bab ii landasan teori -...

6

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan menguraikan dasar-dasar teori yang digunakan dalam

proyek akhir mengenai simulator pengisian Akumulator dengan menggunakan

Alternator Mobil 12VDC/60A, mulai dari generator sinkron, penyearah tiga fasa

gelombang penuh, Alternator Regulator arus bolak-balik, Akumulator dan

Alternator Mobil.

2.1. Prinsip Pembangkitan Tenaga Listrik

2.1.1. Induksi Elektro Magnet

Garis gaya magnet dipotong oleh pengantar listrik yang bergerak diantara

medan magnet, akan timbul gaya gerak listrik pada penghantar dan arus akan

mengalir apabila penghantar tersebut merupakan bagian dari sirkuit lengkap.

Seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. mengenai penghantar yang

dihubungkan dengan galvanometer, digerakan keluar masuk secara terus-menerus

kedalam celah satu buah magnet permanen yang berbentuk U.

Gambar 2.1.

Pengkukuran Arus Yang Kecil Dengan Galvanometer

(Hengki Mahendra, Modul Sistem Pengisian, 2011)

Seperti ditunjukan pada gambar 2.1. jarum galvanometer (amperemeter

yang dapat mengukur arus yang sangat kecil), akan bergerak karena gaya gerak

listrik yang dihasilkan pada saat pengantar digerakkan maju-mundur diantara

katup utara dan katup selatan magnet. Dari aksi ini, akan didapat beberapa

kesimpulan bahwa:

7

1) Jarum galvanometer akan bergerak jika pengahantar atau magnet digerakkan.

2) Arah gerakan jarum akan berfariasi mengikuti arah gerakan penghantar atau

magnet.

3) Basar gerakan jaum akan semakin besar sebanding dengan kecepatan gerakan.

4) Jarum tidak akan bergerak jika gerakan dihentikan.

Bila dengan beberapa cara, pengantar dilewatkan melalaui garis gaya

magnet, maka dalam pengantar akan terbangikit gaya gerak listrik, penomena ini

disebut dengan “induksi elektromagnet”. Generator menghasilkan gaya gerak

listrik dengan cara induksi elektro magnet dan mengubahnya menjadi tenaga

listrik (tegangan arus).

2.1.2. Arah Gerak Gaya Listrik

Arah gaya gerak listrik yang dibangkitkan dalam penghantar diantara

medan magnet bervariasi mengikuti perubahan arah garis gaya megnet dan

gerakan penghatar. Seperti yang ditunjukan gambar 2.2. Apabila penghantar

digerakkan (dengan arah seperti yang ditunjukan oleh tanda panah besar pada

gambar 2.2) diantara kutup magnet utara dan selatan, maka gaya gerak listrik akan

menalir dari kanan ke kiri (arah garis gaya magnet dari kutub utara ke kutub

selatan).

Arah gais gaya magnet dapat dipahami dengan mengunakan Hukum

Tangan Kanan Fleming (Fleming’s Right-Hand Rute).

Hukum Tangan Kanan Fleming dengan ibu jari, telunjuk dan jari tengah

tangan kanan dibuka dengan sudut yang tepat satu sama lain, maka telunjuk akan

menunjukan gais gaya magnet, ibu jari menunjukan arah gerakan penghantar dan

jari tengah menunjukan arah gaya gerak listrik.

2.1.3. Besarnya Garis Gaya Magnet

Besarnya gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada saat penghantar

memotong (melewati) garis gaya magnet di antara medan magnet sebanding

dengan banyaknya garis gaya magnet yang dipotong pada suatu satuan waktu.

Untuk lebih jelasnya mengenai garis gaya magnet, dapat melihat gambar 2.3.

8

Sebagai contoh, bila banyaknya garis-garis N dipotong dalam waktu t detik dan

gaya gerak listrik U volt, ini dapat dinyatakan dengan rumus berikut (simbol α

berarti “sebanding dengan”):

𝑈 𝛼 𝑁

𝑡 ............................................................................................ (2.1)

Gambar 2.2.

Hukum Tangan Kanan Fleming

Gambar 2.3.

Garis Gaya Magnet


Dalam medan magnet dengan densitas yang seragam, besarnya gaya gerak

listrik yang dibangkitkan tergantung pada arah gerakan penghantar meskipun

kecepatan gerakan penghantar konstan. Seperti terlihat pada gambar 2.4. sebuah

penghantar digerakkan dari titik A ke B ke C ke D dan kembali ke A.

Bagaimanapun, ia memotong garis gaya magnet hanya pada saat bergerak

dari A ke B dan dari C ke D. Dengan kata lain, meskipun penghantar bergerak

dengan kecepatan yang sama di antara masing-masing titik, gaya gerak listrik

akan bangkit hanya pada saat penghantar bergerak antara A dan B dan antara C

dan D.

9

Gambar 2.4.

Gerakan Penghantar Pada Garis Gaya Magnet

Bila penghantar (conductor) digerakkan dengan jalur melingkar didalam

medan magnet seperti yang ditujukan pada gambar 2.5. maka besarnya garis gaya

magnet akan berubah secara konstan. Pada gambar ini, penghantar digerakkan

dalam lingkaran dengan kecepatan tetap dari titik A hingga ke titik L diantara

kutub magnet utara dan selatan. Dalam hal ini jumlah garis gaya magnet terbesar

dipotong antara titik D dengan E dan antara titik J dengan K, tetapi tidak ada garis

yang dipotong antara A dengan B atau G dengan H.

Gambar 2.5.

Gerakan Melingkar Garis Gaya Listrik

Jadi, bila gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada saat penghantar

digerakkan dalam lingkaran dinyatakan dalam sebuah grafik, dapat dilihat bahwa

keberadaan gaya ini secara tetap mengalami perubahan (bertambah dan

berkurang). Selanjutnya, arah arus yang dibangkitkan oleh gaya gerak listrik ini

akan berubah setiap setengan putaran penghantar, seperti yang ditujukan pada

gambar 2.6.

10

Gambar 2.6.

Grafik Gaya Gerak Listrik

2.1.4. Prinsip Generator

Meskipun gaya gerak listrik dihasilkan bila sebuah penghantar diputar

dalam medan magnet, sebenarnya besarnya gaya gerak listrik (ggl) yang

dihasilkan sangat kecil. Seperti pada gambar 2.7. mengenai prinsip generator.

Gambar 2.7.

Prinsip Generator

Apabila dua buah penghantar disambung ujung ke ujung, maka akan

timbul ggl pada keduanya yang tentu saja ganda. Jadi, semakin banyak penghantar

yang berputar dalam medan magnet semakin besar pada ggl yang dihasilkan.

Bila penghantar terbentuk dalam satu kumparan, jumlah total ggl yang

dibangkitkan akan menjadi lebih besar, demikian juga besarnya tenaga listrik

(arus dan tegangan) yang dihasilkan. Generator membangkitkan tenaga listrik

dengan cara memutarkan sebuah kumparan di dalam medan magnet. Untuk lebih

jelasnya mengenai kumparan yang berputar didalam medan magnet, dapat dilihat

pada gambar 2.8.

11

Gambar 2.8.

Perputaran Kumparan Pada Medan Magnet

2.1.5. Generator Arus Bolak Balik

Bila arus listrik yang dibangkitkan oleh kumparan diberikan melalui cincin

gesek dan sikat (jadi kumparan dapat berputar), besarnya arus yang mengalir ke

lampu akan berubah, pada saat yang sama, demikian juga arah alirannya. Seperti

yang diperlihatkan pada gambar 2.9.

Pada saat kumparan berputar, arus yang dihasilkan pada setengah putaran

pertama akan dikeluarkan dari brush pada sisi A, mengalir melalui lampu dan

kembali ke brush pada sisi B. Pada setengah putaran selanjutnya, arus akan

mengalir dari B dan kembali keA.

Gambar 2.9.

Kumparan dengan Beban Lampu yang di Beri Cincin Gesek Dan Sikat, Bergerak

Diantara Medan Magnet


12

Dalam model ini, generator arus bolak-balik memberikan arus yang

dihasilkan oleh kumparan dalam medan magnet. Alternator yang digunakan pada

sistem pengisian mobil menggunakan diode untuk mengarahkan arus

(mengubahnya menjadi arus searah) sebelum dialirkan ke sistem pengisian.

Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10.

Gravik Penyearahan Arus Oleh Dioda


2.1.6 Generator Sinkron

2.1.6.1. Prinsip Kerja

Generator sinkron adalah generator arus bolak-balik dan sering disebut

Alternator yang berfungsi mengubah tenaga mekanik menjadi daya listrik.

Prinsip kerja mesin ini adalah berdasarkan prinsip induksi elektromagnit

seperti halnya pada transformator, tetapi pada Alternator ini terdapat komponen

yang bergerak.

Pada mesin yang bertenaga kecil (dengan rating kurang dari 50kW)

kumparan pembangkit (jangkar) terletak pada rotor dan kumparan medan pada

stator. Tetapi pada mesin dengan rating dalam Megawatt (sampai 800MW atau

lebih), jangkar terletak pada stator dan kumparan medan pada rotor.

Pada gambar 2.11. memperlihatkan pembangkitan tegangan dengan

kumparan pembangkit (jangkar) yang berputar dan pada gambar 2.12. kumparan

penguat yang berputar.

13

Gambar 2.11.

Pembangkitan Tegangan dengan Jangkar Berputar

Gambar 2.12.

Pembangkitan Tegangan dengan Kumparan Medan Berputar

(Drs. R. Panjaitan, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, 2000)

Apabila rotor diputar oleh suatu penggerak utama dan kumparan medan

diberi sumber tegangan DC sehingga kumparan medan akan membangkitkan

medan magnit. Hasil interaksi kawat-kawat jangkar dengan garis-garis gaya, maka

di dalam kawat jangkar akan timbul tegangan induksi yang sinusoid (atau

berbentuk grafik sinus) seperti diperlihatkan pada gambar 2.11 (b). Jika kumparan

berada pada posisi start (gambar 2.11.), tegangan yang timbul adalah nol.

Pada gambar 2.12. tegangan yang timbul dalam kawat jangkar akan di

suplai ke jala-jala (rangkaian luar) melalui slip ring (atau cincin seret), sedang

pada gambar 2.18. dapat dihubungkan langsung dengan terminal stator dan arus

eksitasilah yang dilalirkan melalui slip ring.

14

2.1.6.2. Frekuensi Dan Putaran

Frekuensi adalah jumlah getaran listrik setiap detik yang dinyatakan

adalah satuan Herz atau Cycle (disingkat Hz atau c/s). Apabila dikatakan

frekuensi f = 1 Hz, hal ini berarti rotor bergerak mengitari dua buah kutub, yaitu

rotor berputar dengan jarak 3600 listrik. Oleh karena itu frefuensi tergantung pada

putaran dan jumla kutub.

Bila suatu mesin (Alternator) mempunyai jumlah kutub P, tegangan

induksi yang timbul dalam kawat jangkar tiap perputaran menjadi P/2 periode.

Jadi sebuah Alternator yang mempunyai jumlah kutub P untuk

menghasilkan tegangan induksi dengan frekuensi f, harus membuat putaran 𝑓

𝑃 2

perdetik atau 60 𝑓

𝑃 2 puratan permenit (atau rpm).

Sehingga untuk putaran N berlaku hubungan:

𝑁 =60 𝑓

𝑃 2 =

120

𝑃 𝑟𝑝𝑚 ..................................................................... (2.2)

𝐹 =𝑁 . 𝑃

120 𝐻𝑧 .................................................................................. (2.3)

di mana P = jumlah kutub (U + S).

Rating kecepatan putaran tergantung tipe primovernya. Apabila primover

dari suatu Alternator mempunyai kecepatan rendah maka Alternator tersebut

membutuhkan banyak kutub sehingga tercapai besar frekuensi yang telah

ditentukan. Alternator yang tipe primovernya mempunyai kecepatan tinggi maka

biasanya generator tersebut mempunyai jumlah kutub 2, 4, atau 6 buah.

2.1.6.3. Konstruksi

Karena Alternator digunakan untuk membangkitkan arus bolak-balik,

maka Alternator tidak membutuhkan komutator sehingga hal ini memungkinkan

dibuatnya kumparan pembangkit (jangkar) pada bagian yang tidak bergerak, yaitu

stator. Hal ini mempunyai keuntungan yakni:

(i) Memungkinkan untuk membuat isolasi kawat jangkar yang lebih kuat. Karena

kumparan dan isolasi tidak dipikul oleh rotor sehingga dapat mengurangi

getaran mekanis.

15

(ii) Tegangan tinggi yang dibangkitkan dalam kawat jangkar tidak lagi

memerlukan slip ring untuk mensuplai ke rangkaian luar (jala-jala) tetapi

dapat langsung menghubungkannya dengan terminal stator.

A. Rotor

Tipe konstruksi kumparan medan yang berputar atau rotor dari Alternator

ada dua macam, yakni salient pole rotor (rotor kutub salient) dan cylindrical

rotor (rotor sillinder).

Rotor kutub salient dapat mengakibatkan rugi angin yang terlalu besar

apabila putaran sangat tinggi, dan juga menimbulkan suara yang berisik. Sehingga

rotor jenis ini biasanya digunakan pada Alternator yang mempunyai penggerak

utama dengan kecepatan rendah dan menengah. Rotor ini mempunyai kutup yang

terdiri dari lapisan-lapisan besi, dimaksudkan untuk dapat mengurangi panas

akibat eddy current.

Gambar 2.13.

Rotor Kutub Sailent

Rotor silinder biasanya digunakan pada Alternator yang tipe penggerak

utamanya adalah turbin uap, yaitu turbo-Alternator yang mempunyai putaran

sangat tinggi. Rotor ini berbentuk silinder dimana kelilingnya terdiri dari alur-alur

sebagai tempat dari kawat-kawat kumparan medan. Rotor seperti ini didesain pada

berbagai macam jumlah kutub yang disesuaikan dengan tipe penggerak mula dari

Alternator tersebut.

16

Gambar 2.14.

Rotor Silinder

B. Stator

Kumparan pembangkit (jangkar) terletak pada bagian yang tidak bergerak

atau stator. Keliling bagian dalam dari stator ini dikonstruksi sedemikian rupa

sehingga mempunyai alur-alur sebagi tempat dari kawat-kawat jangkar.

Gambar 2.15.

Jangkar Dari Alternator


Alur-alur dari inti stator ini dibuat dalam berbagai macam bentuk, yaitu:

terbuka, semi terbuka dan tertutup, diperlihatkan dalam gambar 2.16. berikut ini.

17

Gambar 2.16.

Bentuk Alur

C. Gulungan Jangkar

Gulungan jangkar dalam Alternator berbeda dari gulungan jangkar dalam

mesin DC. Mesin DC mempunyai rangkaian gulungan yang tertutup tetapi pada

Alternator rangkaian gulungan terbuka. Untuk Alternator tiga fasa, salah satu

ujung gulungan fasa dihubungkan menjadi titik netral dan ujung lainnya

dihubungkan ke terminal stator.

1) Gulungan berlapis tunggal

Apabila hanya satu sisi kumparan dalam setiap alur maka disebut

gulungan berlapis tunggal.

Gambar 2.17.

Gulungan Berlapis Tunggal

18

Gambar 2.17. memperlihatkan suatu Alternator mempunyai 4 buah kutub,

12 alur; 3 alur per kutub atau 1 alur/fasa/kutub. Gulungan dalam langkah penuh.

Misalnya fasa R mulai dari alur 1, kemudian 4, 7 dan berakhir pada alur 10.

Permulaan fasa Y maju 120° listrik dari permulaan fasa R, yaitu mulai dari alur 3,

kemudian 6, 9 dan berakhir pada alur 12. Dengan cara yang sama fasa B mulai

dari alur 5, 8, 11 dan berakhir pada alur 2.

Untuk mendapatkan hubungan titik bintang, ketiga ujung akhir dari belitan

dihubungkan.

2) Gulungan berlapis ganda

Dalam gulungan berlapis ganda, dua sisi kumparan ditempatkan dalam

setiap alur stator. Dari keadaan ini dapat diketahui suatu ketentuan, yakni:

(i) Jumlah alur stator sama dengan perkalian jumlah kutub dengan jumlah fasa.

Dengan demikian stator berkutub 4 dari generator 3 fasa dapat mempunyai 12,

24, 36, 48 alur dan seterusnya.

(ii) Jumlah alur sama dengan jumlah kumparan.

Gambar 2.18.

Gulungan Berlapis Ganda

19

Gambar 2.18. memperlihatkan sebuah jangkar dari suatu Alternator

digulungan secara gelung mempunyai 4 kutub, 24 alur. Langkah kutub = 24/4 = 6.

Untuk mendapatkan tegangan maksimum, kumparan harus dibuat langkah penuh.

Hal ini berarti jika satu sisi kumparan mulai dari alur 1 maka sisi yang lainnya

harus berada pada alur 7 dan ini disebut langkah kutub atau besarnya 180° listrik.

Jumlah kumparan tiap fasa = 24/3 = 8, untuk mendapatkan tegangan yang

lebih besar, kumparan tersebut harus dihubungkan seri. Empat kumparan pertama

berada pada alur 1, 7, 13 dan 19. Empat kumparan lagi berada pada alur 2, 8, 14

dan 20. Belitan ini adalah untuk fasa R.

Fasa Y berbeda 120° listrik dari fasa R, yaitu mulai dari alur 5, 4 alur

jaraknya dari permulaan fasa R. Cara menggulung fasa Y sama dengan fasa R.

Fasa B dimulai dari alur 9, yaitu 4 alur jaraknya dari permulaan fasa Y. Secara

lengkapnya untuk gulungan 3 fasa diperlihatkan dalam gambar 2.26. terminal R2,

Y2 dan B2 dapat dihubungkan untuk mendapatkan titik netral dari hubungan

bintang.

Gambar 2.19.

Gulungan Jangkar Generator 3 Fasa

3) Hubungan bintang dan segitiga

Untuk hubungan bintang, R1, Y1, dan B1 ketiganya dihubungkan

sehingga terdapat titik bintang. R2, Y2, dan B2 dihubungkan ke terminal. Untuk

hubungan segitiga, R2 dan Y1, Y2 dan B1, B2 dan R1 saling dihubungkan, dan

20

saluran ke terminal diambik dari ketiga titik penghubungan tersebut seperti

diperlihatkan dalam gambar 2.20 a dan b.

Gambar 2.20. Hubungan Bintang dan Segitiga


2.1.6.4. Persamaan Ggl Yang Timbul

Jika z = jumlah kawat atau sisi kumparan dalam seri/fasa

= 2T, di mana T = jumlah kumparan atau lilitan /fasa

(1 lilitan = 2 sisi kumparan)

P = jumlah kutub

f = frekuensi ggl yang timbul (Hz)

Ø = fluks/kutub

N = kecepatan putaran rotor (rpm)

Jika rotor berputar satu kali (yaitu 60/N detik) maka setiap kawat stator

terpotong oleh fluks ØP weber.

Sehingga dØ = ØP dan dt = 60/N detik.

Harga ggl rata-rata yang timbul per konduktor

ggl rata− rata per konduktor =𝑑∅

𝑑𝑡=

∅𝑃

60 𝑁 =

∅𝑁𝑃

60 𝑣𝑜𝑙𝑡 .............. (2.4)

Seperti telah dijelaskan bahwa

𝑓 =𝑃 . 𝑁

120 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑁 =

120𝑓

𝑃 ............................................................... (2.5)

Maka ggl rata-rata per kawat

𝐸𝑟 =∅𝑃

60 .

120𝑓

𝑃= 2 . 𝑓 .∅ 𝑣𝑜𝑙𝑡 ........................................................ (2.6)

21

Jika kawat stator terdiri dari Z kawat per fasa, maka

𝐸𝑟 𝑝𝑒𝑟 𝑓𝑎𝑠𝑎 = 2 .𝑓 .∅ .𝑍 𝑣𝑜𝑙𝑡 = 4 .𝑓 . ∅ .𝑇 𝑣𝑜𝑙𝑡

Harga efektif dari ggl yang timbul adalah

𝐸𝑒𝑓𝑓 = 4 .𝐾𝑏 .𝑓 .∅ .𝑃𝑇 𝑣𝑜𝑙𝑡

dimana: faktor bentuk Kb = 𝑕𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑎𝑡𝑎 −𝑟𝑎𝑡𝑎

𝑕𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑓

= 0,707

0,636

𝐽𝑎𝑑𝑖 𝐸𝑒𝑓𝑓 = 4,44 .𝑓 .∅ .𝑇 ............................................................ (2.7)

2.1.6.5. Penguatan

Pada generator sinkron kumparan medan (rotor) diberi eksitasi

(penguatan) dengan arus searah. Arus searah tersebut dapat diperoleh dari sumber

arus searah atau dari arus bolak-balik yang diserahkan. Generator atau sumber

listrik lain, yang memberikan eksitansi pada generator sinkron (Alternator)

disebut penguatan terpisah, dan apabila arus eksitasi diambil dari Alternator itu

sendiri disebut penguatan sendiri, yaitu dengan memanfaatkan sisa magnet pada

kutub.

Pada suatu stasiun tenaga, kadang-kadang digunakan jala-jala khusus

untuk memberikan eksitasi pada generator sinkron. Tetapi yang sering digunakan

adalah eksitasi tersendiri bagi tiap-tiap Alternator itu. Stasiun tenaga yang

mempunyai jala-jala eksitasi biasanya diberi daya dari beberapa generator arus

searah yang dihubungkan paralel, dan memberikan daya pada kumparan medan

semua generator. Dalam keadaan darurat jala jala eksitasi diberi daya oleh baterai.

Untuk “main exciter” (penguat utama) biasanya digunakan generator arus

searah dengan penguat bebas atau dengan penguatan sendiri. Bagi generator yang

berpenguatan bebas yang bekerja sebagai main exciter, eksitasinya diperoleh dari

sumber arus searah lainnya. Generator atau sumber listrik lain yang memberikan

eksitasi pada main exciter disebut “pilot exciter” (penguat pembantu). Untuk lebih

jelasnya dapat dilihat dalam gambar 2.21, dan 2.22.

22

Gambar 2.21.

Generator dengan Main Exciter

Gambar 2.22.

Generator dengan Main Exciter dan Pilot Exciter

Arus eksitasi ini dapat menentukan sifat-sifat dari Alternator, yaitu dengan

mengatur harga arus eksitasi maka faktor daya dari Alternator tersebut dapat

ditentukan.

Bila arus eksitasi cukup membangkitkan fluksi yang diperlukan oleh

Alternator, maka Alternator tersebut disebut bekerja pada “unity-power factor”

(faktor daya satu). Bila arus eksitasi kurang dari harga unity-pf maka Alternator

bekerja dengan “langging-pf” (factor daya terbelakang), sedangakan jika harga

arus eksitasi lebih besar dari harga unity-pf maka disebut “leading-pf” (factor daya

mendahului).

2.1.6.7. Karakteristik beban Nol

Dengan memutar Alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus

medan (If), tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator.

𝐸0 = 𝑐 𝑁 ∅ .................................................................................... (2.8)

dimana: c = konstanta mesin

N = putaran sinkron

Ø = fluks yang dihasilkan oleh If

23

Dalam keadaan tanpa beban, arus jangkar tidak mengalir pada stator,

karena tidak terdapat reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus eksitasi I f.

Apabila arus eksitasi diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E0

seperti yang terlihat pada kurva pemagnetan gambar 2.23. Pada celah udara, kurva

pemagnetan merupakan garis lurus.

Gambar 2.23.

Karakteristik Beban Nol

ab = tambahan arus medan yang diperlukan untuk daerah jenuh

Ra = tahanan stator

Xa = reaktansi stator

E0 = V (keadaan tanpa beban)


2.2. Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh

2.2.1. Cara Kerja Rangkaian

Berbeda dengan penyearah tiga fasa gelombang setengah, penyearah tiga

fasa gelombang penuh menggunakan enam buah dioda yang dikonfigurasikan

sebagai sistem jembatan seperti diperlihatkan pada gambar 2.24. dengan dioda

sejjumlah itu dimana masing-masing dioda akan konduksi selama 600

listrik, dan

menghsilkan tegangan riak yang lebih kecil atau faktor riak nya menurun dan

berarti tegangan keluaran VDC menjadi lebih besar dari tegangan keluaran

penyearah tiga fasa gelombang setengah. Tegangan keluaran ini, bentuk

gelombang keluarannya diperlihatkan pada gambar 2.25.

24

Gambar 2.24.

Rangkaian Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh

(Wijayanto, Kartono, ELEKTRONIKA ANALOG, Politeknik Negeri Bandung, 2010)

Saat t1, t2, dan t3 tegangan fasa R dan fasa T- dan fasa S lebih positif

dibanding dengan fasa lainnya sehingga dioda D1, D6, dan D3 konduksi.

Sedangkan saat t4, t5, dan t6, tegangan fasa R-, fasa T,dan fasa S- lebih positif

terhadap fasa lainnya sehingga dioda D2, D4, dan D5 konduksi.

Gambar 2.25. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh

2.2.2. Persamaan Tegangan Keluaran VDC

Sesuai dengan gambar 4.4. maka tegangan VDC ditentukan sebagai berikut:

𝑉𝐷𝐶 = 6

𝑇 𝑉𝑚 sin𝜔𝑡 𝑑 𝜔𝑡

𝑇 3

𝑇 6

𝑉𝐷𝐶 =3𝑉𝑚𝜋

−cos𝜔𝑡 2𝜋 3

𝜋 3


− −0,5 − 0,5

𝑉𝐷𝐶 =3

𝜋𝑉𝑚 = 0,955 𝑉𝑚 ................................................................. (2.9)

25

Vm adalah tegangan puncak dari tegangan jala-jala (line to line) dan VLL

merupakan tegangan jala-jala efektif, dimana Vm = VLL . √2. Jadi jika VDC dihitung

terhadap tegangan jala-jala, maka didapatkan:

𝑉𝐷𝐶 = 0,955 2 𝑉𝐿𝐿 = 1,35 𝑉𝐿𝐿 .................................................................................... (2.10)

Tegangan keluaran efektif dihitung sebagai berikut:

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 6

𝑇 𝑉𝑚

2 𝑠𝑖𝑛2𝜔𝑡 𝑑 𝜔𝑡

𝑇 3

𝑇 6

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 3𝑉𝑚

2

2𝜋 1 − cos 2𝜔𝑡 𝑑𝜔𝑡

𝑇 3

𝑇 6

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 3𝑉𝑚

2

2𝜋 𝜔𝑡 −

sin 2𝜔𝑡

2

2𝜋 3

𝜋 3

𝑉𝑅𝑀𝑆 = 3

2𝜋𝑉𝑚

2 𝜋

3− −

3

2 = 0,956 𝑉𝑚 ................................. (2.11)

Faktor riak adalah:

𝑉𝑅𝑀𝑆2 = 𝑉𝑟 , 𝑅𝑀𝑆

2 + 𝑉𝐷𝐶2

𝑉𝑟 , 𝑅𝑀𝑆2 = 𝑉𝑅𝑀𝑆

2 − 𝑉𝐷𝐶2

𝑉𝑟 , 𝑅𝑀𝑆2 = 0,956 𝑉𝑚

2 − 0,955 𝑉𝑚 2 = 0,044 𝑉𝑚 .................. (2.12)

∴ 𝑟 =𝑉𝑟 , 𝑅𝑀𝑆

𝑉𝐷𝐶=

0,044 𝑉𝑚0,83 𝑉𝑚

= 0,053 𝑎𝑡𝑎𝑢 5,3%

Contoh soal:

Dari gambar 2.26. di bawah diketahui tegangan sekunder trafo antar fasa

380 volt dan tegangan fasa dengan netral 220 volt 50 Hz. Tentukan berapa

tegangan pada R apabila nilai R = 680Ω.

26

Gambar 2.26.

Gambar Contoh Soal 1

Jawab:

𝑉𝐷𝐶 = 6

𝑇 𝑉𝑚 sin𝜔𝑡 𝑑 𝜔𝑡

𝑇 3

𝑇 6


−cos𝜔𝑡 2𝜋 3

𝜋 3


− −0,5 − 0,5

𝑉𝐷𝐶 =3

𝜋𝑉𝑚 = 0,955 𝑉𝑚 ................................................................ (2.13)

Jadi tegangan VRL = 0,955 x √2 x 380

VRL = 0,955 x 1,4142 x 380

VRL = 513,21 VDC ............................................................................... (2.14)

(Wijayanto, Kartono, ELEKTRONIKA ANALOG, Politeknik Negeri Bandung, 2010)

2.3. Alternator Regulator Tipe Elektro Mekanik

Output pada Alternator ditentukan oleh banyaknya gulungan stator,

kekuatan medan dan banyaknya garis-garis gaya magnet per waktu (kecepatan

putaran). Karena itulah, begitu putaran rotor meningkat, tegangan dan arus yang

dibuat oleh Alternator juga akan naik. Oleh sebab itu, tegangan dan arus yang

dibangkitkan harus diatur untuk melindungi Alternator itu sendiri. Dan yang

melakukan pengaturan ini adalah Alternator regulator. Alternator regulator dapat

mengatur arus yang dibangkitkan melalui pengaturan besar arus yang mengalir di

field coil dengan menggunakan bermacam cara.

27

Voltage regulator tipe Elektro Mekanik terdiri dari voltage regulator dan

relay lampu charging alert (voltage relay).

Gambar 2.27.

Alternating Current Alternator Regulator

Voltage regulator fungsinya adalah untuk memastikan agar tegangan yang

dihasilkan selalu tetap konstan. Jika tegangan yang dihasilkan lebih tinggi dari

aturan, maka arus yang dibangkitkan akan berkurang (karena adanya resistor

tambahan ke field coil secara serial untuk memutus tegangan yang dihasilkan).

Dan apabila tegangannya lebih rendah dari aturan, maka beberapa resistor akan

diputus dari field coil untuk menjaga tegangan yang dihasilkan.

Gambar 2.28.

Struktur Voltage Regulator

(Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa, Bandung, 2011)

28

Karena Alternator AC menggunakan dioda silikon sebagai rectifier, maka

kemungkinan adanya arus terbalik tidak akan terjadi dan dioda mempunyai fungsi

pembatas arus sehingga tidak perlu khawatir akan terjadi over current. Karena

itulah kenapa yang diperlukan hanya voltage regulator saja.

Charging alert lamp relay harus dihubungkan ke voltage regulator untuk

menjalankan lampu indikator.

2.3.1. Prinsip Kerja Voltage Regulator Dalam Rangkaian Pengisian

Akumulator

Berikut adalah rangkaian pengisian baterai dengan menggunakan

Alternator mobil dan voltage regulator tipe arus bolak-balik.

Gambar 2.29.

Rangkaian Pengisian Pada Baterai

(Charging system – voltage regulator, Isuzu training center)

Pada saat sakelar mengontak

Aliran arus yang terjadi ialah:

Baterai (+) → melewati sakelar → menyalakan lampu indikator →

terminal L voltage regulator → titik kontak P2 voltage regulator → titik c voltage

regulator → ground.

Baterai (+) → terminal IG voltage regulator →titik a voltage regulator →

titik kontak P1 → terminal F voltage regulator → terminal F Alternator → rotor

Alternator berubah menjadi magnet → terminal E Alternator → ground.

29

Gambar 2.30.

Aliran Arus Pada Saat Sakelar Mengontak

Pada saat putaran rotor rendah

Aliran arus yang terjadi adalah:

Alternator membangkitkan tegangan → dari terminal N Alternator →

terminal N voltage regulator → masuk ke voltage relay → voltage relay menjadi

magnet → Plat kontak P2 tertarik oleh magnet voltage relay, sehingga plat kontak

P2 terhubung dengan titik d voltage regulator → plat kontak P2 terputus dengan

titik kontak c, sehingga lampu indikator mati → terminal E voltage regulator →

ground.

Alternator (B) → baterai (+), baterai di isi (charging) → terminal IG

voltage regulator → titik a voltage regulator → plat kontak P1 → terminal F

voltage regulator → terminal F Alternator → rotor menjadi magnet → ground.

Gambar 2.31.

Aliran Arus Pada Saat Putaran Rendah

30

Pada saat putaran rotor menengah

Aliran arus yang terjadi adalah:

Tegangan Alternator bertambah, terminal B Alternator → kemagnetan

voltage regulator semakin kuat, voltage relai menjadi magnet → plat kontak P1

tertarik lepas dari titik kontak a, namun plat kontak P1 tidak berhubungan dengan

titik b → ground.

Terminal B Alternator → baterai (+) → terminal IG voltage regulator →

arus tidak mengalir ke titik kontak a karena plat P1 tidak terhubung dengan titik a,

sehingga arus mengalir ke resistor → terminal F voltage regulator → terminal F

Alternator → rotor Alternator, kemagnetan rotor berkurang akibat aliran arus yang

melewati resistor, sehingga tegangan dan arus yang masuk rotor Alternator

mengecil → terminal E Alternator → ground.

Gambar 2.32.

Aliran Arus Pada Saat Putaran Sedang

Pada saat putaran rotor tinggi

Tegangan yang dibangkitkan Alternator semakin tinggi, terminal B

Alternator → plat kontak P2 → titik kontak d voltage regulator → relai tegangan

voltage regulator, kemagnetan relai tegangan menguat, plat kontak P1 tertarik

oleh magnet relai tegangan, sehingga plat P1 terhubung dengan titik kontak b

voltage regulator → ground.

Terminal B Alternator → plat kontak P2 → titik kontak d voltage

regulator → titik kontak b voltage regulator → relai tegangan voltage regulator

→ ground.

31

Gambar 2.33.

Aliran Arus Pada Saat Putaran Tinggi

(Charging system – voltage regulator, Isuzu training center)

2.4. Akumulator

2.4.1. Prinsip Kerja Akumulator

Akumulator adalah suatu alat electrochemical yang dapat merubah energi

kimia menjadi energi listrik melalui reaksi kimia kelistrikan, yang kelompokkan

menjadi primary cell dan secondary cell.

Primary Cell

Ketika pelat tembaga dan pelat seng dicelupkan ke dalam larutan asam

sulfur, maka seng itu akan melebur oleh menjadi ion seng (Zn++) yang

mempunyai muatan listrik positif (+), karena itulah muatan listrik negatif (-) akan

dikumpulkan dari pelat seng-nya. Kemudian Ion hidrogen (H+) akan bergerak ke

pelat tembaga karena adanya daya tolak dari ion seng. Karena itulah, ion hidrogen

akan memberikan muatan positif (+) ke pelat tembaga, sehingga pelat tembaga

tersebut akan mempunyai muatan positif. Akibatnya, akan timbul perbedaan

tegangan antara pelat seng dan pelat tembaga.

Dengan menghubungkan beban misal resistor antara pelat tembaga dan

pelat seng, maka aliran listrik akan mengalir dari pelat tembaga ke pelat seng

melalui beban resistor tersebut. Dengan menggunakan Akumulator, energi kimia

akan dirubah ke energi listrik. Untuk primary cell, setelah sekali arus ini

dikeluarkan, maka arus tidak dapat diisi kembali (recharged).

32

Gambar 2.34.

Prinsip Kerja Primary cell

Secondary Cell

Secondary cell umumnya disebut sebagai storage battery, yang dapat

mengembalikan kembali fungsi Akumulator dengan cara pengisian kambali

setrum yang telah dikeluarkan. Pada kendaraan secondary cell ini adalah yang

paling banyak digunakan. Pada saat beban listrik dihubungkan ke terminal battery,

maka akan dihasilkan tegangan melalui reaksi kimia antara pelat electrode

electrolyte di dalam Akumulator.

Gambar 2.35.

Prinsip Kerja Lead-Acid Battery

Storage battery umumnya adalah lead-acid battery yang dilarutkan oleh

asam belerang yang digunakan untuk electrolyte, lead peroxide digunakan untuk

pelat positif (anoda) dan purelead digunakan untuk pelat negatif (katoda).

33

2.5.2. Maksud Pemakaian Akumulator

Akumulator dapat membuat energi listrik dan energi kimia melalui

penggunaan material pelat electroda dan electrolyte (disebut dengan discharging).

Akumulator juga dapat menyimpan energi listrik ke dalam energi kimia (disebut

dengan charging). hal-hal yang diperlukan sebuah Akumulator adalah sebagai

berikut:

Ukurannya harus kecil, ringan dan tahan lama.

Mempunyai kapasitas yang besar dan harganya cukup murah.

2.4.3. Jenis - Jenis Akumulator

Akumulator yang banyak dipakai pada kendaraan adalah tipe secondary

cell (storage battery atau galvanic battery) yang memungkinkan untuk dapat

mengeluarkan dan mengisi kembali muatan listriknya.

Akumulator Lead-Acid

Jenis Akumulator ini terdiri dari lead peroxide (PbO2) sebagai pelat

electrode (anoda) positif (+), discharge lead (Pb) sebagai pelat electrode (katoda)

negatif (-) dan larutan asam belerang (H2SO4) sebagai electrolyte. Kelebihan dan

kelemahannya adalah sebagai berikut:

Kelebihan Akumulator lead-acid:

Tingkat bahayanya lebih sedikit di bandingkan dengan jenis lainnya, karena

reksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.

Dapat diandalkan dan harganya juga relatif murah.

Kelemahan Akumulator lead-acid:

Energinya sekitar 40Wh/kgf, lebih rendah dari yang lainnya.

Umurnya kurang tahan lama dan memerlukan waktu pengirisan kembali yang

lebih lama.

Alkali Baterai (Ni-Cd Battery)

Ada dua baterai alkalin yaitu Ni-Fe battery dan Ni -Cd battery. Di-nickel-

hydroxide [2NiO(OH)] dan iron (Fe) digunakan pada Ni-Fe battery dan di-nickel-

34

hydroxide [2NiO(OH)] dan cadmium (Cd) digunakan pada Ni-Cd battery sebagai

pelat anoda (+) dan pelat katoda (-). Untuk electrolyte digunakan potassium

hydroxide (KOH). Electrolyte digunakan hanya untuk menggerakkan electrons

bukan untuk reaksi kimia untuk proses charging dan discharging, sehingga

gravitasnya harus tidak berubah. Penutupnya terbuat dari lembar baja yang

dilapisi oleh nikel atau plastik.

Besarnya tegangan sekitar 1,2V per cell, dan tegangan dalam keadaan diisi

adalah sekitar 1,35V per cell. Tegangannya akan turun ke 1,1V pada saat dipakai,

namun akan meningkat kembali sampai ke 1,4~1,7V pada saat diisi kembali.

Kelebihan dan kekurangan baterai alkalin adalah sebagai berikut:

Keuntungan baterai alkalin:

Tahan beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama.

Mempunyai performa discharging yang baik.

Mempunyai densitas output yang besar.

Usianya tahan lama (10~20 tahun).

Waktu pengisian cepat.

Kelemahan baterai alkalin:

Densitas energinya rendah, sekitar 25~35Wh/kgf.

Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal.

Agak sulit untuk diproduksi massal.

2.4.4. Struktur Akumulator lead-acid

Komposisi dasar baterai lead-acid ada dua macam metal electrode yang

mempunyai karakteristik ionisasi dan electrolyte yang berbeda. Ada perbedaan

tegangan listrik antara anoda (+) dan katoda (-). Seperti tampak pada gambar 2.36.

ketika beban listrik dihubungkan diantara elektroda ini, maka arus listrik

sekwensial akan mengalir dari elektroda (+) yang mempunyai tegangan listrik

besar ke elektroda (-) yang tegangan listriknya lebih kecil melakui reaksi kimia

antara elektroda dan elektrolit.

35

Gambar 2.36.

Skema Dasar Diagram Lead-Acid Battery

Lead-acid battery yang digunakan pada kendaraan, anoda yang digunakan

adalah lead peroxide (PbO2), discharge lead (Pb) digunakan untuk katoda dan

larutan asam belerang (H2SO4) digunakan untuk elektrolit. Sebenarnya untuk

memperoleh energi listrik yang besar dengan volume yang sekecil mungkin, maka

area pelat elektroda yang berisi elektrolit harus bisa sebesar mungkin. Untuk

mewujudkannya, pelat elektroda hendaknya adalah kumpulan pelat yang terdiri

dari banyak pelat tipis yang disusun sejajar. Gabungan pelat elektroda anoda dan

katoda dipasang saling berhadapan satu sama lainnya.

Gambar 2.37.

Struktur Penyimpanan Baterai

(Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011)

Elektrolit

Elektrolit adalah larutan asam belerang yang mempunyai tingkat

kemurnian tinggi melalui pencampuran alir sulingan dengan asam belerang.

Elektrolit menyimpan energi ketika baterai di-charged dimana terjadi kontak

36

antara elektrolit dengan pelat elektroda, dan akan mengeluarkan energi listriknya

ketika baterai dipakai. Elektrolit juga berperan sebagai arus litrik di dalam cell.

Gravitasi elektrolit adalah sekitar 1.280 pada saat baterai diisi penuh dengan suhu

20 derajat celcius, dan dipakai sebabai nilai standar.

Dengan gravitasi standar, konditivitas belerangnya berada pada angka

tertingi. Ketika battery dipakai penuh, nilai gravitasinya adalah sekitar 1.050.

Sebenarnya, elektrolit baterai mempunyai gravitasi yang lebih tinggi dari angka

standarnya untuk menaikkan gaya electromotive dan menurunkan tahanan internal

pada saat baterai digunakan. Proses pembuatan elektrolit ialah seperti berikut:

Vessel harus merupakan insulator (seperti ebonite atau plastik) ketika

elektrolit tercampur.

Asam belerang tercampur ke air sulingan secara perlahan. Rasio campuran air

sulingan dan asam belerang adalah (1.400) 60% dan 40%.

Percampurannya dilakukan secara perlahan dengan cara mengaduknya dan

kemudian didiamkan sejenak.

Pengaturan gravitasi pada elektrolit untuk 1.280 adalah 200C.

2.4.5. Mengukur Berat Jenis Air Akumulator

Alat ukur yang digunakan untuk mengukur berat jenis air Akumulator

adalah hydrometer, berikut cara menggunakan alat hydrometer

Cara Menggunakan Alat Hydrometer:

1. Pencet karet dan masukan ujung pipa pengisap kedalam air Akumulator yang

akan diukur.

2. Lepaskan karet dan air Akumulator yang akan diukur masuk dalam tabung

hydrometer.

3. Masukan sejumlah air Akumulator kedalam tabung hydrometer agar

pelampung dapat terapung dan berat jenis air Akumulator dapat dibaca dari

Salah satu warna yang terdapat pada ujung pelampung.

Berat jenis air Akumulator yang baik adalah 1,25 - 1,28 pada temperatur

200C.

37

Gambar 2.38.

Alat Hydrometer

2.4.6. Perbandingan Berat Jenis Air Akumulator dengan Kapasitas

Akumulator

Barat jenis air Akumulator menunjukan kekuatan listrik dalam

Akumulator. Berat jenis air akan berubah 0,0007 setiap perbedaan temperatur

10C. Pada urnumnya berat jenis air Akumulator ditunjukan pada temperatur 20

0C,

maka pembacaan pada hydrometer harus diperhitungkan bila pengukuran sangat

dingin atau pada temperatur panas selesai pengisian. (Iihat grafik di bawah ini).

Gambar 2.39.

Grafik Perbandingan Berat Jenis Air dengan Kapasitas Akumulator

(Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen

Sains (TERMS), 1997)

38

2.4.7. Charging pada Akumulator lead-acid

Dengan mengalirkan arus untuk memakai strum baterai dari sumber arus

langsung external (charger atau Alternator), reaksi material pada anoda dan

katoda dilarutkan ke dalam lead sulfate dan selama proses discharge berlangsung

akan dirubah ke dalam lead dan sulfuric radicals.

Air sulingan dilarutkan ke dalam oksigen dan hidrogen. Sulfuric radical

yang dilarutkan dari lead sulfate dipertemukan dengan hidrogen untuk membuat

asam belerang yang pada akhirnya berubah menjadi asam belerang. Oleh karena

itulah, densitas asam belerang meningkat dan berat jenisnya juga akan ikut naik.

Kemudian pelat anoda dikonversikan ke dalam lead peroxide dan pelat katoda

konversikan menjadi discharge lead. Gambar 2.41. memperlihatkan kurva

hubungan antara tegangan dan berat jenis elektrolit berdasarkan waktu

pengisiannya (charging time).

Gambar 2.40.

Chemical Changes During The Charge Operation

Gambar 2.41.

Grafik Karakter Pengisian


39

2.4.8. Kapasitas Akumulator lead-acid

Kapasitas baterai adalah kapasitas listrik, yang dapat di-discharged sampai

tegangan terminalnya mencapai tegangan nominal final ketika baterai yang sudah

diisi penuh dipakai secara terus-menerus dengan arus tertentu. Elemen untuk

menentukan kapasitas baterai adalah ukurannya (atau area), ketebalan dan jumlah

elektroda serta jumlah elektrolit. Satuan ukur untuk kapasitas baterai adalah AH

(Ampere Hour rate) yang diwakili oleh persamaan sebagai berikut:

𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 𝐻𝑜𝑢𝑟 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝐴𝐻 =

𝐷𝑖𝑠𝑐𝑕𝑎𝑟𝑔𝑖𝑛𝑔 𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 𝐴 × 𝑙𝑎𝑚𝑎 𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑝𝑒𝑚𝑎𝑘𝑎𝑖𝑎𝑛 (𝐻) .................. (2.15)

Lama Waktu Pengisian Akumulator

Contoh Pengisian Akumulator:

Apabila mempunyai Akumulator 12VDC berkapasitas 40AH, dan pada

saat di berat jenis dengan hydro meter, terukur berat jenis air adalah 1,160.

Kemudian angka berat jenis tersebut di sesuikan dengan kurva tingkat kekosongan

Akumulator pada gambar 2.42, setelah di sesuaikan, terhitung bahwa Akumulator

memiliki tingkat kekosongan 50%. Dengan kekosongan Akumulator sebesar 50%

berarti kekosongan kapasitas aki adalah 40 Ah x 50% = 20 Ah.

Gambar 2.42.

Grafik Perbandingan Berat Jenis Air dengan Presentase Kekosongan Arus Listrik Akumulator

(Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen

Sains (TERMS), 1997)

40

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛 (𝑕) =𝐾𝑒𝑘𝑜𝑠𝑜𝑛𝑔𝑎𝑛 𝐴𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐴𝐻 × (1,2 − 1,5)

𝐴𝑟𝑢𝑠 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛 (𝐴)

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛 (𝑕) =20𝐴𝐻 × 1,2 − 1,5

4𝐴

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛, 𝑎 (𝑕) =𝐾𝑒𝑘𝑜𝑠𝑜𝑛𝑔𝑎𝑛 𝐴𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑜𝑟 (𝐴𝐻) × 1,2


𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛, 𝑎 (𝑕) =20𝐴𝐻 × 1,2

4𝐴= 6𝑕 𝑗𝑎𝑚

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛,𝑏 (𝑕) =𝐾𝑒𝑘𝑜𝑠𝑜𝑛𝑔𝑎𝑛 𝐴𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑜𝑟 (𝐴𝐻) × 1,5


𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑠𝑖𝑎𝑛,𝑏 (𝑕) =20𝐴𝐻 × 1,5

4𝐴= 7,5𝑕(𝑗𝑎𝑚)

Jadi waktu yang diperlukan untuk pengisian 20AH pada pengisian lambat

adalah 6 H (jam) s/d 7,5 H (jam).

(Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen Sains

(TERMS), 1997)

2.4.9. Metode-Metode Pengisian Akumulator

Maintenance charge adalah proses pengisian untuk tambahan kapasitas

dari pemakaian normal atau self-discharge. Kapasitas Akumulator dapat ditambah

oleh Alternator ketika rotor Alternator berputar. Pada kondisi berikut, arus yang

dipakai lebih besar dari arus yang diisi, sehingga diperlukan maintenance charge:

Apabila proses pengisian tidak bisa berjalan di karenakan adanya kesalahan

fungsi pada Alternator atau regulator atau kerusakan kontrol.

Ada dua metode maintenance charge, yaitu normal charge yang waktu

pengisiannya relatif cukup lama, dan quick charge yang waktu pengisiannya

relatif singkat dengan menggunakan arus yang besar. Normal charge digolongkan

menjadi constant current charge, constant voltage charge dan variable current

charge berdasarkan kondisi pengisiannya.

(1) Constant current charge

Metode pengisian ini adalah mengisi setrum dengan arus tetap dari awal

sampai akhir proses pengisian. Secara garis besar arusnya seperti berikut:

Pengisian arus standar : 10% dari kapasaitas battery

41

Pengisian arus minimal : 5% dari kapasitas battery

Pengisian arus maksimal : 20% dari kapasitas battery

Dan karanteristik pengisian arus tetap adalah sebagai berikut:

a. Tegangan terminal pada awal proses pengisian naik secara drastis dan setelah

itu melambat turun. Selanjutnya, pada saat mendekati 2,4V, tegangannya naik

lagi, dan ketika tegangannya sudah berada diantara 2,6~2,7V, maka

tegangannya akan terus tetap dipertahankan.

b. Berat jenis elektrolit secara perlahan akan niak karena dia tidak bergerak

sampai gas dihasilkan. Pada saat gas dihasilkan, maka berat jenisnya akan

naik secara tajam untuk kemudian akan tetap di angka sekitar 1.280.

c. Jika tegangannya pada cell mencapai 2,3~2.4V setelah proses pengisian

dimulai, maka akan banyak gas yang dihasilkan. Alasannya adalah bahwa arus

yang disuplai setelah diisi penuh digunakan oleh elektolit air sulingan. Pada

pelat anoda (+) oksigen dihasilkan dan hidrogen dihasilkan pada pelat katoda

(-). Status penghasilan gas selama proses pengisian juga digunakan sebagai

alat untuk menentukan selesainya proses pengisian. Disini gas hidrogen adalah

gas yang berbahaya karena marupakan gas yang mudah meledak, sehingga

hati-hati jangan sampai terkena api.

d. Pada saat proses pengisian selesai, apabila berat jenis elektrolit dengan

temperatur 200C adalah lebih dari 1.280, maka perlu ditambah air sulingan

untuk mengatur agar berat jenisnya berada dilevel 1.280.

Gambar 2.43.

Karakteristik Pengisian Arus dan Tegangan Pada Constant Current Charge

42

(2) Constant voltage charge

Metode ini adalah proses pengisian yang dilakukan dengan tegangan

konstan dari awal sampai akhir proses pengisian. Karakteristik pengisian terlihat

seperti pada gambar 2.44. pada awal proses pengisian, arus yang diberikan adalah

besar. Setelah beberapa lama, arusnya akan dikurangi. Dan pada akhirnya, arus

tidak bisa mengalir diakhir proses pengisian. Oleh karena itulah, tidak ada gas

yang timbul, sehingga performa pengisiannya lebih baik, namun begitu, arus yang

besar dapat mempengaruhi usia pemakaian baterai nya.

Gambar 2.44.

Karakteristik Pengisian Arus dan Tengangan Pada Constant Voltage Charge.

(3) Variable current charge

Metode pengisian ini adalah proses pengisian dengan arus yang variable.

Dalam metode ini, efesiensi pengisiannya bagus dan temperatur elektrolit secara

perlahan akan naik. Di akhir proses pengisian, arusnya akan berkurang, sehingga

bisa mengurangi hilangnya arus dan bisa melindungi kerusakan akibat dari

timbulnya gas.

(4) Quick charge

Cara ini biasanya menggunakan alat quick charger untuk mempercepat

waktu proses pengisian. Quick charge tidak menimbulkan reaksi kimia.

43

Gambar 2.45.

Quick Charger

Ketika melakukan quick charge maka perlu diperlatikan hal sebagai

berikut:

a. Jika user ingin melakukan quick charge dimana baterai tidak dilepas dari

kendaraan, seluruh kabel harus dipisahkan dari kutup terminal (+) dan (-).

Kemudian clip pada charger dipasang dengan benar (hal ini untuk melindungi

dioda Alternator).

b. Arus yang diisi harus 50% dari kapasitasnya, jangan sampai lebih.

c. Quick charge harus dilakukan dalam waktu yang sesingkat mungkin.

d. Jika temperatur elektrolitnya lebih dari 450C, arus yang diisi harus dikurangi

atau proses pengisiannya harus ditunda dan dilanjutkan apabila temperaturnya

sudah lebih rendah.

2.4.10. Hal yang Harus Diperhatikan dalam Melakukan Charging Battery

Lokasi proses pengisian baterai harus mempunyai sistem ventilasi yang baik.

Setrum baterai yang dipakai bukan karena tidak dipakai dalam jangka waktu

yang lama. Tetapi dilakukan melalui maintenance charge.

Temperatur elektrolit tidak lebih dari 450C.

Baterai yang akan di-charge harus jauh dari jangkauan api.

Jangan sampai battery mengalami overcharged karena pelat anoda (+) nya

akan menjadi oksida.

Apabila baterai yang diisi pada saat yang bersamaan lebih dari dua buah,

maka sistem koneksinya harus secara seri.

Penyambungan charger dan baterai jangan sampai terbalik.

44

2.5. Alternator Mobil

Alternator merupakan salah satu komponen yang mengubah energi

mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik memutarkan rotor dan

membangkitkan arus bolak-balik pada stator. Arus bolak-balik ini diubah menjadi

arus searah oleh dioda rectifier. Alternator berfungsi menghasilkan arus searah

untuk mengisi Akumulator.

2.5.1. Tujuan Dari Pemakaian Alternator tipe AC

Jenis Alternator arus bolak-balik adalah 3 fasa yang memperoleh output

arus searah melalui pemakaian dioda silikon rectifier. Ketahanannya bagus pada

kecepatan tinggi dan performa pengisiannya agak lambat sehingga kebanyakan

dipakai untuk sistem pengisian baterai kendaraan.

Karakteristiknya adalah sebagai berikut:

Ukurannya kecil dan beratnya ringan, dapat membuat tegangan output dengan

kecepatan rendah.

Tidak mempunyai kommutator pada komponen yang berputar, batas

kecepatan putarnya bisa sangat tinggi.

Karena diselaraskan dengan memakai dioda silikon, maka kapasitas listriknya

besar.

Usia brush cukup lama.

2.5.2. Struktur dan cara kerja Alternator Mobil AC

Altenator Mobil AC terdiri dari stator yang merupakan komponen tetap,

rotor yaitu komponen yang berputar, dan end frame yang menopang kedua ujung

rotor. Stator merupakan bagian tetap dari Alternator sebagai tempat keluarnya

arus dan tegangan dari Alternator. Rotor berputar di dalam stator untuk

menginduksi gaya electromotive pada stator coil.

45

Gambar 2.46

Struktur Alternator Mobil AC


Arus yang dihasilkan oleh stator coil disearahkan oleh rectifier (dioda

silikon) yang dipasang pada end frame menjadi arus searah dan disuplai ke luar.

Brush tidak untuk mendapatkan arus output namun dipakai untuk membangkitkan

rotor coil melalui pemberian arus ke rotor coil dari baterai. Fungsi dioda silikon

tidak hanya menyerahkan arus bolak-balik yang dibangkitkan dari stator coil

namun juga untuk mencegah arus terbalik dari baterai ke Alternator. Karena

itulah, tidak lagi diperlukan cut out relay seperti pada altenator mobil DC. Apabila

tegangan yang dibangkitkan dari Alternator lebih tinggi dari tegangan terminal

baterai, maka proses pengisian baterai secara otomatis akan dimulai.

(1) Stator

Stator bertindak sebagai armatur pada Alternator AC. Seperti tampak pada

gambar 2.47. Tiga coil secara terpisah dililit disekitar steel core yang terdiri dari

banyak layer. Tegangan 3 fasa AC akan diinduksikan ke dalam koil-koil ini.

Gambar 2.47.

Struktur Stator

46

Untuk mengurangi hilangnya inti (gejala dimana pusaran arus hilang yang

terjadi karena banyaknya garis magnet disekeliling steel core), maka stator steel

core terdiri dari susunan pelat baja silikon tipis, dan diantara pelat-pelat tersebut

terdapat bebarapa celah untuk memasang stator coil. Selama bekerja, dia akan

menjadi jalan bagi fluks magnet yang dihasilkan dari kutub rotor.

Satu kelompok stator coil dibuat dari gulungan kawat tembaga yang

ditutup dengan material insulating menjadi celah seperti tampak pada gambar

2.54. Coil pitch pemasangannya pas dengan celah yang ada pada kutub (pole

pitch). Tiga kelompok koil ini disusun secara 1200 (2/3 dari pole pitch) dan

dibentuk dengan sambungan 3 fasa. Untuk metode penyambungan coil-nya ada

dua macam yaitu koneksi bintang (Y) dan koneksi segitiga.

Gambar 2.48.

Bentuk Stator Coil

(2) Rotor

Rotor, merupakan tempat untuk membuat fluks magnetik (garis magnet).

Rotor terdiri dari rotor core, rotor coil, shaft, dan slip ring. Untuk Alternator AC

kendaraan, menggunakan rotor jenis Randle yang strukturnya sederhana dan

kekuatannya cukup baik sehingga banyak digunakan pada kendaraan. Seperti

tampak pada gambar 2.49., jenis Randle terdiri dari 4~6 inti baja yang disisipkan

pada shaft dari kedua ujung rotor coil yang berbentuk tabung. Lilitan awal dan

akhir pada rotor coil dihubungkan ke dua slip rings yang dipasang pada shaft

yang sudah terbungkus.

47

Gambar 2.49.

Struktur Rotor Tipe Randle

Cara kerja rotor adalah sebagai berikut. Pada saat arus mengalir di dalam

rotor coil melalui kontak brush ke slip ring, garis-garis magnet akan terbentuk

sesuai dengan arah shaft sehingga satu sisi dari inti dimagnetkan ke kutub N dan

satu sisinya lagi dimagnetkan ke kutub S. karena itulah, masing-masing kutub

yang saling berhadapan satu sama lainnya juga dimagnetkan, dan ke 8 sampai 12

kutub N dan S disusun secara berjejer. Bahan rotor core terbuat dari penggandaan

besi karbon yang rendah. Slip-nya terbuat dari material konduksi yang baik seperti

tembaga atau besi baja.

(3) Brush

Kedua brush disisipkan ke dalam brush holder yang terpasang pada

bracket dan melakukan kontak ke slip ring melalui spring. Satu brush

dihubungkan ke terminal luar yang dibungkus, dan satu brush lainnya di-

grounded melalui brush holder. Ketika rotor berputar, secara beruturan brush

akan bergerak dan melakukan kontak ke slip ring, karena itulah brush ini terbuat

dari material metal karbon yang ketahanannya cukup baik dan tahanan kontaknya

rendah.

(4) Rectifier

Rectifier terdiri dari dioda. Seperti tampak pada gambar 2.51. enam buah

dioda dipasang di bagian belakang end frame untuk menyearahkan tegangan arus

bolak-balik 3 fasa yang dihasilkan dari stator coil untuk dirubah ke arus searah.

Pada saat arus mengalir ke dioda, temperatur dioda akan naik, sehingga

perlu di pasang heat sink (pelat pendingin). Umumnya tiga dioda sisi negatif

dimasukkan ke bagian belakang end frame dan tiga dioda positif di pasang ke heat

sink yang sudah dibungkus. Atau bisa juga, masing-masing ketiga positif dan

48

negatif disolder ke heat sink. Dengan kata lain, ke enam diode dipasang pada

printed board yang mempunyai heat sink.

Gambar 2.50. Koneksi Dioda


2.5.3. Cara Kerja Alternator AC Mobil

Berdasarkan gambar 2.52, cara kerja Alternator dapat dijelaskan. Pertama,

pada saat kunci kontak di putar ke posisi ON, arus sebesar 2A sampai 3A akan

mengalir dari baterai ke terminal F → (+) brush → slip ring → rotor coil → slip

ring → (-) brush → terminal E (ground). Oleh karena rotor coil mendapatkan

arus dari baterai, maka rotor coil menjadi magnet, sehingga disekeliling rotor

terdapat garis-garis magnet.

Setelah terdapat garis-garis gaya magnit di sekitar rotor dan melingkupi

belitan stator, maka apabila rotor tersebut di putar, di belitan stator maka akan

dibangkitkan tegangan arus bolak-balik 3 fasa. Tegangan AC ini disearahkan

menjadi arus DC melalui 6 dioda silikon dan dikeluarkan melalui terminal B

Alternator.

Ketika kecepatan putaran Alternator mencapai 1,000 rpm, tegangan dari

Alternator akan lebih tinggi dari pada tegangan pada terminal baterai. Karena

itulah, arus output disuplai dari terminal B ke baterai sebagai arus pengisian, dan

ada pula yang disuplai ke rotor coil. Pada Alternator, arus tidak akan mengalir

pada saat tegangan yang disuplai ke dioda silikon kurang dari 0.5V.

49

Output terminal tegangan N adalah setengahnya dari output terminal B.

Tegangan ini digunakan untuk menjalankan voltage regulator.

Gambar 2.51

Operasi Alternator AC


bab ii landasan teori -...

Documents