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 singkron. 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
1. Generator 1 fasa
Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U.
Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U.
2. Generator 3 fasa
Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U – X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V – Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W – Z.
Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U – X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V – Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W – Z.
Prinsip Kerja Generator
Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik.
Besar tegangan generator bergantung pada :
1. Kecepatan putaran (N)
2. Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluk (Z)
3. Banyaknya fluk magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f)
3. Konstruksi Generator
Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu
1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan bolakbalik
2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator.
Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator.
Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Jumlah Kutub pada Generator
Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.
Keterangan:
f = frekuensi tegangan (Hz)
p = jumlah kutub pada rotor
n = kecepatan rotor (rpm)
Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan daalam Gambar 7. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).
2.1 Motor sinkron
Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
2.1 Motor sinkron
Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 7):
· Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):
Ns = 120 f/p
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
2.2 Motor induksi
Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.
a. Komponen
Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8):
· Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
o Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatka dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
o Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.
· Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat
b.Klasifikasi motor induksi
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003):
· Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
· Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
c. Kecepatan motor induksi
Motor induksi bekerja sebagai berikut. Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar.
Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/ slip ring motor”.
Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran (Parekh,
2003): %slip = Ns-Nb/Ns x100
Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM
d. Hubungan antara beban, kecepatan dan torque
Gambar 9 menunjukan grafik torque-kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):
· Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torque yang rendah (“pull-up torque”).
· Mencapai 80% kecepatan penuh, torque berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun.
· Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun ke nol.
C. TRANSFORMATOR
Transformator adalah alat yang berfungsi mengubah, yaitu menaikkan atau menurunkan GGL (tegangan) sumber berdasarkan prinsip imbas elektromagnetik. Gambar skema transformator dapat dilihat pada gambar 10.9. Salah satu kumparan disebut kumparan primer dan kumparan yang lain disebut kumparan sekunder. Tegangan sumber disambung dengan terminal kumparan primer, dan beban tersambung dengan terminal kumparan sekunder
Gambar 10-9. Simbol skema transformator
Kumparan primer dan sekunder melilit inti tansformator. Inti ini dapat berupa udara, besi, atau ferit. Gambar 10.10 a dan b menunjukkan kumparan primer dan sekunder melilit silinder dan bahan nonferromagnetik, yang didalamnya dapat diisikan inti transformator, misalnya udara atau ferit. Pada gambar a lilitan terpisah, dan gambar b kedua lilitan berada pada satu bagian. Bentuk lilitan ini mempunyai imbas elektromagnetik yang lebih baik. Gambar 10.10 c menunjukkan gambar transformator dengan inti besi. Inti besi dan inti ferit dapat menaikkan koefisien pemindahan daya. Tansformator dengan inti udara, besi, maupun ferit mempunyai simbol yang standar, yaitu seperti pada gambar 10.10 d.
Gambar 10-10. Tipe-tipe transformator dan simbolnya
digunakan pada frekuensi audio (af) dan untuk penggunaan sebagai sumber tenaga. Transformator jenis ini mempunyai kumparan yang melilit pada inti besi yang terbuat dari bahan ferromagnetik, berbentuk lembaran-lembaran tipis yang terisolasi satu sama lainnya.
1. Perbandingan Lilitan
Perbandingan lilitan (n) adalah perbandingan antara jumlah lilitan pada kumparan sekunder (Ns) dengan jumlah lilitan pada kumparan primer (Np).
Perbandingan jumlah lilitan primer dengan sekunder menentukan perbandingan tegangan primer (input) dan sekunder (output). Untuk menentukan berapa penurunan atau kenaikan tegangan yang akan kita inginkan, dapat digunakan persamaan sebagai berikut.
Vs/Ns = Vp/Np
keterangan:
Vs = tegangan primer (input), dalam volt
NS = jumlah lilitan pada kumparan primer (input)
VP = tegangan sekunder (output), dalam volt N = jumlah lilitan pada kumparan sekunder (output)
Contoh:
Suatu transformator mempunyai kumparan primer dengan 100 lilitan, dan kumparan sekunder 600 lilitan. Berapa perbandingan lilitannya?
Jawab.
Ns = 600 lilitan
Np= 150 lilitan
Perbandingan lilitan:
Jadi, perbandingan jumlah lilitannya = 4.
2. Transformator Step-up
Transformator step-up adalah trafo yang digunakan untuk memperbesar GGL atau tegangan listrik suatu sumber (untuk menaikkan tegangan). Transfor-mator ini mempunyai tegangan sekun-der lebih tinggi dibandingkan tegangan primernya. Rasio perbandingan tegang-an sekunder dengan tegangan primer sama dengan rasio perbandingan jumlah lilitan pada kumparan sekunder dan kumparan primer.
Penggolongan jenis iransformator step-up dan step-down ditentukan oleh perbandingan antara Jumlah lilitan sekunder dan jumlah lilitan primer.
3. Transformator Step-down
Transformator step-down adalah trafo yang digunakan untuk memperkecil GGL atau tegangan Listrik suatu sumber (untuk menurunkan tegangan sumber). Transformator ini mempunyai tegangan primer lebih tinggi dibandingkan tegangan sekundernya. Dari persamaan 2.8 di atas terlihat bahwa perbandingan lilitan sekunder dan primer juga menentukan nilai tegangan V, sehingga untuk transformator step-down harga n atau perbandingan lilitan selalu lebih kecil dari I.
4. Prinsip Kerja Transformator
Jika ada aliran arus pada kumparan primer, maka akan timbul perubahan fluks magnetik di bagian primer. Akibatnya fluks magnetik yang dilingkupi oleh sekunder berubah pula, sehingga pada bagian kumparan sekunder terjadi pula GGL imbas. Perubahan kuat arus pada bagian primer harus terus-menerus. Oleh karena itu, arus yang melewati kumparan primer harus arus bolak-balik (arus yang berubah terhadap waktu).
Pengaliran arus listrik ke kumparan primer yang menimbulkan GGL imbas pada kumparan sekunder juga meru-pakan pemindahan energi listrik dari kumparan primeri ke kumparan sekun-der. Pemindahan energi dari kumparan primer ke kumparan, sekunder merupa-kan kerugian atau kehilangan energi. Kerugian energi itu berupa
a. pemanasan joule
Panas yang timbul akibat adanya hambatan listrik pada penghantar (kum-paran);
b. pemanasan arus pusar
Panas yang timbul akibat arus pusar. Arus pusar yaitu arus yang timbul dalam suatu logam/penghantar yang berada dalam medan
Gambar 10-11. Untuk mengurangi efek arus pusar, inti besi trafo dibuat berlapis-lapis
a. Daya Transformator
Pada transformator terdapat label spesifikasi yang berisi daya, volt-ampere (VA), tegangan-tegangan primer dan sekunder (dalam volt), dan frekuensi pengoperasian-nya (dalam hertz). Contoh, suatu transformator dengan spesifikasi sebagai berikut: 2 kVA, 500/50, 60 Hz. Nilai 2 kVA adalah daya transformator, 500 dan 50 adalah nilai-nilai tegangan primer atau sekunder, dan 60 Hz adalah frekuensi pengope-rasiannya.
Transformator yang ideal dapat memindahkan semua energi yang masuk ke primer dan ke luar lewat sekunder tanpa ada kerugian. Hal ini sulit dicapai karena di dalam sistem kerja transformator ada kerugian-kerugian. Perbandingan daya yang ada pada bagian sekunder dengan bagian yang ada pada primer merupakan nilai efisiensi dari transformator.
