Analisa Karakteristik Generator dan Motor DC Syaoqi Muttaqin (21060112130034) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jln. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia
Abstrak— Dalam dunia industri dikenal berbagai jenis motor, generator maupun bentuk – bentuk konversi energi listrik yang diterapkan. Pada prinspnya tidak terlepas dari peranan berbagai instrumen-intrumen yang bekerja dalam suatu sistim terintegrasi. Mesin DC adalah salah satu bagian yang tidak terpisahkan dari dunia industri. Mesin DC dapat beroperasi sebagai motor maupun generator dengan fungsi membangkitkan torsi yang akan menghasilkan putaran, dan dengan kata lain yang sebaliknya jika torsi dibangkitkan maka energi listrik akan terbentuk. Pengubahan tenaga electromagnetic terjadi pada saat perubahan fluks yang disebabkan oleh adanya gerak mekanis. Tegangan yang dibangkitkan pada lilitan secara mekanis melalui medan magnetic, sehingga harga reluktansi berubah ubah sesuai putaran rotor. Model dan teknik analitis, matematis adalah sangat penting pada analisa dan penerapan mesin DC. Dalam makalah ini penulis akan memaparkan mengenai generator dan motor DC secara umum berdasarkan karakteristik masing-masing mesin DC sesuai klasifikasinya. Keywords— Generator DC, Motor DC
berujung pada cincin belah (komutator). Dengan adanya insulator antara komutator, cincin belah dapat berperan sebagai saklar kutub ganda (double pole, double throw switch). Motor DC bekerja berdasarkan prinsip gaya Lorentz, yang menyatakan ketika sebuah konduktor beraliran arus diletakkan dalam medan magnet, maka sebuah gaya (yang dikenal dengan gaya Lorentz) akan tercipta secara ortogonal diantara arah medan magnet dan arah aliran arus. Mekanisme ini diperlihatkan pada Gambar berikut ini:
I. PENDAHULUAN Genx (2009) mengemukakan bahwa mesin listrik adalah alat listrik yang berputar dan dapat mengubah energi mekanis menjadi energi listrik (menggunakan Generator AC/DC) dan dapat mengubah energi listrik menjadi energi mekanis (menggunakan Motor AC/DC), serta dapat juga mendistribusikan energi listrik dari satu rangkaian ke rangkaian lain (menggunakan Transformator) dengan tegangan yang bisa berubah-rubah dan dengan frekuensi yang tetap melalui suatu medium berupa medan magnet atas dasar prinsip Elektro Magnetis. Transformator itu di golongkan menjadi mesin listrik statis sedangkan generator dan motor di golongkan menjadi mesin listrik dinamis. Menurut Hammer (2013) Pada dasarnya terdapat dua macam generator, yaitu generator DC dan generator AC. Demikian pula dengan motor, terdapat motor DC dan motor AC. Chapman (2005) mengungkapkan bahwa generator DC merupakan mesin DC yang digunakan sebagai generator, dimana berdasarkan cara pembangkitan medan flux nya dibagi menjadi, generator penguat terisah, generator shunt, generator seri, generator kompon cumulatively, dan generator kompon differentially. Sedangkan motor DC secara umum yang digunakan dibagi menjadi 5 yaitu motor DC penguat terpisah, motor DC magnet permanen, motor DC shunt, motor DC seri, dan motor DC gabungan/kompon.
Gambar 1. Mekanisme kerja motor DC
II. PEMBAHASAN
2. Konstruksi Motor DC Menurut Marwan (2007) Belitan motor ini terdiri dari: 1. Belitan jangkar 2. Belitan kutub bantu 3. Belitan Eksitansi/Belitan Medan Sjatry (2013) Mengemukakan bahwa ada tiga komponen penting dalam motor DC yaitu:
2.1 MOTOR DC 1. Pengertian Menurut Fahmizal (2012) Motor DC adalah piranti elektronik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik berupa gerak rotasi. Pada motor DC terdapat jangkar dengan satu atau lebih kumparan terpisah. Tiap kumparan
a. Kutub Medan Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakkan bearing pada ruang di antara kutub medan.
1
Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan di antara kutub – kutub dari utara menuju selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih kompleks, terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya luar sebagai penyedia struktur medan. b. Rotor Bila arus masuk menuju kumparan jangkar, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Rotor yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakkan beban. Untuk motor DC yang kecil, rotor berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub – kutub, sampai kutub utara dan kutub selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arus berbalik untuk merubah kutub – kutub utara dan selatan rotor. c. Komutator Komponen ini terdapat pada motor DC dan berfungsi untuk membalikkan arah arus listrik dalam kumparan jangkar. Komutator juga membantu dalam transmisi arus antara kumparan jangkar dan saluran daya.
terminal kumparan rotor di bawah kutub Udan keluar dari terminal di bawah kutub S. Dengan adanya fluks stator dan arus rotor akan menghasilkan satu gaya F bekerja pada kumparan yang dikenal dengan gaya Lorentz. Arah F menghasilkan torsi yang memutar rotor ke arah yang berlawanan dengan jarum jam. Kumparan yang membawa arus bergerak menjauhi sikat – arang dan dilepas dari sumber suplai luar. Kumparan berikutnya bergerak di bawah sikat – arang dan membawa arus I. Dengan demikian, gaya F terus menerus diproduksi sehingga rotor berputar secara kontinyu. (Sjatry, 2013). 4. Rangkaian Equivalent Motor DC Dalam rangkaian equivalent motor DC, sirkit armature direpresentasikan oleh sumber tegangan ideal dan resistor . Drop voltage brush direpresentasikan dengan suatu baterai Sedangakan kumparan medan menghasilkan flux magnetic pada generator direpresentasikan oleh inductor dan resistor Sebuah resistor terpisah merepresentasikan resistor eksternal untuk mengatur besar arus pada sirkit medan. Rangkaian equivalent dari motor DC ditunjukkan sebagai berikut :
3. Prinsip Kerja Motor DC Menurut Sjatry (2013) Sebuah motor DC magnet permanen biasanya tersusun atas magnet permanen, kumparan jangkar, dan sikat (brush). Medan magnet yang besarnya konstan dihasilkan oleh magnet permanen, sedangkan komutator dan sikat berfungsi untuk menyalurkan arus listrik dari sumber di luar motor ke dalam kumparan jangkar. Letak sikat di sepanjang sumbu netral dari komutator, yaitu sumbu dimana medan listrik yang dihasilkan bernilai nol. Hal ini dimaksudkan agar pada proses perpindahan dari sikat ke komutator tidak terjadi percikan api.
Gambar 3. Rangkaian Equivalent Motor DC Dikarenakan drop voltage pada brush adalah sangat kecil maka nilainya dapat diabaikan dan biasanya digabungkan dengan maka rangkaian equivalent setelah disederhanakan menjadi :
Gambar 4. Rangkaian Equivalent Motor DC
Gambar 2. Prinsip kerja motor DC Medan stator memproduksi fluks Φ dari kutub U ke kutub S. Sikat – arang menyentuh terminal kumparan rotor di bawah kutub. Bila sikat – arang dihubungkan pada satu sumber arus serah di luar dengan tegangan V, maka satu arus I masuk ke
Tegangan internal yang diberikan oleh persamaan,
dibangkitkan
dalam
mesin
Sedangkan torsi induksi direpresentasikan dengan,
yang
dalam
mesin
Arus medan pada
2
ada
dirumuskan sebagai berikut,
5.
Klasifikasi Motor DC
1. Motor DC Penguat Terpisah (Separately Excited) dan Motor DC Shunt Motor DC penguat terpisah (separately excited) merupakan motor DC yang sirkuit medannya disupplai oleh tegangan konstan power supply yang terpisah dari motor itu sendiri. Sedangkan motor DC shunt merupakan motor yang sirkit medannya disupply dari terminal armature langsung yang terhubung secara parallel. Dimana jika diasumsikan tegangan input sama, maka tidak ada perbedaan praktis pada kedua motor ini. Hukum Kirchoff tegangan untuk (KVL) dari sirkit armature motor ini adalah :
Gambar 7. Grafik Karakteristik Terminal Motor DC Penguat Terpisah Grafik (a) disisi kiri menunjukkan respon motor terhadap pembebanan dalam keadaan tanpa adanya reaksi jangkar / armature reaction (AR). Adanya reaksi jangkar mengakibatkan efek pelemahan flux yang mengakibatkan berubahnya grafik respon motor seperti pada grafik (b). DImana kecepatan motor dinyatakan dengan persamaan :
Berikut adalah rangkaian equivalent dari motor DC penguat terpisah dan motor DC shunt :
( ) Analisis Non-Linier: Karena flux dan tegangan internal motor merupakan fungsi non-linier dari magnetomotive force. Maka perubahan magnetomotive force mesin akan mempunyai efek non linier pada tegangan internal yang dibangkitkan motor. Contributor utama magnetomotive force dalam mesin adalah arus medan dan reaksi jangkar motor itu sendiri. Arus medan equivalent motor karena reaksi jangkar direpresentasikan dengan, Gambar 5. Rangkaian Equivalent Motor DC Penguat Terpisah Nilai tegangan internal yang dibangkitkan dengan adanya reaksi jangkar dapat ditentukan langsung dengan kurva magnetisasi.
Gambar 8. Kurva Magnetisasi
Gambar 6. Rangkaian Equivalent Motor DC Shunt
versus
Hal lain yang harus diperhatikan dalam analisis non-linier adalah menentukan tegangan internal yang dibangkitkan ketika motor berputar tidak pada nilai ratingnya. Jika kecepatan motor diberikan dalam revolution per minute, maka tegangan internal yang dibangkitkan :
Karakteristik Terminal : Karakteristik terminal dari motor ini dinyatakan dalam plot antara torsi versus kecepatan. Ketika beban pada ujung shaft motor naik, hingga kemudian melebihi , maka motor akan melambat. Karena motor melambat tegangan induksi ), yang mengakibatkan dalam mesin akan drop ( ( ) arus amature meningkat . Dengan meningkatnya arus armature, maka torsi induksi motor pun akan meningkat dan akhirnya torsi motor akan sama dengan torsi beban pada kecepatan yang lebih rendah. Karakteristik terminal motor ini ditunjukkan sebagai berikut:
Hubungan antara tegangan internal yang dibangkitkan dengan kecepatan adalah,
Dimana dan adalah nilai referensi. Jika nilai referensi diketahui dan nilai dapat dicari dengan hokum Kirchoff maka dimungkinkan dapat dicari kecepatak actual motor .
3
Speed Control: Ada dua cara umum untuk mengontrol kecepatan motor DC, yaitu : (a) Memvariasikan nilai field resistance dan (b) memvariasikan tegangan terminal yang diinputkan ke armature. Serta cara yang tidak umum adalah (c) memasang resistor secara seri pada sirkit armature. (a) Memvariasikan nilai field resistance 1.Dengan meningkatkan nilai , maka menurun, karena ( ) 2. Penurunan mengakibatkan flux menurun. 3.Melemahnya flux, mengakibatkan melemah juga, karena ( ). 4.Turunnya nilai , mengakibatkan naiknya nilai ( ) 5. Naiknya nilai , meningkatkan nilai karena ( ). Dimana penurunan 1% nilai dapat menghasilkan peningkatan arus armature hingga 49%. 6. Naiknya , mengakibatkan , sehingga kecepatan motor naik. 7. Meningkatnya kecepatan mengakibatkan naiknya lagi. 8. Meningkatnya mengakibatkan turun. 9. Turunnya menurunkan , hingga nilai pada kecepatan motor yang lebih tinggi. Semua proses diatas akan berkebalikan jika nilai diturunkan.
Gambar 9. Grafik Efek Penambahan Resistor Secara Seri Dengan Sirkit Armature Ketika motor dioperasikan pada kedaan rating tegangan terminal, daya dan arus medannya, maka motor tersebut berputar pada kecepatan ratingnya yang disebut sebagai base speed. Dari ketiga metode control diatas, pada metode control field resistance, semakin kecil arus medan pada motor shunt atau penguat terpisah maka semakin cepat putarannya. Semakin besar arus medan, maka semakin pelan putarannya.Field resistence control ini hanya dapat mengatur kecepatan diatas base speed, hal ini dikarenakan untuk mengontrol kecepatan dibawah base speed, dihasilkan arus medan yang sangat besar yang dapat merusak kumparan medan. Pada metode control tegangan armature, semakin kecil tegangan armature semakin pelan putaran motor, semakin besar tegangan armature semakin cepat putaran motor. Metode ini hanya dapat mengontrol kecepatan dibawah base speed, karena untuk mengontrol kecepatan diatas base speed diperlukan tegangan armature yang besar yang dapat merusak sirkir armature.
(b) Memvariasikan tegangan terminal yang diinputkan ke armature 1. Jika nilai dinaikkan akan meningkatkan nilai karena ( ) ). 2. Meningkatnya , meningkatkan nilai karena ( ). 3. Meningkatnya , mengakibatkan , sehingga keceaptan naik. 4. Naik nya kecepatan meningkatkan ( ) 5. Meningkatnya menurunkan Turunnya menurunkan , hingga nilai pada kecepatan motor yang lebih tinggi. Semua proses diatas akan berkebalikan jika diturunkan.
2. Motor DC Magnet Permanen (PMDC) Permanent-magnet DC motor (PMDC) merupakan motor yang kutub – kutub nya merupakan magnet permanent. Motor ini mempunyai beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan motor DC shunt diantaranya adalah karena motor ini tidak memerlukan sirkit medan eksternal, maka motor ini tidak memiliki rugi – rugi tembaga. Karena tidak adanya lilitan medan yang dibutuhkan motor ini lebih kecil dibandingkan dengan motor DC shunt. Namun, PMDC memiliki beberapa kelemahan, yaitu bahwa PMDC tidak dapat menghasilkan kerapatan flux yang tinggi sehingga PMDC memiliki torsi induksi per ampere yang lebih kecil dibading dengan motor DC shunt dengan ukuran dan konstruksi yang sama. Selain itu, PMDC memiliki masalah utama resiko demagnetisasi yang terjadi pada magnet permanen. Hal ini disebabkan karena pada PMDC kutub flux hanya merupakan flux residual dari permanent magnet. Jika arus pada armature sangat besar, dapat menimbulkan resiko arus armature mendemagnetisasi kutub magnet yang secara permanen melemahkan dan mereorientasi flux residual pada magnet. Oleh karena itu, bahan ferromagnetic harus digunakan karena memiliki rugi – rugi histerisis yang kecil. Material yang bagus untuk kutub PMDC adalah material yang memiliki flux residual yang besar dan secara simultan sebesar dengan
6.
nilai
(c) memasang resistor secara seri pada sirkit armature. Pemasangan resistor secara seri dengan sirkit armature berakibat operasi motor yang semakin lambat ketika dibebani. Metode ini adalah metode yang paling tidak efektif karena losses yang diakibatkan penambahan resistor ini sangat besar. Hal ini sama seperti yang ditunjukan dalam persamaan, ( ) Serta ditunjukkan berdasarkan grafik hubungan tosi dan kecepatan sebagai berikut :
4
motor nol, kecepatan motor akan menjadi tidak terbatas. Namun pada kenyataanya torsi tidak akan benar – benar menjadi nol, hal ini dikarenakan adanya rugi – rugi mekanis, inti dan stray. Bagaimana pun, jika motor terhubung tanpa beban, maka motor tersebut akan berputar sangat cepat hingga dapat menimbulkan kerusakan serius pada motor itu sendiri. Berikut karakteristik terminal motor DC seri dalam kurva – :
intensitas magnet coersive yang besar pula, seperti yang ditunjukkan dalam kurva magnetisasi berikut:
Gambar 10. Kurva Magnetisasi 3. Motor DC Seri Motor DC seri merupakan motor DC yang winding medan nya memiliki sedikit jumlah turn / liltan yang terhubung seri dengan sirkit armature. Hukum Kirchoff untuk motor ini adalah, ( ) Rangkaian equivalent dari motor DC seri di gambarkan sebagai berikut :
Gambar 12. Kurva Karakteristik Motor DC Seri Speed Control : Hanya ada satu cara effisien yang dapat dilakukan untuk melakukan pengontrolan keceaptan pada motor DC seri, yaitu dengan cara mengatur tegangan terminal motor. Dengan memperbesar tegangan terminal maka diperoleh peningkatan kecepatan motor pada berapapun nilai torsi yang diberikan. Kecepatan motor DC juga dapat dikontrol dengan memasang resistor seri pada motor, namun cara ini cara yang tidak efiisien. Hingga 40 tahun yang lalu cara pemasangan resistor ini digunakan akibat belum adanya cara yang benar – benar efektif untuk mengatur tegangan terminal. Barulah semua berubah ketika solid – state control diperkenalkan. 4. Motor DC Penguat Gabungan (Compounded) Motor DC penguat gabungan / kompon merupakan motor DC yang memiliki penguatan yang terhubung secara parallel (shunt) dan seri. Berikut adalah rangkaian equivalent motor DC kompon :
Gambar 11. Rangkaian Equivalent Motor DC Seri Karakteristik Terminal: Karakteristik terminal dari motor DC seri berbeda dengan motor DC shunt. Dimana motor DC seri memiliki karakteristik penurunan tajam pada kurva torsi-kecepatan, hal ini diakibatkan bahwa flux berbanding lurus dengan arus armature, saat beban pada motor naik, maka flux akan naik juga, kenaikan flux ini lah yang akan mengurangi kecepatan motor. Torsi induksi yang dibangkitakan oleh motor ini direpersentasikan sebagai berikut : Karena flux pada motor ini berbanding lurus dengan arus armature hingga keadaan saturasi logam tercapai, maka . Sehingga dapat dituliskan bahwa torsi induksi yang dibangkitkan motor DC seri ini adalah,
Gambar 13. Rangkaian Equivalent Motor DC Long Shunt
Dengan mensubtitusikan persamaan torsi induksi diatas kedalam persamaan hokum Kirchoff, maka diperoleh kecepatan motor DC seri adalah sebagai berikut : √ √ Dari persamaan diatas dapat dilihat adanya kerugian / kelemahan pada motor DC seri, dimana ketika torsi induksi
Gambar 14. Rangkaian Equivalent Motor DC Short Shunt
5
Arus yang mengalir masuk kedalam tanda dot menghasilkan magnetomotive force positive. Dalam rangkaian diatas, jika arus mengalir kedalam dot pada kedua kumparan medan, maka dihasilkan magnetomotive force yang saling memperkuat, dimana keadaan ini disebur sebagai cumulative compounding. Sedangkan, jika arus mengalir kedalam dot pada satu kumparan dan keluar pada kumparan yang lain, maka dihasilkan magnetomotive force yang saling mengurangi, keadaan ini disebut sebagai differentially compounded. Hukum Kirchoff untuk motor DC penguat gabungan ini adalah, ( ) Arus pada motor DC penguat gabungan ini direpresentasikan sebagai berikut :
Karakteristik
Dalam motor DC differentially compounded, magnetomotive force penguat shunt dan seri saling mengurangi satu sama lain. Hal ini berarti bahwa ketika beban naik, juga akan naik dan flux pada motor akan berkurang. Tetapi dengan berkurangnya flux, maka kecepatan akan bertambah. Dengan bertambahnya kecepatan mengakibatkan kenaikan lain pada beban, yang selanjutnya meningkatkan , kemudian menurunkan flux dan meningkatkan kecepatan motor lagi. Sehingga hasilnya motor DC differentially compounded adalah tidak stabil. 2.2 GENERATOR DC 1. Definisi Putra (2013) mengemukakan bahwa Generator DC merupakan sebuah perangkat Motor listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Menurut Marwan (2007) Mesin DC bisa dioperasikan sebagai motor maupun generator. Hammers (2013) mengatakan bahwa Terdapat dua jenis motor DC, yaitu motor penguat terpisah, dan motor penguat sendiri. Motor penguat sendiri meliputi:motor seri, motor shunt dan motor kompon yang merupakan kombinasi antara motor seri dan motor shunt. Sedangkan generator pada dasarnya adalah sama, tetapi yang sering digunakan adalah jenis generator terpisah.Karakteristik motor penguat Terpisah adalah arus eksitasinya tidak tergantung dari sumber tegangan yang mencatunya. Putaran jangkar akan turun jika momen torsinya naik.
Sedangkan net magnetomotive force dan arus medan efektif dalam motor ini adalah,
Dimana tanda positif pada persamaan diatas bersesuaian dengan comulatively compounded sedangkan tanda negative bersesuaian untuk keadaan differentially compounded. Karakteristik
Differentially Compounded :
Cumulatively Compounded :
Dalam motor DC cumulatively compounded terdapat komponen flux yang konstan dan komponen lain yang proporsional terhadap arus armature. Sehingga motor ini mempunyai torsi starting yang lebih tinggi disbanding motor DC shunt namun lebih kecil dari motor DC seri. Motor ini merupakan penggabungan karakteristik bagus dari motor DC shunt dan motor DC seri, dimana mempunyai torsi starting ekstra seperti motor DC seri dan tidak overspeed seperti motor DC shunt. Ketika beban motor ringan, medan penguat seri mempunyai efek yang kecil, sehingga motor seakan-akan mempunyai sifat seperti motor DC shunt. Saat beban motor besar, flux dari penguat seri menjadi sangat penting, hingga motor seakan – akan mempunyai kurva torsi-keceapatan seperti motor DC seri. Berikut adalah kurva perbandingan antara motor DC comulatively compounded, shunt dan seri :
2. 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 berikut menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 16. 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. 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
Gambar 15. Perbandingan Karakteristik
6
amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. (Putra, 2013). Belitan Generator Terdiri dari: a. Belitan sangkar b. Belitan Kutub bantu c. Belitan eksitansi Arus beban mengalir melalui dua belitan yang pertama, belitan ini mempunyai resistensi yang kecil. Sistem pengukuran tahanan belitan jangkar ini ada beberapa metode pengukuran yang bisa dilakukan antara lain metode ohm meter, volt, dan ampere meter, metode dinamis dan statis. (Marwan, 2007).
Voltage regulation dari generator DC didefinisikan sebagai berikut:
Dengan adalah tegangan terminal dalam keadaan tanpa beban dan adalah tegangan terminal dalam keadaan full load. 5.
Klasifikasi Generator DC
1.
Generator DC Separately Excited Generator DC separately excited merupakan generator arus medannya disuplai sumber DC eksternal yang terpisah dari generator itu sendiri. Berikut adalah rangkain equivalent generator DC seperately excited :
3. Prinsip kerja Menurut Sabrina (2013) prinsip kerja generator DC itu sendiri di hasilkan pembangkit listrik melalui induksi dengan 2 cara yaitu : a. Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. b. dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC. Jika rotor beruptar pada pada sekeliling medan magnet maka akan menghasilkan perpotongan medan magnet pada lilitan kawat pada rotor itu sendiri . rotor pada generator dc akan menghasilkan tegangan bolak balik dan fungsi sebuah komutator adalah sebagai penyearah tegangan itu sendiri menjadi AC .Besarnya tegangan yang di hasilkan dari sebuah generator DC sebanding dengan perputaran yang di hasilkan rotor. (Sabrina, 2013).
Gambar 19. Rangkain Equivalent Generator DC Separately Excited\ Dengan merupakan tegangan actual pada terminal generator, dan arus merupakan arus yang mengalir ke terminal. Sedangkan, tegangan internal yang dibangkitkan adalah dan arus armature adalah . Dimana dalam generator separately excited ini, . Hukum Kirchoff untuk motor ini adalah,
Karakteristik Terminal:
Gambar 17. Prinsip Kerja generator 4. Rangkaian Equivalent Seperti yang telah kita ketahui bahwa generator DC merupakan motor DC yang dioperasikan sebagai generator. Dimana semua generator memiliki sumber energy yang mekanik yang disebut sebagai prime mover. Berikut adalah rangkian equivalent generator DC :
Gambar 20. Grafik Karakteristik Terminal (a) Dengan Lilitan Kompensator (b) Tanpa Lilitan Kompensator Dalam generator separately excited dengan lilitan kompensator, ketika beban pada generator naik, maka arus akan naik, begitu juga . Dengan naik nya arus armature , maka drop voltage pun juga akan naik yang mengakibatkan tegangan keluaran generator turun, dimana hal ini diilustrasikan pada grafik (a). Namun, pada generator tanpa kompensator winding, kenaikan arus akan mengakibatkan meningkatkan efek armature reaction yang akan melemahkan flux. Dengan melemahnya flux maka akan menurunkan nilai ( ),
Gambar 18. Rangkain Equivalent Generator DC
7
sehingga tegangan terminal turun. Hal ini ditunukkan pada grafik karakteristik terminal (b).
Generator DC shunt merupakan generator yang mensuplai arus medannya sendiri, dimana generator ini memiliki rangkain pembangkit medannya yang terangkai secara paralle pada terminal mesin. Arus armature generator ini adalah,
Kontrol Tegangan Terminal: Untuk mengontrol tegangan terminal generator , dapat dilakukan dengan mengontrol tegangan internal yang dibangkitkan generator yaitu . Sesuai dengan hukum Kirchoff motor ini, bahwa , maka jika bertambah maka juga bertambah, jika berkurang maka juga berkurang. Karena , maka ada dua cara yang dapat dilakukan untuk mengontrol besar , yaitu: 1. Mengubah kecepatan rotasi , jika meningkat maka ( ) akan naik juga, sehingga ( ) juga akan naik. 2. Mengubah besar arus medan , jika diturunkan maka nilai
(
⁄
Sedangkan hukum Kirchoff untuk generator ini,
Voltage Building Up: Karena generator ini mensuplai sendiri arus medannya, maka dalam keadaan starting awal tanpa beban, voltage buildup generator ini bergantung pada fulx residual pada kutub generator, dimana tegangan awal yang dibangkitkan generator ini adalah, Ketika tegangan tersebut muncul diterminal, maka akan menyebabkan aliran arus ke kumparan medan generator. Arus ini menghasilkan magnetomotive force yang meningkatkan flux pada generator tersebut. Peningkatan flux mengakibatkan naiknya ( ). Naiknya meningkatkan Ketika
) akan meningkat. Sehingga
dalam generator pun akan meningkat yang mana akan meningkatkan nilai ( ) dengan demikian ( )pun juga akan naik.
naik maka
Analisis Non-linier: Karena tegangan internal yang dibangkitkan dalam generator merupakan fungsi non-linier dari magnetomotive force, sehingga tidak dimungkin kan untuk menghitung nilai tersebut dari nilai arus medan yang diberikan. Oleh karena itu digunakan lah kurva magnetisasi untuk menentukan tegangan output sebenarnya dari tegangan input yang diberikan. Dimana total magnetomotive force generator ini akibat adanya armature reaction adalah,
(
⁄
) pun naik yang mana akan
meningkatkan flux, lalu meningkatkan dan seterusnya hingga keadaan steady state tercapai. Voltage buildup pada generator ini ditunjukkan sebagai berikut:
Sedangakan arus medan equivalent yang akan menghasilkan tegangan output sesuai dengan magnetomotive force yang ada adalah,
Hubungan antara kecepatan generator yang terdapat dalam grafik dengan kecepatan yang sesungguhnya direpresentasikan sebagai berikut :
Gambar 22. Voltage Buildup Ada beberapa faktor yang menyebabkan gagalnya voltage buildup pada generator DC shunt, diantaranya: 1. Tidak adanya flux residual, sehingga , maka tegangan tidak akan terbentuk. Untuk megatasi ini dilakukan dengan metode flashing the field, yaitu dengan mensuplai kumparan medan dengan sumber DC eksternal yang akan meninggalkan sisa flux residual, hingga kemudian proses normal dapat dilakukan lagi. 2. Putaran generator terbalik atau koneksi terminal medan terbalik, sehingga menghasilkan flux yang berlawanan dengan flux residual, yang mengakibatkan kegagalan voltage buildup. Untuk mengatasi ini dilakukan dengan mengatasi terbaliknya putaran generator dan membalik koneksi terminal medan yang terbalik atau dengan flashing the field pada polaritas magnet yang berlawanan.
2. Generator DC Shunt Berikut adalah rangkaian equivalent dari generator DC shunt:
Gambar 21. Rangkaian Equivalent Generator DC Shunt
8
3.
Nilai field resistance terlalu besar dari nilai critical resistance. Dimana secara normal voltage buildup terjadi pada titik perpotongan antara kurva magnetisasi dengan kurva resistansi. Sedangkan critical resistnace merupakan titik parallel antara kurva magnetisasi dengna kurva resistansi dimana pada titik ini tegangan generator dapat berfluktuasi hanya dengan perubahan sedikit nilai atau . Sehingga ketika berada dibawah nilai critical resistance maka keadaan steady-state berada pada level residual saja dan tegangan tidak akan terbentuk. Gambar 24. Analisis Generator DC Shunt dengan Kompensator Winding
Karakteristik Terminal: Kerena arus medan pada generator ini sangat tergantung nilainya pada tegangan terminal, saat beban pada generator naik, akan naik, dan begitu pula ( ). Naik nya arus armature mengakibatkan naiknya drop voltage yang mengakibatkan nilai tegangan terminal ( ) turun. Ketika berkurang, arus medan juga akan berkurang. Ini mengakibatkan penurunan pada yang mengakibatkan penurunan kembali pada . Kurva karakteristik terminal generator DC shunt adalah sebagai berikut:
Jika terdapat armature rection pada generator DC shunt, dimana armature rection akan menghasilkan demagnetisasi dalam generator yang bersamaan dengan adanya drop voltage . Dengan mengasumsikan nilai arus armature diketahui, drop tegangan diketahui, dan tegangan terminal cukup kuat untuk mensuplai lilitan medan sesudah adanya pengurangan flux akibat armature reaction, untuk menetukan nilai tegangan output generator dilakukan dengan membentuk segitiga yang ujung - ujungnya dicocokan dengan kurva magnetisasi dan resistasi, seperti yang diilustrikan dibawah ini:
Gambar 23. Karakteristik Terminal Generator DC Shunt Voltage Control: Gambar 25. Analisis Generator DC Shunt Tanpa Kompensator Seperti halnya generator DC penguat terpisah, ada dua cara Winding untuk mengatur tegangan ouput dari generator DC shunt, yaitu: 3. Generator DC Seri 1. Mengatur kecepatan shaft generator. Generator DC seri merupakan generator yang medannya 2. Menggati nilai resistor generator , yang berarti terangkain seri dengan armature nya. Dimana lilitan mengatur nilai arus medan. medannya hanya terdiri dari sedikit turn saja. Hal ini dikarenakan dan dalam generator ini arus armature Analisis Generator DC Shunt : Anaisis pada generator DC shunt ini dilakukan dalam sama dengan arus yang ada pada liltan pembangkit medan, keadaan mesin tanpa armature reaction dan mesin yang sehingga untuk membangkitkan medan yang sama seperti memiliki armature reaction / tidak ada kompensator winding. generator DC shunt hanya diperlukan sedikit liltan saja. Pada motor tanpa armature reaction, dalam keadaan tanpa Berikut adalah rangkaian equivalent generator DC seri : beban, dan generator beroperasi pada tegangan dimana kurva magnetisasi dan kurva resistansi berpotongan. Dimana dari hukum Kirchoff, drop tegangan pada mesin ini adalah . Untuk menentukan besarnya nilai tegangan output sesuai dengan beban yang diberikan pada generator DC shunt ini adalah dengan cara meletakkan garis drop voltage agar ujung – ujungnya cocok / fits dengan kurva magnetisasi dan kurva resistansi. Yang dimana seluruh kemungkinan nilai merupakan kurva magnetisasi, sedangkan seluruh kemungkinan nilai tegangan terminal adalah kurva Gambar 26. Rangkaian Equivalent Generator DC Seri resistansi.
9
Hukum Kirchoff untuk generator DC seri ini adalah : ( ) Karakteristik Terminal: Dalam keadaan tanpa beban, bagaimana pun tidak ada arus medan, sehingga nilainya kecil pada level residual flux mesin saja. Dengan naiknya beban, arus medan akan naik juga, dan naik dengan cepat. Drop voltage ( ) juga naik, namun naik lebih cepat dari pada ( ), sehingga tetap naik. Setelah mesin mencapai saturasi kemudian pun nilainya menjadi konstan. Pada keadaan ini resistive Gambar 29. Rangkaian Equivalent Generator DC drop menjadi efek utama yang mengakibatkan turun. Cumulatively Compounded Long-Shunt Karakteristik terminal generator DC seri ini diberikan dalam kurva berikut : Karakteristik Terminal: Ketika beban naik, maka arus pun akan naik yang mana akan mengakibatkan kenaikan nilai arus armature . Naik nya memberikan dua efek pada generator: 1. Naiknya akan meningkatkan drop voltage ( ), sehingga nilai akan turun. 2. Naiknya akan menambah nilai magnetomotive force total sehingga naik dan pun juga akan naik. Kedua efek diatas adalah berlawanan, dimana efek paling dominan pada generator tersebut bergantung pada banyaknya Gambar 27. Karakteristik Terminal Generator DC Seri jumlah lilitan kumparan medan seri yang ada. Ketika : 1. mempunyai jumlah yang kecil, sehingga efek resistive drop akan lebih dominan. Akibatnya, 4. Generator DC Cumulatively Compounded tagangan terminal saat beban penuh lebih kecil dari Generator DC cumulatively compounded merupakan pada saat beban nol. Keadaan ini disebut generator DC yang memiliki baik kumparan medan seri undercompounded. maupun shunt yang magnetomotive force kedua kumparan ini 2. mempunyai jumlah yang sedikit lebih banyak, saling mempuerkuat atau menjumlahkan. Total maka pada awalnya efek magnetomotive force yang magnetomotive force generator ini adalah, menaikkan akan lebih dominan hingga tercapai keadaan saturasi saat resistive drop kembali menjadi Dimana adalah magnetomotive force shunt field, lebih dominan. Jika tegangan terminal saat keadaan adalah magnetomotive force series field dan adalah beban penuh sama dengan keadaan beban nol, maka magnetomotive force armature. Arus medan efektif generator keadaan ini disebut flatcompounded. ini adalah, 3. mempunyai lilitan yang banyak, maka efek magnetomotive force yang menaikkan tegangan terminal menjadi lebih lama mendominasi hingga Sedangkan hubungan arus dan tegangan dalam generator tercapai keadaan saturasi namun dengan nilai saat ini adalah, beban penuh lebih tinggi dari saat beban nol. Keadaan ini disebut sebagai overcompounded. ( ) Karakteristik terminal generator ini ditunjukkan melalui kurva sebagai berikut : Berikut adalah rangkain equivalent nya:
Gambar 30. Kurva Karakteristik Generator DC Cumulatively Compounded
Gambar 28. Rangkaian Equivalent Generator DC Cumulatively Compounded Short-Shunt
10
Voltage Control: Voltage control pada generator ini sama persis dengan generator shunt, yaitu: 1. Mengubah kecapatan rotasi, dengan meningkatnya , maka akan menaikkan nilai , sehingga akan naik. 2. Mengatur arus medan dengan memperkecil atau memperbesar nilai . Dengan naiknya arus medan maka magnetomotive force total mesin akan naik pula, sehingga akan menaikkan nilai , sehingga pun juga akan naik. Gambar 32. Kurva Karakteristik Generator DC Differentially Compounded 5.
Generator DC Differentially Compounded Merupakan generator DC yang memiliki baik kumparan medan shunt maupun seri yang magnetomortive forcenya saling mengurangi. Magnetomotive force total generator ini adalah :
Voltage Control: Pengontrolan tegangan output generator DC ini dapat dilakukan dengan dua cara yaitu : 1. Mengubah kecepatan rotasi . 2. Mengubah nilai arus medan .
Dimana arus medan shunt equivalent akibat pengaruh dari medan seri dan reaksi jangkar adalah :
III. PENUTUP 3.1 Kesimpulan Baik generator DC maupun motor DC menurut klasifikasinya berdasarkan cara pembangkitan medan nya, memiliki karakteristik khas masing – masing seperti yang telah dipaparkan diatas. Yang mana karakteristik tersebut harus diperhatikan untuk penerapan atau penggunaannya dalam keperluan industri maupun keperluan yang lain.
Maka total arus medan shunt efektif mesin ini adalah : Berikut adalah rangkaian equivalent generator ini adalah sebagai berikut :
REFERENSI [1] Chapman, Stephen J (2005). Electric Machinary Fundamentals – 4th ed, Australia, Mc Graw Hill. [2] Fahmizal. (2012). Driver Motor DC pada Robot Beroda dengan Konfigurasi H-BRIDGE MOSFET, (Online), (http://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/motor-dc-adalah/, diakses 27 Desember 2014). [3] Genx, Dicky. (2009). Definisi Mesin Listrik. (Online). (http://nationalinks.blogspot.com/2009/07/definisi-mesinlistrik.html, diakses 27 Desember 2014). [4] Hage. (2009). Generator DC, (Online), (http://dunialistrik.blogspot.com/2009/01/generator-dc.html, diakses 27 Desember 2014). [5] Hammers, H. (2013). Pengertian Tentang Mesin-Mesin Listrik. (Online). (http://handihammers.blogspot.com/2013/05/pengertiantentang-mesin-mesin-listrik.html, diakses 27 Desember 2014). [6] Hanief, I.R. (2013). Pengantar Elektronika. Motor DC, (Online), (http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211021isnarasyadhanief/2013/04/ 27/motor-dc/, diakses 27 Desember 2014). [7] Prasetya, H.D. (2011). Generator Ac dan Dc, (Online), (http://www.scribd.com/doc/46409085/generator-AC-DC, diakses 27 Desember 2014). [8] Putra, A.S. (2013). Generator Ac And Dc, Miscellaneous Subjects, & Preparing Equipments Specifications, (Online), (http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211029ardinathasanjayaputra/, diakses 27 Desember 2014). [9] Sabrina. (2013). Sabrina News. Prinsip Kerja generator DC, (Online), (http://sabrina-brinasworld.blogspot.com/2013/11/prinsipkerja-generator-dc.html, diakses 27 Desember 2014).
Gambar 31. Rangkaian Equivalent Generator DC Diffenetially Compounded Long-Shunt
Karakteristik Terminal : Ketika beban naik, maka arus akan naik, sehingga arus juga akan naik. Naiknya memberikan dua efek pada generator yaitu : 1. Naiknya , mengakibatkan naiknya nilai drop voltage ( ), sehingga mengakibatkan turunnya ninlai ( )) tegangan terminal ( 2. Naiknya , mengakibatkan naiknya magnetomotive force kumparan seri ( ) . Naiknya mengakibatkan ( ) turun, sehingga tegangan terminal pun akan turun. Karakteristik terminal generator ini ditunjukkan dalam kurva sebagai berikut :
11
