Sistem Pembangkit Tenaga Listrik: Penjelasan Lengkap,
1.1 Energi Listrik
Energi listrik merupakan energi yang mudah dikonversikan, dibangkitkan, didistribusikan dengan proses yang efisien, efektif, ekonomis dibandingkan dengan energi yang lain.
Energi listrik didapat dari merubah bentuk energi lainnya, seperti gerak, panas, kimia dan nuklir
PLTA, PLTU, PLTD adalah penghasil listrik dengan merubah energi gerak menjadi energi listrik. Alat yang digunakan di sini adalah generator.
1.2 Sistem Teknik Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik merupakan sekumpulan pusat listrik dan gardu induk (pusat beban) yang satu sama lain dihubungkan oleh Jaringan Transmisi sehingga merupakan sebuah kesatuan interkoneksi
Sistem Tenaga listrik terbagi :
1. Sistem Pembangkitan
Sistem pembangkitan tenaga listrik berfungsi membangkitkan energi listrik melalui berbagai macam pembangkit tenaga listrik.
Pada pembangkit tenaga listrik ini sumber-sumber energi alam dirubah oleh penggerak mula menjadi energi mekanis yang berupa kecepatan atau putaran, selanjutnya energi mekanis tersebut di rubah menjadi energi listrik oleh generator.
Sumber-sumber energi alam dapat berupa :
� Bahan bakar yang berasal dari fossil : batubara, minyak bumi, gas alam
� Bahan galian : uranium, thorium
� Tenaga air, yang penting adalah tinggi jatuh air dan debitnya
� Tenaga angin, daerah pantai dan pegunungan
� Tenaga matahari
1
2. Sistem Transmisi
Sistem Transmisi berfungsi menyalurkan tenaga listrik dari pusat pembangkit ke pusat beban melalui saluran transmisi.
Saluran transmisi akan mengalami rugi-rugi tenaga, maka untuk mengatasi hal tersebut tenaga yang akan dikirim dari pusat pembangkit ke pusat beban harus ditransmisikan dengan tegangan tinggi maupun tegangan ekstra tinggi.
3. Sistem Distribusi
Sistem Distribusi berfungsi mendistribusikan tenaga listrik ke konsumen yang berupa pabrik, industri, perumahan dan sebagainya. Transmisi tenaga dengan tegangan tinggi maupun ekstra tinggi pada saluran transmisi di rubah pada gardu induk menjadi tegangan menengah atau tegangan distribusi primer, yang selanjutnya diturunkan lagi menjadi tegangan untuk konsumen
Prinsip kerja dalam sistem tenaga listrik dimulai dari bagian pembangkitan kemudian disalurkan melalui sistem jaringan transmisi kepada gardu induk dan dari gardu induk ini disalurkan serta dibagi-bagi kepada pelanggan melalui saluran distribusi.
Tegangan generator pada umumnya rendah antara 6 kV sampai 24 kV, maka tegangan ini biasanya dinaikan dengan pertolongan transformator daya ke tingkat tegangan yang lebih tinggi antara 30 kV sampai 500 kV (dibeberapa negara maju bahkan sudah sampai 1000 kV). Tingkat tegangan yang lebih tinggi ini, selain untuk memperbesar daya hantar dari saluran yang berbanding lurus dengan kuadrat tegangan, juga memperkecil rugi-rugi daya dan jatuh tegangan pada saluran.
Penurunan tegangan dari tingkat tegangan transmisi pertama-pertama dilakukan pada gardu induk (GI), dimana tegangan diturunkan ke tegangan yang lebih rendah, misalnya dari 500 kV ke 150 kV atau dari 150 kV ke 70 kV.
2
Kemudian penurunan kedua dilakukan pada gardu induk distribusi dari 150 kV ke 20 kV atau dari 70 kV ke 20 kV. Tegangan 20 kV ini disebut tegangan distribusi primer.
Ada dua kategori saluran transmisi, saluran udara (overhead lines) dan saluran kabel tanah (underground cable). Untuk saluran udara menyalurkan tenaga listrik melalui isolator-isolator, sedangkan saluran kabel tanah menalurkan tenaga listrik melalui kabel-kabel yang ditanam dibawah permukaan tanah.
1.3 Sistem PLTA
Pembangkit tinggi tenaga air (PLTA) bekerja dengan cara merubah energi potensial (dari dam atau air terjun) menjadi energi mekanik (dengan bantuan turbin air) dan dari energi mekanik menjadi energi listrik(dengan bantuan generator).
Jenis � jenis PLTA :
Potensi tenaga air didapat pada sungai yang mengalir di daerah pegunungan. Untuk dapat memanfaatkan potensi dari sungai ini, maka kita perlu membendung sungai tersebut dan airnya disalurkan ke bangunan air PLTA. Ditinjau dari cara membendung air, PLTA dapat dibagi menjadi 2 kategori yaitu :
1. PLTA run off river
Pada PLTA run off river, air sungai dialihkan dengan menggunankan dam yang dibangun memotong aliran sungai. Air sungai ini kemudian disalurkan ke bangunan air PLTA.
2. PLTA dengan kolam tando (reservoir)
Pada PLTA dengan kolam tando (reservoir), air sungai dibendung dengan bendungan besar agar terjadi penimbunan air sehingga terjadi kolam tando. Selanjutnya air di kolam tando disalurkan ke bangunan air PLTA.
Cara Kerja PLTA
Komponen � kompnen dasar PLTA berupa dam, turbin, generator dan transmisi.
� Dam berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu dam juga berfungsi untuk pengendalian banjir. contoh waduk Jatiluhur yang berkapasitas 3 miliar kubik air dengan volume efektif sebesar 2,6 miliar kubik.
� Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dll.
� Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox. Memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet didalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC.
� Travo digunakan untuk menaikan tegangan arus bolak balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat dialirkan melalui transmisi. Travo yang digunakan adalah travo step up.
� Transmisi berguna untuk mengalirkan listrik dari PLTA ke rumah � rumah atau industri. Sebelum listrik kita pakai tegangannya di turunkan lagi dengan travo step down.
4
1.3 Sistem PLTU
Pembangkit Listrik Tenaga Uap bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku Air. Uap disini hanya sebagai tenaga pemutar turbin, sementara untuk menghasilkan uap dalam jumlah tertentu diperlukan air. Menariknya didalam PLTU terdapat proses yang terus menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya antara air menjadi uap kemudian uap kembali menjadi air dan seterusnya. Proses inilah yang dimaksud dengan Siklus PLTU.
Air yang digunakan dalam siklus PLTU ini disebut Air Demin (Demineralized), yakni air yang mempunyai kadar conductivity (kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0.2 us (mikro siemen). Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan Desalination Plant dan Demineralization Plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin ini.
Secara sederhana siklus PLTU itu bisa dilihat ketika proses memasak air. Mula-mula air ditampung dalam tempat memasak dan kemudian diberi panas dari sumbu api yang menyala dibawahnya. Akibat pembakaran menimbulkan air terus mengalami kenaikan suhu sampai pada batas titik didihnya. Karena pembakaran terus berlanjut maka air yang dimasak melampaui titik didihnya sampai timbul uap panas. Uap ini lah yang digunakan untuk memutar turbin dan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik.
Secara sederhana, siklus PLTU digambarkan sebagai berikut :
5
Siklus PLTU
1
Pertama-tama air demin ini berada disebuah tempat bernama Hotwell.
2
Dari Hotwell, air mengalir menuju Condensate Pump untuk kemudian dipompakan menuju LP Heater (Low Pressure Heater) yang pungsinya untuk menghangatkan tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak di lantai paling dasar dari pembangkit atau biasa disebut Ground Floor. Selanjutnya air mengalir masuk ke Deaerator.
3
Di dearator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti Oksigen dan lainnya. Bisa pula dikatakan deaerator memiliki pungsi untuk menghilangkan buble/balon yang biasa terdapat pada permukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itulah selama perjalanan menuju Dearator, air mengalamai beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut LP Heater. Letak dearator berada di lantai atas (tetapi bukan yang paling atas). Sebagai ilustrasi di PLTU Muara Karang unit 4, dearator terletak di lantai 5 dari 7 lantai yang ada.
4
Dari dearator, air turun kembali ke Ground Floor. Sesampainya di Ground Floor, air langsung dipompakan oleh Boiler Feed Pump/BFP (Pompa air pengisi) menuju Boiler atau tempat �memasak� air. Bisa dibayangkan Boiler ini seperti drum, tetapi drum berukuran raksasa. Air yang dipompakan ini adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah konstruksi PLTU membuat dearator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.
5
Sebelum masuk ke Boiler untuk �direbus�, lagi-lagi air mengalami beberapa proses pemanasan di HP Heater (High Pressure Heater). Setelah itu barulah air masuk boiler yang letaknya berada dilantai atas.
6
Didalam Boiler inilah terjadi proses memasak air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan api yang pada umumnya menggunakan batubara sebagai bahan dasar pembakaran dengan dibantu oleh udara dari FD Fan (Force Draft Fan) dan pelumas yang berasal dari Fuel Oil tank.
6. Bahan bakar dipompakan kedalam boiler melalui Fuel oil Pump. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.
7. Sedangkan udara diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.
8. Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.
9. Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.
10. Ketika Turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.
11. Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial inilah cikal bakal energi listrik.
12. Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN.
7
13.Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.
2. Generator DC
2.1 Penjelasan Umum Generator DC
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.
Teori generator DC
Generator DC menggunakan prinsip hukum farraday di tuliskan dalam persamaan:
e = -N
N : jumlah lilitan
F : Fluks magnet
apabila suatu konduktor memotong garis-garis fluks magnetik yang berubah-ubah, maka GGL akan membangkitkan dalam konduktor itu
syarat untuk membangkitkan GGL adalah :
� harus ada konduktor
� Harus ada medan magnetik
� Adanya perputaran dari konduktor dalam medan magnet
GGL induksi yang terbentuk besarnya sesuai dengan perubahan fluks medan magnet tiap detik.
8
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.
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
2. Prinsip kerja Generator DC
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
� Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
9
Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
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 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada.(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.
Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan (1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin (2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.
10
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)
3. Jangkar Generator DC
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi.
Jangkar Generator DC
4. Reaksi Jangkar
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama . Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.
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
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 a.
11
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).
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, generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya.
2.2 Generator Penguatan Tersendiri dan Penguatan Sendiri
. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator searah dapat dikelompkkan menjadi
1. Generator berpenguatan Tersendiri/Terpisah
Generator tipe penguat terpisah adalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak tergantung dari mesin.
Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
12
Vf =If . Rf
Ea =Vt + Ia.Ra
Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :
- Tegangan jepit (V)
- Arus eksitasi (penguatan)
- Arus jangkar (Ia)
- Kecepatan putar (n)
Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a)
2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b)
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.
13
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.
Ea =
Pada generator searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :
Keterangan :
Ea : GGL yang dibangkitkan pada jangkar generator
F : Fluks per kutub
Z : Jumlah penghantar total
n : Kecepatan putaran
a : Jumlah hubungan paralel
Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Karakteristik Generator Penguat Terpisah
14
Gambar 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.
2. Generator Berpenguatan Sendiri
Generator berpenguatan sendiri terdiri dari
1. Generator searah seri
2. Generator searah shunt
3. Generator kompon
2.3 Generator Seri, Shunt dan Kompon
1. Generator S
Disebut generator DC seri karena rangkaian exitasi (penguat) disambung secara seri dengan jangkarnya. Sehingga arus medan (Is) sama dengan arus jangkar (Ia) sama dengan arus beban (IL).
Kurva magnetisasi generator seri seperti generator yang lain (berpenguat sendiri) pada kondisi tanpa beban.
Pada kondisi berbeban arus medan bertambah sehingga Ea bertambah dengan cepat. Akan tetapi drop tegangan Ia.(Ra+Rs) juga bertambah dengan cepat sehingga terjadi penurunan tegangan yang cepat pula.
Pada mulanya pertambahan Ea lebih cepat akan tetapi kondisinya cepat jenuh sehingga Ea hampir konstan meskipun beban masih bertambah.Akhirnya pada kondisi sudah jenuh Ea sudah tidak dapat bertambah, sementara arus beban (IL) masih terus bertambah , maka terjadilah penurunan tegangan terminal dengan tajam .
15
Ia = Arus armatur
Is = Arus kumparan seri
Ea = GGL armatur
Rs = Tahanan kumparan seri
Ra = Tahanan armatur
IL = Arus pada beban
Vt = Tegangan beban
Ea = VL + Ia.Ra + Is.Rs
Ea = VL + Ia.Ra + Is.Rs + 2.Vsi (dengan rugi tegangan sikat)
2. 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.
16
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.
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.
17
Ea = VL + Ia.Ra + Is.Rs +.2 vsi
Ea = Vf + Vh + Ia.Ra + 2.Vsi
3. Generator Kompon
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaan dari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari dari tegangan terminal kecil sekali dan terpengaruh.
� Generator kompon pendek
18
Generator DC kompon pendek adalah generator DC kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian beban.
Dirumuskan sbb : V = Ea - Ia Ra � Is Rs
V = IL . RL
Ia = IL + If
Is = IL
Vf = If . Rf
Generator kompon panjang
Generator DC kompon panjang adalah generator DC kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian jangkar
Dirumuskan sbb : V = Ea � IaRa � Is Rs
Is = Ia
V = Ea � Ia ( Ra + Rs )
Vf = If Rf
Ia = IL + If
19
2.4 Diagram Daya, Efisiensi dan Torsi
Rugi-Rugi Daya Efisiensi
Pn= VL.IL
A = Rugi Putaran Tanpa Beban
B = Rugi Beban
C = Rugi daya kumparan angker (Ia2Ra)
D = Rugi Daya Kontak Sikat (Ia. 2Vsi)
E = Rugi Daya Kiumparan seri (Is2Rs)
F = Rugi Daya Kumparan Shunt (If2Rf)
Pin=Daya inpur (Daya mekanik)
Pem=Daya Elektro Magnet
Pcu=Rugi Tembaga (C+D+E+F)
Pn=Daya Output (VL.IL )
V.Ia=Pem - (C+D)
Pin = Pem + Pb
Pem= Pn+Pcu
Pb=Pin-Pem
Pcu=Pem-Pn
20
o Efisiensi generator,
o Efisiensi listrik,
o Efisiensi bruto,
Torsi (Kopel)
Jika jari-jari jangkar dari generator DC sebesar r mendapat gaya F maka kerja yang dilakukan oleh gaya F dalam satu putaran adalah :
W = F x jarak
W = F 2pr
21
Kerja yang dilakukan oleh gaya F dalam putaran per detik adalah :
W = F 2pr n = F r 2p n
W = Ta 2p n = Ta ?m
W = Ta 2p N/60
dimana :
W = kerja yang dilakukan oleh kumparan jangkar
F = Gaya (Newton)
r = jari-jari jangkar
N = Putaran jangkar (rpm = rotasi per menit)
n = Putaran jangkar (rpd = rotasi per detik )
Ta = Torsi Jangkar (Nm) = F r
?m = Kec. Putar mekanik ( rpd) = 2p n
Adapun besar kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar per detik (?) adalah sebanding dengan daya jangkar dapat ditulis :
W = Pa = Ea Ia
Dengan demikian dapat ditulis :
EaIa = Ta 2p n
Ta =
Ta = 0.59
Dimana :
Ta = torsi jangkar (Nm)
n = putaran jangkar
Seperti yang telah diuraikan sebelumnya bahwa ggl induksi jangkar dapat ditulis :
Ea = Ta= =0.59
Ta= C
Ta = Torsi jangkar (Nm)
F = Fluks (weber)
Z = jumlah penghantar kumparan jangkar
a = jumlah kumparan paralel
N = Putaran jangkar
22
Torsi Poros
Akibat timbulnya torsi jangkar maka pada generator timbul daya output (Pout) dan dari Pout ini timbul torsi poros/sumbu (Shaft torque) dan disimbulkan dengan Tsh:
Pin = Tsh 2 p n = Tsh ?m
Tsh =
= 9.55
dimana :
Pin = daya input generator (watt)
Tsh = torsi poros/sumbu (Nm)
?m = kecepatan putar mekanik (rp
3. MOTOR DC SERI
3.1 Penjelasan umum tentang motor DC seri
Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar
impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motorlistrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut �kuda kerja� nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motormenggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.
Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagianyang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasategangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator,dengan demikian arus yang berbalik
arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisaberputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen.
23.Motor D.C Sederhana
3.2 Prinsip Kerja Motor DC
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.
Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor .
Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks. Gambar Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karenabentuk U.
24.Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor.
Catatan :
Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada konduktor tersebut. Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.
Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub.
Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet kutub. Lihat gambar
Reaksi garis fluks.
25.Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B. Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan yang
kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah jarum jam.
3.3 Motor DC Seri, Shunt dan Kompon
1. Motor DC Seri
Motor DC Seri. Motor DC jenis ini mempunyai ciri kumparan penguat medan diseri terhadap kumparan armatur. Kelebihan dari Motor DC jenis ini yaitu daya output yang dihasilkan besar. Sedangkan kelemahannya yaitu arus beban yang diminta sangatlah besar, sesuai dengan beban yang dipikulnya, jika tegangan inputnya tidak stabil maka flux magnit yang dihasilkan oleh kumparan seri tidak stabil pula, sehingga daya output yang dihasilkan tidak stabil.
Ia = IL
Pin = Vt IL
Rs = tahanan kumparan seri = ILRs
Pa = EaIa
Ea = Vt � IaRs � IaRa � Vs
(Pcu)tot = Ia2Ra + IL2Rs
26
2. Motor DC Shunt
Motor DC Shunt. Motor DC jenis ini mempunyai ciri kumparan penguat medan diparalel terhadap kumparan armatur. Kelebihan dari Motor DC jenis ini yaitu tidak terlalu membutuhkan banyak ruangan karena diameter kawat kecil. Sedangkan kelemahannya yaitu daya keluaran yang dihasilkan kecil karena arus penguatnya kecil.
Ea = Gaya gerak listrik jangkar
= Vt � IaRa - Vs
= Vt - (IL � Ish)Ra � Vs
(Pcu)tot = Ia2Ra + Ish2Rsh
Vt = tegangan terminal
IL = Arus jala-jala
Pin = Vt IL
Ia = Arus jangkar
Ish = Arus shunt
IL = Ia + Ish
Rsh = Tahanan kumparan shunt
Vsh = Tegangan kumparan shunt = Ish Rsh
Ra = Tahanan kumparan jangkar
Va = Tegangan jatuh pada kumparan
3. Motor DC Kompon
Motor DC Kompond. Pada umumnya Motor DC Kompond dibuat untuk mengurangi kelemahan yang terjadi pada Motor DC Shunt maupun Seri.
Jenisnya ada dua macam, yaitu Motor DC Kompond Panjang dan Motor DC Kompond Pendek, ciri khas yang membedakan keduanya yaitu tata letak kumparan penguat medan tambahan diletakkan seri dengan kumparan penguat
27
medan pada Motor DC Shunt dan ini desebut Motor DC Kompond Pendek. Sedangkan pada Motor DC Kompond Panjang, kumparan penguat medan tambahan diletakkan secara seri antara Kumparan armatur dan kumparan penguat medan shunt pada Motor DC Shunt.
� Motor DC Kompon Pendek
Pin = VLIL
IL = Ia + Ish
Pa = EaIa
Ea = Vt � ILRs � IaRa � Vs
ILRs = tegangan jatuh pada kumparan seri
(IL)2Rs = rugi daya pada kumparan seri
IaRa = tegangan jatuh pada tahanan jangkar
(Ia)2 Ra = rugi daya jangkar
(Pcu)tot = Ia2Ra + IL2Rs + Ish2Rsh
IshRsh = Vsh = Vt � Vs
Ish2Rsh = Rugi daya pada kumparan shunt
� Motor DC Kompon Panjang
28
Pin = VtIL
IL = Ia + Ish
Pa = EaIa
Ea = Vt � IaRs � IaRa � Vs
Vsh = Vt
Vsh = IshRsh
(Ia)2Ra = rugi daya pada tahanan jangkar
(Ia)2Rs = rugi daya pada kumparan seri
(Ish)2Rsh = rugi daya pada kumparan shunt
3.4 Diagram Daya, Efisiensi dan Torsi
Pin
A
B
C
Pm D
E
F
G
H
Pn= (HP x 746) Watt
A = Rugi Daya pada kumparan jangkar (Ia2.Ra)
B = Rugi Daya pada Kontak Sikat (2Vsi.Ia)
C = Rugi Daya pada Kumparan Motor Seri (Is2.Rs)
D = Rugi Daya Kumpuran Motor Shunt (If2.Rf)
E = Rugi Daya hysteris
F = Rugi Daya Arus Pusar
G = Rugi Daya Angin
H = Rugi Daya Sumbu Motor
29
Pm=Pin-Pcu
Pn=Pm-Pb
Efisiensi Ekonomi =
Efisiensi Mekanik =
Efisiensi Listrik =
Torsi
Besarnya torsi Jangkar (Ta) motor DC adalah :
Dimana untuk ggl jangkar adalah :
Bahwa kopel jangkar sebagai fungsi dari fluks dan arus jangkar dapat ditulis:
Ta = f (F Ia)
Jika arus jangkar bertambah besar, maka akan diikuti oleh kenaikan kopel jangkar atau sebaliknya. Pada motor DC seri, kenaikan arus jangkar akan memperbesar fluks. Sehingga persamaannya dapat ditulis :
Ta = f(Ia)2
30
Hubungan antara kecepatan putar terhadap arus jangkar motor DC adalah :
Dari persamaan diatas, nilai kecepatan putar akan berubah jika harga atau besar arus jangkar berubah.
Karateristik mekanik diperoleh dari hubungan antara kecepatan putar dengan kopel elektromagnetik atau kopel jangkar:
Perubahan nilai kopel jangkar akan selalu diikuti oleh perubahan kecepatan putar.