generator dc arus searah (1)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Listrik adalah suatu penemuan yang luar biasa yang ditemukn oleh Thomas Alva Edison, dimana sebagai orang pertama kali yang menemukan listrik pada tahun 1879, sekitar 120 tahun yang lalu. Listrik suatu penemua yang femomenal yang dapat merubah semua kehidupan dari zaman ke zaman, listrik semakin berkembang dari segi penggunaan dan pencitaannya.

Beranekan macam cara untuk dapat mendapatkan listrik di zaman moderen seperti ini dan banyak bermunculan versi-versi pembangkit listrik yang ramah lingkungan dan praktis yang bisa digunakan di dalam ruang lingkup yang kecil.

Listrik juga salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk mengirimkan energi. Pembangkit listrik juga diantaranya seperti bahan baker fosil (minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik.

2.2 Rumusan Masalah

1. Apa yang dimaksud dengan sistem pembangkit tenaga listrik? 2. Apa yang dimaksud dengan generator DC arus searah?

3. Apa yang dimaksud dengan motor DC arus searah?

2.3 Tujuan

1. Mengetahui apa yang dimaksud dengan sistem pembangkit tenaga listrik?

BAB II

SISTEM PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK

2.1 Energi Listrik

Menurut Wikipedia (2012) Energi listrik adalah energi akhir yang dibutuhkan bagi peralatan listrik/energiyang tersimpan dalam arus listrik untuk menggerakkan motor, lampu penerangan, memanaskan, mendinginkan ataupun untuk menggerakkan kembali suatu peralatan mekanik untuk menghasilkan bentuk energi yang lain. Energi yang dihasilkan dapat berasal dari berbagai sumber, seperti air, minyak, batu bara, angin, panas bumi, nuklir, matahari, dan lainnya. Energi ini besarnya dari beberapa Joule sampai ribuan hingga jutaan Joule.

Energi listrik (kekuatan listrik / daya listrik) adalah bentuk energi yang dihasilkan dari adanya perbedaan potensial antara dua titik, sehingga membentuk sebuah arus listrik diantara keduanya ketika dibawa ke dalam kontak melalui sebuah konduktor listrik, dan untuk memperoleh kerja listrik tersebut. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain energi seperti energi cahaya atau sinar, energi mekanik dan energi panas.

Energi listrik dinyatakan sebagai arus listrik, yakni sebagai gerakan muatan listrik negatif atau elektron melalui kabel konduktor logam karena perbedaan potensial diterapkan untuk generator pada ujung-ujungnya.

Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya: • Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan kompor listrik.

• Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.

• Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.

sumber arus akan mengeluarkan energi pada penghantar yang bergantung pada:

• Beda potensial pada ujung-ujung penghantar (V). • Kuat arus yang mengalir pada penghantar (i). • Waktu atau lamanya arus mengalir (t).

Berdasarkan pernyataan di atas, dan karena harga V = R.i, maka persamaan energi listrik dapat dirumuskan dalam bentuk :

W = V.i.t W= (R.i).i.t

W = i^2.R.t (dalam satuan watt-detik)

dan karena i = V/R, maka persamaan energi listrik dapat pula dirumuskan dengan:

W = i^2.R.t W = (V/R^2.R.t

W = V^2.t/R (dalam satuan watt-detik) Keuntungan menggunakan energi listrik: a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain. b. Mudah ditransmisikan.

c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.

Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:

Q = 0,24 V i t……kalori Q = 0,24 i^2 R t…..kalori Q = 0,24 V^2.t/R….kalori

Jika V, i, R, dan t masing-masing dalam volt, ampere, ohm, dan detik, maka panas (kalor) dinyatakan dalam kalori.

a. Beda potensial antara kedua ujung kawat penghantar (V) b. Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)

c. Waktu selama arus mengalir (t).

dan hubungan ketiganya ini dikenal sebagai "hukum Joule"

Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24 kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah: Q = 0,24 V.i.t kalori

.

2.2 Teknik Tenaga Listrik

Teknik Tenaga Listrik ialah ilmu yang mempelajari konsep dasar kelistrikan dan pemakaian alat yang asas kerjanya berdasarkan aliran elektron dalam konduktor (arus listrik). Dalam Teknik Tenaga Listrik dikenal dua macam arus :

1. Arus searah dikenal dengan istilah DC (Direct Current) 2. Arus bolak balik dikenal sebagai AC (Alternating Current)

2.3 Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga listrik merupakan sekumpulan pusat listrik dan pusat beban atau gardu induk yang dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga menjadi sebuah kesatuan interkoneksi. Pada dasarnya sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi tiga kelompok sub-sistem yaitu :

- Sistem Pembangkit - Sistem Transmisi - Sistem Distribusi

tidak ada standar umum yang dibuat untuk mengatur tegangan keluaran generator.

Pembangkit dapat dibedakan menjadi berbagai jenis seperti Pusat Listrik Tenaga Diesel (PLTD), Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU), Pusat Listrik Tenaga Air (PLTA), Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN), dan Pusat Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Energi alam berupa tenaga angin, tenaga pasang naik dan pasang surut air laut masih belum termanfaatkan dengan baik. Energi alam yang berasal dari fossil seperti batu bara, minyak bumi dan gas alam adalah sumber dari mana tenaga listrik dibuat.

Energi alam yang berasal dari fossil seperti batu bara, minyak bumi dan gas alam adalah sumber dari mana tenaga listrik dibuat. Pada umumnya sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi dua macam pembangkit yaitu :

2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan energi listrik. Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari uap panas/kering. Pembangkit listrik tenaga uap menggunakan berbagai macam bahan bakar terutama batu bara dan minyak bakar serta MFO untuk start up awal.

2.5 Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) adalah pembangkit yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.

Bentuk utama dari pembangkit listrik jenis ini adalah Generator yang dihubungkan ke turbin yang digerakkan oleh tenaga kinetik dari air. Namun, secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak.

Gambar 2.5: PLTA

2.6 Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN)

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah stasiun pembangkit listrik thermal di mana panas yang dihasilkan diperoleh dari satu atau lebih reaktor nuklir pembangkit listrik.

Perbedaan Pembangkit Listrik Konvensional (PLK) dengan PLTN. Dalam pembangkit listrik konvensional, air diuapkan di dalam suatu ketel melalui pembakaran bahan fosil (minyak, batubara dan gas). Uang yang dihasilkan dialirkan ke turbin uap yang akan bergerak apabila ada tekanan uap. Perputaran turbin selanjutnya digunakan untuk menggerakkan generator, sehingga akan dihasilkan tenaga listrik.Pembangkit listrik dengan bahan bakar batubara, minyak dan g as mempunyai potensi yangdapat menimbulkan dampak lingkungan dan masalah transportasi bahanbakar dari tambangmenuju lokasi pembangkitan. Dampak lingkungan akibat pembakaran bahan fosil tersebut dapat berupa CO2 (karbon dioksida), SO2 (sulfur dioksida) dan NOx (nitrogen oksida), serta debu yang mengandung logam berat. Kekhawatiran terbesar dalam pembangkit listrik dengan bahan bakar fosil adalah dapat menimbulkan hujan asam dan peningkatan pemanasan global.

Gambar 2.6: PLTN

CO2, SO2, NOx ke lingkungan, sehingga PLTN ini merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan. Limbah radioaktif yang dihasilkan dari pengoperasian PLTN adalah berupa elemen bakar bekas dalam bentuk padat. Elemen bakar bekas ini untuk sementara bisa disimpan di lokasi PLTN sebelum dilakukan penyimpanan secara lestari.

2.7 Pembangkit Listrik Tenaga Angin

PLT Angin ini pada prinsipnya memanfaatkan angin yang tersedia di alam. PLT Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Ini dilakukan untuk menstabilkan keadaan listrik yang terpengaruh saat kecepatan angin berubah-ubah. Angin yang dapat dimanfaatkan untuk PLT Angin ini adalah angin yang termasuk pada kelas angin nomor 3(berkecepatan 12-19,5 km/jam) sampai dengan kelas angin nomor 8 (berkecepatan 61,6-74,5 km/jam). Kelas angin nomor 3 dapat ditandai dengan adanya asap bergerak mengikuti arah angin dan kelas angin nomor 8 ditandai dengan ujung pohon melengkung, dan hembusan angin terasa di telinga.

yaitu Pulau Selayar, Sulawesi Uutara, Nusa Penida,Bali, serta Bangka Belitung.

Selain digunakan di daerah pesisir pantai, PLT Angin juga dapat digunakan di daerah pegunungan dan daratan. Saat ini kapasitas total pembangkit listrik yang berasal dari tenaga angin untuk Indonesia dengan estimasi kecepatan angin rata-rata sekitar 3 m/s / 12 Km/jam, 6.7 knot/jam turbin skala kecil lebih cocok digunakan, di daerah pesisir, pegunungan, dataran.. Salah satu daerah yang cocok untuk dijadikan PLT Angin adalah daerah Sidrap.Daerah ini memiliki topografi yang menunjang, datarannya luas dan memiliki kecepatan dan stabilitas angin yang ideal. Selain untuk pembangkitan listrik, turbin angin sangat cocok untuk mendukung kegiatan pertanian dan perikanan, seperti untuk keperluan irigasi, aerasi tambak ikan, dan sebagainya.

Gambar 2.7: PLT Angin

2.8 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan/mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya. Sistem PLTG menggunakan prinsip siklus Brayton yang dibagi atas siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus terbuka, fluida kerja adalah udara atmosfer dan pengeluaran panas di atmosfer karena gas buang dari turbin dibuang ke atmosfer.

tersebut mulai dapat dikurangi meskipun tidak dapat secara keseluruhan dihilangkan.

Dengan tingkat efisiensi yang rendah hal ini merupakan salah satu dari kekurangan sebuah turbin gas juga dan pada perkembangannya untuk menaikkan efisiensi dapat diatur/diperbaiki temperature kerja siklus dengan menggunakan material turbin yang mampu bekerja pada temperature tinggi dan dapat juga untuk menaikkan efisiensinya dengan menggabungkan antara pembangkit turbin gas dengan pembangkit turbin uap dan hal ini biasa disebut dengan combined cycle.

Gambar 2.8: PLTG

Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD) ialah Pembangkit listrik yang menggunakan mesin diesel sebagai penggerak mula (prime mover). Prime mover merupakan peralatan yang mempunyai fungsi menghasilkan energi mekanis yang diperlukan untuk memutar rotor generator. Mesin diesel sebagai penggerak mula PLTD berfungsi menghasilkan tenaga mekanis yang dipergunakan untuk memutar rotor generator.

PLTD merupakan suatu instalasi pemabangkit listrik yang terdiri dari suatu unit pembangkit (SPD) dan sarana pembangkitan. Mesin Diesel adalah penggerak utama untuk mendapatkan energi listrik dan dikeluarkan oleh Generator . Pada mesin Diesel Energi Bahan bakar diubah menjadi energi mekanik dengan proses pembakaran di dalam mesin itu sendiri. Mesin Diesel pada saat ini sudah banyak mengalami perkembangan dalam pemakaian untuk angkutan darat dan laut, kemudian pembangkitan dalam daya kecil dan menengah bahkan sampai daya besar sudah ada yang menggunakannya. Untuk mempermudah dalam melakukan pemeliharaan Mesin Diesel para teknisi harus mempunyai dasar-dasar pengetahuan mengenai Mesin Diesel yang baik, agar setiap melakukan pemeliharaan para teknisi dapat memperlakukan setiap komponen yang berada dalam mesin, sesuai dengan konstruksinya.

Gambar 2.8: PLTD

BAB III

GENERATOR DC (ARUS SEARAH)

3.1 Generator DC a. Definisi

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.

Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:

1. Generator penguat terpisah 2. Generator shunt

3. Generator kompon

b. Konstruksi

 Adanya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnit.

 Adanya kawat penghantar listrik, yang merupakan tempat terbentuknya gaya gerak listrik (Ggl) atau aliran arus listrik.

 Gerakan realtif antara fluk magnet dengan kawat penghantar listrik. Dalam hal ini boleh magnitnya tetap, sedangkan kawat penghantarnya

yang bergerak atau sebaliknya. c. Komponen Utama

Gambar 3.1.c: Bagian-bagian Generator

Komponen utama generator terdiri dari 2 bagian, yaitu:

1. STATOR : bagian Generator DC yang diam

◦ Bantalan dan Sikat

Gambar 3.1.c.1: Konstruksi Sikat Komutator

Supaya hubungan/kontak antara sikatsikat yang diam dengan komutator yang berputar dapat sebaik mungkin, maka sikat memerlukan alat pemegang dan penekan berupa per/pegas yang dapat diatur. Memilih bahan yang digunakan untuk suatu sikat, perlu memperhatikan :

 Putaran mesin;

 Kerapatan arus yang melalui sikat;  Tekanan sikat terhadap komutator. ◦ Kutub Bantu dan Belitan◦ Kutub Bantu dan Belitan

Fluks magnet yang terdapat pada mesin listrik dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. Kutub magnet diberi lilitan penguat magnet yang berfungsi untuk tempat aliran arus listrik supaya terjadi proses elektromagnetisme.

Pada dasarnya kutub magnit terdiri dari dua bagian pokok, yaitu inti kutub magnet dan sepatu kutub magnet. Karena kutub magnet berfungsi menghasilkan fluks magnet, maka kutub magnet dibuat dari bahan ferromagnetik, misalnya campuran baja-silikon

◦ Kutub Utama dan Belitan ◦ Kerangka

2. ROTOR : bagian Generator DC yang berputar

◦ Kumparan/Lilitan

Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya Ggl imbas. Lilitan jangkar terdiri atas beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiaptiap kumparan dapat tediri atas lilitan kawat atau lilitan batang.

Gambar 3.1.c.2: Lilitan Jangkar

Gambar 3.1.c.3: Letak Sisi-sisi Kumparan dalam Alur

Z = Jumlah penghantar/kawat jangkar atau batang jangkar.

Zs = Jumlah kawat tiap sisi kumparan

S = Jumlah sisi kumparan.

Bila dalam tiap-tiap kutub mempunyai 8 s/d 18 alur, maka :

Tiap-tiap kumparan dihubungkan dengan kumparan berikutnya melalui lamel komutator, sehingga semua kumparan dihubung seri dan merupakan rangkaian tertutup. Tiap-tiap lamel dihubungkan dengan dua sisi kumparan sehingga jumlah lamel k, adalah :

Bila dalam tiap-tiap alur terdapat dua sisi kumparan (U = 1) maka jumlah lamel juga sama dengan jumlah alur

Lilitan Gelung

Jika kumparan dihubungkan dan dibentuk sedemikian rupa sehingga setiap kumparan menggelung kembali ke sisi kumparan berikutnya maka hubungan itu disebut lilitan gelung. Perhatikan gambar 5.67 Prinsip Lilitan gelung. Y = kisarlilitan, yang menyatakan

Y= jarak antara lamel permulaan dan lamel berikutnya melalui kumparan.

Y C= kisar komutator, jumlah lamel yang melalui komutator.

Gambar 3.1.c.4: Prinsip Lilitan Gelung

Pada lilitan gelung kisar bagian Y2 mundur atau negatif. Tiap kumparan mempunyai satu sisi benomor ganjil dan satu sisi bernomor genap, karena itu Y2 danY1 selamanya harus merupakan bilangan ganjil. Kisar bagian Y1 ditetapkan oleh Iebar kumparan, diperkirakan sama dengan jarak kutub-kutub . Bila lebar kumparan dinyatakan dengan jumlah alur, biasanya dinyatakan dengan kisar Yg .

Kisar bagian Y1 biasanya dinyatakan dengan sejumlah sisi kumparan yang harus dilalui supaya dari sisi yang satu sampai pada sisi berikutnya. Di dalam tiap-tiap alur dimasukkan sisi kumparan 2U dan secera serempak beralih dari lapisan atas ke lapisan bawah karena itu.

Tabel 3.1.c.5: Hubungan Sisi Kumparan dengan Lamel Lilitan Gelung

Untuk Lilitan Gelombang

Jumlah cabang paralel = 2 Jumlah penghantar terhubung seri dalam satu cabang

Untuk Lilitan Gelung

Jumlah cabang paralel = a Jumlah penghantar terhubung seri dalam satu cabang Z/a

◦ Komutator

Seperti diketahui komutator berfungsi sebagai alat penyearah mekanik, yang ber-sama-lama dengan sikat membentuk suatu kerjasama yang disebut komutasi. Supaya menghasilkan penyearah yang lebih baik, maka komutator yang digunakan jumlahnya banyak. Karena itu tiap belahan/segmen komutator tidak lagi merupakan bentuk sebagian selinder, tetapi sudah berbentuk lempeng-lempeng.

◦ Inti◦ Inti

Gambar 3.1.c.6: Inti dan poros rotor

d. Prinsip kerja

Gambar 3.1d.1: Prinsip Kerja Generator

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

Gambar 3.1.d.2. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.

• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.

• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).

3.2 Generator DC Penguat Tersendiri

Dengan terpisahnya sumber arus searah untuk lilitan medan dan generator, berarti besar kecilnya arus medan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus ataupun tegangan pada generator.

Gambar 3.2: Generator Penguat Terpisah

Keterangan :

Im = Arus penguat magnit

Rm = Tahanan lilitan penguat magnit Ia = Arus jangkar

IL = Arus beban Pj = Daya jangkar

V = Tegangan terminal jangkar

3.3 Generator DC Penguat Sendiri

Karena generator jenis ini memperoleh arus untuk lilitan medan dari dalam generator itu sendiri, maka dengan sendirinya besarnya arus medan akan terpengaruh oleh nilai-nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Hal ini akan tergantung pada cara hubungan Iilitan penguat magnit dengan lilitan jangkar.

3.3.1 Generator DC Seri

Gambar 3.3.1: Generator DC Seri

Ea = k. .n → voltɸ

Vl = Il = Rl (tegangan beban)

V = Tegangan terminal generator DC V = Vl = Vs

V = Ea-Ia.Ra Vl+Vs.= Ea-Ia.Ra Ea = Vl+Vs-Ia.Ra Ea = Vl+Is-Rs. +IaRa

Bila rugi tegangan setiap sikat (Vsi) diperhitungkan maka

Ea = Vl+IsRs+IaRa+2Vsi

Ea = ggl yang dibangkitkan generator IaRa = rugi tegangan dalam jangkar

IsRs = rugi tegangan dalam belitan penguat dalam kutub magnet

Keterangan:

VL = Tegangan jepit/beban/pemakai (Volt) Ia = arus listrik pada belitan jangkar (Ampere)

IL = arus luar/arus beban (Ampere)

RL = Tahanan luar/beban (Ω)

Ra = Tahanan pada belitan jangkar (Ω) IsRs = rugi tegangan pada kumparan penguat kutub magnet seri (Volt) IaRa = rugi tegangan pada kumparan jangkar (Volt)

Rd = Tahanan divertor (Ω)

n = Jumlah putaran jangkar

Tahanan Divertor = Rd I_a=I_L=I_s+I_d

I_sd=I_s+I_d

R_sd=RdRa

RsRd I_sd=I_a=I_L

1 Rsd

= 1

Rs

+ 1

Rd

=Rd+Rs

RsRd

R_sd= RsRd

Rd+Rs

V_s=V_d V_L=I_LR_L

V=V_L+I_sR_s

Pada generator shunt, penguat eksitasi terhubung paralel dengan rotor. Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya.

energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.

Generator shunt mempunyai karakteristik tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah.

Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.

V_L=V_f=V

V_L=I_LR_L

V_f=I_fR_f

V=E_a−I_aR_a−2V_si

Tidak memperhitungkan kerugian sikat

E_a=V+I_aR_a

E_a=V_f+I_aR_a

E_a=V_L+I_aR_a

Jika memperhitungkan kerugian sikat

E_a=V+I_aR_a+2V_si

E_a=V_f+I_aR_a+2V_si

E_a=V_L+I_aR_a+2V_si

3.3.4 Generator Dc Shunt Dengan Tahanan Rheostat

I_a=I_L+I_h

V_L=V_f+V_h

V=VL=Vf+Vh

V_f=I_fR_f

V_h=I_hR_h

V_L=V_f+V_h

V_L=I_fR_f+I_hR_h

R

(¿¿f+Rh) VL=If¿

R

(¿¿f+Rh) VL=Ih¿

E_a=V+I_aR_a

E_a=V_L+I_aR_a

Ea=Vf+Vh+IaRa V=E_a−I_aR_a−2V_si

E_a=V_L+I_aR_a+2V_si

E_a=V_L+V_h+I_aR_a+2V_si

Keterangan:

Rsh = Tahanan Rheostat (Ω)

3.3.5 Generator Kompon Panjang

Pada generator kompon lilitan medan penguat yang terdapat pada inti kutub magnit terdapat 2 (dua), yaitu untuk seri dan shunt. Berdasarkan cara meletakkan lilitan tersebut maka dapat dibentuk hubungan. Generator kompon panjang dan generator kompon pendek.

Generator Kompon Panjang

Gambar 3.3.5: Generator Kompon Panjang

I_a=I_s

I_a=I_L+I_f

I_s=I_L+I_f

V_L=V_f

V=E_a−I_aR_a

Ea=VL+Vs+IaRa

E_a=V_L+I_aR_a+I_sR_s+2V_si

3.3.6 Generator Kompon Pendek

Gambar 3.3.6: Generator Kompon Pendek

I_a=I_f+I_L

V_f=V_f−R_f

A = Rugi-rugi putaran tanpa beban B = Rugi-rugi beban

C = Rugi-rugi kumparan angker (Ia2_.Ra) D = Rugi-rugi motor sikat (Ia2_.2Vsi) E = Rugi-rugi kumparan seri (Is2_.Rs) F = Rugi-rugi kumparan shunt (If2.Rf) Pin = Daya input

Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia) Pb = Rugi besi dan gesekan

Rugi – rugi yang terjadi dalam sebuah generator arus searah dapat dibagi sebagai berikut :

� Rugi Tembaga

a. Rugi Tembaga jangkar = Ia2 Watt

b. Rugi Tembaga Medan Shunt = Ish2. Rsh Watt c. Rugi Tembaga Medan Seri = Is2 . Rs Watt � Rugi Inti

a. Rugi Hysterisis , Ph � B max1.6 . f b. Eddy Currents , Pe � B max2 . f2 � Rugi Mekanis

a. Rugi gesekan pada poros

b. Rugi angin akibat putaran jangkar.

c. Rugi gesekan akibat gesekan sikat dengan komutator.

Gambar 3.4: Diagram Aliran Daya pada Generator Arus Searah

generator dc bias diilustrasikan seperti diperlihatkan pada gambar 3.3.5

Rugi Besi dan Gesekan = Daya Masuk Mekanis (Pm) – Daya Jangkar (Pj)

55.4.5

3.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros.

Torsi Jangkar

τa=7,04×Ea.Ia

Hub : daya armatur dengan torsi jangkar

τa=0,117×60 .Ea.Ia

Akibat torsi jangkar (σa), maka pada generator timbul daya out put (Pn) Dari daya out put (Pn) akan timbul torsi poros atau torsi sumbu (Tsh) atau

Ts = Tsh = torsi poros

Daya kuda yang dihasilkan torsi poros disebut Brake Horse Powe (BHP) atau day kuda rem

BHP=Tsh. 2πn/60

746 =

Tsh×ωn

746

Hubungan BHP dengan daya input

BHPPin

746

Pin→(waat) _;

Tsh→(lbft)

Tsh→(kgm)

HP=τa.2π.n 33000

τa→(lbft)

n→(rpm)

Pin=Tsh×2πn

BAB IV MOTOR DC (ARUS SEARAH) 4.1 Motor DC

a. Definisi

Motor arus searah (motor DC) adalah mesin yang merubah energy listrik arus searah menjadi energy mekanis yang berupa putaran. Pada prinsip pengoperasiannya, motor arus searah sangat identik dengan generator arus searah. Kenyataannya mesin yang bekerja sebagai generator arus searah akan dapat bekerja sebagai motor arus searah. Oleh sebab itu sebuah mesin arus searah dapat digunakn baik sebagai motor arus searah maupun generator arus searah.

Berdasarkan fisiknya motor arus searah secara umum terdiri atas bagian yang diam dan bagian yang berputar. Pada bagian yang diam (stator) merupakan tempat diletakkannya kumparan medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnet sedangkan pada bagian yang berputar (rotor) ditempati oleh rangkaian jangkar seperti kumparan jangkar, komutator dan sikat.

Motor arus searah bekerja berdasarkan prinsip interaksi antara dua fluksi magnetic. Dimana kumparan medan akan menghasilkan fluksi magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan dan kumparan jangkar akan menghasilkan fluksi magnet yang melingkar. Interaksi antara kedua fluksi magnet ini menimbulkan suatu gaya.

b. Konstruksi Motor Arus Searah

Gambar di bawah merupakan konstruksi dari motor arus searah.

Keterangan dari gambar tersebut adalah:

1. Rangka atau gandar

Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen-komponen mesin tersebut.

menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari baja tuang (cast steel) atau baja lembaran (rolled steel) yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkain magnet.

2. Kutub Medan

Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub. Sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Dimana fungsinya adalah untuk menahan kumparan medan di tempatnya dan menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung.

Inti kutub terbuat dari laminasi pelat-pelat baja yang terisolasi satu sama lain. Sepatu kutub dilaminasi dan dibaut ke inti kutub. Maka kutub medan (inti kutub dan sepatu kutub) direkatkan bersama-sama kemudian dibaut pada rangka. Pada inti kutub ini dibelitkan kumparan medan yang terbuat dari kawat tembaga yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi magnetik.

3. Sikat

Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat-sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada segmen komutator supaya gesekan yang terjadi antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator.

4. Kumparan Medan

berbentuk bulat ataupun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub.

5. Jangkar

Inti jangkar yang umumnya digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi. Inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silikon.

6. Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang kumparan medan serinya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam yaitu:

a) Kumparan jerat (lap winding)

b) Kumparan gelombang (wave winding)

c) Kumparan zig – zag (frog-leg winding)

7. Komutator

Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Dimana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. Bahan isolasi yang digunakan pada komutator adalah mika.

Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka komutator yang

8. Celah Udara

Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.

d. Prinsip Kerja Motor DC

Setiap konduktor yang mengalirkan arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya

arus yang mengalir dalam konduktor.

H=¿

L

Dimana :

H = Kuat medan magnet (Weber/meter) N = Banyak kumparan (lilitan)

Pada Gambar (a) menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.. Sedangkan Gambar (b) menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet (garis-garis gaya fluksi) disekelilingnya.

Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada Gambar (c). Sehingga kerapatan fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor (dekat kutub selatan) dan di bawah sebelah kiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan fluksi menjadi berkurang di atas sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah kanan konduktor. Kerapatan fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di sebelah kiri akan mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan akan mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi yang akan memutar jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran jarum jam.

Prinsip dasar diatas diterapkan pada motor dc. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan Gambar berikut:

yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan (hal ini dapat dilihat dengan adanya garis – garis fluksi). Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, maka dari hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar (Ia), kerapatan fluksi (B) dari kedua kutub dan panjang konduktor jangkar (l). Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar. Arah dari gerakan kawat sesuai dengan aturan tangan kiri.

Besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah :

F=B I_al (Newton)

Dimana :

Ia = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar ( Ampere ) B = Kerapatan fluksi (Weber / m2₎

l = Panjang konduktor jangkar (m)

Jika ujung-ujung kumparan dihubungkan dengan sumber listrik DC dengan polaritasnya berlawanan dengan polaritas batery (gambar a), maka kumparan akan berputar searah dengan jarum jam.

jangkar atau tegangan terminal. Karena arahnya melawan maka ggl induksi ini disebut ggl lawan, yang besarnya :

e=N dϕ

Besarnya ggl induksi maksimum dalam satu belitan adalah : e_maks=ωϕm Volt

Harga rata – ratanya adalah :

e_r=2

π. emaks Volt

e_r=2

π. ω.ϕm Volt

Pada satu putaran jangkar berkutub p, ggl melalui satu periode. Jika jangkar itu mengadakan n rpm atau n rps, maka bagi satu periode lamanya T, adalah :

T= 60

n . p

2

detik

Dalam satu periode dilalui sudut yang besarnya 2 π radial, sehingga :

ω=2π

Jangkar memuat N belitan yang terdiri a cabang paralel, sehingga tiap

cabang jangkar akan mempunyai N

a buah belitan yang tersambung

E_a=4 N

Oleh karena ₆₀p z_a bernilai konstan, maka diperoleh :

E_a=c nϕ_m Volt

Dimana :

ω = Kecepatan sudut (rad/detik) T = Periode

n = Kecepatan putaran (rpm)

Ea = Gaya gerak listrik induksi (volt) p = Jumlah kutub

N = Banyaknya kumparan konduktor jangkar (belitan) a = Jalur paralel konduktor jangkar

z = Jumlah total konduktor jangkar ϕ = Fluksi setiap kutub (Weber)

c= p z

60a=konstanta

Ea. Ia=Ta.2π .

4.2 Motor Dc dengan Penguat Bebas

Persamaan arus yang digunakan:

V_L=E_a+I_aR_a

I_a=VL−Ea

Ra

Dimana: E_a=ϕ P

a Z

n

60(volt)

Persamaan Tegangan yang digunakan

V_L=E_a+I_aR_a

V_LI_a=E_aI_a+I_aR_aI_a

VLIa=EaIa+Ia

2

Ra VLIL=EaIa+Ia

2

Ra

Pm=EaIa+Ia2Ra Pm=EaIa=VLIL−Ia2Ra V_LI_L=P¿

(Daya Input)

E_aI_a=P_m

(Daya Mekanik) P¿=Pm+Pcu

I_aR_a=P_cu

(Rugi Daya Tembaga)

P_m akan mencapai harga maksimum apabila d Pm d Ia

=0

V_L=2I_aR_a

I_aR_a=VL 2 Ea=

V_L

2

4.3 Motor DC dengan Penguat Sendiri 4.3.1 Motor DC Seri

Gambar 4.3.1: Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Seri & DAL, DTL.

Persamaan Tegangan:

V_L=E_a+I_aR_a+2V_si+I_sR_s

E_a=V_L−I_aR_a−2V_si−I_sR_s

E_aI_a=V_LI_a−I_aR_aI_a−2V_siI_a−I_sR_sI_a

EaIa=VLIL−Ia

2

Ra−2VsiIa−Is

2

Rs

EaIa=VLIL−

(

Ia

2

Ra+2VsiIa+Is

2 Rs

)

P_m=P¿−Pcu

P¿=VLIL

Pcu=Ia2Ra+2VsiIa+Is2Rs

4.3.2 Motor DC Shunt

Gambar 5.91 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Shunt & Diagram Tegangan Listrik

Diagram Tegangan

Persamaan Tegangan I_L=I_a+I_f

I_a=I_L−I_f

V_L=V_f=E_a+I_aR_a+2V_si

E_a=V_L−I_aR_a−2V_si

V_f=I_fR_f

V_L=E_a+I_aR_a+2V_si

x I_a

V_LI_a=E_aI_a+I_aR_aI_a+2V_siI_a

EaIa=VLIa−Ia

2

Ra−2VsiIa

EaIa=VL

(

IL−If

)

−Ia2Ra−2VsiIa

EaIa=VLIL−VfIf−Ia

2

Ra−2VsiIa

EaIa=VLIL−IfRfIf−Ia2Ra−2VsiIa

EaIa=VLIL−If2Rf−Ia2Ra−2VsiIa

EaIa=VLIL−

(

If

2

Rf+Ia

2

Ra+2VsiIa

)

P_m=P¿−Pcu P¿=VLIL

Pcu=If2Rf+Ia2Ra+2VsiIa

Jadi:

4.3.3 Motor DC Kompon Panjang

Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Panjang Persamaan Tegangan

P_m=P¿−Pcu P¿=VLIL

Pcu=If2Rf+Ia2Ra+2VsiIa+Is2

Jadi:

4.3.6 Motor DC Kompon pendek

Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus Searah Kompon Pendek

I_L=I_s

I_s=I_a+I_f I_a=I_s−I_f

I_L=I_a+I_f I_a=I_L−I_f

V_f=E_a+I_aR_a+2V_si

V_L=E_a+I_aR_a+2V_si+V_s

Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dapat dibagi kedalam : 1. Rugi- rugi tembaga atau listrik.

2. Rugi-rugi besi atau magnet. 3. Rugi-rugi mekanis.

1. Rugi-rugi tembaga atau listrik

Daya yang hilang dalam panas lilitan medan dan rangkaian jangkar Rugi tembaga dari lilitan dibagi atas:

Ia2 . Ra Watt

Rugi tembaga medan terdiri dari:

Ish2.Rsh Watt = Motor Shunt / Motor Kompon Is2.Rs Watt = Motor Seri / Motor Kompon

2. Rugi-rugi Besi atau Magnet

t = Ketebalan dari inti magnit (m) 3. Rugi Mekanis

Rugi mekanis yang terjadi pada motor disebabkan oleh adanya gesekan 4.5 Torsi Jangkar Dan Torsi Poros

Torsi adalah putaran suatu gaya pada sebuah poros, dan diukur dengan hasil perkalian gaya dengan jari-jari lingkarandimana gaya tersebut terjadi(bekerja).

Gaya yang bekerja pada satu putaran penuh akan menimbulkan energi

Torsi Jangkar

Ta adalah torsi vang dibangkitkan oleh jangkar motor yang berputar dengan kecepatan per detik (n), maka daya yang dibangkitkan adalah :