Bab 4 generator arus searah - Bab 2 Generator Arus Searah-REV03-Agustus 2017

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

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

WHAT IS ELECTRICITY?

  

CONVERT other energy sources into

electrical energy**

  Electricity is energy transported by the motion of electrons Electricity is energy transported by the motion of electrons

• **We do not make electricity, we

  CONVERT other energy sources into

  electrical energy**

• **We do not make electricity, we

ELECTRIC GENERATOR

  

G

Mechanical Energy

  Electrical Energy

  

Basics of a Electric Motor

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 d Φ

  V N  d t

   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



  F ungsi 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

  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

PROSES-MEDAN MAGNET

  ROTOR 

  Thus for the arrangement shown below

d Φ d sin



   

  V N NBA NBA cos

  

 

d t d t

d Φ

  V N  Diputar d t

  SLIP-RING 

  Wires connected to the rotating coil

would get twisted

  

Therefore we use

circular slip rings

with sliding contacts called brushes

  FORE FINGER = MAGNETIC FIELD

  90

  90

  90 MIDDLE FINGER = INDUCED

  VOLTAGE TH UM

  B = M O TIO N

  

Fleming’s Right Hand Rule Or

Generator Rule

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.

  

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 I . _J

  

  Gambar (b) : Arus jangkar dikumpulkan dari

   Yang perlu mendapat perhatian di sini adalah di lilitan I, dari posisi (a) ke posisi (c), arus sebesar 0,5 I membalik arah dari positif ke negatif. Perubahan _J 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

  

  Arus yang didapat pada terminal adalah jumlah dari arus-arus yang diinduksi di masing-masing kumparan, dan bentuknya mendekati arus searah.

  

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

   Jadi rotor terdiri atas :

  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. 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

  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

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

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.

  

  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

  

TEGANGAN YANG DITIMBULKAN

PADA GENERATOR DC



  Tegangan yang diinduksi dalam kumparan- kumparan di rotor, pada generator DC adalah :

   Dimana : E = GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator. _a 

  = Flux per kutub (Weber) P = Jumlah kutub

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 R akan _f menghasilkan arus I dan menimbulkan fluks pada _f kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator. Kalau N konstan dan tanpa beban, yaitu I = 0 dan E = V, maka E _{a a a} dapat diatur dengan merubah-rubah  atau I . _f

  

  Kalau penguatan tetap, maka  tetap dan jika N diubah-ubah maka berlaku :

  

  Jika generator dihubungkan dengan beban, dan R adalah tahanan dalam jangkar generator, _a maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah : V = I _{f f f}  R E _a = K    N E = V + I _{a t a a}  R

  

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 (R + R ) adalah linear untuk I dan V. _{a s} 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.

  

GENERATOR DC SERI

  I = I = I a L s

  V = E – I R a a a

  V = V + I R L s s

  V = E – ( I R + I R ) L a a a s s

2.2 GENERATOR DC SHUNT

  I = I + I a f L

  V = V = V f L

  V = E – I R a a a

  Pada keadaan tanpa beban : I = 0 ; I = I ; E = V L a f a

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 R _m . Dengan menggambarkan segitiga AQR pada gambar di

   Garis AR adalah ukuran arus jangkar I . _a 

  Garis RR adalah tegangan V, namun OR juga ₁ merupakan ukuran untuk tegangan V tersebut.

  Dengan demikian, maka gambar SOA pada gambar ₁ 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

  

I R sebesar pq, maka titik q adalah sebuah

a a

titik dari kurva. Demikian dapat diteruskan

untuk tiap-tiap titik, untuk menghasilkan kurva

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

4.GENERATOR DC KOMPON PANJANG

  V = E – ( I R + I R ) L a s s a a

  I = I + I = I  tanpa R a f L s D

  I = I + I = I + I  dengan R // R a f L s d D s

5. GENERATOR DC KOMPON PENDEK

  V = E – ( I R + I R ) _{L a s s a a} I = I + I  tanpa R _{a f L D} I = I + I  dengan R // R _{a s d D s}

  

  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

  

PENGATURAN TEGANGAN

(VOLTAGE REGULATION)



  Sebuah generator DC tanpa beban memiliki tegangan terminal V . Begitu diberi beban _NL penuh, tegangan akan turun menjadi V . _FL

  

  Voltage regulation :

EFISIENSI MESIN-MESIN ARUS SEARAH

  

  Efisiensi :

  

  Dimana : P = Daya total yang diterima mesin _input

  

  Rugi-rugi tembaga terdiri dari :

  1. Rugi-rugi pada kumparan medan shunt : V _{f f}  I

  2. Rugi-rugi pada kontak sikat : I

₂

_{a sikat a}  V = 2 V  I

  3. Rugi-rugi pada jangkar : I _{a a}  R ₂

  4. Rugi-rugi pada kumparan medan seri : I _{2 s s}  R ( + I )  Jika ada tahanan divertor _{d d}  R

  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.

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 E pada beban nol dan medan atau arus penguatan I pada kecepatan tetap. Sesungguhnya _f adalah merupakan kurva magnetisasi untuk bahan-bahan elektromagnet.

2. Karakteristik dalam atau karakteristik beban ( )

  3. Karakteristik luar

Karakteristik ini menunjukkan unjuk kerja atau kurva

pengaturan tegangan. Memberi hubungan antara

tegangan terminal V (jala-jala) dan arus beban I . _L  Dengan N dan I konstan. _f

  

GENERATOR DC

BERPENGUATAN BEBAS

  1. Karakteristik beban nol E sebagai fungsi dari arus penguat I pada _f kecepatan N konstan.

  Untuk sebuah generator, dengan kecepatan N tetap, maka E = K  , dimana  adalah fungsi _a dari I , jadi E sebagai fungsi dari I adalah _{f f} 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 I atau I melalui jangkar

_{a L } 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 I R yang berkurang _{a a} dari nilai E sehingga V = E – I R _{a a}

Segitiga yang terbentuk dinamakan segitiga karakteristik.

  

Sisi miring segitiga ini adalah ukuran I . Dengan demikian

_a

karakteristik berbeban diperoleh dari kurva magnetisasi

yang dikurangi dengan segitiga karakteristik.

3. Karakteristik luar

  

Kurva ini dapat digambar dari kurva tanpa beban dengan

mengurangi I _a R _a 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

  Pada saat jaringan kedua generator belum

dibebani, maka E dan E sama besarnya dan arus

₀₁

₀₂

beban sangat kecil. Setelah jaringan dibebani dan

tegangan terminal sama dengan V , maka generator (I)

₁

menyumbangkan arus ke jaringan sebesar I dan

₁ generator (II) sebesar I . ₁₁ 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

  Bila tegangan E ₁ tidak sama dengan E ₁₁

  , maka akan muncul arus melingkar I _r yang memutar di dalam circuit kedua generator.

  Besarnya :

  I ini akan membuat kedua generator panas. _r Dari rumus tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar R (tahanan jangkar), maka semakin _a kecil I . _r

  Demikian pula reaksi jangkarnya, untuk generator (I) naik dan generator (II) turun, dengan demikian perbedaan tegangan E dan E menjadi _{1 11} lebih kecil. Jadi reaksi jangkar akan mengurangi besar I . _r

  Bila kecepatan generator (II) turun, sehingga mengambil arus dari jaringan, maka otomatis