BAB PEMBAHASAN

Proses terjadinya arus listrik. Arus listrik terjadi karena adanya beda potensial (V). Arus listrik selalu mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Sedangkan elektron mengalir dari potensial rendah ke potensial tinggi. Syarat terjadinya arus listrik, yaitu jika Ada sumber tegangan, Ada konduktor / penghantar dan Rangkaian dalam kondisi tertutup.Arus bolak balik dihasilkan oleh generator yang Arus Bolak-Balik

menghasilkan Tegangan bolak-balik dan biasanya dalam bentuk fungsi sinusoida (sinus atau cosinus). Tegangan dan arus bolak balik dapat dinyatakan dalambentuk

RANGKAIAN ARUS BOLAK-BALIK

Telah diketahui bahwa generator arus bolak-balik sebagaisumber tenaga listrik yang mempunyai GGL :

E = Emax sin tPersamaan di atas jelas-jelas menunjukkan bahwa GGL arus bolakbalik berubah secara sinusoidal. Suatu sifat yang menjadi ciri khas

arus bolak-balik. Dalam menyatakan harga tegangan AC ada beberapa besaran yang digunakan, yaitu :1. Tegangan sesaat : Yaitu tegangan pada suatu saat t yang

dapat dihitung dari persamaan E = Emax sin 2 ft jika kita tahu Emax, f dan t.2. Amplitudo

tegangan Emax : Yaitu harga maksimum tegangan. Dalam persamaan : E = Emax sin 2 ft, amplitudo tegangan adalah Emax. puncak-kepuncak (Peak-to-peak) yang dinyatakan dengan Epp ialah beda antara tegangan minimum dan tegangan maksimum. Jadi Epp = 2 Emax.

3. Tegangan

4. Tegangan rata-rata (Average Value). 5. Tegangan efektif atau tegangan rms (root-mean-square)

yaitu harga tegangan yang dapat diamati langsung dalam skala alat ukurnya. Gambar arus dan tegangan bolak-balik.

Gambar arti arus dan tegangan yang dikuadratkan.

Arus dan tegangan sinusoidal.Dalam generator, kumparan persegi panjang yang diputar dalam medan magnetik akan membangkitkan Gaya Gerak Listrik (GGL) sebesar :

E = Em sin tDengan demikian bentuk arus dan tegangan bolak-balik seperti persamaan di atas yaitu :

i = Im sin t v = vm sin tim dan vm adalah arus maksimum dan tegangan maksimum. Bentuk kurva yang dihasilkan persamaan ini dapat kita lihat di layar Osiloskop. Bentuk kurva ini disebut bentuk

gelombang

sinusoidal.

Harga Efektif Arus Bolak-balik.Dalam rangkaian arus bolak-balik, baik tegangan maupun kuat arusnya berubah-ubah secara periodik. Oleh sebab itu untuk penggunaan yang praktis diperlukan besaran listrik bolak-balik yang tetap, yaitu harga efektif. Harga efektif arus bolak-balik ialah harga arus bolak-balik yang dapat menghasilkan panas yang sama dalam penghantar yang sama dan dalam waktu yang seperti arus searah. Ternyata besar kuat arus dan tegangan efektifnya masing-masing :

Ieff = [ Ief = Vef =

]

= 0,707 Imax = 0,707 Vmax

Kuat arus dan tegangan yang terukur oleh alat ukur listrik menyatakan harga efektifnya.

Resistor dalam rangkaian arus bolak-balik.

Bila hambatan murni sebesar R berada dalam rangkaian arus bolakbalik, besar tegangan pada hambatan berubah-ubah secara sinusoidal, demikian juga kuat arusnya. Antara kuat arus dan tegangan tidak ada perbedaan fase, artinya pada saat tegangan maksimum, kuat arusnya mencapai harga maksimum pula.

Kumparan induktif dalam rangkaian arus bolakbalik.

Andaikan kuat arus yang melewati kumparan adalah I = Imax sin t. Karena hambatan kumparan diabaikan I.R = 0

Besar GGL induksi yang terjadi pada kumparan E1 = -L Bila tegangan antara AB adalah V, kuat arus akan mengalir bila :

V=L

V=L

V=

L Imax. cos

t

Jadi antara tegangan pada kumparan dengan kuat arusnya terdapat perbedaan fase , dalam hal ini tegangan mendahului kuat arus.

Generator Arus Bolak-Balik

Listrik sudah menjadi bagian yang penting bagi kehidupan manusia saat ini. Arus listrik dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk menghidupkan berbagai macam alat-alat lisrik. Arus listrik didapatkan dari proses konversi sumber energi lainya ( energi panas, energi gerak, dll) menjadi energi listrik. Generator merupakan sebuah alat yang mampu menghasilkan arus listrik. salah satu jenis generator adalah generator arus bolak balik yang akan dibahas saat ini. Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai Alternator atau generator AC (alternating current) atau juga Generator Sinkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak. Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

a. Generator arus bolak-balik 1 fasa b. Generator arus bolak-balik 3 fasa Salah satu bagian besar dari sistem tenaga listrik adalah stasiun pembangkit tenaga listrik. Stasiun pembangkit tenaga listrik tersebut dapat berupa generator yang digerakkan dengan tenaga gas, tenaga air, tenaga diesel dan lain sebagainya. Pokok utama dalam pengadaan sistem tenaga listrik adalah bagian dari pembangkitnya atau dalam hal ini generatornya. Apabila suatu sistem pembangkit terganggu, maka seluruh sistem tenaga listrik akan terhenti pengoperasiannya. Penyebab gangguan pada sistem pembangkit terdiri atas dua bagian yaitu: 1. Gangguan dari luar generator, yaitu gangguan dalam sistem yang dihubungkan generator. 2. Gangguan di dalam generator. 3. Gangguan pada mesin penggerak generator. Dari ketiga jenis gangguan di atas, bila salah satu generator yang bekerja secara paralel mengalami gangguan, kemungkinan besar generator yang sedang beroperasi tidak sanggup lagi untuk memikul beban keseluruhannya. Oleh sebab itu diperlukan perhitungan besarnya beban yang harus diputuskan secara tiba-tiba agar dapat diperoleh kestabilan sistem. Dalam hal ini, pemutusan beban diusahakan berlangsung secara otomatis dan dengan waktu yang relatif singkat.

Prinsip Kerja Generator Sinkron / Arus Bolak balikGenerator serempak (sinkron) adalah suatu penghasil tenaga listrik dengan landasan hukum Faraday. Jika pada sekeliling penghantar terjadi perubahan medan magnet, maka pada penghantar tersebut akan dibangkitkan suatu gaya gerak listrik (GGL) yang sifatnya menentang perubahan medan tersebut. Untuk dapat terjadinya gaya gerak listrik (GGL) tersebut diperlukan dua kategori masukan, yaitu:

1. Masukan tenaga mekanis yang akan dihasilkan oleh penggerak mula (prime mover). 2. Arus masukan (If) yang berupa arus searah yang akan menghasilkan medan magnet yang dapat diatur dengan mudah.

Di bawah ini akan dijelaskan secara sederhana cara pembangkitan listrik dari sebuah generator.

Gambar 2.1. Sistem Pembangkitan Generator Sinkron

dimana: If : Arus medan US : Kutub generator Sumbu Putar : Poros Generator : Fluks medan Apabila rotor generator diputar pada kecepatan nominalnya, dimana putaran tersebut diperoleh dari putaran penggerak mulanya (prime mover), kemudian pada kumparan medan rotor diberikan arus medan sebesar If, maka garis-garis fluksi yang dihasilkan melalui kutub-kutub inti akan menghasilkan tegangan induksi pada kumparan jangkar stator sebesar: Ea = C. n. dimana:

Ea : Tegangan induksi yang dibangkitkan pada jangkar generator C : Konstanta n : Kecepatan putar : Fluksi yang dihasilkan oleh arus penguat (arus medan) Apabila generator digunakan untuk melayani beban, pada kumparan jangkar generator akan mengalir arus.

Konstruksi GeneratorGenerator terdiri dari dua bagian yang paling utama, yaitu: 1. Bagian yang diam (stator). 2. Bagian yang bergerak (rotor).

Gambar 2.3. Konstruksi Generator Sinkron

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: Inti kutub 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.

Gambar 2.4. Konstruksi Rotor Kutub Silindris 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.

Gambar 2.5. Konstruksi Generator Kutub Menonjol

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. Pengaturan Putaran Putaran adalah salah satu faktor yang penting yang memberi pengaruh besar terhadap tegangan yang timbul oleh arus bolak-balik (alternating current). Frekuensi listrik yang dihasilkan oleh generator sinkron harus sebanding dengan kecepatan putar generator tersebut. Dalam hal ini, rotor sebagai bagian yang bergerak terdiri atas rangkaian-rangkaian elektromagnet dengan arus searah (DC) sebagai sumber arusnya. Medan magnet rotor akan bergerak sesuai dengan arah putaran rotor. Untuk menjaga putaran tetap konstan, maka pada penggerak mula (prime mover) dilengkapi governor. Governor itu sendiri adalah suatu alat yang berfungsi mengatur putaran tetap konstan pada keadaan yang bervariasi. Besar kecepatan putaran generator dapat dihitung melalui persamaan berikut:

dimana: n = kecepatan putaran (rpm) f = frekuensi (Hz) p = jumlah kutub Tegangan dan arus bolak-balik (AC) yang dihasilkan oleh generator umumnya mempunyai frekuensi diantara 50 Hz 60 Hz. Untuk menentukan jumlah pasang kutub (p) atau kecepatan putar rpm (n), besarnya frekuensi harus sebanding dengan jumlah kutub dan kecepatan putarannya. Kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu generator sinkron adalah berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan a.

Gambar 1. Diagram Generator AC Satu Phasa Dua Kutub. Lilitan seperti disebutkan diatas disebut Lilitan terpusat, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam masingmasing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan disebut Lilitan terdistribusi. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam, maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz). Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:

Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a a, b b dan c c pada gambar 2. Masing-masing lilitan akan

menghasilkan gelombang Fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat :

A = m. Sin t B = m. Sin ( t 120 ) C = m. Sin ( t 240 )

Gambar 2. Diagram Generator AC Tiga Fasa Dua Kutub

Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks tersebut adalah: T = A +B + C, yang merupakan fungsi tempat () dan waktu (t), maka besar- besarnya fluks total adalah: T = m.Sin t + m.Sin(t 120) + m. Sin(t 240). Cos ( 240) Dengan memakai transformasi trigonometri dari : Sin . Cos = .Sin ( + ) + Sin ( + ),

maka dari persamaan diatas diperoleh :

T = .m. Sin (t + )+ .m. Sin (t ) + .m. Sin ( t + 240 )+ .m. Sin (t ) +.m. Sin (t + 480)

Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu, ketiga, dan kelima akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan akan didapat fluksi total sebesar, T = m. Sin ( t - ) Weber . Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2 dengan sudut putar sebesar . Maka besarnya tegangan masing-masing fasa adalah E maks = Bm. . r Volt dimana : Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla) = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik (Weber) = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s) r = Radius dari jangkar (meter) Generator Tanpa Beban Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu sebesar: Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. m. T Volt Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh),

seperti diperlihatkan pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.

Gambar 3a dan 3b. Kurva dan Rangkaian Ekuivalen Generator Tanpa Beban