1

BAB IVGENERATOR DC

POKOK BAHASAN :

- Rangkaian ekivalen- Kurva maknetisasi- Eksitasi bebas, shunt dan seri- Kompon komulatif dan diferensial

Generator adalah sebuah mesin listrik yang dapat mengubah daya mekanis menjadi daya

listrik. Jika sepotong kawat terletak diantara kutub-kutub magnet, kemudian kawat

tersebut digerakannan, maka diujung kawat itu timbul gaya gerak listrik karena induksi.

Arah dari GGL ini mengikuti aturan tangan kanan.

Besar GGL induksi yang dibangkitkan oleh kumparan amartur sebanding dengan

besar flux yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet yang diperkuat dengan kumparan

medan, putaran mesin ( N) dan jumlah penghantar pada keseluruhan slot armatur,

beasrnya :

Ea=∅ x P x N x Z

a x 60=∅ x P x n x Z

a =

Dimana :

Θ = Flux perkutub satuannya [ weber]

N = Putaran Mesin ( rpm )

N = Putaran medan perdetik

P = Jumlah kutub magnet

a = Jumlah kelompok kumparan armatur yang tersambung paralel.

Z = Jumlah penghantar pada seluruh slot armatur

Rumus-Rumus dasar Generator DC :

Dari persamaan GGL bila untuk mencari putaran generator persamaan menjadi :

N=Ea x a x60∅ x P x Z

[rpm ]

Besar Daya output generator adalah :

P0 = Vt x Ia

2

Besar daya output armatur adalah :

Pa = Ea x Ia

Torque ( Kopel )

Jika jari-jari jangkar dari sebuah generator DC sebesar , mendapat gaya F, maka

kerja yang dilakukan oleh Gaya F dalam satu putaran adalah :

Besar Troque :

W = F x Jarak [ Nm]

W = F x 2 π r

Kerja yang dilakukan oleh Gaya F dalam putaran perdetik adalah :

W = F x 2 π r x n

Dimana

Ta = F x r dan

Wn = Kecepatan putar mekanik ( radian per detik )

= 2 π n

W = Pa = Ea. Ia

Jadi :

W = F x 2 π r x n

Ea. Ia = Ta x wn

T a=1

2πEa I a

n

T a=0.159 xEa I a

n

T a=0.117 xEa I a

n

T a=9,55 xPa

N

Dimana :

Ta = Torsi jangkat [ N.m]

N = Putaran Jangkar permenit [ rpm ]

N = Putaran jangkar perdetik [ rpd]

3

Hubungan torsi dan flux magnet :

T a=0,159 x ∅ x P x n x Za

1n

. I a

Atau biasa ditulis ; T a=C x∅ x I a

C = 0.159 x Z x P/a

∅ = Lux magnet [ webwer )

Ia = arus jangkar

Dalam Horse Power =

Generator DC dapat diklasifikasi menurut sistem eksitasinya :

- Generator DC eksitasi bebas- Generator DC Shunt- Generator Seri- Generator kompon komulatif - Generator kompon differensial

KILASAN MATERI : - Tinjauan fluks medan :

Generator DC dapat diklasifikasi menurut sistem eksitasinya := Generator eksitasi bebas, fluks medan dihasilkan oleh sumber yang terpisah

dari generator. = Generator DC Shunt, fluks medan dihasilkan oleh belitan medan yang paralel

dengan rangkaian armatur. = Generator DC Seri, fluks medan dihasilkan oleh belitan medan yang seri

dengan rangkaian armatur. = Generator kompon komulatif.Semua generator digerakkan oleh sumber energi mekanik yang disebut ”prime mover” (penggerak uama) berupa al: turbin uap, mesin diesel.

4

- Regulasi tegangan : VR=

V nl−V fl

V fl⋅100 %

- Reaksi jangkar : ℑ=N f⋅I f−ℑar ℑ .....(ggm penghasil fluks)Nf.......(jumlah lilitan belitan medan)If.........(arus medan)ℑar .....(ggm reaksi jangkar)

A. Generator DC eksitasi bebas- Generator eksitasi bebas :

I a=Il

V t=Ea−I a⋅Ra

Ea=K⋅φ⋅ω Il ....arus jala-jala

Pada Generator eksitasi bebas, fluks medan dihasilkan oleh sumber yang terpisah dari generator.

Generator eksitasi bebas dapat dikendalikan dengan mengubah tegangan internal mesin. Menurut huku khirchoff :

Vt=Ea−Ia. Ra Tegangan internal pada mesin:

Ea=K Φ.ω

Tegangan terminal dipengaruhi oleh:- Kecepatan putaran mesin- Arus pada penghasil medan

Total gaya magnetomotif pada generator eksitasi bebas adalah

Arus ekuivalen medan pada generator eksitasi bebas

5

Perbedaan kecepatan dari kurva magnetisasi dan kecepatan generator pada nyatanya dapat dihitung menggunakan perbandingan:

B. Generator DC shunt :

I a=Il+ I fV t=Ea−I a⋅Ra

I f=V t

R fEa=K⋅φ⋅ω

Pada proses pembangkitan ggl : Φ0 > 0 ...(fluks remanen)Ea0 = K.Φ0.ω …(ggl awal)

Ea=( Rf +Ra )⋅I f+L f⋅ddt

(I f )

V t=R f⋅I f+ Lf⋅ddt

( I f )

Lf.....(induktansi belitan medan)

Generator DC Shunt, fluks medan dihasilkan oleh belitan medan yang paralel dengan rangkaian armatur.

Proses pembangkitan generatorPembangkitan awal pada generator ini bergantung pada fluks residu. Fluks residu

ini akan mempengaruhi besarnya GGL awal

6

Tegangan akan muncul pada terminal sehingga menghasilkan arus pada koil dan timbul fluks yang menguatkan generator. Kenaikan fluks akan menaikan Ea. Tegangan terminal pun naik , arus koil naik dan seterusnya sampai keadaan steady state.

Ea=( Rf +Ra )⋅I f+L f⋅ddt

(I f )

V t=R f⋅I f+ Lf⋅ddt

( I f )

C. Generator DC seri : Pada generator seri besar arus dan tegangan sebagai berikut :

I a=I f=I l V t=Ea−I a⋅(Ra+R f )

fluks medan pada generator seri dihasilkan oleh belitan medan yang seri dengan rangkaian armatur.

D.E.F.G.H.I.

7

D. Generator kompon komulatif :

I fφ=I sh+ I eq I eq=

N s⋅I a−ℑar

N sh I a=I sh+ I lIfΦ .........(arus medan ekivalen penghasil fluks)Ns..........(jumlah lilitan belitan medan seri)Nsh.........(jumlah lilitan belitan medan shunt)Ish...........(arus medan shunt)

Kompon panjang : V t=Ea−I a⋅(Ra+Rs ) I sh=

V t

R sh

Kompon pendek : V t=Ea−I a⋅Ra−I l⋅R s

Generator kompon komulatif :Generator jenis ini mempunyai penguatan ganda yaitu penguatan seri dan shunt serta efek medan keduanya terhadap jangkar saling memperkuat

Kompon panjang

Arus total medan ekuivalen

8

Kompon pendek

V t=Ea−I a⋅Ra−I l⋅R s

Generator kompon diferensial :

I fφ=I sh−I eq I eq=

N s⋅I a+ℑar

N sh

Generator kompon diferensialGenerator jenis ini adalah generator dengan medan seri dan medan shunt, kedua medan ini saling melemahkan

9

Arus total medan ekuivalen

10

SOAL1. Sebuah Generator DC shunt mempunyai Daya output 200 K watt, tegangan

terminal 200 V dan tegangan armaturnya 300 V arus shunt 10 A.A) Gambar rangkaian ekivalennya B) Hitung arus armature ( Ia )C) Tahanan armature ( Ra )

Jawab:Rangkain ekivalen Generator DC shunt ( penggantinya )

Rangkaian Ekivalen Generator DC shunt dengan Beban ZL

Rangkaian Ekivalen Generator DC shuntdengan Tanpa Beban dengan Rf = 0

a). Gambar lihat pada Gambar Po = Vt x IL ----- > IL = Po / Vt = (200.000 /200) = 1000 A Ia = IL + Ish

= 1000 A + 10 A = 1010 A

b). Ea = Ia. Ra + Vt

Rsh

Rsh

Va

11

Ra = Ea−V t

I a=300−200

1010=0,9 …. ohm

2. Generator DC 4 kutub ( P)dengan belitan amatur bentuk simplex wave winding, mempunyai 792 penghantar pada seluruh slot (Z). Jika besar flux magnet per kutub 0,0121 weber dan tegangan terminal tanpa beban 240 volt (Vt), serta tegangan jatuh pada sikat diabaikan ( Vs=0) dan Ra = 2 ohm, tentukan besar kecepatan putar generator ( N ) tersebut.Jawab :Rumus Ea ( dari model rangakain ekivalen )

Ea = Ia. Ra + Vt + Vs

Pada generator tanpa beban berarti arus armatur Ia = 0 jadiEa = ( 0. 2) + 240 + 0

= 240 volt

Dimana dalam bentuk fisik / fisika :

Ea = ∅ x P x N x Z

ax 60

= 0,0121 x 4 x N x 792

2 x 60

Jadi putaran generator N = 751, 3 rpm ( rotate per minute )

3. Generator DC tipe kompond pendek daya output 22 Kwatt (Po), mempunyai tegangan terminal 220 volt ( Vt ), hambatan armatur 0,05 oh ( Ra), Hambatan kumparan medan seri 0,06 ohm (Rar ) dan hambatan medan shunt 110 ohm ( Rsh). Jika effisiensi ekonomis generator tersebut sebesar 88 % dan tegangan jatuh pada sikat diabaikan .Tentukana). Gambarkan Rangkaian ekivalen generator tersebutb) Hitung gerak listrik kumparan amaturc) Daya input ( Pin )d) kopel sumbu, bila putaran generator 3000 rpmJawab :a) Rangkaian ekivalen Generator DC kompond pendek

12

b) Gaya gerak listrik kumparan amatur ( Ea)

Ea = Ia. Ra x IL. Rar + Vt + Vs

Po = Vt x IL

22.000 watt = 220 volt x IL

IL = 22.000 / 220 = 100 Ampere Vsh = IL x Rar + Vt = ( 100 A x 0,06 ) + 220 = 226 volt Rangkaian paralel sehingga Vsh dapat dihitung dengan persamaan : Vsh = Ish. Rsh

Ish = V sh

R sh=226

110=2,05 A

Ia = Ish + IL ( Hukum ohm, lihat rangkai arah arus ) = 2,05 + 100 A = 102,05 A

Variabel untuk menghitung Ea sudah lengkap :

Ea = Ia. Ra x IL. Rar + Vt + Vs = ( 102,5 x 0,05 ) + (100 x 0,06 ) + 220 + 0 = 231,1 volt

c) Daya Input Generator : ηek = efisien ekonomis

ηek = P0

P¿

80 % = 22000

P¿

Vsh

13

Daya input generator : Pin = 25 Kwatt

d) Kopel sumbu ( Ta )

T a=9,55 P¿

N = 9,55 250003000 = 79,58 Nm

4. Sebuah generator kompond panjang bekerja pada putaran 3000 rpm memberikan daya keluaran 22 kwatt dan tegangan terminal 220 V

SOAL 5 Sebuah generator DC shunt mempunyai arus beban 195 A dan tegangan beban 250

volt. Besar hambatan armatur 0,02 ohm, hambatan kumparan shunt 50 ohm, serta rugi-

rugi gesek 950 watt

a).Tentukan rangkaian ekivalen

14

b) Gaya gerak listrik armatur ( Ea ), jika jatuh tegangan pada sikat (Vs) diabaikan Vsh = Vt ( rangkaian Paralel) = Ish x Rsh

Ish = V t

R sh=250

50=5 Ampere

Ia = IL + Ish

= ( 195 + 5 ) A = 200 AEa = Ia Ra + Vt + Vs

= ( 200 x 0,02 ) + 250 + 0 = 254 volt

c) Rugi tembaga totald). Daya inpute). Efisiensi ekonomis

Vsh

15

SOAL-SOAL LATIHAN:

Sebuah generator dc, 240 V, 100 A, dengan data sebagai berikut :Ea [V] 50 110 210 255 280 290If [A] 0.10 0.25 0.50 0.75 1 1.40

Rs = 0.04 Ohm, Rsh = 200 Ohm, Ra = 0.14 Ohm, Ns = 12, Nsh = 1500, n = 1200 rpmRadj = 0 – 300 Ohm.

1. Jika generator sebagai generator shunt :a. Berapa tegangan tanpa beban untuk Radj = 120 Ohm

b. Jika generaor shunt diatas diputar dengan 1200 rpm, torka ”input” 272 N-m, menghasilkan arus armatur 100 A, hitunglah : Vt, Ea, Pkonv, Pcu

2. Bila generator dihubungkan secara kompon komulatif dengan putaran 1200 rpm dan Radj = 120 Ohm,a. Berapa tegangan terminal tanpa beban

b. Tentukan regulasi tegangannya.

16

3. Kalau generator soal 2) dilepaskan belitan shuntnya, kemudian dibebani 50 A, berapa kecepatan putaran rotornya.

4. Dua buah generator eksitasi bebas masing-masing 20 KW, 230 V, Ra = 0.03 Ohm, dan 15 KW, 240 V, Ra = 0.06 Ohm. Tegangan kedua nya dibangkitkan 230 V tanpa beban.a. Apabila keduanya dipasang paralel untuk mencatu beban 100 A, berapakah

tegangan terminal sistem ini

b. Jika generator II dinaikkan arus medannya agar naik gglnya 240 V, berapakah tegangan terminal sistem sekarang