BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam dunia kelistrikan, kita mengenal suatu alat yang disebut motor listrik dan generator listrik. Secara sederhana, generator listrik berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik sedangkan motor listrik berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Dri kedua fungsi masing-masing alat tersebut terdapat hubungan. Sebuah generator akan bekerja dengan dibantu motor listrik untuk menggerakkan generator tersebut. Namun pada skala besar, seperti pada PLTA, generator akan dibantu turbin untuk menggerakkan generator tersebut. Dari fungsi generator tersebut, menjadikan alat ini sangat diperlukan dalam kehidupan sehari-hari. Generator itu sendiri ada dua macam, yaitu generator DC ( arus searah) dan generator AC (arus bolak-balik). Perbedaan mendasar dari kedua generator ini adalah pada sumber tegangan yang dihasilkan.
Dalam kehidupan sehari-hari, semakin banyak peralatan elektronika yang menggunakan listrik sebagai sumber utama. Apabila terjadi listrik padam dalam sehari saja, maka sebagian aktivitas manusia akan terhambat. Oleh karena itu dalam makalah ini, kami mencoba untuk menjelaskan tentang generator listrik khususnya generator searah (DC).
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa itu generator DC ?
3. Bagaimana konstruksi dari generator DC?
4. Apa maksud dari reaksi jangkar pada generator DC? 5. Apa saja jenis-jenis generator?
6. Apa saja rugi-rugi yang terjadi pada generator? 7. Apa saja karakteristik generator DC?
1.3 Tujuan
1. Mengetahui pengertian generator DC 2. Mengetahui prinsip kerja generator DC 3. Mengetahui konstruksi generator DC
4. Mengetahui maksud dari reaksi jangkar generator DC 5. Mengetahui jenis-jenis generator
6. Mengetahui rugi-rugi yang terjadi pada generator 7. Mengetahui karakteristik generator DC
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Generator DC
Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Secara umum generator DC adalah tidak berbeda dengan motor DC kecuali pada arah aliran daya. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah (DC) dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri. Generator DC berpenguatan bebas merupakan generator yang mana arus medannya di suplai dari sumber DC eksternal. Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang
mempunyai tahanan akan menghasilkan arus dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
Pada karakteristik berbeban sebuah generator DC menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal dan arus medan ketika generator dibebani. Bila generator dibebani maka akan mengalir arus beban. Pada generator DC penguatan shunt penurunan tegangan terminal akan semakin besar bila terus-menerus dibebani, dan arus medan Ifpada mesin ikut turun. Ini menyebabkan fluks pada mesin turun sehingga nilai Ea turun yang menyebabkan penurunan tegangan terminal lebih besar. Sedangkan pada generator DC penguatan bebas Tegangan terminal Vt akan berkurang akibat efek demagnetisasi dari reaksi jangkar. Pengurangan ini dapat di atasi dengan peningkatan arus medan yang sesuai. Tegangan terminal Vt akan lebih kecil dari pada GGL E yang dibangkitkan, sebesar Ia.Ra, dimana Ra adalah resistansi rangkaian jangkar. Penurunan tegangan ini dapat dengan suatu segitiga yang disebut segitiga portier, yang sisinya sebanding Ia. karena Iakonstan maka segitiga ini konstan dalam batas-batas belum jenuh. Menurunnya tegangan terminal ini akan menyebabkan arus medan turun, dan Ea juga akan mengalami penurunan.
2.2 Prinsip Kerja Generator DC
Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday :
Dimana : N = Jumlah Lilitan
E = Tegangan Imbas, GGL (Gaya Gerak Listrik)
Dengan lain perkataan, apabila suatu konduktor memotong garis-garis fluksi magnetik yang berubah-ubah, maka GGL akan dibangkitkan dalam konduktor itu. Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan GGL adalah :
harus ada konduktor ( hantaran kawat )
harus ada medan magnetik
harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu
Gambar 1. Prinsip kerja Generator DC
Pada gambar Generator DC Sederhana dengan sebuah penghantar kutub tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF.
Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet. Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap
sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D.
GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar :
Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan kanan :
ibu jari : gerak perputaran
jari telunjuk : medan magnetik kutub utara dan selatan jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus I
Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak-balik, meskipun tujuan utamanya adalah pembangkitan tegangan searah, tampak bahwa tegangan kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik. Bentuk gelombang yang berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.
Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan
Saklar Komutator Dioda
Sistem Saklar
Saklar berfungsi untuk menghubungsingkatkan ujung-ujung kumparan. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :
Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul tegangan yang sinusoida. Bila setengah periode tegangan positif saklar di hubungkan, maka tegangan menjadi nol. Dan bila saklar dibuka lagi akan timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setengah periode tegangan saklar dihubungkan, maka akan di hasilkan tegangan searah gelombang penuh.
Sistem Komutator
Komutator berfungsi sebagai saklar, yaitu untuk menghubung singkatkan kumparan jangkar. Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung kumparan jangkar.Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangan bolak balik sinusoidal. Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan perioda perputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah gelombang penuh.
Gambar 2. Efek Komutasi
Sistem Dioda
Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.
Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.
Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam: Half Wave Rectifier (penyearah setengah gelombang)
Full Wave Rectifier (penyearah satu gelombang penuh)
2.3 Konstruksi Generator DC
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 3 menunjuk-kan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 3. Konstruksi Generator DC
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu 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.
Gambar 4. Struktur Generator DC
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar. Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang.
Gambar 5. Jangkar Generator DC.
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 6). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.
Gambar 6. Medan Eksitasi Generator DC
Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 7).
Gambar 7. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b).
Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara
medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator. Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada Gambar 8.(a).
Gambar 8. Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b).
Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan
kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya.
Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu: 1. lilitan magnet utama
2. lilitan magnet bantu (interpole) 3. lilitan magnet kompensasi
2.5 Jenis-Jenis Generator
Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu generator penguat terpisah, generator shunt, dan generator kompon.
1. Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 9.a)
Gambar 9. Generator Penguat Terpisah
Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2. Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya.
Gambar 10. Karakteristik Generator Penguat Terpisah karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie
100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.
Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.
2. Generator 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. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Diagram Rangkaian Generator Shunt 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.
Gambar 12. Karakteristik Generator Shunt.
Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Gambar 12. 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.
3. Generator 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.
Gambar 13. Diagram Rangkaian Generator Kompon
Karakteristik Generator Kompon
Gambar 14. Karakteristik Generator Kompon
Gambar 14 menunjukkan 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.
2.6 Rugi-Rugi pada Generator DC
Rugi–rugi yang ada pada generator DC antara lain rugi tembaga, rugi besi, dan rugi mekanik. Rugi-rugi ini sangat penting untuk diketahui dan diperlukan untuk menghitungbesarnya effisiensi dari generator. Untuk menentukan besarnya rugi mekanikdan rugi besi dapat dilakukan dengan cara pengujian motor penggerak dan pengujian pada generatornya sendiri.
1. Rugi Tembaga
Rugi daya akibat panas dalam belitan akibat arus yang melalui kumparan jangkar atau medan. Rugi tembaga ini biasanya terjadi pada kumparan medan shunt, kontak singkat, jangkar, kumparan medan seri, dan pada lilitan – lilitan medan tambahan misalnya belitan dan kompensasi
2. Rugi Mekanik
Rugi ini disebabkan oleh bagian-bagian yang berputar dari mesin. Besarnya rugi mekanik ini dianggap tetap dalam kondisi beban penuh maupun beban nol. Hanya mesin dengan kapasistas besar yang ada perubahan apabila beban berubah. Rugi ini terdiri dari rugi sikat, rugi bearing, dan rugi angin. Rugi sikat ini timbul karena adanya gesekan komutator dengan sikat. Rugi bearing timbul karena adanya gesekan bearing dengan rotor. Rugi angin timbul karena adanya gesekan rotor dengan angin.
3. RUGI BESI
Rugi ini disebabkan adanya fluk bolak-balik pada inti besi yang mengakibatkan rugi histerisis dan arus eddy. Besarnya rugi ini sangat tergantung dari kualitas bahan magnet yang digunakan. Pada operasi konsdisi jenuh besarnya rugi besi
2.7 Karakteristik Generator DC
Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu :
dengan magnet permanen dengan magnet remanen
Generator listrik dengan magnet permanen sering juga disebut magneto dynamo. Karena banyak kekurangannya, maka sekarang jarang digunakan. Sedangkan generator dengan magnet remanen menggunakan medan magnet listrik, mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu :
Medan magnet yang dibangkitkan dapat diatur
Pada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :
Dimana :
Ea = GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator = Fluks per kutub
z = Jumlah penghantar total n = Kecepatan putar
e = Jumlah hubungan paralel Bila(Konstanta), maka :
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah
dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu:
1. Generator berpenguatan bebas
Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak tergantung dari mesin. Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam
generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator : Tegangan jepit (V)
Arus eksitasi (penguatan) Arus jangkar (Ia)
Kecepatan putar (n)
2. Generator berpenguatan sendiri a. Generator searah seri
b. Generator Shunt
Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan :
Adanya sisa magnetik pada sistem penguat
sedemikian, hingga arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.
Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau: Sisa magnetik tidak ada
Misal: Pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetik adalah pada generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatan bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputaran nominal.
Hubungan medan terbalik,
Karena generator diputar oleh arah yang salah dan dijalankan, sehingga arus medan tidak memperbesar nilai fluksi. Untuk memperbaikinya denganhubungan-hubungan perlu diubah dan diberi kembali sisa magnetik, seperti carauntuk memberikan sisa magnetik.
Tahanan rangkaian penguat terlalu besar
Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan, hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau komutator kotor.
c. Generator Kompon
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang
dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yangdimiliki merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisadihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaandari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau daritegangan terminal kecil sekali dan terpengaruh.
Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan seri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF nya searah. Bila generator ini dihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu mempunyai kumparankompon bantu. Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut kompon lawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau generator-generator khusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu yang mempunyai peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seri dirancang untuk kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar pada range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara otomatis pasa satu range beban tertentu.
d. Kompon Panjang
e. Kompon Pendek
Pembangkitan Tegangan Induksi Pada Generator Berpenguatan Sendiri Disini akan diterangkan pembangkitan tegangan induksi generator shunt dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor, akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan
menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil. Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk generator tersebut.
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Generator DC merupakan mesin DC yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip Kerja Generator DC itu sendiri di hasilkan pembangkit listrik melalui induksi dengan 2 cara yaitu dengan menggunakan cincin-seret yang menghasilkan tegangan induksi bolak-balik dan dengan
menggunakan komutator yang menghasilkan tegangan DC. Rugi– rugi yang ada pada generator DC antara lain rugi tembaga, rugi besi, dan rugi mekanik. Rugi-rugi ini sangat penting untuk diketahui dan diperlukan untuk menghitungbesarnya effisiensi dari generator.
Daftar Pustaka
http: // dun ia - li st ri k . b log sp o t .co m /2009/01/ge n era t or -d c. htm l
http: // dun ia - li st ri k . b log sp o t .co m /20 0 9/09/a n i m a s i - ge n er a t or -d c -d a n-ge
n era t or - ac. htm l
http: // www . d oc st oc.co m / d oc s /17291496/Ge n era t or -DC http: // www .yo utub e.co m / w a t c h ?v=1FaWG X z7 s xQ
