Generator
DC merupakan sebuah perangkat mesin
listrik dinamis yang
mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus
DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan
dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker),
jenis generator DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
1.
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.
Gambar 1. Konstruksi Generator DC
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu:
1.stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, Bagian stator terdiri dari: rangka
motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box.
2.rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar, bagian rotor terdiri dari:
komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Sedangkan 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.
2.Komponen-komponen Penyusun Generator DC
1).Piringan
tutup
Piringan
tutup pada ujung-ujung rumah sebagai dudukan bantalan-bantalan sebagai tempat
berputarnya armatur. Bantalan yang terpasang pada plat penutup untuk menahan
beban torsi dari sabuk penggerak. Tutup bagian belakang mempunyai lubang
pelumasan untuk memasukan oli pelumas.Sikat arang dipasang pada tutup bagian
belakang.
2).Pul
kumparan medan / sepatu-sepatu kutub
Pul
kumparan medan yang biasa disebut sepatu-sepatu kutub dikonstruksi dari
besituang. Pada bagian dalam dibentuk cekung untuk menyesuaikan bentuk kontur
bulat dari armatur dan mengurangi haambatan magnetik dari jarak udara.
Ujung-ujungnya diperpanjang sebagai dudukan kumparan medan. Kutub-kutub magnet
dipasangkan dengan baut pada rumah generator.
3).Kumparan
medan
Kumparan
medan digulung dengan kawat yang berukuran kecil; dengan tahanan relatif besar.
Kumparan medan digulung dengan bentuk yang sesuai, diisolasi dan dibentuk yang
sesuai dengan kontur rumah dan digulung pada kutub-kutub magnet.
4).Armatur/Anker
Armatur/Anker
dinamo dikonstruksi dari plat-plat yang disusun berlapis-lapis yang disatukan
dalam satu poros dan mempunyai alur-alur sebagai tempat kumparan. Kumparan
dapat digulung langsung pada alur-alur membentuk gulungan/kumparan
armatur/anker.
5).Komutator
Komutator
terdiri dari segmen-segmen dari tembaga, dibentuk irisan memanjang searah
dengan poros, masing-masing diisolasi satu dengan yang lainnya dan dengan poros
diisolasi oleh mika atau phenolic resin. Komutator dipres pada poros anker.
Kumparan anker dihubungkan ke komutator untuk membentuk hubungan/rangkaian
kontinyu. Komutator berfungsi untuk menyearahkan arus induksi bolak-balik dalam
kumparan anker menjadi arus searah untuk digunakan ke beban kelistrikan
kendaraan.
6).Rumah sikat dan arang sikat
Sikat
arang digunakan untuk menghubungkan hubungan antara armatur/anker dengan
rangkaian luar. Sikat arang dapat bergesek dengan baik dengan komutator dengan
bantuan pegas dan rumah sikat. Hubungan antara sikat-sikat arang dan rangkaian
luar adalah dengan kabel tembaga fleksibel.
7).Kipas pendingin
Kipas pendingin
terletak di bagian depan dan menyatu dengan puli penggerak mengalirkan udara
pendingin ke dalam generator.
3.
Prinsip kerja Generator DC
Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialah percobaan Faraday.
Sebelum lebih lanjut memahami prinsip kerja generator,
terlebih dahulu Anda harus mengenal kaidah tangan kanan Fleming. Kaidah tangan
kanan fleming adalah sebuah metode mneumonik untuk memudahkan kita menentukan
arah vektor dari ketiga komponen hukum Faraday, yakni arah gaya gerak kumparan
kawat, arah medan magnet, serta arah arus listrik. Jika Anda menirukan posisi
jari tangan kanan Anda seperti pada gambar di atas, maka ibu jari akan
menunjukkan arah gaya (torsi), jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet, dan
jari tengah menunjukkan arah arus listrik.
Skema Bagian-bagian Generator DC
Generator DC memiliki komponen yang sama persis dengan
motor listrik DC. Pada skema di atas, 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.
(a)
(b)
(c)
Prinsip Kerja Generator DC
Gambar di atas adalah skema sederhana proses kerja
generator DC. Kawat angker ABCD dapat berputar dengan sumbu a-b, dan berada di tengah-tengah
medan magnet N-S. Kawat angker sedang dalam kondisi diputar oleh sumber dari
luar, dengan arah yang searah putaran jarum jam sesuai pada gambar. Putaran ini
memberikan gaya torsi dengan arah yang selalu tegak lurus dengan kawat angker.
Kawat angker berada dalam posisi horisontal pada gambar
(a). Kawat A-B mengalami gaya torsi yang mengarah ke bawah (sesuai arah putaran
angker). Dengan menggunakan kaidah tangan kanan Fleming, kita akan dengan mudah
menentukan arah arus listrik yang terbangkitkan adalah dari titik A ke B.
Demikian pula dengan kawat C-D, melalui cara yang sama akan dengan mudah kita
tentukan arah arus listrik yang terbangkitkan adalah dari C ke D.
Pada gambar (b) arah torsi yang terjadi pada kawat A-B
adalah mendatar ke arah kiri, sedangkan untuk kawat C-D arah torsi adalah
mendatar ke kanan. Karena vektor torsi ini sejajar dengan garis gaya magnet dan
tidak terjadi pemotongan garis gaya magnet, maka pada posisi ini tidak akan
timbul gaya gerak listrik.
Pada gambar (c) kawat angker kembali berposisi
horisontal. Pada kondisi ini kembali dengan mudah kita dapat menentukan arah
arus listrik yang teebangkitkan. Untuk kawat A-B arus listrik akan mengarah
dari B ke A, sedangkan pada kawat C-D arus listrik akan mengarah dari D-C.
Grafik Voltase yang Dibangkitkan Generator DC
Grafik di atas 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.
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
4.
Jangkar Generator DC
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk
silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan
induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat
feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.
Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar
terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi
yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan
yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan
kawat atau lilitan batang.
Gambar 4. Jangkar Generator DC.
Reaksi Jangkar
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari
sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5). Fluks
ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.
Gambar 5. Medan Eksitasi Generator DC
Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar
timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada
penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar
6).
Gambar 6. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi
Jangkar (b).
Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang
terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang
terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan
utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini
mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi
bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser.
Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal,
dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti
ditunjukkan pada Gambar 7.(a).
Gambar 7. Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator
Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b).
Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran
fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka
sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis
netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis
netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi
menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus
digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka
komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung
tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang
dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub
selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan
komutator dan lilitan kompensasinya.
Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan
magnet, yaitu:
• lilitan magnet utama
• lilitan magnet bantu (interpole)
• lilitan magnet kompensasi
5.
Jenis-Jenis Generator DC
Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC
berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap
jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
• Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat
eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis
generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a)
2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b)
Gambar 8. Generator Penguat Terpisah.
Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet
dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan
secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari
luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2.
Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan
output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan
V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan
mendekati harga nominalnya.
Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Gambar 9. Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Gambar 9 menunjukkan:
a. karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi
penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus
eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika
arus beban semakin besar.
b. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.
c. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi
jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan
magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.
contoh rangkain:
Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
• Generator Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 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. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada
Gambar 10.
Gambar 10. Diagram Rangkaian Generator Shunt
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.
Karakteristik Generator Shunt
Gambar 11. Karakteristik Generator Shunt.
Generator shunt mempunyai karakteristik seperti
ditunjukkan pada Gambar 11. 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.
contoh aplikasian rumus :
• Generator 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.
Gambar 12. Diagram Rangkaian Generator Kompon
Karakteristik Generator Kompon
Gambar 13. Karakteristik Generator Kompon
Gambar 13 menunjukkan 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.
6.Efisiensi Generator DC
Seperti halnya dengan mesin-mesin lainnya , pada mesin listrik arus searah, efisiensinya dinyatakan sebagai:
Efisiensi yang dinyatakan dalam persamaan diatas disebut pula sebagai efisiensi komersial atau efisiensi keseluruhan (overall efficiency). Selain itu dalam generator searah dikenal dua macam efisiensi lainnya, yaitu :
Berikut ini diagram aliran daya untuk generator arus searah :
Dimana : Pin = Tmek
Kondisi efisiensi maksimum generator arus searah akan terjadi bila :
Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
D dengan asumsi rugi variabel hanya berupa rugi tembaga kumparan jangkar di dapat :
dengan asumsi IA = Ib = I, maka :
dengan asumsi IA = Ib = I, maka :
7. Aplikasi Generator DC Dalam Kehidupan
·
Alternator Mobil
Alternator mobil merupakan salah satu aplikasi dari generator dc. Sistem
pengisian pada kendaraan mempunyai 3 rangkaian komponen penting yaitu Aki,
Alternator dan Regulator. Alternator sendiri terdiri dari komponen-komponen
seperti gabungan kutub magnet yang dinamakan rotor, yang didalamnya terdapat
kumparan kawat magnet yang dinamakan stator.
·
Dinamo Sepeda
Dinamo
sepeda merupakan generator kecil yang dapat menghasilkan arus listrik yang
kecil pula. pada Dinamo sepeda prinsip kerjanya yaitu energi gerak di ubah
menjadi energi listrik . intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan
sebuah kumparan tetap.
·
LAS
LISTRIK
Las
listrik juga merupakan aplikasi dari generator dc. Las listrik adalah teknik
menyambung dua bagian logam memanfaatkan tenaga panas yang diperoleh dari
sumber tenaga listrik AC maupun DC dengan tambahan logam pengisi.
8. Kekurangan dan Kelebihan Generator
DC
1.
Kekurangan:
a.
Konstruksinya
rumit Setiap segmen dihubungkan oleh kawat atau kabel, karena jumlah segmen
pada komutator jumlahnya sangat banyak maka kawat atau kabel yang dibutuhkan
juga banyak sehingga ini menjadi salah satu kekurangan dari komutator . Karena
konstruksinya yang rumit dan membutuhkan kawat atau kabel yang banyak,
generator DC menjadi mahal harganya.
b.
Selain
itu, akibat komutator mempunyai segmen-segmen yang banyak dengan jarak yang
relatif dekat, ketika komutator berputar dengan kecepatan yang tingi akan
menghasilkan suara yang bising.
c.
Dan
akibat jarak yang dekat antar tiap segmen, kapasitas tegangannya juga rendah
(max 5MW) karena dikhawatirkan akan terjadi peloncatan bunga api listrik.
d.
Kelemahan
berikutnya pada komutator adalah komutator yang sedang berputar harus
dihubungkan dengan brush (yang terdiri dari material Carbon) guna untuk
menyalurkan arus DC ke rotor generator. Hal ini mengakibatkan maintenance yang
dilakukan harus lebih sering, karena brush akan mengalami "Arus" yang
mengakibatkan adanya serpihan-serpihan karbon pada komutator.
2. Kelebihan:
a.
mempunyai
Torsi awal yang besar, sehingga banyak digunakan sebagai starter motor.
Sumber:
