TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS

32

BAB III TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS

PADA GENERATOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT III.1 Umum Generator arus searah sebagai salah satu pembangkit listrik arus searah banyak kegunaannya di bengkel – bengkel, pabrik – pabrik maupun dalam kehidupan sehari – hari. Dalam penggunaannya generator arus searah dapat ditempatkan tetap Stationary maupun bergerak dalam hal ini untuk yang ditempatkan tetap misalnya generator yang dipergunakan untuk mengisi accu pada perusahaan pengisi accu mobil, sedangkan untuk yang bergerak misalnya pada pengisi accu mobil. Di pusat – pusat tenaga listrik, generator arus searah berfungsi sebagai sumber penguat magnet Exciter pada generator utama. Di pabrik kita banyak menemui misalnya pada pabrik penyepuhan dan pabrik – pabrik yang banyak memakai motor – motor arus searah. Untuk las listrik dan masih banyak lagi kegunaan yang dijumpai dalam kehidupan sehari – hari. Untuk generator arus searah penguatan sendiri, magnetisasi awal berasal dari generator itu sendiri yang didapatkan dari fluksi sisa dari pemakaian mesin sebelumnya. Untuk mengatur arus magnetisasi pada kumparan medan I f kita membutuhkan rheostat yang dipasang seri pada kumparan medan. 33

III. 2 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguatan Shunt

Generator arus searah penguatan sendiri memperoleh arus magnetisasi dari dalam generator itu sendiri, oleh karena itu arus magnetisasi terpengaruh oleh nilai – nilai tegangan dan arus yang terdapat pada generator. Dalam hal ini medan magnet yang dapat menimbulkan GGL mula – mula ditimbulkan oleh adanya remanensi magnet pada kutub – kutubnya. Pengaruh nilai – nilai tegangan dan arus generator terhadap arus penguat tergantung bagaimana kumparan medan dengan kumparan jangkar. Generator arus searah penguatan shunt adalah generator penguatan sendiri dimana kumparan medannya dihubungkan pararel dengan kumparan jangkarnya, seperti terlihat pada gambar berikut : Ia I L I f R f E a + - V t R a Gambar 3.1 Rangkaian Ekivalen Generator Arus Searah Penguatan Shunt Persamaan arus : L f a I I I + = ………………………………… 3.1 Dimana : I a = Arus jangkar Ampere I f = Arus medan Ampere 34 I L = Arus yang mengalir ke beban Ampere Persamaan tegangan : Ra I V E a t a + = ……………………………… 3.2 f f t R I V = ……………………………… 3.3 Dimana : E a = Tegangan Induksi Volt V t = Tegangan Terminal Volt R a = Kumparan jangkar Ohm R f = Kumparan Medan Ohm

III. 3 Karakteristik Beban Nol OCC

Kurva ini menunjukkan hubungan antara kenaikan ataupun perubahan nilai pada arus medan shunt I f dengan tegangan induksi yang dihasilkan E a . Pada generator penguatan sendiri seperti pada penguatan shunt I f nilainya diatur dengan bantuan rheostat dan nilainya dapat dilihat pada amperemeter. Generator nantinya diputar dengan kecepatan yang konstan sehingga hanya terdapat variasi nilai antara I f dan E a nya saja. E a = E a I f dimana n = konstan dan I L = 0 I a = I f V o = E a – I f R a Arus medan yang mengalir pada generator arus searah penguatan shunt sangat kecil, sehingga besarnya drop tegangan I f R a dapat diabaikan sehingga : V ≈ E a I f Kurva magnetisasi 35 V o = I f R f E a = c n φ φ ~ I f E a ≈ V o = K 1 I f ……………………………………… 3.4 Ia I f R f E a + - V o R a I L = 0 Gambar 3.2 Rangkaian percobaan beban nol Dari persamaan 3.4 terlihat bahwa antara E a dan I f membentuk hubungan linear hal ini dikarenakan K 1 merupakan suatu konstanta, sehingga didapatkanlah kurva sebagai berikut : Teoritis E a I f Gambar 3.3 Kurva OCC secara teoritis Karena penguatan shunt Sumber dari generator itu sendiri, maka pada saat putaran nominal dan belum diberikan arus medan, telah ada tegangan remanensi Tegangan sisa akibat adanya fluksi sisa. Akibatnya pada kumparan shunt timbul 36 arus medan I f , mengalirnya arus I f akan memperkuat fluksi sisa tadi sehingga E nominal. Pada saat harga I f tertentu mendekati nominal, akan timbul reaksi jangkar yang melemahkan fluksi medan, sehingga E a yang dibangkitkan tidak lagi berbanding lurus dengan I f , hal tersebut menyebabkan kurvanya menjadi : E a I f Praktek Gambar 3.4 Kurva OCC sebenarnya III.4 Karakteristik Pembebanan Pada karakteristik pembebanan ini akan menunjukkan kurva hubungan antara tegangan jepit V t dengan arus penguat I f dimana arus jangkar dan putaran generator dijaga konstan. V t = f I f Dari persamaan 3.2 didapatkan : Ra I V E a t a + = Ra I V n c a t + = φ. . ……………. φ ~ I f Ra I V I n c a t f + = . . …………… n, I a , dan R a konstan, maka : 2 1 . K V I K t f + = 37 2 1 K I K V f t − = ………………………………………………. 3.5 Sehingga didapatkan untuk : I f = 0 ⇒ V t = - K 2 ………………………………………. 3.6 V t = 0 ⇒ I f = 1 2 K K ………………………………………. 3.7 Dimana : K 1 = Konstanta c n K 2 = Konstanta I a R a Dari persamaan 3.6 dan 3.7 dapat digambarkanlah kurva karakteristik tegangan terminal V t terhadap arus medan penguat I f seperti gambar di bawah ini : Teori sebenarnya V t I f Gambar 3.5 Kurva Karakteristik V t terhadap I f 38 III . 5 Karakteristik Luar External Characteristic Kurva karakteristik luar merupakan kurva pada saat generator arus searah penguatan shunt dalam keadaan berbeban. Dimana kurva ini menunjukkan hubungan antara tegangan jepit V t sebagai fungsi dari arus jangkar Ia pada putaran dan arus medan yang konstan. V t = f I a ………… dimana n dan I f konstan Dari persamaan 3.2 didapatkan : Ra I V E a t a + = Ra I V n c a t + = φ. . ……………. φ ~ I f Ra I V I n c a t f + = . . …………… n, I f , dan R a konstan, maka : a t I K V K 2 1 + = a t I K K V 2 1 − = ………………………………………………… 3.8 Sehingga didapatkan untuk : I a = 0 ⇒ V t = K 1 …………………………………………. 3.9 V t = 0 ⇒ I f = 2 1 K K ………………………………………… 3.10 Dimana : K 1 = Konstanta cnI f K 2 = Konstanta R a Dari persamaan 3.9 dan 3.10 dapat digambarkanlah kurva karakteristik tegangan terminal V t terhadap arus jangkar I a seperti gambar berikut ini : 39 Teori sebenarnya V t I a Gambar 3.6 Kurva Karakteristik V t terhadap I a

III. 6 Tahanan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt

Pada generator Arus Searah penguatan shunt tahanan medan dihubungkan secara pararel dengan kumparan jangkarnya dan biasanya tegangan yang dihasilkan sangat tinggi, dimana tahanan pada kumparan medan shunt harus menghasilkan arus yang lebih tinggi daripada batas minimum arus yang dihasilkan. Total dari besar tahanan pada kumparan shunt harus lebih rendah daripada tahanan kritis critical resistance . Tahanan kritis didefenisikan sebagai besarnya tahanan pada kumparan shunt dimana generator dapat membangkitkan tegangan, dimana dapat diartikan sebagai batas maksimum tahanan pada kumparan shunt yang dapat digunakan pada generator tersebut. Besar dari nilai tahanan tersebut dapat ditentukan dengan kurva magnetisasi yang didapatkan dari kurva beban nol OCC. 40 Ia I f R f E a + - V o R a I L = 0 R fg Gambar 3.7 Generator Arus Searah Penguatan Shunt Tanpa Beban t b I f V o a r s p . . . . . . Gambar 3.8 Karakteristik Beban Nol Generator Arus Searah Penguatan Shunt Dengan memakai hukum Ohm, diperoleh bahwa untuk harga tahanan lilitan penguat magnit yang konstan maka arus penguat magnet akan selalu sebanding dengan tegangan, jadi bila tegangan dilukiskan sebagai fungsi arus penguat magnet maka grafik tahanan lilitan penguat magnet R f akan berbentuk garis lurus. Menurut hukum Ohm maka tahanan lilitan penguat magnet adalah : f o I V R = ……………………………………………… 3.11 41 R = R f + R fg Dimana : R fg = Tahanan yang dipasang seri dengan kumparan medan generator Ohm R = Tahanan total yang dipasang pararel dengan kumparan jangkar Ohm V o = Tegangan yang dibangkitkan pada saat beban nol Volt Perbandingan ini bagi R konstan merupakan sebuah garis lurus melalui 0. untuk tahanan R yang sudah diketahui garis 0P merupakan fungsi tersebut, pada saat I f = 0 magnet sisa sudah membangkitkan GGL E = 0r. GGL ini mengadakan arus penguat magnet yang menyebabkan GGL ini naik lagi sampai 0a. Hal ini terus begitu sampai tercapai titik P pada karakteristik beban nol OCC . Untuk membangkitkan GGL 0t pada titik ini diperlukan arus penguat magnet 0b. jadi generator itu akan memperkuat sendiri sampai tegangan 0t. Perpotongan pada kurva magnetisasi yang membentuk suatu fungsi linear adalah tahanan kritis. Untuk besarnya tahanan kumparan medan yang ingin diberikan, dapat dilihat pada garis tahanan resistance line yang ditunjukkan pada kurva magnetisasi suatu generator yang ditunjukkan pada gambar berikut ini : 42 Eg r R c Tahanan Kritis R f1 R f2 R R R c f1 f2 I f A B C P Q R X R x Gambar 3.9. Tegangan yang dibangkitkan pada generator Arus Searah penguatan shunt dengan harga tahanan yang bervariasi Dari gambar 3.9 terlihat bahwa pada saat generator diputar mencapai n nominal maka terlihat kurva yang dihasilkan dengan beberapa variasi tahanan medan totalnya. Terlihat pula bahwa garis R c merupakan batas daerah untuk tahanan total yang dipakai dapat membangkitkan tegangan. Garis R x yang terbentuk merupakan salah satu tahanan total yang dipakai yang menyebabkan tegangan gagal di bangkitkan, hal ini dikarenakan terlihat garis tersebut tidak bersinggungan dengan kurva OCC yang dihasilkan. Oleh karena itu dari persamaan 3.11, untuk menentukan berapa besar tahanan kritis Critical Resistance yang dihasilkan terlebih dahulu harus kita ketahui berapa arus medan di A dan tegangan di P . Maka dapat ditentukan persamaannya adalah : 43 A P R c = ……………………………………….. 3.12 Dimana : R c = Tahanan Kritis Ohm 0P = Tegangan pada saat tahanan kritis Volt 0A = Arus medan pada saat tahanan kritis Amp Pada dasarnya tahanan kritis R c merupakan tahanan total maksimum yang dapat dipasang agar suatu generator arus searah penguatan shunt tidak mengalami kegagalan dalam membangkitkan tegangan. Oleh karena kumparan medan shunt pada generator R f merupakan suatu tahanan yang konstan maka besarnya tahanan R fg maksimum yang harus dipasang seri pada tahanan medannya adalah : f c fg R R R − = max . ……………………………………………….. 3.13 Dimana : R fg max = Tahanan maksimum yang diserikan dengan kumparan medan generator Ohm

III. 7 Kecepatan Kritis Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt

Begitu pula dengan tahanan kritis, kecepatan kritis juga dapat dicari dengan menggunakan kurva karakteristik beban nol OCC . Kecepatan kritis merupakan batas minimum kecepatan yang harus digunakan agar suatu generator arus searah penguatan shunt tidak gagal dalam pembangkitan tegangan. Dalam hal ini kecepatan kritis dapat diartikkan sebagai batas kecepatan terendah yang dapat digunakan pada 44 saat tahanan yang dipasang pararel dengan kumparan jangkar hanya kumparan medan R f saja tanpa menggunakan tahanan R fg . I f V D C n n E 2 1 . . V V o1 02 o n n 1 2 Gambar 3.10 Tegangan yang dibangkitkan Pada Generator Arus Searah Penguatan Shunt kecepatan yang Bervariasi Dari gambar 3.10 terlihat suatu generator diputar dengan kecepatan yang berbeda yaitu sebesar n 1 dan n 2 . Dengan n 1 n 2 maka tegangan induksi yang dibangkitkan pada kecepatan 1 lebih besar dari kecepatan 2 V o1 V 02 sesuai dengan persamaan berikut ini : φ cn E a = , dimana c = konstanta dan V ≈ E a beban nol cn V o = φ , dimana φ ~ I f sehingga : cn V I o f = …………………………………….. 3.6 45 Maka dengan arus medan I f yang sama pada titik C didapatkan : 2 1 f f I I = 2 2 02 1 1 01 n c V n c V = , dimana c 1 = c 2 = konstanta 2 02 1 01 n V n V = 01 02 1 2 V V n n = …………………………………………. 3.14 Pada gambar 3.6 terlihat, I f = OC , V o1 = CD dan V o2 = CE, maka harga didapatkanlah persamaan : CD CE x n n 1 2 = ……………………………………….. 3.15 Dimana : n 1 = kecepatan generator pertama rpm n 2 = kecepatan generator kedua rpm CD = tegangan yang dibangkitkan pada kecepatan n 1 Volt CE = tegangan yang dibangkitkan pada kecepatan n 2 Volt Kecepatan kritis dari suatu generator arus searah penguatan shunt dapat ditentukan dari kurva beban nol OCC yang didapatkan pada saat mencari tahanan kritis. Hal ini terlihat pada gambar berikut ini : 46 I f A B C n n R f n x c R c . . V o1 V o V o2 n n n c x Gambar 3.11 Kurva OCC dengan kecepatan kritis dan kecepatan pada saat tahanan kritis Pada gambar 3.9 terlihat bahwa n c adalah kecepatan pada saat generator hanya menggunakan tahanan medan generator saja R f dan kecepatan tersebut merupakan kecepatan kritis Critical Speed . n x merupakan kecepatan yang membuat generator gagal untuk membangkitkan tegangan, hal ini terlihat pada kurva yang dibentuk kecepatan n x tidak bersinggungan dengan garis yang dibentuk R f . oleh karena itu dari persamaan 3.7 dapat kita tentukan besarnya kecepatan kritis dengan persamaan berikut ini : 01 02 . V V n n c = ………………………………………………… 3.16 Dengan V o1 = AC dan V o2 = BC 47 Maka persamaannya menjadi : AC BC n n c . = …………………………………………………….. 3.17 Dimana : n c = Kecepatan kritis generator rpm n = Kecepatan generator pada saat tahanan kritis rpm BC = Tegangan beban nol pada saat kecepatan kritis Volt AC = Tegangan beban nol pada saat kecepatan sebesar n Volt 48

BAB IV PENENTUAN NILAI TAHANAN DAN KECEPATAN KRITIS