komutator

KOMUTASI

Komutasi adalah pembalikan arus dari coil yang sedang di hubung singkat oleh carbon brush. Arus yang mengalir melalui carbon brush dan armature winding sebuah mesin DC biasanya mengambil beberapa jalur pada armature windings disaat arus itu masuk dari komutator ke carbon brush. 

KOMUTATOR

Komutator adalah bagian vital dari motor dan generator DC, karena itu perlu perhatian yang besar. Komutator dapat memberi tanda/sinyal akan terjadinya kerusakan motor atau generator.

            Komutator merupakan suatu konverter mekanik yang membuat arus dari sumber mengalir pada arah yang tetap walaupun belitan medan berputar. Komutator berpasangan dengan ‘cincin belah‘ (slip-rings) untuk menjalankan tugas tersebut. Pada gambar ilustrasi diatas, gambar lingkaran yang dibagi menjadi dua buah dan terhubung ke bagian belitan medan merupakan cincin belah. Bagian yang digambarkan berbentuk kotak menempel pada cincin belah tersebut yang dinamakan komutator.

Komutator ini termasuk bagian suatu motor listrik yang secara aktual berfungsi mentransmisikan gaya putar magnet yang dihasilkan oleh arus listrik.
Torsi yang terjadi pada komutator adalah (T=K.I.fluks magnet).

                                                                                                            

            Mesin listrik disebut mesin DC (arus searah) karena mempunyai sistem komutasi pada cara kerjanya dimana fungsi dari komutator ini adalah menyearahkan arus-tegangan dari AC menjadi DC secara mekanis pada terminalnya untuk generator DC. Sedangkan pada motor DC untuk menjalankannya memerlukan catu daya DC yang dikonversi ke AC pada kumparan jangkarnya. Komutasi tersebut dilakukan oleh salah satu komponen mesin DC yang disebut komutator. Adapun prinsip kerja dari komutator dapat dijelaskan sebagai berikut:

Dari gambar ditunjukkan saat-saat komutator bergerak dari posisi di t0 sampai pada posisi t5. Pada saat t = t0 , segmen komutator tepat berimpit dengan carbon brush (sikat arang). Jika ada dua jalan parallel dalam kumparan jangkar tersebut maka arus jangkar Ia yang mengalir pada masing-masing jalan parallel adalah Ia/2

dengan arah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Dengan demikian arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/2 dan arahnya ke kanan. Jika arah putaran jangkar ke kanan seperti pada ganbar 3 dan pada saat t = t1 , sikat terletak diantara dua komutator dengan perbandingan 1 : 3 maka distribusi arus pada masing-masing segmen komutator adalah Ia/4 pada komutator sebelah kiri , dan 3Ia/4 pada komutator sebelah kanan. Dari hukum Kirchoff untuk arus, kita dapatkan besar arus yang megalir pada kumparan A = Ia/4 dengan arah masih tetap ke kanan.
Pada t = t2 posisi sikat tepat berada ditengah-tengah diantara dua segmen komutator, sehingga tidak ada arus yang mengalir pada kumparan A (pada kondisi ini kumparan A sama dengan berada di bidang netral). Pada t = t3 sikat berada antara dua segmen komutator dengan perbandingan letak 1 : 3. Disini arus yang mengalir pada kumparan A = Ia/4, dengan arah arus terbalik yaitu ke kiri. Akhirnya pada t = t4 sikat meninggalkan segmen komutator sebelah kiri.

Pada kumparan A mengalir arus sebesar Ia/2 yang arahnya ke kiri. Jika arus dalam kumparan A digambarkan sebagai fungsiwaktu diperoleh hasil seperti terlihat pada gambar 4. Fungsi tersebut merupakan fungsi linier komutasi yang dihasilkan jika rapat arus dalam sikat seragam. Tapi karena adanya pengaruh induktans kumparan dan tahanan sikat untuk arus yang cukup besar maka fiungsi tersebut tidak linier lagi melainkan berupa garis lengkung.

Demikianlah dengan adanya arus yang berbalik arah dalam kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet dihasilkan tegangan induksi (ggl) dengan bentuk gelombang seperti pada gambar

FUNGSI  KOMUTATOR

Ada tiga fungsi komutator yaitu

1.   Sebagai kontak geser antara carbon brush yang fixed dengan armature yang berputar untuk mengambil atau memberi arus listrik ke mesin elektrik

2.   Bekerja sebagai saklar pembalik (reversing switch). Pada waktu ujung akhir armature coil melewati posisi carbon brush, komutator menswitchnya dari satu sirkit ke sirkit yang lain dimana arusnya mengalir pada arah sebaliknya. Jadi semua coil mempunyai arus yang mengalir melalui posisi-posisi itu dalam arah yang sama setiap saat.

3.   Komutator juga menyalurkan tegangan dari setiap armature coil dari dalam sirkit armature coil ke permukaan carbon brush. Tegangan setiap batang coil saling menambah satu sama lain diantara carbon brush-carbon brush. Hal ini akan menghasilkan tegangan operasi mesin elektrik yang muncul dalam carbon brush-carbon brush.

  Setelah arus itu mengalir melalui windings, jalur-jalur itu bertemu lagi dan arus mengalir melalui carbon brush keluar.

Pada waktu sebuah coil bergerak dibawah carbon brush (Gambar 1), pada salah satu sisi carbon brush arus mengalir dalam suatu arah, dan akan mengalir pada arah yang berlawanan bila coil itu ada pada sisi lain. 

Jadi arus tersebut harus menjadi nol lebih dulu pada segmen komutator yang berada dibawah carbon brush, sebelum berbalik arah pada coil berikutnya. Sebagai catatan, carbon brush itu harus cukup lebar untuk menjembatani dua segmen komutator berurutan dan meng hubung singkat armature coil untuk sesaat. Inilah yang disebut komutasi.

Apa yang akan terjadi bila pembalikan arus itu tidak terjadi pada saat yang tepat?. Coil akan keluar dari bawah carbon brush dengan arus yang masih mengalir pada arah yang terdahulu. Meeting point dengan arus pada jalur yang lain (disebut “neutral point”), terjadi tidak dibawah carbon brush.

Perpindahan “neutral point” ini akan membuat arus pada satu sisi dari carbon brush menjadi amat padat (crowded). Kondisi ini akan membuat arus itu meloncat keluar sebagai electic spark untuk mencapai titik balik berikutnya. Mesin elektrik besar bekerja dengan variasi beban yang amat besar. Makin besar arus beban, makin sulit untuk mendapatkan kondisi pembalikan arus saat coil bergerak dibawah carbon brush.  Untuk mempercepat terjadinya pembalikan arah arus coil dan menjaga agar “neutral point” tetap berada dibawah carbon brush, pada mesin besar dipasang inter pole atau commutating pole (Gambar 2).

Pole atau kutub ini adalah kutub kecil yang dipasang diantara kutub utama. Polaritasnya sama dengan polaritas pole berikutnya di arah putaran pada generator sedangkan untuk motor sama dengan polaritas pole sebelum-nya (dipandang dari  arah putaran motor).Kerja dari inter pole ini adalah untuk memperbaiki komu-tasi. Magnetisasi dari inter pole membangkitkan tegangan pada armature coil pada saat coils ini bergerak pada zone dibawah bidang kontak carbon brush. 

Tegangan ini akan mempercepat selesainya pembalikan arah arus dibawah carbon brush sebelum coil meninggalkan bidang kontak carbon brush.

Inter pole dirancang untuk memperbaiki komutasi sampai beban mencapai beban penuh, bahkan beban lebih. Tetapi apabila terjadi over powering mendadak, magnetisasi pada pole ini tidak dapat segera mengakomodasi perubahan mendadak ini. Perlu waktu beberapa detik untuk menyesuaikan. Hal ini berarti tegangan yang timbul oleh inter pole tidak cukup untuk mempercepat pembalikan arah arus dibawah carbon brush dan masih akan nampak ada bunga api listrik. Pada suatu saat magnit di interpole ini juga akan jenuh. Jadi ada keterbatasan juga dalam hal membantu memperbaiki komutasi. Ini terjadi bila beban memang kelewat berat

EQUALIZER  COIL

LAP  WINDING (PARALEL WINDING)

Salah satu cara memasang coil pada slot armature, adalah cara yang disebut lap winding atau lilitan gelung atau paralel winding. Banyaknya sirkit parallel (parallen path) pada lilitan gelung sama banyak dengan banyaknya kutub mesin. Karena flux per pole tidak pernah benar-benar sama untuk semua kutub, tegangan pada sirkit-sirkit parallel (yang banyaknya sirkit tergantung pada banyaknya pole). tidak semuanya akan sama besar.

Kondisi ini akan membuat adanya arus sirkulasi, karena semua sirkit terhubung parallel. Walau hanya ada beda tegangan yang kecil pada carbon brush, ia akan menyebabkan terjadinya arus sirkulasi yang besar karena resistansi armature coil rendah (Gambar 3). Bila arus sirkulasi ini dibiarkan melewati komutator ke carbon brush dan terus ke brush holder yang tersambung ke bus rings, maka hal ini akan membuat komutasi jadi jelek dan akan menimbulkan bunga api listrik  pada carbon brush.

Untuk menghindari hal ini digunakanlah equalizer coil untuk menghubungkan segmen komutator berpotensial sama (yaitu segmen pada interval dua kali jarak carbon brursh). Periksa Gambar 3. Dengan demikian arus sirkulasi yang timbul akan mengalir melalui equalizer coil, bukan melalui komutator ke carbon brush. Arus sirkulasi ini menimbulkan magneto motvie force pada arah yang cenderung membawa fluks beberapa pole menjadi sama besar. Dengan demikian arus sirkulasi neto akan terkurangi menjadi amat kecil.

 

WAVE WINDING (SERIES  WINDING) 

Cara lain memasang coil pada slot armature adalah dengan mempergunakan coil wave winding atau lilitan gelombang atau series winding. Pada winding type ini ada dua jalur parallel pada armature, setiap jalur terdiri dari satu setengah kali armature conductor yang terhubung seri satu sama lain. Tegangan pada setiap separo sirkit parallel saling ditambahkan menjadi tegangan terminal mesin. Bila mesin menggunakan winding type ini, tidak diperlukan equalizer winding.

KONSTRUKSI

Komutator dibuat dari segmen-segmen tembaga dan plat-plat mika (Gambar 4). Segmen-segmen tembaga sering disebut “segmen komutator” dan selanjutnya nama ini yang dipakai dalam tulisan ini. 

 Plat-plat mika isolator komutator, secara fisik terpisah dan secara elektrik menjadi isolasi dari segmen komutator dan memberi-kan tekanan yang diperlukan bagi stabilitas komutator. Plat-plat ini dipotong dibawah permukaan komutator (undercut) untuk mencegah interferensi dengan adanya geseran dari carbon brush ke permukaan komutator. Segmen komutator dipotong dan disusun untuk membentuk se-buah silinder pada waktu dilakukan assembling. Setiap segmen komutator punya riser pada satu sisi untuk membuat sambungan ke armature coil.

Segmen komutator disusun sedemikian sehingga tetap duduk pada posisinya oleh sebuah cap besi yang diikat dengan baut pada steelshell (Gambar 6) Mica cones dibuat memiliki contour untuk menyesuaikan diri antara shell dan cap dan menjadikannya isolasi segmen komutator terhadap ground (armature).

Pada ujung insulator cone dipasang teflon creepage band yang dibuat mencuat keluar, untuk melindungi mica dari kerusakan dan memberikan permukaan creepage yang halus sehingga lebih mudah dibersihkan.

ARCH  BOUND  COMMUTATOR

Konstruksi komutator yang disebut arch bound memberikan tekanan hanya pada permukaan segmen komutator yang bersudut 30 derajad (Gambar  5).

Tekanan ini disangga oleh arch pressure (tekanan busur) dari segmen-segmen yang saling menekan satu sama lain secara melingkar penuh, sesuai namanya “arch bound”. Ada clearance, biasanya sekitar 1/16 in, antara 3 – 6 derajad permukaan segmen-segmen dengan mica cone, yang meliputi slope luar commutator cap.