BAB II GENERATOR ARUS SEARAH
II.1 Umum Generator arus searah adalah suatu mesin yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik berupa arus searah (DC). Dimana energi listrik yang digunakan berasal dari suatu penggerak mula (prime mover) yang memutar poros rotor dari generator tersebut. Dimana dalam memperoleh tegangan yang searah diperlukan alat penyearah yang disebut dengan komutator.
II.2 Konstruksi Generator Arus Searah Secara umum generator arus searah 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 berikut :
rangka
Gambar 2.1 Konstruksi generator Arus Searah
5
1. Badan Generator ( Rangka ) Rangka motor arus searah secara umum memiliki dua fungsi, yaitu : a. Merupakan sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan, seperti meletakkan alat – alat tertentu dan melindungi bagian – bagian mesin lainnya. b. Sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnetik yang dihasilkan oleh kutub-kutub mesin. Untuk mesin kecil, dimana pertimbangan harga lebih dominan daripada beratnya, biasanya rangka terbuat dari besi tuang, tetapi untuk mesin-mesin besar pada umumnya terbuat dari baja tuang atau baja lembaran. Pada badan generator juga terdapat name plate yang berisi informasi spesifikasi secara umum atau data – data teknik dari generator, serta kotak tempat terminal dari kumparan medan maupun jangkar.
Gambar 2.2 Rangka generator Arus Searah
6
Rangka ini pada bagian dalamnya dilaminasi untuk mengurangi rugi-rugi inti, selain itu rangka juga harus memiliki permeabilitas yang tinggi untuk memperkecil rugi – rugi histeresis, disamping kuat secara mekanis. 2. Magnet penguat dan kumparan penguat medan Sebagaimana diketahui bahwa fluks magnet yang terdapat pada generator arus searah dihasilkan oleh kutub magnet buatan yang dihasilkan dengan prinsip elektromagnetik. Magnet penguat terdiri dari inti kutub dan sepatu kutub (lihat Gambar 3). Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : a. Menyebarkan fluks pada celah udara dan juga karena merupakan bidang lebar, maka akan mengurangi reluktansi jalur magnet. 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 dikeling ke rangka mesin. Inti Kutub Yang Dilaminasi
Kumparan Penguat (Kumparan Medan) Sepatu Kutub Yang Dilaminasi
Gambar 2.3 Kutub Magnet Motor Arus Searah
7
Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga (berbentuk bulat atau strip/persegi), yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran tertentu (lihat Gambar 3). Lilitan penguat magnet berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik. 3. Sikat Sikat terbuat dari karbon, grafit , logam grafit, atau campuran karbon-grafit, 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 memiliki konduktivitas yang tinggi untuk mengurangi rugi-rugi listrik, dan koefisien gesekan yang rendah untuk mengurangi keausan. Agar gesekan antara komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih lunak daripada komutator. Sikat ini berfungsi untuk sebagai jembatan bagi aliran arus ke kumparan jangkar, selain itu memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi.
Gambar 2.4 Konstruksi Sikat
8
1. Komutator Komutator terbuat dari batangan tembaga yang dikeraskan, yang diisolasi dengan bahan sejenis mika. Adapun fungsi komutator ini adalah untuk mengumpulkan arus listrik induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversikannya menjadi arus searah melalui sikat yang disebut komutasi.
Commutator Lugs
Segmen Tembaga Yang Diisolasi
Ujung Kelem
Gambar 2.5 Konstruksi komutator
2. Inti Jangkar Inti jangkar motor arus searah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Inti jangkar dibuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar kumparan-kumparan (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnetnya besar, supaya GGL induksi yang terbentuk dapat bertambah besar.
9
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 dan pada umumnya alur tidak hanya diisi satu kumparan yang tersusun secara berlapis.
3. Kumparan Jangkar Pada generator arus searah, kumparan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya ggl induksi. Umumnya kumparan jangkar (rotor) berbentuk seperti permata, seperti pada gambar berikut :
Gambar 2.7 Bentuk Umum Kumparan Jangkar Adapun jumlah konduktor dalam kumparan jangkar tersebut : Z = 2CN……...………..….…………. ………......( 2.1 ) Di mana : C = jumlah kumparan pada rotor atau segmen komutator pada rotor N = jumlah lilitan setiap kumparan.
10
Normalnya bentangan kumparan adalah 1800 listrik, yang berarti ketika sisi kumparan 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 =
Di mana : θlistrik
p θmekanis …………………………………..……( 2.2 ) 2
= sudut dalam derajat listrik
P
= jumlah kutub
θmekanis
= sudut dalam derajat mekanis
Kumparan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Kumparan ini disebut sebagai kumparan kisar penuh (full-pitch coil). Sedangkan kumparan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800 listrik) disebut sebagai kumparan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan tali busur (chorded winding). Adapun hubungan antara kumparan rotor dengan segmen komutatornya terbagi atas 2 macam : 1. Kumparan Progresif (Progressive winding). Adalah kumparan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului kumparan sebelumnya. 2. Kumparan Retrogresif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator membelakangi kumparan sebelumnya. 11
Gambar 2.8 Kumparan Progresif dan Kumparan Retrogresif Sedangkan macam konstruksi kumparan rotor ada 3 macam : 1. Kumparan jerat (lap winding) 2. Kumparan gelombang (wave winding) 3. Kumparan kaki katak (frog-leg winding) 1. Kumparan Jerat Konstruksi kumparan jerat/gelung dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.9 Kumparan Jerat Dimana : YK = ± m (tanda + untuk hubungan kumparan progressif dan tanda – untuk kumparan retrogressif) m = kelipatan kumparannya simpleks m= 1, dupleks m = 2, tripleks m = 3, dan seterusnya.
12
YJ = YD – YB.............................................................( 2.3 ) Dimana : YK = kisar komutator (commutator pitch) YJ = kisar resultan/kisar jumlah (resultant pitch) Y = kisar kumparan (pitch of winding) YB = kisar belakang (back pitch) YD = kisar depan (front pitch) Pada kumparan jerat, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak : a = m.p……………………………….…………( 2.4 ) Dengan banyaknya jalur arus pada kumparan jerat ini, maka pilihan yang tepat adalah diaplikasikan pada tegangan rendah dan arus tinggi, karena arusnya dapat dibagikan oleh banyaknya jalur arus pararel tersebut. 2. Kumparan Gelombang Kumparan gelombang ini disebut juga sebagai kumparan seri, dan konstruksinya dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.10 Kumparan Gelombang
13
Di mana : YJ = YD + YB ………...…….…………….………( 2.5 ) YK =
2(C ± 1) ……………………………….……( 2.6 ) p
Pada kumparan gelombang, banyaknya jalur arus pararel adalah sebanyak : a = 2m .……………………………………...…..( 2.7 ) Pada kumparan jenis ini, karena jalur arusnya lebih sedikit daripada kumparan jerat, maka sikatnya pun lebih sedikit, namun untuk mengurangi besarnya arus yang mengalir pada sikat-sikat yang ada, biasanya ditmbahkan sikat-sikat ekstra. Kumparan gelombang ini sangat cocok untuk mesin arus searah bertegangan tinggi, karena jumlah kumparan yang terhubung seri antar segmen komutator memungkinkan tegangan tinggi lebih mudah dibangkitkan daripada jenis kumparan jerat. 3. Kumparan Kaki Katak Kumparan jenis ini pada dasarnya merupakan perpaduan jenis kumparan jerat dan kumparan gelombang. Kumparan gelombang pada jenis kumparan ini berfungsi sebagai penyama (equalizers) kumparan jeratnya.
Gambar 2.11 Kumparan Kaki Katak atau Kumparan Penyama Mandiri
14
Adapun banyaknya jalur arus dinyatakan sebagai : a = 2p.mlap ...……………………...…...…………( 2.8 ) Di mana : p
= jumlah kutub
mlap = kelipatan kumparan jeratnya. II. 3 Prinsip Kerja Generator Arus Searah Suatu generator arus searah bekerja berdasarkan prinsip induksi magnetis sesuai dengan Hukum Faraday, yaitu : “Bila sebatang konduktor digerakkan dalam suatu medan magnet maka pada ujung – ujung konduktor akan timbul tegangan listrik yang besarnya dinyatakan oleh : e = B.L.V …………………………….………. ( 2.9 )
Dimana : E = tegangan induksi (Wb/s) B = kerapatan medan magnet (Wb/m2) L = panjang konduktor (meter) V = Kecepatan konduktor (m/s) Gambar berikut ini memperlihatkan pinsip dari suatu generator arus searah : 9
O
A 2
8 B D
7
3
U
S 6
C 4
+
-
5
R
Gambar 2.12 Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet
15
Anggap bahwa arah gerak dari konduktor, membentuk sudut α dengan arah medan magnet, sehingga persamaan 2.2 menjadi : e = B.L.V sin α
e = em sin α ……………………….…………….( 2.10 ) Konduktor tersebut diputar dengan suatu penggerak mula (prime mover) di dalam suatu medan magnet pada porosnya dengan arah yang searah dengan jarum jam (gambar 1). Bila posisi awal dari rotor sebagai berikut : A
U
S C
(a)
A
U
S
C
(b) C
U
S A
(c)
16
A
U
C
S
(d) Gambar 2.13 Ilustrasi Proses prinsip kerja generator arus searah Bila konduktor diputar searah jarum jam maka pada gambar a kecepatan konduktor sama arahnya dengan arah medan magnet sehingga membentuk sudut α = 0o. Dalam keadaan ini maka menurut persamaan di atas tegangan yang dihasilkan pada ujung – ujung konduktor seperti persamaan e = em sin 0 = 0 Setelah konduktor bergerak 90o maka arah kecepatan konduktor akan membentuk sudut 90o dengan arah medan magnet seperti gambar b. Untuk keadaan ini didapatkan e = em sin 90o = em. Kemudian dari gambar c kecepatan konduktor menjadi berlawanan dengan arah medan magnet sehingga membentuk sudut 180o dan ggl yang ditimbulkan menjadi e = em sin 180 = 0. selanjutnya pada saat konduktor berada pada posisi d, dimana arah kecepatan konduktornya membentuk sudut 270o dengan arah medan magnet dan didapatkan persamaan e = em sin 270 = - em. Akhirnya konduktor akan kembali ke posisi semula dimana konduktor telah berputar selama satu periode. Dengan demikian bentuk gelombang yang dihasilkan pada ujung konduktor merupakan gelombang sinusoidal. Tegangan sinusoidal yang dihasilkan oleh ujung – ujung konduktor ini disearahkan oleh komutator sehingga tegangan terminal generator diperoleh tegangan arus searah. Tegangan sinusoidal yang dihasilkan dapat terlihat pada gambar berikut ini :
17
+
6 1
2
3
4
7
8
9
5
1 CYCLE
-
Gambar 2.14 Bentuk gelombang tegangan sinusoidal yang dihasilkan
II.4 Gaya Gerak Listrik ( GGL ) Telah dijelaskan sebelumnya bahwa terbentuknya GGL pada generator arus searah berdasarkan hukum Faraday. Dimana dikatakan bahwa suatu kumparan yang digerakkan dalam medan magnet, di dalam kumparan tersebut akan terbentuk GGL. Pada generator, untuk menentukan arah – arah GGL induksi, medan dan gerak dapat diingat dengan kaidah tangan kanan. Dimana ibu jari menunjukkan arah gerakan, jari telunjuk menunjukkan arah fluksi dan jari tengah menunjukkan arah GGL. Dari gambar 2.12, menurut hukum Faraday GGL induksi yang terbentuk pada sisi AB dan CD besarnya sesuai dengan perubahan fluksi yang dipotong kumparan ABCD tiap detiknya yaitu sesuai dengan persamaan : e(t ) = −
dφ …………………………………….. ( 2.11 ) dt
Dimana : e(t) = GGL induksi sesaat yang terbentuk dφ = perubahan fluksi ( Weber ) dt
= Perubahan Waktu (detik)
18
Bila kumparan berputar dengan kecepatan sudut yang tetap dalam medan magnet serba sama, maka besarnya fluks magnet yang dipotong setiap saat adalah :
φ (t ) = φ max cos ωt ………………………………………….(2.12) Bila disubstitusikan persamaan dengan maka didapatkanlah besarnya GGL induksi sesaat menjadi : e(t ) = −
d (φ max Cosωt ) dt
e(t ) = ωφ max Sinωt e(t ) = E max Sinωt ……………………………………………..(2.13) Dimana : Emax
= GGL induksi maksimum yang terbentuk ( Volt )
φ(t)
= Fluks magnet yang dipotong pada saat tertentu ( Weber )
φmax
= Fluks magnet maksimum yang terpotong ( Weber )
ω
= Kecepatan sudut Berputarnya kumparan ( rad/detik )
t
= Waktu tertentu ( detik )
Menurut persamaan 2.13, maka besarnya GGL induksi maksimum dalam satu belitan adalah : E m = ω.φ m ( Volt ) Harga rata – ratanya adalah : er =
2
π
Em
19
er =
2
π
ω.φ m …………………………………………………….(2.14)
Pada satu putaran jangkar berkutub 2, GGL melalui satu periode jika jangkar itu mengadakan n putaran / menit atau n putaran/60 detik, maka bagi satu periode : T=
60 detik, sedangkan untuk jangkar berkutub P, maka : n
T=
60 detik ……………………………………………….(2.15) P n 2
Dalam satu periode dilalui sudut yang besarnya 2π radial, sehingga :
ω=
2π …………………………………………………….. (2.16) T
Dari persamaan 2.15 dan 2.16 diperoleh : E=
2 2π φm π T
E=
4 φm T
p n 2 φm E=4 60 Jangkar memuat N belitan yang terdiri dari a cabang pararel (cabang jangkar), sehingga tiap cabang jangkar akan mempunyai N/a buah sehingga : p n N 2 .φ m E = 4. . a 60 Seperti telah diketahui bahwa setiap belitan mempunyai 2 batang penghantar. Jika jumlah batang penghantar = Z, maka N =
Z 2
20
Diperoleh persamaan : p n Z 2 .φ m E = 4. . 2a 60 =
P Z . .n.φ m ………………………………………………….(2.17) a 60
Oleh karena
P Z . . , merupakan harga yang konstan, maka besarnya tegangan a 60
yang diinduksikan adalah : E = c n φm ( Volt ) …………………………………………….(2.18) Dimana : P Z . . a 60
c
= Konstanta =
n
= Putaran ( rpm )
φm
= Fluksi maksimum per kutub
p
= Jumlah Kutub
Z
= Jumlah Konduktor
II. 5 Prinsip Penyearahan Pada dasarnya tegangan dan arus yang dihasilkan oleh generator adalah bolak–balik, maka untuk menjadi generator arus searah perlu dilakukan penyearahan melalui proses komutasi, penyearahan ini dilakukan dengan komutator yang bentuknya sama dengan cincin seret tapi dibelah dua dan disatukan kembali dengan isolator. Komutasi adalah saat dimana terjadi pergantian arah arus pada harga negatif ke positif pada suatu kumparan yang menghasilkannya. Peristiwa ini akan terjadi bila kumparan melewati garis netral pada waktu kumparan – kumparan tersebut bergerak
21
dari daerah antara permukaan kutub utara ke selatan atau sebaliknya. Hal ini dapat dijelaskan menurut gambar berikut ini : Ic
Ic
Ic
Ic = I L
2Ic 3
2
I2
1
3
I
2Ic - I
2
1
2Ic - IL
2Ic - I 2Ic
2Ic
(a) Ic
(b)
Ic
Ic
Ic 3
Ic
Ic
Ic
Ic 2
Ic
1
3
2
1 I1
2I1 - Ic 2Ic
2Ic
(c)
(d) Ic
Ic
Ic
Ic
2Ic 3
2
1
2Ic
(e) Gambar 2.15 Ilustrasi proses Komutasi Gambar (a) sikat tepat pada cincin komutator 1, kumparan 1 melalukan arus Ic dari kiri ke kanan. Sikat melalukan arus 2Ic. arah rotasi jangkar ditentukan dari kiri ke kanan.Gambar (b) begitu sikat menyentuh segmen 2, kumparan 1 menjadi short circuit dan arus yang dilalukannya mulai berkurang dari arus segmen ke sikat. Misal :
22
I2, maka arus kumparan 1 adalah Ic – I2 dari kiri ke kanan. Segmen 1 melalukan arus (2Ic – I2) ke sikat sehingga arus keluar kembali dari 2 Ic Gambar (c) jika daerah kontak pada sikat karbon membagi arus sehingga I2 naik, dan 2Ic – I2 turun secara linear, maka bila sikat membagi daerah kontak sama besar pada segmen 1 dan 2 sehingga setiap segmen melalukan arus Ic ke sikat dan kumparan 1 tidak melakukan arus. Gambar (d) kemudian daerah kontak antara segmen 1 dan sikat semakin kecil, sehingga arus yang dilalukan segmen 1 dai Ic berkurang menjadi I1 (dimisalkan). Sekarang kumparan 1 melalukan arus Ic – I1 dari kanan ke kiri Gambar (e) jika sikat melepaskan kontaknya pada segmen 1 dan tepat berada pada segmen 2 kumparan 1 tidak terhubung singkat lagi dan kembali melalukan arus dari kanan ke kiri. Dari keterangan – keterangan di atas dapat diambil kesimpulan bahwa walaupun letak posisi sikat mengalami perubahan pada waktu tertentu akan tetapi besarnya arus yang melalui sikat tidak akan mengalami perubahan, sehinnga dihasilkanlah bentuk gelombang seperti berikut ini : E Emax
wt
Gambar 2.16 Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan
23
II . 6 Jenis – Jenis Generator Arus Searah Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya generator Arus Searah dapat dibedakan atas : a. Generator Arus Searah penguat terpisah, yaitu bila arus penguat magnet diperoleh dari sumber Arus Searah di luar motor a. Generator Arus Searah dengan penguat sendiri, yaitu bila arus penguat magnet berasal dari generator itu sendiri. Berdasarkan hubungan lilitan penguat magnet terhadap lilitan jangkar, generator Arus Searah dengan penguat sendiri dapat dibedakan atas : 1. Generator Arus Searah penguatan shunt 2. Generator Arus Searah penguatan seri 3. Generator Arus Searah penguatan kompon, terbagi atas kompon panjang dan kompon pendek Rangkaian ekivalen dari setiap jenis generator Arus Searah tersebut seperti ditunjukkan pada gambar 2.19.
If
IL If
+ + -
Rf
G
IL +
R
-
(a). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguat Terpisah
Rf
G
R
-
(b). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Shunt
24
IL
Rs
+
G
R
-
(c). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Seri If
IL
If
Rs
+
Rf
G
IL Rs
R
-
Rf
+
R
G -
(d). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Kompon Pendek
(e). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Kompon Panjang
Gambar 2.17 Gambar rangkaian ekivalen jenis – jenis generator arus searah
II. 7 Rugi – Rugi ( Losses ) Dalam Generator Arus Searah Pada pengoperasiannya, rugi-rugi sangat tidak diharapkan karena dapat meningkatkan temperature serta dapat mengurangi efisiensi generator apabila nilai dan rugi – rugi ini terlalu besar. Rugi – rugi yang terjadi pada generator arus searah dapat dikategorikan secara umum menjadi 5 kategori antara lain : 1. Rugi-Rugi Tembaga (Rugi I2R) 2. Rugi-Rugi Sikat 3. Rugi-Rugi Inti 4. Rugi-Rugi Mekanis 5. Rugi-Rugi Beban Stray
25
1) Rugi-Rugi Tembaga Rugi-rugi tembaga adalah rugi-rugi daya yang terjadi di dalam kumparan medan dan kumparan jangkar generator pada saat dibebani. Karena kawat tembaga kedua kumparan tersebut memiliki nilai resistansi Rf dan Ra, maka jika mengalir arus DC sebesar If dan Ia akan menyebabkan kerugian berupa panas, yang dapat dihitung dengan persamaan : Pa= Ia2Ra……………………...………...….……(2.19) Pf = If2Rf………………..…..……………...……(2.20) Di mana : Pa = rugi tembaga kumparan jangkar Pf = rugi tembaga kumparan medan Ia = arus jangkar
Ra = resistansi jangkar
If = arus medan
Rf = resistansi medan
2) Rugi – Rugi Sikat Jika kumparan jangkar generator arus searah dibebani maka akan mengalirlah arus pada kumparan jangkar tersebut maka sikat-sikatnya juga akan dialiri arus yang sama. Karena sikat memiliki nilai resistansi dan juga tahanan kontak antara permukaan sikat dengan komutator maka terdapat rugi jatuh tegangan pada sikat yang dinyatakan dengan Vbd. Jatuh tegangan sikat ini menyebabkan timbulmya rugi-rugi daya sebesar : Pbd = Vbd.Ia……………...………………………….(2.21) Dimana :
Pbd = rugi daya akibat jatuh tegangan sikat Vbd = jatuh tegangan sikat Ia = arus jangkar
26
3) Rugi – rugi Inti Rugi-rugi inti terjadi di dalam jangkar generator arus searah yang disebabkan oleh perputaran jangkar di dalam medan magnet kutub-kutub dari kumparan medan. Rugi – rugi ini terbagi menjadi dua bagian antara lain : a. Rugi Hysteresis Rugi hysteresis terjadi di dalam jangkar generator arus searah karena setiap bagian jangkar dipengaruhi oleh pembalikan medan magnetik sebagaimana bagian tersebut lewat di bawah kutub-kutub yang berurut.
Gambar 2.18 Perputaran jangkar di dalam medan magnet stator
Dari gambar 2.18 dengan menganggap ab sebagai potongan kecil dari jangkar. Ketika potongan ab berada di bawah kutub N, garis-garis magnetik lewat dari a ke b. Setengah perputaran selanjutnya, dari potongan besi yang sama berada di bawah kutub S dan garis-garis magnetik lewat dari b ke a sehingga sifat magnet di dalam besi dibalik. Untuk dapat membalik molekul-molekul magnet secara terus menerus di dalam inti jangkar, sejumlah daya diserap sehingga menyebabkan pemanasan pada inti jangkar. Daya yang diserap dan berubah menjadi
27
panas tersebut dianggap sebagai rugi-rugi di dalam inti jangkar serta menyebabkan terjadinya fluksi sisa pada kumparan jangkar dan hal ini disebut sebagai rugi hysteresis. Untuk menentukan besarnya rugi hysteresis di dalam inti jangkar digunakan persamaan Steinmentz yaitu : ,6 Ph = ηB 1max fV
Watt………………………….……….(2.22)
Dimana : Ph = rugi hysteresis B max = rapat fluks maksimum di dalam jangkar f
= frekuensi pembalikan magnetik =
nP dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub 120
V
= volume jangkar (m3)
η
= koefisien hysteresis Steinmentz
b. Rugi Arus Pusar (Eddy current) Rugi arus rugi merupakan rugi yang disebabkan oleh arus yang mengalir pada inti yang menyebabkan terjadinya
panas yang dapat
menaikkan temperatur generator dan menurunkan efisiensinya. Jika suatu inti besi padat digunakan sebagai inti jangkar, resistansi terhadap arus pusar ini akan menjadi kecil karena lebarnya luas penampang inti. Akibatnya, nilai arus pusar dan juga rugi arus pusarnya akan menjadi besar. Besarnya nilai arus pusar dapat dikurangi dengan membuat
28
resistansi inti sebesar mungkin dengan merancang suatu inti yang tipis, berupa lembaran-lembaran besi bulat yang disebut laminasi-laminasi Besarnya rugi arus pusar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Pe = KeB 2max f2t2V
Watt………..……………..…..….(2.23)
Dimana : Pe = Rugi arus pusar
t = ketebalan laminasi (m)
Ke = konstanta arus pusar
V = volume inti (m3)
Bmax = rapat fluks maksimum (Wb/m2) F
= frekuensi pembalikan magnetik (Hz)
4) Rugi – rugi Mekanis Rugi-rugi mekanis di dalam generator arus searah merupakan rugi-rugi yang berhubungan dengan efek-efek mekanis. Ada dua bentuk dasar rugi-rugi mekanis di dalam generator arus searah yaitu gesekan dan angin. Rugi-rugi gesekan adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara permukaan bagian-bagian yang berputar dengan bagian-bagian yang diam dari motor, diantaranya gesekan bearing atau bantalan peluru dengan rumah bearing atau dengan as rotor. Sedangkan rugi-rugi angin adalah rugi-rugi yang disebabkan oleh pergesekan antara bagian-bagian generator yang berputar dengan udara di dalam rumah (casing) generator. Rugi-rugi angin ini bervariasi tergantung pada kecepatan rotor generator tersebut.
29
5) Rugi – rugi Beban Stray (Stray Load ) Rugi-rugi beban stray merupakan rugi-rugi yang disebabkan oleh arus pusar di dalam tembaga dan rugi-rugi inti tambahan di dalam besi, yang timbul karena pendistorsian fluks magnetik oleh arus beban (tidak termasuk yang disebabkan oleh jatuh tegangan IR) dan rugi-rugi hubung singkat komutasi. Besarnya rugi – rugi ini dinyatakan sebesar + 1 % dari beban penuhnya.
II. 8 Tegangan Residu Pada jenis generator arus searah penguatan terpisah dan sendiri memiliki perbedaan dari segi pemberian suplai arus medan untuk menghasilkan fluksi awal. Penguatan terpisah mendapatkan mendapatkan suplai arus medan yang berasal bukan dari generator itu sendiri yang berarti dari suatu sumber arus searah. Sedangkan pada penguatan sendiri berasal dari generator itu sendiri yang berasal dari tegangan residu yang dihasilkan dari fluksi sisa yang ada akibat adanya rugi Hysteresis. Apabila suatu generator ingin digunakan sebagai penguatan sendiri hendaknya memiliki tegangan residu, namun apabila tidak ada hendaknya generator tersebut digunakan terlebih dahulu misalnya sebagai motor arus searah. Hal ini terjadi apabila generator tersebut baru dipesan dari pabrik pembuatannya dan belum pernah digunakan. Fluksi sisa tersebut dihasilkan oleh adanya rugi histeesis yang terjadi pada inti, dan hal ini dapat terlihat pada kurva magnetisasi berikut ini yang diambil dari persamaan :
30
B = µ .H …………………………………………….( 2.24 )
Dimana : B = kerapatan medan magnet (weber / m2 ) µ = permebilitas bahan (Konstanta) H = Kuat Medan (Ampere turn) B
Fluksi sisa
0
H
Gambar 2.19 Kurva magnetisasi Pada dasarnya kurva di atas seharusnya berbentuk linear dikarenakan µ merupakan suatu konstanta yang nilainya tetap. Ini berarti secara teori pada saat H dinaikkan maka B akan ikut naik, dan pada saat H diturunkan seharusnya B juga ikut turun nilainya seperti pada saat sebelumnya.Akan tetapi pada kenyataannya pada saat H diturunkan hingga mencapai 0, nilai B tidak ikut nol melainkan sebesar B1, yang menunjukkan bahwa besarnya B1 tersebut mewakili masih adanya fluksi yang tertinggal pada inti yang disebut dengan fluksi sisa. Hal ini menyebabkan adanya tegangan yang dihasilkan meskipun nantinya suplai media (If) belum diberikan yang disebut tegangan residu. Namun tegangan residu diperlukan untuk generator arus searah penguatan sendiri sebagai suplai yang berasal dari generator itu sendiri.
31
