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.
Sumber
lain : http://www.rowand.net/Shop/Tech/AlternatorGeneratorTheory.htm
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.
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.
ROTATING-FIELD
ALTERNATORS
Alternator
medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan
medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature 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 diisolasi,
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.
Fungsi-Fungsi Komponen Alternator
Secara umum generator ac 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
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.
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 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.
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.
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.
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
dimana
P adalah jumlah kutub, N adalah 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
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
Pengaturan Tegangan
Sebagaimana
yang telah kita lihat, 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.
Anggap
bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dan tegangan beban penuh
adalah 220 volt. Persen regulasi adalah:
Untuk
diingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baik pula regulasinya
untuk kebanyakan aplikasi.
Prinsip Pengaturan Tegangan AC
Di
dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik diinduksikan 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.
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
disinkronkan 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:
1. Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel
kekuatan medan bagi generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian
(disambungkan).
2. Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan
prime mover dari generator yang hendak disambungkan.
3. Urutan fasa tegangan yang sama.
No comments:
Post a Comment