ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BERBEBAN
GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN BEBAS
DENGAN GENERATOR ARUS SEARAH
PENGUATAN SHUNT
( Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU )
OLEH :
NAMA
: RANDY NIKO ARDIAN.S
NIM
: 060402029
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT atas rahmat dan karunia
yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Adapun Tugas
Akhir ini dibuat untuk memenuhi syarat kesarjanaan di Departemen Teknik Elektro,
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda
( R.Sitompul ), dan ibunda ( Poniatik ), serta adik-adikku ( Rinaldi Dwi Hawari,
Ratna Tri Yuliani, dan Rismaya Janiar Awalta ) tercinta yang merupakan bagian
hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendo’akan dari sejak penulis lahir
hingga sekarang.
Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan
untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun
judul Tugas Akhir ini adalah :
ANALISIS PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BERBEBAN GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN BEBAS DENGAN
GENERATOR SEARAH PENGUATAN SHUNT (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik)
Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis
banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan
setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya
1. Bapak Ir. Eddy Warman, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala
bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Pernantin Tarigan, Msc selaku dosen Wali penulis atas bimbingan
dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.
3. Bapak Prof. DR. Ir. Usman Baafai selaku Pelaksana Harian Ketua
Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmad Fauzy, ST, MT
selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.
4. Bapak Ir. Satria Ginting, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik
Fakultas Teknik USU.
5. Keluarga besar Laboratorium Sistem Tenaga FT USU : Bapak Ir. Zulkarnaen
Pane, Andi, B’Budi, dan pak bantu karo – karo.
6. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh
Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.
7. Teman-teman angkatan ’06, martua (makasih udah bantuin ngambil data),
Iqbal, Taufiq, Faisal, Bembeng, Helmi, Rahmuddin, Supenson, Rozi, Salman,
Deny, Alfi, Fauzi, Azhari, Bale, Angga, teguh, Sukesih, Sanita, Liza, Ina,
Muti, Pingkan dan seluruh teman-teman Elektro ’06 lainnya.
8. Semua abang senior dan adik junior yang telah mau berbagi pengalaman dan
motivasi kepada penulis.
9. Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik Very ‘07, Ardi ’07 dan Bang
Roy yang telah banyak membantu penulis dalam proses pengambilan data.
Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak
kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan
mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga Tugas
Akhir ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua
pihak yang membutuhkannya. Dan hanya kepada Allah SWT-lah penulis
menyerahkan diri.
Medan, 08 Maret 2010
ABSTRAK
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator DC
dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri.
Karakteristik yang ada pada generator DC antara lain karakteristik beban nol, karakterik
berbeban, dan karakteristik luar. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan
bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bila
generator dibebani maka akan mengalir arus beban sebesar IL. Karakteristik berbeban pada generator
DC penguatan bebas berbeda dengan karakteristik berbeban pada generator DC shunt. Pada generator
DC penguatan shunt penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani,
dan arus medan If pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea
turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Sedangkan pada generator DC
penguatan bebas Tegangan terminal Vt akan berkurang akibat efek demagnetisasi dari reaksi jangkar.
Pengurangan ini dapat di atasi dengan peningkatan arus medan yang sesuai. Penurunan tegangan ini
dapat dengan suatu segitiga yang disebut segitiga portier, yang sisinya sebanding Ia. karena Ia konstan
maka segitiga ini konstan dalam batas-batas belum jenuh. Menurunnya tegangan terminal Vt ini akan
menyebabkan arus medan If turun, dan Ea juga akan mengalami penurunan.
Dalam tugas akhir ini penulis akan melakukan analisis perbandingan karakteristik berbeban
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR……… i
ABSTRAK……….. iv
DAFTAR ISI ……….. v
DAFTAR GAMBAR……….. ix
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar belakang………. 1
I.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan……… 2
I.3 Batasan Masalah……….. 3
I.4 Metode Penulisan……… 3
I.5 Sistematika Penulisan……….. 4
BAB II GENERATOR ARUS SEARAH II.1 Umum……… 6
II.2 Konstruksi Generator Arus Searah……… 6
II.3 Prinsip Kerja Generator Arus Searah……… 14
II.4 Prinsip Penyearah……….. 17
II.5 Reaksi Jangkar……….. 19
II.6 Pembangkitan Tegangan Induksi pada Generator Arus Searah……... 22
II.7 Pengaturan Tegangan Generator Arus Searah………. 24
II.8.1 Generator Arus Searah Berpenguatan Bebas………. 25
II.8.2 Generator Arus Searah Berpenguatan Sendiri……… 26
II.9 Effisiensi Generator Arus Searah ………. 29
BAB III GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT III.1 Generator DC Penguatan Bebas……….. 30
III.2 Karakteristik Generator DC Penguatan Bebas……… 31
III.2.1 Karakteristik Beban Nol………... 31
III.2.2 Karakteristik Luar………. 32
III.2.3 Karakteristik Berbeban………. 34
III.3 Generator DC Penguatan Shunt……….. 37
III.4 Karakteristik Generator DC Penguatan Shunt……… 38
III.4.1 Karakteristik Beban Nol………... 39
III.4.2 Karakteristik Luar………. 41
III.4.3 Karakteristik Berbeban………. 42
III.5 Karakteristik Generator DC Shunt Dari Kurva Magnetisasi... 43
III.5.1 Karakteristik Kurva Magnetisasi dengan Reaksi Jangkar Diabaikan... 43
BAB IV PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BERBEBAN GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT
IV.1 Pengujian Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas
Dan Generator DC Penguatan Shunt……….. 48
IV.1.1 Umum……… 48
IV.1.2 Peralatan Yang Digunakan………... 49
IV.1.3 Percobaan Karakteristik Berbeban Untuk Generator DC Penguatan Shunt……… 49
IV.1.3.1 Umum……….. 49
IV.1.3.2 Rangkaian Percobaan………... 50
IV.1.3.3 Prosedur Percobaan……….. 50
IV.1.3.4 Data Hasil Percobaan………... 51
IV.1.4 Percobaan Karakteristik Berbeban Untuk Generator DC Penguatan Bebas……… 52
IV.1.4.1 Umum……….. 52
IV.1.4.2 Rangkaian Percobaan……….. 52
IV.1.4.3 Prosedur Percobaan………. 53
IV.1.4.4 Data Hasil Percobaan……….. 54
BAB V PENUTUP
V.1 Kesimpulan ………... 63
V.2 Saran ………... 63
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Konstruksi generator Arus Searah……….. 7
Gambar 2.2. Rangka generator Arus Searah……….. 8
Gambar 2.3. Konstruksi kutub dan penempatannya... 9
Gambar 2.4. Konstruksi Sikat………. 10
Gambar 2.5. Konstruksi komutator……… 10
Gambar 2.6. Konstruksi Jangkar Generator Arus Searah... 11
Gambar 2.7. Bentuk Umum Belitan Jangkar... 12
Gambar 2.8. Kumparan Progresif dan Kumparan Retrogresif... 13
Gambar 2.9. Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet... 14
Gambar 2.10. Bentuk gelombang tegangan yang dihasilkan ... 15
Gambar 2.11. Suatu penghantar yang ditembus oleh fluksi... 17
Gambar 2.12. Ilustrasi proses penyearahan... 18
Gambar 2.13. Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan... 19
Gambar 2.14. Proses terjadinya reaksi jangkar... 20
Gambar 2.15. Proses pergeseran bidang netral... 21
Gambar 2.16. Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar... 22
Gambar 2.17. Proses pembangkitan tegangan pada generator arus searah... 23
Gambar 2.18. Rangkaian Generator DC Penguatan Bebas ... 25
Gambar 2.20. Rangkaian Generator DC Seri ... 27
Gambar 2.21. Rangkaian Generator DC Kompon Panjang... 28
Gambar 2.22. Rangkaian Generator DC Kompon Pendek ... 28
Gambar 2.23. Diagram Aliran Daya Generator DC... 29
Gambar 3.1. Rangkaian Ekivalen Generator DC Penguatan Bebas... 30
Gambar 3.2. Kurva Beban nol Generator DC Penguatan Bebas... 32
Gambar 3.3. Kurva Karakteristik Terminal Generator DC Penguatan Bebas... 33
Gambar 3.4. Kurva Berbeban Generator DC Penguatan Bebas... 35
Gambar 3.5. Rangkaian Ekivalen Generator DC Shunt... 37
Gambar 3.6. Kurva Beban Nol secara teoritis... 40
Gambar 3.7. Kurva Beban Nol sebenarnya... 40
Gambar 3.8. Kurva Karakteristik luar Generator DC Shunt... 42
Gambar 3.9. Penentuan Karakteristik dari Kurva Magnetisasi ( Reaksi Jangkar Diabaikan)... 44
Gambar 3.10. Penentuan Karakteristik dari Kurva Magnetisasi (Dengan Reaksi Jangkar)... 46
Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Karakteristik Berbeban Generator DC shunt... 50
Gambar 4.3. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Shunt Secara
teori... 57
Gambar 4.4. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Shunt yang di dapat
dalam pengujian... 57
Gambar 4.5. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas
secara teori... 60
Gambar 4.6. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas
pada pengujian... 60
Gambar 4.7. Kurva Perbandingan Karakteristik Berbeban Generator DC
ABSTRAK
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator DC
dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri.
Karakteristik yang ada pada generator DC antara lain karakteristik beban nol, karakterik
berbeban, dan karakteristik luar. Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan
bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bila
generator dibebani maka akan mengalir arus beban sebesar IL. Karakteristik berbeban pada generator
DC penguatan bebas berbeda dengan karakteristik berbeban pada generator DC shunt. Pada generator
DC penguatan shunt penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani,
dan arus medan If pada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea
turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Sedangkan pada generator DC
penguatan bebas Tegangan terminal Vt akan berkurang akibat efek demagnetisasi dari reaksi jangkar.
Pengurangan ini dapat di atasi dengan peningkatan arus medan yang sesuai. Penurunan tegangan ini
dapat dengan suatu segitiga yang disebut segitiga portier, yang sisinya sebanding Ia. karena Ia konstan
maka segitiga ini konstan dalam batas-batas belum jenuh. Menurunnya tegangan terminal Vt ini akan
menyebabkan arus medan If turun, dan Ea juga akan mengalami penurunan.
Dalam tugas akhir ini penulis akan melakukan analisis perbandingan karakteristik berbeban
BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang Masalah
Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah
energi mekanik menjadi energi listrik. Secara umum generator DC adalah tidak
berbeda dengan motor DC kecuali pada arah aliran daya. Berdasarkan cara
memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat
dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator
berpenguatan sendiri.
Generator DC berpenguatan bebas merupakan generator yang mana
arus medannya di suplai dari sumber DC eksternal. Tegangan searah yang
dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan
menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan
induksi akan dibangkitkan pada generator.
Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan
bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika
generator dibebani. Bila generator dibebani maka akan mengalir arus beban
sebesar IL. Pada generator DC penguatan shunt penurunan tegangan terminal
akan semakin besar bila terus-menerus dibebani, dan arus medan If pada mesin
ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea turun
yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Sedangkan pada
efek demagnetisasi dari reaksi jangkar. Pengurangan ini dapat di atasi dengan
peningkatan arus medan yang sesuai. Tegangan terminal Vt akan lebih kecil
daripada ggl E yang dibangkitkan, sebesar Ia.Ra, dimana Ra adalah resistansi
rangkaian jangkar. Penurunan tegangan ini dapat dengan suatu segitiga yang
disebut segitiga portier, yang sisinya sebanding Ia. karena Ia konstan maka
segitiga ini konstan dalam batas-batas belum jenuh. Menurunnya tegangan
terminal Vt ini akan menyebabkan arus medan If turun, dan Ea juga akan
mengalami penurunan.
Dengan demikian, perlu dilakukan pengujian generator DC penguatan
bebas dengan generator DC shunt berupa analisa data-data yang diambil dari
laboratorium. Pengujian ini dilakukan untuk membandingkan karakteristik
berbeban dari kedua jenis generator DC tersebut.
I.2. Tujuan Dan Manfaat Penulisan
Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui
perbandingan karakeristik berbeban dari generator DC penguatan bebas dengan
generator DC shunt.
Manfaat penulisan tugas akhir ini bagi penulis adalah mendapatkan
pengertian dan penjelasan tentang karakteristik generator DC penguatan bebas
dan generator DC shunt untuk keadaan beban yang berubah-ubah. Sedangkan
bagi para pembaca, diharapkan semoga tugas akhir ini dapat menjadi
sumbangan dalam memperkaya pengetahuan dan memberikan kesempatan
I.3. Batasan Masalah
Untuk membatasi materi yang akan dibicarakan pada tugas akhir ini,
maka penulis perlu membuat batasan cakupan masalah yang akan dibahas. Hal
ini diperbuat supaya isi dan pembahasan dari tugas akhir ini menjadi lebih
terarah dan dapat mencapai hasil yang diharapkan. Adapun batasan masalah
pada penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Jenis generator yang digunakan dalam percobaan ini adalah generator
DC penguatan bebas dan generator DC shunt.
2. Tidak membahas motor arus searah ( DC ).
3. Beban yang digunakan hanya berupa beban resistif.
4. Tidak membahas karakteristik beban nol dan karakteristik luar dari
generator DC.
5. Spesifikasi generator DC yang digunakan untuk percobaan adalah
generator DC pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU.
I.4. Metode Penulisan
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan
beberapa metode studi diantaranya :
1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan
dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang
dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel,
2. Studi laboratorium yaitu dengan melaksanakan percobaan di
Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro
USU.
3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas
akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak
departemen Teknik Elektro USU, asisten Laboratorium Konversi
Energi Listrik dan teman-teman sesama mahasiswa.
I.5. Sistematika Penulisan
Untuk memudahkan pemahaman terhadap Tugas Akhir ini maka
penulis menyusun sitematika penulisan sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar
belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat
penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II : GENERATOR ARUS SEARAH
Bab ini menjelaskan tentang generator arus searah secara umum,
konstruksi, prinsip kerja, tegangan induksi generator arus searah,
pengaturan tegangan, reaksi jangkar, sistem penyearah, dan
BAB III : GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR
DC PENGUATAN SHUNT
Bab ini menjelaskan tentang karakteristik generator DC penguatan
bebas dan generator DC shunt
BAB IV : PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BERBEBAN
GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR
DC SHUNT
Bab ini menjelaskan tentang penerapan pengujian karakteristik
berbeban generator DC penguatan bebas dan generator DC shunt
yaitu dengan melaksanakan percobaan pada di Laboratorium
Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro FT USU.
BAB V : PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil - hasil
BAB II
GENERATOR ARUS SEARAH II.1. Umum
Generator arus searah mempunyai komponen dasar yang umumnya hampir
sama dengan komponen mesin – mesin listrik lainnya. Secara garis besar generator
arus searah adalah alat konversi energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik
arus searah. Energi mekanik di pergunakan untuk memutar kumparan kawat
penghantar di dalam 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 dengan komutator dan sikat.
II.2. Konstruksi Generator Arus Searah
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
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 di hasilkan kutub-kutub magnit, karena itu badan
generator dibuat dari bahan ferromagnetik. 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 di atas, 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 palate
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
Gambar 2.2 Rangka generator Arus Searah
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 2.3).
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
Kumparan penguat atau kumparan kutub terbuat dari kawat tembaga
(berbentuk bulat atau strip / persegi) yang dililitkan sedemikian rupa dengan ukuran
tertentu (lihat gambar 2.3.b).
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 lebih lunak daripada komutator.
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. Adapun bagian-bagian dari sikat ini
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 (lihat gambar 2.5).
Gambar 2.5 Konstruksi komutator
Commutator Lugs
Segmen Tembaga Yang Diisolasi
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 di lihat seperti pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Konstruksi Jangkar Generator Arus Searah
Seperti halnya inti kutub magnet, maka jangkar dibuat dari bahan
berlapis-lapis 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
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 berikut :
Gambar 2.7 Bentuk Umum Belitan Jangkar
Adapun jumlah konduktor dalam belitan jangkar tersebut :
Z = 2CN……...………..….…………. ………...( 2.1 )
Di mana : C = jumlah belitan pada rotor atau segmen komutator pada rotor
N = jumlah lilitan setiap belitan .
Normalnya bentangan belitan adalah 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 :
mekanis listrik θ
2 p
θ = ………..……( 2.2 )
Di mana : θlistrik = sudut dalam derajat listrik
P = jumlah kutub
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 rotor 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 Retrogresif (Retrogressive winding). Adalah kumparan yang sisi
belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator membelakangi
belitan sebelumnya.
Bentuk umum dari kumparan progresif dan kumparan retrogresif dapat di lihat
pada gambar dibawah ini :
II. 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 berikut.
U S
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
1 2 3 4 5
6 7 8 9
e
t
Gambar 2.10. Bentuk gelombang tegangan 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 3 : fluksi yang menembus belitan minimum tapi perubahan fluksi adalah
maksimum akibatnya EMF yang 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 balik maka arus induksinya juga 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 :
dt d N
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 ... (2.4)
dΦ = - ωΦm sin ωt dt
Maka Persamaan (2.3) di atas dapat diturunkan menjadi :
e =
dt
- N – ωΦm Sin ωt dt
e = N ωΦm Sin ωt ... (2.5)
Tegangan induksi ini akan mencapai maksimum pada saat wt = π/2 rad, maka
tegangan induksi maksimum :
Emax = N Φmω... (2.6)
Persamaan (2.5) di atas dapat ditulis menjadi :
e = EmaxSin ωt ... (2.7)
Untuk harga efektif dari tegangan yang dihasilkan adalah :
2
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
II.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. Masing-masing bahan
komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terbentuknya GGL. Komutator
I dihubungkan dengan sisi AB dan komutator II dihubungkan dengan sisi CD ( lihat
gambar di bawah ini ).
Fluks Magnit
II
B
D
II
I E
F
A
C
R II
Gambar 2.11. Suatu penghantar yang ditembus oleh fluksi
Jika kumparan ABCD berputar, maka sikat-sikat akan bergesekan dengan
komutator-komutator secara bergantian. Peristiwa bergesekan / perpindahan sikat-sikat 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 sisi CD berada pada kedudukan
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.
U
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
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 di
bawah ini :
Emax (Volt) e (Volt)
dt
Gambar 2.13. Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan
II.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
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
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 (∆Φ n). Tetapi pada lokasi permukaan kutub di mana ggm rotor
mengeleminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluks (∆Φt) yang lebih besar,
Φu
Φr
Φa
A
B
C 0
sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks
kutub yang semakin berkurang.
Φ (Weber)
Kurva Pemagnetan
{
{
∆Φn∆Φt
F (Ampere Turn) Fk +
Fj
Fk - Fj
Fk
∆Φn = Penguatan fluks
∆Φt = Pelemahan Fluks
Fk = Gaya gerak magnet kutub Fj = Gaya gerak magnet jangkar
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.
II.6. Pembangkitan Tegangan Induksi pada Generator Arus Searah
Pada saat mesin dihidupkan timbul suatu fluks residu yang memang sudah
terdapat pada kutub. Dengan memutar rotor akan dibangkitkan tegangan induksi
kumparan medan. Arus ini akan menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang
telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil.
Garis lengkung pada gambar 2.17 menggambarkan kurva pemagnetan untuk suatu
generator berpenguatan sendiri pada suatu putaran tertentu, sedangkan garis lurus
menyatakan persamaan tegangan kumparan medan dengan tahanan Rf . Oa adalah
tegangan yang timbul akibat adanya fluks residu dan menimbulkan arus pada
kumparan medan sebesar Ob. Dengan adanya arus kumparan ini , tegangan induksi
membesar menjadi Oc (akibat bertambahnya fluks). Selanjutnya tegangan Oc
memperkuat arus medan, yaitu menjadi sebesar Od. Dengan demikian proses
penguatan arus medan berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil yaitu pada
titik X (perpotongan antara kurva pemagnetan dengan garis tahanan medan). Jika
tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil.
Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk generator tersebut.
O b d a
c
X
Kurva magnetisasi
Garis Tahanan Medan
Ea
If
Gambar 2.17 menunjukkan pembangkitan tegangan generator dalam
tahapan - tahapan yang berlainan. Tahapan - tahapan ini digambarkan untuk
memperjelas feedback positif antara tegangan internal generator dengan arus
medannya. Pada generator yang sesungguhnya, tegangan tidak dibangkitkan dalam
tahapan - tahapan tertentu, malah sebaliknya antara Ea dan If naik secara serempak
sampai keadaan tunak tercapai. Ada beberapa kemungkinan yang dapat
menyebabkan tidak terjadi pembangkitan tegangan pada generator arus searah,
yaitu :
a. Kemungkinan tidak adanya fluks sisa
b. Arah putaran generator mungkin terbalik
c. Besar tahanan medan mungkin diset terlalu besar dari nilai tahanan kritisnya.
II.7. Pengaturan Tegangan Generator Arus Searah
Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mengatur tegangan pada generator
dc shunt, yaitu :
1. Mengubah kecepatan ωm dari generator
2. Mengubah tahanan medan dari generator, sehingga merubah arus medannya.
Mengubah tahanan medan adalah metode utama yang digunakan untuk
mengatur tegangan terminal generator dc shunt. Jia tahanan medan Rf diturunkan,
maka arus medan If = Vt / Rf akan naik. Jika If naik maka akan terjadi penambahan
fluks yang akan menaikkan tegangan internal generator Ea yang pada akhirnya akan
II.8. Jenis - Jenis Generator Arus Searah
Berdasarkan metode eksitasi yang diberikan, maka generator arus searah
dapat diklasifikasikan dalam dua jenis:
II.8.1. Generator Arus Searah Berpenguatan Bebas (Separately Excited Generator).
Pada jenis generator ini, fluks medan diperoleh dari sumber lain yang terpisah
dari generator tersebut.
Ea
Ia IL
RL
Ra
ωm
VT
+
-Vf
If
Lf
Rf
Gambar 2.18. 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 ... (2.9)
Ia = IL ... (2.11)
II.8.2. Generator Arus Searah Berpenguatan Sendiri (Self Excited Generator).
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 :
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 2.19. Rangkaian Generator DC Shunt
F
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.
Ea
Gambar 2.20. Rangkaian Generator DC Seri
L
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
a) Generator DC Kompon Panjang
Gambar 2.21. Rangkaian Generator DC Kompon Panjang
F
b) Generator DC Kompon Pendek
Ea
Gambar 2.22. Rangkaian Generator DC Kompon Pendek
II.9. Effisiensi Generator Arus Searah
Untuk menjelaskan efisiensi pada generator arus searah, dapat diamati diagram
aliran daya pada generator dc berikut ini
Daya
Gambar 2.23 Diagram Aliran Daya Generator DC
Pada mesin dc (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang
diperhitungkan, antara lain:
1. Efisiensi Mekanik.
Mekanik
2. Efisiensi Elektrik
a
3. Efisiensi Komersial Keseluruhan
BAB III
GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT
III.1. Generator DC Penguatan Bebas
Pada generator DC penguatan bebas, fluks medan diperoleh dari sumber lain
yang terpisah dari generator tersebut. 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 ... (3.1)
Ea = Vt + Ia . Ra ... (3.2)
Ia = IL ... (3.3)
Ea
Ia IL
RL
Ra
ωm
VT
+
-Vf
If
Lf
Rf
III.2. Karakteristik Generator DC Penguatan Bebas
Karakteristik adalah grafik yang menyatakan hubungan antara dua besaran
listrik yang menentukan sifat sebuah mesin. Karakteristik generator arus searah
penguatan bebas dapat dijelaskan sebagai berikut.
III.2.1. Karakteristik Beban Nol
Yaitu grafik yang menggambarkan hubungan antara tegangan terminal
sebagai fungsi arus penguat magnit pada putaran konstan dan generator dalam
keadaan tanpa beban (beban nol). Secara umum besarnya ggl yang dibangkitkan oleh
generator di tulis sebagai:
Z = jumlah konduktor jangkar
n = kecepatan putar rotor (rpm)
p = jumlah kutub generator
a = banyaknya jalur arus paralel.
Dari persamaan diatas, didapat hubungan:
n k
Ea = Φ ……….…. (3.5)
Dimana :
C
E
Ea
If
0
Ea remanensi
D B
A
Gambar 3.2. Kurva Beban nol Generator DC Penguatan Bebas
Ketika arus medan dinaikkan, fluks magnet akan meningkat, begitu pula
dengan Ea yang berbanding lurus dengan arus medan tersebut pada saat kutub
medannya belum jenuh. Hal ini direpresentasikan sebagai garis OC.
Namun ketika kerapatan fluks meningkat terus, kutub generator menjadi
jenuh, maka diperlukan peningkatan arus medan yang lebih tinggi untuk menaikkan
tegangan yang sama ( Ea ) dibandingkan ketika kutubnya belum jenuh, daerah
kejenuhan ini diwakili oleh garis CD.
Untuk generator arus searah dengan penguatan sendiri ( generator arus searah
shunt, seri, dan kompon ), karakteristik beban nolnya akan meningkat sama seperti
generator berpenguatan bebas, tetapi setelah generator sempat dioperasikan,
walaupun arus medannya disetel menjadi nol ampere, ggl generator tetap
dibangkitkan walau nilainya kecil ( OE ), hal ini disebabkan oleh adanya magnet
III.2.2. Karakteristik Luar
Karakteristik luar dari sebuah generator menunjukkan bagaimana perubahan
tegangan terminal terhadap beban yang berubah-ubah. Pada gambar 3.3 diperlihatkan
karakteristik luar untuk generator penguatan bebas.
V t
I a IaRa
o Ea
Gambar 3.3. Kurva Karakteristik Terminal Generator DC Penguatan Bebas
Untuk mengatur tegangan terminal generator Vt dapat dilakukan dengan dua
cara:
1. Dengan mengubah kecepatan putar generator. Dari persamaan 3.5 terlihat bila
n meningkat, maka Ea akan menjadi besar dan dari persamaan 3.2 maka Vt
akan menjadi besar juga.
2. Dengan mengubah medan arus penguat. Jika Rf kecil, maka If akan menjadi
besar. Hal tersebut menyebabkan fluks magnet akan meningkat, dan dari
persamaan 3.4 maka Ea akan meningkat juga, serta dari persamaan 3.2 maka
Kurva karakteristik luar menunjukkan hubungan antara tegangan terminal Vt dan
Sehingga didapatkan untuk :
IL = 0 ⇒ Vt = K1
Vt = 0 ⇒ IL = K1/K2
Dimana :
K1 = Konstanta ( cnIf )
K2 = Konstanta ( Ra )
III.2.3. Karakteristik Berbeban
Karakteristik berbeban digambarkan sebagai kurva yang menunjukkan
hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani.
Kurva ini sebenarnya diturunkan dari kurva beban nol yang dilengkapi
memperhitungkan efek demagnetisasi dari reaksi jangkar dan jatuh tegangan pada
jangkar yang secara praktis tidak terdapat pada kondisi tanpa beban.
o L M a c I f
V t
m
t n
b S
P e
Vt E Eo
d
Gambar 3.4. Kurva Berbeban Generator DC Penguatan Bebas
Kurva beban nol pada gambar 3.2 digambarkan kembali sebagai kurva pada
gambar 3.4, dimana terlihat pada gambar 3.4 tersebut pada keadaan tanpa beban, arus
penguat magnet diperlukan untuk tegangan nominal tanpa beban yang digambar
sebagai garis oa.
Pada keadaan berbeban, tegangan akan berkurang akibat efek demagnetisasi
dari reaksi jangkar. Pengurangan ini dapat diatasi dengan peningkatan arus penguat
magnet yang sesuai. Garis ac mewakili demagnetisasi ampere-lilitan per kutub yang
ekivalen. Kemudian, berarti untuk membangkitkan ggl yang sama pada keadaan
berbeban pada saat tidak berbeban, arus penguat magnet harus dinaikkan sebesar
Titik d terletak pada kurva LS yang menunjukkan hubungan antara ggl E
yang dibangkitkan pada keadaan berbeban dan arus penguat magnet. Kurva LS
secara praktis paralel terhadap kurva ob. Tegangan terminal Vt akan lebih kecil
daripada ggl E yang dibangkitkan, sebesar IaRa, dimana Ra adalah resistansi
rangkaian jangkar. Dari titik d, sebuah garis vertikal de = IaRa di gambar.
Titik e terletak pada kurva pembebanan penuh untuk generator. Dengan cara
yang sama, titik-titik lainnya dilengkapi dan kurva pembebanan penuh MP di
gambar. Sudut kanan segitiga bde dikenal sebagai segitiga tegangan ( drop reaction
triangle ). Kurva kejenuhan beban untuk setengah beban penuh dapat dilengkapi
dengan menghubungkan titik tengah garis-garis mn, bd dan lain sebagainya.
Karakteristik berbeban digambarkan sebagai kurva yang menunjukkan hubungan
antara tegangan terminal Vt dan arus medan If .
Vt = f ( If )
E = Vt + Ia Ra
Dimana : E = c n Φ
c n Φ = Vt + Ia Ra ……….Φ ~ If
Maka : E = K1 . If
K1 . If = Vt + Ia Ra ……….. n, Ia, dan Ra konstan, sehingga :
K1 . If = Vt + K2
Vt = K1 If – K2... (3.6)
Sehingga didapatkan untuk :
If = 0 ⇒ Vt = - K1 ... (3.7)
Dimana :
K1 = Konstanta ( c n )
K2 = Konstanta ( Ra )
III.3. Generator DC Penguatan Shunt
Generator arus searah penguatan sendiri memperoleh arus magnetisasi dari
dalam generator itu sendiri, oleh karena itu arus magnetisasi terpengaruh oleh
nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Dalam hal ini medan magnet
yang dapat menimbulkan GGL mula-mula ditimbulkan oleh adanya remanensi
magnet pada kutub-kutubnya.
Pengaruh nilai-nilai tegangan dan arus generator terhadap arus penguat
tergantung bagaimana kumparan medan dengan kumparan jangkar. Generator arus
searah penguatan shunt adalah generator penguatan sendiri dimana kumparan
medannya dihubungkan pararel dengan kumparan jangkarnya, seperti terlihat pada
gambar berikut :
Ea
+
-VT
LF
RF
Ra
If
Ia IL
+
Persamaan arus :
L f
a I I
I = + ……… ( 3.9 )
Dimana :
Ia = Arus jangkar ( Ampere )
If = Arus medan ( Ampere )
IL = Arus yang mengalir ke beban ( Ampere )
Persamaan tegangan :
Ra I V
Ea = t + a ……… ( 3.10 )
f f
t I R
V = ……… ( 3.11)
Dimana :
Ea = Tegangan Induksi ( Volt )
Vt = Tegangan Terminal ( Volt )
Ra = Kumparan jangkar ( Ohm )
Rf = Kumparan Medan ( Ohm )
III.4. Karakteristik Generator DC Penguatan Shunt
Karakteristik-karakteristik dari generator shunt hampir sama (sama
bentuknya) dengan karakteristik-karakteristik generator penguatan bebas.
III.4.1. Karakteristik Beban Nol
Kurva ini menunjukkan hubungan antara kenaikan ataupun perubahan nilai
pada arus medan shunt ( If ) dengan tegangan induksi yang dihasilkan ( Ea ). Pada
generator penguatan sendiri seperti pada penguatan shunt If nilainya diatur dengan
bantuan rheostat dan nilainya dapat dilihat pada amperemeter. Generator nantinya
diputar dengan kecepatan yang konstan sehingga hanya terdapat variasi nilai antara If
dan Ea nya saja.
Ea = Ea ( If ) dimana n = konstan dan IL = 0
Ia = If
Vo = Ea – If Ra
Arus medan yang mengalir pada generator arus searah penguatan shunt
sangat kecil, sehingga besarnya drop tegangan If Ra dapat diabaikan sehingga :
V0 ≈ Ea( If ) ( Kurva magnetisasi )
Vo = If Rf
Ea = c n φ φ ~ If
Ea≈ Vo = K1 If ………( 3.12 )
Dari persamaan 3.12 terlihat bahwa antara Ea dan If membentuk hubungan linear hal
ini dikarenakan K1 merupakan suatu konstanta, sehingga didapatkanlah kurva
Teoritis
E
aI
fGambar 3.6. Kurva Beban Nol secara teoritis
Karena penguatan shunt ( Sumber dari generator itu sendiri), maka pada saat
putaran nominal dan belum diberikan arus medan, telah ada tegangan remanensi
(Tegangan sisa) akibat adanya fluksi sisa. Akibatnya pada kumparan shunt timbul
arus medan If, mengalirnya arus If akan memperkuat fluksi sisa tadi sehingga Ea
nominal.
Pada saat harga If tertentu mendekati nominal, akan timbul rekasi jangkar
yang melemahkan fkusi medan, sehingga Ea yang dibangkitkan tidak lagi berbanding
lurus dengan If, hal tersebut menyebabkan kurvanya menjadi :
E
aI
fPraktek
III.4.2. Karakteristik Luar
Kurva karakteristik luar merupakan kurva pada saat generator arus searah
penguatan shunt dalam keadaan berbeban. Dimana kurva ini menunjukkan hubungan
antara tegangan jepit ( Vt ) sebagai fungsi dari arus pada beban ( IL ) pada putaran dan
arus medan yang konstan.
Vt = f ( IL ) ………… dimana n dan If konstan
Sehingga didapatkan untuk :
Secara teori
Secara praktek
Vt
IL
Gambar 3.8. Kurva Karakteristik luar Generator DC Shunt
Penurunan tegangan terminal yang terjadi pada generator penguatan shunt
disebabkan antara lain:
a. Drop pada tahanan jangkar IaRa
b. Penurunan fluks utama yang terjadi akibat reaksi jangkar
c. Penurunan besar arus medan If
III.4.3. Karakteristik Berbeban
Karakteristik berbeban dapat diperoleh dengan cara yang sama seperti pada
generator penguatan bebas. Sebenarnya karakteristik berbeban yang diperoleh untuk
generator penguatan bebas dan generator shunt, adalah sama. Sedikit perbedaan
dikarenakan arus-arus jangkar yang berbeda, Ia = IL + If untuk generator shunt dan
Ia=IL untuk generator penguatan bebas. Perbedaan arus jangkar menghasilkan
perbedaan reaksi jangkar, dan memberikan sedikit perbedaan drop tegangan untuk
Vt = f ( If ) ………… dimana n dan Ia konstan
Dari persamaan 3.2 didapatkan :
Ea = Vt + IaRa
c n Φ = Vt + IaRa ……….………. φ ~ If dan Ia = IL + If
c n If = Vt + (IL + If ) Ra ……… n, Ia, dan Ra konstan, maka :
K1.If = Vt + K2
Vt = K1.If – K2
Sehingga didapatkan untuk :
If = 0 ⇒ Vt = - K1
Vt = 0 ⇒ If = K2/K1
Dimana :
K1 = Konstanta ( cnIf - If Ra )
K2 = Konstanta ( Ra )
III.5. Karakteristik Generator DC Shunt Dari Kurva Magnetisasi
Karakteristik dari sebuah generator DC shunt dapat dijelaskan dari kurva
magnetisasi atau kurva saturasi, berdasarkan rangkaian tahanan medan, arus
demagnetisasi pada reaksi jangkar dan tahanan jangkar yang diketahui.
III.5.1. Karakteristik Kurva Magnetisasi dengan Reaksi Jangkar Diabaikan
Pada gambar 3.9, kurva 1 adalah kurva magnetisasi ( Ea versus If ) dan OA
L
Gambar 3.9. Penentuan Karakteristik dari Kurva Magnetisasi ( Reaksi Jangkar Diabaikan)
Pada keadaan tanpa beban, BA adalah emf Ea jangkar yang dibangkitkan pada arus
medan sama dengan OB. Berdasarkan operasi steady state dan dengan reaksi jangkar
diabaikan, jarak vertikal antara kurva saturasi 1 dan garis tahanan medan OA adalah
sama dengan drop tahanan jangkar. Sebagai contoh, untuk arus medan OC, CD
adalah emf Ea jangakar yang dibangkitkan, DD’ adalah drop pada tahanan jangkar
IaRa dan CD’ adalah tegangan terminal Vt , yaitu :
Persamaan 3.13 menyatakan bahwa untuk mengetahui nilai Ia, drop IaRa, nilai Vt
Untuk memplot kurva karakteristik beban, potong OG sama dengan IaRa
untuk arus jangkar Ia yang diasumsikan. Gambar garis GH parallel dengan garis
tahanan medan OA yang memotong kurva magnetisasi pada titik M dan D. Dari M
dan D, gambar garis Vertikal menyentuh garis tahanan medan masing-masing pada
M’ dan D’. pada gambar sebelah kanan dari gambar 3.9, buat o’x = arus beban =
a
R OG
(dianggap arus jangkar) – OC (arus medan shunt).
Garis vertikal pada x dan garis horizontal melewati titik-titik M’,D’ bertemu pada
titik-titik d,m. Kedua titik ini d,m berada pada karakteristik beban dari generator DC
shunt. Titik-titik lain yang sama pada karakteristik dapat di plot. Catatan bahwa arus
jangkar maksimum dapat diperoleh dengan menggambarkan garis LN menyinggung
kurva magnetisasi dan parallel dengan garis tahanan medan OA. Besar arus jangkar
maksimum =
dihubungsingkatkan, O’K adalah arus beban pada emf OF yang dibangkitkan oleh
fluks sisa.
III.5.2. Karakteristik Kurva Magnetisasi dengan Reaksi Jangkar
Ketika reaksi jangkar dimasukkan dalam memplot karakteristik beban dari
karakteristik beban nol, kemudian drop tegangan pada tahanan jangkar DC dan efek
L
Gambar 3.10. Penentuan Karakteristik Kurva Magnetisasi (Dengan Reaksi Jangkar)
Pada gambar sebelah kiri dari gambar 3.10, kurva magnetisasi dan garis
tahanan medan OA digambarkan memotong satu sama lain pada A, maka tegangan
terminal tanpa beban O’a = BA. Untuk menyertakan efek demagnetisasi reaksi
jangkar, gambarkan OC yang menyatakan reduksi eqivalen pada tahanan medan
shunt yang disebabkan oleh efek demagnetisasi dari arus jangkar. Total drop pada
tahanan jangkar, untuk nilai dari arus Ia yang diasumsikan, adalah IaRa dan ini
digambarkan sebagai garis CD yang tegak lurus OC. Gambar garis DH parallel
dengan garis tahanan medan OA yang memotong kurva saturasi pada titik-titik G, H.
sekarang gambarkan garis Hh,Gg parallel dengan DO. Pada gambar 3.10 sebelah
kanan, O’x sama dengan arus jangkar yang diasumsikan dikurangi dengan arus
medan OB’. Gambar garis vertikal pada x dan garis-garis horizontal melewati
titik-titik g,h dan bertemu pada titik-titik-titik-titik g’,h’. Kedua titik-titik g’,h’ adalah titik-titik-titik-titik yang
Prosedur yang sama dapat diadopsi untuk memplot titik-titik yang lain pada kurva
karakteristik beban. Arus maksimum dapat dicari dengan menggambarkan titik N
yang parallel dengan garis tahanan medan dan menyinggung kurva saturasi. Besar
dari arus jangkar maksimum diberikan oleh
a
R D C' '
dan arus beban maksimum (ILmaks)
adalah sama dengan
a
R D C' '
- arus medan ON’. Pada gambar 3.10, O’K adalah arus
BAB IV
PERBANDINGAN KARAKTERISTIK BERBEBAN GENERATOR DC PENGUATAN BEBAS DAN GENERATOR DC PENGUATAN SHUNT
IV.1. Pengujian Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas dan Generator DC Penguatan Shunt
IV.1.1. Umum
Karakteristik berbeban dari sebuah generator menunjukkan hubungan antara
tegangan terminal dengan arus medan untuk putaran dan arus jangkar yang konstan.
Generator dijalankan dengan kecepatan nominal dan arus medan diatur hingga
diperoleh arus jangkar mencapai harga nominal. Tujuan dilakukannya pengujian
karakteristik berbeban untuk menentukan hubungan antara tegangan terminal dengan
arus penguat bila arus jangkar dan putaran konstan. Dari persamaan tegangan
diperoleh hubungan antara tegangan terminal dengan arus medan sebagai berikut :
E = Vt + Ia Ra
Dimana :
E = c n Φ ; Φ ~ If
Secara teoritis karakteristik berbeban adalah linier, akibat adanya efek
saturasi inti maka kenaikan tegangan tidak selamanya sebanding dengan kenaikan
arus penguat medan.
IV.1.2. Peralatan yang digunakan
Adapun peralatan yang digunakan dalam percobaan ini adalah:
1. Generator DC Type GD 110/110, 220 V / 7,1 A (Armature), 220 V / 0,17 A
(Field) 1,2 kW / 1500 rpm.
2. Motor DC (sebagai prime mover) Type GD 110/140, 220 V / 9,1 A
(Armature), 220 V / 0,64 A (Field), 2 kW / 1500 rpm.
3. PTDC.
4. Digital LCR Multimeter TES 2712
5. Feedback Switch Unit EMT 180 A
6. Feedback Power Suplay PS189
7. Feedback Tacho Meter
8. Kabel .
IV.1.3. Percobaan Karakteristik Berbeban Untuk Generator DC Penguatan Shunt
IV.1.3.1. Umum
Untuk mengetahui karakteristik berbeban dari generator DC penguatan shunt,
maka generator dihubungkan dengan beban. Tujuannya adalah untuk melihat
pengaruh perubahan arus medan ( If ) terhadap tegangan jepit ( Vt ) generator.
Karakteristik berbeban didapat dengan :
V = f (If) ; n = konstan
IV.1.3.2. Rangkaian Percobaan
Gambar 4.1. Rangkaian Percobaan Karakteristik Berbeban Generator DC shunt
IV.1.3.3. Prosedur Percobaan
1. Rangkaian dibuat seperti gambar di atas
2. Semua pengatur tegangan pada posisi minimum dan tutup S2 sampai arus
medan motor nominal. Kemudian tutup S1, naikkan tegangan input motor
sampai tegangan motor nominal.
3. Atur beban pada posisi maksimum dan naikkan tegangan terminal generator
sampai mendekati nominal.
4. Naikkan arus beban pada harga tertentu di bawah harga nominal.
5. Atur PTDC 1 untuk mendapatkan putaran yang konstan kembali akibat
6. Catat penunjukkan V2, A4 dan T pada keadaan diatas.
7. Turunkan arus medan secara bertahap dan atur tahanan beban supaya arus
jangkar konstan. Untuk setiap penurunan catat penunjukkan V2, A4 dan T
juga putaran di jaga konstan dengan mengatur PTDC 1
8. Percobaan dilakukan sampai batas dimana Ia masih dapat dijaga konstan.
9. Setelah percobaan selesai, minimumkan kembali PTDC secara beraturan
dan buka semua switch.
IV.1.3.4. Data Hasil Percobaan
n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere Ra = 3,97 Ohm
If ( Ampere ) Vt ( Volt ) Torsi ( N-m ) RL( Ohm )
0,17 179 5,70 37,06
0,16 173 5,50 35,74
0,15 167 5,25 34,43
0,14 157 5,00 32,30
0,13 152 4,85 29,98
0,12 146 4,60 29,92
0,11 130 4,10 26,58
0,10 125 3,80 25,51
0,09 114 3,50 23,22
0,08 107 3,25 21,74
0,07 91 2,80 18,46
0,06 84 2,60 17,00
0,05 71 2,25 14,34
0,03 38 1,50 7.65
0,02 20 1,25 4.02
0,01 9 1,10 1,80
IV.1.4. Percobaan Karakteristik Berbeban Untuk Generator DC Penguatan Bebas
IV.1.4.1. Umum
Untuk mengetahui karakteristik berbeban dari generator DC penguatan bebas,
maka generator dihubungkan dengan beban. Tujuannya adalah untuk melihat
pengaruh perubahan arus medan ( If ) terhadap tegangan jepit ( Vt ) generator.
Karakteristik berbeban didapat dengan :
V = f (If) ; n = konstan
Ia = konstan
IV.1.4.2. Rangkaian Percobaan
IV.1.4.3. Prosedur Percobaan
1. Rangkaian dibuat seperti gambar di atas.
2. Semua pengatur tegangan pada posisi minimum dan tutup S2 sampai arus
medan motor nominal. Kemudian tutup S1, naikkan tegangan input motor
sampai tegangan motor nominal.
3. Atur beban pada posisi maksimum dan naikkan tegangan terminal generator
sampai mendekati nominal.
4. Naikkan arus beban pada harga tertentu di bawah harga nominal.
5. Atur PTDC 1 untuk mendapatkan putaran yang konstan kembali akibat
perubahan putaran setelah dibebani.
6. Catat penunjukkan V2, A4 dan T pada keadaan diatas.
7. Turunkan arus medan secara bertahap dan atur tahanan beban supaya arus
jangkar konstan. Untuk setiap penurunan catat penunjukkan V2, A4 dan T
juga putaran di jaga konstan dengan mengatur PTDC 1.
8. Percobaan dilakukan sampai batas dimana Ia masih dapat dijaga konstan.
9. Setelah percobaan selesai, minimumkan kembali PTDC secara beraturan dan
IV.1.4.4. Data Hasil Percobaan
n = 1500 rpm Ia = 5,0 Ampere Ra = 3,97 Ohm
If ( Ampere ) Vt ( Volt ) Torsi ( N-m ) RL( Ohm )
0.17 197 6,25 39,4
0.16 192 6,05 38,4
0.15 189 5,80 37,8
0.14 182 5,65 36,4
0.13 175 5,25 35,0
0.12 161 5,05 32,2
0.11 150 4,75 30,0
0.10 137 4,45 27,4
0.09 124 3,80 24,8
0.08 111 3,50 22,2
0.07 97 3,05 19,4
0.06 87 2,75 17,4
0.05 67 2,10 13,4
0.04 48 1,80 9,6
0.03 34 1,60 6.50
0.02 23 1,30 4.60
IV.2. Analisis Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas Dengan
Generator DC Penguatan Shunt
a. Analisis Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Shunt
Vt = f ( If ) ………… dimana n dan Ia konstan
Sehingga didapatkan untuk :
If = 0 ⇒ Vt = - K1
Vt = 0 ⇒ If = K2/K1
Dimana :
K1 = Konstanta ( cnIf - If Ra )
K2 = Konstanta ( Ra )
• Menghitung besar tegangan induksi yang di bangkitkan pada jangkar:
Dari data percobaan maka di dapat:
2. Ea = 173 + (5,0 x 3,97) = 192,85 Volt
3. Ea = 167 + (5,0 x 3,97) = 186,85 Volt
Harga Ea yang lainnya dapat di lihat dalam tabel berikut:
If ( Ampere ) VT ( Volt ) Ea ( Volt )
0.17 179 198,85
0.16 173 192,85
0.15 167 186,85
0.14 157 176,85
0.13 152 171,85
0.12 146 165,85
0.11 130 149,85
0.10 125 144.85
0.09 114 133,85
0.08 107 126,85
0.07 91 110,85
0.06 84 103,85
0.05 71 90,85
0.04 52 71,85
0.03 38 57,85
0.02 20 39,85
Kurva karakteristik berbeban secara teoritis dapat digambarkan sebagai berikut:
Tegangan Terminal Vt ( volt )
Arus Medan If ( Ampere )
Gambar 4.3. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Shunt Secara Teori
Dari data hasil pengujian karakteristik berbeban generator DC penguatan shunt,
dapat di lihat kurva karakteristik berbeban sebagai berikut;
Gambar 4.4. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Shunt yang di dapat dalam pengujian
0
Dari kedua kurva diatas terdapat perbedaan antara kurva karakteristik
berbeban generator DC shunt yang di dapat dari teoritis dengan kurva yang di dapat
dari hasil pengujian.
b. Analisis Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas
Vt = f ( If )
E = Vt + Ia Ra
Dimana : E = c n Φ
c n Φ = Vt + Ia Ra ……….Φ ~ If
Maka : E = K1 . If
K1 . If = Vt + Ia Ra ……….. n, Ia, dan Ra konstan, sehingga :
K1 . If = Vt + K2
Vt = K1 If – K2
Sehingga didapatkan untuk :
If = 0 ⇒ Vt = - K1
Vt = 0 ⇒ If = K2/K1
Dimana :
K1 = Konstanta ( c n )
K2 = Konstanta ( Ra )
• Menghitung besar tegangan induksi yang di bangkitkan pada jangkar:
Dari data percobaan di dapat:
1. Ea = 197 + (5,0 x 3,97) = 216,85 Volt
2. Ea = 192 + (5,0 x 3,97) = 211,85 Volt
3. Ea = 189 + (5,0 x 3,97) = 208,85 Volt
Harga Ea yang lainnya dapat di lihat dalam tabel berikut:
If ( Ampere ) VT ( Volt ) Ea ( Volt )
0.17 197 216,85
0.16 192 211,85
0.15 189 208,85
0.14 182 201,85
0.13 175 194,85
0.12 161 180,85
0.11 150 169,85
0.10 137 156,85
0.09 124 143,85
0.08 111 130,85
0.07 97 116,85
0.06 87 106,85
0.05 67 86,85
0.04 48 67,85
0.03 34 53,85
0.02 23 42,85
Kurva karakteristik berbeban secara teoritis dapat digambarkan sebagai berikut:
Tegangan Terminal Vt ( volt )
Arus Medan If ( Ampere )
Gambar 4.5. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas Secara Teori
Dari data hasil pengujian karakteristik berbeban generator DC penguatan bebas,
dapat di lihat kurva karakteristik berbeban sebagai berikut;
Gambar 4.6. Kurva Karakteristik Berbeban Generator DC Penguatan Bebas Pada Pengujian
0
