Bab 4 generator arus searah Edit by Harlianto Tanudjaja Fakultas Teknik Mesin/Industri Tarumanagara

Introduction In this lecture we consider various forms of rotating electrical machines These can be divided into: generators – which convert mechanical energy into electrical energy motors – which convert electrical energy into mechanical energy Both types operate through the interaction between a magnetic field and a set of windings

DC Generators or Dynamos Practical DC generators or dynamos can take a number of forms depending on how the magnetic field is produced can use a permanent magnet more often it is generated electrically using field coils current in the field coils can come from an external supply this is known as a separately excited generator but usually the field coils are driven from the generator output this is called a self-excited generator often use multiple poles held in place by a steel tube called the stator

What is Electricity? Electricity is energy transported by the motion of electrons **We do not make electricity, we CONVERT other energy sources into electrical energy** Conversion is the name of the game

G Electric Generator Mechanical Electrical Energy Energy Stationary magnets - rotating magnets - electromagnets

Basics of a Electric Motor dcmotor

Konsruksi gEneRator dc A four-pole DC generator

Pandang depan A four-pole alternator

A Simple AC Generator We noted earlier that Faraday’s law dictates that if a coil of N turns experiences a change in magnetic flux, then the induced voltage V is given by If a coil of area A rotates with respect to a field B, and if at a particular time it is at an angle  to the field, then the flux linking the coil is BAcos, and the rate of change of flux is given by

Fungsi & konstruksi generator Fungsi generator : Untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Konstruksi generator: Generator arus searah (DC) terdiri atas dua bagian: 1. Rotor, yaitu bagian yang berputar. 2. Stator, yaitu bagian yang tidak berputar.

Sebuah generator DC memiliki kutub utama dan kutub pembantu pada stator-nya. Untuk mengambil arus listrik yang diinduksi di kawat-kawat penghantar, maka pada stator terdapat sikat-sikat. Jadi bagian-bagian dari stator adalah : 1. Kerangka generator 2. Kutub utama dengan belitannya 3. Kutub pembantu dengan belitannya 4. Sikat-sikat 5. Bantalan-bantalan poros Jumlah sikat-sikat sama dengan jumlah kutub.

A Simple DC Generator The alternating signal from the earlier AC generator could be converted to DC using a rectifier A more efficient approach is to replace the two slip rings with a single split slip ring called a commutator this is arranged so that connections to the coil are reversed as the voltage from the coil changes polarity hence the voltage across the brushes is of a single polarity adding additional coils produces a more constant output

Proses-Medan MAgnet Thus for the arrangement shown below ROTOR Diputar stator

Slip-Ring Wires connected to the rotating coil would get twisted Therefore we use circular slip rings with sliding contacts called brushes

Fleming’s Right Hand Rule Or Generator Rule FORE FINGER = MAGNETIC FIELD 900 900 900 THUMB = MOTION MIDDLE FINGER = INDUCED VOLTAGE VOLTAGE = B l u dcmotor

Prinsip kerja generator dc Sebuah lilitan diputar di dalam medan magnet, maka di dalam kawat akan timbul arus induksi. Bila ujung-ujung kawat tersebut dihubungkan dengan cincin-cincin, maka tegangan yang terukur pada cincin-cincin tersebut adalah tegangan bolak-balik (AC).

Output-SinyaL AC Therefore this arrangement produces a sinusoidal output as shown below

Generator DC Use of a commutator : Mengubah sinyal AC menjadi DC

Generator DC A simple generator with two coils

Bila cincin diganti dengan komutator, maka tegangan yang terukur adalah tegangan searah (DC). Disini komutator bertindak sebagai saklar, yang setiap setengah putaran merubah arah tegangan. Pada rotor terdapat sejumlah besar kumparan, yang masing-masing ujungnya dihubungkan dengan suatu segmen dari komutator, maka bila output dari masing-masing kumparan diambil oleh sepasang atau lebih sikat.

komutasi Fungsi komutator adalah: 1. Mengumpulkan arus-arus 2. Memindahkan sakeling atau merubah arus Komutator atau kolektor terdiri atas sekian banyak lamel, sejumlah lilitan yang ada. Gambar (a) : Posisi sikat adalah sedemikian rupa, sehingga dari masing-masing lilitan I dan II dikumpulkan arus jangkar IJ. Gambar (b) : Arus jangkar dikumpulkan dari lilitan 0 dan II, sedangkan lilitan I terhubung singkay. Gambar (c) : Arus jangkar dikumpulkan dari lilitan 0 dan I.

Yang perlu mendapat perhatian di sini adalah di lilitan I, dari posisi (a) ke posisi (c), arus sebesar 0,5 IJ membalik arah dari positif ke negatif. Perubahan arus ini akan menyebabkan perubahan medan, yang berarti akan timbul GGL sendiri. Dalam posisi (b) hal ini akan menimbulkan terjadinya suatu arus hubung singkat, yang akan melalui sikat serta menimbulkan bunga api yang akan mudah merusak lamel dan sikat. Untuk mengatasi ini, sikat dibuat dari material yang memiliki tahanan besar, yaitu grafit. Selain itu, karena posisi lilitan yang terhubung singkat tadi tepat berhadapan dengan medan kutub bantu, maka medan kutub bantu juga akan menginduksi GGL yang berlawanan dengan arus yang terhubung singkat. Pada mesin listrik DC pada umumnya, komutator dan lamel-lamel merupakan bagian yang paling mudah rusak.

Arus yang didapat pada terminal adalah jumlah dari arus-arus yang diinduksi di masing-masing kumparan, dan bentuknya mendekati arus searah. Agar kumparan pada rotor pada saat berputar tetap rigid, kumparan-kumparan ini dililitkan pada jangkar (armature).

Konstruksi motor dc The ripple can be further reduced by the use of a cylindrical iron core and by shaping the pole pieces this produces an approximately uniform field in the narrow air gap the arrangement of coils and core is known as the armature

Jadi rotor terdiri atas : 2. Inti jangkar 3. Kumparan jangkar 1. Poros inti jangkar 2. Inti jangkar 3. Kumparan jangkar 4. Komutator Jumlah segmen dari komutator sama dengan jumlah kumparan.

Medan magnet utama, tidak berputar, terdapat pada stator Medan magnet utama, tidak berputar, terdapat pada stator. Pembuatan medan utama ini dapat dilakukan dengan magnet permanen atau magnet listrik. Karena magnet permanen relatif kecil dan tidak dapat diatur, maka magnet permanen hanya digunakan pada generator-generator kecil, seperti dinamo sepeda. Pada magnet listrik, besar medan magnet dapat diatur, dengan mengatur besar arus listrik yang mengalir di lilitan kutub. Besar flux () terhadap arus listrik medan, diperlihatkan pada gambar selanjutnya.

shunt-wound generator Field coil excitation sometimes the field coils are connected in series with the armature, sometimes in parallel (shunt) and sometimes a combination of the two (compound) these different forms produce slightly different characteristics diagram here shows a shunt-wound generator

Karakteristik motor dc DC generator characteristics vary slightly between forms examples shown here are for a shunt-wound generator

As with DC generators multiple poles and sets of windings are used to improve efficiency sometimes three sets of armature windings are spaced 120 apart around the stator to form a three-phase generator The e.m.f. produced is in sync with rotation of the rotor so this is a synchronous generator if the generator has a single set of poles the output frequency is equal to the rotation frequency if additional pole-pairs are used the frequency is increased accordingly

Jenis-jenis belitan jangkar Kumparan pada rotor dibelit pada jangkar. Jangkar dapat merupakan jangkar cincin atau jangkar tromol. Karena jangkar cincin jarang sekali digunakan, maka kita hanya akan membahas jangkar tromol. Belitan pada jangkar tromol dapat merupakan belitan jerat atau belitan gelombang. Ini dapat kita lihat apabila tromol dengan belitannya kita buka.

Medan jangkar Bila generator DC menghasilkan arus, maka arus ini akan mengalir pula melalui lilitan jangkar, yang mengakibatkan timbulnya suatu medan baru, yaitu medan jangkar. Medan jangkar ini yang pada awalnya merupakan reaksi, tidak diperlukan, bahkan menyulitkan, karena mempengaruhi medan utama. Bersama medan utama, medan jangkar menghasilkan medan total. Medan total ini yang menyebabkan induksi. Posisi sikat letaknya tegak lurus medan utama, seharusnya tegak lurus terhadap medan total. Akibatnya timbul percikan-percikan api. Untuk mengatasi ini, maka posisi sikat harus digeser menjadi tegak lurus terhadap medan total. Namun medan jangkar besarnya tergantung pada arus beban, jadi medan total arahnya juga akan berubah sesuai dengan arus beban. Akibatnya, setiap beban berubah, posisi sikat harus diubah lagi, hal ini sukar.

Untuk mengatasi ini, medan jangkar harus dihapuskan Untuk mengatasi ini, medan jangkar harus dihapuskan. Ada dua cara, yaitu dengan menggunakan lilitan kutub pembantu atau dengan menggunakan lilitan kompensasi. Penggunaan lilitan kutub pembantu dilakukan dengan cara memasang dua buah kutub pembantu, yang membangkit-kan medan pembantu sebesar medan jangkar, namun berlawanan arah. Penguatan dengan arus jangkar.

Pada lilitan kompensasi yang terpisah dibuat lilitan sedemikian rupa disekeliling jangkar, sehingga terbangkit suatu medan kompensasi yang sama dengan medan jangkar, namun berlawanan arah. Penguatannya juga dengan arus jangkar.

Kesulitan yang menyebabkan terjadinya bunga api antara lain : 1. Sebab Mekanis Kurang bulatnya bentuk komutator Ada lamel yang menonjol keluar Isolasi yang menonjol keluar Tekanan sikat yang terlalu rendah 2. Sebab Listrik Kesalahan posisi sikat Kesalahan atau kerusakan pada lilitan jangkar, lilitan pembantu, dan lilitan kompensasi.

Tegangan yang ditimbulkan pada generator dc Tegangan yang diinduksi dalam kumparan- kumparan di rotor, pada generator DC adalah : Dimana : Ea = GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator.  = Flux per kutub (Weber) P = Jumlah kutub Z = Jumlah penghantar total N = Kecepatan putar (rpm) a = Jumlah hubungan paralel kawat penghantar.

Jenis-jenis generator dc Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator DC dapat dikelompokkan menjadi dua : 1. Generator berpenguatan bebas (penguatan luar) 2. Generator berpenguatan sendiri

1. Generator berpenguatan bebas (penguatan luar) Tegangan DC yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator. Kalau N konstan dan tanpa beban, yaitu Ia = 0 dan Ea = V, maka Ea dapat diatur dengan merubah-rubah  atau If.

Kalau penguatan tetap, maka  tetap dan jika N diubah-ubah maka berlaku : Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam jangkar generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : Vf = If  Rf Ea = K    N Ea = Vt + Ia  Ra

2.Generator berpenguatan sendiri Generator berpenguatan sendiri dapat dibedakan menjadi empat yaitu : 1. Generator DC Seri 2. Generator DC Paralel (Shunt) 3. Generator DC Kompon Panjang 4. Generator DC Kompon Pendek

Pembangkitan tegangan induksi pada generator berpenguatan sendiri

2.1 Generator dc seri Karakteristik luar V = E – I (Ra + Rs) adalah linear untuk I dan V. Berarti bahwa dalam karakteristik tanpa beban, perlu senantiasa dipotong dari E, suatu nilai yang berbanding lurus dengan I. Perhatikan gambar pada slide berikutnya, dengan menggunakan segitiga-segitiga karak- teristik, dapat diperoleh karakteristik luar menurut kurva pada gambar bawahnya. Mesin seri hanya akan memberi tegangan bila ada beban, karena arus beban adalah arus medan juga. Karakteristik luar mempunyai semacam maksimum.

Generator dc seri Ia = IL = Is V = Ea – Ia Ra V = VL + Is Rs VL = Ea – ( Ia Ra + Is Rs )

2.2 Generator dc shunt Ia = If + IL V = Vf = VL V = Ea – Ia Ra Pada keadaan tanpa beban : IL = 0 ; Ia = If ; Ea = V

Generator DC shunt Karakteristik beban nol dan karakteristik dalam, untuk generator DC shunt sama dengan generator DC berpenguatan bebas. #) Karakteristik luar Pada kurva magnetisasi dibuat garis tahanan untuk harga tertentu dari Rm. Dengan menggambarkan segitiga AQR pada gambar di bawah dapat terlihat bahwa :

Garis AR adalah ukuran arus jangkar Ia. Garis RR1 adalah tegangan V, namun OR juga merupakan ukuran untuk tegangan V tersebut. Dengan demikian, maka gambar SOA1 pada gambar sebelumnya, menghasilkan kurva sebagaimana termuat dalam gambar di sampingnya. Dari gambar tersebut perlu dicatat bahwa bagian lurus antara S-C adalah bagian yang banyak dipakai dalam praktek, sedangkan titik B adalah titik hubung singkat.

Generator dc kompon 1. Karakteristik beban nol atau lengkung magnetisasi, diambil sama dengan generator DC berpenguatan bebas. 2. Karakteristik dalam

Bertitik tolak dari lengkung magnetisasi, untuk mendapatkan EMF sebesar OR pada tak berbeban, dibutuhkan medan sebesar Oa. Untuk melawan medan jangkar, arus medan harus dinaikkan sebesar ab. Adanya lilitan seri, maka arus medan harus diperkecil lagi sebesar sp. Bila sekarang Ia Ra sebesar pq, maka titik q adalah sebuah titik dari kurva. Demikian dapat diteruskan untuk tiap-tiap titik, untuk menghasilkan kurva dalam.

3. Karakteristik luar Bertitik tolak dari lengkung magnetisasi, serta menggunakan segitiga karakteristik, dapat diperoleh karakteristik luar sesuai gambar berikut.

4.Generator dc kompon panjang VL = Ea – ( Is Rs + Ia Ra) Ia = If + IL = Is  tanpa RD Ia = If + IL = Is + Id  dengan RD // Rs

5. Generator dc kompon pendek VL = Ea – ( Is Rs + Ia Ra) Ia = If + IL  tanpa RD Ia = Is + Id  dengan RD // Rs Baik untuk kompon pendek maupun kompon panjang, jika medan seri mengurangi medan shunt disebut generator bersifat differensial dan apabila memperkuat disebut generator bersifat kumulatif.

Pada saat mesin dihidupkan (S ditutup), timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan berputarnya rotor, muncul tegangan induksi yang kecil pada sikat-sikat. Dengan adanya tegangan induksi ini, mengalirlah arus dalam kumparan medan. Arus ini menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil pada titik x , yaitu titik potong garis tahanan Rf dengan kurva pemagnetan.

Pengaturan tegangan (Voltage regulation) Sebuah generator DC tanpa beban memiliki tegangan terminal VNL. Begitu diberi beban penuh, tegangan akan turun menjadi VFL. Voltage regulation : Semakin kecil VR semakin baik generator tersebut.

Efisiensi mesin-mesin arus searah Dimana : Pinput = Daya total yang diterima mesin Poutput = Daya yang berguna dalam kerja Ploss = Rugi-rugi daya  yang terdiri dari rugi-rugi tembaga dan rugi-rugi mekanis/besi.

Rugi-rugi tembaga terdiri dari : 1. Rugi-rugi pada kumparan medan shunt : Vf  If 2. Rugi-rugi pada kontak sikat : Ia  Vsikat = 2 V  Ia 3. Rugi-rugi pada jangkar : Ia2  Ra 4. Rugi-rugi pada kumparan medan seri : Is2  Rs ( + Id2  Rd )  Jika ada tahanan divertor 5. Rugi-rugi pada lilitan medan tambahan, misalnya belitan pada kutub bantu, dan lain sebagainya. Rugi-rugi besi/mekanis terdiri dari: 1. Rugi-rugi besi, misalnya histeresis, focoult, dsb-nya. 2. Rugi-rugi gesekan. 3. Rugi buta beban atau stray loss : ± 1 % dari beban.

Karakteristik generator dc Ada tiga karakteristik atau kurva generator DC yang penting, yaitu : 1. Karakteristik penjenuhan beban nol ( ) Karakteristik ini dikenal sebagai karakteristik magnetik atau karakteristik circuit terbuka (open circuit characteristic = OCC). Hal ini memberi hubungan antara EMF induksi jangkar E0 pada beban nol dan medan atau arus penguatan If pada kecepatan tetap. Sesungguhnya adalah merupakan kurva magnetisasi untuk bahan-bahan elektromagnet. 2. Karakteristik dalam atau karakteristik beban ( ) Karakteristik ini memberi hubungan antara tegangan terminal V yang sesungguhnya dengan arus penguat If. Karakteristik ini penting sekali dalam perencanaan.  Dengan N dan IL konstan.

3. Karakteristik luar Karakteristik ini menunjukkan unjuk kerja atau kurva pengaturan tegangan. Memberi hubungan antara tegangan terminal V (jala-jala) dan arus beban IL.  Dengan N dan If konstan.

Generator dc berpenguatan bebas 1. Karakteristik beban nol E0 sebagai fungsi dari arus penguat If pada kecepatan N konstan. Untuk sebuah generator, dengan kecepatan N tetap, maka Ea = K , dimana  adalah fungsi dari If , jadi E0 sebagai fungsi dari If adalah kurva magnetisasi.

2. Karakteristik dalam / karakteristik berbeban atau tegangan terminal sebagai fungsi dari arus medan dengan kecepatan N dan arus beban konstan. Titik tolak adalah kurva tanpa beban. Setelah mesin dapat beban, mengalir arus Ia atau IL melalui jangkar sehingga terjadi : Suatu medan jangkar yang melawan sebesar , dengan demikian maka pada kurva magnetisasi perlu kembali satu langkah, dikurangi dari medan utama. Suatu kerugian tegangan, sebesar Ia Ra yang berkurang dari nilai E sehingga V = E – Ia Ra Segitiga yang terbentuk dinamakan segitiga karakteristik. Sisi miring segitiga ini adalah ukuran Ia. Dengan demikian karakteristik berbeban diperoleh dari kurva magnetisasi yang dikurangi dengan segitiga karakteristik.

3. Karakteristik luar Kurva ini dapat digambar dari kurva tanpa beban dengan mengurangi Ia Ra dari segitiga karakteristik.

Kerja paralel Bila muatan bagi suatu generator terlalu besar, maka dapat dua atau lebih generator diparalel. Umumnya yang dapat dikerjakan paralel hanya generator-generator DC shunt atau kompon. Sering pula generator DC diparalel dengan sumber tegangan DC lainnya, misalnya accu. Contoh dua generator shunt dalam paralel : Generator I memiliki karakteristik luar (I) diparalel dengan generator II yang memiliki karakteristik luar (II), lihat gambar pada slide berikutnya.

Pada saat jaringan kedua generator belum dibebani, maka E01 dan E02 sama besarnya dan arus beban sangat kecil. Setelah jaringan dibebani dan tegangan terminal sama dengan V1, maka generator (I) menyumbangkan arus ke jaringan sebesar I1 dan generator (II) sebesar I11. Bila dikehendaki, generator (II) menyumbangkan arus yang sama besarnya dengan generator (I), maka GGL generator (II) harus dinaikkan dan GGL generator (I) diturunkan, dan ini dapat dilakukan dengan menaikkan arus penguat generator (II) dan menurunkan arus penguat generator (I). Bila misalnya generator (I) ingin dikeluarkan dari jaringan, maka arus penguat generator (I) diturunkan, sampai arus I1 mendekati nol, kemudian baru generator (I) dilepaskan dari jaringan, dst-nya.

Bila tegangan E1 tidak sama dengan E11, maka akan muncul arus melingkar Ir yang memutar di dalam circuit kedua generator. Besarnya :

Ir ini akan membuat kedua generator panas Ir ini akan membuat kedua generator panas. Dari rumus tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar Ra (tahanan jangkar), maka semakin kecil Ir . Demikian pula reaksi jangkarnya, untuk generator (I) naik dan generator (II) turun, dengan demikian perbedaan tegangan E1 dan E11 menjadi lebih kecil. Jadi reaksi jangkar akan mengurangi besar Ir . Bila kecepatan generator (II) turun, sehingga mengambil arus dari jaringan, maka otomatis generator akan bekerja menjadi motor DC shunt, dan arah arus jangkar berubah.

The end