i UNIVERSITI TUN HUSSEIN ONN MALAYSIA FAKULTI PENDIDIKAN TEKNIKAL & VOKASIONAL (FPTV) BBV 30203: MESIN ELEKTRIK TUGASAN KUMPULAN: MOTOR A.T SATU FASA SEKSYEN: 1 NAMA PENSYARAH: DR. NURHANIM SAADAH BINTI ABDULLAH BIL AHLI KUMPULAN NO. MATRIK 1. NUR IZZAH IZZATI BINTI NORLI CB200065 2. MUHAMMAD SHAHMI AQMAR BIN BAHARUDIN CB200073 3. NURAMIRA FARHANAH BINTI SUKUR CB200111 4. FREDIANA FIONA FRED DB190069
ii ISI KANDUNGAN Muka Depan ...................................................................................................................... i Isi Kandungan................................................................................................................... ii Senarai Rajah.................................................................................................................... iii Senarai Jadual................................................................................................................... iv 1.0 Pengenalan................................................................................................................. 1 2.0 Binaan asas motor AT ............................................................................................... 2 2.1 Bahagian Utama Motor AT.............................................................................. 3 3.0 Gambar Motor AT Satu Fasa..................................................................................... 6 4.0 Kendalian Motor Arus Terus (AT)............................................................................ 10 5.0 Simulasi kendalian/operasi........................................................................................ 14 6.0 Jenis-jenis Motor AT................................................................................................. 15 6.1 Motor AT Siri.................................................................................................. 15 6.2 Motor AT Pirau ............................................................................................... 16 6.3 Motor AT Majmuk .......................................................................................... 17 7.0 Spesifikasi mesin mengikut jenis .............................................................................. 22 8.0 Kelebihan dan kekurangan ....................................................................................... 24 9.0 Aplikasi Motor Arus Terus........................................................................................ 26 10.0 Formula dan Contoh Pengiraan Motor AT................................................................ 28 Rumusan............................................................................................................................ 34 Rujukan ............................................................................................................................. 35 Lampiran (Pembahagian tugas)...................................................................................... 37
iii SENARAI RAJAH Rajah 1.0: Kereta Elektrik ................................................................................................. 1 Rajah 1.1: Bahagian Utama Motor Elektrik ...................................................................... 2 Rajah 1.2: Pemegun dan Pemutar...................................................................................... 2 Rajah 1.3: Bahagian Utama Motor AT.............................................................................. 3 Rajah 1.4: Rangka Utama .................................................................................................. 3 Rajah 1.5: Contoh Angker (Rotor) .................................................................................... 4 Rajah 1.6: Penukartertib (Commutator) ............................................................................ 5 Rajah 1.7: Magnet kekal (Stator Magnet) ......................................................................... 5 Rajah 1.8: Berus Karbon (Carbon Brush)......................................................................... 6 Rajah 1.9: Motor Shunt DC............................................................................................... 7 Rajah 1.10: Motor Siri DC ................................................................................................ 7 Rajah 1.11: Motor DC Kompaun ...................................................................................... 8 Rajah 1.12: Motor DC Tanpa Berus.................................................................................. 8 Rajah 1.13: Motor DC Tanpa Teras................................................................................... 9 Rajah 1.14: Keratan Rentas Motor DC Tanpa Teras......................................................... 9 Rajah 1.15: Hukum Tangan Kiri Fleming ......................................................................... 10 Rajah 1.16: fluks magnet yang terhasil diantara dua kutub medan ................................... 11 Rajah 1.17: Arus dibekalkan pada komutator atau rotor................................................... 11 Rajah 1.18: Daya kilas yang terhasil pada rotor................................................................ 12 Rajah 1.19: gelung pada kedudukan 0° (mendatar)........................................................... 12 Rajah 1.20: gelung pada kedudukan 90° ........................................................................... 13 Rajah 1.21: gelung pada kedudukan 180° ......................................................................... 13 Rajah 2.22: Simulasi Kendalian Motor Arus Terus (AT) ................................................ 14 Rajah 2.23: Litar motor arus terus siri.............................................................................. 16 Rajah 2.24: Litar motor arus terus pirau............................................................................ 17 Rajah 2.25: Litar motor arus terus majmuk ....................................................................... 18 Rajah 2.26: Sambungan pirau pendek ............................................................................... 18 Rajah 2.27: Sambungan pirau panjang.............................................................................. 19 Rajah 2.28: Graf tork melawan kelajuan ........................................................................... 21
iv SENARAI JADUAL Jadual 1.0: Kelebihan dan kekurangan motor AT............................................................. 24 Jadual 1.1: Formula dan contoh pengiraan motor AT....................................................... 28
1 1.0 PENGENALAN Motor arus terus ialah peranti elektrik yang menukarkan tenaga elektrik arus terus (AT) kepada tenaga mekanikal. Motor elektrik ini boleh mengubah tenaga elektik menjadi tenaga yang dapat melaksanakan pergerakan berputar bagi melakukan sesuatu kerja. Ia menggunakan kemagnetan yang dihasilkan oleh arus elektrik untuk memusingkan angker dan seterusnya menghasilkan putaran mekanikal [1]. Motor AT digunakan dalam aplikasi yang memerlukan ciri-ciri kawalan yang tepat, seperti kren, lif, kawalan numerik, pemacu pita dan pemprosesan data. Antara kegunaan yang biasa dilihat pada pada kehidupan seharian ialah seperti pengisar, kipas angin, penyaman udara dan sebagainya. Tambahan pula, pada hari ini motor AT juga digunakan secara meluas dalam bidang pengangkutan, khususnya dalam industri pengangkutan seperti bas dan kenderaan elektrik. Rajah 1.0: Kereta Elektrik Sebagai Contoh Pengunaan Motor Elektrik dalam Pengangkutan [1] Motor arus terus (AT) mempunyai fungsi yang hampir sama dengan penjana arus terus (AT). Malah sebuah penjana AT boleh digunakan sebagai sebuah motor AT. Apabila penjana AT digunakan, ia selalunya dipasang supaya angker dapat berputar dalam satu arah, manakala sebuah motor pula digunakan bagi membolehkan angker berputar dalam salah satu dari dua arah yang bertentangan. Penjana AT memerlukan arus elektrik untuk menjana gegelung medan, sama ada daripada sumber luaran (teruja berasingan) atan daripada sumber dalaman (teruja sendiri) [2]. Sebaliknya, motor AT memerlukan arus elektrik yang dibekalkan pada kedua-dua litar medan angker daripada sumber luaran. Rajah 1.1 dibawah menunjukkan keratan rentas bagi sebuah motor AT.
2 Rajah 1.1: Bahagian Utama Motor Elektrik [2] 2.0 BINAAN ASAS MOTOR AT Binaan asas motor AT terbahagi kepada dua bahagian iaitu pemegun dan pemutar: i. Pemegun (Stator) Pemegun merupakan bahagian yang mengandungi belitan medan magnet yang mengahasilkan fluks medan magnet. Pada kebiasaannya pemegun dipasang pada rangka atau kuk motor dan merupakan bahagian yang tidak bergerak. ii. Pemutar (Rotor) Pemutar ialah bahagian motor yang berputar dalam motor elektrik. Pemutar berada di tengah-tengah motor iaitu ditempat pemasangan aci. Rajah 1.2: Pemegun dan Pemutar [2] Pemutar (Rotor) Pemegun (Stator)
3 2.1 BAHAGIAN UTAMA MOTOR AT Bahagian utama motor AT terdiri daripada rangka utama, angker (Armature), penukartertib (Commutator), magnet kekal (Stator Magnet) dan berus karbon (Carbon Brush) Rajah 1.3: Bahagian Utama Motor AT[2] i. Rangka utama Rangka utama berfungsi bagi menyediakan sokongan mekanikal untuk mesin dan bertindak sebagai penutup atau alat pelindungan bagi mesin. Rangka utama membentuk sebahagian daripada litar magnet. Rajah 1.4: Rangka Utama[2]
4 ii. Angker (Armature) Angker ialah bahagian motor yang berputar dan merupakan bahagian yang menerima tenaga elektrik. Teras angker berfungsi sebagai elektromagnet dan berputar apabila arus elektrik mengalir melaluinya. Putaran ini disebabkan oleh prinsip kemagnetan iaitu kutub yang berlainan akan menarik dan kutub yang sama akan menolak [3]. Angker terdiri daripada beberapa bahagian iaitu teras angker, belitan angker dan lubang alur: ✓ Teras Angker Teras angker berfungsi sebagai electromagnet untuk menghasilkan medan magnet yang akan bertindak dengan magnet pemegun untuk menghasilkan daya putaran aci. ✓ Belitan Angker Berlitan angker yang berfungsi untuk mengalirkan arus supaya teras angker menjadi electromagnet. ✓ Lubang Alur Lubang alur berfungsi sebagai laluan untuk belitan angker dan memisahkan angker kepada beberapa ruas. Rajah 1.5: Contoh Angker (Rotor)[4]
5 iii. Penukartertib (Commutator) Penukartertib ialah komponen yang berbentuk silinder yang terdapat di dalam pemutar. Komponen ini merupakan susunan ruas palang logam yang bertebat antara satu sama lain. Bilangan ruas bergantung kepada bilangan belitan anger. Penghujung setiap belitan angker akan dipaterikan pada palang logam tersebut. Pengaliran arus ke berlitan angker adalah melalui penukartertib dengan menggunakan berus karbon. Penukartertib berfungsi untuk menghubungkan pengaliran arus dari bekalan kepada belitan angker melalui berus karbon [5] Rajah 1.6: Penukartertib (Commutator)[4] iv. Magnet kekal (Stator Magnet) Motor AT bersaiz kecil menggunakan magnet kekal sebagai kutub medan. Motor AT bersaiz besar menggunakan elektromagnet sebagai kutub medan. Belitan untuk menghasilkan kekuatan magnet pada kutub medan magnet pada kutub medan dinamakan belitan medan. Rajah 1.7: Magnet kekal (Stator Magnet)[4]
6 v. Berus Karbon (Carbon Brush) Berus karbon berbentuk bongkah karbon kecil yang bertindak sebagai media penyambung litar elektrik yang berputar dengan bahagian yang pegun. Berus karbon digunakan untuk membawa arus masuk ke belitan angker atau keluar dari belitan angker. Rajah 1.8: Berus Karbon (Carbon Brush)[4] 3.0 GAMBAR MOTOR AT SATU FASA Terdapat banyak contoh DC Motor yang sering digunakan antaranya ialah Motor Shunt DC, Motor Siri DC, Motor DC Kompaun, Motor DC tanpa berus dan Motor DC Tanpa Teras. Penerangan dibawah menerangkan apakah motor tersebut berserta gambar: i. Motor Shunt DC Motor shunt DC ialah sejenis motor elektrik di mana belitan medan dan angker disambung secara selari antara satu sama lain. Belitan medan menghasilkan medan magnet yang stabil dan malar apabila arus terus dikenakan ke atasnya, manakala belitan angker menghasilkan medan magnet yang berinteraksi dengan medan yang dihasilkan oleh belitan medan untuk menghasilkan tork yang menyebabkan motor berputar [4]. Motor ini sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kelajuan malar dan beban yang berbeza-beza.
7 Rajah 1.9: Motor Shunt DC[4] ii. Motor Siri DC Motor siri DC ialah sejenis motor elektrik di mana belitan medan dan angker disambung secara bersiri antara satu sama lain. Apabila arus terus dikenakan pada motor, arus mengalir melalui kedua-dua belitan, mewujudkan medan magnet yang kuat yang berinteraksi dengan medan magnet angker untuk menghasilkan tork yang menyebabkan motor berputar [6]. Motor siri DC biasanya digunakan dalam aplikasi yang memerlukan tork permulaan yang tinggi dan kawalan kelajuan berubah-ubah seperti dalam mesin industri dan kenderaan elektrik. Rajah 1.10: Motor Siri DC[4] iii. Motor DC Kompaun Motor DC kompaun, juga dikenali sebagai motor DC compound-wound, ialah sejenis motor DC yang menggabungkan ciri motor DC shunt-wound dan sirieswound. Motor ini mempunyai kedua-dua belitan medan siri dan belitan medan shunt, yang membolehkan kawalan kelajuan dan tork boleh laras. Motor DC Kompaun mempunyai komponen yang boleh dilaraskan untuk menukar kelajuan
8 dan tork motor. Motor ini sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kawalan kelajuan yang tepat, seperti dalam mesin CNC dan robotik. Rajah 1.11: Motor DC Kompaun [4] iv. Motor DC Tanpa Berus Motor DC tanpa berus tidak mempunyai berus dan komutator seperti motor DC konvensional. Motor ini sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kelajuan tinggi dan kebolehpercayaan yang tinggi, seperti dalam mesin industri dan kenderaan elektrik. Rajah 1.12: Motor DC Tanpa Berus[4] v. Motor DC Tanpa Teras Motor DC tanpa teras ialah sejenis motor DC yang tidak mempunyai teras besi dalam pemutar, yang menjadikannya lebih ringan dan lebih responsif daripada motor DC konvensional. Ia mempunyai inersia yang lebih rendah, pecutan yang lebih tinggi dan tindak balas dinamik yang lebih pantas, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan pergerakan pantas dan tepat. Motor DC tanpa teras biasanya digunakan dalam pelbagai aplikasi, termasuk , robotik miniature, kamera, pam dan injap ketepatan, perkakas kecil, drone dan kenderaan tanpa pemandu lain
9 Rajah 1.13: Motor DC Tanpa Teras[5] Rajah 1.14: Keratan Rentas Motor DC Tanpa Teras[5]
10 4.0 KENDALIAN MOTOR ARUS TERUS (AT) Prinsip Kendalian bagi motor AT adalah apabila sesebuah pengalir yang mempunyai arus berada di dalam kawasan medan magnet. Pengalir tersebut akan mengasilkan putaran mengikut arah tertentu yang ditentukan mengunakan Hukum Tangan Kiri Fleming [7]. Putaran tersebut dihasilkan melalui tindak balas medan magnet diantara medan magnet kekal dari kutub di stator dengan medan magnet angker. Tindak balas dari kedua-dua medan magnet tersebut akan mewujudkan daya kilas yang akan menyebabkan rotor berputar [8][9]. Rajah 1.15: Hukum Tangan Kiri Fleming[7] i) Penghasilan Daya Kilas Tahap Kekuatan sesbuah daya kilas yang terhasil bergantung kepada kekuatan medan magnet pada angker dan kutub medan. Penghasilan daya kilas dalam motor AT adalah seperti berikut: - (a) Dua kutub magnet akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet berarah dari kutub utara ke kutub selatan magnet. Putaran daya kilas motor adalah berkadar dengan medan magnet. Perkara tersebut akan menghasilkan fluks magnet. Rajah 1.6 menunjukkan fluks magnet yang terhasil diantara dua kutub medan.
11 Rajah 1.16: fluks magnet yang terhasil diantara dua kutub medan[7] (b) Seterusnya, arus elektrik akan dibekalkan melalui komutator atau rotor. Komutator akan membalikkan arus pada setiap separuh revolusi bagi memastikan daya kilas dapat memutarkan gegelung atau pengalir dalam arah yang sama. Rajah 1.7 menunjukkan Arus yang dibekalkan pada rotor atau komutator. Rajah 1.17: Arus dibekalkan pada komutator atau rotor[7] (c) Akhir sekali, apabila arus elektrik mengalir melalui gegelung di dalam medan magnet. Daya magnet akan menghasilkan sebuah daya kilas yang memutarkan motor AT. Rajah 1.18 menunjukkan fluks magnet yang wujud pada pengalir di angker dan fluks dari kutub medan yang bersaling tindak lalu menghasilkan daya kilas pada rotor.
12 Rajah 1.18: Daya kilas yang terhasil pada rotor[7] Kendalian motor AT adalah seperti rajah-rajah dibawah. Merujuk kepada rajah 1.6 semasa gelung pada 0° (mendatar), arus dalam gelung akan mengalir dalam arah ‘pqrs’. Daya kilas bagi memutarkan gelung akan terhasil mengikut arah lawan jam sehingga ia berada dalam kedudukan 90° seperti yang didalam rajah 1.7. Rajah 1.19: gelung pada kedudukan 0° (mendatar)[7] Ketika dalam kedudukan 90° seperti didalam rajah 1.17 arus tidak lagi mengalir dalam gelung menyebabkan tiada lagi daya kilas yang terhasil pada gelung di angker. Disebabkan oleh momentum dalam angker semasa berputar, gelung terus berputar sehingga melepasi kedudukan 90°.
13 Rajah 1.20: gelung pada kedudukan 90° [7] Setelah itu, apabila gelung mula berputar dari kedudukan 90° ke 180°, arus dalam gelung akan mengalir semula pada arah ‘srpq’ seperti di dalam rajah 1.18. Arah arus tersebut telah menghasilkan semula daya kilas dalam arah yang sama seperti dalam rajah 1.16. Proses ini akan berterusan sehingga sumber tenaga elektrik diputuskan. Rajah 1.21: gelung pada kedudukan 180° [7] Kebiasaannya, angker akan mempunyai lebih daripada satu belitan. Semakin banyak belitan, semakin meningkat daya kilas pada pusingan motor. Selain itu, angker juga mempunyai lebih daripada satu gelung. Jumlah gelung yang banyak membantu dalam menghasilkan putaran yang lebih lancar. Apabila angker berputar dalam medan magnet voltan teraruh akan terhasil dalam arah yang bertentangan dengan arah voltan bekalan seperti yang dinyatakan dalam hukum Faraday dan hukum Lenz. Voltan teraruh ini dinamai daya gerak elektrik balikan.
14 ii) Daya Gerak Elektrik (dge) Balikan Apabila angker berputar, belitan angker akan memotong fluks kutub medan dan menghasilkan daya gerak elektrik atau voltan teraruh dalam angker, voltan ini mempunyai ciri menentang arah voltan bekalan dan dinamai daya gerak elektrik (dge) balikan. Dge balikan berkadar terus dengan kelajuan angker dan kekuatan fluks kutub medan. Dge balikan menentukan kekuatan arus sebenar yang mengalir ke belitan angker[10] 5.0 SIMULASI KENDALIAN/OPERASI MOTOR ARUS TERUS (AT) Rajah 1.22: Simulasi Kendalian Motor Arus Terus (AT)[9] https://www.youtube.com/watch?v=CWulQ1ZSE3c Berdasarkan video simulasi kendalian bagi motor AT di atas, ianya menunjukan bagaimana sesebuah motor itu boleh berfungsi sebagai motor AT. Terdapat beberapa bahagian utama bagi motor AT iaitu medan magnet sebagai Pemengun (stator), angker sebagai pemutar (Rotor), berus karbon (brush) dan penukar tertib (Komutator) [11]. Prinsip operasi motor AT berasaskan hukum elektromagnetik Faraday yang menyatakan bahawa arus yang mengalir melalui suatu kawat yang bergerak di dalam medan magnet akan menghasilkan daya kilas [12]. Dalam motor AT, medan magnet dihasilkan oleh medan magnet tetap iaitu stator dan medan magnet berubah arah iaitu rotor.
15 Apabila arus dibekalkan kepada gelung pada medan dalam stator, ia menghasilkan medan magnet tetap. Pada masa yang sama, arus juga akan disalurkan kepada gelung penggerak dalam rotor melalui perantaraan penyambung bergerak yang dikenali sebagai penukar tertib (Komutator) dan juga berus karbon (brush). Komutator dibuat bersegmen untuk mencapai daya kilas yang mempunyai satu arah. Sebaliknya, jika ia tidak bersegmen, arah daya akan terbalik setiap kali apabila arah pergerakan konduktor diterbalikkan dalam medan magnet. Medan magnet tetap dalam stator dan medan magnet berubah arah dalam rotor berinteraksi, menyebabkan rotor berputar. 6.0 JENIS-JENIS Dari segi binaan, sebuah motor AT adalah serupa dengan penjana AT, malah sebagaimana yang telah dinyatakan dalam bahagian yang lalu, sebuah mesin AT boleh saling tukar kegunaannya, sebagai sebuah penjana seperti penjana mengikut tatarajah sambungan sambungan medan dan angker. Antara jenis motor AT adalah seperti berikut: i. Motor AT Siri (Series DC Motor) ii. Motor AT Pirau (Shunt DC Motor) iii. Motor AT Majmuk (Compound DC Motor) a. Sambungan pirau pendek (short shunt) b. Sambungan pirau panjang (long shunt) 6.1 MOTOR AT SIRI Bagi motor AT siri belitan medan dan belitan angker disambung bersiri dengan punca bekalan seperti yang ditunjukkan dalam rajah 1.23 dibawah. Arus dalam belitan medan akan mengalir dalam belitan angker. Ketika voltan bekalan mula dibekalkan, tidak terdapat dge balikan di angker. Ini membolehkan arus permulaan yang tinggi mengalir pada belitan medan dan belitan angker. Keadaan ini menghasilkan daya kilas permulaan yang tinggi . Oleh itu, motor ini sesuai digunakan pada permulaan kerja seperti kren, tali sawat dan mesin CNC.
16 Rajah 1.23: Litar motor arus terus siri [13] Ciri-Ciri Motor AT Siri: a) Ciri Daya Kilas (T/Ia) • Arus medan dan arus angker dalam motor AT siri adalah senilai, dan ini fluks yang terhasil adalah berkadar terus dengan arus Ia. • Daya kilas medan siri pada keadaan beban ringan adalah lebih rendah kerana menghasilkan sedikit fluks. b) Ciri Kelajuan (N/Ia) • Apabila sedikit beban dikenakan pada aci arus angker Ia adalah kecil maka kelajuan mesin meningkat. • Motor siri biasanya dikendalikan dalam keadaan berbeban. • Pada kelajuan rendah, daya kilas adalah tinggi dan ini memberikan kecekapan yang baik. 6.2 MOTOR AT PIRAU Motor AT pirau menggunakan sambungan selari bagi menyambung antara belitan angker dengan punca bekalan seperti yang ditunjukkan dalam rajah 1.24. di bawah. Sambungan selari menyebabkan arus pada belitan medan sentiasa malar. Arus pada belitan angker pula bergantung kepada dge balikkan. Motor AT pirau lebih sesuai digunakan apabila kelajuan malar diperlukan dan tidak memerlukan daya kilas permulaan yang tinggi. Oleh itu, motor ini sesuai untuk mengendalikan sistem yang memerlukan kelajuan malar seperti perkakas mesin penggilap dan penyembur.
17 Kelajuan motor pirau ini dikawal dalam dua cara: • Memasukkan perintang sesiri dengan gelung motor elektrik, menurunkan kelajuan • Memasukkan perintang dalam mean litar, kelajuan akan berubah dengan setiap perubahan beban. Kelajuan adalah malar pada mana-mana set kawalan. Kebanyakannya digunakan untuk servis mengubah kelajuan; contohnya pada kes mesin. Rajah 1.24: Litar motor arus terus pirau [13] Ciri-Ciri Motor AT Pirau: • Belitan medan berintangan tinggi, disambung selari dengan angker. • Kelajuan malar. • Daya kilas sederhana. • Kelajuan boleh dikawal. 6.3 MOTOR AT MAJMUK Motor arus terus majmuk adalah kombinasi motor AT jenis siri dan pirau. Motor AT siri berkeupayaan menampung tork yang besar manakala motor AT pirau berkeupayan untuk mengubah dan menstabilkan kelajuan mengikut beban. Hasil gabungan ini menyebabkan motor AT majmuk mempunyai dua fungsi yang berlainan. Motor AT majmuk bertindak dengan lebih berkesan kepada perubahan beban lampau daripada motor AT pirau yang disebabkan peningkatan arus melalui lilitan medan siri. Jika lilitan pirau ditambah pada motor siri dengan beban yang sedikit, motor siri tersebut akan cenderung untuk beroperasi pada kelajuan yang melampau. Oleh yang demikian, fluks medan pirau yang ditambah akan menghadkan kelajuan motor dan menghalang kemusnahan
18 motor berlaku. Motor AT majmuk ini biasanya digunakan dalam lif, pemampat udara, alat pengangkut (kontena) dan banyak lagi. Rajah 1.25: Litar motor arus terus majmuk [13] Jenis Sambungan Motor AT majmuk mempunyai dua jenis sambungan iaitu: i. Sambungan pirau pendek (short shunt) ii. Sambungan pirau panjang (long shunt) Rajah 1.26 menunjukan sambungan pirau pendek. Walaupun begitu, jenis sambungan bukan faktor utama yang membezakannya kerana selain itu ada faktor lain. Antaranya ialah kesesuaian penamatan operasi, pertimbangan songsang, sambungan dalam setiap kutub dan lilitan ‘compesate’. Rajah 1.27 menunjukan sambungan pirau panjang. Rajah 1.26: Sambungan pirau pendek [11]
19 Rajah 1.27: Sambungan pirau panjang [11] Motor AT Majmuk boleh beroperasi sebagai motor pirau tanpa sambungan medan siri. Ini kerana kebanyakan proses pembuatan banyak direka bentuk seperti itu supaya medan siri dapat disambung kemudian untuk menghasilkan tork tambahan sekiranya diperlukan. Ciri-Ciri Motor Arus Terus Majmuk Motor AT majmuk mempunyai dua ciri: • Kumulatif (Cumulative) • Pembezaan (Differentially) Kumulatif (Cumulative) • Apabila disambung secara kumulatif, medan siri yang disambungkan akan membantu medan pirau menghasilkan tindak balas yang cepat daripada motor pirau itu sendiri. • fluks medan, f = K3 · Ish + K4 · Ia • di mana K3 & K4 = pemalar medan siri & pirau EMF, Ec = K1(K3 · Ish + K4 · Ia) ῳ • Tork di dalam angker diberi sebagai: Ta = K1(K3 · Ish + K4 · Ia) Ia Di mana nilai tork lebih besar daripada motor pirau dengan nilai arus angker yang sama. • Kelajuan motor diberi oleh persamaan: = (Vt – Ia(Rs + Ra )) / ( K1( K3Ish + K4Ia ))
20 Apabila beban motor bertambah Ia bertambah dan nilai pengangka akan berkurangan manakala nilai penyebut bertambah. Oleh itu kejatuhan laju kumulatif motor majmuk adalah lebih cepat berbanding laju motor pirau. • = (1 / Ia) · ((Tc / Tsh) – 1) Di mana Tsh = K1· K3· Ish· Ia Tc = K1· K3· Ish(1 + · Ia )Ia Pembezaan (Differentially) • Apabila disambungkan secara pembezaan, medan siri akan menentang medan pirau dan ia dikenali sebagai “suicide motor” kerana kecenderungan untuk memusnah. • Fluks medan, Ff = K3Ish – K4Ia • Persamaan EMF diberi oleh: Ec = K1(K3 · Ish – K4 · Ia) ῳ • Tork di dalam angker diberi sebagai: Ta = K1(K3 · Ish – K4 · Ia) Ia Di mana nilai penyebut akan berkurang apabila Ia (beban motor) bertambah. Apabila laju bertambah nilai penyebut (K3Ish – K4Ia) akan mencapai nilai 0 dan akan menyebabkan motor berhenti. Kadangkala apabila litar medan siri terdedah kepada beban secara tiba-tiba, medan siri akan bertindak sebagai pengawal dan polarity semua medan menjadi songsang. Ini mengakibatkan motor akan berhenti dan memulakan operasinya semula pada arah yang bertentangan. Jika beban terlampau tinggi motor yang disambungkan secara pembezaan boleh bertukar arah.
21 Rajah 1.28 menunjukan Graf sifat tork dan laju bagi motor arus terus jenis majmuk sebagai fungsi arus pada gelung elektrik. Sifat lengkung ini lazimnya dipertimbangkan dalam bentuk lengkung yang sama daripada graf yang diplot kan bagi motor pirau. Rajah 1.28: Graf tork melawan kelajuan [14] Lilitan siri yang merujuk kepada lilitan pirau menyebabkan fluks medan berkutub bertambah dengan beban menyebabkan tork bertambah secara mendadak dan laju motor berkurang. Walau bagaimanapun motor tidak dapat beroperasi dengan beban yang kurang kerana wujudnya pengujaaan pirau. Laju bagi motor AT majmuk boleh dikawal oleh angker dan reostat medan sama seperti dalam motor pirau[15].
22 7.0 SPESIFIKASI MESIN MENGIKUT JENIS i. Motor AT Siri (Series DC Motor) • Belitan medan bagi motor ini disambung secara siri dengan belitan angker. • Ia menampung segala arus yang mengalir pada litar magnet. • Belitan medan siri diperbuat daripada belitan dawai tembaga kasar dengan lilitan yang sedikit tetapi mampu menghasilkan D.G.E yang diperlukan kerana nilai arus angker yang tinggi melaluinya. • Bulatan medan motor disambung secara siri dengan angker menyebabkan pada beban yang besar, fluksnya besar dan daya kilasnya tinggi. • Kelajuan motor ini boleh mencapai tahap bahaya (merosakkan motor) jika dihidupkan tanpa beban terpasang pada motor tersebut. ii. Motor AT Pirau (Shunt DC Motor) • Motor ini beroperasi pada kelajuan malar tanpa mengambil kira beban. • Ia adalah jenis yang biasa digunakan untuk latihan praktikal dan biasanya diperkenalkan kerana keadaan permulaannya yang jarang terputus. • Bekalan kuasa yang sama digunakan untuk menggerakkan kedua-dua angker dan belitan medan, dan jumlah arus dibahagikan kepada dua laluan ‘selari’.
23 • Penggulungan medan dalam motor AT ini diperbuat daripada banyak belitan wayar nipis, untuk meningkatkan kekuatan medan magnet dan menghadkan arus melalui gegelung. iii. Motor AT Majmuk (Compound DC Motor) • Motor ini mempunyai dua belitan medan. • Satu daripadanya disambung secara siri dengan belitan angker dan punca bekalan manakala belitan yang satu lagi disambung secara selari dengan punca bekalan. • Motor ini menggabungkan ciri motor AT siri dengan motor AT pirau. • Bilangan belitan medan sambungan siri adalah kurang daripada bilangan belitan medan sambungan pirau. • Motor ini mempunyai daya kilas permulaan yang baik dan memberi kelajuan malar.
24 8.0 KELEBIHAN DAN KEKURANGAN MOTOR AT Setiap motor AT mempunyai kelebihan dan kekurangan yang berbeza bergantung pada reka bentuk, konfigurasi dan penggunaan khusus motor tersebut [16]. Jadual 1.0 merupakan beberapa kelebihan dan kekurangan motor AT. Jadual 1.0: Kelebihan dan kekurangan motor AT Jenis Motor Kelebihan Kekurangan Motor Arus Terus Pirau (Shunt DC Motor) • Mudah dikendalikan kecepatannya dan dapat diatur dengan mudah • Sesuai untuk digunakan pada mesin-mesin dengan beban awal yang berat • Menghasilkan daya kilas yang besar pada kecepatan rendah • Memerlukan komutator dan brush untuk mengubah arah arus pada setiap putaran • Tidak sesuai untuk digunakan pada mesinmesin dengan beban yang berubah-ubah Motor Arus Terus Siri (Series DC Motor) • Mempunyai daya kilas yang stabil dan tetap pada kecepatan yang rendah. • Lebih cekap dalam menghasilkan daya dibandingkan dengan motor pirau. • Tidak memerlukan berus dan komutator, jadi memerlukan kurang penyelenggaraan dan mempunyai hayat perkhidmatan yang • Memerlukan pendawaian yang lebih kompleks, menjadikannya lebih sukar untuk dipasang dan dibaiki. • Ia tidak mempunyai tork permulaan yang besar, jadi ia tidak sesuai untuk menggerakkan beban yang berat
25 lebih lama. Motor Arus Terus Majmuk Kumulatif (Cumulative Compounded DC Motor) • Motor ini mempunyai daya kilas permulaan yang tinggi, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang menggunakan kuasa permulaan yang besar.. • Motor ini juga boleh dikendalikan dengan mudah kerana ia hanya memerlukan sumber kuasa arus terus. • Motor arus majmuk kumulatif mempunyai kecekapan yang baik kerana ia mempunyai kehilangan kuasa yang rendah. • Motor ini mempunyai kelajuan yang tidak stabil. • Motor ini memerlukan penyelenggaraan yang lebih kerap kerana ia mempunyai banyak komponen yang perlu diselenggara. • Motor ini mempunyai saiz dan berat yang besar sehingga tidak sesuai untuk aplikasi yang memerlukan mobility Motor Arus Terus Majmuk Pembezaan (Differentially Compounded DC Motor) • Motor ini mempunyai kelajuan yang stabil dan mudah dilaraskan. • Motor ini lebih mudah diselenggara kerana ia mempunyai lebih sedikit komponen untuk dijaga. • Motor ini mempunyai saiz yang lebih kecil dan berat yang lebih ringan menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan mobiliti. • Motor ini mempunyai daya kilas permulaan yang rendah menjadikannya tidak sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kuasa permulaan yang tinggi. • Motor ini mempunyai kecekapan yang lebih rendah kerana ia mempunyai kehilangan kuasa yang lebih tinggi. • Motor ini memerlukan sumber kuasa arus terus
26 yang stabil dan tetap. Jika punca kuasa tidak stabil, prestasi motor akan terjejas. 9.0 APLIKASI MOTOR ARUS TERUS Aplikasi motor AT boleh dilihat dalam pelbagai industri dan sektor, antaranya seperti industri pembuatan, robotik dan automasi, perkakasan rumah dan juga kenderaan elektrik [17] Beberapa contoh aplikasi motor AT termasuk: i. Motor Arus Terus Pirau (Shunt DC Motor) • Mesin pencetak atau printer • Mesin pemotong rumput • Lift • Kipas • Elevator ii. Motor Arus Terus Siri (Series DC Motor) • Mesin pengisar kopi • Kren • Enjin elektrik • Trak binaan yang berat • Mesin CNC iii. Motor Arus Terus Majmuk Kumulatif (Cumulative Compounded DC Motor) • Mesin penggiling daging • Mesin pengupas kulit kacang • Mesin pengerak conveyor • Mesin pengerak mixer • Mesin pembuat roti
27 iv. Motor Arus Terus Majmuk Pembezaan (Differentially Compounded DC Motor) • Mesin penggiling kopi • Mesin pengupas kentang • Mesin membuat jus • Mesin penghancur ais batu • Mesin pencetak duit
28 10.0 FORMULA DAN CONTOH PENGIRAAN MOTOR AT Formula pengiraan motor AT berbeza bergantung pada aspek yang hendak dikira. Pengiraan motor AT boleh melibatkan banyak pembolehubah dan faktor yang berbeza, bergantung pada konteks dan tujuan pengiraan khusus.[18] Jadual 1.1 merupakan formula dan contoh pengiraan mengenai motor AT: Jadual 1.1: Formula dan contoh pengiraan motor AT [19] NAMA FORMULA LITAR Separately Excited DC motors Shunt DC motors Series DC Motor I F = V F R F VT = EA + IA RA I L = IA I F = V F R F VT = EA + IA RA I L = IA + I F VT = EA + IA (RA + RS) IA = IS + I L
29 Compounded DC motor The Kirchhoff’s voltage law equation for a compounded DC motor is: The currents in a compounded DC motor are: The mmf of a compounded DC motor: The effective shunt field current in a compounded DC motor: VT = EA + IA (RA + RS) IA = IL - I F F net =FF ± F SE - F AR I F = V T R F I *F = I F + NSE IA - F AR NF NF
30 FORMULA Torque Equation T = torque of armature (Nm) kA = geometry constant = flux/pole (Wb) IA = armature current (A) Geometry Constant p = number of field poles N = number of active conductors on armature M = number of parallel paths in armature winding (=p for lap winding, =2 for wave winding) Power Equation P=power (W) – not counting losses E = EMF induced in armature (back EMF) IA = armature current (A) T = torque of armature (N-m) = speed of rotation (rad/s) Note that Pin = VL IL which will be higher than P because of loss in the field and armature windings as well as rotational (friction) losses. T = k AIA P = EI A = T
31 EMF Equation E = EMF induced in armature (V) kA = geometry constant = flux/pole (Wb) = speed of rotation (rad/s) n = speed of rotation of armature (rpm) Terminal Voltage Equation VT = voltage at motor terminals E = EMF induced in armature (V) IA = armature current (A) RA = armature resistance Speed Equation Ratio Equation Power flow and losses in DC machines E = kA = k’ An n = 60 2 VT = E + IA RA n = VT - I A RA k’ A n2 = E2 n1 E1
32 CONTOH SOALAN SOALAN 1: A shunt motor on a 240-V line has an armature current of 75 A. If the field-circuit resistance is 100 f, find the field current, line current, and power input to the motor (Rajah 1 and 2) [20] = = 240 100 = 2.4 = + = 2.4 + 75 + 77.4 = = 240(77.4) = 18 576 = 8.6 Rajah 1 Rajah 2 I F = V F R F VT = EA + IA RA I L = IA + I F
33 SOALAN 2: A shunt motor connected to a 120V line runs at a speed of 1200rpm when the armature current is 20A (Rajah 3). The armature resistance is 0.05R. Assuming constant field flux, what is the speed when the armature current is 60A? [21] Rajah 3 Speed is directly proportional to counter emf. 1 = − ₁ = 120 − 20(0.05) = 119 ₂ = − ₂ = 120 − 600(0.5) = 117 ₁ ₂ = ₁ ₂ ₂ = ₁ ₂ ₁ = 117 119 1200 = 1180
34 RUMUSAN Secara keseluruhannya, melalui tugasan ini kami dapat mencari maklumat tentang jenis-jenis motor arus terus satu fasa. Selain itu, dapat mendedahkan diri kepada pelbagai jenis dan aplikasi mesin elektrik setelah menjalankan tugasan ini. Seperti yang telah kami pelajari, binaan asas motor terdiri daripada pemegun (stator) dan pemutar (rotor) manakala bahagian utama pula terdiri daripada rangka utama, angker (armature), penukartertib (commutator), magnet kekal (stator magnet) dan berus karbon (carbon brush). Setiap komponen ini mempunyai fungsinya yang tersendiri untuk memastikan motor dapat beroperasi dengan baik. Seterusnya, kami juga dapat mempelajari kendalian motor arus terus dan telah sertakan video simulasi motor arus terus dalam tugasan ini. Melalui video tersebut telah menunjukkan prinsip operasi motor AT berasaskan hukum elektromagnet Faraday yang menyatakan bahawa arus yang mengalir melalui suatu kawat yang bergerak di dalam medan magnet akan menghasilkan daya kilas. Terdapat beberapa jenis motor AT iaitu motor AT Siri (Series DC Motor), Motor AT Pirau (Shunt DC Motor) dan motor AT Majmuk (Compound DC Motor). Sambungan motor AT majmuk terbahagi kepada 2 iaitu sambungan pirau pendek dan sambungan pirau panjang. Setiap jenis motor ini mempunyai spesifikasi yang berbeza dan perbezaan ketara yang kita boleh lihat adalah melalui litarnya. Melalui tugasan ini juga kami dapat mengetahui kelebihan dan kekurangan yang terdapat pada motor AT. Setiap motor AT mempunyai kelebihan dan kekurangan yang berbeza bergantung pada reka bentuk, konfigurasi dan penggunaan khusus motor tersebut. Tambahan pula, kami dapati motor AT telah menyumbang banyak dalam kerja harian melalui aplikasi motor AT boleh dilihat dalam pelbagai industri dan sektor. Akhir sekali, kami telah mempelajari teori berkaitan formula dan contoh pengiraan motor AT. Formula pengiraan motor AT berbeza bergantung pada aspek yang hendak dikira. Pengiraan motor AT melibatkan banyak pembolehubah dan faktor yang berbeza bergantung pada konteks dan tujuan pengiraan khusus.
35 SENARAI RUJUKAN [1] Tony R. Kuphaldt, Lessons In Electric Circuits, 6th ed. 2006. [2] Austin Hughes and Bill Drury, Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications, 4th ed. Newnes, 2013. [3] H. Wayne Beaty and Surya Santoso, Handbook of Electric Power Calculations, Fourth Edition (Electronics), 4th ed. McGraw Hill, 2015. [4] Enesto Soressi, “New life for old compound DC motors in industrial applications?,” IEEE International Conference, 2012. [5] Bimal K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, 1st ed. Prentice Hall, 2001. [6] José Carlos Gamazo-Real, Ernesto Vázquez-Sánchez, and Jaime Gómez-Gil, “Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends,” PubMed Central, 2010. [7] A. E. Fitzgerald, Electric Machinery, 6th ed. McGraw-Hill, 2005. [8] Marian P. Kazmierkowski, “Electric Drives,” Warsaw University of Technology, 2007. [9] Austin Hughes and Bill Drury, Electric Motors and Drives, 5th ed. Elsevier, 2019. [10] Thang Nguyen Trong, “The Control Structure for DC Motor based on the Flatness Control,” Thuy Loi University, 2017. [11] R. Krishnan, Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control, 1st ed. Pearson, 2001. [12] Nathan Ida, Faraday’s Law and Induction. Springer, 2000. [13] Nyoman Bagia and Made Parsa, Motor-Motor Listrik. 3 SKS, 2018. [14] U. A. Bakshi and M. V. Bakshi, Electric Motors, 1st ed. Technical Publications, 2020.
36 [15] R. K. Rajput, Direct Current Machines, 1st ed. University Science Press, 2007. [16] Frank Petruzella, Electric Motors and Control Systems, 1st ed. McGraw-Hill Education, 2009. [17] Jacek F. Gieras and Jian-Xin Shen, Modern Permanent Magnet Electric Machines Theory and Control, 1st ed. B/W Illustrations, 2022. [18] W.G. Hurley, Martin Hynes, and W.H. Wolfle, “PWM Control of a Magnetic Suspension System,” 2004. [19] Cheung Wing Hang, EEET2263 – Tutorial #5, DC Motors -SOLUTION. 2018. [20] Milton Gussow, Basic Electricity. McGraw-Hill, 2007.