Prinsip Kerja Generator

     1.1  Prinsip kerja gen
            Generator adalah suatu mesin yang mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik. Tenaga mekanis memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet atau memutar magnet diantara kumparan kawat penghantar. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut adalah arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC), hal ini tergantung dari susunan atau konstruksi dari generator, serta tergantung dari sistem pengambilan arusnya. Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator adalah Percobaan Faraday. Percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL Induksi apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah.

Ada 3 hal pokok terkait dengan GGL Induksi ini, yaitu :

1.      Adanya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.

2.      Adanya kawat penghantar yang merupakan tempat terbentuknya EMF.

3.      Adanya perubahan fluks magnet yang melewati kawat penghantar listrik.

                                            

             Gambar 1 Prinsip kerja generator DC

Pada gambar Generator DC Sederhana dengan sebuah penghantar kutub tersebut, dengan memutar rotor (penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF.

Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet.

Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D.

GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar :

                                      

E (t)     = GGl induksi sesaat yang terbentuk

d𝜙         = perubahan fluks magnet yang dipotong (Weber)

dt          = perubahan waktu (s)

Untuk memahami prinsip kerja generator, terlebih dahulu harus mengenal kaidah tangan kanan Fleming. Kaidah tangan kanan fleming adalah sebuah metode mneumonik untuk memudahkan menentukan arah vektor dari ketiga komponen hukum Faraday, yakni arah gaya gerak kumparan kawat, arah medan magnet, serta arah arus listrik. Jika menirukan posisi jari tangan kanan seperti pada gambar di bawah, maka ibu jari akan menunjukkan arah gaya (torsi), jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet, dan jari tengah menunjukkan arah arus listrik.

                            

Gambar 2 Kaidah tangan kanan Fleming

Tegangan kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik. Bentuk gelombang yang berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan. Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan saklar, komutator, dioda

1. Sitem Saklar

Saklar berfungsi untuk menghubungsingkatkan ujung-ujung   kumparan. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :

Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul tegangan yang sinusoidal. Bila setengah periode tegangan positif saklar di hubungkan, maka tegangan menjadi  nol. Dan bila sakalar dibuka lagi akan timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setengah periode tegangan saklar dihubungkan, maka akan dialirkan tegangan   searah gelombang penuh.

2. Sistem Komutator

Komutator berfungsi sebagai saklar, yaitu untuk menghubung-singkatkan kumparan jangkar. Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung kumparan jangkar. Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangna bolak balik sinusoidal. Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila periode tegangan sama dengan   perioda  perputaran  cincin, tegangan  yang   timbul  adalah tegangan arus searah gelombang penuh.

3. Sistem Dioda

Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:

1.      Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.

2.      Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.

         1.2  Konstruksi generator DC

Gambar 3 Konstruksi generator DC

a.  Badan generator

      Fungsi utama badan generator adalah sebagai bagian dari tempat mengalirnya fluks   magnit yang dihasilkan kutub-kutub magnit, karena itu badan generator dibuat dari bahan ferromagnetik. Selain itu badan generator juda berfungsi untuk meletakkan alat-alat tertentu dan melindungi bagian-bagian mesin lainnya. Pada umumnya badan generator untuk mesin-mesin kecil dibuat dati besi tuang. Sedangkan generator yang besar di buat dari plat-plat campuran baja. Pada generator terdapat “papan nama (name plate)” yang bertuliskan spesifikasi umum dari generator. Dengan adanya papan nama tersebut dapat diketahui beberapa hal pokok yang perlu diketahui dari generator tersebut. Selain papan nama tersebut, pada badan generator juga tersebut terdapat “kotak ujung (terminal box)” yang merupakan tempau ujung-ujung lilitan penguat magnit dan lilitan. 

b. Inti kutub magnit dan lilitan penguat magnit

Fluks magnetik yang terdapat pada generator arus searah dihasilkan oleh kutub-kutub magnit buatan yang dibuat dengan prinsip elektromagnetisme. Lilitan penguat magnit berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetisme. Arah aliran fluks magnit yaitu dari kutub utara melalui celah udara, terus mengalir ke jangkar, ke kutub selatan, kemudian kembali ke kutub utara melalui badan generator.

c. Sikat-sikat

Fungsi dari sikat-sikat yaitu untuk jembatan bagi aliran arus listrik dari lilitan jangkar dengan beban. Disamping itu sikat-sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Agar gesekan antara komutator-komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator, maka sikat harus lebih

d. Komutator

Komutator berfungsi sebagai penyearah mekanik, yang bersama-sama dengan sikat membuat suatu kerja sama yang disebut komutasi. Supaya penyearahan lebih baik maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar.

Komutator terdiri dari:

a.       Komutator bar, merupakan tempat terjadinya pergesekan antara komutator dan sikat-sikat.

b.      Riser, merupakan bagian yang menjadi tempat hubungan komutator denga ujung dari juluran liltan jangkar.

Komutator juga berfungsi untuk mengumpulkan GGL induksi yang terbentuk pada sisi-sisi kumparan. Oleh karena itu komutator dibuat dari bahan konduktor, dalam hal ini digunakan campuran tembaga.

 

e.  Jangkar

Jangkar yang umumnya digunakan dalam generator arus searah adalah yang berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannyauntuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi. Jangkar dibuat dari bahan ferromagnetik agar kumparan-kumparan (lilitan jangkar) terletak dalam daerah yang induksi magnitnya besar, supaya GGL induksi yang terbentuk dapat bertambah besar.

             f. Lilitan jangkar

Lilitan jangkar pada generator arus searah berfungsi sebagai tempat terbentuknya GGL induksi. Pada prinsipnya lilitan jangkar terdiri dari:

a.       Sisi kumparan aktif, yaitu bagian sisi kumparan yang terdapat dalam alur jangkar yang merupakan bagian yang aktif (terjadi GGL induksi saat generator bekerja). Setiap sisi kumparan biasanya terdiri dari beberapa buah kawat.

b.      Kepala kumparan, yaitu bagian dari kumparan yang berfungsi sebagai penghubung satu sisi kumparan aktif dan sisi kumparan aktif lain dari kumparan tersebut.

c.       Jaluran, yaitu bagian ujung kumparan yang menghubungkan sisi aktif dengan komutator. 

                1.3   Sistem pembangkitan tagangan pada generator DC

                 Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator
      diperoleh melalui dua cara:

Dengan menggunakan cincin seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.

Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Gambar 4 Pembangkitan Tegangan Induksi

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan     magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi.       Tegangan     induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar (a) dan (c). Pada posisi ini     

terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar (b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah  medan  ini disebut daerah netral.

Gambar 5 Tegangan Rotor yang dihasilkan melaluicincin seret dan    komutator

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar (1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar (2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif. Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putarandan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).