Generator

Generator DC

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

Keuntungan dari motor DC

Keuntungan dari motor DCini adalah dapat menjaga pasokan daya dengan cara mengendalikan kecepatan. Pengendalian ini dapat dilakukan dengan cara:

• Mengubah tegangan dinamo. Bila dinaikan maka akan menigkatkan kecepatan sedangkan bila diturunkan maka akan menurunkan kecepatan.
• Mengubah arus medan. Kenaikan arus medan sebanding dengan kenaikan kecepatan.

Bagian – Bagian 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.

gb 1. Konstruksi generator DC

Keterangan :

1) RANGKA STATOR

Rangka Stator, dibuat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian lain dalam generator. Fungsi utamanya adalah sebagai tempat untuk mengalirnya fluks magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet.

2) INTI KUTUB MAGNET

Inti kutub magnet , berfungsi sebagai tempat terjadinya fluks magnet. Untuk generator dengan kapasitas kecil digunakan magnet permanen, dan untuk generator kapasitas besar digunakan magnet buatan (elektromagnetik).

3) Rotor

Rotor merupakan bagian yang berputar. Pada Genenrator DC jangkar yang digunakanbiasanya berbentuk silinder yang pada bagian permukaannya diberi alur-alur sebagai tempat kawat-kawat lilitan. Bahan yang digunakan untuk pembuatan jangkar dari bahan ferromagnetic yang dibuat berlapis-lapis.

4) SIKAT-SIKAT

Sikat-sikat berfungsi sebagai penghubung aliran arus listrik dari lilitan jangkar dengan beban. Bahan yang digunakan untuk pembuatan sikat-sikat dari arang.

5) KAWAT LILITAN JANGKAR

Kawat Lilitan jangkar, adalah tempat terbentuknya ggl induksi. Dalam satu alur terdiri atas beberapa kawat yang disebut dengan kumparan. Antara kumparan satu dengan lainnya dihubungkan secara seri.

6) KOMUTATOR

Komutator digunakan sebagai penyearah (komutasi). Komutator pada prinsipnya mempunyai bentuk yang sama dengan cincin yang dibelah menjadi dua yang dipisahkan dengan bahan penyekat. Masing-masing komutator dihubungkan dengan sisi kumparan tempat terjadinya ggl induksi.

7) Kipas pendingin

 Kipas pendingin terletak di bagian depan dan menyatu dengan puli penggerak mengalirkan udara pendingin ke dalam generator.  

8) 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.

Prinsip Kerja Generator DC

Teori yang mendasari terbentuknya GGL induksi pada generator ialahPercobaan Faraday. Percobaan Faraday membuktikan bahwa pada sebuah kumparan akan dibangkitkan GGL Induksi apabila jumlah garis gaya yang diliputi oleh kumparan berubah-ubah.
EMF yang dihasilkan tersebut dipengaruhi oleh 3 faktor yaitu:

1. kuat medan magnet atau yang ekuivalen dengan jumlah garis gaya medan magnet yang terbentuk (B).
2. Panjang konduktut yang memutus medan magnet (l)
3. Kecepatan gerak dari konduktor (v)

Sehingga dapat dirumuskam sebagai berikut:

e = B x l x v

dan dapat disimpulkan, menambah kuat medan magnet atau menambah panjang dari konduktor atau mempercepat gerak konduktor memotong medan magnet akan dapat meningkatkan EMF yang terbentuk.perumusan ini hanya berlaku jika kawat konduktor bergerak dalam garis lurus, atau dengan kata lain pemutusan garis dengan magnet dengan jumlah yang sama pada setiap gerakannya. Tetapi pada mesin yang sebenarnya konduktor tidak bergerak dalam garis lurus melainkan bergerak secara rotasi.

Ketika konduktor bergerak sera melingkar, jumlah garis medan magnet yang terputus adalah bervariasi tergantung pada posisi dari konduktor. Pada saat kondutor derada diatas atau di bawah dari medan magnet, maka tidak ada garis gaya magnet yang terpotong sehingga tidak ada EMF yang timbul. Tetapi pada saat konduktor berputar jumlah garis gaya medan magnet yang terpotong akan bertambah dan EMF maksimum yang ditimbulkan adalah pada jumlah pemotongan gaya medan magnet maksimum yaitu pada sudut 90o dan 270o . artinya ketika konduktor berputar 360o secara mekanik akan menghasilkan 360o EMF secara elektrik. Sehingga besar EMF yang terbentuk bergantung pada posisi sudut dari konduktor, dan dapat diformulasikan menjadi:

e = B.l.v.sin θ

sehingga arus yang di hasilkan secara internal oleh semua generator adalah dalam bentuk gelombang sinus atau arus bolak-balik (AC), dan untuk mendapatkan keluaran arus searah (DC) kita perlu menambahkan komutataor, sehingga EMF yang digunakan hanya satu arah saja.

prinsip kerja generator-dc

Prinsip kerja motor DC sangat mirip dengan mesin linier sederhana.

 

 gambar skema prinsip kerja motor DC

Pada gambar 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 :

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.

Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.

Gambar 2 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 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(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 3 Tegangan Rotor yang Dihasilkan Melalui Cincin Serat dan komutator

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.

• 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 putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan).

Jangkar Generator DC

Jangkar Generator DC

Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Lilitan 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 juga diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar.

Sedangkan lilitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang

E).Reaksi Jangkar 

Fluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator tak berbeban merupakan fluks utama. Jika generator dibebani, timbullah arus jangkar. Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktor tersebut. Dengan menganggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam kumparan medan,dan Karena operasi suatu generator arus searah selalu pada daerah jenuh, pengurangan suatu fluks pada konduktor dibandingkan dengan pertambahan fluks pada konduktor lain lebih besar. Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: Misalnya fluks sebesar Ox adalah fluks yang dihasilkan tanpa dipengaruhi oleh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya pengaruh reaksi jangkar pertambahan dan pengurangan kuat medan magnet (ggm) yang terjadi pada konduktor jangkar ac dan bd masing-masing sebesar B ampere-turn. Dengan demikian seperti terlihat pada gambar di bawah ini, pertambahan fluks pada konduktor bd hanyalah sebesar xy, sedangkan berkurangnya fluks pada konduktor jangkar ac sebesar xz, dimana harga xz lebih besar daripada xy. Oleh karena itu, fluks keseluruhan yang dihasilkan oleh konduktor jangkar akibat adanya reaktansi jangkar akan selalu berkurang harganya. Berkurangnya fluks ini dinamakan pendemagnetan.

Akibat-akibat buruk dari adanya Reaksi Jangkar, yaitu: 

a.    Terjadi distorsi medan

b.    Terjadi loncatan bunga api karena bertambah besarnya tegangan

c.    Pada tiap perubahan beban daerah netral magnetik bergeser

d.   Terjadi demagnetisasi.

 

Cara-cara untuk membatasi reaksi jangkar, yaitu:

 

 a).Kutub Antara ( Kutub Komutasi)

     Bentuknya : Lebih kecil dari kutub-kutub utama

    Tujuan         : Menempatkan daerah netral magnetic pada tempatnya, sehingga tidak dipengaruhi keadaan beban dan menentang efek induksi sendiri.

 

b).Kumparan Kompensasi

     Bentuknya : Konsentrasi, ditempatkan pada kutub-kutub utama.

Tujuan        : Untuk mencegah distorsi (perubahan bentuk) medan karena reaksi jangkar.

Jenis-Jenis Motor DC

Berdasarkan sumber arus penguat magnetnya, motor arus searah (DC) dibedakan menjadi dua, yaitu

1. Motor arus searah penguat terpisah, (jika arus penguat magnet diperoleh dari sumber arus searah di luar motor   tersebut).

Generator penguat terpisah

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.

Pada motor penguat terpisah, kumparan medan dihubungkan dengan sumber sendiri dan terpisah dengan tegangan angker.

2. Motor arus searah dengan penguat sendiri, (jika arus penguat magnet diperoleh dari motor itu sendiri).                                                                                                                                                                        Berdasarkan hubungan lilitan penguat magnet terhadap lilitan jangkar, motor arus searah dibedakan menjadi:

2.1 Motor Shunt

Motor shunt mempunyai kecapatan hampir konstan. Pada tegangan jepit konstan, motor ini mempunyai putaran yang hampir konstan walaupun terjadi perubahan beban

  Gambar Rangkain Motor Shunt

      

Generator Shunt

Pada motor penguat shunt, kumparan medan dihubungkan paralel dengan angker.

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.

2.2 Motor seri

merupakan motor arus searah yang mempunyai putaran kecapatan yang tidak konstan, jika beban tinggi maka putaran akan lambat.

Gambar Rangkaian Motor Seri

2.3 Motor Kompon

Motor kompon ini mempunyai sifat seperti motor seri dan shunt, tergantung lilitan mana yang kuat (kumparan seri atau shunt).

Generator Kompon

Gambar Rangkaian Motor Kompon Panjang

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.

Pada motor kompon mempunyai dua buah kumparan medan dihubungkan seri dan paralel dengan angker. Bila motor seri diberi penguat shunt tambahan seperti gambar diatas disebut motor kompon shunt panjang.

      Gambar Rangkain Motor Kompon Pendek

Motor kompon mempunyai dua buah kumparan medan dihubungkan seri dan paralel dengan angker. Bila motor shunt diberi tambahan penguat seri seperti gambar  diatas disebut motor kompon shunt pendek.

Untuk membalik arah putaran motor arus searah, dapat dilakukan dengan dua cara yaitu :

1. Membalik arah arus angkernya, sedangkan katup magnet tetap.
2. Membalik katup magnetnya, sedangkan arah arus angkernya tetap.

Jika kedua-duanya dibalik (katup magnet dan arah arus angker), maka putaran motor akan tetap (tidak dapat membalik). Cara yang lazim dipakai atau dilakukan dalam membalik putaran motor arus searah ialah dengan cara membalik arah arus angkernya sedangkan membalik arah arus pada penguat magnetnya jarang dilakukan.

APLIKASI GENERATOR DC DAN MOTOR DC DALAM KEHIDUPAN

1. 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. 

Alternator mulai berfungsi untuk menghasilkan listrik/pembangkit listrik ketika mesin dihidupkan untuk disalurkan ke aki dengan mengkonversi / mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Sedangkan regulator punya fungsi sebagai alat pengatur dan pembatas voltase yang terdiri dari sebuah rangkaian dioda yang dinamakan rectifier serta dua kipas dalam (internal Fan) untuk menghasilkan sirkulasi udara.

Model Alternator
Model alternator untuk setiap jenis mobil itu berbeda-beda, tapi kebanyakan alternator mempunyai regulator yang berada didalamnya ( IC built In), namun untuk tipe yang lama mempunyai regulator diluar. Tidak seperti model yang lama, tipe yang punya IC bulit in ini dapat dengan mudah diperbaiki dengan membuka tutup bagian atasnya.
Tipe lainnya adalah model pulley alternator yang diikat/dikencangkan ke bagian sumbu rotor. Alternator dengan tipe ini tidak mempunyai kipas luar yang menjadi bagian dari pulley-nya namun sudah mempunyai 2 kipas dalam untuk sirkulasi udara pendingin, tidak seperti jenis alternator lama yang menggunakan kipas luar untuk pendinginan.
Antara Aki dengan Alternator
Besaran daya yang terdapat alternator beragam, mulai dari yang paling kecil yang mempunyai daya 35 A hingga yang terbesar yang beredar dipasaran yaitu 220 A. Karena berfungsi sebagai pembangkit daya listrik ke aki, apabila ada penambahan perangkat atau aksesoris mobil yang membutuhkan beban listrik yang besar / banyak, cukup dengan mengganti alternatornya bukan aki. Karena bila memperbesar daya listrik di aki tapi penyaluran tenaganya lebih kecil, maka aki akan tetap tekor. Jadi makin besar beban listrik yang dipakai, makin besar juga daya dari alternator yang harus dipergunakan.

2. 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 .Dinamo sepeda ini hanya menyalakan lampu depan dan belakang terangnnya lampu di tentukan oleh cepatnya roda berputar yang mengakibatkan di namo juga cepat dan arus listrik juga akn besar pula . Dinamo sepeda intinya adalah sebuah magnet yang dapat berputar dan sebuah kumparan tetap.bila roda sepeda di putar dan pada dinamo akan memutar sehingga roda akan memutar magnet biasanya dinamo dapat menghasilakan tegangangan 6 sampai 12 Volt.jadi dengan adanya dinamo pada sepeda dapat memudahkan kita bila menggunakan sepeda bila malam hari. 

3. 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. Sumber tenaga panas mencairkan sebagian logam induk dan logam pengisi. Sumber tenaga panas mencairkan sebagian logam induk dan logsm pengisi sehingga diperoleh sambungan permanen yang sulit dipisahkan. Pekerjaan las listrik memiliki resiko bahaya kecelakaan cukup besar yang dapat diminimalkan dengan alat keselamatan kerja.

Mesin yang wajib tersedia adalah mesin las untuk menyambung dua permukaan baja. Alat las harus tersedia karena fungsinya yang tidak bisa digantikan oleh alat yang umum tersedia di perdesaan. Alat las sebaiknya dari jenis las busur listrik yang dapat menggunakan listrik dari PLTMH. Las karbit (oxyacetylene) tidak dianjurkan untuk desa terpencil karena akan mengalami kesulitan dalam transportasi tabung oksigen. 

4. Kipas Komputer

Kipas computer merupakan aplikasi dari motor dc. Dikarenakan kipas computer dihubungkan kepada

tegangan dc 5 volt ( tergantung kipas komputernya).

Kipas komputer merujuk kepada sebarang kipas dalam kelonsong komputer digunakan bagi tujuan

menyejukkan, dan mungkin merujuk kepada kipas yang menarik udara sejuk dari luar ke dalam

kelonsong, menyingkir udara panas dari dalam, atau mengerakkan udara melalui penenggelam haba

untuk menyejukkan komponen tertentu. Kegunaan kipas/atau sebarang perkakasan bagi menyejukkan

komputer kadang kala dikenali sebagai pendinginan aktif.

4. Kipas Sebagai Pendingin CPU  

Saat anda menyalakan komputer dan menggunakannya untuk beberapa waktu lamanya, maka komputer tersebut akan menimbulkan panas pada beberapa bagian komponennya. Untuk mendinginkan komponen tersebut serta untuk menghindari panas yang berlebih maka digunakan kipas dalam komputer. Komponen pendingin yang utama dalam komputer adalah kipas pendingin pada CPU (Prosesor). Jika panas yang dihasilkan tidak dapat diatasi maka dapat menyebabkan kerusakan yang serius pada beberapa komponen komputer. Meskipun komputer telah dirancang sedemikian rupa, namun kipas pendingin tetaplah diperlukan untuk menangkis panas yang dihasilkan oleh komponen-komponen komputer.

 

5. Motor DC dalam aplikasi robotik

Motor DC merupakan aktuator yang paling banyak digunakan dalam aplikasi robotik.
Motor DC buatan Korea yang satu ini dikemas dalam kotak plastik yang kokoh, dilengkapi dengan gear train yang mampu memberikan torque yang cukup besar.

• Operating voltage range: DC 4.8 ~ 6.0V
• Operating speed: 300 rpm/6.0V
• Maximum torque: 2.4 kgf.cm /6.0V
• Dimension: 40×20×36.6 mm
• Weight: 38 gr
• Gear: Ultra Resin type

Motor ini sangat cocok untuk aplikasi line tracer, yang memerlukan kecepatan yang cukup tinggi dan memerlukan torsi yang cukup besar.
Tersedia roda seperti gambar di atas, dan roda tipe lain dengan diameter ~ 17 mm.

Motor DC dengan Micro Metal Gear

Motor DC yang dilengkapi dengan gearbox metal, bekerja pada tegangan 6V, memiliki rasio 1:50 untuk memberikan kecepatan putar poros 260 rpm dengan torsi ~ 800 gr.cm, serta memiliki stall current 360 mA pada 6V. Cocok untuk aplikasi robotika yang memerlukan kecepatan.
Roda dengan ukuran diameter 42 mm dan lebar 19 mm di sampingnya merupakan pasangan yang ideal.

Motor DC dan Gearbox

Double Gearbox (70168 dan 89918), Twin Motor Gearbox (70097 / 89915) dan Single Gearbox (70167) sudah dilengkapi dengan motor DC (Mabuchi FA-130) yang dapat bekerja pada tegangan 3 Volt hingga 6 Volt.
Double Gearbox (70168 dan 89918) memiliki kombinasi gear ratio 12.7:1, 38:1, 115:1 dan 344:1; masing-masing memberikan kecepatan / torsi : 1039 rpm / 94 gf.cm, 345 rpm / 278 gf.cm, 115 rpm / 809 gf.cm dan 38 rpm / 2276 gf.cm; sementara Twin Motor Gearbox (70097 / 89915) memiliki kombinasi gear ratio 58:1 (225 rpm / 432 gf.cm) dan 204:1 (64 rpm /1500 gf.cm) dan memiliki fisik keseluruhan yang lebih ramping.
Memiliki poros berbentuk segi enam, cocok untuk semua roda di bawah.

 Referensi :

https://crizkydwi.wordpress.com/2014/11/05/motor-dc-dan-generator-dc/

http://dunia-listrik.blogspot.co.id/2009/01/generator-dc.html

https://arifsh2009.wordpress.com/2014/11/02/generator-dan-motor-dc/

http://denydestian.blogspot.co.id/2011/11/v-behaviorurldefaultvml-o.html