GENERATOR DC
1
Generator DC / Arus Searah : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
2
Definisi Generator Bagian-bagian / Struktur Generator DC Prinsip Kerja Generator DC Reaksi Jangkar pada Generator DC Jenis-jenis Generator DC Efisiensi Generator DC Kerja Paralel Generator DC Contoh Soal
1. Definisi Generator
Generator ialah suatu mesin yang mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik . Energi Mekanis
3
GENERATOR
Energi Listrik
Tenaga mekanis disini digunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet ataupun sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat penghantar. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut adalah arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC), (AC) , hal ini tergantung dari susunan atau konstruksi dari generator, serta tergantung dari sistem pengambilan arusnya.
2. Bagian-bagian Bagian-bagian/Struktur /Struktur Generator DC
Gambar bagian-bagian Generator DC
4
5
2. Bagian-bagian Bagian-bagian / Struktur …
1.
ROTOR : bagian Generator DC yang berputar, tersusun atas :
2.
STATOR : bagian Generator DC yang diam, diam , tersusun atas :
3.
6
Poros Inti Komutator Kumparan/Lilitan
Kerangka Kutub Utama dan Belitan Kutub Bantu dan Belitan Bantalan dan Sikat
CELAH UDARA : ruangan antara Stator dan Rotor
RANGKA Secara umum fungsi dari rangka untuk Generator dc, yaitu : 1. Merupakan sarana pendukung mekanis untuk mesin secara keseluruhan 2. Membawa flux magnetik yang dihasilkan kutub-kutub mesin >> Untuk mesin kecil rangkanya dari besi tuang >> Mesin besar rangkanya dari baja tuang
KUTUB Magnet penguat / magnet medan (kutub) terdiri atas inti kutub & sepatu kutub. - Inti kutub terbuat dari lembaran2 besi tuang / baja tuang - Sepatu kutub dilaminasi & dibaut ke inti kutub
7
KOMUTATOR DAN SIKAT # Komutator terbuat terbuat dari batang tembaga yang dikeraskan yang berfungsi untukmengumpulkan arus induksi dari konduktor jangkar dan mengkonversinya menjadi arus dc melalui sikat. # Sikat terbuat dari karbon, grafit, logam grafit yang dilengkapi dengan pegas penenkan dan kotak sikatnya
Komponen
Gambar Stator :
8
Gambar Rotor :
9
Gambar Celah Udara :
10
3. Prinsip Kerja Generator DC Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialah Percobaan Faraday . Percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL Induksi apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah. Ada 3 hal pokok terkait dengan GGL Induksi ini, yaitu : 1. 2. 3.
11
Adanya flux magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet. Adanya kawat penghantar yang merupakan tempat terbentuknya EMF. Adanya perubahan flux magnet yang melewati kawat penghantar listrik.
3. Prinsip Kerja …
B
B
C
A
A
C
D D
B A
B C
C D
12
D
A
3. Prinsip Kerja …
Keterangan gambar :
Pada gambar Generator DC Sederhana dengan sebuah penghantar kutub tersebut , dengan , 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 :
E t
13
N
d dt
Volt
Besarnya tegangan EMF yang dihasilkan adalah : zP E= Nφ , E = KN φ A
E : Tegangan induksi Z : Jumlah lilitan / kumparan P : Jumlah pasang kutub N : Kecepatan Rotor φ : Fluks
14
3. Prinsip Kerja …
Prinsip Penyearahan dengan Komutator
15
PRINSIP PENYEARAHAN TEGANGAN LISTRIK
16
Pembangkitan tegangan yang dihasilkan oleh generator dc pada prinsipnya sama seperti generator ac, yaitu tegangan yang dihasilkan berupa tegangan ac. Hanya saja diperlukan satu proses penyearahan di dalam generator dc ini. Prinsip penyearahan yang dilakukan oleh komutator pada generator dc dilakukan secara mekanis. Pada dasarnya dalam prinsip penyarahan ini, terjadi perpindahan arah arus yang terjadi pada kumparan jangkar yang berputar pada medan magnet menyebabkan ggl induksi membentuk gelombang searah. Pada prakteknya, hasil penyearahan ini tidak sepenuhnya linear karena adanya pengaruh induktansi kumparan dan tahanan sikat. Solusi yang bisa dilakukan untuk membuatnya linear yaitu dengan menetralkan ggm yg timbul akibat induktansi tsb., salah satunya dg menambahkan kutub bantu, dimana ggm-nya sama dan berlawanan dg ggm induktansi.
4. Reaksi Jangkar pada Generator DC
17
Sikat berada di tengah tegak lurus fluks. lurus fluks. Jangkar dalam keadaan diam Maka : E=0 dan I a=0 Kemudian jangkar diputar searah jarum jam maka : E≠0 , Ia≠0 , lurus fluks medan, disebut fluks lintang. =f(Ia). Arah fluks tegak lurus fluks Sikat tidak berada tegak lurus fluks lurus fluks magnet, maka pada sikat timbul percikan bunga api karena perpindahan komutasi tegangan ≠ 0. Cara mengatasi bergesernya garis netral adalah dipasang kutub bantu yang arah medannya melawan reaksi jangkar.
atau dipasang belitan kompensasi yang akan menimbulkan medan magnet, dan arahnya dibuat sedemikian rupa sehingga melawan reaksi jangkar.
4. Reaksi Jangkar …
Hubungan Arus DC dengan Fluks ( ) dan EMF (E)
18
Fluks yang dihasilkan oleh arus DC (I f ) yang lewat kutub dituliskan sebagai fungsi : = f (If ) Hubungan antara arus DC (I f ) dengan fluks tersebut tidak linear, tetapi membentuk suatu kurva Sehingga jika dengan alat yang sama dan kecepatan putar konstan, maka hubungan antara E dan I f juga membentuk seperti kurva = f (If )
5. Jenis-jenis Generator DC Berdasarkan penguatan nyang diberikan pada belitan medan , generator DC dibagi menjadi: A. Generator DC dengan penguat terpisah B. Generator DC dengan penguat sendiri a. Generator DC Shunt b. Generator DC Seri c. Generator DC Kompon (campuran) i. Generator DC Kompon Panjang ii. Generator DC Kompon Pendek
19
5. Jenis- jenis jenis …
A. Generator DC dengan penguat terpisah Disebut sebagai Generator DC dengan penguat terpisah, bila arus kemagnetan diperoleh dari sumber tenaga listrik arus searah di luar generator. Generator DC dengan penguat terpisah hanya dipakai dalam keadaan tertentu. Dengan terpisahnya sumber arus kemagnetan dari generator, berarti besar kecilnya arus kemagnetan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus ataupun tegangan generator.
20
GENERATOR DC PENGUATAN TERPISAH
21
Rangkaian Ekivalen
Ket : V f = tegangan medan I b = arus beban I f = arus medan Rf = hambatan medan Lf = lilitan medan
E A = tegangan jangkar I A = arus jangkar R A = hambatan jangkar V T = teg.terminal/beban
Karakteristik
1). Karakteristik kejenuhan k ejenuhan tanpa beban Perumusan secara matematis sbb : E = k N dg k = suatu konstanta
- Kutub medan belum jenuh : Arus Arus medan naik flux magnet naik E A naik - Kutub medan sudah jenuh : diperlukan peningkatan arus medan yg lebih tinggi utk menaikkan tegangan E A yg sama dibanding saat belum jenuh 2). Karakteristik kejenuhan k ejenuhan berbeban - Pada keadaan berbeban, tegangan akan berkurang akibat efek demagnetisasi dari reaksi jangkar. Pengurangan ini dapat diatasi dengan dengan peningkatan Ampere-lilitan medan yang sesuai.
22
5. Jenis- jenis jenis …
B. Generator DC dengan penguat sendiri Disebut sebagai Generator DC dengan penguat sendiri, bila 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. Berdasarkan hubungan hubunga n lilitan penguat magnet dengan lilitan jangkar generator DC penguat sendiri dibedakan menjadi :
23
B.1 Generator DC Paralel
Fluks medan diperoleh dari rangkaian r angkaian medan yang dihubungkan paralel dengan terminal generator
I A= Ifp + Ib VT = EA - IA.RA If = VT Rfp
24
Karakteristik generator DC paralel
Pembangkitan tegangan arus dc paralel
Karakteristik terminal generator dc paralel
25
B.2 Generator DC Seri
Fluks medan diperoleh dari rangkaian medan yang dihubungkan dihubungka n seri dengan kumparan jangkar dari generator
VT = EA – – I IA(RA+RFS) IA = IFS = IB
26
Karakeristik terminal generator dc seri
27
B.3. Generator Majemuk (Compound)
28
Merupakan rangkaian perpaduan antara generator seri dan paralel (shunt).
Berdasarkan jenis rangkaian: - Majemuk Pendek - Majemuk Panjang
Berdasarkan cara kerja: - Majemuk kumulatif/Cumulatively Compounded - Majemuk Differensial/Differentially Compounded
5. Jenis- jenis jenis …
B.3.a. Generator DC Kompon Panjang Generator DC kompon panjang adalah generator DC kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian jangkar.
Ia = Is V = E Ia.Ra Is.Rs V = E Ia.(Ra+Rs) V = Iz.Z –
–
Ia = If + Iz
29
–
5. Jenis- jenis jenis …
B.3.b. Generator DC Kompon Pendek Generator DC kompon pendek adalah generator DC kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian beban.
V = E Ia.Ra V = Iz.Z –
Ia = If + Iz Is = Iz Vf = If.Rf
30
Is.Rs
–
GENERATOR DC KOMPON KUMULATIF
Rangkaian Ekivalennya ( Ada 2 bentuk ) ; - Kompon Panjang
- Kompon Pendek
Ket : pelambangan sama dengan sebelumnya, penambahan huruf ‘s’ berarti berarti pemasangannya seri sedang ‘p’ berarti berarti paralel
31
Karakteristik
Generator kompon pendek Dirumuskan sbb : V = E a - Ia Ra – – I Is Rs V = IL . RL Ia = IL + If
Is = IL Vf = If . Rf
Generator kompon panjang Dirumuskan sbb : V = E a – – I IaRa – – I Is Rs Is = I a
V = Ea – Ia ( Ra + Rs ) Vf = If Rf Ia = IL + If
32
Karakterisitik Generator DC Majemuk
Fenomena karakteristik :
1. I A naik
I A.(R A +
Rfs) naik
Vt turun
2. I A naik gaya gerak magnet seri naik Fluks meningkat Vt naik 33
Karakteristik
GENERATOR KOMPON DIFFERENSIAL
Rangkaian Ekivalennya : - Sama dengan Generator kompon kumulatif hanya saja ggm-nya saling mengurangi
Generator kompon differensial juga memiliki bentuk kompon panjang dan pendek.
Peningkatan beban
arus beban naik (IL)
arus jangkar naik (Ia)
jatuh tegangan Ia ( Ra + Rs ) naik
tegangan terminal (V) turun
ggm kumparan serinya ( Fs ) naik tegangan terminal (V) turun
ggm total turun
Adapun perumusannya perumusannya sbb : F = Fp – – F Fs – – F F j ( total ggm ) Ket :
F p = ggm hasil kumparan medan parallel = N f . I f
F s = ggm hasil kumparan medan seri = N s . I a F j = ggm hasil kumparan jangkar
34
fluks dan Ea turun
Karakteristik Generator DC Majemuk
35
6. Efisiensi Generator DC a. Rugi-rugi Tembaga : – Rugi-rugi Jangkar, Rugi-rugi Shunt, – Rugi-rugi Seri, –
Pj Psh Ps
= Ia . Ra = Ish . Rsh = Is . Rs
Watt Watt Watt
b. Rugi-rugi Inti : Rugi-rugi Hysterisis – – Rugi-rugi Eddy current c. Rugi-rugi Mekanis : – Rugi-rugi gesekan poros Rugi-rugi angin akibat putaran jangkar – Rugi-rugi gesekan akibat gesekan sikat dengan – komutator
36
6. Efisiensi …
Daya Masuk mekanis (Pm)
Daya yang dibangkitkan jangkar (P j) = E. Ia (watt) Rugi besi dan gesekan
Daya keluar generator (Pout) = V.I (watt) Rugi besi tembaga total
Diagram aliran daya generator DC
37
6. Efisiensi …
38
Rugi besi dan gesekan, Rugi tembaga total, Efisiensi mekanis, m
Efisiensi listrik,
Efisiensi total,
l t
Pg = Pm – Pj Pt = Pj - Pout P j
P m
P out out P j P out
P m
x 100% x 100%
x 100 %
KERJA PARALEL GENERATOR DC
•
•
Adapun Beberapa generator DC dapat kita ki ta operasikan secara paralel. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk menjaga kontinuitas pasokan daya listrik, dan memasok beban yang cukup besar melebihi kapasitas yang mungkin dipasok oleh satu generator saja. syarat-syarat pengoperasian pengoperasian paralel generator sbb : Terminal-terminal generator harus dihubungkan dengan kutub-kutub yang sama polaritasnya. Tegangan kerja generator sama. Jika 2 generator / lebih diparalel maka arusnya menjadi ; Ig1 + Ig2 = Itotal
39
Question 1
40
Hitung EMF yang dibangkitkan oleh 4 kutub, jangkar belitan gelombang yang yang mempunyai 45 slot dengan 18 penghantar per slot apabila dijalankan pada 1200 rpm. Flux per kutub 0,016 weber
Solution
Ea = ФzN P volt 60 a Ф = 0.016 wb N = 1200 rpm z = 45x18 = 810 P=4 a = 2 belitan gelombang
Ea = 0.016 x 810 x 1200 . 4
60 = 518,4 518 ,4 vo lt
41
2
Question 2 Sebuah generator dengan penguatan terpisah 150 V, 1800 rpm, diberi penguatan tetap.
42
Tentukanlah tegangan tanpa beban generator tersebut pada kecepatan 1500 rpm
Solution Ea = K Фn Vf tetap Ф tetap, maka Ea ≈ n, jadi
E2400 = n2400 . E1800 = 2400 . 150 = 200 V n1800 1800 E1500 = n 1500 . E1800 = 1500 . 150 = 125 V n1800 1800
43
Question 3
44
Sebuah generator kompound panjang 120 Kw, 600 V, Rf = 150 ohm, Ra = 0,03 ohm, Rs = 0,01 ohm dan Id = 54 A Tentukan : – tahanan divertor (R D) pada beban penuh – tegangan yang dibangkitkan generator pada beban penuh
Solution
a.
b.
Ea = VL + IaRa + IsRs Ia = If + I L Ia = Is + Id IL = P.1000 = 120 x 1000 = 200 A VL 600 If = Vf = 600 = 4 A Rf 150 Ia = If + I L = 4 + 200 = 204 A IDRD = IsRs RD = IsRs ID Is = Ia – Ia – Id Id = 204 – 204 – 54 54 = 150 A R = 150 x 0.01 = 0.0278 0.0278 ohm D D 54 Ea = VL + Ia IaRa Ra + IsRs
= 600 + (204 x 0.03) + (150 x 0.01)
45
= 607.62 V
Question 4 Sebuah generator DC dengan belitan kompound panjang memberi tegangan 240 V pada keluaran beban penuh 100 A. Tahanan dari belitan-belitan mesin adalah belitan jangkar 0,1 ohm. Belitan medan seri 0,02 ohm. Belitan medan kutub bantu 0,025 ohm. Belitan medan shunt 100 ohm. Rugi besi pada beban penuh 1000 watt. Rugi angin dan gesekan total 500 watt.
46
Hitung efisiensi beban penuh dari mesin!
Solution
Keluaran = Pout = 240 x 100 = 24000 watt Tahanan Untai Jangkar Total = Ra = 0.1 + 0.02 + 0.025 = 0.145 ohm Ish = 240 = 2.4 A 100 Ia = IL + Ish = 100 + 2.4 = 102.4 A Rugi Cu Untai Jangkar = Ia square.Ra = (102.4) square x 0.145 = 1521 watt Rugi Cu medan Shunt = Ish.V = 2.4 x 240 = 576 watt Rugi Besi = 1000 watt Rugi Gesekan = 500 watt Rugi Total = 1521 + 1500 + 576 = 3597 watt
ŋ=
47
24000 2400 + 3597
= 0.871 = 87.1 %
Question 5 Sebuah generator shunt 100 Kw, 250 V, pada jangkar diinduksikan tegangan 285 V,dengan rated load.
48
Tentukan tahanan jangkar dan VR jika arus medan shunt 6 A dan tegangan tanpa beban 264 V
Solution P = VI IL = P = 100.1000 = 400 A V
250
Ia = IL + If = 400 + 6 = 406 A Ea = V + IaRa 285 = 250 + 406Ra Ra = 0.0 0.086 86 ohm R = V R N L – V F L = 264 – 250 x 100 % = 5.6 % V FL V
49
250
Question 6 Dua generator shunt A dan B bekerja paralel dan karakteristik2 bebannya boleh diambil garis lurus. Tegangan generator A turun dari 240 V pada beban nol ke 220 V dengan 200 A, sedangkan generator B turun 245 V pada beban nol ke 220 V dengan arus 150 A.
50
Tentukan arus yang disediakan tiap-tiap mesin untuk bebas 300 A dan tentukan pula tegangan bus-bar pada beban ini
Solution … Generator A Jatuh Tegangan 200 A = 240 – 240 – 220 220 = 20 V Jatuh Tegangan Per Ampere = 20 / 200 = 0.1 V // A Generator B Jatuh Tegangan Per Ampere = 245 – 245 – 220 220 = 1/6 V // A 150 V = 240 – 240 – I I1 dan V = 245 – 245 – I I2 10 6 240 – 240 – I I1 = 245 – 245 – I I2 10 6 5I2 – 3I1 = 150 ….. (i) – 3I I2 + I1 = 300 ….. (ii)
51
... Solution I1 = 300 – 300 – I I2 5I2 – – 3 3 (300 – (300 – I I2) = 150 I2 = 1050 = 131 A
8 I1 = 300 – 300 – 131 131 = 169 A V = 240 – 240 – 169 169 = 223.1 V 10 1 1 2 2 I = 169 169 A ; I = 131 A ; V = 223.1 223.1 V
52