GENERATOR AC Disusun untuk memenuhi tugas Mata Kuliah Teknik kelistrikan dan Elektronika Dosen pengampu Drs. Emily Dardi, M.Kes
Disusun Oleh:
Guntur Susilo
(K2512037)
Hanief Iqbal S
(K2512039)
Hera Kusuma W
(K2512041)
Kurniawan Mukti C
(K2508015)
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESI N FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2013
1
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur hanya bagi Alloh SWT yang telah melimpahkan banyak rahmat, nikmat, hidayah, dan inayah-Nya kepada penulis sehingga pada waktu-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan makalah ini. Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Teknik Listrik dan Elektronika. Penulis menyadari bahwa dengan keterbatasan yang dimiliki tidak dapat menyelesaikan makalah ini dengan baik tanpa bantuan, saran, dorongan, dan perhatian dari berbagai pihak. Dalam kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati, penulis menghaturkan terima kasih kepada ayah dan ibu tercinta yang selalu mendoakan dan memotivasi penulis, kakak dan adik yang kubanggakan serta semua pihak yang telah membantu terlaksananya makalah ini. Peribahasa menyebutkan “Tiada gading yang tak retak”, penulis menyadari akan kekurangan yang ada, untuk itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang sifatnya membangun demi kesempurnaan penulis di masa yang akan datang. Akhirnya penulis berharap perkembangan ilmu pengetahuan.
semoga
karya
ini
bermanfaat
bagi
Surakarta, Desember 2013
Tim Penulis
2
Daftar Isi Halaman judul.....................................................................................................i Kata pengantar....................................................................................................ii Daftar isi...............................................................................................................iii Bab I Pendahuluan..............................................................................................1 A. Latar belakang masalah.........................................................................1 B. Rumusan masalah...................................................................................1 C.Tujuan penulisan.....................................................................................1 Bab II Pembahasan.............................................................................................3 A.Pengertian generator AC.........................................................................3 B.Prinsip kerja generator AC.....................................................................4 C.Bagian-bagian generator AC..................................................................5 D.Macam-macam pembagian generator AC.............................................11 E.Cara kerja generator AC.........................................................................16 F.Rumusan matematis generator AC........................................................17 G.Kelebihan dan kekurangan generator AC............................................25 H.Tips aman penggunaan generator..........................................................28 Bab III Penutup...................................................................................................30 A.Kesimpulan...............................................................................................30 B.Saran..........................................................................................................30 Daftar pustaka.....................................................................................................31
3
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Listrik sangatlah penting bagi kehidupan manusia, dengan adanya listrik manusia bisa mengerjakan pekerjaan dengan efektif, kita bisa menoton TV, menelfon, main games, memasak dan lain-lain. Di dunia ada banyak sumber tenaga listrik, ada PLTA, ada PLTD, PLTU dan lain-lain, semua itu membutuhkan alat untuk bisa menghasilkan listrik yaitu generator. Generator adalah dinamo yang digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik pada dan berdasarkan arus yang dihasilkan generator dibagi menjadi dua yaitu generator AC dan genera DC. Dan yang akan dibahas pada makalah ini lebih spesifik pada generator AC. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak. B. Rumusan Masalah Apa pengertian dari generator AC? Bagaimana prinsip kerja dari generator AC? Apa saja bagian-bagian dari generator AC? Bagaimana cara kerja dari generator AC? Apa saja macam-macam pembagian generator AC? Apa kelebihan dan kekurangan generator AC? Bagaimana penggunaan generator yang benar? C. Tujuan Penulisan Mengetahui pengertian dari generator AC Mengetahui prinsip kerja generator AC
4
Mengetahui bagian-bagian dari generator AC Mengetahui cara kerja dari generator AC Mengetahui macam-macam pembagian generator AC Mengetahui kelebihan dan kekurangan generator AC Mengetahui penggunaan generator yang benar
5
BAB II PEMBAHASAN A. Pengertian generator AC Generator adalah mesin yang dapat mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik melalui proses induksi elektromagnetik. Generator ini memperoleh energi mekanis dari prime mover atau penggerak mula. Prinsip kerja dari generator sesuai dengan hukum Lens, yaitu arus listrik yang diberikan pada stator akan menimbulkan momen elektromagnetik yang bersifat melawan putaran rotor sehingga menimbulkan EMF pada kumparan rotor.
Tegangan EMF ini akan menghasilkan suatu arus jangkar. Jadi diesel sebagai prime mover akan memutar rotor generator, kemudian rotor diberi eksitasi agar menimbulkan medan magnit yang berpotongan dengan konduktor pada stator dan menghasilkan tegangan pada stator. Karena terdapat dua kutub yang berbeda yaitu utara dan selatan, maka pada 90o pertama akan dihasilkan tegangan maksimum positif dan pada sudut 270o kedua akan dihasilkan tegangan maksimum negatif. Ini terjadi secara terus menerus/continue. Bentuk tegangan seperti ini lebih dikenal sebagai fungsi tegangan bolak-balik. Generator arus bolak-balik sering disebut sebagai generator sinkron atau alternator. Generator arus bolak-balik memberikan hubungan yang sangat penting
6
dalam proses perubahan energi dari batu bara, minyak, gas, atau uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat untuk digunakan dalam industri atau rumah tangga. Dalam generator arus bolak-balik bertegangan rendah yang kecil, medan diletakan pada bagian yang berputar atau rotor dan lilitan jangkar pada bagian yang diam atau stator dari mesin
B. Prinsip kerja generator AC Generator
AC
bekerja
berdasarkan
atas
prinsip
dasar
induksi
elektromagnetik Faraday. 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 : 1. Jumlah dari lilitan dalam kumparan. 2. Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang diinduksikan. 3. Kecepatan putar dari generator itu sendiri. Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. proses terjadinya tenaga mekanik ke tenaga listrik ada beberapa syarat yaitu: 1. Adanya fluks yang ditimbukan oleh dua buah kutub magnet.
7
2. Adanya kawat penghantar. 3. Adanya putaran yang menyebabkan penghantar memotong fluks2 magnet 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. Terdapat dua jenis konstruksi dari generator ac, jenis medan diam atau medan magnet dibuat diam dan medan magnet berputar. C. Bagian-bagian generator AC Pulley Berfungsi untuk tempat V belt penggerak alternator yang memindahkan gerak putar mesin untuk memutar alternator.
Kipas (fan) Berfungsi untuk mendinginkan komponen altenator yaitu diode maupun kumparan pada alternator.
8
Rotor Fungsi rotor untuk menghasilkan medan magnet, kuat medan magnet yang dihasilkan tergantung besar arus listrik yang mengalir ke rotor coil. Listrik ke rotor coil disalurkan melalui sikat yang selalu menempel pada slip ring. Terdapat dua sikat yaitu sikat positip berhubungan dengan terminal F, sikat negatip berhubungan dengan massa atau terminal E. Semakin tinggi putaran mesin, putaran rotor altenator semakin tinggi pula, agar listrik yang dihasilkan tetap stabil maka kuat magnet yang dihasilkan semakin berkurang sebanding dengan putaran mesin.
Rotor alternator Bila rotor dirangkai seperti gambar diatas, maka arus listrik akan mengalir dari positip baterai, variable resistor, amper meter, slip ring, rotor coil, slip ring dan ke negatip baterai. Adanya aliran listrik pada rotor menyebabkan rotor menjadi magnet, saat tahanan pada variable resistor kecil maka arus yang mengalir sangat besar, magnet pada rotor sangat kuat, namun bila tahanan variable resistor besar maka arus yang mengalir ke rotor coil menjadi kecil sehingga kemagnetan juga menjadi kecil. Pada saat tahanan variable resistor kecil maka voltmeter yang dipasang pada slip ring menunjukan tegangan yang besar, sebaliknya saat tahanan variable resistor besar maka tegangan pada slip ring menjadi kecil.
9
Stator Stator berfungsi sebagai kumparan yang menghasilkan listrik saat terpotong medan magnet dari rotor.Stator terdiri dari stator core (inti stator) dan stator coil. Disain stator coil ada 2 macam yaitu model “delta” dan model “Y”. Pada model “Y”, ketiga ujung kumparan tersebut disambung menjadi satu. Titik sambungan ini disebut titik “N” (neutral point). Pada model delta ketiga ujung lilitan dijadikan satu sehingga membentuk segi tiga (delta). Model ini tidak memiliki terminal neutral (N). Stator coil menghasilkan arus listrik AC tiga phase. Tiap ujung stator dihubungkan ke diode positip dan diode negatip.
10
Sikat (brush) Sikat berfungsi untuk mengalir arus listrik dari regulator ke rotor coil. Pada altenator terdapat dua sikat, yaitu : 1.
Sikat positip yang berhubungan dengan terminal F alternator
2.
Sikat negatip berhubungan dengan bodi altenator dan terminal E
Sikat selalu menempel dengan slip ring, saat rotor berputar maka akan terjadi gesekan antara slip ring dengan sikat, sehingga sikat menjadi cepat aus. Kontak sikat dengan slip ring harus baik agar listrik dapat mengalir dengan baik, agar kontak sikat dengan slip ring baik maka sikat ditekan oleh pegas. Sikat merupakan bagian yang sering menjadi penyebab gangguan pada altenator, karena cepat aus. Sikat yang sudah pendek dapat menyebabkan aliran listrik ke rotor coil berkurang, akibat tekanan pegas yang melemah. Berkurangnya aliran listrik ke rotor coil menyebabkan kemagnetan rotor berkurang dan listrik yang dihasilkan altenator menurun. Bila sikat suda pendek harus segera diganti, sebab kalau sampai sikat habis maka slip ring akan bergesekan dengan pegas sikat sehingga menjadi aus. Sikat yang sudah habis dapat menyebabkan liran listrik ke rotor coil terputus, kemgnetan rotor hilang, altenator tidak dapat menghasilkan listrik, tidak terjadi proses pengisian.
11
Sikat patah dan pecahnya rumah sikat sering dijumpai akibat kesalahan saat merakit altenator. Saat rotor dilepas sikat akan keluar akibat tekanan pegas, pada kondisi tersebut bila seseorang merakit rotor, maka bearing rotor akan menekan sikat sehingga sikat patah dan hal ini dapat pula menyebabkan rumah sikat pecah, untuk menghindari hal tersebut maka sikat harus dimasukkan ke rumahnya dan ditahan menggunakan kawat yang dimasukan melaui lubang kecil yang sedah tersedia, bila sikat sudah tertahan oleh kawat maka rotor dapat dimasukkan dengan aman. Regulator Regulator berfungsi untuk mengatur arus dan tegangan yang dihasilkan oleh altenator. Arus yang dihasilkan altenator sampai putaran 2000 rpm sebesar 10 A atau kurang, namun saat beban lampu dihidupkan maka arus yang dihasilkan pada putaran 2000 rpm sebesar 30 A atau lebih sesuai kapasitas dari altenator dan beban listriknya. Tegangan yang dihasilkan altenator dijaga tetap stabil pada 13,814,8 Volt. Regulator mekanik 6 terminal mempunyai terminal E, F, N, B, IG dan L. Pada regulator ini terdiri dari dua bagian yaitu voltage regulator yang berfungsi untuk mengatur arus dan tegangan pengisian dan voltage relay yang berfungsi untuk mengatur hidup dan matinya lampu indicator pengisian sebagai indikasi sistem pengisian berfungsi.
12
Pola susunan terminal pada regulator tipe A adalah IG,N,F dan E,L,B, sedangkan pola susunan terminal pada regulator tipe B adalah B,L,E dan F,N,IG. Meskipun terminal regulator mempunyai pola tertentu, namun kita sering mengalami kesulitan dalam menentukan terminal regulator, sehingga kita kesulitan menentukan apakah regulator tertentu tipa A atau tipe B. Sistem pengoperasian Unit AVR (Automatic Voltage Regulator) berfungsi untuk menjaga agar tegangan generator tetap konstan dengan kata lain generator akan tetap mengeluarkan tegangan yang selalu stabil tidak terpengaruh pada perubahan beban yang selalu berubah-ubah, dikarenakan beban sangat mempengaruhi tegangan output generator. Prinsip kerja dari AVR adalah mengatur arus penguatan (excitacy) pada exciter. Apabila tegangan output generator di bawah tegangan nominal tegangan generator, maka AVR akan memperbesar arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dan juga sebaliknya apabila tegangan output Generator melebihi tegangan nominal generator maka AVR akan mengurangi arus penguatan (excitacy) pada exciter. Dengan demikian apabila terjadi perubahan tegangan output Generator akan dapat distabilkan oleh AVR secara otomatis dikarenakan dilengkapi dengan peralatan seperti alat yang digunakan untuk pembatasan penguat minimum ataupun maximum yang bekerja secara otomatis.
13
Gambar 1. Diagram sistem eksitasi. AVR dioperasikan dengan mendapat satu daya dari permanen magnet generator (PMG) sebagai contoh AVR dengan tegangan 110V, 20A, 400Hz. Serta mendapat sensor dari potencial transformer (PT) dan current transformer (CT).
Gambar 2. Diagram AVR. a. Sensing circuit
14
Tegangan tiga phasa generator diberikan pada sensing circuit melewati PT dan 90R terlebih dahulu, dan tegangan tiga phasa keluaran dari 90R diturunkan kemudian disearahkan dengan rangkaian dioda, dan diratakan oleh rangkaian kapasitor dan resistor dan tegangan ini dapat diatur dengan VR (Variable Resistant). Keuntungan dari sensing circuit adalah mempunyai respon yang cepat terhadap tegangan output generator. Output tegangan respon berbanding lurus dengan output tegangan Generator berbanding lurus seperti ditinjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Grafik hubungan sensing tegangan terhadap output of Generator
b. Comparative amplifier Rangkaian comparative amplifier digunakan sebagai pembanding antara sensing circuit dengan set voltage. Besar sensing voltage dengan set voltage tidak mempunyai nilai yang sama sehingga selisih/rentang besar tegangan tersebut. Selisih tegangan disebut dengan error voltage. Ini akan dihilangkan dengan cara memasang VR (variable resistance) pada set voltage dan sensing voltage. c. Amplifier circuit
15
Aliran arus dari D11, D12, dan R34 adalah rangkaian penguat utama atau penguatan tingkat terendah. Keluaran dari comparative amplifier dan keluaran dari over excitation limiter (OEL) adalah tegangan negative dan dari tegangan negative kemudian pada masukan OP201. Ketika over excitation limiter (OEL) atau minimum excitation limiter (MEL) tidak operasi maka keluaran dari comparative amplifier dikuatkan oleh OP201 dan OP301 masukan dari OP301 dijumlahkan dengan keluaran dari dumping circuit. OP401 adalah Amplifier untuk balance meter hubungan antara tegangan masuk dan tegangan keluaran dari OP201
dan
OP401
diperlihatkan
pada
bagan
berikut.
Gambar 4. Rangkaian Amplifier d. Automatic manual change over and mixer circuit Rangkaian ini disusun secara Auto-manual pemindah hubungan dan sebuah rangkaian untuk mengontrol tegangan penguatanmedan generator. Automanual change over and mixer circuit pada operasi manual pengaturan tegangan penguatan medan generator dilakukan oleh 70E, dan pada saat automatic manual change over and mixer circuit beroperasi manual maka AVR (automatic voltage Rregulator) belum dapat beroperasi. Dan apabila rangkaian ini pada kondisi auto maka AVR sudah dapat bekerja untuk mengatur besar arus medan generator. e. Limited circuit Limited circuit adalah untuk penentuan pembatasan lebih dan kurang penguatan (excitation) untuk pengaturan tegangan output pada sistem excitacy,
16
VR125 untuk pembatas lebih dari keluaran terminal C6 dan VR126 untuk pembatas minimal dari keluaran terminal C6. f. Phase syncronizing circuit Unit tyristor digunakan untuk mengontrol tegangan output tyristor dengan menggunakan sinyal kontrol yang diberikan pada gerbang tyristor dengan cara mengubah besarnya sudut sinyal pada gerbang tyristor. Rangkaian phase sinkronisasi berfungsi untuk mengubah sudut gerbang tyristor yang sesuai dengan tegangan output dari batas sinkronisasi dan juga sinyal kontrol yang diberikan pada tyristor di bawah ini terdapat gambar sinkronisasi. g. Thyristor firing circuit Rangkaian ini sebagai pelengkap tyristor untuk memberikan sinyal kontrol pada gerbang tyristor. h. Dumping circuit Dumping circuit akan memberikan sensor besarnya penguatan tegangan dari AC exciter dan untuk diberikan ke amplifier circuit dengan dijadikan feed back masukan terminal OP301. i. Unit tyristor Merupakan susunan dari tyristor dan dioda. Dan juga menggunakan fuse (sekring) yang digunakan sebagai pengaman lebur dan juga dilengkapi dengan indikator untuk memantau kerja dari tyristor yang dipasang pada bagian depan tyristor untuk tiap phase diberikan dua fuse yang disusun pararel dan ketika terjadi kesalahan atau putus salah satunya masih dapat beroperasi. j. MEL (minimum excitacy limiter) MEL (minimum eksitasi limiter) yaitu untuk mencegah terjadinya output yang berlebihan pada generator dan adanya penambahan penguatan (excitacy) untuk meningkatkan tegangan terminal generator pada level konstan. Rangkaian
17
ini digunakan untuk mendeteksi operasional dari generator yaitu dengan mendeteksi keluaran tegangan dan arus pada generator. Rangkaian inijuga digunakan untuk membandingkan keluaran tegangan generator dengan eksitasi minimum yang telah diseting. Rangkaian ini akan memberikan batas sinyal pada rangkaian AVR apabila melebihi eksitasi minimum, kemudian output dari MEL (Minimum Eksitasi Limiter) dikuatkan oleh amplifier.
Gambar 5. Diagram Minimum Excitasi Limiter. k. Automatic follower Prinsip kerja dari alat ini adalah untuk melengkapi penguatan dengan pengaturan secara manual oleh 70E. Untuk menyesuaikan pengoperasian generator dalam pembandingan fluktuasi dari tegangan terminal oleh sinyal error. Hal tersebut digunakan untuk menjaga kesetabilan tegangan pada generator. Pengoperasian ini digunakan untuk pengaturan manual (70E) untuk ketepatan tingkatan excitacy yang telah disesuaikan. Kondisi pengoperasian generator dan pembandingan fluktuasi dari tegangan terminal oleh sinyal tegangan error. Hal tersebut dijadikan pegangan untuk menjaga kestabilan tegangan pada generator dengan adanya perubahan beban. Automatic Follower digunakan untuk mendeteksi keluaran regulator dari sinyal tegangan error dan pengoperasian otomatis manual adjuster dengan membuat nilai nol. Rangkaian ini untuk menaikkan sinyal dan menurunkan sinyal yang
18
dikendalikan oleh 70E. Dengan cara memutar 70E untuk mengendalikan sinyal pada rangkaian ini.
Gambar 6. Blok Diagram Automatic Follower D. Macam-macam pembagian generator AC Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu : 1. Generator 1 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U. 2. Generator 3 fasa Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U – X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V – Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W – Z.
E. Cara Kerja generator AC
19
•
Ketika kumparan diputar didalam medan magnet,satu sisi kumparan (biru) bergerak ketas sedang lainnya(kuning)bergerak kebawah
•
Kumparan
mengalami
perubahan
garis
gaya
magnet
sedikit,sehingga pada kedua sisi kumparan mengalir
yang semakin
arus listrik mengitari
kumparan mengalir arus listrik mengitari kumparan 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
•
Kumparan
mengalami
banyak,sehingga
perubahan
pada setiap sisi
garis
gaya
kumparan
magnet
mengalir
yang arus
bertambah listrik yang
berlawanan hingga posisi kumparan sinusoidal.Kumparan terus berputar hingga sisi biru bergerak ketas dan sisi kuning bergerak kebawah •
Agar menimbulkan medan magnet yang berpotongan dengan konduktor pada stator
rator diberi eksitasi.Karena ada dua kutub yang berbeda,utara dan
selatan,maka tegangan yang
20
dihasilkan 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 F. Rumusan Matematis generator AC Yang akan menjadi kerangka bahasan kali ini adalah pengoperasian generator sinkron dalam kondisi berbeban, tanpa beban, menentukan reaktansi dan resistansi dengan melakukan percobaan tanpa beban (beban nol), percobaan hubung-singkat dan percobaan resistansi jangkar. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwa kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a’.
Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub. Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut “Lilitan terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz). Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor
21
n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masingmasing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masingmasing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c – c’ pada gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat : ΦA = Φm. Sin ωt ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° ) ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah: ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah:
22
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos (φ – 240°) Dengan memakai transformasi trigonometri dari : Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ), maka dari persamaan diatas diperoleh : ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt + φ – 240° )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°) Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin ( ωt - Φ ) Weber . Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 Φ dengan sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah : E maks = Bm. ℓ. ω r Volt dimana : Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla) ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber) ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s) r = Radius dari jangkar (meter) Generator Tanpa Beban Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu sebesar: Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
23
Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban Generator Berbeban Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pada: • Resistansi jangkar Ra • Reaktansi bocor jangkar Xl • Reaksi Jangkar Xa a. Resistansi Jangkar Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar. b. Reaktansi Bocor Jangkar Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor. c. Reaksi Jangkar Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fluksi
24
yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a, 4b, 4c dan 4d. Kondisi Reaksi Jangkar. Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF. Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan ΦA terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ). Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan. Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL Eb sebesar 90° dan ΦA
akan
memperlemah
ΦF
yang
berpengaruh
terhadap
pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa biasa disebut reaktansi Sinkron Xs. Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
25
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban: = I.Ra + j (I.Xa + I.XL) = I {Ra + j (Xs + XL)} = I {Ra + j (Xs)} = I.Zs
26
Menentukan Resistansi dan Reaktansi Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari sebuah generator, harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang biasa dilakukan, yaitu: • Test Tanpa beban ( Beban Nol ) • Test Hubung Singkat. • Test Resistansi Jangkar. Test Tanpa Beban Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai rating tegangan output terminal tercapai.
Gambar 6. Rangkaian Test Generator Tanpa Beban. Test Hubung Singkat Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung singkat, dan dengan Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung singkat tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung singkat Ihs dicatat.
27
Gambar 7. Rangkaian Test Generator di Hubung Singkat. Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam bentuk kurva karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kurva Karakteristik Tanpa Beban dan Hubung Singkat sebuah Generator. Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatn
28
Test Resistansi Jangkar Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara dua terminal output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9. Resistansi per fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Gambar 9. Pengukuran Resistansi DC. Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu faktor untuk menentukan nilai resistansi AC efektif , eff R . Faktor ini tergantung pada bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan konstruksi kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 . Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan berdasarkan persamaan:
G. Kelebihan dan kekurangan generator AC berdasarkan arah arus listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut, Generator Listrik dibedakan menjadi 2 jenis yaitu, 1.
Generator DC
29
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Perbedaan
generator
DC
dengan
Generator
AC
yang
paling
menonjol adalah generator DC menggunakan komutator sedangkan generator AC menggunakan Slip Ring. Komutator pada generator DC berguna untuk menjaga arah putar rotor supaya tetap satu arah putaran. atau menyearahkan arus-tegangan dari AC menjadi DC secara mekanis pada terminalnya untuk generator DC
Komutator berbentuk seperti silinder yang mempunyai banyak segmensegmen disekelilingnya. Setiap segmen dihubungkan oleh kawat atau kabel, karena jumlah segmen pada komutator jumlahnya sangat banyak maka kawat atau kabel yang dibutuhkan juga banyak sehingga ini menjadi salah satu kekurangan dari komutator yaitu
30
konstruksinya rumit. Karena konstruksinya yang rumit dan membutuhkan kawat atau kabel yang banyak, generator DC menjadi mahal harganya. Selain itu, akibat komutator mempunyai segmen-segmen yang banyak dengan jarak yang relatif dekat, ketika komutator berputar dengan kecepatan yang tingi akan menghasilkan suara yang bising. Dan akibat jarak yang dekat antartiap segmen, kapasitas tegangannya juga rendah (max 5MW) karena dikhawatirkan akan terjadi peloncatan bunga api listrik. Kelemahan berikutnya pada komutator adalah komutator yang sedang berputar harus dihubungkan dengan brush (yang terdiri dari material Carbon) guna untuk menyalurkan arus DC ke rotor generator. Hal ini mengakibatkan maintenance yang dilakukan harus lebih sering, karena brush akan mengalami "Aus" yang mengakibatkan adanya serpihan-serpihan karbon pada komutator. Namun, salah satu keunggulan Generator DC adalah mempunyai Torsi awal yang besar, sehingga banyak digunakan sebagai starter motor. 2.
Generator AC
Generator AC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator AC menghasilkan arus AC (arus bolak balik).
31
Pada Generator AC digunakan Slip Ring yang berfungsi sebagai pengganti dari komutator.
Bentuk fisik dari slip ring adalah seperti cincin-cincin yang dihubungkan satu sama lain. berbeda dari bentuk komutator yang mempunyai banyak segmen. Hal Ini memberikan banyak keuntungan pada Slip Ring. Slip Ring tidak membutuhkan terlalu banyak kawat atau kabel yang dihubungkan kepadanya, sehingga konstruksinya sederhana. hal ini juga mengakibatkan harga dari Generator AC lebih murah. Selain itu Slip ring juga tidak mempunyai banyak segmen-segmen yang berjarak , sehingga saat Slip ring berputar dengan kecepatan tinggi tidak mengakibatkan bising. Kemungkinan terjadinya peloncatan bunga api jugasemakin sedikit karena , jarak antar cincin lumayan jauh, hal ini mengakibatkan kapasitas tegangannya menjadi tinggi (750MW). Namun, generator AC juga mempunyai kekurangan yaitu Torsi Awal yang dihasilkan lemah.. H. Tips Aman penggunaan generator Berikut adalah tips aman penggunaan generator yang dirilis OSHA (The Occupational Safety and Health Administration), yuk kita pelajari agar lebih aware dalam penggunaan genset: • Jangan menghubungkan generator Anda langsung ke kabel rumah Anda. Menghubungkan sebuah generator listrik portabel langsung ke kabel rumah
32
tangga Anda dapat mematikan bagi Anda dan orang lain. Sebuah generator yang terhubung langsung ke kabel rumah Anda bisa "backfeed" ke saluran listrik yang terhubung ke rumah Anda. Utilitas transformator dapat kemudian "step up" atau meningkatkan ini "backfeed" besarnya ribuan volt! Cukup untuk membunuh seorang atlet sekalipun. •
Satu-satunya cara aman untuk menghubungkan generator listrik portabel adalah memiliki kontraktor listrik berlisensi untuk menginstal switch transfer. Saklar transfer akan mentransfer daya dari jalur listrik ke daya yang berasal dari generator.Untuk mencegah sengatan listrik, pastikan generator dipasang dengan benar. Konsultasikan masalah ini baik - baik dengan kontraktor.
•
Letakkan Generator diluar ruangan untuk mencegah karbon monoksida masuk ke dalam ruangan. Melampirkan kawat tanah ke generator untuk memastikan landasan sesuai. Tanpa landasan yang tepat, sistem ungrounded dapat mengakibatkan Anda bisa kesetrum.
•
Gunakan bensin yang baik bila memungkinkan. Jika generator akan istirahat jangka waktu yang lama sebelum berjalan lagi, gunakan stabilizer bensin.
•
Gunakan generator setidaknya sebulan sekali dan biarkan bekerja selama beberapa menit. Jika Anda memiliki baterai, isi baterai dari waktu ke waktu untuk memastikan generator siap digunakan.
33
BAB III PENUTUP A. Kesimpulan Generator listrik bolak balik (AC) adalah alat yang digunakan untuk memproduksi listrik bolak balik (AC). Generator ini terdiri dari dua bagian, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian genertor yang bergerak, seperti kumparan. Sedangkan Stator adalah bagian generator yang diam, seperti magnet permenen, cincin, dan sikat/terminal. Generator arus bolak-balik sering disebut sebagai generator sinkron atau alternator. Generator arus bolak-balik memberikan hubungan yang sangat penting dalam proses perubahan energi dari batu bara, minyak, gas, atau uranium ke dalam bentuk yang bermanfaat untuk digunakan dalam industri atau rumah tangga. Dalam generator arus bolak-balik bertegangan rendah yang kecil, medan diletakan pada bagian yang berputar atau rotor dan lilitan jangkar pada bagian yang diam atau stator dari mesin B. Saran • Sebaiknya dalam penggunaan generator haruslah memperhatikan keamanan dan keselamatan dalam pemakaian agar tidak terjadi hal-hal yang tidak diinginkan. • Sebaiknya perawatan generator dilakukan secara berkala sehingga keawetan dari generator itu sendiri dapat bertahan lama.
34
DAFTAR PUSTAKA Drs. Daryanto. 1995. Pengetahuan Teknik Listrik . Jakarta: PT Bumi aksara http://fisika79.wordpress.com/2011/04/10/arus-listrik-ac-2/ http://www.mediabali.net/listrik_dinamis/sifatsifat_listrik_ac.html http://kanagaartikeldanmakalah.blogspot.com/2011/02/generatorac.html
35
