i

MATERI PERKULIAHAN TEKNIK TENAGA LISTRIK

MAKALAH

UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Teknik Tenaga Listrik

yang dibina oleh Drs. H. Wakidi

Oleh:

Dewanda Dwi Pranaseta 130511616246

Dewi Izzatus Tsamroh 130511616269

Hanif Zakki 130511616260

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESIN

PRODI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN

Februari 2015

ii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penyusun panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan rahmat serta karunia-Nya sehingga dapat berhasil menyelesaikan

makalah ini yang alhamdulillah tepat pada waktunya yang berjudul “Materi

Perkuliahan Teknik Tenaga Listrik”.

Makalah ini berisikan materi perkuliahan matakuliah Teknik Tenaga

Listrik (TTL) yang meliputi sistem pembangkit tenaga listrik, generator DC dan

motor DC. Diharapkan makalah ini dapat memberikan informasi kepada pembaca

khususnya mahasiswa mengenai materi perkuliahan ini. Ketika penyusunan

makalah ini, banyak pihak yang turut membantu serta memberikan dorongan

pemikiran dan materi. Oleh karena itu, penyusun menyampaikan ucapan terima

kasih kepada berbagai pihak yang telah memberi sumbangan dalam penyelesaian

makalah ini. Ucapan terima kasih penyusun sampaikan kepada Bapak Wakidi atas

bimbingan, tuntunan, dan bantuan selama proses penyusunan makalah ini.

Akhir kata penyusun menyadari bahwa makalah masih jauh dari sempurna.

Oleh karena itu, kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun

selalu diharapkan demi kesempurnaan makalah ini.

Malang, Februari 2015

Penyusun

iii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR.............................................................................................. ii

DAFTAR ISI ........................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................1

1.1 Latar Belakang................................................................................................1

1.2 Rumusan Masalah ..........................................................................................2

1.3 Tujuan Penyusunan ........................................................................................2

BAB II SISTEM PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK ..........................................3

2.1 Energi Listrik ..................................................................................................3

2.2 Teknik Tenaga Listrik ....................................................................................4

2.3 Sistem Tenaga Listrik .....................................................................................5

2.4 Sistem PLTU ..................................................................................................7

2.5 Sistem PLTA ................................................................................................10

BAB III GENERATOR DC (ARUS SEARAH)....................................................11

3.1 Generator DC................................................................................................11

3.2 Generator DC dengan Penguat Tersendiri....................................................13

3.3 Generator DC dengan Penguat Sendiri.........................................................15

3.3.1 Generator DC Seri..................................................................................15

3.3.2 Generator DC Shunt...............................................................................16

3.3.3 Diagram DC Kompon ............................................................................17

3.4 Diagram Daya dan Efisiensi .........................................................................19

3.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros ......................................................................20

BAB IV MOTOR DC (ARUS SEARAH) .............................................................24

4.1 Motor DC......................................................................................................24

4.2 Motor DC dengan Penguat Bebas ................................................................25

4.3 Motor DC dengan Penguat Sendiri...............................................................26

4.3.1 Motor DC Seri........................................................................................26

4.3.2 Motor DC Shunt.....................................................................................27

4.3.3 Motor DC Kompon ................................................................................28

4.4 Diagram Daya dan Efisiensi .........................................................................30

iv

4.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros ......................................................................30

BAB V PENUTUP.................................................................................................33

5.1 Simpulan .......................................................................................................33

DAFTAR RUJUKAN ............................................................................................34

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan negara berkembang yang ditandai dengan banyaknya

teknologi yang dikembangkan di negara ini. Teknologi yang dikembangkan pun

beragam. Baru-baru ini tengah dikembangkan mobil listrik yang mana tenaga

penggeraknya menggunakan tenaga listrik. Sebelumnya banyak teknologi baru

yang mana tenaga penggeraknya merupakan tenaga listrik, misalnya kipas angin,

mesin cuci, televisi, kulkas, dll. Oleh karena itu banyak dikembangkan sistem

pembangkit tenaga listrik yang menggunakan berbagai macam sumber tenaga.

Pada awal sejarah, manusia menggunakan potensi tenaga air yang

dimanfaatkan untuk memenuhi keperluan pertukangan dan penggilingan (Kadir,

1978: 1). Selanjutnya pada awal abad ke-13 manusia mulai memanfaatkan batu

bara untuk keperluan pemasanan dan memasak. Minyak bumi dimanfaatkan oleh

manusia pada awal abad ke-19 untuk pemanasan dan penerangan, selanjutnya

minyak bumi ini diolah dan dijadikan bahan bakar minyak yang mana banyak

dimanfaatkan sebagai bahan bakar kendaraan. Akan tetapi, batu bara dan minyak

bumi lama kelamaan akan habis, oleh karena itu manusia berupaya untuk

membuat energi terbarukan yang mana energi tersebut bukan dari batu bara

maupun minyak bumi (bahan bakar fosil).

Beberapa contoh energi terbarukan tersebut adalah energi yang berasal

dari tenaga surya, tenaga air, tenaga angin, yang mana tenaga-tenaga tersebut

diubah menjadi energi listrik yang banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhna

manusia.

Terdapat beberapa macam sistem pembangkit tenaga listrik yang telah

dikembangkan di Indonesia. Contohnya adalah pembangkit listrik tenaga air

(PLTA), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), dll. Pada dasarnya, prinsip

pembangkit tenaga ini adalah mengubah energi mekanik (energi yang bergerak)

menjadi energi listrik dengan menggunakan generator atau motor sebagai

penggerak turbin.

2

Konsep dasar serta pengetahuan mengenai kelistrikan sangatlah memiliki

peran penting bagi mahasiswa dikarenakan seiring dengan berkembangnya zaman

listrik digunakan/dimanfaatkan dalam berbagai hal. Oleh karena itu mahasiswa

khususnya mahasiswa teknik seharusnya mengerti mengenai teknik tenaga listrik.

Berdasarkan pemaparan di atas, maka penyusun menyusun materi

perkuliahan matakuliah Teknik Tenaga Listrik (TTL) yang meliputi sistem

pembangkit tenaga listrik, generatot DC serta motor DC dalam judul “MAteri

Perkuliahan Teknik Tenaga Listrik.”

1.2 Rumusan Masalah

Bedasarkan latar belakang di atas, maka penyusun merumuskan beberapa

masalah sebagai berikut.

1. Bagaimana teori mengenai sistem pembangkit listrik?

2. Bagaimana teori mengenai generator DC?

3. Bagaimana teori mengenai motor DC?

1.3 Tujuan Penyusunan

Berdasarkan rumusan masalah di atas, maka tujuan dari penyusunan

makalah ini adalah sebagai berikut.

1. Mengetahui bagaimana teori mengenai sistem pembangkit listrik

2. Mengetahui teori generator DC

3. Mengetahui teori motor DC.

3

BAB II

SISTEM PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK

2.1 Energi Listrik

Listrik adalah suatu penemuan yang luar biasa yang ditemukn oleh

Thomas Alva Edison, dimana sebagai orang pertama kali yang menemukan listrik

pada tahun 1879, sekitar 120 tahun yang lalu. Listrik suatu penemua yang

femomenal yang dapat merubah semua kehidupan dari zaman ke zaman, listrik

semakin berkembang dari segi penggunaan dan pencitaannya.

Beraneka macam cara untuk dapat mendapatkan listrik di zaman moderen

seperti ini dan banyak bermunculan versi-versi pembangkit listrik yang ramah

lingkungan dan praktis yang bisa digunakan di dalam ruang lingkup yang kecil.

Listrik juga salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk

mengirimkan energi. Pembangkit listrik juga diantaranya seperti bahan bakar fosil

(minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi

energi listrik.Listrik juga memiliki elemen-elemen, di antaranya:

1. Elemen Listrik Pasif :

Elemen listrik yang mempunyai sifat menerima atau membutuhkan

tegangan listrik.

Contohnya:

a. Resistor

b. Kapasitor

c. Induktor

2. Elemen Listrik Aktif :

Elemen listrik yang mempunyai sifat membangkitkan atau memberikan

tenaga listrik.

Contohnya:

a. Sumber Arus

b. Sumber tegangan

4

Energi Listrik adalah energi yang mudah dikonversikan, dibangkitkan,

didistribusikan dengan proses yang efisien, efektif, dan ekonomis dibanding

dengan energi yang lain.

Energi listrik yang dibangkitkan pada pembangkit tenaga listrik, dapat

berupa pusat listrik tenaga uap, air, gas, diesel, nuklir, panas bumi. Pembangkit

listrik biasanya membangkitkan listrik pada tegangan menengah (6-20 KV).

Pada sistem tenaga listrik yang besar pembangkit tenaga listrik biasanya

jauh dari pemakai oleh karena itu energi listrik harus diangkut / disalurkan dengan

saluran transmisi, dimana tegangan listriknya dinaikkan dari tegangan menengah

menjadi tegangan tinggi atau tegangan ekstra tinggi (TET).

Untuk menaikkan tegangan dilakukan didalam gardu induk dengan

peralatan transformator penaik tegangan (step up transformator).

Sistem tegangan listrik di Indonesia adalah sebagai berikut:

Tegangan ekstra tinggi (TET) ≥ 500 KV

Tegangan tinggi (TT) → 30 KV, 70 KV, 275 KV, 380 KV

Tegangan menengah (TM) →6 – 20 KV

Tegangan rendah (TR) → 220 V/ 380 V, 110 V/127 V.

2.2 Teknik Tenaga Listrik

Teknik Tenaga Listrik adalah ilmu yang mempelajari teknik-teknik yang

berhubungan dengan tenaga listrik dan permasalahannya sehingga tenaga listrik

dapat disalurkan dengan baik

Bahasan TTL meliputi

1. Mesin Listrik

a. Mesin listrik DC (Direct Curent)

1. Generator DC (kalau diberi arus listrik berubah menjadi

motor)

a) Generator DC Seri (arus besar)

b) Generator DC Shunt (parallel)

c) Generator DC Kompon (kombinasi)

Generator DC kompon panjang

Generator DC kompon pendek

5

2. Motor listrik DC (Motor listrik kalau diputar berubah

menjadi generator listrik).

a) Motor listrik DC Seri (arus besar)

b) Motor listrik DC Shunt (parallel)

c) Motor listrik DC Kompon (kombinasi).

3. Motor listrik DC kompon panjang

4. Motor listrik DC kompon pendek

b. Mesin listrik AC (Alternating Curent )

1. Generator AC 1 fasa / 3 fasa

2. Motor AC

a) Motor induksi

b) Motor sinkron

2. Transformator

3. Saluran sistem TTL

2.3 Sistem 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. 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.

6

Sistem Tenaga listrik terbagi :

1) Sistem Pembangkitan

Sistem pembangkitan tenaga listrik berfungsi membangkitkan energi listrik

yang bersumber dari alam melalui berbagai macam pembangkit tenaga listrik,

yaitu 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, dan tenaga matahari.

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

7

pada gardu induk menjadi tegangan menengah atau tegangan distribusi primer,

yang selanjutnya diturunkan lagi menjadi tegangan untuk konsumen.

2.4 Sistem PLTU

PLTU merupakan mesin konversi energi yang mengubah energi kimia

dalam bahan bakar menjadi energi listrik.

Proses konversi energi pada PLTU berlangsung melalui 3 tahapan, yaitu

pertama, energi kimia dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dalam

bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi. Kedua, energi panas (uap) diubah

menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran. Ketiga, energi mekanik diubah

menjadi energi listrik.

Siklus PLTU

1) Pertama-tama air demin ini berada di sebuah 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

8

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.

7) 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.

8) 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.

9

9) 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.

10) 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.

11) 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.

12) Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator

menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial

inilah cikal bakal energi listrik.

13) Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan

kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN

14) 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

10

2.5 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).

Komponen – komponen 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. Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial

menjadi energi mekanik. Gaya jatuh air yang mendorong baling-baling

menyebabkan turbin berputar. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator.

Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox.

Memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet di dalam

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.

11

BAB III

GENERATOR DC (ARUS SEARAH)

3.1 Generator DC

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang

mengubah energi mekanis, yaitu memutar kumparan kawat penghantar dalam

medan magnet atau sebaliknya memutar magnet diantara kumparan kawat

kumparannya menjadi energi listrik sehingga menghasilkan arus DC / arus searah.

Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet

permanen 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 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.

Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui

dua cara, yaitu dengan menggunakan cincin-seret yang menghasilkan tegangan

induksi bolak-balik. Dan dengan menggunakan komutator, menghasilkan

tegangan DC.

12

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi

perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan

menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor

menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan

medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada

Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak

adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor.

Daerah medan ini disebut daerah netral.

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 Gambar 3.(1), maka

dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan

rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua

belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif. Rotor dari

generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator

berfungsi sebagai penyearah tegangan AC. Besarnya tegangan yang dihasilkan

oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya

arus eksitasi (arus penguat medan).

Jenis belitan jangkar generator DC dibedakan menjadi 2, yaitu belitan jerat

(gelung) → a = p dan belitan gelombang → a = 2, dengan a = jumlah parallel

jangkar dan p = jumlah kutub magnet

13

3.2 Generator DC dengan Penguat Tersendiri

Generator DC dengan penguatan kutub magnet tersendiri (terpisah), arus

listrik pada belitan penguat kutub magnet mengambil dari sumber listrik di luar

mesin generatos yang bersangkutan. Pada generator penguat terpisah, belitan

eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat

dua jenis generator penguat terpisah, yaitu penguat elektromagnetik (Gambar a)

dan magnet permanent / magnet tetap (Gambar b).

14

Generator DC dengan penguat terpisah hanya dipakai dalam keadaan

tertentu. Dengan terpisahnya sumber arus kemagnetan dari generator, berarti besar

kecilnya kemagnetan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus ataupun tegangan

generator.

Ea = VL + Ia.Ra (Rugi tegangan tiap sikat diabaikan )

Ea = VL + Ia.Ra + 2.Vsi (Rugi tegangan setiap sikat diperhitungkan )

VL = IL .RL ( Volt )

VsiIaRaVEa l 2

Ea = ggl yang dibangkitkan generator DC

VL = tegangan pemakai/ beban/ luar

Ia = arus listrik pada belitan anker

If = arus listrik pada penguat kutup magnet

Ra = tahanan anker

RL = tahanan luar

Rf = tahanan penguat kutup magnet

IL = arus litrik pada pemakai

Ia.Ra = Rugi tegangan kumparan anker

Vsi = (rugi tegangan setiap sikat)

)()(.60

.webervolt

a

PznEa

dimana ᶲ dalam weber.

)(max)(10..60

. 8 wellvolta

PznEa

dimana ᶲ dalam Maxwell.

Apabila ka

Pz.

60 maka )(. voltnkEa

z = jumlah penghantar seluruh slot dalam jangkar

n = putaran jangkar permenit (rpm)

P = jumlah kutup magnet

ᶲ = Jumlah garis gaya magnit (fluks) tiap kutub magnit.

a = Jumlah kelompok kumparan armature yang tersambung parallel

(jumlah parallel cabang angker)

k = konstanta.

60 artinya 1 menit = 60 sekon.

15

Sedangkan pada generator DC dengan penguat sendiri, arus kemagnetan

bagi kutub-kutub magnet berasal dari generator DC itu sendiri. Pengaruh nilai-

nilai tegangan dan arus generator terhadap arus penguat tergantung cara

bagaimana hubungan lilitan penguat magnet dengan lilitan jangkar. Yang

termasuk dalam generator DC penguat sendiri adalah geberator DC seri, generator

DC shunt, dan generator DC kompon.

3.3 Generator DC dengan Penguat Sendiri

3.3.1 Generator DC Seri

Diagram Arus listrik.

Ea = k.ɸ.n → volt

Ea = (ɸ.z.n/60).(p/a) → volt

Ia = Is = IL

VL = IL . RL (tegangan beban)

VS = IS.RS ( Rugi tegangan pd belitan

penguatan kutub magnit seri ).

Diagram Tegangan Listrik

V = Tegangan terminal generator DC

V = VL + Vs

V = Ea - Ia.Ra

VL + Vs.= Ea - Ia.Ra

Ea = VL + Vs + Ia.Ra

Ea = VL + Is.Rs. + IaRa

Bila rugi tegangan setiap sikat (Vsi) diperhitungkan maka

Ea = VL + IsR s+ IaRa + 2Vsi

Ea = ggl yang dibangkitkan generator

IaRa = rugi tegangan dalam jangkar

IsRs = rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet seri.

16

3.3.2 Generator DC 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.

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

atauenergi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.

Generator shunt mempunyai karakteristik tegangan output akan turun lebih

banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan

output pada generator penguat terpisah. Sebagai sumber tegangan, karakteristik

dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena

seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun

hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.

17

Ia= Il + If

Vl = Il.Rl

Vf = If.Rf

V = Ea-Ia.Ra

Vl = Vf = V

Ea = V+Ia.Ra

Ea = Vl+Ia.Ra

Ea = Vf+Ia.Ra

Bila Vsi diperhitungkan

Ea = Vl+Ia.Ra+ 2Vsi

Rf = Tahanan penguat kutub magnet shunt

Vf = Rugi tegangan dalam belitan penguat kutub magnet shunt

3.3.3 Diagram DC Kompon

Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama

yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya

merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada

Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.

Karakteristik generator kompon, tegangan output generator terlihat

konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun

eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang

18

cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan

kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika

arus bebannya naik.

Generator DC Kompon Panjang :

Ia = If + Il

Ia = Is

VL = IL.RL

Vf = If.Rf

VL = Vf

V = VL + Vs

V = Ea - Ia.Ra

VL + Vs = Ea - Ia.Ra

Ea = VL + Vs + Ia.Ra

Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra

Ea = Vf + Is .Rs + Ia.Ra

Bila rugi tegangan Vsi diperhitungkan

Maka

Generator DC Kompon Pendek

Ea = VL+Is .Rs +Ia.Ra+2Vsi

19

Ia = If + IL

IL = Is

Vf = If.Rf

Vf = VL.+ IsRs

V = Ea - Ia.Ra …….Ea = V + Ia.Ra

V = Vf = VL.+ IsRs

Ea = VL + Is .Rs + Ia.Ra

Ea = Vf + Ia.Ra

VL = IL.RL

VL = Ea - (Is .Rs + Ia.Ra )

Bila dilengkapi dengan Vsi

Maka

3.4 Diagram Daya dan Efisiensi

A = Rugi-rugi putaran tanpa beban

B = Rugi-rugi beban

C = Rugi-rugi daya kump. angker

(Ia2.Ra)

D = Rugi-rugi daya kontak sikat

(Ia.2Vsi)

E = Rugi-rugi daya kumparan seri

(Is2.Rs)

F = Rugi-rugi daya kumparan shunt

(If2.Rf)

Pin = Daya input ( Daya mekanik ).

Pem = Daya elektro magnet ((Ea.Ia)

Pb = Rugi besi dan gesekan ( A + B )

Pcu = Rugi tembaga ( C+D+E+F )

Ea = VL+IsRs +IaRa+2Vsi

20

Pn = Daya out put (VL.IL )

V.Ia = Pem – ( C + D ).

Pin = Pem+Pb

Pem = Pn+Pcu

Pb = Pin-Pem

Pcu = Pem-Pn

%100Pin

Pngen

%100Pem

Pnlistrik

%100Pin

Pembruto

3.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros

Penampang lintang jangkar generator DC dengan jari-jari = r, terdapat

gaya keliling F kerja (W) = F x jarak. Untuk 1x putaran jangkar = 2πr, sehingga

W = F x 2πr. Untuk 1 secon dengan 60

n(rps), sehingga W = Fx2πr

60

n.

W = F x 2r 60

n

F x r = Ta ( torsi anker )

mnn

3060

2(kecepatan putar mekanik) ( Rps )

𝑾 = 𝑻𝒂. 𝝎. 𝒎 → 𝑭 (𝒏𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏)

21

𝑾 = 𝑻𝒂 𝒙 𝟐 𝝅 𝒏

𝟔𝟎→ 𝒓(𝒎)

𝑻𝒂 = 𝑭𝒙𝒓 → (𝑵𝒎)

Kerja yang dilakukan oleh putaran jangkar perdetik (W) sebanding

dengan daya armature (Pem )

𝑊 = 𝑃𝑒𝑚 = 𝐸𝑎. 𝐼𝑎

𝟐 𝝅 𝒏

𝟔𝟎= 𝑬𝒂. 𝑰𝒂

𝑇𝑎 =𝐸𝑎. 𝐼𝑎

𝑛 𝑋

60

2

)(.

55,9 Nmn

IaEaTa

)(55,9 Nmn

PemTa

Ea = volt

Ia = ampere

N = rpm

Konversi satuan

1 Nm = 0,737(lbft)-------- 1 Kg = 2,205 lb--------- 1 lb = 4,448 N

1N =0,102 (kg)------------- 1 Kg = 9,80784 N--------1 N = 0,102 Kg.

n

IaEaTa

.737,055,9

n

IaEaTa

.03835,7

)(.

04,7 lbftn

IaEaTa

)(04,7 lbftn

PemTa

)(.

102,055,9 kgmn

IaEaTa

)(.

9741,0 kgmn

IaEaTa

)(.

97,0 kgmn

IaEaTa

22

)(97,0 kgmn

PemTa

)(60

volta

PznEa

n

IaEaTa

.04,7

)(60

04,7 lbftn

Ia

a

PznTa

)(1

60

04,7lbftIa

na

znPTa

)(117,0 lbftIaa

zPTa

ca

zPBila 117,0

)(lbftIacTa

HUBUNGAN DAYA ARMATUR DENGAN TORSI JANGKAR.

n

IaEa

n

IaEaTa

.04,7

..60117,0

nTan

TaIaEa .33000

746.2

04,7.

nTanTa .33000

746.2.

04,7

1

)(74633000

.2.watt

nTaPem

Besaran 33000

.2. nTa disebut daya armatur generator dalam Horse Power

(HP)

HPnTa

Pem33000

2.

Ta (lb.ft)

n (rpm)

23

TORSI POROS

Akibat torsi jangkar (Ta), maka pada generator timbul daya out put (Pn).

Dari daya out put (Pn) akan timbul torsi poros atau torsi sumbu (Tsh) atau Ts. Ts

= Tsh = torsi poros.

Daya kuda yang dihasilkan torsi poros disebut Brake Horse Power (BHP)

atau daya kuda rem.

746746

60/2. nTshnTshBHP

HUBUNGAN BHP dengan DAYA INPUT ( Pin )

746

PinBHP ..........................Pin = BHP . 746 ( watt )

mTshn

TshPin

60

2

)(55,92

60Nm

n

Pin

n

PinTsh

Analogi dengan pada Torsi angker ( Ta ) diatas, maka diperoleh Tsh

sbb :

n

PinTsh 737,055,9

n

PinTsh 03835,7

)(04,7 lbftn

PinTsh

)(04,7 lbftn

PinTsh

)(102,055,9 kgmn

PinTsh

)(9741,0 kgmn

PinTsh

)(97,0 kgmn

PinTsh

)(97,0 kgmn

PinTsh

24

BAB IV

MOTOR DC (ARUS SEARAH)

4.1 Motor DC

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.

Berdasarkan Hukum Induksi Faraday, jika suatu penghantar yang

membawa arus listrik diletakan dalam suatu medan magnet, maka akan timbul

gaya mekanik yang besarnya : F = B I L (newton). Adanya garis2 gaya medan

magnet (fluks) antara kutub yang berada pada stator. Penghantar yang dialiri arus

ditemaptkan pada jangkar yang berada dalam medan magnet Pada penghantar

timbul gaya yang menghasilkan torsi. Gaya menimbulkan torsi dan akan

menghasilkan rotasi mekanik sehingga motor akan berputar. Jadi motor DC

menerima sumber arus DC dari jala-jala dirubah menjadi energi mekanik berupa

putaran yang nantinya akan dipakai oleh peralatan lain.

Tegangan V yang disupply ke jangkar motor berguna untuk mengatasi ggl

balik Eb menimbulkan jatuh tegangan jangkar IaRa , V = Eb + IaRa (1). Persamaan

ini dikenal sebagai persamaan tegangan dari motor.

Kecepatan Motor DC

Dengan mengalikan persaman (1) di atas

dengan Ia, diperoleh :

dimana : VIa = daya yang masuk ke jangkar

EbIa = ekivalen elektrik dari daya mekanik yang dibangkitkan dalam

jangkar

aaaba RIIEVI 2

25

Ia2Ra = rugi-rugi Cu dalam jangkar

Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang

tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan

mengatur tegangan dinamo (meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan

kecepatan) dan mengatur arus medan (menurunkan arus medan akan

meningkatkan kecepatan).

4.2 Motor DC dengan Penguat Bebas

Vl = tegangan luar

Ea = ggl lawan (back EMF) arah berlawanan dengan Vl

)(1060

8 voltn

za

PEa

)(maxwell

cz

a

p

60

)(voltncEa

Persamaan Tegangan

Tegangan (Vl) berlawanan arah dengan Ea

Didalam jangkar terjadi rugi tegangan (Ia.Ra)

Vl = Ea+Ia.Ra

Vl > Ea

26

Vl.Ia = Ea.Ia+Ia2.Ra

Vl.Il = daya input ( Pin )

Ea.Ia = daya listrik yang setara dengan daya mekanik yang timbul

didalam mjangkar ( Pm )

Ia2-Ra = Rugi daya dalam jangkar

Daya Pm mencapai harga maksimum

0.

..(0

2

Iada

RaIaIaVd

dIa

dPm l

ll VRaIaRaIaV .20.2

RaIaV

RaIaEaV

l

l

.2

.

2

ll

VEaV

22

lll

VVVEa

Jadi Pm maksimum jika 2

.2

ll VRaIa

VEa

4.3 Motor DC dengan Penguat Sendiri

4.3.1 Motor DC Seri

Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri

dengan gulungan dinamo. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.

Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM serta harus dihindarkan menjalankan motor

seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali. Motor-

motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal

yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist.

27

Pin = VL.IL

Ea = VL-Is.Rs-Ia.Ra-2Vsi

Ea.Ia = VL.Ia - Is2Rs- Ia2.Ra - Ia.2Vsi

Pcu = Ia2.Ra+Is2.Rs+Ia.2Vsi

4.3.2 Motor DC Shunt

Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara

paralel dengan gulungan dinamo. Oleh karena itu total arus dalam jalur

merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo. Kecepatan pada

prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu setelah

kecepatannya berkurang) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial

dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin. Kecepatan dapat

dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo

(kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan

(kecepatan bertambah).

Ea.Ia =.VL.IL - If2.Rf - Ia2Ra - Ia.2Vsi

Pcu = If2.Rf + Ia2Ra + Ia.2Vsi

IL = Ia+If

28

Pin = VL.IL

Vf = If.Rf

Ea = VL.- Ia.Ra - 2Vsi

VL = Vf = Ea + Ia.Ra + 2Vsi

4.3.3 Motor DC Kompon

Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada

motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan

seri dengan gulungan dinamo. Sehingga, motor kompon memiliki torque

penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase

penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri),

makin tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini.

Contoh, penggabungan 40-50% menjadikan motor ini cocok untuk alat

pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak

cocok (myElectrical, 2005).

Motor DC Kompon Panjang

Il = Is+If

Is = Ia

Pin = VL..IL

Pm = Ea.Ia

Pm = Pin - Pcu

Ea.Ia =VL IL - Ia2.Ra - Is2.Rs - If2.Rf - 2Vsi.Ia

Pm = Pin - Pcu

29

Pcu = Ia2.Ra + Is2.Rs + If2.Rf + 2Vsi.Ia

VL = Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs

Vf = If.Rf

Vf = VL

Ea = VL - Ia.Ra - Is.Rs - 2Vsi

Motor DC Kompon Pendek

Ea.Ia = Pm

VL.IL = Pin

Pcu = (Ia2Ra+2Vsi.Ia+Is2Rs+If2.Rf)

IL = Is = Ia+If

Ia = IL - If

Vf = If.Rf

VL = Vf+Vs = Vf+Is.Rs

Is.Rs = VL - Vf

VL =Ea+Ia.Ra+2Vsi+Is.Rs

Ea = VL - Ia.Ra - 2Vsi - Is.Rs

IaRsIfIsRsIsIaVsiRaIaIVIVIaEa

RsIsVsiRaIaVEa

flll

l

...2....

.2.222

30

4.4 Diagram Daya dan Efisiensi

A =rugi daya pada kumparan jangkar (Ia2.Ra)

B = Rugi daya pada kontak sikat ((2Vsi.Ia)

C = Rugi daya pada kumparan medan seri

(Is2.Rs)

D = Rugi daya pada kumparan medan shunt

(If2.Rf)

E = Rugi daya hysterisis

F = Rugi daya arus pusar

G = Rugi daya angin

H = Rugi daya sumbu motor

Pm = Pin – Pcu

Pn = Pm – Pb

Efisiensi :

4.5 Torsi Jangkar dan Torsi Poros

Torsi Jangkar Motor DC

Anologi dengan pada generator DC

%100Pin

Pnmotorekonomi

%100Pm

Pnmekanik

%100Pin

Pmlistrik

)(..

55,9 Nmn

IaEaTa

)(..

974,0 kgmn

IaEaTa

)(..

04,7 lbftn

IaEaTa

31

T = torsi jangkar motor DC

Ea = ggl lawan motor DC

Ia = arus jangkar motor DC

n = putaran motor DC

)(55,9 Nmn

PmTa

)(974,0 kgmn

PmTa

)(04,7 lbftn

PmTa

)(159,0 NmIaza

PTa

)(0162,0 kgmIaza

PTa

)(117,0 lbftIaza

PTa

Torsi Poros Motor DC

)(746

55,9 Nmn

BHPTsh

)(746

974,0 kgmn

BHPTsh

)(746

04,7 lbftn

BHPTsh

PnBHPMotorDC 746

Generator DC →BHP x 746 = Pin

Ta - Tsh = Torsi hilang

Torsi hilang = )(55,9 Nmn

Pb

Torsi hilang = )(974,0 kgmn

Pb

Torsi hilang = )(04,7 lbftn

Pb

32

5.

33

BAB V

PENUTUP

5.1 Simpulan

Teknik tenaga listrik adalah salah satu mata kuliah yang wajid ditepmuh

oleh mahasiswa pendidikan teknik mesin. Mata kuliah teknik tenaga listrik

meliputi beberapa materi pokok antara mengenai sistem pembangkit tenaga listrik,

generator DC, dan motor DC yang mana telah dijabarkan pada bab II sampai bab

IV.

34

DAFTAR RUJUKAN

Alexandra, D. 2013. Materi Perkuliahan Teknik Tenaga Listrik . (Online).

(http://deboralexandra2.blogspot.com/2013/05/materi-perkuliahan-teknik-tenaga- listrik.html). Diakses 23 Januari 2014.

Gunawan, A, dkk. 2010. Makalah Teknik Tenaga Listrik DC Generator. Jakarta : Universitas Indonesia.

Guntoro, H. 2009. Generator DC. (Online). (http://dunia-

listrik.blogspot.com/2009/01/generator-dc.html). Diakses 23 Januari 2014.

Hasbullah. 2010. Motor Arus Searah. Jakarta : Universitas Pendidikan Indonesia.

Rakhman, A. 2013. Fungsi dan Prinsip Kerja PLTU. (Online).

(http://rakhman.net/2013/04/fungsi-dan-prinsip-kerja-pltu.html). Diakses 23 Januari 2014.

Wakidi. Tanpa tahun. Makalah TTL. Malang : Universitas Negeri Malang.

Wikarsa, M.T. 2010. Sistem Tenaga Listrik. Jakarta : Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

______. 2009. Motor DC. (Online). (http://rubingan.blogspot.com). Diakses 23 Januari 2014