Generator
description
Transcript of Generator
PENGERTIAN
Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik,
biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik.
Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui
sebuah sirkuit listrikeksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel
lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak
menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap,
air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin
angin, engkol tangan, energi surya ataumatahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi
mekanik yang lain.
Sebelum hubungan antara magnet dan listrik ditemukan, generator menggunakan
prinsip elektrostatik. Mesin Wimshurst menggunakan induksi elektrostatik atau "influence".Generator
Van de Graaff menggunakan salah satu dari dua mekanisme:
Penyaluran muatan dari elektrode voltase-tinggi
Muatan yang dibuat oleh efek triboelektrisitas menggunakan pemisahan dua insulator
Faraday
Pada 1831-1832 Michael Faraday menemukan bahwa perbedaan potensial dihasilkan antara ujung-
ujung konduktor listrik yang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet. Dia membuat generator
elektromagnetik pertama berdasarkan efek ini menggunakan cakram tembaga yang berputar antara
kutub magnet tapal kuda. Proses ini menghasilkan arus searah yang kecil.
Desain alat yang dijuluki ‘cakram Faraday’ itu tidak efisien dikarenakan oleh aliran arus listrik yang
arahnya berlawanan di bagian cakram yang tidak terkena pengaruh medan magnet. Arus yang diinduksi
langsung di bawah magnet akan mengalir kembali ke bagian cakram di luar pengaruh medan magnet.
Arus balik itu membatasi tenaga yang dialirkan ke kawat penghantar dan menginduksi panas yang
dihasilkan cakram tembaga. Generator homopolar yang dikembangkan selanjutnya menyelesaikan
permasalahan ini dengan menggunakan sejumlah magnet yang disusun mengelilingi tepi cakram untuk
mempertahankan efek medan magnet yang stabil. Kelemahan yang lain adalah amat kecilnya tegangan
listrik yang dihasilkan alat ini, dikarenakan jalur arus tunggal yang melalui fluks magnetik.
Dynamo
Dinamo adalah generator listrik pertama yang mampu mengantarkan tenaga untuk industri, dan masih
merupakan generator terpenting yang digunakan pada abad ke-21. Dinamo menggunakan
prinsip elektromagnetisme untuk mengubah putaran mekanik menjadi listrik arus bolak-balik.
Dinamo pertama berdasarkan prinsip Faraday dibuat pada 1832 oleh Hippolyte Pixii, seorang pembuat
peralatan dari Perancis. Alat ini menggunakan magnet permanen yang diputar oleh sebuah "crank".
Magnet yang berputar diletakaan sedemikian rupa sehingga kutub utara dan selatannya melewati
sebongkah besi yang dibungkus dengan kawat. Pixii menemukan bahwa magnet yang berputar
memproduksi sebuah pulsa arus di kawat setiap kali sebuah kutub melewati kumparan. Lebih jauh lagi,
kutub utara dan selatan magnet menginduksi arus di arah yang berlawanan. Dengan menambah
sebuah komutator, Pixii dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.
Dinamo Gramme
Namun, kedua desain di atas menderita masalah yang sama: mereka menginduksi "spike" arus diikuti
tanpa arus sama sekali. Antonio Pacinotti, seorang ilmuwan Italia, memperbaikinya dengan mengganti
kumparan berputar dengan yang "toroidal", yang dia ciptakan dengan mebungkus cincin besi. Ini berarti
bahwa sebagian dari kumparan terus melewati magnet, membuat arus menjadi lancar. Zénobe
Gramme menciptakan kembali desain ini beberapa tahun kemudian ketika mendesain pembangkit listrik
komersial untuk pertama kalinya, di Paris pada 1870-an. Desainnya sekarang dikenal dengan
nama dinamo Gramme. Beberapa versi dan peningkatan lain telah dibuat, tetapi konsep dasar dari
memutar loop kawat yang tak pernah habis tetap berada di hati semua dinamo modern.
PRINSIP GENERATOR
- Bila hanya sebuah konduktor saja yang diputar dalam sebuah medan magnet, maka gaya listrik yang
dihasilkan juga sedikit (kecil).
- Bila konduktor yang digunakan semakin banyak maka akan dihasilkan gaya listrik semakin besar.
Demikian pula bila konduktor diputar semakin cepat di dalam medan magnet, maka bertambah besar
pula gaya listriknya.
- Konduktor yang berbentuk coil (kumparan), jumlah gaya listrik yang terjadi akan semakin besar.
Ada 2 cara untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, yaitu dengan:
1. Generator arus searah (DC Generator)
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam/tidak bergerak, 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.
Prinsip kerja generator DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya
tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah
(komutator).
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan
memendek dan harus diganti secara periodik/berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa
sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas
halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.
Konstruksi Generator DC
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor,
regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan
rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang
konstruksi generator DC.
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor,
regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan
rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang
konstruksi generator DC.
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu 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.
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan
memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa
sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas
halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang. Pada umumnya generator DC dibuat dengan
menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap
beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor.
Prinsip kerja Generator DC
Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialah Percobaan Faraday. Percobaan
Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL Induksi apabila jumlah
garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah.
Ada 3 hal pok ok terkait dengan GGL Induksi ini, yaitu :
1. Adanya flux magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.
2. Adanya kawat penghantar yang merupakan tempat terbentuknya EMF.
3. Adanya perubahan flux magnet yang melewati kawat penghantar listrik.
Pada gambar tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF.
- Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-B dan C-D
terletak tegak lurus pada arah fluks magnet.
- Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang
sejajar dengan sisi A-B dan C-D.
- GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks
magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar :
Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus
induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin
belah (komutator).
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
• Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2
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.
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 positip.
• 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).
2. Generator arus bolak balik (AC Generator)
Adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik bolak balik (AC).
Generator AC
Bagian utama generator AC terdiri atas: magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser,
dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di
dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan
menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya
arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat.
Contoh generator AC yang akan sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda.
Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika
magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah
lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan. lampu
tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin
terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang).
KONSTRUKSI GENERATOR
Generator terdiri dari dua bagian yang paling utama, yaitu:
1. Bagian yang diam (stator).
2. Bagian yang bergerak (rotor).
A. Bagian yang diam (Stator)
Bagian yang diam (stator) terdiri dari beberapa bagian, yaitu:
1. Inti stator.
Bentuk dari inti stator ini berupa cincin laminasi-laminasi yang diikat serapat mungkin untuk
menghindari rugi-rugi arus eddy (eddy current losses). Pada inti ini terdapat slot-slot untuk
menempatkan konduktor dan untuk mengatur arah medan magnetnya.
2. Belitan stator.
Bagian stator yang terdiri dari beberapa batang konduktor yang terdapat di dalam slot-slot dan ujung-
ujung kumparan. Masing-masing slot dihubungkan untuk mendapatkan tegangan induksi.
3. Alur stator.
Merupakan bagian stator yang berperan sebagai tempat belitan stator ditempatkan.
4. Rumah stator.
Bagian dari stator yang umumnya terbuat dari besi tuang yang berbentuk silinder. Bagian belakang dari
rumah stator ini biasanya memiliki sirip-sirip sebagai alat bantu dalam proses pendinginan.
B. . Bagian yang bergerak (Rotor)
Rotor adalah bagian generator yang bergerak atau berputar. Antara rotor dan stator dipisahkan oleh
celah udara (air gap). Rotor terdiri dari dua bagian umum, yaitu:
1. Inti kutub
2. Kumparan medan
Pada bagian inti kutub terdapat poros dan inti rotor yang memiliki fungsi sebagai jalan atau jalur fluks
magnet yang dibangkitkan oleh kumparan medan. Pada kumparan medan ini juga terdapat dua bagian,
yaitu bagian penghantar sebagai jalur untuk arus pemacuan dan bagian yang diisolasi. Isolasi pada
bagian ini harus benar-benar baik dalam hal kekuatan mekanisnya, ketahanannya akan suhu yang tinggi
dan ketahanannya terhadap gaya sentrifugal yang besar.
Konstruksi rotor untuk generator yang memiliki nilai putaran relatif tinggi biasanya menggunakan
konstruksi rotor dengan kutub silindris atau ”cylinderica poles” dan jumlah kutubnya relatif sedikit (2, 4,
6). Konstruksi ini dirancang tahan terhadap gaya-gaya yang lebih besar akibat putaran yang tinggi.
Untuk putaran generator yang relatif rendah atau sedang (kurang dari 1000 rpm), dipakai konstruksi
rotor dengan kutub menonjol atau ”salient pole” dengan jumlah kutub-kutub yang relatif banyak.
Pada prinsipnya, salah satu dari penghantar atau kutub-kutub ini dibuat sebagai bagian yang tetap
sedangkan bagian-bagian yang lainnya dibuat sebagai bagian yang berputar.
SISTEM PENGISIAN
Sistem Pengisian adalah sistem yang berfungsi menyediakan atau menghasilkan arus listrik yang
dimanfaatkan oleh komponen kelistrikan pada kendaraan dan sekaligus mengisi ulang arus pada baterai.
Pada sistem pengisian terdiri dari 3 komponen penting, yaitu: baterai, regulator, dan alternator.
A. BATERAI
Baterai berfungsi untuk menyimpan arus listrik dan juga sebagai sumber arus listrik pada saat mesin
kendaraan belum hidup.
Baterai pada kendaraan merupakan sumber listrik arus searah. Sifat muatannya adalah akan habis jika
dipakai terus secara kontinu. Padahal keperluan arus listrik bagi perlengkapan kendaraan adalah setiap
saat,utamanya akan banyak dihabiskan oleh sistem starter. Muatan listrik baterai akan berkurang
bahkan habis apabila komponen kelistrikan kendaraan dihidupkan saat mesin mati.Dengan demikian
agar baterai selalu siap pakai dalam arti muatannya selalu penuh, maka harus ada suatu sistem yang
dapat mengisi ulang muatan. Nah sistem pengisian inilah yang mempunyai fungsi tersebut.Sistem
pengisian bekerja apabila mesin dalam keadaan berputar. Selama mesin hidup sistem pengisian yang
akan menyuplai arus listrik bagi semua komponen kelistrikan yang ada, namun jika pemakaian arus tidak
terlalu banyak dan ada kelebihan arus, maka arus akan mengisi muatan di baterai. Dengan demikian
baterai akan selalu penuh muatan listriknya. Arus yang dihasilkan oleh sistem pengisian adalah arus
bolak balik. Padahal semua sistem dan komponen kelistrikan kendaraan memakai arus searah. Diodalah
yang berfungsi menyearahkan arus bolak balik.
B. REGULATOR
Regulator berfungsi sebagai pengontrol arus dan pembatas tegangan pengisian.
Terdiri dari :
Voltage regulator untuk mengatur tegangan
Voltage relay untuk mematikan lampu CHG ( charging )
C. ALTERNATOR
Alternator sebagai pembangkit arus dan bersama sama dengan baterai untuk menghasilkan listrik ketika
mesin dihidupkan.
Tegangan yang dihasilkan oleh alternator adalah tegangan AC, kemudian dikonversi/diubah menjadi
tegangan DC.
Adapun bagian-bagian dari alternator sebagai berikut:
a. Kipas, sebagi pendingin
b. Pully, sebagai tempat v-belt
c. Stator, merupakan lilitan yang diam
d. Rotor, merupakan lilitan yang bergerak
e. Sikat, sebagai penghantar arus
Prinsip kerja:
Alternator digerakkan oleh mesin melalui v-belt. Jika arus dari baterai mengalir ke rotor melalui
regulator, maka akan terjadi kemagnetan pada lilitan rotor. Selanjutnya jika mesin berputar, rotor juga
berputar. Hal ini menyebabkan terjadinya induksi tegangan dari rotor ke kumparan stator. Pada
kumparan stator akan dibangkitkan tegangan arus bolak balik yang selanjutnya disearahkan oleh dioda.
Arus yang sudah disearahkan akan disalurkan ke baterai. Adapun pengaturan besar kecilnya tegangan
pengisian diatur oleh regulator.
Sitem pengisian dengan regulator tipe kontak point
Cara kerja sistem pengisian:
A. Saat kunci “On” mesin mati.
Bila kunci kontak diputar ke posisi “On” arus dari baterai mengalir ke rotor dan mempengaruhi rotor
coil. Arus baterai juga mengalir ke lampu pengisian (CHG), akibatnya lampu “On”.
Secara keseluruhan arus yang mengalir adalah sebagai berikut:
a. Arus yang ke field coil
Termial (+) baterai → fusible link → kunci kontak (IG switch) → sekering →terminal IG regulator → point
PL₁ → point PL₀ → terminal F regulator → termial F alternator → brush → slip ring → rotor coil →slip
ring →brush →terminal E alternator →massa → bodi.
Akibatnya rotor timbul kemgnetan yang selanjutnya arus ini disebut arus medan (field current).
b. Arus ke lampu charge
Terminal (+) baterai→fusible link→sakelar kunci kontak IG (IG switch)→sekering→lampu CHG→terminal
L regulator→titik kontak P₀→titik kontak P₁→terminal E regulator→massa bodi.
B. Mesin hidup kecepatan rendah
Setelah mesin hidup dan rotor berputar tegangan/voltage dibangkitkan dalam stator coil dan tegangan
netral digunakan untuk voltage relay akibatnya lampu charge mati. Pada waktu yang sama tegangan
yang dikeluarkan beraksi pada voltage regulator. Arus medan (field current) yang ke rotor dikontrol dan
disesuaikan dengan tegangan yang dikeluarkan terminal B yang beraksi pada voltage regulator.
Demikian salah satu arus medan akan menembus atau tidak menembus resistor R, tergantung pada
keadaan titik kontak PL₀.
Bila gerakan P₀ dari voltge relay berhubungan dengan P₂, maka sirkuit sebelum dan sesudah lampu
pengisian (charge) tegangannya sama besar. Sehingga arus tidak akan ke lampu dan akhirnya lampu
mati.
Jadi pada saat mesin berputar antara kecepatan rendah sampai menengah terdapat 2 tegangan dan 2
arus, yaitu:
1. Tegangan Neutral
2. Tegangan output (Output Voltage)
3. Arus yang ke Field (Field Current)
4. Arus keluar (Output Current)
Untuk lebih jelasnya perhatikan aliran arus pada masing-masing peristiwa di bawah ini.
1. Tegangan Neutral (Neutral Voltage)
Terminal N alternator→terminal N regulator→magnet coil dari voltage relay→terminal E
regulator→massa bodi.
Akibatnya pada magnet coil dari voltage relay akan terjadi kemagnetan dan dapat menarik titik kontak
P₀ dari P₁ dan selanjutnya P₀ akan bersatu dengan P₂. Dengan demikian lampu pengisian (charge) jadi
mati.
2. Tegangan Output (Output Voltage)
Terminal B alternator→terminal B regulator→titik kontak P₂→kontak P₀→magnet coil dari voltage
regulator→terminal E regulator→massa bodi.
Akibatnya pada coil voltage regulator timbul kemagnetan yang dapat mempengaruhi posisi dari titik
kontak (Point) PL₀. Dalam hal ini PL₀ akan tertarik dari PL₁, sehingga pada kecepata sedang PL₀ akan
mengambang.
3. Arus yang ke Field (Field Current)
Terminal B alternator→IG switch→Fuse→teminal IG regulator→
point PL₁→ponit PL₀→resistor R→terminal F regulator→terminal F alternator→rotor coil→terminal E
alternator→massa bodi.
Dalam hal ini jumlah arus/tegangan yang memasuki rotor coil bisa melalui 2 saluran:
a. Bila emagnetan di voltage regulator besar dan mampu menarik PL₀ dari PL₁ maka arus yang ke rotor
coil akan melalui resistor R. Akibatnya arus akan kecil dan kemagnetan yang ditimbulkan rotor coil juga
kecil/berkurang.
b. Sedangkan bila kemagnetan pada voltage regulator lemah dan PL₀ tidak tertarik dari PL₁, maka arus
yang rotor coil akan tetap melalui point PL₁→ point PL₀. Akibatnya arus tidak melalui resistor dan arus
yang masuk ke rotor coil akan normal kembali.
4. Arus keluar (Output Current)
Terminal B alternator→baterai dan beban→massa bodi.
C. Mesin hidup kecepatan tinggi
Jika putaran mesin bertambah, voltage yang dihasilkan oleh kumparan stator naik dan gaya tarik dari
kemgnetan kumparan voltage regulator menjadi lebih kuat.
Dengan gaya tarik yang lebih kuat, field current yang ke rotor akan mengalir terputus-putus
(intermittently). Dengan kata lain, gerakan titik kontak PL₀ dari voltage regulator kadang-kadang
membuat hubungan dengan PL₂.
Pergerakan titik kontak PL₀ pada regulator berhubungn dengan titik kontak PL₂, field current akan
dibatasi. Bagaimanapun juga P₀ dari voltage relay tidak akan dari point P₂, sebab tegangan neutral
terpelihara dalam sisa flux dari rotor.
Aliran arusnya adalah sebagai berikut:
a. Voltage Neutral (tegangan netral)
Terminal N alternator→terminal N regulator→magnet coil dari voltage relay→ terminal E
regulator→massa bodi.
Arus ini juga sering disebut neutral voltage.
b. Output Voltage
Terminal B alternator→terminal B regulator→point P₂ →point P₀ →magnet coil dari N
regulator→terminal E regulator.
Inilah yang disebut dengan Output Voltage.
c. Tidak ada arus ke Field Current
Terminal B alternator→IG switch→fuse→terminal IG regulator → resitor R→terminal F
regulator→terminal F alternator→rotor coil→ atau→point PL₀→point P₂→ground (no FC)→terminal E
alternator→ massa (F current).
Bila arus resistor R mengalir→terminal F regulator→terminal F alternator→rotor coil→massa, akibatnya
ada arus yang ke rotor tapi kalau PL₀ menempel ke PL₂ maka arus mengalir ke massa sehingga yang ke
rotor coil tidak ada arus yang mengalir.
d. Output Current
Terminal B alternator→baterai/load→massa.