ANALISIS PENENTUAN TAHANAN KRITIS
UNTUK PEMBANGKITAN TEGANGAN PADA GENERATOR
ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT
(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT –USU)
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
EDY DARWINSON S 050402085
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ANALISIS PENENTUAN TAHANAN KRITIS
UNTUK PEMBANGKITAN TEGANGAN PADA GENERATOR
ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT
(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT –USU)
Oleh :
EDY DARWINSON S 050402085
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Disetujui oleh : Pembimbing
Ir. Satria Ginting NIP: 196005141989031002
Diketahui oleh:
Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
Ir.Surya Tarmizi Kasim,Msi. NIP:1954053198611002
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
i
KATA PENGANTAR
Pujian dan ucapan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala kasihnya yang menyertai penulis setiap saat selama perkuliahan., dalam pelaksanaan penelitian tugas akhir ini, dan saat penyusunan laporan tugas akhir.
Tugas akhir ini merupakan bagian kurikulum yang harus di selesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, penulis berjudul : ANALISIS PENENTUAN TAHANAN KRITIS UNTUK PEMBANGKITAN
TEGANGAN PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT
(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT –USU)
Penulis menyampaikan rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada orang tua saya, Ayahanda Halomoan Simbolon dan Ibunda Nurmina Silitonga yang telah membesarkan, mendidik dan terus membimbing serta mendoakan saya. Juga rasa sayang kepada saudara-saudara saya yaitu kakanda (Lina, Ida, Ira), adinda (Darmanto dan Erna), Abang ipar (Doni Sinaga dan Jefry Siregar), dan my Poedan (Veronika) yang selalu memberikan doa dan dukungan.
Dalam kesempatan ini, penulis juga menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
ii 2. Bapak Arman Sani ,ST,MT selaku dosen Wali penulis, atas bimbingan dan
arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan.
3. Bapak Ir.Surya Tarmizi Kasim,Msi, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmat Fauzi, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU.
4. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.
5. Teman-teman angkatan ’05 Teknik Elektro USU, Colin, Jonson, Ridwan, Richard, Herman, Wosvi dan lain-lain yang tak dapat penulis sebutkan satu persatu.
6. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Akhir kata, tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan, namun penulis tetap berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi pengembangan selanjutnya.
Medan, Maret 2011
iii ABSTRAK
Generator arus searah (DC) adalah suatu alat listrik yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik yang berupa arus searah (DC). Generator arus searah memiliki dua jenis penguatan secara umum yaitu penguatan terpisah (bebas) dan penguatan sendiri antara lain penguatan seri, shunt dan kompon. Studi ini akan membahas pada jenis generator arus searah penguatan shunt yaitu dimana tahanan medannya itu dipasang pararel dengan tahanan jangkarnya.
Pada pembahasan mengenai generator arus searah ini akan dijelaskan mengenai konstruksinya dan proses terjadinya aliran energi di dalam mesin hingga menghasilkan output berupa arus searah (DC) yang diinginkan.
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ………. i
ABSTRAK ……… iii
DAFTAR ISI ………. iv
DAFTAR GAMBAR ……… vii
DAFTAR TABEL ……… ix
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ………. 1
1.2 Tujuan Dan Manfaat Penulisan ……… 2
1.3 Batasan Masalah……… 2
1.4 Metode Penulisan ………. 3
1.5 Sistematika Penulisan ………... 3
BAB II GENERATOR ARUS SEARAH 2.1 Umum ………. 5
2.2 Konstruksi Generator Arus Searah ………. 5
2. 3 Prinsip Kerja Generator Arus Searah ……… 15
2.4 Gaya Gerak Listrik ( GGL ) ……….. 18
2. 5 Prinsip Penyearahan ……… 21
2 .6 Jenis – Jenis Generator Arus Searah ………... 24
2. 7 Rugi – Rugi Pada Generator Arus Searah ……….. 25
v BAB III TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS PADA GENERATOR ARUS
SEARAH PENGUATAN SHUNT
3.1 Umum ………..………. 32
3. 2 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguatan Shunt ... 33
3. 3 Karakteristik Beban Nol ( OCC ) ………...…….. 34
3.4 Karakteristik Pembebanan ………...…………. 36
3 . 5 Karakteristik Luar ( External Characteristic ) …………..……. 38
3. 6 Tahanan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt ...39
3. 7 Kecepatan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt... .43
BAB IV PENENTUAN NILAI TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT 4. 1 Percobaan Untuk Menentukan Nilai Tahanan dan Kecepatan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt 48
4.1.1 Percobaan Karakteristik Beban Nol ……… 49
4.1.2 Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ……… 50
4.1.3 Percobaan Pengukuran Tahanan Medan ………. 50
4 . 2 Data Percobaan ………...…….. 51
4 . 3 Analisa Data 4. 3. 1 Penentuan Tahanan Kritis ………...…………. 53
4. 3. 2 Penentuan Kecepatan Kritis ………...… 56
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5. 1 Kesimpulan ………... 61
5. 2 Saran ………...…… 61 DAFTAR PUSTAKA
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi generator Arus Searah ……… 5
Gambar 2.2 Rangka generator Arus Searah ……… 6
Gambar 2.3 Kutub Magnet Motor Arus Searah ……….. 7
Gambar 2.4 Konstruksi Sikat………. 8
Gambar 2.5 Konstruksi komutator ………... 9
Gambar 2.6 Konstruksi Jangkar Generator Arus Searah ……….. 10
Gambar 2.7 Bentuk Umum Kumparan Jangkar ………... 10
Gambar 2.8 Kumparan Progresif dan Kumparan Retrogresif ……….. 12
Gambar 2.9 Kumparan Jerat ……… 12
Gambar 2.10 Kumparan Gelombang ……… 13
Gambar 2.11 Kumparan Kaki Katak atau Kumparan Penyama Mandiri ………. 14
Gambar 2.12 Suatu penghantar yang diputar dalam medan magnet ……… 15
Gambar 2.13 Ilustrasi Proses prinsip kerja generator arus searah ……… 17
Gambar 2.14 Bentuk gelombang tegangan sinusoidal yang dihasilkan ……….. 18
Gambar 2.15 Ilustrasi proses Komutasi ……….……… 22
Gambar 2.16 Bentuk gelombang tegangan hasil dari proses penyearahan …… 23
Gambar 2.17 Gambar rangkaian ekivalen jenis – jenis generator arus searah 25 Gambar 2.18 Perputaran jangkar di dalam medan magnet stator ………. 27
Gambar 2.19 Kurva magnetisasi ……… 31
Gambar 3.1 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguatan Shunt …... 33
vii
Gambar 3.3 Kurva OCC secara teoritis ……….. 35
Gambar 3.4 Kurva OCC sebenarnya ………... 36
Gambar 3.5 Kurva Karakteristik Vt terhadap If ……….. 37
Gambar 3.6 Kurva Karakteristik Vt terhadap Ia ……….. 39
Gambar 3.7 Generator Arus Searah Penguatan Shunt Tanpa Beban ………….. 40
Gambar 3.8 Karakteristik Beban Nol Generator Arus Searah Penguatan Shunt 40 Gambar 3.9. Tegangan yang dibangkitkan pada generator Arus Searah penguatan shunt dengan harga tahanan yang bervariasi ………… 42
Gambar 3.10 Tegangan yang dibangkitkan Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt kecepatan yang Bervariasi ………. 44
Gambar 3.11 Kurva OCC dengan kecepatan kritis dan kecepatan pada saat tahanan kritis ………. 46
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol ……….. 49
Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar ……… 50
Gambar 4.3 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Medan Shunt …….. 51
iii ABSTRAK
Generator arus searah (DC) adalah suatu alat listrik yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik yang berupa arus searah (DC). Generator arus searah memiliki dua jenis penguatan secara umum yaitu penguatan terpisah (bebas) dan penguatan sendiri antara lain penguatan seri, shunt dan kompon. Studi ini akan membahas pada jenis generator arus searah penguatan shunt yaitu dimana tahanan medannya itu dipasang pararel dengan tahanan jangkarnya.
Pada pembahasan mengenai generator arus searah ini akan dijelaskan mengenai konstruksinya dan proses terjadinya aliran energi di dalam mesin hingga menghasilkan output berupa arus searah (DC) yang diinginkan.
1 BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Mesin arus searah merupakan suatu mesin listrik yang dapat digunakan baik sebagai generator maupun motor. Baik generator maupun motor keduanya memiliki dua jenis penguatan yaitu penguatan terpisah dan penguatan sendiri (seri, shunt dan kompon).
Sebagai penguatan sendiri generator arus searah penguatan shunt, mendapatkan arus penguat tidak dari sumber tegangan yang berbeda dari jangkar akan tetapi dari generator itu sendiri. Sehingga untuk mendapatkan besar arus penguat (medan) yang diinginkan maka pada tahanan shuntnya tersebut diserikan dengan tahanan yang dapat diatur-atur besarnya (Rheostat). Tahanan tersebut berbanding terbalik dengan arus medan yang dihasilkan, sehingga dengan begitu dapatlah diketahui berapa besar tahanan maksimum yang digunakan agar dapat dihasilkan arus medan minimum yang dapat membangkitkan tegangan pada kumparan jangkarnya.
2 Atas dasar inilah penulis tertarik untuk melakukan penelitian mengenai penentuan besarnya tahanan kritis untuk pembangkitan tegangan pada generator arus searah penguatan shunt.
I.2 Tujuan Dan Manfaat Penulisan
Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk mendapatkan berapa besarnya tahanan kritis dari suatu generator arus searah penguatan shunt serta besarnya kecepatan kritis yang dihasilkan tersebut.
Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah untuk memberitahukan kepada pembaca bagaimana menjalankan generator arus searah penguatan shunt. Selain itu dapat pula digunakan sebagai bahan acuan guna pengembangan praktikum Mesin-mesin Elektrik dan Konversi Energi Listrik di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU.
I.3 Batasan Masalah
Untuk menghindari pembahasan yang terlalu meluas serta untuk mendapatkan hasil yang maksimal, maka penulis akan membatasi pembahasan Tugas Akhir ini. Adapun batasan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah :
1. Tidak menghitung besar efisiensi dan rugi - rugi pada generator arus searah penguatan Shunt
3 I.4 Metode Penulisan
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks pendukung
2. Studi bimbingan, berkonsultasi dengan dosen pembimbing, dosen-dosen bidang konversi energi listrik, asisten Laboratorium Mesin-mesin Listrik serta teman-teman sesama mahasiswa yang memegang peranan penting dalam penulisan tugas akhir ini.
3. Studi laboratorium, berupa pengujian kebenaran teoritis yang diperoleh pada studi literatur dengan cara penerapan langsung pada peralatan laboratorium.
I.5 Sistematika Penulisan
Untuk mengetahui gambaran mengenai tugas akhir ini, maka secara singkat dapat diuraikan sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika penulisan. BAB II. GENERATOR ARUS SEARAH
4 BAB III. TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS PADA GENERATOR ARUS
SEARAH PENGUATAN SHUNT
Pada bab ini menjelaskan tentang tahanan kritis, kecepatan kritis, kurva karakteristik beban nol, dan berbeban. Perhitungan nilai tahanan dan kecepatan kritis dengan kurva karakteristik beban nol (OCC)
BAB IV. ANALISIS PENENTUAN NILAI TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT Bab ini menunjukkan hasil-hasil studi laboratorium yang berkenaan dengan penentuan nilai tahanan dan kecepatan kritis pada generator arus searah penguatan shunt di laboratorium mesin-mesin listrik.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
5 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 :
6 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.
7 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.
Gambar 2.3 Kutub Magnet Motor Arus Searah
Inti Kutub Yang Dilaminasi
Kumparan Penguat (Kumparan Medan)
8 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.
9 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.
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.
Commutator Lugs
Segmen Tembaga Yang Diisolasi
10
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 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 :
11 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 :
mekanis listrik θ
2 p
θ = ………..……( 2.2 )
Di mana : θlistrik = 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.
12 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)
13 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 :
14 Di mana :
YJ = YD + YB ………...…….……….………( 2.5 )
p 1) 2(C
YK= ± ……….……( 2.6 )
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.
15 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 :
V L B
e= . . ……….………. ( 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 :
U S
16 Anggap bahwa arah gerak dari konduktor, membentuk sudut α dengan arah medan magnet, sehingga persamaan 2.2 menjadi :
α
sin . . VL B e=
α
sin
m
e
e= ……….……….( 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 :
U
S
A
C (a)
U
S
A C
(b)
U
S
A C
17
U
S
A
C
(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.
18
2 3 4
1 5
6 7 8 9
+
-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 :
dt d t
e( )=− φ……….. ( 2.11 )
Dimana : e(t) = GGL induksi sesaat yang terbentuk
dφ = perubahan fluksi ( Weber )
19 Bila kumparan berputar dengan kecepatan sudut yang tetap dalam medan magnet serba sama, maka besarnya fluks magnet yang dipotong setiap saat adalah :
t
t φ ω
φ( )= maxcos ……….(2.12)
Bila disubstitusikan persamaan dengan maka didapatkanlah besarnya GGL induksi sesaat menjadi :
dt
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 :
20
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 :
n
T = 60 detik, sedangkan untuk jangkar berkutub P, maka :
n
Dalam satu periode dilalui sudut yang besarnya 2π radial, sehingga :
T
π
ω = 2 ……….. (2.16)
Dari persamaan 2.15 dan 2.16 diperoleh :
m
Jangkar memuat N belitan yang terdiri dari a cabang pararel (cabang jangkar), sehingga tiap cabang jangkar akan mempunyai N/a buah sehingga :
m
Seperti telah diketahui bahwa setiap belitan mempunyai 2 batang penghantar.
Jika jumlah batang penghantar = Z, maka N = 2
21 Diperoleh persamaan :
m
, merupakan harga yang konstan, maka besarnya tegangan
yang diinduksikan adalah :
E = c n φm ( Volt ) ……….(2.18)
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.
22 dari daerah antara permukaan kutub utara ke selatan atau sebaliknya. Hal ini dapat dijelaskan menurut gambar berikut ini :
3 2 1
Gambar 2.15 Ilustrasi proses Komutasi
23 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 :
wt E
Emax
24 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.
G
(a). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguat Terpisah
25
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
(c). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Seri
(d). Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Kompon Pendek
26 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
27 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
28 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 :
Ph = ηB1max,6 fV Watt……….……….(2.22)
Dimana :
Ph = rugi hysteresis
Bmax= rapat fluks maksimum di dalam jangkar
f = frekuensi pembalikan magnetik
= 120
P n
dimana n dalam rpm dan P = jumlah kutub
V = volume jangkar (m3)
η = koefisien hysteresis Steinmentz
b. Rugi Arus Pusar (Eddy current)
29 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 = KeB2maxf
2
t2V 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.
30 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.
31
H
B=µ. ……….( 2.24 )
Dimana : B = kerapatan medan magnet (weber / m2 ) µ = permebilitas bahan (Konstanta)
H = Kuat Medan (Ampere turn)
0
H
B
Fluksi sisa
Gambar 2.19 Kurva magnetisasi
Pada dasarnya kurva di atas seharusnya berbentuk linear dikarenakan µ
32 BAB III
TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS
PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT
III.1 Umum
Generator arus searah sebagai salah satu pembangkit listrik arus searah banyak kegunaannya di bengkel – bengkel, pabrik – pabrik maupun dalam kehidupan sehari – hari. Dalam penggunaannya generator arus searah dapat ditempatkan tetap (Stationary) maupun bergerak dalam hal ini untuk yang ditempatkan tetap misalnya generator yang dipergunakan untuk mengisi accu pada perusahaan pengisi accu mobil, sedangkan untuk yang bergerak misalnya pada pengisi accu mobil.
Di pusat – pusat tenaga listrik, generator arus searah berfungsi sebagai sumber penguat magnet ( Exciter ) pada generator utama. Di pabrik kita banyak menemui misalnya pada pabrik penyepuhan dan pabrik – pabrik yang banyak memakai motor – motor arus searah. Untuk las listrik dan masih banyak lagi kegunaan yang dijumpai dalam kehidupan sehari – hari.
33 III. 2 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah 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 :
Ia IL
If
Rf
E
a+
-Vt Ra
Gambar 3.1 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguatan Shunt Persamaan arus :
L f
a I I
I = + ……… ( 3.1 )
Dimana :
34 IL = Arus yang mengalir ke beban ( Ampere )
Persamaan tegangan :
Ra I V
Ea = t + a ……… ( 3.2 )
f f
t I R
V = ……… ( 3.3 )
Dimana :
Ea = Tegangan Induksi ( Volt ) Vt = Tegangan Terminal ( Volt ) Ra = Kumparan jangkar ( Ohm ) Rf = Kumparan Medan ( Ohm )
III. 3 Karakteristik Beban Nol ( OCC )
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 :
35 Vo = If Rf
Ea = c n φ φ ~ If
Ea ≈ Vo = K1 If ……… ( 3.4 )
Ia
If
Rf
E
a+
-Vo Ra
IL = 0
Gambar 3.2 Rangkaian percobaan beban nol
Dari persamaan 3.4 terlihat bahwa antara Ea dan If membentuk hubungan linear hal ini dikarenakan K1 merupakan suatu konstanta, sehingga didapatkanlah kurva sebagai berikut :
Teoritis Ea
If
Gambar 3.3 Kurva OCC secara teoritis
36 arus medan If, mengalirnya arus If akan memperkuat fluksi sisa tadi sehingga E0 nominal.
Pada saat harga If tertentu mendekati nominal, akan timbul reaksi jangkar yang melemahkan fluksi medan, sehingga Ea yang dibangkitkan tidak lagi berbanding lurus dengan If, hal tersebut menyebabkan kurvanya menjadi :
Ea
If Praktek
Gambar 3.4 Kurva OCC sebenarnya
III.4 Karakteristik Pembebanan
Pada karakteristik pembebanan ini akan menunjukkan kurva hubungan antara tegangan jepit ( Vt ) dengan arus penguat ( If ) dimana arus jangkar dan putaran generator dijaga konstan.
Vt = f ( If )
Dari persamaan 3.2 didapatkan :
37 2
1I K
K
Vt = f − ………. (3.5)
Sehingga didapatkan untuk :
If = 0 ⇒ Vt = - K2 ………. (3.6)
Vt = 0 ⇒ If = 1 2 K K
………. (3.7)
Dimana :
K1 = Konstanta ( c n ) K2 = Konstanta ( IaRa )
Dari persamaan 3.6 dan 3.7 dapat digambarkanlah kurva karakteristik tegangan terminal ( Vt ) terhadap arus medan penguat ( If ) seperti gambar di bawah ini :
Teori
sebenarnya Vt
If
38 III . 5 Karakteristik Luar ( External Characteristic )
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 jangkar ( Ia ) pada putaran dan arus medan yang konstan.
Vt = f ( Ia ) ………… dimana n dan If konstan Dari persamaan 3.2 didapatkan :
Ra
Sehingga didapatkan untuk :
Ia = 0 ⇒ Vt = K1 ………. ( 3.9 )
39 Teori
sebenarnya Vt
Ia
Gambar 3.6 Kurva Karakteristik Vt terhadap Ia
III. 6 Tahanan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt
Pada generator Arus Searah penguatan shunt tahanan medan dihubungkan secara pararel dengan kumparan jangkarnya dan biasanya tegangan yang dihasilkan sangat tinggi, dimana tahanan pada kumparan medan shunt harus menghasilkan arus yang lebih tinggi daripada batas minimum arus yang dihasilkan. Total dari besar tahanan pada kumparan shunt harus lebih rendah daripada tahanan kritis ( critical resistance ).
40
Gambar 3.7 Generator Arus Searah Penguatan Shunt Tanpa Beban
t
Gambar 3.8 Karakteristik Beban Nol Generator Arus Searah Penguatan Shunt Dengan memakai hukum Ohm, diperoleh bahwa untuk harga tahanan lilitan penguat magnit yang konstan maka arus penguat magnet akan selalu sebanding dengan tegangan, jadi bila tegangan dilukiskan sebagai fungsi arus penguat magnet maka grafik tahanan lilitan penguat magnet Rf akan berbentuk garis lurus.
Menurut hukum Ohm maka tahanan lilitan penguat magnet adalah :
f o
I V
41 R = Rf + Rfg
Dimana :
Rfg = Tahanan yang dipasang seri dengan kumparan medan generator ( Ohm ) R = Tahanan total yang dipasang pararel dengan kumparan jangkar (Ohm) Vo = Tegangan yang dibangkitkan pada saat beban nol ( Volt )
Perbandingan ini bagi R konstan merupakan sebuah garis lurus melalui 0. untuk tahanan R yang sudah diketahui garis 0P merupakan fungsi tersebut, pada saat If = 0 magnet sisa sudah membangkitkan GGL ( E ) = 0r. GGL ini mengadakan arus penguat magnet ) yang menyebabkan GGL ini naik lagi sampai 0a. Hal ini terus begitu sampai tercapai titik P pada karakteristik beban nol ( OCC ). Untuk membangkitkan GGL 0t pada titik ini diperlukan arus penguat magnet 0b. jadi generator itu akan memperkuat sendiri sampai tegangan 0t.
42
Eg
r
Rc ( Tahanan Kritis )
Rf1 Rf2
R > R > Rc f1 f2
If
0 A B C
P Q R
X
Rx
Gambar 3.9. Tegangan yang dibangkitkan pada generator Arus Searah penguatan shunt dengan harga tahanan yang bervariasi
Dari gambar 3.9 terlihat bahwa pada saat generator diputar mencapai n nominal maka terlihat kurva yang dihasilkan dengan beberapa variasi tahanan medan totalnya. Terlihat pula bahwa garis Rc merupakan batas daerah untuk tahanan total yang dipakai dapat membangkitkan tegangan. Garis Rx yang terbentuk merupakan salah satu tahanan total yang dipakai yang menyebabkan tegangan gagal di bangkitkan, hal ini dikarenakan terlihat garis tersebut tidak bersinggungan dengan kurva OCC yang dihasilkan.
43
A P Rc
0 0
= ……….. ( 3.12 )
Dimana :
Rc = Tahanan Kritis ( Ohm )
0P = Tegangan pada saat tahanan kritis ( Volt ) 0A = Arus medan pada saat tahanan kritis ( Amp)
Pada dasarnya tahanan kritis ( Rc ) merupakan tahanan total maksimum yang dapat dipasang agar suatu generator arus searah penguatan shunt tidak mengalami kegagalan dalam membangkitkan tegangan. Oleh karena kumparan medan shunt pada generator ( Rf ) merupakan suatu tahanan yang konstan maka besarnya tahanan (Rfg) maksimum yang harus dipasang seri pada tahanan medannya adalah :
f c
fg R R
R .max = − ……….. (3.13)
Dimana :
Rfg max = Tahanan maksimum yang diserikan dengan kumparan medan generator ( Ohm )
III. 7 Kecepatan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt
44 saat tahanan yang dipasang pararel dengan kumparan jangkar hanya kumparan medan ( Rf ) saja tanpa menggunakan tahanan Rfg.
0
I
fGambar 3.10 Tegangan yang dibangkitkan Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt kecepatan yang Bervariasi
Dari gambar 3.10 terlihat suatu generator diputar dengan kecepatan yang berbeda yaitu sebesar n1 dan n2. Dengan n1 > n2 maka tegangan induksi yang dibangkitkan pada kecepatan 1 lebih besar dari kecepatan 2 (Vo1>V02) sesuai dengan persamaan berikut ini :
45 didapatkanlah persamaan :
CD
CD = tegangan yang dibangkitkan pada kecepatan n1 ( Volt ) CE = tegangan yang dibangkitkan pada kecepatan n2 ( Volt )
46
Gambar 3.11 Kurva OCC dengan kecepatan kritis dan kecepatan pada saat tahanan kritis
47 Maka persamaannya menjadi :
AC BC n
nc = . ……….. ( 3.17 )
Dimana :
nc = Kecepatan kritis generator ( rpm )
48 BAB IV
PENENTUAN NILAI TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS
PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT
IV. 1 Percobaan Untuk Menentukan Nilai Tahanan dan Kecepatan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt
Rangkaian ekivalen dari generator arus searah penguatan shunt ini terdiri dari kumparan medan yang dipasang pararel dengan kumparan jangkarnya. Akan tetapai pda kumparan medannya tersebut membutuhkan rheostat yang dipasang seri untuk memvariasikan besarnya arus medan yang dihasilkan. Percobaan harus dilakukan sampai generator mencapai tegangan nominalnya.
Percobaan ini dilakukan di laboratorium konversi energi listrik FT – USU dengan spesifikasi generator sebagai berikut :
Name Plate Mesin / GI – 003
P = 1.2 kW V = 220 Volt Ia = 7.1 A n = 1400 rpm If = 0.177 A Kelas Isolasi = B
Untuk menentukan nilai tahanan dan kecepatan kritis dapat kita lakukan dengan percobaan beban nol disamping itu untuk menentukan parameter pada generator arus searah penguatan shunt dilakukan percobaan pengukuran tahanan jangkar dan medan..
Selama melakukan percobaan ini peralatan yang digunakan antara lain :
Power supply
Dioda penyearah
Tahanan yang dapat diatur (Rheostat)
Voltmeter
Amperemeter
Tachometer
49 Adapun prosedur percobaan yang dilakukan antara lain :
a. Percobaan Karakteristik Beban Nol
1. Rangkaian Percobaan disusun seperti gambar berikut ini, dimana semua switch dalam keadaan terbuka.
P
Gambar 4.1 Rangkaian Percobaan Beban Nol
2. Switch S2 ditutup, dengan mengatur PTAC2 maka arus penguat motor diatur sampai dicapai harga nominal.
3. Switch S1 ditutup dan PTAC1 dinaikkan sampai tegangan pada V1 nominal 4. Dengan mengatur arus penguat motor A2, putaran motor diatur hingga sama
dengan kecepatan nominal generator dan dicatat penunjukkan V2 yang berasal dari magnet sisa generator.
5. Pada keadaan tahanan penguat generator ( Rfg ) maksimum, switch S2 ditutup
6. Setelah Rfg diberikan, putaran diatur kembali agar tetap konstan, lalu diturunkan Rfg secara bertahap sampai dicapai tegangan nominal generator dan setiap penurunan tahanan putaran dijaga konstan.
50 b. Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar
1. Rangkaian percobaan disusun seperti Gambar
Gambar 4.2 Rangkaian Percobaan Pengukuran Tahanan Jangkar
2. Power Supply dalam posisi minimum.
3. Saklar S ditutup, lalu tegangan PTAC dinaikkan sampai pembacaan amperemeter menunjukkan arus nominal jangkar.
4. Kemudian pembacaan voltmeter dan amperemeter dicatat. Lalu nilai tahanan jangkar dihitung dengan membagi nilai tegangan dengan arus dari hasil percobaan
c. Percobaan Pengukuran Tahanan Medan
1. Rangkaian percobaan disusun seperti Gambar 4.3
51 2. Power Supply dalam posisi minimum
3. Saklar S ditutup, lalu tegangan dinaikkan dengan PTAC sampai pembacaan amperemeter menunjukkan arus nominal medan
4. Kemudian pembacaan voltmeter dan amperemeter dicatat. Lalu nilai tahanan medan dihitung dengan membagi nilai tegangan dengan arus dari hasil percobaan.
IV . 2 Data Percobaan
a. Karakteristik Beban Nol (OCC) n = 1650 rpm ( Konstan ) IL = 0
Tabel IV.1 Data Hasil Percobaan Beban Nol If ( mA ) Ea ( Volt )
0 10
10 22
20 36
22.5 42
35 63
40 73
60 105
80 130
100 153
120 170
140 189
160 203
180 217
52 b. Pengukuran Tahanan Jangkar
Tabel IV.2 Data Hasil Pengukuran Tahanan Jangkar VDC ( Volt ) IDC ( Amp )
R =
I V
( Ohm ) R Avg ( Ohm )
13,1 4,06 3.23
3.26
13,6 4,17 3.26
13,7 4,16 3.29
c. Pengukuran Tahanan Medan
Tabel IV.3 Data Hasil Pengkuran Tahanan Medan VDC ( Volt ) IDC ( mA )
R = I V
( Ohm ) R Avg ( Ohm )
62,2 50 1244
1244.67
61,6 50 1232
53 IV . 3 Analisa Data
IV . 3. 1 Penentuan Tahanan Kritis
Dari data pengujian beban nol didapatkanlah kurva karakteristik beban nol seperti gambar berikut ini :
Gambar 4.4 Grafik Beban Nol Hasil Pengujian dan Penentuan Tahanan Kritis
Dari gambar 4.4 di atas terlihat bahwa tahanan kritis ( Rc ) berada pada titik pertemuan antara If = 60 mA dan Ea pada 2/7 bagian dari antara nilai 100 dan 125, maka :
Ea = 100 + [ 7 2
x (125 - 100)]
= 100 + [ 7 2
54
Sehingga didapatkanlah tahanan kritisnya :
Rc ( Kritis ) = 3
Seperti pada tabel pengukuran tahanan kumparan medan didapatkan tahanan medan pada generator arus searah ini adalah :
Rf = 1244.67 ohm
Sehingga besarnya tahanan maksimum yang harus diserikan dengan tahanan medannya ( Rf ) adalah :
Rfgmax = Rf ( kritis) – Rf ( gen ) = ( 1785.71 – 1244.67 ) ohm = 541.04 Ohm
55 n = 1650 rpm ( konstan )
Tabel IV.4 Data Hasil Percobaan Beban Nol Dengan Variasi Tahanan Rfg No Rfg ( Ohm ) If ( mA ) Ea ( Volt )
1 700 15 18
2 800 10 16.5
3 1000 7.5 15.5
Bila tabel tersebut digabungkan dengan tabel data pengujian beban nol untuk mencari tahanan kritisnya maka didapatkanlah kurva beban nol sebagai berikut :
56 Dari gambar 4.5 terlihat bahwa pada saat menggunakan variasi Rfg > Rfg kritis, sebesar 700, 800 dan 1000 ohm titik pertemuan pada kurva dengan Ea yang relatif rendah hingga mendekati nilai tegangan sisanya ( residu ). Maka terbuktilah apabila tahanan ( Rfg ) yang dipasang seri dengan tahanan medan ( Rf ) lebih besar dari Rfg kritisnya maka nilai tegangan yang dibangkitkan ( Ea ) akan mendekati nilai tegangan residunya sehingga dapat dikatakan gagal dalam membangkitkan tegangan. Pada generator ini didapatkan Rfg kritisnya sebesar 541.04 ohm, sehingga Rfg yang harus dipasang harus lebih kecil dari 541.04 ohm.
IV. 3. 2 Penentuan Kecepatan Kritis
Seperti telah dijelaskan pada bab III, untuk menentukan besarnya kecepatan kritis dapat dilakukan dengan pengujian beban nol yang didapatkan untuk mencari tahanan kritis pada pembahasan sebelumnya. Hal ini terlihat pada gambar berikut ini:
57 Pada gambar 4.5 menunjukkan pada titik C saat n = 1650 rpm dan Rc = 1785.71 ohm didapatkan Ea = 750/7 volt, sedangkan didapatkan pada titik D saat kecepatan kritis ( nc ) dan Rf ( gen ) = 1244.67 ohm, didapatkan Ea berada pada nilai antara 50 dan 75 volt, maka Ea pada titik D adalah :
Sehingga didapatkanlah kecepatan kritisnya sebesar :
nc ( kritis ) =
58 tersebut dapat kita lakukan dengan melakukan pengujian kembali dengan beberapa variasi kecepatan yang digunakan seperti berikut ini :
1. Kecepatan di atas nc
• n = 1450 rpm ( konstan )
Tabel IV.5 Data Hasil Percobaan Beban Nol Dengan kecepatan di atas kecepatan kritis sebesar 1450 rpm
No If ( mA ) Ea ( Volt )
1 0 7.2
2 7.5 13
3 20 26
4 30 38
5 40 52.3
6 50 64.2
7 60 80.4
8 70 89.2
9 80 98.7
59 2. Kecepatan di bawah nc
• n = 1000 rpm ( konstan )
Tabel IV.6 Tabel Hasil Percobaan Beban Nol dengan Kecepatan di Bawah Kecepatn kritis sebesar 1000 rpm
No If ( mA ) Ea ( Volt )
1 0 5.1
2 2.5 8.4
3 4 8.7
4 5 9.1
5 6 10.4
6 7.5 10.9
• n = 950 rpm ( konstan )
Tabel IV.7 Tabel Hasil Pengukuran Dengan Kecepatan Di Bawah Kecepatan Kritis Sebesar 950 rpm
No If ( mA ) Ea ( Volt )
1 0 4.7
2 2.5 7.7
3 4 8.1
4 5 8.5
61 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V. 1 Kesimpulan
Dari data dan analisa yang didapatkan, dapat ditarik kesimpulan antara lain : 1. Pada generator arus searah penguatan shunt medan magnet pada tahanan
medan berasal dari tegangan sisa ( residu ) generator tersebut.
2. Pada generator arus searah penguatan shunt ini didapatkan tahanan kritis (Rc ) sebesar 1785.71 ohm, dengan tahanan generator (Rf) sebesar 1244.67 ohm maka tahanan maksimum yang dipasang seri dengan tahanan medan generator sebesar 541.04 ohm.
3. Pada generator arus searah penguatan shunt ini memiliki kecepatan kritis (nc) besarnya 1100 rpm.
V. 2 Saran
62
DAFTAR PUSTAKA
1. Chapman S J. 1985. “Electric Machinery Fundamental”, Mc Graw-Hill Book
Company
2. Eugene C. Lister. 1993. “Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi Keenam.Jakarta :
Penerbit Erlangga
3. Thearaja B. L. 1989. “A Teks-Book of Electrical Technology”, Nurja Construction
& Development, New Delhi.
4. Wijaya, Mochtar. 2001 . ”Dasar-Dasar Mesin Listrik”. Jakarta : Penerbit Djambatan.
5. Kumar, K. Murugesh, 1982. ”DC Machines & Transformer”, Vikas Publishing House
PVT LTD, New Delhi.
6. Zuhal. 1995. ”Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Edisi Kelima
Jakarta : Penerbit Gramedia,
