Generator DC

Pendahuluan

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Secara umum generator DC tidak berbeda dengan motor DC kecuali pada arah aliran daya. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.

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.

gambar.1

Prinsip Kerja Generator DC

Generator listrik juga menggunakan fenomena hukum Faraday mengenai induksi elektromagnetik. Hukum Faraday menyebutkan jika terjadi perubahan garis gaya magnet pada sebuah kumparan kawat, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl) pada kawat tersebut. Jika kumparan kawat dihubungkan dengan rangkaian listrik tertutup, maka akan timbul pula arus listrik yang mengalir pada rangkaian.

Generator DC memiliki komponen yang sama persis dengan motor listrik DC. Rotor generator diskemakan dengan sebuah kawat angker penghantar listrik (armature) yang membentuk persegi panjang. Pada kedua ujung kawat angker terpasang komutator berbentuk lingkaran yang terbelah menjadi dua, komponen ini sering kita dengar dengan sebutan cincin belah. Cincin belah termasuk bagian dari rotor, sehingga ia ikut berputar dengan rotor. Sedangkan stator generator tersusun atas dua magnet dengan kutub berbeda yang saling berhadapan. Pada bagian yang kontak langsung dengan cincin belah, stator dilengkapi dengan sikat karbon yang berfungsi untuk menghubungkan arus listrik yang dibangkitkan pada kawat angker ke rangkaian di luar generator.

gambar.2

Grafik pada gambar.3 menunjukkan besar voltase gaya gerak listrik yang dibangkitkan oleh sebuah generator dengan satu lilitan kawat angker pada beberapa posisi lilitan. Terlihat bahwa grafik berbentuk setengah gelombang yang selalu berulang secara periodik. Nilai voltase pada setiap waktu adalah positif, hal ini dikarenakan arus yang dibangkitkan oleh generator DC yang selalu searah.

gambar.3

Pada aplikasinya, generator DC selalu menggunakan lebih dari satu lilitan kawat angker. Penggunaan banyak lilitan ini akan menghasilkan voltase yang semakin stabil di setiap waktu. Celah yang ada di tiap tengah-tengah gelombang voltase akan semakin tertutup. Semakin banyak jumlah lilitan, akan semakin tertutupi celah-celah tersebut. Gambar berikut adalah generator dengan empat lilitan, tampak grafik voltasenya menjadi semakin rata dan stabil.

Skema Generator dengan Empat Lilitan Armature

Grafik Voltase Generator dengan Empat Lilitan Armature

Grafik pada gambar. menunjukan voltase pada generator empat lilitan, listrik keluaran yanng dihasilkan lebih stabil.

Menghitunng Besarnya GGL Yang Dihasilkan

Hukum Faraday : Besarnya ggl induksi pada rangkaian tergantung pada jumlah penghantar dalam rangkaian dan nilai perubahan flux magnetik yang melingkupi penghantar.

secara matematis persamaan ggl induksi dapat dinyatakan sebagai

Pada generator, persamaan gaya gerak listrik yang dihasilkan adalah

Pada generator tertentu, parameter pada persamaan 2 bernilai konstan

kecuali flux dan n. Sehingga

dimana: E GGL yang dibangkitkan

              N Jumlah lilitan

              t waktu

              p Jumlah kutub medan magnet

              Z jumlah konduktor total pada jangkar (induktor)

              Φ flux setiap kutub weber

              n kecepatan putaran jangkar per menit

              b jumlah jalur paralel melalui jangkar (tergantung pada tipe

                   lilitan)

Jenis-jenis Generator DC

1. Generator berpenguatan bebas

Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak tergantung dari mesin. Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan meni mbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator

Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:

Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :

• Tegangan jepit (V)

• Arus eksitasi (penguatan)

• Arus jangkar (Ia)

• Kecepatan putar (n)

2. Generator Berpenguat sendiri

 Ada dua jenis generator berpenguat sendiri

a. Generator 

   Seri Disebut generator DC seri karena rangkaian exitasi (penguat) disambung secara seri dengan jangkarnya. Sehingga arus medan (Is) sama dengan arus jangkar (Ia) sama dengan arus beban (IL).

persamaan generator seri

rangkaian generator seri

b. Generator Shunt

Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan :

• Adanya sisa magnetik pada sistem penguat
• Hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hingga arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada. Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau:
• Sisa magnetik tidak ada. Misal: Pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetic adalah pada generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatan bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputrannominal
• Hubungan medan terbalik, Karena generator diputar oleh arah yang salah dan dijalankan, sehingga arus medan tidak memperbesar nilai fluksi. Untuk memperbaikinya denganhubungan-hubungan perlu diubah dan diberi kembali sisa magnetik, seperti carauntuk memberikan sisa magnetik
• Tahanan rangkaian penguat terlalu besar. Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan, hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau komutator kotor.

rangkaian generator shunt

3. Generator Kompon

Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yangdimiliki merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisadihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaandari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau daritegangan terminal kecil sekali dan terpengaruh. 

Aliran Daya dan E siensi

Aliran daya untuk mesin arus searah terlihat pada gambar dibawah. Disini digambarkan aliran daya untuk motor ,sedangkan untuk generator aliran daya adanya sebaliknya.

E siensi pada mesin arus searah dapat dituliskan sebagai:

Rugi-Rugi Mesin Arus Searah 

Rugi-rugi yang terjadi pada mesin arus searah adalah:

•  Rugi besi,yang terdiri dari rugi histeris dan rugi arus eddy
•  Rugi listrik yang dikenal sebagai rugi tembaga, terdiri dari : 
• rugi-rugi pada kumparan medan shunt, (Vf If ) terdiri dari rugi pada rheostat I2f Rh dan rugi pada lilitan medan I2f Rf .
• rugi-rugi pada kontak sikat IaVsi
• rugi-rugi pada jangkar I2Ra
• rugi-rugi pada kumparan medan seri I2sRs + I2dRD
• rugi-rugi pada lilitan-lilitan medan tambahan,misalnya lilitan interpolasi
• dan konpensasi.
• Rugi-rugi mekanik terdiri dari rugi geser pada sikat,rugi geser pada sumbu dan rugi angin