10
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Listrik sudah menjadi kebutuhan yang sangat penting untuk semua manusia. Manusia mungkin sudah tidak dapat hidup lagi tanpa listrik. Dalam menciptakan energi listrik tersebut, dibutuhkan sebuah generator. Generator adalah converter yang sampai sekarang tetap digunakan untuk mengubah sebuah energi (dapat berupa energi kimia atau kinetic) menjadi energi listrik pada sebuah pembangkit listrik, baik pembangkit tenaga air, tenaga panas bumi, tenaga uap, dan yang lainnya.
Generator yang paling sering digunakan adalah generator AC karena arus AC yang dihasilkan oleh generator tersebut mudah untuk diubah-ubah, baik besar tegangannya diubah maupun bentuknya diubah menjadi arus DC. Dari beberapa jenis generator AC yang ada, generator AC tiga fasa adalah jenis generator yang sering dipakai karena daya yang dihasilkan lebih stabil.
1.2 Rumusan Masalah
Prinsip kerja secara umum dari generator?
Bagaimana proses terjadinya tegangan khususnya pada generator 3 fasa?
1.3 Tujuan Penulisan
Melalui makalah ini, kami berharap pembaca dapat memahami secara umum mengenai generator serta proses terjadinya tegangan pada generator 3 fasa.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Sejarah Generator
Generator menggunakan prinsip elektrostatik. Michael Faraday menemukan perbedaan potensial dihasilkan antara ujung-ujung konduktor listrik yang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet. Berdasarkan efek ini digunakan cakram tembaga yang berputar antara kutub magnet tapal kuda menghasilkan arus searah yang kecil. Desain alat ini tidak efisien dikarenakan oleh aliran arus listrik yang arahnya berlawanan di bagian cakram yang tidak terkena pengaruh medan magnet. Arus yang diinduksi langsung di bawah magnet akan mengalir kembali ke bagian cakram di luar pengaruh medan magnet. Arus balik itu membatasi tenaga yang dialirkan ke kawat penghantar dan menginduksi panas yang dihasilkan cakram tembaga. Generator homopolar yang dikembangkan selanjutnya menyelesaikan permasalahan ini dengan menggunakan sejumlah magnet yang disusun mengelilingi tepi cakram untuk mempertahankan efek medan magnet yang stabil. Kelemahan yang lain adalah tegangan listrik yang dihasilkan alat ini kecil, dikarenakan jalur arus tunggal yang melalui fluks magnetik.
Dinamo
Dinamo menggunakan prinsip elektromagnet untuk mengubah putaran mekanik menjadi listrik arus bolak-balik. Dinamo pertama berdasarkan prinsip Faraday dibuat pada 1832 oleh Hippolyte Pixii, seorang pembuat peralatan dari Perancis. Alat ini menggunakan magnet permanen yang diputar oleh sebuah "crank". Magnet yang berputar diletakaan sedemikian rupa sehingga kutub utara dan selatannya melewati sebongkah besi yang dibungkus dengan kawat. Pixii menemukan bahwa magnet yang berputar memproduksi sebuah pulsa arus di kawat setiap kali sebuah kutub melewati kumparan. Lebih jauh lagi, kutub utara dan selatan magnet menginduksi arus di arah yang berlawanan. Dengan menambah sebuah komutator, Pixii dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah. Dinamo Gramme dengan kumparan berputar dengan yang "toroidal". Sebagian dari kumparan terus melewati magnet, membuat arus menjadi lancar.
2.2 Macam-macam Generator
Berdasarkan tegangan yang dibangkitkan generator dibagi menjadi 2 yaitu:
Generator Arus Bolak-Balik (AC)
Generator arus bolak-balik yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan out put ) berupa tegangan bolak-balik. Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.
Generator Arus Searah (DC)
Generator arus searah yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan out put) berupa tegangan searah, karena didalamnya terdapat sistem penyearahan yang dilakukan bisa berupa oleh komutator atau menggunakan dioda.
Jenis-Jenis Generator DC
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
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik
2. Magnet permanent / magnet tetap
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.
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. 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.
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. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.
Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu :
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. Jika dua belitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkan sejauh 90 derajat listrik dan terhubung secara parallel ke sumber satu fasa, medan yang dihasilkan akan tampak berputar. Ini disebut dengan pemisahan fasa (phase splitting).
Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitan starting untuk penyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebih tinggi dan reaktansi yang lebih rendah dari belitan utama. Jika tegangan yang sama VT dikenakan pada belitan starting dan utama, arus pada belitan utama (IM) tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS). Sudut antara kedua belitan mempunyai beda fasa yang cukup untuk menimbulkan medan putar untuk menghasilkan torque awal (starting torque). Ketika motor mencapai 70 hingga 80% dari kecepatan sinkron, saklar sentrifugal pada sumbu motor membuka dan melepaskan belitan starting. Motor satu fasa biasanya digunakan untuk aplikasi kecil seperti peralatan rumah tangga (contoh mesin pompa).
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. Untuk lebih memperjelas lagi, akan di jelaskan mengenai rangkaian 3 fasa itu sendiri.
Rangkaian Tiga Fasa
Rangkaian tiga fasa adalah rangkaian yang menghasilkan tiga tegangan dengan perbedaan fasa pada tiap tegangannya. Perbedaan fasa pada tiap tegangan tersebut sebesar 120 derajat. Pengertian dari fasa itu sendiri sebenarnya adalah perubahan waktu terhadap tegangan yang direpresentasikan dalam sudut. Selain tiga fasa, dikenal pula satu fasa yang diartikan sebagai satu sumber tegangan yang langsung dirangkai pada beban.
Pada grafik pertama merupakan grafik untuk arus 3 fasa sedangkan pada grafik kedua merupakan grafik arus dan v biasa untuk satu fasa. Pada kedua grafik juga terlihat bahwa amplitudo ketiga gelombang tersdebut sama. Hal ini kemudian menunjukkan bahwa beban yang diberikan pun pada arus fasa simetri. Dari grafik pertama juga terlihat bahwa beda fasa pada gelombang yang sejajar memiliki selisih jarak sebesar teta yang merupakan besarnya 120 derajat. Dari grafik juga dapat disimpulkan bahwa grafik tiga fasa tersebut lebih stabil dan efektif. Dikarenakan adanya gelombang sinusidal yang saling mengkover satu sama lain akibat beda fasa yang ada. Hal ini kemudian dapat diandaikan sebagai rangkaian arus DC yang dimulai dari nol. Atau lebih jelas, memiliki loose yang sama seperti arus dc dan tidak seperti AC, namun karena sebenarnya dia merupakan arus AC yang saling mengkover, arus 3 fasa lebih efektif dan tahan lama atau tidak cepat panas dan lebih awet.
Sehingga kemudian ketika ditinjau lebih mendalam, rangkaian tiga fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu :
Transmisi rangkaian tiga fasa dibagi menjadi 3 terminal, dimana satu terminal membutuhkan satu kawat konduktor, sehingga arus yang mengalir di tiap kawat akan menjadi sepertiga dari rangkaian satu fasa untuk daya yang sama.
Lebih ekonomis, disebabkan arus yang mengalir di dalam tiap kawat lebih kecil daripada kawat rangkaian satu fasa, sehingga kawat yang dibutuhkan pun akian lebih kecil.
Lebih efisien, disebabkan daya disipasi yang lebih kecil
Lebih stabil
Sedangkan dari sisi kerugian, biasanya ditinjau dari kerumitan penyusunan rangkaian dan mahalnya perawatan. Oleh karena kelebihan diatas, mulai banyaklah digunakannya pembangkitan tiga fasa atau biasa kita sebut sebagai generator tiga fasa.
Sistem Hubung Rangkaian Tiga Fasa
Sebelum membahas lebih jauh, dalam tiga fasa kita harus mengetahui lebih mendalam dalam merangkai tiga fasa ini sendiri. Ada dua dasar hubung penyusunan untuk rangkaian tiga fasa.
Hubung Bintang (Wye)
Hubung bintang juga dapat dikenal sebagai hubung wye atau hubung Y. Elemen yang dapat dihubungkan pada hubung bintang ini adalah sumber tegangan dan beban.
Namun biasanya rangkaian ini digunakan pada sumber tegangan dikarenakan bentuk hubungan dari rangkaian ini. Untuk sumber tegangan tiga fasa memiliki tiga terminal yang disebut terminal line dan memiliki terminal keempat untuk hubung netral yang mengalirkan arus berlebih.
Kelebihan dari hubung wye :
Memiliki kawat netral yang dapat menyalurkan arus yang berlebih sehingga rangkaian tidak cepat panas
Memiliki nilai hambatan total yang lebih kecil
Lebih mudah dalam analisi arus dikarenakan arus fasa yang sama dengan arus Line
Kekurangan dari hubung wye:
Analsisi tegangan yang kompleks
Beban tidak dapat diganti secara lansgung dan saling berhubungan satu sama lain dengan netral
Diperlukan biaya tambahan untuk kawat netral
Hubung Delta atau segitiga
Hubungan delta adalah hubungan rangkaian yang membentuk hubungan segitiga atau delta.
Hubungan delta biasa digunakan untuk beban karena tidak adanya kawat netral untuk mengalirkan arus berlebih. Dan karena hubung ini, beban dapat dilepas secara bebas tanpa mengganggu rangkaian secara keseleruhuan. Pada hubung delta, berlaku bahwa besar tegangan line sama dengan tegangan fasa.
Kelebihan dari sistem hubungan delta adalah:
Lebih mudah menganalisa tegangan karena Tegangan line sama dengan tegangan fasa
Beban dapat ditambah, diganti, atau dilepas tanpa mempengaruhi sistem
Membutuhkan kawat yang lebih kecil dibanding hubung wye akibat arus fasa yang lebih kecil
Kekurangan hubung delta :
Tidak memiliki kawat netral sehingga ketika ada arus berlebih rangkaian akan cepat panas, arus tetap berputart dan sistem rusak
Memiliki hambatan total yang lebih besar
Hukum-Hukum pada proses pembangkitan tegangan 3 fasa
Dalam proses pembentukan tegangan 3 fasa, ada beberapa hukum yang bekerja yaitu, hukum ohm, hukum induksi faraday, hukum lenz.
Hukum ohm
Hukum ini sangat sering di gunakan dalam perhitungan mengenai listrik. Hukum ohm menyatakan bahwa besar kuat arus pada suatu rangkaian tertutup berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan. Dilihat dari hukum ini dapat simpulkan bahwa arus akan muncul jika di beri beda potensial serta hambatan pada suatu rangkaian tertutup.
V= I x R
Dimana: V = Tegangan (volt)
I = Besar kuat Arus (ampere)
R = Hambatan (ohm)
Hukum Induksi Faraday
Hukum utama yang digunakan pada prinsip kerja generator adalah Hukum Induksi Faraday. Menurut Hukum Induksi Faraday, maka integral garis suatu gaya listrik melalui garis lengkung yang tertutup adalah berbanding lurus dengan perubahan tersebut.
Dimana:
e = Gaya Gerak Listrik
N = jumlah lilitan
Φ = arus induksi /flux (weber)
Hukum Lenz
Hukum Lenz menyatakan bahwa "Arus imbas akan muncul di dalam arah yang sedemikian rupa sehingga arah tersebut menentang perubahan yang menghasilkannya". Hukum inilah yang menyebabkan tanda negatif pada hukum induksi faraday.
Proses pembangkitan tegangan pada generator 3 fasa
Pembangkitan tiga fasa dihubungkan dengan cara kerja generator. Pada generator sebenarnya telah terpasang 3 set inductor pada stator, di mana pada ketiga inductor tersebut dipasang dengan beda fasa sebesar 120 derajat. Pada generator tiga fasa ini, telah dijelaskan sebelumnya bahwa terdapat tiga bagian yaitu ada bagian stator dan rotor. Maka pada generator tiga fasa ini, untuk menghasilkan tegangan nominal, tentu dibutuhkan kekuatan magnet pada tiap statornya. Walaupun pada generator tiga fasa, pada stator sudah terdapat medan magnet walaupun nilainya sangatlah kecil.
Pada bagian rotor, rotor memiliki kumparan yang kemudian kumparan tersebut diberikan beda potensial, sehingga pada kumparan akan teralirkan arus hal ini sesuai dengan berlakunya hukum Ohm itu sendiri.
V= I x R
Dimana di sini, ketika ada tegangan,atau beda potensial, maka akan dihasilkannya suatu arus, I dengan hubungan kelinearan tertentu. Selanjutnya, karena terbentuknya arus, akan terbentuknya medan magnet pada rotor menurut persamaan
Lebih lanjut, medan magnet tersebut kemudian akan menghasilkan proses lanjutan berupa pembentukan fluks magnetic. Menurut persamaan
Rotor tersebut kemudian akan digerakkan oleh turbin yang digerakkan dari energy luar seperti energy kinetis dari air terjun, energy panas matahari, atau energy nuklir, dan energy lainnya. Di sini sesuai dan membuktikan prinsip dari generator itu sendiri yaitu untuk mengubah energi mekanik menjadi energy listrik.
Kemudian, saat rotor berputar, terjadi perubahan sudut, dan menyebabkan terjadinya perubahan fluks magenetik yang ada terhadap tiap satuan waktu yang kemudian pada masing-masing stator akan timmbul GGL Induksi atau gaya gerak listrik. Hal ini kemudian sesuai dengan persamaan
Selanjutnya dari gaya gerak listrik induksi tersebut, akan timbul tegangan dengan beda fasa sebesar 120 derajat. Di sinilah mengapa disebutkan sebagai pembangkit 3 fasa.
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Generator arus bolak-balik yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan out put ) berupa tegangan bolak-balik. Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. 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 kerja generator arus bolak-balik adalah pertama, rotor menghasilkan medan magnet dengan diberikan arus DC yang dihasilkan dari catu daya. Kemudian rotor akan diputar dengan menggunakan sumber-sumber energi seperti air, uap, nuklir dan lain-lain. Karena perputaran ini, medan magnet yang dihasilkan oleh rotor akan ikut bergerak dan akan memotong stator yang ada disekitar rotor. Karena perpotongan flux magnet ini, akan timbul tegangan pada stator sesuai dengan hukum Faraday. Dalam generator tiga fasa, tiga buah stator akan dipasang dalam generator dan setiap stator akan diatur sedemikian rupa sehingga tegangan yang dihasilkan di setiap stator memiliki beda fasa 120ᵒ.
DAFTAR PUSTAKA
Sumber bahan:
Sunarlik Wahyu, Prinsip Kerja Generator Sinkron.universitas pawyatan daha kediri. Jakarta
PT PLN JASDIKLAT. (1997). Generator. PT PLN Persero. Jakarta
http://dosen.narotama.ac.id
Halliday, Resnick, Walker; Fundamentals of Physics, 9th Edition, Extended Edition, John Wiley & Sons, Inc., NJ, 2005.
Sumber gambar:
www.google.com
