggerak, tanpa diberi supply.

Skema dan Parameter Percobaan Simulasi

ImageImage

 Pembahasan

Pada dasarnya semua jenis motor listrik dapat dijadikan generator.Pada generator DC, komponen mesin yang diberi supply tegangan arus searah (VDC) hanyalah stator, sedangkan rotor dikopel (dihubungkan secara fisik) dengan prime mover atau alat penggerak, tanpa diberi supply.Dalam percobaan simulasi ini prime mover yang saya gunakan adalah motor DC.Saat stator diberi supply VDC, maka timbulah arus searah (IDC) pada stator. Kemudian pada akhirnya akan dihasilkan medan magnet utama  pada stator . Medan magnet stator menembus permukaan rotor, sehingga dihasilkan fluks. Karena rotor dikopel dengan prime mover yang dapat menyebabkan posisi rotor berubah-ubah, maka terjadi perubahan cos θ (sudut antara medan magnet stator dengan normal bidang rotor). Perubahan cos θ menyebabkan timbulnya diferensiasi fluks terhadap waktu. Kemudian dihasilkan ggl induksi, yang merupakan hasil kali dari jumlah lilitan pada penghantar (rotor) dengan diferensiasi fluks terhadap waktu. Karena rangkaian rotor merupakan close loop (terhubung dengan load), maka timbulah arus bolak-balik. Dalam hal ini, peran komutator  dan brush diperlukan, yakni untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.  Pada simulasi ini rangkaian motor DC dengan kumparan stator dipararel dengan kumparan rotor sehingga membentuk motor DC Shunt.

  • Grafik Arus starting motor

Image

Grafik di atas menunjukkan karakteristik motor DC.Pada awalnya terlihat adanya lonjakan arus yang tajam,hal ini disebabkan karena motor membutuhkan arus yang besar saat starting.

  • Grafik Kecepatan motor DC

Image

  • Grafik Torsi Motor

Image

Dari grafik diatas terlihat hubungan antara torsi dan kecepatan untuk motor DC. dari grafik terlihat bahwa torsi berbanding terbalik dengan kecepatan putaran, dengan kata lain terdapat tradeoff antara besar torsi yang dihasilkan motor dengan kecepatan putaran motor.

Kecepatan motor DC akan menjadi konstan dan sesuai pada prakteknya. Pada prakteknya kecepatan motor DC konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi tertentu) setelah kecepatannya berkurang dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah.

Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).

  • Grafik Output tegangan Generator Shunt

Image

Grafik keluaran output tegangan tersebut sesuai dengan karakteristik generaor shunt.Generator shunt mempunyai karakteristik yaitu tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama.Sebagai sumber tegangan, penggunaan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.

Kesimpulan

  • Pada dasarnya semua jenis motor listrik dapat dijadikan generator
  • Motor DC dapat dijadikan Generator DC dengan mengkonversi energi mekanik, yakni energi yang dihasilkan oleh pengkopelan rotor dengan prime mover, menjadi energi listrik, yakni energi yang akan digunakan untuk memenuhi kebutuhan load.
  • Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday :

e = – N df/ dt

  • Prime mover yang digunakan pada simulasi ini adalah Motor DC yang dirangkai secara Shunt
  • Generator DC mempunyai output tegangan yang tidak konstan sehingga pemanfaatannya hanya digunakan untuk beberapa alat mesin saja