PERENCANAAN GENERATOR ASINKRON MESIN LISTRIK

SMK NEGERI 7 (STM PEMBANGUNAN) SEMARANG Nama : Rian Dwi Saputro Nomor : 1312608 / 33 Kelas : XIII TITL 1 SMK NEGERI 7 (STM PEMBANGUNAN) SEMARANG Tahun Ajaran 2016/2017

HUKUM – HUKUM DASAR LISTRIK HUKUM – HUKUM DASAR LISTRIK   Dalam dunia listrik dikenal beberapa hukum-hukum dasar listrik, yaitu: 1. Hukum Faraday Michael faraday (1791-1867), seorang ilmuwan jenius dari inggris menyatakan bahwa: Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.

Kedua pernyataan beliau diatas menjadi hukum dasar listrik yang menjelaskan mengenai fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian, aplikasi dari hukum ini adalah pada generator. Gambar 1 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut. Gambar 1. Hukum Faraday, Induksi Elektromagnetik.

Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik. 2. Hukum Ampere-Biot-Savart Tiga orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa: “Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik” Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut. Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik.

3. Hukum Lenz Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa: “arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)” Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan. Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor.

Gambar 3. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.

4. Konversi Energi Elektromekanik Ketiga hukum dasar listrik diatas terjadi pada proses kerja dari suatu mesin listrik dan hal ini merupakan prinsip dasar dari konversi energi. Secara garis besar, elektromekanik dari mesin listrik dinamis dinyatakan: “Semua energi listrik dan energi mekanik mengalir kedalam mesin, dan hanya sebagian kecil saja dari energi listrik dan energi mekanik yang mengalir keluar mesin (terbuang) ataupun disimpan didalam mesin itu sendiri, sedangkan energi yang terbuang tersebut dalam bentuk panas” Sedangkan hukum kekelan energi pertama menyatakan bahwa: “energi tidak dapat diciptakan, namun dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya” Aplikasi dari 4 dasar prinsip kerja mesin listrik dinamis dan hukum kekalan energi digambarkan sebagai berikut:

Gambar 4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik. Tanda positif (+) menunjukkan energi masuk, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan energi keluar. Panas yang dihasilkan dari suatu mesin yang sedang melakukan proses selalu dalam tanda negatif (-). Sedangkan untuk energi yang tersimpan, tanda positif (+) menujukkan peningkatan energi yang tersimpan, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan pengurangan energi yang tersimpan. Keseimbangan dari bentuk-bentuk energi diatas tergantung dari nilai efisiensi mesin dan sistem pendinginannya.

5. Hukum Lorenz Bila penghantar berarus di letakkan di dalam medan magnet , maka pada penghantar akan timbul gaya Jadi gaya lorentz adalah gaya yang dialami kawat berarus listrik di dalam medan magnet Bagaimana gaya lorentz berfungsi, maka lakukan percobaan dengan mengamati bentuk medan magnet atau garis gaya magnet selama percobaan. Bila pengamatan dilakukan dengan benar maka akan diperoleh : (a) Makin besar arus listrik yang mengalir, makin besar pula gaya yang bekerja dan makin cepat batang penghantar bergulir. (b) Bila polaritas sumbu dirubah, maka penghantar akan bergerak dalam arah yang berlawanan dengan gerak sebelumnya.

perhatikan gambar di bawah ini MENENTUKAN ARAH GAYA LORENZ Arah gaya lorentz dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan. Jari-jari tangan kanan diatur sedemikian rupa, sehingga Ibu jari tegak lurus terjadap telunjuk dan tegak lurus juga terhadap jari tengah. Bila arah medan magnet (B) diwakili oleh telunjuk dan arah arus listrik (I) diwakili oleh ibu jari, maka arah gaya lorentz (F) di tunjukkan oleh jari tengah. perhatikan gambar berikut :

Gaya lorentz pada penghantar bergantung pada faktor sebagai berikut : (1) kuat medan magnet (B) (2) besar arus listrik (I) (3) panjang penghantar sehingga dapat dirumuskan F = B.I.L keterangan : F adalah gaya lorentz (N) B adalah kuat medan magnet (Tesla) I adalah kuat arus listrik (A) L adalah panjang penghantar (m)

6. Hukum I Kirchoff dan Hukum II Kirchoff A 6. Hukum I Kirchoff dan Hukum II Kirchoff A. Hukum I Kirchoff Hukum I Kirchoff merupakan hukum kekekalan muatan listrik yang menyatakan bahwa jumlah muatan listrik yang ada pada sebuah sistem tertutup adalah tetap. Hal ini berarti dalam suatu rangkaian bercabang, jumlah kuat arus listrik yang masuk pada suatu percabangan sama dengan jumlah kuat arus listrik yang ke luar percabangan itu. Untuk lebih jelasnya tentang Hukum I Kirchoff, perhatikanlah rangkaian berikut ini

B. Hukum II Kirchoff Hukum II Kirchoff adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan dalam suatu rangkaian tertutup. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah aljabar dari GGL (Gaya Gerak Listrik) sumber beda potensial dalam sebuah rangkaian tertutup (loop) sma dengan nol. Secara matematis, Hukum II Kirchoff ini dirumuskan dengan persamaan Di mana V adalah beda potensial komponen komponen dalam rangkaian (kecuali sumber ggl) dan E adalah ggl sumber. Untuk lebih jelasnya mengenai Hukum II Kirchoff, perhatikanlah sebuah rangkaian tertutup sederhana berikut ini

Dari rangkaian sederhana di atas, maka akan berlaku persamaan berikut (anggap arah loop searah arah arus) I . R + I . r - E = 0..............1) E = I (R + r) I = E/(R + r) Persamaan 1 dapat ditulis dalam bentuk lain seperti berikut I . R = E - I . r Di mana I . R adalah beda potensial pada komponen resistor R, yang juga sering disebut dengan tegangan jepit

V = beda potensial listrik antar ujung-ujung rangkaian (volt) 7. Hukum Ohm Hubungan antara kuat arus dengan beda potensial dalam suatu rangkaian tertutup pertama kali diselidiki oleh fisikawan jerman yang bernama George Siemon Ohm dalam suatu konsep yang disebut dengan Hukum Ohm. Hukum Ohm menyatakan bahwa "Pada temperatur tetap, kuat arus dalam suatu rangkaian tertutup akan sebanding dengan beda potensial antar ujung-ujung rangkaian". V I R = V/I 1,5 volt 0,15 amper 10 3,0 volt 0,30 amper 4,5 volt 0,45 amper Keterangan: V = beda potensial listrik antar ujung-ujung rangkaian (volt) I = kuat arus listrik dalam rangkaian (amper) R = hambatan total rangkaian pada temperatur konstan (Ω) Model grafik komponen-komponen Ohmmik jika dialiri arus listrik

DERAJAT LISTRIK DAN DERAJAT MEKANIK Jika kumparan pada Gambar 1  berputar satu keliling (360o perputaran mekanik), maka tegangan yang dihasilkan kumparan akan menyelesaikan satu gelombang penuh (satu siklus) seperti pada Gambar 2. Apa yang terjadi bila jumlah kutubnya diperbanyak menjadi empat buah atau dua pasang kutub seperti pada Gambar 3 dan kumparannya diputar satu putaran (360o perputaran mekanik). Tegangan yang dihasilkan menjadi dua siklus (dua gelombang penuh) atau 720o (Gambar 4). Besar sudut yang ditempuh oleh tegangan yang dihasilkan akibat perputaran kumparan diantara kutub-kutub magnet (medan magnet) inilah yang disebut dengan derajat listrik.

Sedangkan sudut yang ditempuh oleh perputaran kumparan disebut dengan derajat mekanik. Dari kedua fenomena di atas dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Jika kumparan berputar satu putaran (360o) pada suatu medan magnet yang memiliki satu pasang kutub, maka gelombang tegangan induksi yang dihasilkan menempuh 360 o listrik. 2. Sedangkan bila kumparan berputar satu putaran (360o) pada suatu medan magnet yang memiliki dua pasang kutub, maka gelombang tegangan induksi yang dihasilkan menempuh 720 o listrik.

Hubungan antara derajat mekanik dengan derajat listrik dapat dituliskan sebagai berikut : Θe = p . Θm –> Dimana : Θe = derajat listrik ; Θm = derajat mekanik ; p = jumlah pasang kutub Dari persamaan di atas dapat diketahui, bahwa untuk menghasilkan tegangan satu gelombang penuh diperlukan 1 / p kali putaran kumparan. Jika kumparan berputar dengan kecepatan n putaran per menit (rpm), atau n/60 putaran per detik, maka banyaknya gelombang penuh yang terjadi setiap detiknya atau lebih dikenal dengan frekuensi adalah : f = (p.n) / 60 –> Dimana : f = frekuensi (Herzt) ; p = jumlah pasang kutub ; n = jumlah putaran per menit (rpm)

PERENCANAAN GENERATOR ASINKRON Generator asinkron/induksi adalah mesin induksi yang bekerja sebagai generator, oleh karena itu mesin induksi mempunyai persamaan dan konstruksi yang sama untuk generator maupun untuk motor. Generator ini mendapat eksitasi dari luar, syarat utama tegangan dapat timbul untuk generator induksi adalah jika Nr>Ns dengan Nr = kecepatan rotor dan Ns = kecepatan sinkron. Jika radiator diputus oleh penggerak luar, diatas Ns maka slip akan bernilai negatif lalu mesin akan menyuplai daya dan menghasilkan tegangan. Selain itu membangkitkan tenaga juga memerlukan daya remanasi magnet pada rotor . Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal. Generator induksi sangat berguna pada aplikasi-aplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin, atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana.

Generator induksi adalah generator yang menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya. Sehingga generator induksi banyak digunakan pada pembangkit listrik dengan daya yang rendah seperti pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro atau pembangkit listrik tenaga baru. Generator induksi merupakan jenis pembangkit listrik alternatif yang cocok untuk skala kecil atau beban rumah tangga (450 VA). Hal ini disebabkan karena harga generator induksi relatif lebih murah dibanding dengan generator sinkron. Kelemahan generator induksi adalah kinerjanya sangat dipengaruhi oleh beban. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan storage terhadap kinerja generator induksi. Parameter motor induksi yang digunakan sebagai generator induksi adalah jenis rotor sangkar, 3 fase, dan 2 HP.

Prinsip Kerja Generator Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat mesin induksi bekerja sebagai motor. Ketika mesin berfungsi sebagai motor, kumparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul medan putar dengan kecepatan sinkron (ns). Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar oleh sumber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didalam medan magnet (kumparan stator) akan membangkitkan tegangan sebesar: Dimana : e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt) B = fluks magnetik (weber) l = panjang konduktor yang dilewati medan magnet (m) v = kecepatan medan magnet melewati konduktor (m/s)

Bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus Bila dihubungkan ke beban akan mengalirkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas gaya mekanik yang diberikan. Pada proses perubahan motor induksi menjadi generator induksi dibutuhkan daya reaktif atau daya magnetisasi untuk membangkitkan tegangan pada terminal keluarannya. Dalam hal ini yang berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang besarnya disesuaikan dengan daya reaktif yang diperlukan. Kebutuhan daya reaktif dapat dipenuhi dengan memasang suatu unit kapasitor pada terminal keluaran, dimana kapasitor menarik daya reaktif kapasitif atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif pada mesin induksi. Kerja dari kapasitor ini dapat dipandang sebagai suatu sistem penguat (eksitasi) sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan generator induksi penguatan sendiri (self excited of induction generator). Hal terpenting yang harus diperhatikan dalam kinerja generator induksi adalah fluksi sisa atau medan magnet pada kumparan stator, dimana tanpa adanya fluksi sisa ini proses pembangkitan tegangan tidak akan tejadi.

Dengan adanya fluksi sisa ini dan perputaran rotor akan menimbulkan tegangan induksi pada rotor. Tegangan induksi ini akan terinduksi pula pada sisi stator dan akan menimbulkan arus yang akan mengisi kapasitor hingga terjadi keseimbangan. Keseimbangan tersebut ditandai dengan titik pertemuan antara lengkung magnetisasi dengan garis reaktansi kapasitif seperti terlihat pada gambar di bawah ini . Lengkung magnetisasi tersebut terjadi akibat adanya kejenuhan inti besi dari generator. Pada generator induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi.

Sehingga prinsip kerjanya dapat di simpulkan bahwa : 1. Bila sumber tegangan yang dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar dengan kecepetan Ns =120f / p 2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduksi pada rotor 3. Akibatnya pada rotor akan timbul ggl induksi 4. Karena rotor merupakan rangkaian yang tertutup maka ggl induksi akan mengalirkan arus 5. Adanya arus (I) dalam medan magnet akan menimbulkan gaya pada rotor 6. Pada kopel muka yang dihasilkan oleh gaya pada rotor cukup besar memikulkopel beban , rotor akan berputar searah dengan putar rotor

8. Perbedaan kecepatan antara Nr dan Ns disebut slip 7. Seperti yang telah dijelaskan, ggl induksi akan timbul karena terpotongnya rotor atau medan putar stator, artinya ggl induksi timbul diperlukan adanya perbedaan antara kecepatan medan putar stator (Ns) dan kecepata berputarnya rotor (Nr) 8. Perbedaan kecepatan antara Nr dan Ns disebut slip 9. Besarnya Nr (kecepatan rotor) lebih besar daripada Ns (kecepatan stator) 10. Rumus slip dinyatakan