MODUL PERKULIAHAN
Mesin Arus
Searah dan
Transformat
or
Pendahuluan
Pengantar Mesin Arus
Searah dan Transformator
Fakultas Program Studi Tatap Muka Kode MK Disusun Oleh
Teknik Teknik Elektro
01
MK14025 Ir. Badaruddin, MTAbstract
Kompetensi
Mesin listrik terdiri dari mesin arus searah dan arus bolak balik. Mesin arus searah terdiri dari generator dan
motor arus searah sedangkan mesin arus bolak balik terdiri dari generator dan motor arus bolak balik serta transformator. penggunaan generator ini sebagai penguat generator utama pada pusat pusat pembangkit
Pengantar Mesin Arus Searah dan
Transformator
Pengertian dan kegunaan generator arus searah
Generator ialah suatu mesin yang mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Tenaga mekanik di sini digunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnit diantara kumparan kawat penghantar, tenaga mekanik dapat berasal dari tenaga panas, tenaga potensial air, motor diesel, motor bensin bahkan ada yang berasal dari motor listrik.
Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut bias arus searah atau arus bolak – balik, hal ini tergantung dari susunan/konstruksi generator dan system pengambilan arusnya.
Oleh sebab itu ada 2 mavam generator : a) Generator arus searah.
b) Generator arus bolak – balik.
Generator arus searah ialah suatu mesin pengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik arus searah.
Tenaga listrik arus searah biasanya tidak diproduksi secara besar sebagaimana tenaga arus bolak balik (pada pusat – pusat pembangkit), alas an yang penting ialah pada lisytrik arus searah timbul persoalan rugi – rugi untuk mengirim tenaga listrik jarak jauh (transmisi). Untuk arus bolak – balik hal ini bias diatasi dengan trafo. Lagi pula orang mudah sekali merubah listrik arus bolak – balik menjadi listrik arus searah.
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 di tempatkan tetap (stationary) maupun bergerak. Dalam hal ini untuk yang di tempatkan tetap misalnya generator yang di pergunakan untuk mengisi accu mobil.
Kegunaan lain:
Untuk menggerakan kontrol
Untuk penggerak
Di pusat – pusat tenaga listrik, generator arus searah berfungsi sebagai sumber penguat magnit (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.
Yang akan dibahas disini adalah generator arus searah yang penyearah arusnya merupakan penyearah mekanik (memakai komutator – komutator). Kalau melihat definisinya pengertian generator arus searah akan menyangkut generator arus searah yang penyarah arusnya adalah penyerah electronics. Yang disebut terakhir tidak dibahas dalam buku ini
Dasar – dasar Genator Arus Searah
Untuk mempelajari generator arus searah lebih dahalu kita pelajari dasar – dasar teorinya.
Salah satu percobaan yang erat hubungnannya dengan prinsip generator adalah percobaan faraday.
Prinsip percobaan Faraday:
Gambar 1.1 GGL Induksi Perhatikan gambar 1.1
Bergeraknya jarum tersebut disebabkan oleh timbulnya gaya gerak listrik induksi (GGL induksi) pada kumparan.
Besarnya GGL induksi rata – rata (e) =
Dengan arti :
N : banyak lilitan dari kumparan
: perubahan fluks magnit dalam satuan Weber
: perubahan aktu dalam satuan detik
GGL induksi yang terbentuk dalam kumparan (e) tandanya negative (-). Hal ini sesuai dengan hokum lenz yang mengatakan bahwa :
“Arah dari arus induksi ialah sedemikian rupa sehingga melawan sebab yang menimbulkannya “, percobaan Faraday tersebut mengandung pengertian bahwa apabila sepotong kawat penghantar listrik berada dalam medan magnit berubah – ubah, maka di dalam kawat tersebut akan terbentuk GGL induksi. Demikian pula sebaliknya bila sepotong kawat penghantar listrik digerak – gerakkan dalam medan magnit, maka dalam kawat penghantar tersebut juga tersebut GGL induksi.
Jadi percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah – ubah. Hal ini dapat dilaksanakan dengan 2 cara yaitu :
1. Kawat penghantar bergerak, jumlah garis gaya yang diliputi tetap. 2. Kawat penghantar diam, jumlah garis gaya yang diliputi berubah. Oleh karena itu pada prinsipnya kerja generator terdapat 3 hal pokok yaitu:
1. Adanya fluks magnet, yang di hasilkan oleh kutub – kutub magnit.
2. Adanya kawat penghantar listrik yang merupakan tempat terbentuknya GGL. 3. Adanya gerakan relative antara fluks magnit dengan kawat penghantar listrik.
Generator yang kita bicarakan disini adalah yang kawat penghantar bergerak, jumlah
Terbentuknya GGL Pada Kumparan Berputar
Telah di jelaskan dimuka bahwa terbentuknya GGL pada generator terdasar percobaan Faraday, yang mengatakan bahwa kumparan yang di gerakkan dalam medan magnit, di dalam kawat kumparan tersebut akan terbentuk GGL.
Gambar 1.2 Kumparan berputar dalam medan magnit
Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbuh putarnya yang sejajar dengan sisi AB dan CD sesuai dengan hokum Faraday GGL induksi yang terbentuk pada AB dan CD besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnit yang dipotong kumparan ABCD tiap detik yakni:
1.1
Dimana :
: GGL induksi sesaat yang terbentuk .
: perubahan fluks magnit yang dipotong – weber.
: Perubahan waktu – dalam satuan detik.
Bila kumparan dengan kecepatan sudut yang tetap dalam medan magnet serba sama, maka besarnya fluks magnit yang di potong setiap saat adalah:
1.2
Bila persamaan 1.2 di masukan persamaan 1.1 maka diperoleh besarnya GGL induksi sesaat.
1.3
Dimana :
: GGL induksi sesaat terbentuk : Volt
: GGL induksi maksimum terbentuk : Volt
: fluks magnit maksimum yang dipotong : weber
: kecepatan sudut berputarnya kumparan : rad/detik
: waktu tertentu. : detik
Sesuai dengan hukum tangan kanan, maka GGL induksi yang terbentuk pada sisi kumparan di daerah utara dan selatan arahnya berlawanan. Sedangkan tepat pada kedudukan kumparan tegak lurus fluks magnit, GGL induksi yang terbentuk pada masing – masing sisi kumparan adalah nol.
Dari persamaan 1.2 dan 1.3 maka penggambaran GGL induksi yang terbentuk pada setiap sisi kumparan akan terlihat seperti pada gambar 1.3.
Gambar 1.3 Bentuk Fluks magnit dan GGL terbentuk pada sisi kumparan
Bagian – bagian Terpenting dari Generator Arus Searah
Gambar 1.4 Badan (Body) generator arus searah
Gambar 1.6 bagian – bagian terpenting dari generator arus searah
Badan Generator
Fungsi utama dari badan generator adalah sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks magnit yang dihasilkan kutub – kutub magnit, karena itu badan generator dibuat dari bahan 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 diatas, maka umumnya badan generator yang besar umunya di buat dari besi tuang. Sedangkan generator yang besar umumnya dibuat dari plat – plat campuran baja.biasanya pada generator terdapat “ papan nama ” ( name Plate) yang bertuliskan spesifikasi umum atau data – data teknik dari generator. Dengan adanya papan nama tersebut dapatlah di ketahui beberapa hal pokok yang perlu diketahui dari generator tersebut. Selain pana nama tersebut pada badan generator juga terdapat “ kotak ujung “ (terminal box) yang merupakan tempat – tempat ujung – ujung lilitan penguat magnit dan lilitan jangkar.
Ujung – ujung lilitan jangkar ini sebenarnya tidak langsung dari lilitan jangkar dengan melalui komutator dan sikat – sikat. Dengan adanya kotak ujung ini maka akan memudahkan dalam pergantian susunan lilitan penguat magnit dan memudahkan pemeriksaan kerusakan yang mungkin terjadi pada lilitan jangkar maupun lilitan pengaut tanpa membongkar mesin.
Tanda – tanda ari ujung lilitan tersebut setiap pabrik atau negara mempunyai normalisasi huruf tertentu. Huruf – huruf pada terminal menurut sistem VEMET dan VDE :
Bagian mesin/ lilitan VEMET VDE
Lilitan shunt elektromagnetisme. Lilitan penguat magnit berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetisme. Untuk jelasnya perhatikan gambar
Adapun aliran fluks magnit seperti di tunjukan pada gambar. Dari kutub utara melalui celah udara, terus mengalir ke jangkar, ke kutub selatan (setelah lebih dahulu melalui celah udara), kemudian kembali ke kutub utara melewati badan generator.
Sikat -sikat
Fungsi dari sikat – sikat adalah untuk jembatan bagi aliran arus dari lilitan dengan beban. Disamping itu sikat – sikat memagang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Agar gesekan anatara komutator – komutator dan sikat tidak mengakibatkan arusnya komutator, maka sikat harus lebih lunak dari pada komutator. Biasanya dibuat dari bahan arang (coal).
Komutator
Sebagaimana diketahui komutator berfungsi sebagai penyearah mekanik, yang bersama – sama dengan sikat – sikat membuat suatu kerjasama yang disebut komutasi. Supaya menghasilkan penyearahan yang lebih baik (lebih rata) maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Dalam hal ini setiap belahan (segmen) komutator tidak lagi merupakan bentuk separo dari cincin, tetapi sudah berbentuk lempeng – lempeng. Diantara setiap lempeng (segmen komutator) terdapat bahan isolator.
Komutator terdiri dari :
a. Komutator bar, merupakan (tempat) terjadinya pergesekan antara komutator dengan sikat – sikat.
b. Riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator dengan ujung dari juluran lilitan jangkar.
Isolator yang digunakan yang terletak antara komutator – komutator dan komutator – komutator dengan as (poros) menentukan kelas dari generator berdasarkan kemampuan terhadap suhu yang timbul dalam mesin tersebut. Jadi disamping sebagai isolator terhadap listrik, maka isolator yang digunakan harus mampu terhadap panas tertentu. Berdasarkan jenis isolator yang digunakan, dari kemampuan panas ini di kenal kelas – kelas sebagai berikut :
a) Kelas A : katun, sutera alam, sutera buatan, kertas. b) Kelas B : serat asbes, serat gelas.
c) Kelas C : mika, gelas, kwarsa, porselin, keramik.
Gambar 1.7 (a) Pemasangan komutator (b) segmen komutator
Gambar 1.8 Jangkar dan lilitannya
Jangkar
Jangkar dibuat dari bahan ferromagnetik, dengan maksud agar kumparan – kumparan ( lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnitnya besar, supaya GGL induksi yag terbentuk dapat bertambah besar.
Seperti halnya inti kutub magnit, maka jangkar dibuat dari bahan berlapis – lapis tipis untuk mengurangi panas yang terbentuk karena adanya arus liar. Bahan yang digunakan untuk jangkat ini sejenis campuran baja silikon.
Pada umumnya alur tidak hanya diisi kumparan, tetapi diisi lebih dari satu sis kumparan yang disusun secara berlapis.
Gambar 1.9 (a) jangkar beralur (b) lempeng plat jangkar
Prinsip Penyearah Tegangan Listrik Mesin Arus Searah (komutasi)
Pembangkitan tegangan yang dihasilkan oleh mesin arus searah pada prinsipnya sama seperti pada mesin arus searah bolak – balik yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan listrik bolak – balik.
Gambar 1.10 mesin arus searah sederhana dengan satu belitan rotor tunggal Perhatikan gambar 1.10 untuk terjadinya induksi tegangan, penghantar rotor yang bergerak harus memotong medan magnet. Dengan demikian, maka tegangan hanya akan terinduksi pada segmen ab dan cd dari belitan rotor pada gambar 1.10. Tegangan induksi yang terjadi dinyatakan sebagai :
B = kerapatan fluks magnetik I = panjang penghantar.
Arah (v X B ) merupakan arah arus di dalam penghantar bila terhubung dengan beban, seperti pada gambar. Besar tegangan induksi yang terbentuk pada penghantar tunggal adalah sbb :
Dengan bergeraknya lilitan, maka polaritas tegangan pada belitan akan berubah bergantung posisi penghantar terhadap kutub utara selatan. Bentuk gelombang tegangan yang terinduksi pada belitan rotor diperlihatkan pada gambar berikut ini. Dapat dilihat bahwa tegangan yang terbentuk adalah tegangan bolak – balik (AC). Untuk itu diperlukan proses penyearah didalam mesin mesin arus searah.
Daftar Pustaka
1. Principles of direct current machines, alexander S. lansdrorf 2. Mesin arus searah sumarno
