Generator DC merupakan sebuah perangkat Motor listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
1. Konstruksi Generator DC
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 1. Konstruksi Generator DC
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.
2. Prinsip kerja Generator DC
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
• dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Pembangkitan Tegangan Induksi.
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Gambar 3. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.
• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).
3. Jangkar Generator DC
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.
Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang.
Gambar 4. Jangkar Generator DC.
4. Reaksi Jangkar
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.
Gambar 5. Medan Eksitasi Generator DC
Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 6).
Gambar 6. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b).
Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada Gambar 7.(a).
Gambar 7. Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b).
Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya.
Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu:
• lilitan magnet utama
• lilitan magnet bantu (interpole)
• lilitan magnet kompensasi
5. Jenis-Jenis Generator DC
Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
Penjelasan jenis generator DC
1. Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a)
2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b)
Gambar 8. Generator Penguat Terpisah.
Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2.
Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya.
Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Gambar 9. Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Gambar 9 menunjukkan:
a. karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar.
b. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.
c. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.
2. Generator Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet
stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Diagram Rangkaian Generator Shunt
Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.
Karakteristik kerja Generator
Gambar 11. Karakteristik Generator Shunt.
Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah.
Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.
3. Generator Kompon
Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.
Gambar 12. Diagram Rangkaian Generator Kompon
Karakteristik Generator Kompon
Gambar 13. Karakteristik Generator Kompon
Gambar 13 menunjukkan karakteristik generator kompon. Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.
B. GENERATOR SINKRON (AC)
Konstruksi Generator SinkronPada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik.
Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless excitation”.
Bentuk Penguatan
Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanent (magnet tetap).
Gambar 1. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot Exciter”.
Gambar 2. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless Exciter System”.
Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan Thyristor.
Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
• Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring.
• “Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.
Bentuk Rotor
Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder gambar 3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 3b.
Gambar 3a. Bentuk Rotor kutub silinder.
Gambar 3b. Bentuk Rotor kutub menonjol.
Bentuk Stator
Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik , seperti telah dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.
Gambar 4. Inti Stator dan Alur pada Stator
Gambar 4 memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada dua tipe yaitu :
a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Bentuk Stator Satu Lapis
Gambar 5 memperlihatkan belitan satu lapis, karena hanya ada satu sisi lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus GGL penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus GGL penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis α_mek dan sudut listrik α_lis, adalah :
Gambar 5. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa.
Contoh:
Sebuah generator Sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut mekanis ditunjukkan dengan 180 derajat listrik.
Jawaban:
Sudut mekanis antara kutub utara dan kutub selatan adalah:
Ini menunjukkan 180 derajat listrik
atau bisa juga secara langsung, yaitu:
Gambar 6. Urutan fasa ABC.
Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 6. (searah jarum jam), urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemudian fasa C.
Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif. Jadi ggl yang dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah:
EA = EA ∟ 0° volt
EB = EB ∟ -120° volt
EC = EC ∟ -240° volt
Belitan Berlapis Ganda
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 5 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per fasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur biasanya disebut “ Winding Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.
Gambar 7. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa.
Faktor Distribusi
Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, GGLl pada terminal menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Suatu faktor yang harus dikalikan dengan GGL dari sebuah kumparan distribusi untuk menghasilkan total GGL yang dibangkitkan disebut faktor distribusi Kd untuk kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari satu (Kd < onblur="try {parent.deselectBloggerImageGracefully();} catch(e) {}" href="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiNST3BAgc7vyw2ursusnRsZK-zFhU1UDLw4GSUxeMHfoahVFapPf_vzrt9t2HrL-OHeGsAEifQP49XTnW7IRThqx9KQcWQ42k5whuXbKb35Uqaq9nlrimH-oFXa_5dw5ZdqM5CbdUavXk/s1600-h/5.png">
dimana m menyatakan jumlah fasa.
Gambar 8. Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan.
Perhatikan gambar 8, disini diperlihatkan GGL yang dinduksikan dalam alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar ψ =15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal 2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.
E = E1 + E2 + E3 + E4
Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari GGL lilitan oleh faktor.
Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan:
Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 9.
Gambar 9. Total GGL Et dari Tiga GGL Sinusoidal.
Faktor Kisar
Gambar 10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan, bila sisi lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan bila diletakkan dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan 5/6 kisar kutub.
Gambar 10. Kisar Kumparan
Kisar :
5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat
1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat.
Kisar pendek sering digunakan, karena mempunyai beberapa keuntungan, diantaranya:
• Menghemat tembaga yang digunakan.
• Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan.
• Kerugian arus pusar dan Hysterisis dapat dikurangi.
EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 11).
Gambar 11. Vektor Tegangan Lilitan.
Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan pada gambar 8b, maka tegangan resultannya adalah:
E = 2 EL. Cos 30/2
atau,
dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.
Gaya Gerak Listrik Kumparan
Sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya tegangan masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
Apabila
Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T
T = Jumlah lilitan per fasa
dφ = φP dan dt = 60/N detik
maka GGL induksi rata-rata per penghantar:
sedangkan jika,
atau,
Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi:
bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL rata-rata/fasa
= 2.f.φ.Z Volt
= 2.f.φ.(2T) = 4.f.φ.T volt
GGL efektif/fasa = 1,11x 4.f.φ.T = 4,44 x f .φ.T Volt
bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL efektif/fasa
E = 4,44 . Kd. Kp .f .φ . T (Volt)
PRINSIP-PRINSIP KERJA GENERATOR SINKRON
Setelah
kita membahas mengenai konstruksi dari suatu generator sinkron, maka
artikel kali ini akan membahas mengenai prinsip kerja dari suatu
generator sinkron. Yang akan menjadi kerangka bahasan kali ini adalah
pengoperasian generator sinkron dalam kondisi berbeban, tanpa beban,
menentukan reaktansi dan resistansi dengan melakukan percobaan tanpa
beban (beban nol), percobaan hubung-singkat dan percobaan resistansi
jangkar.
Seperti telah dijelaskan pada artikel-artikel sebelumnya, bahwa kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi prinsip kerja generator, di sini.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub.
Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat
fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin ( ωt - Φ ) Weber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)
Generator Tanpa Beban
Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu sebesar:
Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban
Generator Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pada:
• Resistansi jangkar Ra
• Reaktansi bocor jangkar Xl
• Reaksi Jangkar Xa
a. Resistansi Jangkar
Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor.
c. Reaksi Jangkar
Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a, 4b, 4c dan 4d. Kondisi Reaksi Jangkar.
Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF.
Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan ΦA terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ).
Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperlemah ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut reaktansi Sinkron Xs.
Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator
Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban:
= I.Ra + j (I.Xa + I.XL)
= I {Ra + j (Xs + XL)}
= I {Ra + j (Xs)}
= I.Zs
Menentukan Resistansi dan Reaktansi
Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah generator, harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan, yaitu:
• Test Tanpa beban ( Beban Nol )
• Test Hubung Singkat.
• Test Resistansi Jangkar.
Test Tanpa Beban
Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai rating tegangan output terminal tercapai.
Gambar 6. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban.
Test Hubung Singkat
Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung singkat Ihs dicatat.
Gambar 7. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah Generator.
Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatn
Test Resistansi Jangkar
Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9. Resistansi per fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Gambar 9. Pengukuran Resistansi DC.
Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk menentukan nilai resistansi AC efektif , eff R . Faktor ini tergantung pada bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 .
Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan:
Seperti telah dijelaskan pada artikel-artikel sebelumnya, bahwa kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi prinsip kerja generator, di sini.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub.
Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub
Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat
fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin ( ωt - Φ ) Weber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)
Generator Tanpa Beban
Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu sebesar:
Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban
Generator Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pada:
• Resistansi jangkar Ra
• Reaktansi bocor jangkar Xl
• Reaksi Jangkar Xa
a. Resistansi Jangkar
Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor.
c. Reaksi Jangkar
Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a, 4b, 4c dan 4d. Kondisi Reaksi Jangkar.
Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF.
Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan ΦA terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ).
Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperlemah ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut reaktansi Sinkron Xs.
Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator
Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban:
= I.Ra + j (I.Xa + I.XL)
= I {Ra + j (Xs + XL)}
= I {Ra + j (Xs)}
= I.Zs
Menentukan Resistansi dan Reaktansi
Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah generator, harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan, yaitu:
• Test Tanpa beban ( Beban Nol )
• Test Hubung Singkat.
• Test Resistansi Jangkar.
Test Tanpa Beban
Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai rating tegangan output terminal tercapai.
Gambar 6. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban.
Test Hubung Singkat
Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung singkat Ihs dicatat.
Gambar 7. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah Generator.
Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatnTest Resistansi Jangkar
Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9. Resistansi per fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Gambar 9. Pengukuran Resistansi DC.
Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk menentukan nilai resistansi AC efektif , eff R . Faktor ini tergantung pada bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 .
Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan:
ANIMASI GENERATOR DC/AC
Animasi kali ini mengenai prinsip kerja generator, baik itu generator DC ataupun generator AC. Prinsip kerja untuk generator DC pada dasarnya tidak berbeda dengan motor DC, hanya saja pada generator untuk lilitan rotornya akan menghasilkan energi listrik, sementara pada motor lilitan rotornya mendapatkan suplai energi listrik, seperti telah dibahas tersebut diatas untuk lebih jelasnya lihatlah animasi bibawah ini (Silahkan Klik disini)Melalui animasi ini anda dapat memahami prinsip kerja generator DC dan grafik fungsi dari tegangan DC terhadap waktu.
Semoga bermanfaat,
+ komentar + 2 komentar
daftar pustaka syapa bang
apa hubungan tegangan dalam generator..?
Posting Komentar