Generator

24 Nov
2.7 Generator

Generator merupakan sumber utama energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan konverter terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang dihasilkan generator bersifat bolak-balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan.

Generator adalah suatu mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya. Hukum tangan kanan Fleming (Gambar 2.11) 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


 Gambar 2.11: Kaidah tangan kanan Fleming.

Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan. Jumlah tegangan yang diinduksikan pada penghantar saat penghantar bergerak pada medan magnet tergantung pada :

  1. Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang diinduksikan.
  2. Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, makin cepat maka semakin besar tegangan yang diinduksikan.
  3. Sudut perpotongan, pada sudut 90 derajat tegangan induksi maksimum dan tegangan kurang bila kurang dari 90 derajat.
  4. Panjang penghantar pada medan magnet.

Terdapat dua jenis konstruksi dari generator (AC), jenis medan diam atau medan magnet dan medan magnet dibuat berputar. Pada medan magnet diam secara umum kapasitas ampere relatif kecil dan ukuran tegangan kerja rendah, jenis ini mirip dengan generator DC kecuali terdapat slips ring sebagai alat untuk pengganti komutator. Sedangkan pada generator jenis medan magnet berputar dapat menyederhanakan masalah pengisolasian tegangan yang dibangkitkan secara umum sebesar 18.000 volt sampai 24.000 volt, generator medan berputar mempunyai jangkar diam yang disebut stator. Siklus tegangan yang dibangkitkan tergantung pada jumlah kutub yang digunakan pada magnet, pada generator yang menggunakan dua kutub dapat membangkitkan satu siklus tegangan sedangkan pada generator dengan empat kutub dapat menghasilkan dua siklus tegangan. Sehingga terdapat perbedaan antara derajat mekanis dan derajat listrik. Derajat mekanik adalah apabila kumparan atau penghantar jangkar berputar satu kali penuh atau 360 derajat mekanis sedangkan derajat listrik adalah jika GGL atau arus bolak-balik melewati satu siklus berarti telah melewati 360 derajat waktu.


2.7.1 Generator Ac (Alternator)

Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (AC), karenanya, generator AC adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator AC, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.

 2.7.2 Dasar-dasar Generator AC

Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik AC maupun DC, bergantung kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah kumparan sebagai hasil dari (1) kumparan yang memotong medan magnet, atau (2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan. Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet, tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksi tegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan medan magnet, semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator.

2.7.3 Rotating-Armature Alternator

Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.

2.7.4 Rotating-Field Alternators

Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan sistem belitan armature (gambar 2.12) stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban.

Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk di isolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi. Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.

Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada inti ini.

Gambar 2.12 Jenis – jenis Generator AC (http://www.adtdl.army.mil/cgi-bin/atdl.dll/fm/55-509-1/Ch13.htm)

2.7.5 Fungsi-Fungsi Komponen Alternator

Secara umum generator ac (Gambar 2.13 ) medan berputar terdiri atas sebuah alternator dan sebuah generator dc kecil yang dibangun dalam satu unit. Keluaran dari alternator merupakan tegangan ac untuk menyuplai beban dan generator dc dikenal sebagai exciter untuk menyuplai arus searah bagi medan putar.

 

Gambar 2.13 Generator ac dan schematic-nya

Exciter adalah sebuah generator dc eksitasi sendiri dengan belitan shunt. Medan exciter menghasilkan intensitas fluks magnetic antara kutub-kutubnya. Ketika armature exciter berotasi dalam fluks medan exciter, tegangan diinduksikan dalam belitan armature exciter. Keluaran dari komutator exciter dihubungkan melalui sikat dan slip ring ke medan alternator. Karena arusnya adalah arus searah, maka arus selalu mengalir dalam satu arah melalui medan alternator. Sehingga, medan magnet dengan polaritas tetap selalu terjadi sepanjang waktu dalam belitan medan alternator. Ketika alternator diputar, fluks magnetiknya dilalukan sepanjang belitan armature alternator. Tegangan bolak balik pada belitan armature generator ac dihubungkan ke beban melalui terminal.

2.7.6 Prime Mover (Penggerak Utama)

Semua generator, besar dan kecil, ac dan dc, membutuhkan sebuah sumber daya mekanik untuk memutar rotornya. Sumber daya mekanis ini disebut prime mover. Prime mover dibagi dalam dua kelompok yaitu untuk high-speed generator dan low-speed generator. Turbin gas dan uap pada PLTG dan PLTU adalah penggerak utama berkecepatan tinggi sementara mesin pembakaran dalam (internal combustion engine), air pada PLTA, kincir angin dan motor listrik dianggap sebagai prime mover berkecepatan rendah.

Jenis prime mover memainkan peranan penting dalam desain alternator karena kecepatan pada mana rotor diputar menentukan karakteristik operasi dan konstruksi alternator.

 2.7.7 Rotor Alternator

Ada dua jenis rotor yang digunakan untuk alternator medan berputar yaitu turbine-driven dan salient-pole rotor. Jenis turbine-driven digunakan untuk kecepatan tinggi dan salient-pole untuk kecepatan rendah. Belitan pada turbine-driven rotor disusun sedemikian rupa sehingga membentuk dua atau empat kutub yang berbeda. Belitan-belitan tersebut dilekatkan erat-erat di dalam slot agar tahan terhadap gaya sentrifugal pada kecepatan tinggi.

Salient-pole rotor seringkali terdiri dari beberapa kutub yang dibelit terpisah, dibautkan pada kerangka rotor. Salient-pole rotor mempunyai diameter yang lebih besar dari turbine-driven rotor. Pada putaran per menit yang sama, salient-pole memiliki gaya sentrifugal yang lebih besar. Untuk menjaga keamanan dan keselatan sehingga belitannya tidak terlempar keluar mesin, salient-pole hanya digunakan pada aplikasi keceparan rendah.

2.7.8 Karakteristik Alternator dan Batasannya

Alternator di-rating berdasarkan tegangan yang dihasilkannya dan arus maksimum yang mampu diberikannya. Arus maksimum tergantung kepada rugi-rugi panas dalam armature. Rugi panas ini (rugi daya I2R) akan memanaskan konduktor, dan jika berlebihan akan merusak isolasi. Karenanya, alternator di-rating sesuai dengan arus ini dan tegangan keluarannya – dalam volt-ampere atau untuk skala besar dalam kilovolt-ampere.Informasi mengenai kecepatan rotasinya, tegangan yang dihasilkan, batas arusnya dan karakteristik lainnya biasanya ditempelkan pada badan mesin – nameplate.

 2.7.9 Frekuensi

Frekuensi keluaran dari tegangan alternator tergantung kepada kecepatan rotasi dari rotor dan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggi pula frekuensinya. Semakin lambat, semakin rendah pula frekuensinya. Semakin banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pula frekuensinya pada kecepatan tertentu.

Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga dua kutub berdekatan (utara dan selatan) telah melewati satu belitan, tegangan yang diinduksikan dalam belitan tersebut akan bervariasi hingga selesai satu siklus. Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakin banyak jumlah kutub, semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskan sebagai berikut, misalkan; sebuah generator dua kutub harus berotasi dengan kecepatan empat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutub untuk menghasilkan frekuensi yang sama dari tegangan yang dibangkitkan. Frekuensi pada semua generator ac dalam satuan hertz (Hz), yaitu banyaknya siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutub dan kecepatan rotasi sesuai dengan persamaan berikut:

    ( 2.22 )

Dimana :

P     = jumlah kutub,

N     = kecepatan rotasi dalam revolusi per menit (rpm) dan 120 adalah sebuah konstanta untuk konversi dari menit ke detik dan dari jumlah kutub ke jumlah pasangan kutub. Sebagai contoh, sebuah alternator dua kutub, 3600 rpm mempunyai frekuensi 60 Hz, ditentukan sebagai berikut:

Sebuah generator empat kutub dengan kecepatan 1800 rpm juga bekerja pada frekuensi 60 Hz.

Sebuah generator enam kutub 500 rpm mempunyai frekuensi

Sebuah generator 12 kutub dengan kecepatan 4000 rpm mempunyai frekuensi

 2.7.10 Pengaturan Tegangan

Ketika beban pada generator berubah, tegangan terminal pun ikut berubah. Besarnya perubahan tergantung pada desain generator.

Pengaturan tegangan pada sebuah alternator adalah perubahan tegangan dari beban penuh ke tanpa beban, dinyatakan sebagai persentase tegangan beban penuh, ketika kecepatan dan arus medan dc tetap konstan.

    ( 2.23 )

Anggap bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dan tegangan beban penuh adalah 220 volt. Persen regulasi adalah:

Untuk di ingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baik pula regulasinya untuk kebanyakan aplikasi.

 2.7.11 Prinsip Pengaturan Tegangan AC

Di dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik di induksikan dalam belitan armature ketika medan magnet melewati belitan ini. Besarnya tegangan yang diinduksikan ini tergantung kepada tiga hal yaitu: (1) jumlah konduktor dengan hubungan seri pada setiap belitan, (2) kecepatan (rpm generator) pada mana medan magnet memotong belitan, dan (3) kekuatan medan magnet. Salah satu dari factor ini dapat digunakan untuk pengaturan tegangan yang diinduksikan dalam belitan alternator.

Jumlah belitan, tentu saja tidak berubah tetap ketika alternator diproduksi. Juga, jika frekuensi keluaran harus konstan, maka kecepatan medan putar haruslah konstan pula. Ini mengakibatkan penggunaan rpm alternator untuk pengaturan tegangan keluaran menjadi tidak diperbolehkan.

Sehingga, metode praktis untuk melakukan pengaturan tegangan adalah dengan mengatur kekuatan medan putar. Kekuatan medan elektromagnetik ini dapat berubah seiring dengan perubahan besarnya arus yang mengalir melalui kumparan medan. Ini dapat dicapai dengan mengubah-ubah besarnya tegangan yang dikenakan pada kumparan medan.

2.7.12 Operasi Paralel Alternator

Alternator dapat dihubungkan secara parallel untuk (1) meningkatkan kapasitas keluaran dari suatu system melebihi apa yang didapat dari satu unit, (2) berfungsi sebagai daya cadangan tambahan untuk permintaan yang suatu ketika bertambah, atau (3) untuk pemadaman satu mesin dan penyalaan mesin standby tanpa adanya pemutusan aliran daya.

Ketika alternator-alternator yang sedang beroperasi pada frekuensi dan tegangan terminal yang berbeda, kerusakan parah dapat terjadi jika alternator-alternator tersebut secara mendadak dihubungkan satu sama lain pada satu bus yang sama (satu titik hubung). Untuk menghindari ini, mesin-mesin tersebut harus di sinkronkan dahulu sebelum disambungkan bersama-sama. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan satu generator ke bus (bus generator), dan mensinkronkan generator lainnya sebelum keduanya disambungkan.

Generator dikatakan sinkron jika memenuhi kondisi berikut :

  • Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel kekuatan medan bagi generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian (disambungkan).
  • Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan prime mover dari generator yang hendak disambungkan.
  • Urutan fasa tegangan yang sama.

 Generator Specification

rectifier

Satu Tanggapan to “Generator”

  1. Andi Aryatno 24 November 2011 pada 15:16 #

    Follow Blog saya, ntar saya FolBack. . . ,
    Salam. . .🙂

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: