Setelah menyelesaikan pokok bahsan ini, siswa dapat : - Menjelaskan prinsip kerja generator
1. UMUM.
Prinsip kerja generator adalah berdasarkan hukum Faraday, yaitu bila suatu konduktor memotong garis gaya magnet, maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya gerak listrik (g.g.l.) induksi. Dalam bentuk sederhana hal ini dapat dilakukan dengan menggerakkan sepotong kawat dalam suatu medan magnet.
Gaya gerak listrik atau tegangan listrik yang dihasilkan akan berlangsung selama ada gerakan antara konduktor dan medan magnet dan tegangan ini akan menimbulkan arus listrik apabila ujung – ujung konduktor/kawat dihubungkan pada suatu rangkaian listrik tertutup, misalnya lampu atau beban tahanan.
2. KONSTRUKSI DASAR GENERATOR.
Suatu generator pada dasarnya terdiri dari lilitan kawat (konduktor) yang dapat diputar didalam suatu medan maknit statis, sehingga mengakibatkan di induksikannya arus didalam lilitan kawat tersebut. Kontak-kontak luncur menghubungkan lilitan kawat tersebut dengan suatu sirkit luar untuk memanfaatkan gaya gerak liatrik (ggl) yang dihasilkan. Bagian-bagian kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan maknit, mensuplai medan maknit tersebut. Ujung-ujung kawat jangkar dihubungkan dengan cincin slip (alip ring), dan berputar bersama-sama jangkar, membawa arus yang dihasilkan tersebut ke sirkit luar
Sebagai mesin berputar (rotating machine), generator terbagi delam dua bagian besar yaitu rotor dan stator.
Rotor adalah bagian mesin yang berputar dan stato adalah bagian mesin yang diam.
Kumparan medan atau kumparan jangkar dapat diguhakan sebagai stator maupun rotor. Biasanya untuk generator besar dan berkeja kecepatan tinggi (turbo-alternator), kumparan medan pada rotor dan kumparan jangkarnya pada stator, sedang pada generator arus searah yang menggunakan komutator, biasanya kumparan medannya pada stator dan kumparan jangkar pada rotor.
3. PRINSIP KERJA GENERATOR.
Untuk menjelaskan prinsip dasar kerja generator, pada Gambar 1 kita anggap bahwa kawat jangkar berputar searah jarum jam dengan posisi awal pada 0 derajat (titik A). Pada titik A. kawat ,jangkar tegak lurus terhadap medan maknit, dan. konduktor dari kawat jangkar yang berwarna hitam dan putih bergerak paralel terhadap medan maknit. Karena konduktor tidak memotong garis gaya, maka tidak ada ggl yang dibangkitkan. Dengan tidak adanya yang diinduksikan berarti tidak ada arus yang mengalir melewati sirkit.
yang di induksikan pada kedua konduktor berada dalam hubungan seri, dan tegangan yang dihasilkan sikat (brush) adalah merupakan penjumlahan dari kedua ggl yang diinduksikan tersebut.
Gambar 5. Konstruksi Dasar Generator.
Gerakan antara titik A ke B ditunjukkan oleh amper meter yang semakin bergerak kearah kanan.
garis-garis gaya yang terpotong. Dengan demikian ggl yang diinduksikan akan berkurang pada saat konduktor bergerak dari 90 derajat ke 180 derajat seperti diperlihatkan pada amper meter Gambar 3.
Kembali pada Gambar 1, 2 dan 3, jelas terlihat bahwa dari 0 derajat ke 180 derajat kawat konduktor telah berputar pada arah yang sama melewati medan maknit. Polari tas ggl yang diinduksikan adalah tetap sama. Ketika kawat jangkar mulai berputar melampaui 180 derajat menuju titik A (0 derajat), arah pemotongan konduktor tersebut yang berwarna hitam memotong medan maknit menjadi terbalik. Sekarang konduktor yang berwarna hitam memotong medan maknit ke atas dan konduktor yang warna putih memotong medan maknit dengan arah kebawah. Polaritas ggl yang diinduksikan dan aliran arusnya menjadi terbalik. Seperti terlihat pada Gambar 9, dari titik C (180 derajat) menuju ketitik D (270 derajat) kembali ke titik A (0 derajat), aliran arus akan mempunyai arah berlawanan dengan aliran dari titik A menuju titik C. Tegangan terminal generator akan tetap sama sejak dari titik A sampai ketitik C kecuali kalau polaritasnya dibalik.
Gambar 4 memperlihatkan bentuk gelombang tegangan output untuk keseluruhan gerakan kawat konduktor. Bentuk gelombang tersebut menunjukkan tegangan maksimum dan tegangan minimum pada waktu konduktor bergerak dari 0 darajat pada titik A menuju 360 derajat berakhir pada titik A lagi.
3.1. GENERATOR ARUS BOLAK BALIK (ALTENATOR)
Gambar 6 memperlihatan bagan suatu alternator medan putar, dimana pada alternator jenis ini kumparan jangkar yang diam (pada stator) dan
kumparan medan yang berputar (pada rotor).
Kumparan jangkar pada stator memberi keuntungan tegangan yang dibangkitkan dapat dihubungkan langsung dengan beban. Jika digunakan jangkar putar, untuk mengalirkan arus dari jangkar ke beban diperlukan cincin seret (slip ring) dan karena kontak yang tidak sempurna antara dengan cincin seret, akan timbul bunga api pada terutama bila dibangkitkan tegangan tinggi. Kerugian lain dari jenis jangkar berputar adalah pada beban arus yang besar,terdapat jatuh tegangan yang cukup besar pula pada sikat – sikat (brush).
Pada medan berputar baisanya digunakan tegangan searah dan berdaya rendah, sehingga bunga api yang timbul pada cincin seret tidak menimbulkan masalah besar.
Arus maksimum yang dapat dibangkitkan oleh suatu generator bergantung kepada suhu maksimum yang dapat ditahan oleh konduktor dan isolasi jangkarnya. Suhu ini terjadi karena adanya rugi -rugi panas dalam konduktor jangkar karena adanya arus listrik yang
mengalir dalam konduktor tersebut.
3.1.1. Konstruksi Altenator
Seperti umumnya mesin-mesin listrik, terdiri atas stator dan rotor, altenatorpun terdiri atas dua bagian utama yaitu rotor
dan stator. Menurut bentuk rotornya terdapat dua macam altenator, yaitu jenis rotor silinder dan jenis rotor kutub menonjol (salient pole)
Gambar 7 dan 8 memperlihatkan kedua macam rotor tersebut Rotor jenis silinder digunakan pada altenator yang berputar dengan kecepatan tinggi (lebih dari 1200 rpm), seperti pada PLTU, PLTG dan PLTD.
Ujung-ujung kumparan medan dengan sumber arus searah melalui cincin seret. Sumber arus searah ini biasanya berupa generator arus searah yang dikenal dengan penguat exciter.
3.1.2. Alternator Satu Fasa.
Uraian dalam penjelasan mengenai cara kerja generator menggambarkan alternator 1 fasa. Untuk mendayagunakan medan magnet seefesien mungkin di sekeliling stator dapat ditempatkan kumparan-kumparan angkar yang paralel.
Ketika rotor berputar, medan magnet akan menginduksikan tegangan pada kumparan stator. Karena posisi kutub rotor setiap satat relatif sama pada kedua kutub stator, maka kedua kutub stator setiap saat dipotong oleh sejumlah garis gaya magnet yang sama. Tegangan yang diinduksikan pada kedua kumparan stator mempunyai besaran atau amplitudo sesaat yang sama dam oleh karena kedua it utub stator dihubungkan seri, maka tegangan pada masingmasing kutub akan saling menjumlahkan untuk menghasilkan tegangan total yang besarnya dua kali tegangan pada setiap satu kutub.
3.1.3. Alternator Tiga Fasa.
Alternator tiga fasa mempunyai tiga buah pasangan kumparan jangkar/stator satu fasa yang diletakkan sedemikian rupa sehingga tegangan yang diinduksikan pada setiap kumparan yang saling berbeda 120 derajat listrik terhadap dua kumparan yang lain.
Gambai- 10 memperlihatkan diagram suatu alternator tigafasa sederhana dengan tiga buah pasangan kumparan stator yang saling terpisah.
3.1.4. Frekuensi.
Dari gambar ini terlihat bahwa untuk satu kali putaran rotor, diperoleh tegangan induksi dengan 2 perioda, sehingga dapat dikatakan bahwa frekuensi tegangan induksi sebanding bolak balik, hanya pada generator arus as earah ditambahkan suatu cistern penyearah arus yang dinamakan komutator.
Pada gambar 14 nampak konstruksi suatu generator arus searah dengan komutatornya. Terlihat bahwa disini posisi sikat saling berhadapan / berlawanan. Bagian-bagian komutator dipasang sedemikian rupa sehingga pada saat konduktor jangkar melewati titik dimana tegangan = nol, antar bagian tersebut akan dihubung sinkat oleh sikat-sikat itu.
Saat jangkar berputar, setiap saat sebuah sikat terhubung dengan konduktor yang positip dan sikat yang lain terhubung ke konduktor negatip, berarti setiap saat tegangan pada terminal sikat-sikat adalah searah.
Mari kita perhatikan gambar-gambar berikut untuk menjelaskan proses perubahan arus bolak balik yang dibangkitkan dalam konduktor jangkar pada terminal sikat-sikat.
Pada titik A, gambar 15, konduktor jangkar dalam posisi tegak lurus medan magnet, sehingga tidak ada ggl induksi dalam jangkar. Karena tidak ada ggl, maka tidak ada arus mengalir pada rangkaian beban dan pada keadaan ini kedua belahan komutator terhubung singkat oleh sikat-sikat.
Ketika jangkar bergerak melampaui titik A, sikat berwarna hitam berhubungan dengan bagian komutator yang berwarna hitam dan sikat yang berwarna putih terhubung ke bagian komutator yang berwarna putih pula.
Saat konduktor jangkar bergerak dari titik A ke titik B, ggl yang dibangkitkan naik dari nol sampai maksimum di titik B, seperti terlihat pada gambar 16.
jarum jam dari ti-ti; B ke titik C, ggl yang diinduksikan turun dari maksimum menjadi nol ketitik C. Setelah melalui titik , sikat hitam sekarang terhubung kebagian komutator berwarna putih dan sebaliknya sikat putih terhubung kebagian komutator berwarna hitam (lihat gambar 18).
Pada gambar 19, konduktor jangkar terus berputar ketitik C ke titik D dan kembali ketitik A (posisi awal) dan sikat hitam terhubung dengan konduktor putih yang bergerak kebawah serta sikat putih terhubung dengan konduktor putih yang bergerak ke atas.
Ternyata bahwa sikat hitam selalu berhubungan dengan konduktor yang bergerak kebawah, sedang sikat putih selalu berhubungan
Karena gerakan konduktor mengalir menuju sikat, terminal negatip dan sikat dari generator arus searah ke atas menimbulkan arus yang maka sikat putih merupakan hitam adalah terminal positip dari generator arus searah ini.
tegangan dengan polaritas sama seperti yang dibangkitkan ketika jangkar hitam bergerak dari 0 derajat menuju 180 derajat.
Gambar 20 memperlihatkan bentuk gelombang tegangan pada sehingga tidak konstan untuk pengoperasian peralatan ayng menggunakan teganmgan searah.
Untuk itu perlu dilakukan suatu cara memperbaiki tegangan searah yang dihasilkan oleh generator searah agar dapat diperoleh tegangan yang rata..
Gambar 21 memperlihatkan suatu generator arus searah dengan dua buah kumparan jangkar yang saling tegak lurus. Komutatornya dibagi menjadi empat bagian, sehingga masing-masing kumparan dihubungkan dengan sepasang bagian sikat-sikat tersebut terhubung ke kumparan hitam yang baru mulai bergerak memotong in edan magnet, sehingga tegangan induksi mulai naik kembali.
Terlihat jelas bahwa tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan dua kumparan jangkar lebih rata daripada tegangan dari generator dengan satu kumparan jangkar
Jadi dengan memperbanyak jumlah kumparan jangkar, akan diperoleh tegangan yang makin rata.
Konstruksi Generator Arus Searah.
Generator arus searah terdiri atas stator dan rotor, kumparan jangkar terletak di rotor dam kumparan medannya di stator.
3.2.2. Jenis-jenis Generator Arus Searah.
Seperti kita ketahui bahwa generator arus searah mempunyai kumparan medan dan kumparan jangkar. Bermacam-macam cara untuk memberi catu daya searah kepada kumparan medan dan berdasarkan ini, dikenal jenis
3.2.3. jenis generator arus searah.
Ada dua macam cara memberi catu daya pada kumparan medan, yaitu dengan sumber arus searab dari luar (terpisah) dan dengan sumber arus searah dari kumparan jangkar generator itu sendiri,
Catu daya menggunakan sumber terpisah dinamakan sistem eksitasi terpisah dan yang menggunakan sumber dari generator itu sendiri dinamakan sistem eksitasi sendiri.
Generator arus searah dengan sistem eksitasi terpisah mempunyai kumparan medan yang terpisah dari kumparan jangkarnya dan kumparan medan ini dihubungkan dengan suatu sumber daya arus searah dari luar.
Berdasarkan cara menghubungkan kumparan medan dengan kumparan jangkarnya ada 3 jenis generator ini, yaitu :
1. Generator seri, kumparan medan dihubungkan seri dengan kumparan jangkar
2. Generator shunt, kumparan medan dihubungkan, paralel dengan kumparan jangkar.
3. Generator kornpon (compound), merupakan- gabungan antara 1 dan 2. Generator jenis ini terbagi lagi menjadi dua jenis yaitugenerator kompon pendek dan generator kompan panjang.
