Kelistrikan Tugas 3 Akhir Sistem Kelistrikan

MOTOR DAN GENERATOR AC/DC

MAKALAH

Untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Kelistrikan Semester genap tahun2013/2014 yang diampu oleh

Oleh:

Hufron Ahmadin 1231210184

Muhammad Ainur Qafif 1231210176

2-H

JURUSAN TEKNIK MESIN

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MALANG

MALANG

MOTOR

Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Cara Kerja Motor Listrik :

 Arus Listrik dalam medan magnet akan menghasilkan gaya.

 Jika kawat yang dialiri listrik dibengkokan menjadi sebuah loop/lingkaran, maka pada kedua sisi loop akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

 Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan.

 Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnet yang dihasilkan oleh susunan elektromagnetnya disebut kumparan medan.

Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tenaga putar / torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok :

 Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.

 Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan)..

 Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin

Mengukur Torsi

Torsi sering disebut momen (M) merupakan perkalian gaya F (Newton) dengan panjang lengan L (meter) Gambar .

M = F. L (Nm)

Jenis-jenis Motor Listrik

1. Motor Listrik AC

Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu.

1.1 Motor Listrik Asinkron/Induksi

Motor asinkron adalah motor yang mempunyai kecepatan putar medan magnet dengan kecepatan putar rotor berbeda atau terjadi slip.

Prinsip Kerja Motor Induksi

Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah listrik 3 phasa. Motor induksi sering juga disebut motor tidak serempak atau motor asinkron. Prinsip kerja motor induksi lihat Gambar 5.4.

Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator menjadikan kutub S (south = selatan), garis-garis gaya mahnet mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya adalah N (north = utara) untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan saling tarik-menarik dengan kutub S.

Berikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar 120°, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada belitan stator timbul medan magnet putar. Buktinya kompas akan memutar lagi menjadi 240°. Kejadian berlangsung silih berganti membentuk medan magnet putar sehingga kompas berputar dalam satu putaran penuh, proses ini berlangsung terus menerus.

Pengujian motor listrik di laboratorium 147 dengan putaran rotor, maka disebut motor induksi tidak serempak atau motor asinkron. Susunan belitan stator motor induksi dengan dua kutub, memiliki tiga belitan yang masing-masing berbeda sudut 120° Gambar 5.5. Ujung belitan phasa pertama U1- U2, belitan phasa kedua V1-V2 dan belitan phasa ketiga W1-W2. Prinsip kerja motor induksi dijelaskan dengan gelombang sinusoidal Gambar 5.6, terbentuknya medan putar pada stator motor induksi. Tampak stator dengan dua kutub, dapat diterangkan dengan empat kondisi.

1. Saat sudut 0°. Arus I1 bernilai positip dan arus I2 dan arus I3 bernilai negatip dalam hal ini belitan V2, U1 dan W2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan belitan V1, U2 dan W1 bertanda titik (arus listrik menuju pembaca). Terbentuk fluk magnet pada garis horizontal sudut 0°. Kutub S (south = selatan) dan kutub N (north = utara).

2. Saat sudut 120°. Arus I2 bernilai positip sedangkan arus I1 dan arus I3 bernilai negatip,dalam hal ini belitan W2, V1, dan U2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan kawat W1, V2, dan U1 bertanda titik (arus menuju pembaca). Garis fluk magnit kutub S dan N bergeser 120° dari posisi awal.

3. Saat sudut 240°. Arus I3 bernilai positip dan I1 dan I2 bernilai negatip, belitan U2, W1, dan V2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan kawat U1, W2, dan V1 bertanda titik (arus menuju pembaca). Garis fluk magnit kutub S dan N bergeser 120° dari posisi kedua.

4. Saat sudut 360°. posisi ini sama dengan saat sudut 0°, di mana kutub S dan N kembali keposisi awal sekali.

Dari keempat kondisi di atas saat sudut 0°, 120°, 240°, dan 360°, dapat dijelaskan terbentuknya medan putar pada stator, medan magnet putar stator akan memotong belitan rotor. Kecepatan medan putar stator ini sering disebut kecepatan sinkron, tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya

ns = f ×120

p putaran per menit.

Rotor ditempatkan di dalam rongga stator, sehingga garis medan magnet putar stator

a. Motor Listrik 1 Phase

Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase,memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.

Keuntungan :

1. Mempertinggi kemampuan motor dari beban lebih. 2. Mempertinggi Cos φ (faktor daya).

Kekurangan :

Motor AC satu fasa tidak dapat dimulakan putaran dengan sendiri (self-starting) bahan pengalir untuk kehilangan tembaga yang sama, apabila kuasa yang sama dipindahkan dalam sistem tiga fasa berbanding sistemsatu fasa.

b. Motor Listrik 3 Phase

Motor listrik AC 3 phase bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jika pada motor AC 1 phase untuk menghasilkan beda phase diperlukan penambahan komponen kapasitor, pada motor 3 phase perbedaan sudah didapat langsung dari sumber arus 3 phase.

Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar. Medan putar strator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi. Karena batang

konduktor merupakan rangkaian yang tertutup makan GGL akan menghasilkan arus (I). Adanya arus dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar strator. GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor oleh medan putar stator.

Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran (Parekh, 2003):

% Slip = ((Ns – Nb)/Ns) x 100

Dimana: Ns = kecepatan sinkron dalam RPM

Nb = kecepatan dasar dalam RPM Keuntungan :

1. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah. 2. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan 3. tidak membutuhkan perawatan yang banyak.

Kekurangan :

1.2 Motor Listrik Sinkron

Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu

untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.

Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):

Ns = 120 f / P

Dimana:

f = frekwensi dari pasokan frekwensi P= jumlah kutub

2. Motor DC

Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut, motor akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan tersebut dibalik maka arah putaran motor akan terbalik pula. Motor terdiri atas 2 bagian utama yaitu stator dan motor. Pada stator terdapat lilitan (winding) atau magnet permanen, sedangkan rotor

adalah bagian yang dialiri dengan sumber arus DC. Arus yang melalui medan magnet inilah yang menyebabkan rotor dapat berputar. Arah gaya elektromagnet yang ditimbulkan akibat medan magnet yang dilalui oleh arus dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan.

Keuntungan :

pengendali kecepatan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Kerugian :

1. Perawatan intensif karena brush atau sikat pada motor DC akan aus.

2. Konversi arus AC menjadi arus DC menggunakan konverter memerlukan biaya yang mahal.

Prinsip Kerja Motor Listrik DC

2. Suatu penghantar yang dialiri arus listrik, jika berada pada medan magnet akan mengalami suatu gaya yang disebut gaya Lorentz.

Hukum Ampere berlaku pada kumparan medan yang menghasilkan medan magnet, sedangkan hukum Lorentz berlaku pada belitan jangkar yang berada dalam medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan.

Perhitungan pada motor DC :

Daya input : Pin= √3 Vrms Irms cosƟ

Daya output : Pout= Tout w

w = kecepatan sudut Tout = torsi output

Efisiensi : η (%) = (Pout/Pin) x 100

Tegangan V yang disupply ke jangkar motor berguna untuk mengatasi ggl balik Eb

menimbulkan jatuh tegangan jangkar IaRa , V = Eb + IaRa (1). Persamaan ini dikenal

sebagai persamaan tegangan dari motor.

Kecepatan Motor DC

Dengan mengalikan persaman (1) di atas dengan Ia,

diperoleh :

dimana : VIa = daya yang masuk ke jangkar

EbIa = ekivalen elektrik dari daya mekanik yang

dibangkitkan dalam jangkar Ia2Ra = rugi-rugi Cu dalam jangkar

Jenis-Jenis Motor Listrik DC

2.1 Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited

Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah di luar motor tersebut maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately excited.

Kelebihan :

1. Kecepatan motor dan torka beban mudah untuk dikendalikan 2. Arus eksitasinya tidak bergantung dengan arus jangkarnya Kekurangan :

1. Memerlukan dua buah sumber arus DC yang terpisah

2.2 Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: a. Motor DC Shunt

Pada motor shunt, gulungan

medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A). Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo. Rangkaian shunt memiliki kecepatan sudut dan tegangan jepit yang konstan.

Karakter kecepatan motor DC tipe shunt adalah :

2. Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).

Karakteristik Motor DC Shunt

(Rodwell International Corporation, 1999)

Untuk motor jenis ini memiliki rangkaian seperti

Pada motor shunt kumparan jangkar dihungkan langsung dengan terminal sehingga akan membentuk rangkaian yang pararel terhadap kumparan jangkar, sehingga persmaan matematisnya adalah:

Ea.Ia =.VL.IL - If2.Rf - Ia2Ra - Ia.2Vsi

Pcu = If2_{.Rf + Ia}2_{Ra + Ia.2Vsi}

IL = Ia+If

Pin = VL.IL

Vf = If.Rf

Ea = VL.- Ia.Ra - 2Vsi

VL = Vf = Ea + Ia.Ra + 2Vsi

Kelebihan :

1. Regulasi kecepatan motor terhadap perubahan torka beban lebih stabil 2. Hanya memerlukan satu sumber DC

Kekurangan :

1. Torka yang dihasilkan relatif kecil

2. Kecepatan motor dan torka beban relatif sulit untuk dikendalikan

b. Motor DC Seri

Motor DC Tipe Seri Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A). Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo. Kecepatan sudut tidak konstan, ketika diberi beban besar maka kecepatan rotasi motor akan kecil dan begitu pula sebaliknya. Dapat menghasilkan momen yang besar dengan arus yang rendah sehingga cocok digunakan sebagai starter mesin.

Karakter kecepatan dari motor DC tipe seri adalah :

 Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.

Karakteristik Motor Seri DC

(Rodwell International Corporation, 1999)

Rangkaian ekivalen dari jenis motor ini adalah :

Seperti judulnya rangkain ini menghubungkan kumpara medan secara seri dengan rangkaian jangkarnya. Maka sesuai dengan hokum kirchof bahwa arus yang mengalir pada kumparan jangkar akan sama dengan arus yang mengalir pada kumparan medan, sehingga persamaan matematisnya adalah :

Dimana :

Is = arus kumparan medan seri (Ampere) Rs = tahanan medan seri (ohm)

IL = arus darsi jala jala

Oleh karena itu, kawat yang digunakan untuk kumparan medan berdiameter besar. Karena kawatnya besar, maka lilitan yang dibuat pada kumparan medan hanya sedikit.

Ea = VL-Is.Rs-Ia.Ra-2Vsi

Ea.Ia = VL.Ia - Is2Rs- Ia2.Ra - Ia.2Vsi

Pcu = Ia2_.Ra+Is2_.Rs+Ia.2Vsi

Kelebihan :

1. Torka yang dihasilkan berbanding kuadrat dengan arus sumber motor DC. 2. Hanya memerlukan satu sumber DC.

3. Rangkaian eksitasinya sederhana. Kekurangan :

1. Kecepatan motor bervariasi dan sensitif terhadap perubahan torka beban.

2. Arus eksitasinya sebanding dengan arus jangkar, sehingga membutuhkan kawat medan yang cukup besar.

c. Motor DC Gabungan/Kombinasi/Kompound

Motor DC Tipe Kompon/Gabungan merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo (A). Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Motor DC campuran ini menghasilkan momen awal yang besar pada awal pergerakan beban.

Karakteristik Motor Kompon DC (Rodwell International Corporation, 1999)

Motor DC kompound merupakan kombinasi dari motor DC shunt dan seri, sehingga mempunyai dua buah kumparan medan, yaitu medan seri dan medan paralel. Ada dua macam motor DC kompound, yaitu:

1. Motor dc kompound differensial, yaitu jika antara kumparan medan seri dan medan paralel saling melemahkan (polaritas berlawanan), dan

1. Motor DC Penguatan Kompon Panjang/Kompound Differensial Pada motor arus searah

ini penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung pararel terhadap kumparan medan shunt. Sehingga rangkain ekivalen motor arus searah kompon panjang adalah :

Pada jenis motor dc ini fluks yang dihasilkan saling mengurangi , karena polaritas dari kumparan medannya saling berlawanan.

Berbeda dengan motor DC jenis ini, sifat dari rangkain ini akan saling menguatkan fluks karena polaritas dari kumparan medan sama

Il = Is+If

Pin = VL..IL

Pm = Ea.Ia Pm = Pin - Pcu

Ea.Ia =VL IL - Ia2.Ra - Is2.Rs - If2.Rf - 2Vsi.Ia Pm = Pin - Pcu

Pcu = Ia2_{.Ra + Is}2_{.Rs + If}2_.R

f + 2Vsi.Ia VL = Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs

Vf = If.Rf

Vf = VL

Ea = VL - Ia.Ra - Is.Rs - 2Vsi

2. Motor DC Penguatan Kompon Pendek/Kompound Komulatif Jenis motor Dc yang satu

ini, kumparan medan serinya justru terhubung pararel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shuntnya. Sehingga rangkaian pararelnya adalah :

Sama halnya dengan jenis motor DC penguatan kompon panjang, jenis motor

DC penguatan kompon pendek ini ada yang bersifat lawan, artinya jenis motor ini mengakibatkan pelemahan medan magnet, karena polaritas dari medan nya saling berlawanan.

Ea.Ia = Pm VL.IL = Pin

Pcu = (Ia2_{Ra+2Vsi.Ia+Is}2_Rs+I f2.Rf)

IL = Is = Ia+If

Ia = IL - If

Vf = If.Rf

VL = Vf+Vs = Vf+Is.Rs

Is.Rs = VL - Vf

VL =Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs

Ea = VL - Ia.Ra - 2Vsi - Is.Rs

Ea

=

V

l

−

Ia.

Ra

−

2

Vsi

−

Is

.

Rs

Ea

.

Ia

−

V

_l

.

I

_l

.V

_l

.

I

_f

−

Ia

2

Ra

−

2

Vsi

.

Ia

−

Is

2

Rs

+

Is

2

.

If

.

Rs

×

Ia

Diagram Daya dan Efisiensi pada Motor DC

A =rugi daya pada kumparan jangkar (Ia2_.Ra)

B = Rugi daya pada kontak sikat ((2Vsi.Ia) C = Rugi daya pada kumparan medan seri (Is2_.Rs)

D = Rugi daya pada kumparan medan shunt (If2.Rf)

E = Rugi daya hysterisis F = Rugi daya arus pusar G = Rugi daya angin

Pm = Pin – Pcu Pn = Pm – Pb Efisiensi :

Torsi pada Motor DC

Torsi Jangkar Motor DC Anologi dengan pada generator DC

T = torsi jangkar motor DC Ea = ggl lawan motor DC Ia = arus jangkar motor DC n = putaran motor DC

Ta

=

9

,

55

×

Pm

_n

→(

Nm

)

Ta

=

0

,

974

×

Pm

_n

→(

kgm

)

Ta

=

7

,

04

×

Pm

_n

→(

lbft

)

Ta

=

0

,

159

Φ

×

P

_a

×

z

×

Ia

→(

Nm

)

Ta

=

0

,

0162

Φ

×

P

_a

×

z

×

Ia

→(

kgm

)

Ta

=

0

,

117

×

Φ

×

P

_a

×

z

×

Ia

→(

lbft

)

η

ekonomi

=

η

motor

=

_Pin

Pn

×

100%

η

_mekanik

=

_Pm

Pn

×

100%

η

listrik

=

_Pin

Pm

×

100%

Ta

=

9

,

55

×

.

Ea

_n

.

Ia

→(

Nm

)

Ta

=

0

,

974

×

.

Ea

_n

.

Ia

→(

kgm

)

Torsi Poros Motor DC

Tsh

=

9

,

55

×

BHP

_n

×

746

→(

Nm

)

Tsh

=

0

,

974

×

BHP

_n

×

746

→(

kgm

)

Tsh

=

7

,

04

×

BHP

_n

×

746

→(

lbft

)

MotorDC

→

BHP

×

746

=

Pn

GeneratorDC

→

BHP

×

746

=

Pin

Ta - Tsh = Torsi hilang Torsi hilang =

9

,

55

×

Pb

_n

→(

Nm

)

Torsi hilang

0

,

974

×

Pb

_n

→(

kgm

)

Torsi hilang =

GENERATOR

1. GENERATOR DC

Penjelasan Umum Generator DC

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis, yaitu memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet atau sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat kumparannya menjadi energi listrik sehingga menghasilkan arus DC / arus searah.

Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanen dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor.

Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.

Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara, yaitu dengan menggunakan cincin-seret yang menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Dan dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), 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 positif. 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).

Jenis belitan jangkar generator DC dibedakan menjadi 2, yaitu belitan jerat (gelung) → a = p dan belitan gelombang → a = 2, dengan a = jumlah parallel jangkar dan p = jumlah kutub magnet

Prinsip Kerja Generator DC

Bagaimana kalau posisi utara-selatan magnet permanen dibalik? Ke mana arah arah arus listrik induksi yang dihasilkan?

Percobaan secara sederhana dapat dilakukan dengan menggunakan sepasang magnet permanen berbentuk U, sebatang kawat digantung dikedua sisi ujungnya, pada ujung kawat dipasangkan Voltmeter (Gambar Disamping). Batang kawat digerakkan ke arah panah, pada kawat dihasilkan ggl induksi dengan tegangan yang terukur pada Voltmeter.

Besarnya ggl induksi yang dibangkitkan:

ui = B · L · v · z Volt

ui = Tegangan induksi pada kawat, V B = Kerapatan medan magnet, Tesla L = Panjang kawat efektif, meter v = Kecepatan gerak, m/detik z = Jumlah belitan kawat

Belitan kawat generator berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan selanjutnya disebut belitan rotor atau belitan jangkar. Kedudukan I, ketika rotor digerakkan searah jarum jam, kawat 1 tanda silang (menjauhi kita), kawat 2 tanda titik (mendekati kita) ggl induksi maksimum. Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada garis netral ggl induksi sama dengan nol. Posisi III kawat kebalikan posisi I dan ggl induksi tetap maksimum

a. Generator DC dengan Penguat Kutub Tersendiri

Generator DC dengan penguatan kutub magnet tersendiri (terpisah), arus listrik pada belitan penguat kutub magnet mengambil dari sumber listrik di luar mesin generatos yang bersangkutan. Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu penguat elektromagnetik (Gambar a) dan magnet permanent / magnet tetap (Gambar b).

VL= IL .RL ( Volt )

Ea

=

V

l

+

IaRa

+

2

Vsi

Ea= ggl yang dibangkitkan generator DC

VL= tegangan pemakai/ beban/ luar

Ia = arus listrik pada belitan anker

If = arus listrik pada penguat kutup magnet

Ra= tahanan anker

RL = tahanan luar

Rf = tahanan penguat kutup magnet

IL = arus litrik pada pemakai

Ia.Ra = Rugi tegangan kumparan anker

Vsi = (rugi tegangan setiap sikat)

Ea

=

₆₀

Φ

.

zn

.

P

_a

(

volt

)→(

weber

)

dimana ᶲ dalam weber.

Ea

=

_{60 .}

Φ

.

zn

P

_a

.10

−8

(

volt

)→(

max

well

)

dimana ᶲ dalam Maxwell.

Apabila

z

60 .

P

a

=

k

_maka Ea=k.Φn→(volt)

Z = jumlah penghantar seluruh slot dalam jangkar n = putaran jangkar permenit (rpm)

P = jumlah kutup magnet

ᶲ = Jumlah garis gaya magnit (fluks) tiap kutub magnit.

a = Jumlah kelompok kumparan armature yang tersambung parallel (jumlah parallel cabang angker)

k = konstanta.

60 artinya 1 menit = 60 sekon.

Sedangkan pada generator DC dengan penguat sendiri, arus kemagnetan bagi kutub-kutub magnet berasal dari generator DC itu sendiri. Pengaruh nilai-nilai tegangan dan arus generator terhadap arus penguat tergantung cara bagaimana hubungan lilitan penguat magnet dengan lilitan jangkar. Yang termasuk dalam generator DC penguat sendiri adalah geberator DC seri, generator DC shunt, dan generator DC kompon.

Diagram Arus listrik.

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 + IsR s+ IaRa + 2Vsi Ea= ggl yang dibangkitkan generator

IaRa = rugi tegangan dalam jangkar

IsRs = rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet seri.

Generator DC Shunt

Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). 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 E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya.

Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.

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.

Ia= Il + If

Vl = Il.Rl

Vf = If.Rf

V = Ea-Ia.Ra

Vl = Vf = V

Ea = V+Ia.Ra

Ea = Vl+Ia.Ra

Ea = Vf+Ia.Ra

Bila Vsi diperhitungkan Ea = Vl+Ia.Ra+ 2Vsi

Rf = Tahanan penguat kutub magnet shunt

Vf = Rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet shunt

Generator DC Kompon

Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.

Karakteristik generator kompon, tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.

Generator DC Kompon Panjang :

Ia = Is

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

C = Rugi-rugi daya kump. angker (Ia2_.Ra)

D = Rugi-rugi daya kontak sikat (Ia.2Vsi) E = Rugi-rugi daya kumparan seri (Is2_.Rs)

F = Rugi-rugi daya kumparan shunt (If2.Rf)

Pin = Daya input ( Daya mekanik ). Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia) Pb = Rugi besi dan gesekan ( A + B ) Pcu = Rugi tembaga ( C+D+E+F ) Pn = Daya out put (VL.IL )

Ea = VL+Is .Rs +Ia.Ra+2Vsi

V.Ia = Pem – ( C + D ).

Pin = Pem+Pb Pem = Pn+Pcu Pb = Pin-Pem Pcu = Pem-Pn

η

gen

=

_Pin

Pn

×

100%

η

_listrik

=

_Pem

Pn

×

100%

Torsi pada Generator DC

Penampang lintang jangkar generator DC dengan jari-jari = r, terdapat gaya keliling F kerja (W) = F x jarak. Untuk 1x putaran jangkar = 2πr, sehingga W = F x 2πr. Untuk

1 secon dengan

n

60

_{(rps), sehingga W = Fx2πr}

60

n

_.

W = F x 2r

πn

60

F x r = Ta ( torsi anker )

2

πn

60

=

30

πn

=

ωm

_{(kecepatan putar mekanik) ( Rps )} W=Ta. ω . m→ F(newton)

W=Ta x2₆₀π n→ r(m)

Ta=Fxr →(Nm)

Kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar perdetik (W) sebanding dengan daya armature (Pem )

W=Pem=Ea . Ia

2π n

60 =Ea . Ia Ta=Ea. Ia_n X60₂

Ta

=

9

,

55

×

Ea

_n

.

Ia

→(

Nm

)

Ta

=

9

,

55

×

Pem

_n

→(

Nm

)

Ea = volt Ia = ampere

2. GENERATOR AC

Arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industry untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak.

Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu: a. Generator arus bolak-balik 1 fasa

b. Generator arus bolak-balik 3 fasa

Prinsip Kerja

Generator AC bekerja berdasarkan atas prinsip dasar induksi elektromagnetik. Tegangan bolak-balik akan dibangkitkan oleh putaran medan magnetik dalam kumparan jangkar yang diam. Dalam hal ini kumparan medan terletak pada bagian yang sama dengan rotor dari generator. Nilai dari tegangan yang dibangkitkan bergantung pada :

Jumlah dari lilitan dalam kumparan.



Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang diinduksikan.



Kecepatan putar dari generator itu sendiri.



Prinsip generator ini secara sederhana dapat dijelaskan bahwa tegangan akan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan berlaku pada generator dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan.

Cara kerja sederhana:

 Ketika kumparan diputar didalam medan magnet,satu sisi kumparan(biru) bergerak ketassedang lainnya(kuning)bergerak kebawah.

 Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang semakin sedikit,sehingga padakedua sisi kumparan mengalir arus listrik mengitari kumparan mengalir arus listrik mengitarikumparan hingga kumparan sinusoid.

 Pada posisi sinusoid kumparan tidak mengalami perubahan garis gaya magnet sehingga tidak ada listrik yang mengalir pada kumparan.

 Pada posisi ini kumparan mendapat garis ± garis magnet maksimum.

 Kumparan terus berputar hingga sisi biri bergerak kebawah dan sisi kuning bergerak keatas.

 Agar menimbulkan medan magnet yang berpotongan dengan konduktor pada stator rator diberi eksitasi.Karena ada dua kutub yang berbeda,utara dan selatan,maka tegangan yangdihasilkan pada stator adalah tegangan bolak balik dengan gelombang sinusoidal.

 Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan masyarakat.

Konstruksi Generator

Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu

1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan bolakbalik

2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator.

Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Jumlah Kutub pada Generator

Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.

f . p . n/120 Keterangan: