Kelistrikan Tugas 3 Akhir Sistem Kelistrikan
MOTOR DAN GENERATOR AC/DC
MAKALAH
Untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Kelistrikan
Semester genap tahun2013/2014 yang diampu oleh
Oleh:
Hufron Ahmadin
Muhammad Ainur Qafif
1231210184
1231210176
2-H
JURUSAN TEKNIK MESIN
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI MALANG
MALANG
2014
MOTOR
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik.
Cara Kerja Motor Listrik :
Arus Listrik dalam medan magnet akan menghasilkan gaya.
Jika kawat yang dialiri listrik dibengkokan menjadi sebuah loop/lingkaran, maka pada
kedua sisi loop akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan.
Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga
putaran yang lebih seragam dan medan magnet yang dihasilkan oleh susunan
elektromagnetnya disebut kumparan medan.
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan
sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan
memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan
perputaran pada motor.
Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban
motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tenaga putar / torque sesuai dengan
kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok :
Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya
bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh
beban dengan torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement
konstan.
Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan
kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan
fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan)..
Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah
dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan
adalah peralatan-peralatan mesin
Mengukur Torsi
Torsi sering disebut momen (M) merupakan
perkalian gaya F (Newton) dengan panjang
lengan L (meter) Gambar .
M = F. L (Nm)
Gaya F yang dihasilkan dari motor listrik
dihasilkan dari interaksi antara medan
magnet putar pada stator dengan medan
induksi dari rotor. F = B. I. L
Jumlah belitan dalam rotor Z dan jari-jari
polly rotor besarnya r (meter), maka torsi yang dihasilkan motor
M = B · I · L · Z · r (Nm)
Jenis-jenis Motor Listrik
1. Motor Listrik AC
Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara
teratur pada rentang waktu tertentu.
1.1 Motor Listrik Asinkron/Induksi
Motor asinkron adalah motor yang mempunyai kecepatan putar medan magnet dengan
kecepatan putar rotor berbeda atau terjadi slip.
Prinsip Kerja Motor Induksi
Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah
listrik 3 phasa. Motor induksi sering juga disebut motor tidak
serempak atau motor asinkron. Prinsip kerja motor induksi
lihat Gambar 5.4.
Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator
menjadikan kutub S (south = selatan), garis-garis gaya mahnet
mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya adalah
N (north = utara) untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan
saling tarik-menarik dengan kutub S.
Berikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar
120°, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada
belitan stator timbul medan magnet putar. Buktinya kompas
akan memutar lagi menjadi 240°. Kejadian berlangsung silih
berganti membentuk medan magnet putar sehingga kompas
berputar dalam satu putaran penuh, proses ini berlangsung
terus menerus.
Dalam motor induksi kompas digantikan oleh rotor
sangkar yang akan berputar pada porosnya. Karena ada
perbedaan putaran antara medan putar stator Gambar
Pengujian motor listrik di laboratorium 147 dengan putaran rotor, maka disebut motor
induksi tidak serempak atau motor asinkron. Susunan belitan stator motor induksi dengan
dua kutub, memiliki tiga belitan yang masing-masing berbeda sudut 120° Gambar 5.5.
Ujung belitan phasa pertama U1- U2, belitan phasa kedua V1-V2 dan belitan phasa ketiga
W1-W2.
Prinsip kerja motor induksi dijelaskan dengan gelombang sinusoidal Gambar
5.6, terbentuknya medan putar pada stator motor induksi. Tampak stator dengan dua kutub,
dapat diterangkan dengan empat kondisi.
1. Saat sudut 0°. Arus I1 bernilai positip dan arus I2 dan arus I3 bernilai negatip
dalam hal ini belitan V2, U1 dan W2 bertanda silang (arus meninggalkan
pembaca), dan belitan V1, U2 dan W1 bertanda titik (arus listrik menuju
pembaca). Terbentuk fluk magnet pada garis horizontal sudut 0°. Kutub S (south
= selatan) dan kutub N (north = utara).
2. Saat sudut 120°. Arus I2 bernilai positip sedangkan arus I1 dan arus I3 bernilai
negatip,dalam hal ini belitan W2, V1, dan U2 bertanda silang (arus meninggalkan
pembaca), dan kawat W1, V2, dan U1 bertanda titik (arus menuju pembaca).
Garis fluk magnit kutub S dan N bergeser 120° dari posisi awal.
3. Saat sudut 240°. Arus I3 bernilai positip dan I1 dan I2 bernilai negatip, belitan
U2, W1, dan V2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan kawat U1,
W2, dan V1 bertanda titik (arus menuju pembaca). Garis fluk magnit kutub S dan
N bergeser 120° dari posisi kedua.
4. Saat sudut 360°. posisi ini sama dengan saat sudut 0°, di mana kutub S dan N
kembali keposisi awal sekali.
Dari keempat kondisi di atas saat sudut 0°, 120°, 240°, dan 360°, dapat dijelaskan
terbentuknya medan putar pada stator, medan magnet putar stator akan memotong
belitan rotor. Kecepatan medan putar stator ini sering disebut kecepatan sinkron,
tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya
ns =
f ×120
p putaran per menit.
Rotor ditempatkan di dalam rongga stator, sehingga garis medan magnet putar
stator
a. Motor Listrik 1 Phase
Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu
fase,memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk
menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling
umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan
pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
Keuntungan :
1. Mempertinggi kemampuan motor dari beban lebih.
2. Mempertinggi Cos φ (faktor daya).
3. Mempertinggi rendamen (η).
4. Putaran motor halus.
Kekurangan :
Motor AC satu fasa tidak dapat dimulakan putaran dengan sendiri (self-starting) bahan
pengalir untuk kehilangan tembaga yang sama, apabila kuasa yang sama dipindahkan
dalam sistem tiga fasa berbanding sistemsatu fasa.
b. Motor Listrik 3 Phase
Motor listrik AC 3 phase bekerja dengan
memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk
menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jika
pada motor AC 1 phase untuk menghasilkan
beda
phase
diperlukan
penambahan
komponen kapasitor, pada motor 3 phase
perbedaan sudah didapat langsung dari
sumber arus 3 phase.
Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang
pada kumparan stator, akan timbul medan
putar. Medan putar strator tersebut akan
memotong batang konduktor pada rotor.
Akibatnya batang konduktor dari rotor akan
timbul GGL induksi. Karena batang
konduktor merupakan rangkaian yang tertutup makan GGL akan menghasilkan arus (I).
Adanya arus dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel
mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar besar untuk memikul kopel
beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar strator. GGL induksi timbul karena
terpotongnya batang konduktor oleh medan putar stator.
Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor
tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau
gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri.
Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh,
pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3
hingga ratusan Hp.Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase
slip/geseran (Parekh, 2003):
% Slip = ((Ns – Nb)/Ns) x 100
Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Keuntungan :
1. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah.
2. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan
3. tidak membutuhkan perawatan yang banyak.
Kekurangan :
Motor induksi masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada
motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor
DC hal yang sama tidak dijumpai.
1.2 Motor Listrik Sinkron
Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada
kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini
memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya
dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena
itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan
beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan
frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu
untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang
menggunakan banyak listrik.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh,
2003):
Ns = 120 f / P
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
2. Motor DC
Motor DC merupakan jenis motor yang
menggunakan tegangan searah sebagai sumber
tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan
pada kedua terminal tersebut, motor akan berputar
pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan
tersebut dibalik maka arah putaran motor akan
terbalik pula. Motor terdiri atas 2 bagian utama
yaitu stator dan motor. Pada stator terdapat lilitan
(winding) atau magnet permanen, sedangkan rotor
adalah bagian yang dialiri dengan sumber arus DC. Arus yang melalui medan magnet inilah
yang menyebabkan rotor dapat berputar. Arah gaya elektromagnet yang ditimbulkan akibat
medan magnet yang dilalui oleh arus dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan
kanan.
Keuntungan :
pengendali kecepatan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya.
Kerugian :
1. Perawatan intensif karena brush atau sikat pada motor DC akan aus.
2. Konversi arus AC menjadi arus DC menggunakan konverter memerlukan biaya yang
mahal.
Prinsip Kerja Motor Listrik DC
Motor DC bekerja berdasarkan hukum Ampere dan hukum Lorentz, yaitu:
1. Di sekitar penghantar yang dialiri arus listrik akan timbul medan magnet.
2. Suatu penghantar yang dialiri arus listrik, jika berada pada medan magnet akan mengalami
suatu gaya yang disebut gaya Lorentz.
Hukum Ampere berlaku pada kumparan medan yang menghasilkan medan magnet,
sedangkan hukum Lorentz berlaku pada belitan jangkar yang berada dalam medan magnet
yang dihasilkan oleh kumparan medan.
Perhitungan pada motor DC :
Daya input
:
Pin= √3 Vrms Irms cosƟ
Daya output :
Pout= Tout w
w = kecepatan sudut
Tout = torsi output
Efisiensi
:
η (%) = (Pout/Pin) x 100
Tegangan V yang disupply ke jangkar motor berguna untuk mengatasi ggl balik E b
menimbulkan jatuh tegangan jangkar IaRa , V = Eb + IaRa (1). Persamaan ini dikenal
sebagai persamaan tegangan dari motor.
Kecepatan Motor DC
Dengan mengalikan persaman (1) di atas dengan Ia,
2
diperoleh :
VI a=E b I a +I a R a
dimana : VIa
= daya yang masuk ke jangkar
EbIa = ekivalen elektrik dari daya mekanik yang
dibangkitkan dalam jangkar
2
Ia Ra = rugi-rugi Cu dalam jangkar
Jenis-Jenis Motor Listrik DC
2.1 Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited
Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah di luar motor tersebut maka disebut motor
DC sumber daya terpisah/separately excited.
Kelebihan :
1. Kecepatan motor dan torka beban mudah untuk dikendalikan
2. Arus eksitasinya tidak bergantung dengan arus jangkarnya
Kekurangan :
1. Memerlukan dua buah sumber arus DC yang terpisah
2.2 Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited:
a. Motor DC Shunt
Pada motor shunt, gulungan
medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A). Oleh
karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.
Rangkaian shunt memiliki kecepatan sudut dan tegangan jepit yang konstan.
Karakter kecepatan motor DC tipe shunt adalah :
1. Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque
tertentu setelah kecepatannya berkurang) dan oleh karena itu cocok untuk
penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
2. Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri
dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus
medan (kecepatan bertambah).
Karakteristik Motor DC Shunt
(Rodwell International Corporation, 1999)
Untuk motor jenis ini memiliki rangkaian seperti
Pada motor shunt kumparan jangkar dihungkan langsung dengan terminal
sehingga akan membentuk rangkaian yang pararel terhadap kumparan jangkar,
sehingga persmaan matematisnya adalah:
Lilitan shunt dibuat dari kawat yang berdiameter kecil dengan banyak lilitan dalam
kumparan. Karena kawatnya sangat kecil, dia tidak bisa membawa arus yang sangat
besar seperti pada kumparan seri, namun karena jumlahnya yang sangat banyak, maka
masih bisa menghasilkan medan magnet yang sangat kuat. Ini berarti motor shunt
mempunyai torsi awal yang rendah, maka biasanya mempunyai beban yang kecil.
Ea.Ia
Pcu
IL
Pin
Vf
Ea
VL
=.VL.IL - If2.Rf - Ia2Ra - Ia.2Vsi
= If2.Rf + Ia2Ra + Ia.2Vsi
= Ia+If
= VL.IL
= If.Rf
= VL.- Ia.Ra - 2Vsi
= Vf = Ea + Ia.Ra + 2Vsi
Kelebihan :
1. Regulasi kecepatan motor terhadap perubahan torka beban lebih stabil
2. Hanya memerlukan satu sumber DC
Kekurangan :
1. Torka yang dihasilkan relatif kecil
2. Kecepatan motor dan torka beban relatif sulit untuk dikendalikan
b. Motor DC Seri
Motor DC Tipe Seri Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt)
dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A). Oleh karena itu, arus medan
sama dengan arus dinamo. Kecepatan sudut tidak konstan, ketika diberi beban besar
maka kecepatan rotasi motor akan kecil dan begitu pula sebaliknya. Dapat
menghasilkan momen yang besar dengan arus yang rendah sehingga cocok digunakan
sebagai starter mesin.
Karakter kecepatan dari motor DC tipe seri adalah :
Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM
Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan
mempercepat tanpa terkendali.
Karakteristik Motor Seri DC
(Rodwell International Corporation, 1999)
Rangkaian ekivalen dari jenis motor ini adalah :
Seperti judulnya rangkain
ini
menghubungkan
kumpara medan secara seri
dengan
rangkaian
jangkarnya. Maka sesuai
dengan hokum
kirchof
bahwa arus yang mengalir
pada kumparan jangkar akan
sama dengan arus yang
mengalir pada kumparan
medan, sehingga persamaan
matematisnya adalah :
Dimana :
Is
= arus kumparan medan seri (Ampere)
Rs
= tahanan medan seri (ohm)
IL
= arus darsi jala jala
Oleh karena itu, kawat yang digunakan untuk kumparan medan berdiameter besar.
Karena kawatnya besar, maka lilitan yang dibuat pada kumparan medan hanya sedikit.
Pin
=
VL.IL
Ea
Ea.Ia
Pcu
= VL-Is.Rs-Ia.Ra-2Vsi
= VL.Ia - Is2Rs- Ia2.Ra - Ia.2Vsi
= Ia2.Ra+Is2.Rs+Ia.2Vsi
Kelebihan :
1. Torka yang dihasilkan berbanding kuadrat dengan arus sumber motor DC.
2. Hanya memerlukan satu sumber DC.
3. Rangkaian eksitasinya sederhana.
Kekurangan :
1. Kecepatan motor bervariasi dan sensitif terhadap perubahan torka beban.
2. Arus eksitasinya sebanding dengan arus jangkar, sehingga membutuhkan kawat
medan yang cukup besar.
c. Motor DC Gabungan/Kombinasi/Kompound
Motor DC Tipe Kompon/Gabungan merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada
motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri
dengan gulungan dinamo (A). Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal
yang bagus dan kecepatan yang stabil. Motor DC campuran ini menghasilkan momen
awal yang besar pada awal pergerakan beban.
Karakteristik Motor Kompon DC
(Rodwell International Corporation, 1999)
Motor DC kompound merupakan kombinasi dari motor DC shunt dan seri, sehingga
mempunyai dua buah kumparan medan, yaitu medan seri dan medan paralel. Ada dua
macam motor DC kompound, yaitu:
1. Motor dc kompound differensial, yaitu jika antara kumparan medan seri dan medan
paralel saling melemahkan (polaritas berlawanan), dan
2. Motor dc kompound kumulatif, yaitu jika antara kumparan medan seri dan medan
paralel saling menguatkan (polaritas sama).
1. Motor DC Penguatan Kompon Panjang/Kompound Differensial
Pada motor arus searah
ini penguatan
kompon
panjang, kumparan medan
serinya terhubung secara
seri terhadap kumparan
jangkarnya dan terhubung
pararel terhadap kumparan
medan shunt. Sehingga
rangkain ekivalen motor
arus searah kompon panjang
adalah :
Pada jenis motor dc ini fluks yang dihasilkan saling mengurangi , karena polaritas dari
kumparan medannya saling berlawanan.
Berbeda dengan motor DC jenis ini, sifat dari rangkain ini akan saling menguatkan
fluks karena polaritas dari kumparan medan sama
Il
Is
= Is+If
= Ia
Pin
Pm
Pm
= VL..IL
= Ea.Ia
= Pin - Pcu
Ea.Ia
Pm
Pcu
VL
Vf
Vf
Ea
=VL IL - Ia2.Ra - Is2.Rs - If2.Rf - 2Vsi.Ia
= Pin - Pcu
= Ia2.Ra + Is2.Rs + If2.Rf + 2Vsi.Ia
= Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs
= If.Rf
= VL
= VL - Ia.Ra - Is.Rs - 2Vsi
2. Motor DC Penguatan Kompon Pendek/Kompound Komulatif
Jenis motor Dc yang satu
ini, kumparan medan serinya
justru terhubung pararel
terhadap kumparan jangkar
dan
kumparan
medan
shuntnya.
Sehingga
rangkaian pararelnya adalah :
Sama halnya dengan jenis
motor
DC
penguatan
kompon panjang, jenis motor
DC penguatan kompon pendek ini ada yang bersifat lawan, artinya jenis motor ini
mengakibatkan pelemahan medan magnet, karena polaritas dari medan nya saling
berlawanan.
Sedangkan pada motor jenis ini polaritas medannya sama sehingga akan saling
menguatkan medan magnet atau fluksnya.
Ea.Ia
VL.IL
Pcu
IL = Is
Ia
Vf
VL
Is.Rs
VL
Ea
Ea=
= Pm
= Pin
= (Ia2Ra+2Vsi.Ia+Is2Rs+If2.Rf)
= Ia+If
= I L - If
= If.Rf
= Vf+Vs = Vf+Is.Rs
= VL - Vf
=Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs
= VL - Ia.Ra - 2Vsi - Is.Rs
V l−Ia. Ra−2 Vsi−Is. Rs
×Ia
2
2
2
Ea. Ia−V l . I l .V l . I f −Ia Ra−2Vsi. Ia−Is Rs+Is .If . Rs
Diagram Daya dan Efisiensi pada Motor DC
A =rugi daya pada kumparan jangkar
(Ia2.Ra)
B = Rugi daya pada kontak sikat ((2Vsi.Ia)
C = Rugi daya pada kumparan medan seri
(Is2.Rs)
D = Rugi daya pada kumparan medan
shunt (If2.Rf)
E = Rugi daya hysterisis
F = Rugi daya arus pusar
G = Rugi daya angin
H = Rugi daya sumbu motor
Pm = Pin – Pcu
Pn = Pm – Pb
Efisiensi :
Pn
ηekonomi =ηmotor = Pin ×100 %
ηmekanik =
Pn
×100%
Pm
Pm
ηlistrik = Pin ×100 %
Torsi pada Motor DC
Torsi Jangkar Motor DC
Anologi dengan pada generator DC
. Ea. Ia
Ta=9,55× n →( Nm)
.Ea .Ia
Ta=0,974× n →( kgm)
.Ea .Ia
Ta=7,04× n →(lbft )
T
= torsi jangkar motor DC
Ea
= ggl lawan motor DC
Ia
= arus jangkar motor DC
n
= putaran motor DC
Pm
→( Nm)
n
Pm
Ta=0,974× n →(kgm)
Pm
Ta=7,04× n →(lbft )
P
Ta=0,159Φ× ×z×Ia→(Nm)
a
P
Ta=0,0162Φ× ×z×Ia→(kgm)
a
Ta=9, 55×
P
Ta=0, 117×Φ× ×z×Ia→(lbft )
a
Torsi Poros Motor DC
BHP×746
→(Nm)
n
BHP×746
Tsh=0,974×
→(kgm )
n
BHP×746
Tsh=7,04×
→(lbft )
n
MotorDC→BHP×746=Pn
GeneratorDC→ BHP×746=Pin
Tsh=9,55×
Ta - Tsh = Torsi hilang
Torsi hilang =
Pb
9,55× n →(Nm)
Torsi hilang
Pb
0,974× n →(kgm )
Torsi hilang =
Pb
7,04× n →(lbft )
GENERATOR
1.
GENERATOR DC
Penjelasan Umum Generator DC
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang
mengubah energi mekanis, yaitu memutar kumparan kawat penghantar dalam medan
magnet atau sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat kumparannya
menjadi energi listrik sehingga menghasilkan arus DC / arus searah.
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanen
dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter
eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor.
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator bagian mesin DC yang diam, dan
bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka
motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor
terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua
cara, yaitu dengan menggunakan cincin-seret yang menghasilkan tegangan induksi
bolak-balik. Dan dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan
medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan
induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2
(a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh
penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan
induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar
pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut
juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik
AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan
dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan
listrik DC dengan dua gelombang positif. Rotor dari generator DC akan menghasilkan
tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah
tegangan AC. Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC,
sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat
medan).
Jenis belitan jangkar generator DC dibedakan menjadi 2, yaitu belitan jerat
(gelung) → a = p dan belitan gelombang → a = 2, dengan a = jumlah parallel jangkar
dan p = jumlah kutub magnet
Prinsip Kerja Generator DC
Prinsip kerja generator DC berdasarkan pada
kaidah tangan kanan. Sepasang magnet permanen
utara selatan menghasilkan garis medan magnet
F, kawat penghantar di atas telapak tangan kanan
ditembus garis medan magnet F. Jika kawat
digerakkan ke arah ibu jari, maka dalam kawat
dihasilkan arus listrik I yang searah dengan
keempat arah jari tangan (Gambar Disamping)
Bagaimana kalau posisi utara-selatan magnet permanen dibalik? Ke mana arah arah
arus listrik induksi yang dihasilkan?
Percobaan secara sederhana dapat dilakukan
dengan menggunakan sepasang magnet permanen
berbentuk U, sebatang kawat digantung dikedua sisi
ujungnya, pada ujung kawat dipasangkan Voltmeter
(Gambar Disamping). Batang kawat digerakkan ke
arah panah, pada kawat dihasilkan ggl induksi dengan
tegangan yang terukur pada Voltmeter.
Besarnya ggl induksi yang dibangkitkan:
ui = B · L · v · z Volt
ui = Tegangan induksi pada kawat, V
B = Kerapatan medan magnet, Tesla
L = Panjang kawat efektif, meter
v = Kecepatan gerak, m/detik
z = Jumlah belitan kawat
Belitan kawat generator berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan
selanjutnya disebut belitan rotor atau belitan jangkar. Kedudukan I, ketika rotor
digerakkan searah jarum jam, kawat 1 tanda silang (menjauhi kita), kawat 2 tanda titik
(mendekati kita) ggl induksi maksimum. Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada
garis netral ggl induksi sama dengan nol. Posisi III kawat kebalikan posisi I dan ggl
induksi tetap maksimum
a. Generator DC dengan Penguat Kutub Tersendiri
Generator DC dengan penguatan kutub magnet tersendiri
(terpisah), arus listrik pada belitan penguat kutub magnet
mengambil dari sumber listrik di luar mesin generatos yang
bersangkutan. Pada generator penguat terpisah, belitan
eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu
dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah,
yaitu penguat elektromagnetik (Gambar a) dan magnet
permanent / magnet tetap (Gambar b).
Generator DC dengan penguat terpisah hanya dipakai
dalam keadaan tertentu. Dengan terpisahnya sumber arus
kemagnetan dari generator, berarti besar kecilnya
kemagnetan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus
ataupun tegangan generator.
Ea= VL + Ia.Ra (Rugi tegangan tiap sikat diabaikan )
Ea= VL + Ia.Ra + 2.Vsi (Rugi tegangan setiap sikat
diperhitungkan )
VL = IL .RL ( Volt )
Ea=V l +IaRa+2Vsi
Ea = ggl yang dibangkitkan generator DC
VL = tegangan pemakai/ beban/ luar
Ia = arus listrik pada belitan anker
If = arus listrik pada penguat kutup magnet
Ra = tahanan anker
RL
= tahanan luar
Rf = tahanan penguat kutup magnet
IL = arus litrik pada pemakai
Ia.Ra
= Rugi tegangan kumparan anker
Vsi
= (rugi tegangan setiap sikat)
Φ.zn P
Ea=60 . a (volt )→(weber)
Φ.zn P
Ea=60 . a .10−8 (volt )→(max well )
Apabila
z P
60 . a =k
maka
dimana ᶲ dalam weber.
dimana ᶲ dalam Maxwell.
Ea=k . Φn→( volt )
Z = jumlah penghantar seluruh slot dalam jangkar
n = putaran jangkar permenit (rpm)
P = jumlah kutup magnet
ᶲ = Jumlah garis gaya magnit (fluks) tiap kutub magnit.
a = Jumlah kelompok kumparan armature yang tersambung parallel (jumlah parallel
cabang angker)
k = konstanta.
60 artinya 1 menit = 60 sekon.
Sedangkan pada generator DC dengan penguat sendiri, arus kemagnetan bagi kutubkutub magnet berasal dari generator DC itu sendiri. Pengaruh nilai-nilai tegangan dan
arus generator terhadap arus penguat tergantung cara bagaimana hubungan lilitan
penguat magnet dengan lilitan jangkar. Yang termasuk dalam generator DC penguat
sendiri adalah geberator DC seri, generator DC shunt, dan generator DC kompon.
Generator DC Seri
Diagram Arus listrik.
Diagram Tegangan Listrik
Ea = k.ɸ.n → volt
V = Tegangan terminal generator DC
Ea = (ɸ.z.n/60).(p/a) → volt
V = VL + Vs
Ia = Is = IL
V = Ea - Ia.Ra
VL = IL . RL (tegangan beban)
VL + Vs.= Ea - Ia.Ra
VS = IS.RS (Rugi tegangan pd belitan
Ea = VL + Vs + Ia.Ra
penguatan kutub magnit seri).
Ea = VL + Is.Rs. + IaRa
Bila rugi tegangan setiap sikat (Vsi) diperhitungkan maka
Ea = VL + IsR s+ IaRa + 2Vsi
Ea= ggl yang dibangkitkan generator
IaRa
= rugi tegangan dalam jangkar
IsRs
= rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet seri.
Generator DC Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2).
Tegangan awal generator diperoleh dari magnet
sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor
berputar dalam medan magnet yang lemah,
dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan
magnet
stator, sampai dicapai
tegangan
nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang
melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan
geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar
medan penguat shunt yang dihasilkan, dan
tegangan terminal meningkat sampai mencapai
tegangan nominalnya.
Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi
tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik,
atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang
dihasilkan oleh generator tersebut.
Generator shunt mempunyai karakteristik tegangan output akan turun lebih
banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output
pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator
penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah
generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki
pada generator kompon.
Ia= Il + If
Ea = V+Ia.Ra
Vl = Il.Rl
Ea = Vl+Ia.Ra
Vf = If.Rf
Ea = Vf+Ia.Ra
V = Ea-Ia.Ra
Bila Vsi diperhitungkan
Vl = Vf = V
Ea = Vl+Ia.Ra+ 2Vsi
Rf
= Tahanan penguat kutub magnet shunt
Vf
= Rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet shunt
Generator DC Kompon
Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada
inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi
merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat
seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan
pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2)
terletak di depan belitan shunt.
Karakteristik generator kompon, tegangan
output generator terlihat konstan dengan pertambahan
arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh
adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban
bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung
tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.
Generator DC Kompon Panjang :
Ia = I f + I l
V = VL + Vs
Ia = Is
VL = IL.RL
Vf = If.Rf
VL = Vf
V = Ea - Ia.Ra
VL + Vs = Ea - Ia.Ra
Ea = VL + Vs + Ia.Ra
Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra
Ea = Vf + Is .Rs + Ia.Ra
Bila rugi tegangan Vsi diperhitungkan
Maka
Ea = VL+Is .Rs +Ia.Ra+2Vsi
Generator DC Kompon Pendek
Ia = I f + I L
IL = Is
Vf = If.Rf
Vf = VL.+ IsRs
V = Ea - Ia.Ra …….Ea = V + Ia.Ra
V = Vf = VL.+ IsRs
Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra
Ea = Vf + Ia.Ra
VL = IL.RL
VL = Ea - (Is .Rs + Ia.Ra )
Bila dilengkapi dengan Vsi
Ea = VL+IsRs +IaRa+2Vsi
Diagram Daya dan Efisiensi
A = Rugi-rugi putaran tanpa beban
B = Rugi-rugi beban
C = Rugi-rugi daya kump. angker (Ia2.Ra)
D = Rugi-rugi daya kontak sikat (Ia.2Vsi)
E = Rugi-rugi daya kumparan seri (Is2.Rs)
F = Rugi-rugi daya kumparan shunt (If2.Rf)
Pin = Daya input ( Daya mekanik ).
Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia)
Pb = Rugi besi dan gesekan ( A + B )
Pcu = Rugi tembaga ( C+D+E+F )
Pn = Daya out put (VL.IL )
V.Ia = Pem – ( C + D ).
Pin = Pem+Pb
Pem = Pn+Pcu
Pb = Pin-Pem
Pcu = Pem-Pn
Pn
η gen= Pin ×100%
Pn
ηlistrik = Pem ×100%
Pem
ηbruto = Pin ×100%
Torsi pada Generator DC
Penampang lintang jangkar generator DC dengan jari-jari = r, terdapat gaya keliling F
kerja (W) = F x jarak. Untuk 1x putaran jangkar = 2πr, sehingga W = F x 2πr. Untuk
1 secon dengan
n
60
(rps), sehingga W = Fx2πr
W = F x 2r
n
60
πn
60
.
F x r = Ta ( torsi anker )
2 πn πn
60 =30 =ωm
(kecepatan putar mekanik) ( Rps )
W =Ta . ω . m→ F ( newton )
2π n
W =Ta x
→ r (m)
60
Ta=Fxr →( Nm)
Kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar perdetik (W) sebanding dengan daya
armature (Pem )
W =Pem=Ea . Ia
2π n
=Ea . Ia
60
Ea. Ia 60
Ta=
X
n
2
Ea. Ia
Ta=9,55× n →( Nm)
Pem
Ta=9,55× n →( Nm)
Ea
Ia
N
= volt
= ampere
= rpm
2. GENERATOR AC
Arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC
(alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di
industry untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai
sumber penggerak.
Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak-balik 1 fasa
b. Generator arus bolak-balik 3 fasa
Prinsip Kerja
Generator AC bekerja berdasarkan atas prinsip dasar induksi elektromagnetik.
Tegangan bolak-balik akan dibangkitkan oleh putaran medan magnetik dalam
kumparan jangkar yang diam. Dalam hal ini kumparan medan terletak pada bagian
yang sama dengan rotor dari generator. Nilai dari tegangan yang dibangkitkan
bergantung pada :
Jumlah dari lilitan dalam kumparan.
Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang diinduksikan.
Kecepatan putar dari generator itu sendiri.
Prinsip generator ini secara sederhana dapat dijelaskan bahwa tegangan akan
diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet
sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan berlaku pada generator
dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah
medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari
menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah
menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila
magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan.
Cara kerja sederhana:
Ketika kumparan diputar didalam medan magnet,satu sisi kumparan(biru) bergerak
ketassedang lainnya(kuning)bergerak kebawah.
Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang semakin sedikit,sehingga
padakedua sisi kumparan mengalir arus listrik mengitari kumparan mengalir arus
listrik mengitarikumparan hingga kumparan sinusoid.
Pada posisi sinusoid kumparan tidak mengalami perubahan garis gaya magnet
sehingga tidak ada listrik yang mengalir pada kumparan.
Pada posisi ini kumparan mendapat garis ± garis magnet maksimum.
Kumparan terus berputar hingga sisi biri bergerak kebawah dan sisi kuning
bergerak keatas.
Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang bertambah
banyak,sehingga padasetiap sisi kumparan mengalir arus listrik yang berlawanan
hingga posisi kumparansinusoidal.Kumparan terus berputar hingga sisi biru
bergerak ketas dan sisi kuning bergerak kebawah.
Agar menimbulkan medan magnet yang berpotongan dengan konduktor pada stator
rator diberi eksitasi.Karena ada dua kutub yang berbeda,utara dan selatan,maka
tegangan yangdihasilkan pada stator adalah tegangan bolak balik dengan
gelombang sinusoidal.
Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan
listrik untuk akhirnya digunakan masyarakat.
Konstruksi Generator
Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu
1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan
bolakbalik
2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang
menginduksikan ke stator.
Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi
bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang
terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat
meletakkan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan
tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah
udara sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron dapat dilihat pada
gambar berikut ini.
Jumlah Kutub pada Generator
Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan
frekuensi dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan
persamaan berikut ini.
f . p . n/120
Keterangan:
f = frekuensi tegangan (Hz)
p = jumlah kutub pada rotor
n = kecepatan rotor (rpm)
MAKALAH
Untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Kelistrikan
Semester genap tahun2013/2014 yang diampu oleh
Oleh:
Hufron Ahmadin
Muhammad Ainur Qafif
1231210184
1231210176
2-H
JURUSAN TEKNIK MESIN
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI MALANG
MALANG
2014
MOTOR
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik.
Cara Kerja Motor Listrik :
Arus Listrik dalam medan magnet akan menghasilkan gaya.
Jika kawat yang dialiri listrik dibengkokan menjadi sebuah loop/lingkaran, maka pada
kedua sisi loop akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan.
Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga
putaran yang lebih seragam dan medan magnet yang dihasilkan oleh susunan
elektromagnetnya disebut kumparan medan.
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan
sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan
memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan
perputaran pada motor.
Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban
motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tenaga putar / torque sesuai dengan
kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok :
Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya
bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh
beban dengan torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement
konstan.
Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan
kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan
fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan)..
Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah
dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan
adalah peralatan-peralatan mesin
Mengukur Torsi
Torsi sering disebut momen (M) merupakan
perkalian gaya F (Newton) dengan panjang
lengan L (meter) Gambar .
M = F. L (Nm)
Gaya F yang dihasilkan dari motor listrik
dihasilkan dari interaksi antara medan
magnet putar pada stator dengan medan
induksi dari rotor. F = B. I. L
Jumlah belitan dalam rotor Z dan jari-jari
polly rotor besarnya r (meter), maka torsi yang dihasilkan motor
M = B · I · L · Z · r (Nm)
Jenis-jenis Motor Listrik
1. Motor Listrik AC
Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara
teratur pada rentang waktu tertentu.
1.1 Motor Listrik Asinkron/Induksi
Motor asinkron adalah motor yang mempunyai kecepatan putar medan magnet dengan
kecepatan putar rotor berbeda atau terjadi slip.
Prinsip Kerja Motor Induksi
Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah
listrik 3 phasa. Motor induksi sering juga disebut motor tidak
serempak atau motor asinkron. Prinsip kerja motor induksi
lihat Gambar 5.4.
Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator
menjadikan kutub S (south = selatan), garis-garis gaya mahnet
mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya adalah
N (north = utara) untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan
saling tarik-menarik dengan kutub S.
Berikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar
120°, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada
belitan stator timbul medan magnet putar. Buktinya kompas
akan memutar lagi menjadi 240°. Kejadian berlangsung silih
berganti membentuk medan magnet putar sehingga kompas
berputar dalam satu putaran penuh, proses ini berlangsung
terus menerus.
Dalam motor induksi kompas digantikan oleh rotor
sangkar yang akan berputar pada porosnya. Karena ada
perbedaan putaran antara medan putar stator Gambar
Pengujian motor listrik di laboratorium 147 dengan putaran rotor, maka disebut motor
induksi tidak serempak atau motor asinkron. Susunan belitan stator motor induksi dengan
dua kutub, memiliki tiga belitan yang masing-masing berbeda sudut 120° Gambar 5.5.
Ujung belitan phasa pertama U1- U2, belitan phasa kedua V1-V2 dan belitan phasa ketiga
W1-W2.
Prinsip kerja motor induksi dijelaskan dengan gelombang sinusoidal Gambar
5.6, terbentuknya medan putar pada stator motor induksi. Tampak stator dengan dua kutub,
dapat diterangkan dengan empat kondisi.
1. Saat sudut 0°. Arus I1 bernilai positip dan arus I2 dan arus I3 bernilai negatip
dalam hal ini belitan V2, U1 dan W2 bertanda silang (arus meninggalkan
pembaca), dan belitan V1, U2 dan W1 bertanda titik (arus listrik menuju
pembaca). Terbentuk fluk magnet pada garis horizontal sudut 0°. Kutub S (south
= selatan) dan kutub N (north = utara).
2. Saat sudut 120°. Arus I2 bernilai positip sedangkan arus I1 dan arus I3 bernilai
negatip,dalam hal ini belitan W2, V1, dan U2 bertanda silang (arus meninggalkan
pembaca), dan kawat W1, V2, dan U1 bertanda titik (arus menuju pembaca).
Garis fluk magnit kutub S dan N bergeser 120° dari posisi awal.
3. Saat sudut 240°. Arus I3 bernilai positip dan I1 dan I2 bernilai negatip, belitan
U2, W1, dan V2 bertanda silang (arus meninggalkan pembaca), dan kawat U1,
W2, dan V1 bertanda titik (arus menuju pembaca). Garis fluk magnit kutub S dan
N bergeser 120° dari posisi kedua.
4. Saat sudut 360°. posisi ini sama dengan saat sudut 0°, di mana kutub S dan N
kembali keposisi awal sekali.
Dari keempat kondisi di atas saat sudut 0°, 120°, 240°, dan 360°, dapat dijelaskan
terbentuknya medan putar pada stator, medan magnet putar stator akan memotong
belitan rotor. Kecepatan medan putar stator ini sering disebut kecepatan sinkron,
tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya
ns =
f ×120
p putaran per menit.
Rotor ditempatkan di dalam rongga stator, sehingga garis medan magnet putar
stator
a. Motor Listrik 1 Phase
Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu
fase,memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk
menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling
umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan
pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
Keuntungan :
1. Mempertinggi kemampuan motor dari beban lebih.
2. Mempertinggi Cos φ (faktor daya).
3. Mempertinggi rendamen (η).
4. Putaran motor halus.
Kekurangan :
Motor AC satu fasa tidak dapat dimulakan putaran dengan sendiri (self-starting) bahan
pengalir untuk kehilangan tembaga yang sama, apabila kuasa yang sama dipindahkan
dalam sistem tiga fasa berbanding sistemsatu fasa.
b. Motor Listrik 3 Phase
Motor listrik AC 3 phase bekerja dengan
memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk
menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jika
pada motor AC 1 phase untuk menghasilkan
beda
phase
diperlukan
penambahan
komponen kapasitor, pada motor 3 phase
perbedaan sudah didapat langsung dari
sumber arus 3 phase.
Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang
pada kumparan stator, akan timbul medan
putar. Medan putar strator tersebut akan
memotong batang konduktor pada rotor.
Akibatnya batang konduktor dari rotor akan
timbul GGL induksi. Karena batang
konduktor merupakan rangkaian yang tertutup makan GGL akan menghasilkan arus (I).
Adanya arus dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel
mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar besar untuk memikul kopel
beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar strator. GGL induksi timbul karena
terpotongnya batang konduktor oleh medan putar stator.
Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor
tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau
gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri.
Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh,
pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3
hingga ratusan Hp.Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase
slip/geseran (Parekh, 2003):
% Slip = ((Ns – Nb)/Ns) x 100
Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Keuntungan :
1. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah.
2. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan
3. tidak membutuhkan perawatan yang banyak.
Kekurangan :
Motor induksi masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada
motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor
DC hal yang sama tidak dijumpai.
1.2 Motor Listrik Sinkron
Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada
kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini
memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya
dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena
itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan
beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan
frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu
untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang
menggunakan banyak listrik.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh,
2003):
Ns = 120 f / P
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
2. Motor DC
Motor DC merupakan jenis motor yang
menggunakan tegangan searah sebagai sumber
tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan
pada kedua terminal tersebut, motor akan berputar
pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan
tersebut dibalik maka arah putaran motor akan
terbalik pula. Motor terdiri atas 2 bagian utama
yaitu stator dan motor. Pada stator terdapat lilitan
(winding) atau magnet permanen, sedangkan rotor
adalah bagian yang dialiri dengan sumber arus DC. Arus yang melalui medan magnet inilah
yang menyebabkan rotor dapat berputar. Arah gaya elektromagnet yang ditimbulkan akibat
medan magnet yang dilalui oleh arus dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan
kanan.
Keuntungan :
pengendali kecepatan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya.
Kerugian :
1. Perawatan intensif karena brush atau sikat pada motor DC akan aus.
2. Konversi arus AC menjadi arus DC menggunakan konverter memerlukan biaya yang
mahal.
Prinsip Kerja Motor Listrik DC
Motor DC bekerja berdasarkan hukum Ampere dan hukum Lorentz, yaitu:
1. Di sekitar penghantar yang dialiri arus listrik akan timbul medan magnet.
2. Suatu penghantar yang dialiri arus listrik, jika berada pada medan magnet akan mengalami
suatu gaya yang disebut gaya Lorentz.
Hukum Ampere berlaku pada kumparan medan yang menghasilkan medan magnet,
sedangkan hukum Lorentz berlaku pada belitan jangkar yang berada dalam medan magnet
yang dihasilkan oleh kumparan medan.
Perhitungan pada motor DC :
Daya input
:
Pin= √3 Vrms Irms cosƟ
Daya output :
Pout= Tout w
w = kecepatan sudut
Tout = torsi output
Efisiensi
:
η (%) = (Pout/Pin) x 100
Tegangan V yang disupply ke jangkar motor berguna untuk mengatasi ggl balik E b
menimbulkan jatuh tegangan jangkar IaRa , V = Eb + IaRa (1). Persamaan ini dikenal
sebagai persamaan tegangan dari motor.
Kecepatan Motor DC
Dengan mengalikan persaman (1) di atas dengan Ia,
2
diperoleh :
VI a=E b I a +I a R a
dimana : VIa
= daya yang masuk ke jangkar
EbIa = ekivalen elektrik dari daya mekanik yang
dibangkitkan dalam jangkar
2
Ia Ra = rugi-rugi Cu dalam jangkar
Jenis-Jenis Motor Listrik DC
2.1 Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited
Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah di luar motor tersebut maka disebut motor
DC sumber daya terpisah/separately excited.
Kelebihan :
1. Kecepatan motor dan torka beban mudah untuk dikendalikan
2. Arus eksitasinya tidak bergantung dengan arus jangkarnya
Kekurangan :
1. Memerlukan dua buah sumber arus DC yang terpisah
2.2 Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited:
a. Motor DC Shunt
Pada motor shunt, gulungan
medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A). Oleh
karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.
Rangkaian shunt memiliki kecepatan sudut dan tegangan jepit yang konstan.
Karakter kecepatan motor DC tipe shunt adalah :
1. Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque
tertentu setelah kecepatannya berkurang) dan oleh karena itu cocok untuk
penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
2. Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri
dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus
medan (kecepatan bertambah).
Karakteristik Motor DC Shunt
(Rodwell International Corporation, 1999)
Untuk motor jenis ini memiliki rangkaian seperti
Pada motor shunt kumparan jangkar dihungkan langsung dengan terminal
sehingga akan membentuk rangkaian yang pararel terhadap kumparan jangkar,
sehingga persmaan matematisnya adalah:
Lilitan shunt dibuat dari kawat yang berdiameter kecil dengan banyak lilitan dalam
kumparan. Karena kawatnya sangat kecil, dia tidak bisa membawa arus yang sangat
besar seperti pada kumparan seri, namun karena jumlahnya yang sangat banyak, maka
masih bisa menghasilkan medan magnet yang sangat kuat. Ini berarti motor shunt
mempunyai torsi awal yang rendah, maka biasanya mempunyai beban yang kecil.
Ea.Ia
Pcu
IL
Pin
Vf
Ea
VL
=.VL.IL - If2.Rf - Ia2Ra - Ia.2Vsi
= If2.Rf + Ia2Ra + Ia.2Vsi
= Ia+If
= VL.IL
= If.Rf
= VL.- Ia.Ra - 2Vsi
= Vf = Ea + Ia.Ra + 2Vsi
Kelebihan :
1. Regulasi kecepatan motor terhadap perubahan torka beban lebih stabil
2. Hanya memerlukan satu sumber DC
Kekurangan :
1. Torka yang dihasilkan relatif kecil
2. Kecepatan motor dan torka beban relatif sulit untuk dikendalikan
b. Motor DC Seri
Motor DC Tipe Seri Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt)
dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A). Oleh karena itu, arus medan
sama dengan arus dinamo. Kecepatan sudut tidak konstan, ketika diberi beban besar
maka kecepatan rotasi motor akan kecil dan begitu pula sebaliknya. Dapat
menghasilkan momen yang besar dengan arus yang rendah sehingga cocok digunakan
sebagai starter mesin.
Karakter kecepatan dari motor DC tipe seri adalah :
Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM
Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan
mempercepat tanpa terkendali.
Karakteristik Motor Seri DC
(Rodwell International Corporation, 1999)
Rangkaian ekivalen dari jenis motor ini adalah :
Seperti judulnya rangkain
ini
menghubungkan
kumpara medan secara seri
dengan
rangkaian
jangkarnya. Maka sesuai
dengan hokum
kirchof
bahwa arus yang mengalir
pada kumparan jangkar akan
sama dengan arus yang
mengalir pada kumparan
medan, sehingga persamaan
matematisnya adalah :
Dimana :
Is
= arus kumparan medan seri (Ampere)
Rs
= tahanan medan seri (ohm)
IL
= arus darsi jala jala
Oleh karena itu, kawat yang digunakan untuk kumparan medan berdiameter besar.
Karena kawatnya besar, maka lilitan yang dibuat pada kumparan medan hanya sedikit.
Pin
=
VL.IL
Ea
Ea.Ia
Pcu
= VL-Is.Rs-Ia.Ra-2Vsi
= VL.Ia - Is2Rs- Ia2.Ra - Ia.2Vsi
= Ia2.Ra+Is2.Rs+Ia.2Vsi
Kelebihan :
1. Torka yang dihasilkan berbanding kuadrat dengan arus sumber motor DC.
2. Hanya memerlukan satu sumber DC.
3. Rangkaian eksitasinya sederhana.
Kekurangan :
1. Kecepatan motor bervariasi dan sensitif terhadap perubahan torka beban.
2. Arus eksitasinya sebanding dengan arus jangkar, sehingga membutuhkan kawat
medan yang cukup besar.
c. Motor DC Gabungan/Kombinasi/Kompound
Motor DC Tipe Kompon/Gabungan merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada
motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri
dengan gulungan dinamo (A). Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal
yang bagus dan kecepatan yang stabil. Motor DC campuran ini menghasilkan momen
awal yang besar pada awal pergerakan beban.
Karakteristik Motor Kompon DC
(Rodwell International Corporation, 1999)
Motor DC kompound merupakan kombinasi dari motor DC shunt dan seri, sehingga
mempunyai dua buah kumparan medan, yaitu medan seri dan medan paralel. Ada dua
macam motor DC kompound, yaitu:
1. Motor dc kompound differensial, yaitu jika antara kumparan medan seri dan medan
paralel saling melemahkan (polaritas berlawanan), dan
2. Motor dc kompound kumulatif, yaitu jika antara kumparan medan seri dan medan
paralel saling menguatkan (polaritas sama).
1. Motor DC Penguatan Kompon Panjang/Kompound Differensial
Pada motor arus searah
ini penguatan
kompon
panjang, kumparan medan
serinya terhubung secara
seri terhadap kumparan
jangkarnya dan terhubung
pararel terhadap kumparan
medan shunt. Sehingga
rangkain ekivalen motor
arus searah kompon panjang
adalah :
Pada jenis motor dc ini fluks yang dihasilkan saling mengurangi , karena polaritas dari
kumparan medannya saling berlawanan.
Berbeda dengan motor DC jenis ini, sifat dari rangkain ini akan saling menguatkan
fluks karena polaritas dari kumparan medan sama
Il
Is
= Is+If
= Ia
Pin
Pm
Pm
= VL..IL
= Ea.Ia
= Pin - Pcu
Ea.Ia
Pm
Pcu
VL
Vf
Vf
Ea
=VL IL - Ia2.Ra - Is2.Rs - If2.Rf - 2Vsi.Ia
= Pin - Pcu
= Ia2.Ra + Is2.Rs + If2.Rf + 2Vsi.Ia
= Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs
= If.Rf
= VL
= VL - Ia.Ra - Is.Rs - 2Vsi
2. Motor DC Penguatan Kompon Pendek/Kompound Komulatif
Jenis motor Dc yang satu
ini, kumparan medan serinya
justru terhubung pararel
terhadap kumparan jangkar
dan
kumparan
medan
shuntnya.
Sehingga
rangkaian pararelnya adalah :
Sama halnya dengan jenis
motor
DC
penguatan
kompon panjang, jenis motor
DC penguatan kompon pendek ini ada yang bersifat lawan, artinya jenis motor ini
mengakibatkan pelemahan medan magnet, karena polaritas dari medan nya saling
berlawanan.
Sedangkan pada motor jenis ini polaritas medannya sama sehingga akan saling
menguatkan medan magnet atau fluksnya.
Ea.Ia
VL.IL
Pcu
IL = Is
Ia
Vf
VL
Is.Rs
VL
Ea
Ea=
= Pm
= Pin
= (Ia2Ra+2Vsi.Ia+Is2Rs+If2.Rf)
= Ia+If
= I L - If
= If.Rf
= Vf+Vs = Vf+Is.Rs
= VL - Vf
=Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs
= VL - Ia.Ra - 2Vsi - Is.Rs
V l−Ia. Ra−2 Vsi−Is. Rs
×Ia
2
2
2
Ea. Ia−V l . I l .V l . I f −Ia Ra−2Vsi. Ia−Is Rs+Is .If . Rs
Diagram Daya dan Efisiensi pada Motor DC
A =rugi daya pada kumparan jangkar
(Ia2.Ra)
B = Rugi daya pada kontak sikat ((2Vsi.Ia)
C = Rugi daya pada kumparan medan seri
(Is2.Rs)
D = Rugi daya pada kumparan medan
shunt (If2.Rf)
E = Rugi daya hysterisis
F = Rugi daya arus pusar
G = Rugi daya angin
H = Rugi daya sumbu motor
Pm = Pin – Pcu
Pn = Pm – Pb
Efisiensi :
Pn
ηekonomi =ηmotor = Pin ×100 %
ηmekanik =
Pn
×100%
Pm
Pm
ηlistrik = Pin ×100 %
Torsi pada Motor DC
Torsi Jangkar Motor DC
Anologi dengan pada generator DC
. Ea. Ia
Ta=9,55× n →( Nm)
.Ea .Ia
Ta=0,974× n →( kgm)
.Ea .Ia
Ta=7,04× n →(lbft )
T
= torsi jangkar motor DC
Ea
= ggl lawan motor DC
Ia
= arus jangkar motor DC
n
= putaran motor DC
Pm
→( Nm)
n
Pm
Ta=0,974× n →(kgm)
Pm
Ta=7,04× n →(lbft )
P
Ta=0,159Φ× ×z×Ia→(Nm)
a
P
Ta=0,0162Φ× ×z×Ia→(kgm)
a
Ta=9, 55×
P
Ta=0, 117×Φ× ×z×Ia→(lbft )
a
Torsi Poros Motor DC
BHP×746
→(Nm)
n
BHP×746
Tsh=0,974×
→(kgm )
n
BHP×746
Tsh=7,04×
→(lbft )
n
MotorDC→BHP×746=Pn
GeneratorDC→ BHP×746=Pin
Tsh=9,55×
Ta - Tsh = Torsi hilang
Torsi hilang =
Pb
9,55× n →(Nm)
Torsi hilang
Pb
0,974× n →(kgm )
Torsi hilang =
Pb
7,04× n →(lbft )
GENERATOR
1.
GENERATOR DC
Penjelasan Umum Generator DC
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang
mengubah energi mekanis, yaitu memutar kumparan kawat penghantar dalam medan
magnet atau sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat kumparannya
menjadi energi listrik sehingga menghasilkan arus DC / arus searah.
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanen
dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter
eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor.
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator bagian mesin DC yang diam, dan
bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka
motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor
terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua
cara, yaitu dengan menggunakan cincin-seret yang menghasilkan tegangan induksi
bolak-balik. Dan dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan
medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan
induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2
(a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh
penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan
induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar
pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut
juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik
AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan
dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan
listrik DC dengan dua gelombang positif. Rotor dari generator DC akan menghasilkan
tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah
tegangan AC. Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC,
sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat
medan).
Jenis belitan jangkar generator DC dibedakan menjadi 2, yaitu belitan jerat
(gelung) → a = p dan belitan gelombang → a = 2, dengan a = jumlah parallel jangkar
dan p = jumlah kutub magnet
Prinsip Kerja Generator DC
Prinsip kerja generator DC berdasarkan pada
kaidah tangan kanan. Sepasang magnet permanen
utara selatan menghasilkan garis medan magnet
F, kawat penghantar di atas telapak tangan kanan
ditembus garis medan magnet F. Jika kawat
digerakkan ke arah ibu jari, maka dalam kawat
dihasilkan arus listrik I yang searah dengan
keempat arah jari tangan (Gambar Disamping)
Bagaimana kalau posisi utara-selatan magnet permanen dibalik? Ke mana arah arah
arus listrik induksi yang dihasilkan?
Percobaan secara sederhana dapat dilakukan
dengan menggunakan sepasang magnet permanen
berbentuk U, sebatang kawat digantung dikedua sisi
ujungnya, pada ujung kawat dipasangkan Voltmeter
(Gambar Disamping). Batang kawat digerakkan ke
arah panah, pada kawat dihasilkan ggl induksi dengan
tegangan yang terukur pada Voltmeter.
Besarnya ggl induksi yang dibangkitkan:
ui = B · L · v · z Volt
ui = Tegangan induksi pada kawat, V
B = Kerapatan medan magnet, Tesla
L = Panjang kawat efektif, meter
v = Kecepatan gerak, m/detik
z = Jumlah belitan kawat
Belitan kawat generator berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan
selanjutnya disebut belitan rotor atau belitan jangkar. Kedudukan I, ketika rotor
digerakkan searah jarum jam, kawat 1 tanda silang (menjauhi kita), kawat 2 tanda titik
(mendekati kita) ggl induksi maksimum. Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada
garis netral ggl induksi sama dengan nol. Posisi III kawat kebalikan posisi I dan ggl
induksi tetap maksimum
a. Generator DC dengan Penguat Kutub Tersendiri
Generator DC dengan penguatan kutub magnet tersendiri
(terpisah), arus listrik pada belitan penguat kutub magnet
mengambil dari sumber listrik di luar mesin generatos yang
bersangkutan. Pada generator penguat terpisah, belitan
eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu
dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah,
yaitu penguat elektromagnetik (Gambar a) dan magnet
permanent / magnet tetap (Gambar b).
Generator DC dengan penguat terpisah hanya dipakai
dalam keadaan tertentu. Dengan terpisahnya sumber arus
kemagnetan dari generator, berarti besar kecilnya
kemagnetan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus
ataupun tegangan generator.
Ea= VL + Ia.Ra (Rugi tegangan tiap sikat diabaikan )
Ea= VL + Ia.Ra + 2.Vsi (Rugi tegangan setiap sikat
diperhitungkan )
VL = IL .RL ( Volt )
Ea=V l +IaRa+2Vsi
Ea = ggl yang dibangkitkan generator DC
VL = tegangan pemakai/ beban/ luar
Ia = arus listrik pada belitan anker
If = arus listrik pada penguat kutup magnet
Ra = tahanan anker
RL
= tahanan luar
Rf = tahanan penguat kutup magnet
IL = arus litrik pada pemakai
Ia.Ra
= Rugi tegangan kumparan anker
Vsi
= (rugi tegangan setiap sikat)
Φ.zn P
Ea=60 . a (volt )→(weber)
Φ.zn P
Ea=60 . a .10−8 (volt )→(max well )
Apabila
z P
60 . a =k
maka
dimana ᶲ dalam weber.
dimana ᶲ dalam Maxwell.
Ea=k . Φn→( volt )
Z = jumlah penghantar seluruh slot dalam jangkar
n = putaran jangkar permenit (rpm)
P = jumlah kutup magnet
ᶲ = Jumlah garis gaya magnit (fluks) tiap kutub magnit.
a = Jumlah kelompok kumparan armature yang tersambung parallel (jumlah parallel
cabang angker)
k = konstanta.
60 artinya 1 menit = 60 sekon.
Sedangkan pada generator DC dengan penguat sendiri, arus kemagnetan bagi kutubkutub magnet berasal dari generator DC itu sendiri. Pengaruh nilai-nilai tegangan dan
arus generator terhadap arus penguat tergantung cara bagaimana hubungan lilitan
penguat magnet dengan lilitan jangkar. Yang termasuk dalam generator DC penguat
sendiri adalah geberator DC seri, generator DC shunt, dan generator DC kompon.
Generator DC Seri
Diagram Arus listrik.
Diagram Tegangan Listrik
Ea = k.ɸ.n → volt
V = Tegangan terminal generator DC
Ea = (ɸ.z.n/60).(p/a) → volt
V = VL + Vs
Ia = Is = IL
V = Ea - Ia.Ra
VL = IL . RL (tegangan beban)
VL + Vs.= Ea - Ia.Ra
VS = IS.RS (Rugi tegangan pd belitan
Ea = VL + Vs + Ia.Ra
penguatan kutub magnit seri).
Ea = VL + Is.Rs. + IaRa
Bila rugi tegangan setiap sikat (Vsi) diperhitungkan maka
Ea = VL + IsR s+ IaRa + 2Vsi
Ea= ggl yang dibangkitkan generator
IaRa
= rugi tegangan dalam jangkar
IsRs
= rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet seri.
Generator DC Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2).
Tegangan awal generator diperoleh dari magnet
sisa yang terdapat pada medan magnet stator. Rotor
berputar dalam medan magnet yang lemah,
dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan
magnet
stator, sampai dicapai
tegangan
nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang
melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan
geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar
medan penguat shunt yang dihasilkan, dan
tegangan terminal meningkat sampai mencapai
tegangan nominalnya.
Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi
tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik,
atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang
dihasilkan oleh generator tersebut.
Generator shunt mempunyai karakteristik tegangan output akan turun lebih
banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output
pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator
penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah
generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki
pada generator kompon.
Ia= Il + If
Ea = V+Ia.Ra
Vl = Il.Rl
Ea = Vl+Ia.Ra
Vf = If.Rf
Ea = Vf+Ia.Ra
V = Ea-Ia.Ra
Bila Vsi diperhitungkan
Vl = Vf = V
Ea = Vl+Ia.Ra+ 2Vsi
Rf
= Tahanan penguat kutub magnet shunt
Vf
= Rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet shunt
Generator DC Kompon
Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada
inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi
merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat
seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan
pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2)
terletak di depan belitan shunt.
Karakteristik generator kompon, tegangan
output generator terlihat konstan dengan pertambahan
arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh
adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban
bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung
tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.
Generator DC Kompon Panjang :
Ia = I f + I l
V = VL + Vs
Ia = Is
VL = IL.RL
Vf = If.Rf
VL = Vf
V = Ea - Ia.Ra
VL + Vs = Ea - Ia.Ra
Ea = VL + Vs + Ia.Ra
Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra
Ea = Vf + Is .Rs + Ia.Ra
Bila rugi tegangan Vsi diperhitungkan
Maka
Ea = VL+Is .Rs +Ia.Ra+2Vsi
Generator DC Kompon Pendek
Ia = I f + I L
IL = Is
Vf = If.Rf
Vf = VL.+ IsRs
V = Ea - Ia.Ra …….Ea = V + Ia.Ra
V = Vf = VL.+ IsRs
Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra
Ea = Vf + Ia.Ra
VL = IL.RL
VL = Ea - (Is .Rs + Ia.Ra )
Bila dilengkapi dengan Vsi
Ea = VL+IsRs +IaRa+2Vsi
Diagram Daya dan Efisiensi
A = Rugi-rugi putaran tanpa beban
B = Rugi-rugi beban
C = Rugi-rugi daya kump. angker (Ia2.Ra)
D = Rugi-rugi daya kontak sikat (Ia.2Vsi)
E = Rugi-rugi daya kumparan seri (Is2.Rs)
F = Rugi-rugi daya kumparan shunt (If2.Rf)
Pin = Daya input ( Daya mekanik ).
Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia)
Pb = Rugi besi dan gesekan ( A + B )
Pcu = Rugi tembaga ( C+D+E+F )
Pn = Daya out put (VL.IL )
V.Ia = Pem – ( C + D ).
Pin = Pem+Pb
Pem = Pn+Pcu
Pb = Pin-Pem
Pcu = Pem-Pn
Pn
η gen= Pin ×100%
Pn
ηlistrik = Pem ×100%
Pem
ηbruto = Pin ×100%
Torsi pada Generator DC
Penampang lintang jangkar generator DC dengan jari-jari = r, terdapat gaya keliling F
kerja (W) = F x jarak. Untuk 1x putaran jangkar = 2πr, sehingga W = F x 2πr. Untuk
1 secon dengan
n
60
(rps), sehingga W = Fx2πr
W = F x 2r
n
60
πn
60
.
F x r = Ta ( torsi anker )
2 πn πn
60 =30 =ωm
(kecepatan putar mekanik) ( Rps )
W =Ta . ω . m→ F ( newton )
2π n
W =Ta x
→ r (m)
60
Ta=Fxr →( Nm)
Kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar perdetik (W) sebanding dengan daya
armature (Pem )
W =Pem=Ea . Ia
2π n
=Ea . Ia
60
Ea. Ia 60
Ta=
X
n
2
Ea. Ia
Ta=9,55× n →( Nm)
Pem
Ta=9,55× n →( Nm)
Ea
Ia
N
= volt
= ampere
= rpm
2. GENERATOR AC
Arus bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC
(alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di
industry untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai
sumber penggerak.
Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak-balik 1 fasa
b. Generator arus bolak-balik 3 fasa
Prinsip Kerja
Generator AC bekerja berdasarkan atas prinsip dasar induksi elektromagnetik.
Tegangan bolak-balik akan dibangkitkan oleh putaran medan magnetik dalam
kumparan jangkar yang diam. Dalam hal ini kumparan medan terletak pada bagian
yang sama dengan rotor dari generator. Nilai dari tegangan yang dibangkitkan
bergantung pada :
Jumlah dari lilitan dalam kumparan.
Kuat medan magnetik, makin kuat medan makin besar tegangan yang diinduksikan.
Kecepatan putar dari generator itu sendiri.
Prinsip generator ini secara sederhana dapat dijelaskan bahwa tegangan akan
diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet
sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan berlaku pada generator
dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah
medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari
menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah
menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila
magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan.
Cara kerja sederhana:
Ketika kumparan diputar didalam medan magnet,satu sisi kumparan(biru) bergerak
ketassedang lainnya(kuning)bergerak kebawah.
Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang semakin sedikit,sehingga
padakedua sisi kumparan mengalir arus listrik mengitari kumparan mengalir arus
listrik mengitarikumparan hingga kumparan sinusoid.
Pada posisi sinusoid kumparan tidak mengalami perubahan garis gaya magnet
sehingga tidak ada listrik yang mengalir pada kumparan.
Pada posisi ini kumparan mendapat garis ± garis magnet maksimum.
Kumparan terus berputar hingga sisi biri bergerak kebawah dan sisi kuning
bergerak keatas.
Kumparan mengalami perubahan garis gaya magnet yang bertambah
banyak,sehingga padasetiap sisi kumparan mengalir arus listrik yang berlawanan
hingga posisi kumparansinusoidal.Kumparan terus berputar hingga sisi biru
bergerak ketas dan sisi kuning bergerak kebawah.
Agar menimbulkan medan magnet yang berpotongan dengan konduktor pada stator
rator diberi eksitasi.Karena ada dua kutub yang berbeda,utara dan selatan,maka
tegangan yangdihasilkan pada stator adalah tegangan bolak balik dengan
gelombang sinusoidal.
Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan
listrik untuk akhirnya digunakan masyarakat.
Konstruksi Generator
Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu
1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan
bolakbalik
2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang
menginduksikan ke stator.
Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi
bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang
terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat
meletakkan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan
tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah
udara sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron dapat dilihat pada
gambar berikut ini.
Jumlah Kutub pada Generator
Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan
frekuensi dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan
persamaan berikut ini.
f . p . n/120
Keterangan:
f = frekuensi tegangan (Hz)
p = jumlah kutub pada rotor
n = kecepatan rotor (rpm)