BAB II
DASAR TEORI
2.1 Umum
Generator arus searah mempunyai komponen dasar yang hampir sama
dengan komponen mesin-mesin lainnya. Secara garis besar generator arus searah
adalah alat konversi energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik arus
searah. Energi mekanik dipergunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar
didalam medan magnet. Berdasarkan hukum Faraday, maka pada kawat
penghantar akan timbul GGL induksi yang besarnya sebanding dengan laju
perubahan fluksi yang dilingkupi oleh kawat penghantar. Bila kumparan kawat
tersebut merupakan rangkaian tertutup, maka akan timbul arus induksi. Yang
membedakannya dengan generator lain yaitu terletak pada komponen penyearah
yang terdapat didalamnya yang disebut komutator dan sikat.
2.2 Konstruksi Generator Arus Searah
Generator arus sarah 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.
Dimana : C = jumlah belitan pada rotor atau segmen komutator pada rotor
N = jumlah lilitan setiap belitan
Normalnya bentangan belitan 1800listrik, yang berarti ketika sisi belitan
yang satu berada di tengah suatu kutub, sisi lainnya berada di tengah kutub yang
berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling terletak
1800mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat mekanis
dan derajat listrik, dapat digunakan formula berikut :
θlistrik= θmekanis………..(6.8)
Di mana : θlistrik = sudut dalam derajat listrik
P = jumlah kutub
θmekanis = sudut dalam derajat mekanis
Belitan yang membentang 1800 listrik memiliki tegangan yang sama antar
sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Belitan ini disebut sebagai
kumparan kisar penuh (full-pitch coil).
Sedangkan belitan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800
listrik) disebut sebagai belitan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan
tali busur (chorded winding).
Adapun hubungan antara kumparan dengan segmen komutatornya terbagi atas 2
macam :
1. Kumparan Progresif (Progressive winding). Adalah belitan yang sisi
belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului
15 Posisi 2 : fluksi yang menembus belitan minimum tapi perubahan fluksi adalah
maksimum akibatnya EMF tidak terinduksi juga maksimum.
Untuk posisi putaran berikutnya sama dengan posisi di atas yaitu untuk posisi I
EMF induksi maksimum, posisi F maksimum. Apabila terminal-terminal dari
generator dihubungkan ke beban maka akan terbentuk atau mengalir arus. Karena
tegangan induksi adalah bolak-balik maka arus induksinya juga bolak-balik.
Tegangan bolak-balik inilah yang akan disearahkan dengan komutator yang akan
diuraikan berikutnya. Persamaan tegangan bolak-balik yang dihasilkan dalam hal
ini dapat diturunkan dari hukum Faraday, yaitu :
e =− ………..……… (6.1)
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fluksi yang dihasilkan adalah
fluksi yang berubah terhadap waktu dan berbentuk sinusoidal, maka persamaan
fluks dalam rangkaian kumparan adalah :
Φ = Φm cos ωt……….. ………(6.2)
dΦ =− Φm sin ωt dt
Maka Persamaan (6.1) di atas dapat diturunkan menjadi :
= − −
e = N ω Φm Sin ωt……….(6.3) Tegangan induksi akan mencapai maksimum pada saatwt = rad, maka tegangan induksi maksimum :
Emax= NΦm ω………...(6.4) Persamaan (6.3) di atas dapat ditulis menjadi :
e = EmaxSin ωt………(6.5)
Untuk harga efektif dari tegangan yang dihasilkan adalah : Emf yang dihasilkan berupa siklus sinusoidal tegangan bolak-balik.
Dengan cincin komutasi yang segmen-segmennya terhubung dengan ujung
konduktor jangkar, menyebabkan perubahan pada tegangan keluarannya menjadi
tegangan yang searah. Proses ini dinamakan proseskomutasi.
2.4 Prinsip Penyearah
Pada generator arus searah, penyearahan dilakukan secara mekanis dengan
menggunakan alat yang disebut komutator. Komutator pada prinsipnya
mempunyai bentuk yang sama dengan cincin seret, hanya cincin tersebut dibelah
dua kemudian disatukan kembali dengan menggunakan bahan isolator.
Masing-masing bahan komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terbentuknya
GGL. Komutator I dihubungkan dengan sisi AB dan komutator II dihubungkan
17 Gambar 2.11Suatu penghantar yang ditembus fluksi
Jika kumparan ABCD berputar, maka sikat-sikat akan bergesekan dengan
komutator-komutator secara bergantian. Peristiwa bergesekan / perpindahan
sikat-sikat dari satu komutator ke komutator berikutnya disebut komutasi. Peristiwa
komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan yang prinsipnya
adalah sebagai berikut :
1. Mula-mula sisi AB berada pada kedudukan 0 dan posisi CD berada pada
kedudukan yang berlawanan yaitu 6. Pada saat itu tentu saja pada sisi AB dan
CD tidak berbentuk GGL. Pada saat ini pula sikat-sikat berhubungan dengan
bagian isolator kedua komutator. Ini berarti sikat-sikat berpotensial nol.
2. Kumparan berputar terus, sekarang sisi AB bergerak di daerah utara (dari
kedudukan 0 menuju 3) dan sisi CD bergerak di daerah selatan. Sesuai dengan
hukum tangan kanan maka GGL yang terbentuk pada sisi AB arahnya
menjauhi kita, sedangkan pada sisi CD terbentuk GGL yang arahnya
mendekati kita. Jika arus listrik di dalam sumber mengalir dari negatif (-) ke
positif (+), maka pada saat itu komutator I dan sikat E berpotensial negatif,
sedangkan komutator II dan sikat F berpotensial positif.
mana ggm rotor mengeleminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluks
(Δ Φt) yang lebih besar, sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang.
Kurva Kemagnetan
k garis gaya magnet kutub
j garis gaya magnet jangkar
∆Φn penguatan fluks
Gambar 2.16Kurva pemagnetan ketika terjadi reaksi jangkar
Akibat pelemahan fluks ini pada generator arus searah adalah pengurangan
nilai pasokan tegangan oleh generator ke beban. Pada motor arus searah pengaruh
yang ditimbulkan menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan
menyebabkan motor arus searah, khususnya motor arus serah shunt akan berputar
demikian cepatnya hingga tak terkendali.
IA = IL+ IF ………..….(6.18)
VT= EA–IA( RA+ RS)………....…… ...(6.19)
IF = ……….…(6.20)
2.6.2.3.2. Generator DC kompon pendek kumulatif
Gambar 2.21Rangkaian generator DC kompon pendek kumulatif
IA = IL+ IF………(6.21)
VT= EA–( IARA+ ILRS)………..(6.22)
IF = ...………...(6.23)
27 IA = IL+ IF ………..….(6.24)
VT= EA–IA( RA+ RS)………....…… ...(6.25)
IF = ……….…(6.26)
2.6.2.3.4. Generator DC kompon pendek diferensial
Gambar 2.23Rangkaian generator DC kompon pendek diferensial
IA = IL+ IF………(6.27)
VT= EA–( IARA+ ILRS)………..(6.28)
IF = ...………...(6.29)
2.7 Karakterisktik Berbeban Generator DC Penguatan Kompon
Karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan
bagaimana hubungan antara tegangan terminal Vt dan arus medan If ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah
mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena
generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri.
29 Pada mesin dc (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang diperhitungkan,
