BAB II DASAR TEORI - Analisis Pengaruh Beban Terhadap Karakteristik dan Efisiensi Generator Arus Searah Penguatan Kompon Kumulatif dan Kompon Diferensial (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

BAB II DASAR TEORI

2.1 Umum

Generator arus searah mempunyai komponen dasar yang hampir sama dengan komponen mesin-mesin lainnya. Secara garis besar generator arus searah adalah alat konversi energi mekanis berupa putaran menjadi energi listrik arus searah. Energi mekanik dipergunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar didalam medan magnet. Berdasarkan hukum Faraday, maka pada kawat penghantar akan timbul GGL induksi yang besarnya sebanding dengan laju perubahan fluksi yang dilingkupi oleh kawat penghantar. Bila kumparan kawat tersebut merupakan rangkaian tertutup, maka akan timbul arus induksi. Yang membedakannya dengan generator lain yaitu terletak pada komponen penyearah yang terdapat didalamnya yang disebut komutator dan sikat.

2.2 Konstruksi Generator Arus Searah

Generator arus sarah memiliki konstruksi yang terdiri atas dua bagian yaitu bagian yang berputar (rotor) dan bagian yang diam (stator). Yang termasuk stator adalah rangka, komponen magnet, dan komponen sikat. Sedangkan yang termasuk rotor adalah jangkar, kumparan jangkar dan komutator. Secara umum konstruksi generator arus searah adalah seperti Gambar 2.1.

Dimana : C = jumlah belitan pada rotor atau segmen komutator pada rotor N = jumlah lilitan setiap belitan

Normalnya bentangan belitan 180 listrik, yang berarti ketika sisi belitan yang satu berada di tengah suatu kutub, sisi lainnya berada di tengah kutub yang berbeda polaritasnya. Sedangkan secara fisik kutub yang ada tidak saling terletak 180 mekanis. Adapun untuk menentukan hubungan sudut dalam derajat mekanis dan derajat listrik, dapat digunakan formula berikut :

θ listrik = θ mekanis ………………………………………………..(6.8) Di mana : θlistrik = sudut dalam derajat listrik

P = jumlah kutub θmekanis = sudut dalam derajat mekanis

Belitan yang membentang 180 listrik memiliki tegangan yang sama antar sisi-sisinya dan berlawanan arah setiap waktu. Belitan ini disebut sebagai kumparan kisar penuh (full-pitch coil).

Sedangkan belitan yang bentangannya kurang dari kisaran kutubnya (1800 listrik) disebut sebagai belitan kisar fraksi (fractional-pitch coil) atau kumparan tali busur (chorded winding). Adapun hubungan antara kumparan dengan segmen komutatornya terbagi atas 2 macam :

1. Kumparan Progresif (Progressive winding). Adalah belitan yang sisi belakangnya dihubungkan ke sebuah segmen komutator mendahului kumparan sebelumnya.

Posisi 2 : fluksi yang menembus belitan minimum tapi perubahan fluksi adalah maksimum akibatnya EMF tidak terinduksi juga maksimum.

Untuk posisi putaran berikutnya sama dengan posisi di atas yaitu untuk posisi I EMF induksi maksimum, posisi F maksimum. Apabila terminal-terminal dari generator dihubungkan ke beban maka akan terbentuk atau mengalir arus. Karena tegangan induksi adalah bolak-balik maka arus induksinya juga bolak-balik. Tegangan bolak-balik inilah yang akan disearahkan dengan komutator yang akan diuraikan berikutnya. Persamaan tegangan bolak-balik yang dihasilkan dalam hal ini dapat diturunkan dari hukum Faraday, yaitu :

……………………………………………..……… (6.1)

e = −

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fluksi yang dihasilkan adalah fluksi yang berubah terhadap waktu dan berbentuk sinusoidal, maka persamaan fluks dalam rangkaian kumparan adalah :

Φ = Φm cos ωt ……………………….. ……………………(6.2) dΦ = − Φm sin ωt dt

Maka Persamaan (6.1) di atas dapat diturunkan menjadi : − −

e = N ω Φm Sin ωt…………………………………………….(6.3)

Tegangan induksi akan mencapai maksimum pada saat w t = rad , maka tegangan induksi maksimum :

E = N Φm ω ………………………………………………...(6.4) max

Persamaan (6.3) di atas dapat ditulis menjadi :

Sin ωt…………………………………………………(6.5) e = E max

15 Untuk harga efektif dari tegangan yang dihasilkan adalah : = =

√2 √2

2 =

√2

E eff = 4,44 N Φ f (volt)………………………...………………(6.6) Emf yang dihasilkan berupa siklus sinusoidal tegangan bolak-balik.

Dengan cincin komutasi yang segmen-segmennya terhubung dengan ujung konduktor jangkar, menyebabkan perubahan pada tegangan keluarannya menjadi tegangan yang searah. Proses ini dinamakan proses komutasi.

Pada generator arus searah, penyearahan dilakukan secara mekanis dengan menggunakan alat yang disebut komutator. Komutator pada prinsipnya mempunyai bentuk yang sama dengan cincin seret, hanya cincin tersebut dibelah dua kemudian disatukan kembali dengan menggunakan bahan isolator. Masing- masing bahan komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terbentuknya GGL. Komutator I dihubungkan dengan sisi AB dan komutator II dihubungkan dengan sisi CD (lihat gambar 2.11).

Gambar 2.11 Suatu penghantar yang ditembus fluksi

Jika kumparan ABCD berputar, maka sikat-sikat akan bergesekan dengan komutator-komutator secara bergantian. Peristiwa bergesekan / perpindahan sikat- sikat dari satu komutator ke komutator berikutnya disebut komutasi. Peristiwa komutasi inilah yang menyebabkan terjadinya penyearahan yang prinsipnya adalah sebagai berikut :

1. Mula-mula sisi AB berada pada kedudukan 0 dan posisi CD berada pada kedudukan yang berlawanan yaitu 6. Pada saat itu tentu saja pada sisi AB dan CD tidak berbentuk GGL. Pada saat ini pula sikat-sikat berhubungan dengan bagian isolator kedua komutator. Ini berarti sikat-sikat berpotensial nol.

2. Kumparan berputar terus, sekarang sisi AB bergerak di daerah utara (dari kedudukan 0 menuju 3) dan sisi CD bergerak di daerah selatan. Sesuai dengan hukum tangan kanan maka GGL yang terbentuk pada sisi AB arahnya menjauhi kita, sedangkan pada sisi CD terbentuk GGL yang arahnya mendekati kita. Jika arus listrik di dalam sumber mengalir dari negatif (-) ke positif (+), maka pada saat itu komutator I dan sikat E berpotensial negatif, sedangkan komutator II dan sikat F berpotensial positif.

mana ggm rotor mengeleminir ggm kutub, terdapat penurunan kerapatan fluks (Δ Φt) yang lebih besar, sehingga penjumlahan rata-rata kerapatan fluks yang terjadi adalah kerapatan fluks kutub yang semakin berkurang.

Φ (Weber ) Kurva Kemagnetan

∆Φ _n ∆Φ _t ∆Φ penguatan fluks _n ∆Φ t pelemahan fluks _{k garis gaya magnet kutub} _{j garis gaya magnet jangkar}

- + k j k j

(Ampere lilitan)

Akibat pelemahan fluks ini pada generator arus searah adalah pengurangan nilai pasokan tegangan oleh generator ke beban. Pada motor arus searah pengaruh yang ditimbulkan menjadi lebih serius, dimana pelemahan fluks akan menyebabkan motor arus searah, khususnya motor arus serah shunt akan berputar demikian cepatnya hingga tak terkendali.

Berdasarkan metode eksitasi yang diberikan, maka generator arus searah dapat diklasifikasikan dalam dua jenis:

………………………………………………..….(6.18)

I A = I L + I F

V T = E A – I A ( R A + R S )…………………………....…… ...(6.19)

I F = …………………………………………………….…(6.20)

2.6.2.3.2. Generator DC kompon pendek kumulatif

I A = I L + I F ……………………………………………………(6.21)

V T = E A – ( I A R A + I L R S )…………………………………..(6.22)

I F = ...……………………………………………………...(6.23)

2.6.2.3.3. Generator DC kompon panjang diferensial

27 I A = I L + I F

………………………………………………..….(6.24)

V T = E A – I A ( R A + R S )…………………………....…… ...(6.25)

I F = …………………………………………………….…(6.26)

2.6.2.3.4. Generator DC kompon pendek diferensial

I A = I L + I F ……………………………………………………(6.27)

V T = E A – ( I A R A + I L R S )…………………………………..(6.28)

I F = ...……………………………………………………...(6.29)

Karakteristik berbeban sebuah generator DC kompon menunjukkan bagaimana hubungan antara tegangan terminal V t dan arus medan I f ketika generator dibebani. Bentuk karakteristik berbeban generator DC kompon adalah mirip karakteristik generator DC shunt, tetapi letaknya agak lebih tinggi karena generator ini mempunyai lilitan penguat magnet seri.

Pada mesin dc (generator dan motor), ada tiga jenis efisiensi yang diperhitungkan, antara lain :

1. Efisiensi Mekanik

…….......................................(6.30)

= =

2. Efisiensi Elektrik = = ........................................................................... ( 6.31)

3. Efisiensi Komersial Keseluruhan = = ............................................................................(6.32)

.......................................................................(6.33)

Dimana : P out = V T . I L ……………………………………………………….(6.34)

BAB II DASAR TEORI - Analisis Pengaruh Beban Terhadap Karakteristik dan Efisiensi Generator Arus Searah Penguatan Kompon Kumulatif dan Kompon Diferensial (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)