Bab 4 generator arus searah - Bab 2 Generator Arus Searah-REV03-Agustus 2017

BAB 4

GENERATOR ARUS SEARAH

Edit by

Harlianto Tanudjaja

INTRODUCTION



In this lecture we consider various forms of

rotating

electrical machines



These can be divided into:

 _{generators – which convert mechanical energy into}

electrical energy

 motors – which convert electrical energy into

mechanical energy



Both types operate through the interaction

DC GENERATORS OR DYNAMOS



Practical

DC generators

or

dynamos

can take a

number of forms depending on how the magnetic

field is produced

 can use a permanent magnet

 more often it is generated electrically using field coils

 current in the field coils can come from an external supply

 this is known as a separately excited generator

 but usually the field coils are driven from the generator output

 this is called a self-excited generator

 often use multiple poles held in place by a steel tube

WHAT IS ELECTRICITY?

Electricity is energy transported by

the motion of electrons

Electricity is energy transported by

the motion of electrons

**We do not make electricity, we

CONVERT other energy sources into

electrical energy**

**We do not make electricity, we

CONVERT

other energy sources into

electrical energy**

Conversion is the name of the game

ELECTRIC GENERATOR

G

Mechanical

Energy Electrical_Energy

Stationary magnets - rotating magnets - electromagnets

dcmotor 6

PANDANG DEPAN

A SIMPLE AC GENERATOR



We noted earlier that Faraday’s law dictates that if

a coil of

N

turns experiences a change in magnetic

flux, then the induced voltage

V

is given by



If a coil of area

A

rotates with respect to a field

B

,

and if at a particular time it is at an angle



to the

field, then the flux linking the coil is

BA

cos



, and

the rate of change of flux is given by

FUNGSI & KONSTRUKSI GENERATOR

 F

ungsi generator

:

Untuk mengubah tenaga mekanik menjadi

tenaga listrik.



Konstruksi generator:

Generator arus searah (DC) terdiri atas dua

bagian:

1. Rotor,

yaitu bagian yang berputar.

 Sebuah generator DC memiliki kutub utama dan

kutub pembantu pada stator-nya.

 Untuk mengambil arus listrik yang diinduksi di

kawat-kawat penghantar, maka pada stator terdapat sikat-sikat. Jadi bagian-bagian dari stator adalah :

1. Kerangka generator

2. Kutub utama dengan belitannya

3. Kutub pembantu dengan belitannya 4. Sikat-sikat

5. Bantalan-bantalan poros

A SIMPLE DC GENERATOR



The alternating signal from the earlier AC

generator

could

be converted to DC using a

rectifier



A more efficient approach is to

replace

the two slip

rings

with a

single split slip

ring called a

commutator

 this is arranged so that connections to the coil are

reversed as the voltage from the coil changes polarity

 hence the voltage across the brushes is of a single

polarity

 adding additional coils produces a more constant

PROSES-MEDAN MAGNET



Thus for the arrangement shown below

SLIP-RING



Wires connected to

the rotating coil

would get twisted



Therefore we use

circular

slip rings

with sliding

contacts called

dcmotor 15

FORE FINGER = MAGNETIC FIELD

900

900

900

MIDDLE FINGER = INDUCED VOLTAGE

PRINSIP KERJA GENERATOR DC

 Sebuah lilitan diputar di dalam medan magnet,

maka di dalam kawat akan timbul arus induksi. Bila ujung-ujung kawat tersebut dihubungkan dengan cincin-cincin, maka tegangan yang terukur pada cincin-cincin tersebut adalah

OUTPUT-SINYAL AC



Therefore this arrangement produces a

GENERATOR DC



Use of a commutator :

GENERATOR DC

 Bila cincin diganti dengan komutator, maka

tegangan yang terukur adalah tegangan searah (DC).

 Disini komutator bertindak sebagai saklar, yang

KOMUTASI

 Fungsi komutator adalah:

1. Mengumpulkan arus-arus

2. Memindahkan sakeling atau merubah arus

 Komutator atau kolektor terdiri atas sekian

banyak lamel, sejumlah lilitan yang ada.

 Gambar (a) : Posisi sikat adalah sedemikian rupa,

sehingga dari masing-masing lilitan I dan II dikumpulkan arus jangkar I_J.

 Gambar (b) : Arus jangkar dikumpulkan dari

lilitan 0 dan II, sedangkan lilitan I terhubung singkay.

 Gambar (c) : Arus jangkar dikumpulkan dari

 Yang perlu mendapat perhatian di sini adalah di

lilitan I, dari posisi (a) ke posisi (c), arus sebesar 0,5 I_J membalik arah dari positif ke negatif. Perubahan arus ini akan menyebabkan perubahan medan, yang berarti akan timbul GGL sendiri.

 Dalam posisi (b) hal ini akan menimbulkan terjadinya

suatu arus hubung singkat, yang akan melalui sikat serta menimbulkan bunga api yang akan mudah merusak lamel dan sikat.

 Untuk mengatasi ini, sikat dibuat dari material yang

memiliki tahanan besar, yaitu grafit. Selain itu, karena posisi lilitan yang terhubung singkat tadi tepat berhadapan dengan medan kutub bantu, maka medan kutub bantu juga akan menginduksi GGL yang berlawanan dengan arus yang terhubung singkat.

 Pada mesin listrik DC pada umumnya, komutator dan

 Arus yang didapat pada terminal adalah jumlah

dari arus-arus yang diinduksi di masing-masing kumparan, dan bentuknya mendekati arus searah.

 Agar kumparan pada rotor pada saat berputar

KONSTRUKSI MOTOR DC



The ripple can be further reduced by the use

of a cylindrical iron core and by shaping the

pole pieces

 this produces an

approximately

uniform field in the narrow air gap

 the arrangement

of coils and core is known as the

 Jadi rotor terdiri atas :

1. Poros inti jangkar 2. Inti jangkar

3. Kumparan jangkar 4. Komutator

 Jumlah segmen dari komutator sama dengan

 Medan magnet utama, tidak berputar, terdapat

pada stator. Pembuatan medan utama ini dapat dilakukan dengan magnet permanen atau magnet listrik.

 Karena magnet permanen relatif kecil dan tidak

dapat diatur, maka magnet permanen hanya digunakan pada generator-generator kecil, seperti dinamo sepeda.

 Pada magnet listrik, besar medan magnet dapat

diatur, dengan mengatur besar arus listrik yang mengalir di lilitan kutub. Besar flux () terhadap

shunt-wound generator



Field coil excitation

 sometimes the field coils are connected in series

with the armature, sometimes in parallel (shunt) and sometimes a combination of the two

(compound)

 these different forms

KARAKTERISTIK MOTOR DC



DC generator characteristics

 vary slightly between forms

 examples shown here are for a shunt-wound



As with DC generators multiple poles and

sets of windings are used to improve

efficiency

 sometimes three sets of armature windings

are spaced 120 apart around the stator to form

a three-phase generator



The e.m.f. produced is in sync with rotation

of the rotor so this is a

synchronous

generator

 if the generator has a single set of poles the

output frequency is equal to the rotation frequency

 if additional pole-pairs are used the frequency is

JENIS-JENIS BELITAN JANGKAR

 Kumparan pada rotor dibelit pada jangkar.

Jangkar dapat merupakan jangkar cincin atau jangkar tromol. Karena jangkar cincin jarang sekali digunakan, maka kita hanya akan membahas jangkar tromol.

 Belitan pada jangkar tromol dapat merupakan

belitan jerat atau belitan gelombang.

 Ini dapat kita lihat apabila tromol dengan

MEDAN JANGKAR

 Bila generator DC menghasilkan arus, maka arus ini akan mengalir pula melalui lilitan jangkar, yang mengakibatkan timbulnya suatu medan baru, yaitu medan jangkar.

 Medan jangkar ini yang pada awalnya merupakan reaksi, tidak diperlukan, bahkan menyulitkan, karena mempengaruhi medan utama. Bersama medan utama, medan jangkar menghasilkan medan total. Medan total ini yang menyebabkan induksi.

 Posisi sikat letaknya tegak lurus medan utama, seharusnya tegak lurus terhadap medan total. Akibatnya timbul percikan-percikan api. Untuk mengatasi ini, maka posisi sikat harus digeser menjadi tegak lurus terhadap medan total.

 Untuk mengatasi ini, medan jangkar harus

dihapuskan. Ada dua cara, yaitu dengan menggunakan lilitan kutub pembantu atau dengan menggunakan lilitan kompensasi.

 Penggunaan lilitan kutub pembantu dilakukan

 Pada lilitan kompensasi yang terpisah dibuat

 Kesulitan yang menyebabkan terjadinya bunga

api antara lain : 1. Sebab Mekanis

 Kurang bulatnya bentuk komutator

 Ada lamel yang menonjol keluar

 Isolasi yang menonjol keluar

 Tekanan sikat yang terlalu rendah

2. Sebab Listrik

 Kesalahan posisi sikat

 Kesalahan atau kerusakan pada lilitan

TEGANGAN YANG DITIMBULKAN

PADA GENERATOR DC

 Tegangan yang diinduksi dalam

kumparan-kumparan di rotor, pada generator DC adalah :

 Dimana :

E_a = GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator.

 = Flux per kutub (Weber)

P = Jumlah kutub

Z = Jumlah penghantar total N = Kecepatan putar (rpm)

JENIS-JENIS GENERATOR DC

 Berdasarkan cara memberikan fluks pada

kumparan medannya, generator DC dapat dikelompokkan menjadi dua :

1. Generator berpenguatan bebas (penguatan luar)

1. GENERATOR BERPENGUATAN

BEBAS (PENGUATAN LUAR)

 Tegangan DC yang dipasangkan pada kumparan

 Kalau penguatan tetap, maka _ tetap dan jika N

diubah-ubah maka berlaku :

 Jika generator dihubungkan dengan beban, dan

R_a adalah tahanan dalam jangkar generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : V_f = I_f  R_f

E_a = K    N

2.GENERATOR BERPENGUATAN

SENDIRI

 Generator berpenguatan sendiri dapat dibedakan

menjadi empat yaitu : 1. Generator DC Seri

2.1 GENERATOR DC SERI

 Karakteristik luar

V = E – I (R_a + R_s) adalah linear untuk I dan V. Berarti bahwa dalam karakteristik tanpa beban, perlu senantiasa dipotong dari E, suatu nilai yang berbanding lurus dengan I.

 Perhatikan gambar pada slide berikutnya,

dengan menggunakan segitiga-segitiga karak-teristik, dapat diperoleh karakteristik luar menurut kurva pada gambar bawahnya.

 Mesin seri hanya akan memberi tegangan bila

GENERATOR DC SERI

I

_a

= I

_L

= I

_s

V = E

_a

– I

_a

R

_a

V = V

_L

+ I

_s

R

_s

2.2 GENERATOR DC SHUNT

I

_a

= I

_f

+ I

_L

V = V

_f

= V

_L

V = E

_a

– I

_a

R

_a

GENERATOR DC SHUNT

Karakteristik beban nol dan karakteristik dalam, untuk generator DC shunt sama dengan generator DC berpenguatan bebas.

#) Karakteristik luar

 Garis AR adalah ukuran arus jangkar I_a.

 Garis RR₁ adalah tegangan V, namun OR juga

merupakan ukuran untuk tegangan V tersebut.

GENERATOR DC KOMPON

1. Karakteristik beban nol atau lengkung magnetisasi, diambil sama dengan generator DC berpenguatan bebas.

Bertitik tolak dari lengkung magnetisasi,

untuk mendapatkan EMF sebesar OR pada tak

berbeban, dibutuhkan medan sebesar Oa.

Untuk melawan medan jangkar, arus medan

harus dinaikkan sebesar ab.

3. Karakteristik luar

4.GENERATOR DC KOMPON PANJANG

V

_L

= E

_a

– ( I

_s

R

_s

+ I

_a

R

_a

)

I

_a

= I

_f

+ I

_L

= I

_s



tanpa R

_D

5. GENERATOR DC KOMPON PENDEK

V_L = E_a – ( I_s R_s + I_a R_a) I_a = I_f + I_L  tanpa R_D

I_a = I_s + I_d  dengan R_D // R_s

 Pada saat mesin dihidupkan (S ditutup), timbul

suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan berputarnya rotor, muncul tegangan induksi yang kecil pada sikat-sikat.

 Dengan adanya tegangan induksi ini, mengalirlah

arus dalam kumparan medan. Arus ini menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya.

 Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan

PENGATURAN TEGANGAN

(VOLTAGE REGULATION)

 Sebuah generator DC tanpa beban memiliki

tegangan terminal V_NL. Begitu diberi beban penuh, tegangan akan turun menjadi V_FL.

 Voltage regulation :

 Semakin kecil V_R semakin baik generator

EFISIENSI MESIN-MESIN ARUS SEARAH

 Efisiensi :

 Dimana :

P_input = Daya total yang diterima mesin P_output = Daya yang berguna dalam kerja

 Rugi-rugi tembaga terdiri dari :

5. Rugi-rugi pada lilitan medan tambahan, misalnya belitan pada kutub bantu, dan lain sebagainya.

 Rugi-rugi besi/mekanis terdiri dari:

1. Rugi-rugi besi, misalnya histeresis, focoult, dsb-nya. 2. Rugi-rugi gesekan.

KARAKTERISTIK GENERATOR DC

Ada tiga karakteristik atau kurva generator DC yang penting, yaitu :

1. Karakteristik penjenuhan beban nol ( )

Karakteristik ini dikenal sebagai karakteristik magnetik atau karakteristik circuit terbuka (open circuit characteristic = OCC). Hal ini memberi hubungan antara EMF induksi jangkar E₀ pada beban nol dan medan atau arus penguatan I_f pada kecepatan tetap. Sesungguhnya adalah merupakan kurva magnetisasi untuk bahan-bahan elektromagnet.

2. Karakteristik dalam atau karakteristik beban ( )

Karakteristik ini memberi hubungan antara tegangan terminal V yang sesungguhnya dengan arus penguat I_f. Karakteristik ini penting sekali dalam perencanaan.

3. Karakteristik luar

Karakteristik ini menunjukkan unjuk kerja atau kurva pengaturan tegangan. Memberi hubungan antara tegangan terminal V (jala-jala) dan arus beban I_L.

GENERATOR DC

BERPENGUATAN BEBAS

1. Karakteristik beban nol

E₀ sebagai fungsi dari arus penguat I_f pada kecepatan N konstan.

Untuk sebuah generator, dengan kecepatan N tetap, maka E_a = K  , dimana  adalah fungsi

2. Karakteristik dalam / karakteristik berbeban

atau tegangan terminal sebagai fungsi dari arus medan dengan kecepatan N dan arus beban konstan. Titik tolak adalah kurva tanpa beban. Setelah mesin dapat beban, mengalir arus I_a atau I_L melalui jangkar sehingga terjadi :

 Suatu medan jangkar yang melawan sebesar _ ,

dengan demikian maka pada kurva magnetisasi perlu kembali satu langkah, dikurangi dari medan utama.

 Suatu kerugian tegangan, sebesar I_a R_a yang berkurang

dari nilai E sehingga V = E – I_a R_a

3. Karakteristik luar

KERJA PARALEL

 Bila muatan bagi suatu generator terlalu besar,

maka dapat dua atau lebih generator diparalel. Umumnya yang dapat dikerjakan paralel hanya generator-generator DC shunt atau kompon. Sering pula generator DC diparalel dengan sumber tegangan DC lainnya, misalnya accu.

 Contoh dua generator shunt dalam paralel :

Pada saat jaringan kedua generator belum dibebani, maka E₀₁ dan E₀₂ sama besarnya dan arus beban sangat kecil. Setelah jaringan dibebani dan tegangan terminal sama dengan V₁, maka generator (I) menyumbangkan arus ke jaringan sebesar I₁ dan generator (II) sebesar I₁₁.

Bila dikehendaki, generator (II) menyumbangkan arus yang sama besarnya dengan generator (I), maka GGL generator (II) harus dinaikkan dan GGL generator (I) diturunkan, dan ini dapat dilakukan dengan menaikkan arus penguat generator (II) dan menurunkan arus penguat generator (I).

Bila tegangan E₁ tidak sama dengan E₁₁, maka akan muncul arus melingkar I_r yang memutar di dalam circuit kedua generator.

I_r ini akan membuat kedua generator panas. Dari rumus tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar R_a (tahanan jangkar), maka semakin kecil I_r .

Demikian pula reaksi jangkarnya, untuk generator (I) naik dan generator (II) turun, dengan demikian perbedaan tegangan E₁ dan E₁₁ menjadi lebih kecil. Jadi reaksi jangkar akan mengurangi besar I_r .