BAB II DASAR TEORI. searah. Energi mekanik dipergunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar

BAB II DASAR TEORI

2.1

Umum Generator arus searah mempunyai komponen dasar yang hampir sama

dengan komponen mesin-mesin lainnya. Secara garis besar generator arus searah adalah alat konversi energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik arus searah. Energi mekanik dipergunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar didalam medan magnet. Berdasarkan hukum Faraday, maka pada kawat penghantar akan timbul GGL induksi yang besarnya sebanding dengan laju perubahan fluksi yang dilingkupi oleh kawat penghantar. Bila kumparan kawat tersebut merupakan rangkaian tertutup, maka akan timbul arus induksi. Yang membedakannya dengan generator lain yaitu terletak pada komponen penyearah yang terdapat didalamnya yang disebut komutator dan sikat.

2.2

Konstruksi Generator Arus Searah Generator arus sarah memiliki konstruksi yang terdiri atas dua

bagian yaitu bagian yang berputar (rotor) dan bagian yang diam (stator). Yang termasuk stator adalah rangka, komponen magnet, dan komponen sikat. Sedangkan yang termasuk rotor adalah jangkar, kumparan jangkar dan komutator. Secara umum konstruksi generator arus searah adalah seperti Gambar 2.1.

6 Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Konstruksi generator arus searah 1. Badan Generator (Rangka) Fungsi utama dari badan generator adalah sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnit yang dihasilkan kutub-kutub magnit, karena itu badan generator dibuat dari bahan feromagnetik. Disamping itu badan generator ini berfungsi untuk meletakkan alat-alat tertentu dan melindungi bagian-bagian mesin lainnya. Oleh karena itu badan generator harus dibuat dari bahan yang kuat. Untuk memenuhi kedua persyaratan pokok diatas, maka umumnya badan generator untuk mesin-mesin kecil dibuat dari besi tuang. Sedangkan generator yang besar umumnya dibuat dari plat-plat campuran baja. Biasanya pada generator terdapat name plate yang bertuliskan spesifikasi umum atau data-data teknik dari generator. Selain name plate badan generator juga terdapat terminal box yang merupakan tempat-tempat ujung-ujung lilitan penguat magnit dan lilitan jangkar. Gambar dari rangka generator arus searah dapat dilihat pada Gambar 2.2.


Gambar 2.2 Rangka generator arus searah 2. Medan Penguat dan Kumparan Penguat Medan Sebagaiman diketahui bahwa fluks magnit yang terdapat pada generator arus searah dihasilkan oleh kutub magnit buatan yang dihasilkan dengan prinsip elektromagnetik. Magnit penguat terdiri dari inti kutub dan sepatu kutub (lihat Gambar 2.3) Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : a. Menyebarkan fluks dari celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnit. b. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan penguat atau kumparan medan. Inti kutub terbuat dari lembaran-lembaran besi tuang atau baja tuang. Sepatu kutub dilaminasi dan di baut ke inti kutub. Sedangkan kutub (inti kutub dan sepatu kutub) dibaut atau dikeliling ke rangka mesin (lihat Gambar 2.3c). Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau strip / persegi) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu (lihat Gambar 2.3b).


Gambar 2.3 Konstruksi kutub dan penempatannya 3. Sikat Fungsi dari sikat adalah untuk jembatan bagi aliran arus dari lilitan jangkar dengan beban. Disamping itu sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.

Agar

gesekan

antara

komutator-komutator

dan

sikat

tidak

mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat kebih lunak dari komutator. Sikat terbuat dari karbon, grafit, logam grafit, atau campuran karbongrafit, yang dilengkapi dengan pegas penekan dan kotak sikat. Besarnya tekanan pegas dapat diatur sesuai dengan keinginan. Permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Karbon yang ada diusahakan mimiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik, dan koefisien yang rendah untuk mengurangi keausan. Adapun bagian-bagian dari sikat ini dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Konstruksi sikat


4. Komutator Sebagaimana diketahui komutator berfungsi sebagai penyearah mekanik, yaitu untuk mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat yang disebut komutasi. Agar menghasilkan penyearahan yang lebih baik maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan, yang diisolasi dengan bahan sejenis mika yang diperlihatkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Konstruksi komutator 5. Jangkar Jangkar yang umum digunakan dalam generator arus searah adalah yang berbentuk silinder yang di beri alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya ggl induksi. Jangkar di buat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar lilitan jangkar terletak dalam daerah yang induksi magnitnya besar, supaya ggl induksi yang terbentuk dapat bertambah besar. Konstruksi dari jangkar generator arus searah dapat dilihat seperti pada Gambar 2.6.


Gambar 2.6 Konstruksi jangkar generator arus searah Seperti halnya inti kutub magnet, maka jangkar dibuat dari bahan berlapislapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus pusar (eddy current). Bahan yang digunakan untuk jangkar ini sejenis campuran baja silicon. Pada umumnya alur tidak hanya diisi satu sisi kumparan, tetapi diisi lebih dari satu sisi kumparan yang disusun secara berlapis. 6. Belitan Jangkar Pada generator arus searah, belitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl induksi. Umumnya kumparan jangkar (rotor) berbentuk seperti permata, seperti pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Bentuk umum belitan jangkar

Adapun jumlah konduktor dalam belitan jangkar tersebut : Z = 2CN ……………………………………………………… (6.7)


Dimana : C = jumlah belitan pada rotor atau segmen komutator pada rotor N = jumlah lilitan setiap belitan Normalnya bentangan belitan 1800 listrik, yang berarti ketika sisi belitan yang satu berada di tengah suatu kutub, sisi lainnya berada di tengah kutub yang berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling terletak 1800 mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat mekanis dan derajat listrik, dapat digunakan formula berikut : θlistrik = θmekanis ………………………………………………..(6.8) Di mana : θlistrik

= sudut dalam derajat listrik

P

= jumlah kutub

θmekanis

= sudut dalam derajat mekanis

Belitan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Belitan ini disebut sebagai kumparan kisar penuh (full-pitch coil). Sedangkan belitan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800 listrik) disebut sebagai belitan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan tali busur (chorded winding). Adapun hubungan antara kumparan dengan segmen komutatornya terbagi atas 2 macam : 1. Kumparan Progresif (Progressive winding). Adalah belitan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului kumparan sebelumnya.


2. Kumparan Retrogesif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator membelakangi belitan sebelumnya. Bentuk umum dari kumparan progresif dan kumparan retrogresif dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Kumparan progresif dan kumparan retrogresif

2.3

Prinsip Kerja Generator Arus Searah Suatu generator arus searah bekerja berdasarkan prinsip induksi magnetis

sesuai dengan Hukum Faraday. Bila ada sepotong penghantar dalam medan magnet yang berubah-ubah terhadap waktu, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk GGL induksi. Demikian pula sebaliknya bila sepotong penghantar digerak-gerakkan dalam medan magnet, dalam penghantar tersebut juga terbentuk GGL induksi. Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet dapat dilihat pada Gambar 2.9.


Gambar 2.9 Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet Medan magnetnya dihasilkan oleh kumparan medan sedangkan untuk menghasilkan efek perubahan fluksi maka belitan penghantar diputar oleh prime mover. Bentuk tegangan yang dihasilkan dapat terlihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Bentuk gelombang yang dihasilkan Posisi 1 : fluksi yang menembus belitan maksimum tapi perubahan fluksi adalah minimum. Ini disebabkan belitan AB dan CD tidak terpotong fluksi sehingga EMF = 0.


Posisi 2 : fluksi yang menembus belitan minimum tapi perubahan fluksi adalah maksimum akibatnya EMF tidak terinduksi juga maksimum. Untuk posisi putaran berikutnya sama dengan posisi di atas yaitu untuk posisi I EMF induksi maksimum, posisi F maksimum. Apabila terminal-terminal dari generator dihubungkan ke beban maka akan terbentuk atau mengalir arus. Karena tegangan induksi adalah bolak-balik maka arus induksinya juga bolak-balik. Tegangan bolak-balik inilah yang akan disearahkan dengan komutator yang akan diuraikan berikutnya. Persamaan tegangan bolak-balik yang dihasilkan dalam hal ini dapat diturunkan dari hukum Faraday, yaitu : e =−

……………………………………………..……… (6.1)

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fluksi yang dihasilkan adalah fluksi yang berubah terhadap waktu dan berbentuk sinusoidal, maka persamaan fluks dalam rangkaian kumparan adalah : Φ = Φm cos ωt ……………………….. ……………………(6.2) dΦ =− Φm sin ωt dt Maka Persamaan (6.1) di atas dapat diturunkan menjadi : =

− −

e = N ω Φm Sin ωt…………………………………………….(6.3) Tegangan induksi akan mencapai maksimum pada saat wt = rad, maka tegangan induksi maksimum : Emax = N Φm ω………………………………………………...(6.4) Persamaan (6.3) di atas dapat ditulis menjadi : e = Emax Sin ωt…………………………………………………(6.5)


Untuk harga efektif dari tegangan yang dihasilkan adalah : = =

√2

2

=

√2

√2

Eeff = 4,44 N Φ f (volt)………………………...………………(6.6) Emf yang dihasilkan berupa siklus sinusoidal tegangan bolak-balik. Dengan cincin komutasi yang segmen-segmennya terhubung dengan ujung konduktor jangkar, menyebabkan perubahan pada tegangan keluarannya menjadi tegangan yang searah. Proses ini dinamakan proses komutasi.

2.4

Prinsip Penyearah Pada generator arus searah, penyearahan dilakukan secara mekanis dengan

menggunakan alat yang disebut komutator. Komutator pada prinsipnya mempunyai bentuk yang sama dengan cincin seret, hanya cincin tersebut dibelah dua kemudian disatukan kembali dengan menggunakan bahan isolator. Masingmasing bahan komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terbentuknya GGL. Komutator I dihubungkan dengan sisi AB dan komutator II dihubungkan dengan sisi CD (lihat gambar 2.11).


Gambar 2.11 Suatu penghantar yang ditembus fluksi Jika kumparan ABCD berputar, maka sikat-sikat akan bergesekan dengan komutator-komutator secara bergantian. Peristiwa bergesekan / perpindahan sikatsikat dari satu komutator ke komutator berikutnya disebut komutasi. Peristiwa komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan yang prinsipnya adalah sebagai berikut : 1. Mula-mula sisi AB berada pada kedudukan 0 dan posisi CD berada pada kedudukan yang berlawanan yaitu 6. Pada saat itu tentu saja pada sisi AB dan CD tidak berbentuk GGL. Pada saat ini pula sikat-sikat berhubungan dengan bagian isolator kedua komutator. Ini berarti sikat-sikat berpotensial nol. 2. Kumparan berputar terus, sekarang sisi AB bergerak di daerah utara (dari kedudukan 0 menuju 3) dan sisi CD bergerak di daerah selatan. Sesuai dengan hukum tangan kanan maka GGL yang terbentuk pada sisi AB arahnya menjauhi kita, sedangkan pada sisi CD terbentuk GGL yang arahnya mendekati kita. Jika arus listrik di dalam sumber mengalir dari negatif (-) ke positif (+), maka pada saat itu komutator I dan sikat E berpotensial negatif, sedangkan komutator II dan sikat F berpotensial positif.


Gambar 2.12 Ilustrasi proses penyearahan 3. Saat sisi kumparan AB sampai pada kedudukan 6 dan CD kedudukan 12, maka pada saat ini sikat-sikat berpotensial nol karena GGL induksi yang terbentuk pada masing-masing sisi kumparan adalah nol, sikat-sikat hanya berhubungan dengan isolator. 4. Kumparan ABCD bergerak terus, sisi AB bergerak di daerah selatan (dari kedudukan 6 menuju 12) sehingga GGL yang terbentuk pada sisi kumparan AB arahnya mendekati kita, sebaliknya pada sisi CD yang bergerak di daerah utara terbentuk GGL yang arahnya menjauhi kita. Pada saat itu komutator I dan sikat F berpotensial positif sedangkan komutator II dan sikat E negatif. Sehingga dihasilkan tegangan induksi dengan bentuk gelombang seperti Gambar 2.13.


Gambar 2.13 Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan

2.5

Reaksi Jangkar Jika generator arus searah dihubungkan ke beban melalui terminal out-put,

maka arus listrik akan mengalir pada kumparan jangkarnya. Aliran arus ini akan menghasilkan fluksi medan magnet sendiri, yang akan mempengaruhi (distort) fluksi medan magnet yang telah ada sebelumnya dari kutub mesin. Pada keadaan ini fluks yang dihasilkan oleh generator akan menjadi berkurang karena arah kedua vektor fluksi magnetis tadi saling berlawanan. Adanya pengaruh fluksi magnetik yang ditimbulkan akibat arus beban ini dinamakan reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini akan menimbulkan dua masalah yakni : Masalah pertama yang disebabkan oleh reaksi jangkar adalah pergeseran bidang netral (neutral plane). Bidang netral magnetis didefinisikan sebagai bidang di dalam mesin dimana kecepatan gerak kumparan rotor benar-benar paralel dengan garis fluks magnet, sehingga induksi GGL pada bidang konduktor tersebut benar-benar nol.


Gambar 2.14 Proses terjadinya reaksi jangkar Pada saat belum dibebani, sumbu sikat terletak pada garis netral magnetik yang tegak lurus terhadap fluksi utama, yaitu menurut garis OA. Sedangkan fluks utama Φu pada generator digambarkan menurut garis OB. Setelah generator dibebani, maka akan timbul arus jangkar yang menimbulkan fluksi jangkar Φa yang searah dengan vektor OA. Akibat interaksi kedua fluksi tersebut menimbulkan fluksi resultante Φr yang searah dengan vektor OC.


Gambar 2.15 Proses pergeseran bidang netral Dengan timbulnya fluksi resultante Φr ini, maka garis netral magnetik yang seharusnya tegak lurus fluksi utama OB, kini berubah menjadi tegak lurus terhadap garis OC, yaitu searah garis ON. Kalau keadaan ini dibiarkan maka akan timbul bunga api pada sikat. Untuk menghilangkannya, maka sikat harus digeser posisinya sehingga sumbu sikat kembali menjadi tegak lurus terhadap arah vektor fluks utama. Namun akibatnya fluks utama akan berkurang dan terjadi demagnetizing effect jika sikat digeser berlawanan dengan arah putaran mesin. Bila setiap terjadi perubahan beban sehingga sikat harus digeser tentunya sangat tidak dinginkan. Untuk mengatasinya maka dibuatlah kutub komutasi dan kumparan kompensasi. Masalah kedua akibat reaksi jangkar adalah pelemahan fluks. Hal ini dapat dijelaskan pada Gambar 2.16. Kebanyakan mesin listrik bekerja pada kerapatan fluks yang dekat dengan titik jenuhnya, karenanya pada lokasi di permukaan kutub dimana gaya gerak magnet (ggm) rotor menambahkan ggm kutub, terjadi sedikit peningkatan kerapatan fluks (ΔΦn). Tetapi pada lokasi permukaan kutub di


mana ggm rotor mengeleminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluks (ΔΦt) yang lebih besar, sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang. Φ (Weber)

Kurva Kemagnetan

∆Φn ∆Φt

k

-

j

∆Φn

penguatan fluks

∆Φt

pelemahan fluks

k

garis gaya magnet kutub

j

garis gaya magnet jangkar

k

+

j

(Ampere lilitan) k

Gambar 2.16 Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar Akibat pelemahan fluks ini pada generator arus searah adalah pengurangan nilai pasokan tegangan oleh generator ke beban. Pada motor arus searah pengaruh yang ditimbulkan menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah, khususnya motor arus serah shunt akan berputar demikian cepatnya hingga tak terkendali.

2.6

Jenis-Jenis Generator Arus Searah Berdasarkan metode eksitasi yang diberikan, maka generator arus

searah dapat diklasifikasikan dalam dua jenis:


2.6.1 Generator Arus Searah Berpenguatan Bebas Pada jenis generator ini, fluks medan diperoleh dari sumber lain yang terpisah dari generator tersebut.

Gambar 2.17 Rangkaian generator DC penguatan bebas Tegangan searah yang diberikan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan. Jika generator dihubungkan dengan beban RL, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : Vt = IL . RL……………………………………………………..(6.9) Ea = Vt + Ia . Ra ……………………………………………..(6.10) Ia = IL ……………………………………...………………………………………………(6.11) 2.6.2 Generator Arus Searah Berpenguatan Sendiri Pada generator jenis ini, fluksi medan dihasilkan oleh rangkaian medan yang terdapat pada generator itu sendiri. Oleh karena itu, arus kemagnitannya dipengaruhi oleh nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator.


Berdasarkan hubungan kumparan penguat magnit dengan kumparan jangkar, generator penguatan sendiri dibedakan atas :

2.6.2.1. Generator Arus Searah Penguatan Shunt Generator arus searah penguatan shunt yaitu generator penguatan sendiri di mana kumparan penguat magnitnya dihubungkan parallel (shunt) dengan kumparan jangkar.

Gambar 2.18 Rangkaian generator DC shunt IA = IF + IL ……………………………………………………(6.12) VT = EA – IA RA …………………………………………...…(6.13) IF =

......................................................................................(6.14)

2.6.2.2. Generator Arus Searah Penguatan Seri Genertaor arus searah penguatan seri yaitu generator penguatan sendiri di mana kumparan penguat magnitnya dihubungkan seri dengan kumparan jangkar.


Gambar 2.19 Rangkaian generator DC seri IA = IS = IL …………………………………………………....(6.15) VT = EA – IA ( RA + RS) ……………………..……………….(6.17) 2.6.2.3. Generator Arus Searah Penguatan Kompon Generator arus searah kompon adalah generator arus searah yang kumparan penguat magnitnya terdiri dari kumparan penguat shunt dan kumparan penguat seri. Karena ada dua kemungkinan cara meletakkan kumparan penguat serinya, maka berdasarkan letak kumparan penguat seri, generator kompon dibedakan atas : 2.6.2.3.1. Generator DC kompon panjang kumulatif

Gambar 2.20 Rangkaian generator DC kompon panjang kumulatif


IA = IL + IF ………………………………………………..….(6.18) VT = EA – IA ( RA + RS )…………………………....…… ...(6.19) IF =

…………………………………………………….…(6.20)

2.6.2.3.2. Generator DC kompon pendek kumulatif

Gambar 2.21 Rangkaian generator DC kompon pendek kumulatif IA = IL + IF ……………………………………………………(6.21) VT = EA – ( IA RA + IL RS )…………………………………..(6.22) IF =

...……………………………………………………...(6.23)

2.6.2.3.3. Generator DC kompon panjang diferensial

Gambar 2.22 Rangkaian generator DC kompon panjang diferensial


IA = IL + IF ………………………………………………..….(6.24) VT = EA – IA ( RA + RS )…………………………....…… ...(6.25) IF =

…………………………………………………….…(6.26)

2.6.2.3.4. Generator DC kompon pendek diferensial

Gambar 2.23 Rangkaian generator DC kompon pendek diferensial IA = IL + IF ……………………………………………………(6.27) VT = EA – ( IA RA + IL RS )…………………………………..(6.28) IF =

2.7

...……………………………………………………...(6.29)

Karakterisktik Berbeban Generator DC Penguatan Kompon Karakteristik berbeban

sebuah

generator

DC

kompon menunjukkan

bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri.


Gambar 2.24 Karakteristik berbeban generator kompon secara teoritis Pada generator DC penguatan kompon peningkatan beban pada generator akan meningkatnya arus beban (IL) yang secara langsung akan berakibat meningkat pula arus jangkar (Ia). Peningkatan arus jangkar akan berakibat meningkatnya jatuh tegangan ( Ia. (Ra + Rse) ) dan arus medan (If) pada mesin ikut turun. Oleh karena itu tegangan terminal generator (Vt) juga akan berkurang.

2.8

Efisiensi Generator Arus Searah Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah,dapat diamati

diagram aliran daya pada generator dc berikut ini.

Gambar 2.25 Diagram aliran daya generator DC


Pada mesin dc (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang diperhitungkan, antara lain : 1. Efisiensi Mekanik

=

=

…….......................................(6.30)

2. Efisiensi Elektrik

=

=

...........................................................................(6.31)

3. Efisiensi Komersial Keseluruhan

= = =

............................................................................(6.32)

.......................................................................(6.33)

Dimana : Pout = VT . IL ……………………………………………………….(6.34)


BAB II DASAR TEORI. searah. Energi mekanik dipergunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar

Recommend Documents