tugas fisika - generator & motor listrik

Benny Pratama ndash 515090018Tugas Fisika ndash Generator amp Motor Listrik

Generator ListrikPengertian Generator Arus Bolak-balik

Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik

arus bolak-balik Suatu sumber energi eksternal memutar kumparan jangkar dalam suatu

medan magnet B Kawat kumparan memotong garis-garis medan dan gaya gerak listrik

(ggl) terinduksi ke dalam kumparan

Є = 2πNABf cos2πftGenerator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator generator AC

(alternating current) atau generator sinkron Dikatakan generator sinkron karena jumlah

putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator Kecepatan

sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-kutub magnet yang

berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator Mesin ini tidak

dapat dijalankan sendiri karena kutub-kutub rotor tidak dapat tiba-tiba mengikuti

kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala Generator arus

bolak-balik dibagi menjadi dua jenis yaitu

a Generator arus bolak-balik 1 fase

b Generator arus bolak-balik 3 fase

Prinsip Kerja Generator Arus Bolak-balik

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 Prinsip kerja generator

arus bolak-balik tiga fase (alternator) pada dasarnya sama dengan generator arus bolak-

balik satu fase akan tetapi pada generator tiga fase memiliki tiga lilitan yang sama dan

tiga tegangan outputnya berbeda fasa 1200 pada masing-masing fase seperti ditunjukkan

pada Gambar 1

Gambar 1 Skema Lilitan Stator Generator Tiga

Fase


Besar tegangan generator bergantung pada

1 Kecepatan putaran (N)

2 Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluks (Z)

3 Banyaknya fluks magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f)

Prinsip kerja generator DC berdasarkan pada kaidah tangan kanan Sepasang magnet

permanen utara selatan menghasilkan garis medan magnet F kawat penghantar di atas

telapak tangan kanan ditembus garis medan magnet F Jika kawat digerakkan ke arah

ibu jari maka dalam kawat dihasilkan arus listrik I yang searah dengan keempat arah

jari tangan (Gambar 2) Bagaimana kalau posisi utara-selatan magnet permanen dibalik

Ke mana arah arah arus listrik induksi yang dihasilkan Percobaan secara sederhana

dapat dilakukan dengan menggunakan sepasang magnet permanen berbentuk U

sebatang kawat digantung dikedua sisi ujungnya pada ujung kawat dipasangkan

Voltmeter (Gambar 3) Batang kawat digerakkan ke arah panah pada kawat dihasilkan

ggl induksi dengan tegangan yang terukur pada Voltmeter Besarnya ggl induksi yang

dibangkitkan

ui = B middot L middot v middot z VoltDimana ui = Tegangan induksi pada kawat V

B = Kerapatan medan magnet Tesla

L = Panjang kawat efektif meter

v = Kecepatan gerak mdetik

z = Jumlah belitan kawat

Belitan kawat generator berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan selanjutnya

disebut belitan rotor atau belitan jangkar Kedudukan I ketika rotor digerakkan searah

jarum jam kawat 1 tanda silang (menjauhi kita) kawat 2 tanda titik (mendekati kita) ggl

induksi maksimum Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada garis netral ggl induksi

sama dengan nol Posisi III kawat kebalikan posisi I dan ggl induksi tetap maksimum

(Gambar 4)


Gambar 2 Kaidah tangan kanan Gambar 3 Model prinsip kerja generator DC

Gambar 4 Pembangkitan tegangan DC pada angker

Posisi ini terjadi berulang-ulang selama rotor diputar pada porosnya ggl induksi yang

dihasilkan maksimum kemudian ggl induksi menjadi nol berikutnya ggl induksi

menjadi maksimum terjadi berulang secara bergantian GGL induksi yang dihasilkan

dari belitan rotor (Gambar 4) dapat menghasilkan dua jenis listrik yang berbeda yaitu

listrik AC dan listrik DC Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slipring berupa

dua cincin (Gambar 5a) maka dihasilkan listrik AC berbentuk sinusoidal Bila ujung

belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin (Gambar 5b) dengan dua

belahan maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif Mesin DC

dikembangkan rotornya memiliki banyak belitan dan komutator memiliki beberapa

segmen Rotor memiliki empat belitan dan komutator empat segmen sikat arang dua

buah akan menghasilkan ggl induksi dengan empat buah buah gelombang untuk setiap

putaran rotornya (Gambar 6) Tegangan DC yang memiliki empat puncak Medan

magnet yang sebelumnya adalah magnet permanen diganti menjadi elektromagnet

sehingga kuat medan magnet bisa diatur oleh besarnya arus penguatan medan magnet

Belitan rotor dikembangkan menjadi belitan yang memiliki empat cabang komutator


empat segmen dan sikat arang dua buah Tegangan yang dihasilkan penjumlahan dari

belitan 1-2 dan belitan 3-4 (Gambar 7) Dalam perkembangan berikutnya generator DC

dibagi menjadi tiga jenis yaitu

1 Generator penguat terpisah

2 Generator belitan Shunt

3 Generator belitan Kompound

Gambar 5 a) Bentuk tegangan AC dan slipring Gambar 5 b) Tegangan DC pada

komutator

Gambar 6 Prinsip pembangkitan tegangan DC Gambar 7 Tegangan DC pada

komutator

Prinsip pembangkitan listrik mengikuti kaidah tangan kanan Flemming

Sepasang magnet permanen utara-selatan menghasilkan garis medan magnet Φ

kawat penghantar di atas telapak tangan kanan ditembus garis medan magnet Φ Jika

kawat digerakkan ke arah ibu jari maka dalam kawat dihasilkan arus listrik I yang

searah dengan keempat arah jari tangan

Komutator berfungsi untuk menyearahkan tegangan yang dihasilkan rotor

menjadi tegangan DC

Jumlah Kutub

Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi

dari ggl yang dibangkitkan Hubungan tersebut dapat ditentukandengan persamaan


f pn120 dimana f = frekuensi tegangan

p = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan rotor (rpm)

Generator Tanpa Beban

Jika poros generator diputar dengan kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan If

maka tegangan E0 akan terinduksi pada kumparan jangkar stator sebesar

E0 = cnΦ dimana c = konstanta mesin

n = putaran sinkron

f = fluks yang dihasilkan oleh If

Generator arus bolak-balik yang dioperasikan tanpa beban arus jangkarnya akan nol (Ia

= 0) sehingga tegangan terminal Vt = Va = Vo Karena besar ggl induksi merupakan

fungsi dari fluks magnet maka ggl induksi dapat dirumuskan Ea = f (ɸ) yang berarti

pengaturan arus medan sampai kondisi tertentu akan mengakibatkan ggl induksi tanpa

beban dalam keadaan saturasi

Usaha pada Generator

Usaha yang dibutuhkan untuk memutar kumparan adalah sumber energi listrik yang

disuplai oleh generator

Energi Mekanik Input = Energi Listrik Input +

Kehilangan Akibat Gesek dan Panas


Motor ListrikBagaimana sebuah motor bekerja

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama

1048707 Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya Arus yang melalui

kumparan jangkar berinteraksi dengan medan magnet sehingga menyebabkan terjadinya

momen puntir

ɽ = NIAB sin θ1048707 Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar torque untuk memutar kumparan

T = K NIAB1048707 Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga

putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan

elektromagnetik yang disebut kumparan medan

Penurunan Potensial Total pada Jangkar =

Tegangan garis ndash GGL Balik

Arus Jangkar = TeganganGaris ndash GGL BalikHambatan Jangkar

P = Arus Jangkar x GGL BalikDalam memahami sebuah motor penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan

beban motor Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar torque sesuai dengan

kecepatan yang diperlukan Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga

kelompok (BEE India 2004)

1048707 Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi

dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi Contoh beban dengan

torque konstan adalah conveyors rotary kilns dan pompa displacement konstan

1048707 Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan

kecepatan operasi Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan

fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan)


1048707 Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah

dan berbanding terbalik dengan kecepatan Contoh untuk beban dengan daya konstan

adalah peralatan-peralatan mesin

JENIS MOTOR LISTRIK

Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik DC dan motor Motor

tersebut dikategorikan berdasarkan pasokan input konstruksi dan mekanisme operasi

Motor DC

Motor arus searah sebagaimana namanya menggunakan arus langsung yang tidak

langsungdirect-unidirectional Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana

diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran

kecepatan yang luas Gambar 8 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga

komponen utama

1048707 Kutub medan Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan

menyebabkan perputaran pada motor DC Motor DC memiliki kutub medan yang

stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan

Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan kutub utara dan kutub selatan Garis

magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan

Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih

elektromagnet Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai

penyedia struktur medan

1048707 Dinamo Bila arus masuk menuju dinamo maka arus ini akan menjadi elektromagnet

Dinamo yang berbentuk silinder dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan

beban Untuk kasus motor DC yang kecil dinamo berputar dalam medan magnet yang

dibentuk oleh kutub-kutub sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi Jika

hal ini terjadi arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo

1048707 Commutator Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC Kegunaannya

adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo Commutator juga membantu

dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya


Gambar 8 Sebuah motor DC (Direct Industry 2005)

Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan yang tidak

mempengaruhi kualitas pasokan daya Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur

1048707 Tegangan dinamo ndash meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan

1048707 Arus medan ndash menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran namun penggunaannya pada umumnya

dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah penggunaan daya rendah

hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills sebab sering terjadi masalah

dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar Juga motor

tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab

resiko percikan api pada sikatnya Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC

Hubungan antara kecepatan flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam

persamaan berikut

Gaya elektromagnetik E = KΦN

Torque T = KΦIaDimana E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt)

Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan

N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)

T = torque electromagnetik

Ia = arus dinamo

K = konstanta persamaan

Motor AC

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 dalam Gambar 8 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 frekuensi 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)

Motor sinkron

Motor sinkron adalah motor AC bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekuensi

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 frekuensi

dan generator motor Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim

sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik

Gambar 9 Motor Sinkron (Integrated Publishing 2003)

1048707 Rotor Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa

rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan

magnet Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi Rotor

memiliki magnet permanen atau arus DC-excited yang dipaksa untuk mengunci pada

posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya

1048707 Stator Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekuensi

yang dipasok Motor ini berputar pada kecepatan sinkron yang diberikan oleh

persamaan berikut (Parekh 2003)

Ns = 120 f PDimana f = frekuensi dari pasokan frekuensi

P= jumlah kutub

PENGKAJIAN MOTOR LISTRIK

Efisiensi motor lisrik

Motor mengubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk melayani beban tertentu


Faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi adalah

1048707 Usia Motor baru lebih efisien

1048707 Kapastas Sebagaimana pada hampir kebanyakan peralatan efisiensi motor

meningkat dengan laju kapasitasnya

1048707 Kecepatan Motor dengan kecepatan yang lebih tinggi biasanya lebih efisien

1048707 Jenis Sebagai contoh motor kandang tupai biasanya lebih efisien daripada motor

cincingeser

1048707 Suhu Motor yang didinginkan oleh fan dan tertutup total (TEFC) lebih efisien

daripada motor screen protected drip-proof (SPDP)

1048707 Penggulungan ulang motor dapat mengakibatkan penurunan efisiensi

1048707 Beban seperti yang dijelaskan dibawah

Bagaimana mengkaji beban motor

Persamaan berikut digunakan untuk menentukan beban

Beban = Pi x ηHP x07457

Dimana η = Efisiensi operasi motor dalam

HP = Nameplate untuk Hp

Beban = Daya yang keluar sebagai laju daya

Pi = Daya tiga fase dalam kW

Pengukuran daya masuk

Beban diukur dalam tiga tahap

Tahap 1 Menentukan daya masuk dengan menggunakan persamaan berikut

1000

Pi = V x I x PF x 3Dimana Pi = Daya tiga fase dalam kW

V = RMS (akar kwadrat rata-rata) tegangan nilai tengah garis ke

garis 3 fase

I = RMS arus nilai tengah 3 fase

PF = Faktor daya dalam desimal


Tahap 2 Menentukan nilai daya dengan mengambil nilai pelat namanameplate atau

dengan menggunakan persamaan sebagai berikut

Pr = hp x 07457ηr

Dimana Pr = Daya masuk pada beban penuh dalam kW

HP = Nilai Hp pada nameplate

ηr = Efisiensi pada beban penuh (nilai pada nameplate)

Beban = PiPr

x100

Dimana Beban = Daya keluar yang dinyatakan dalam nilai daya

Pi = Daya tiga fase terukur dalam kW

Pr = Daya masuk pada beban penuh dalam kW


Besar tegangan generator bergantung pada

1 Kecepatan putaran (N)

2 Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluks (Z)

3 Banyaknya fluks magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f)

Prinsip kerja generator DC berdasarkan pada kaidah tangan kanan Sepasang magnet

permanen utara selatan menghasilkan garis medan magnet F kawat penghantar di atas

telapak tangan kanan ditembus garis medan magnet F Jika kawat digerakkan ke arah

ibu jari maka dalam kawat dihasilkan arus listrik I yang searah dengan keempat arah

jari tangan (Gambar 2) Bagaimana kalau posisi utara-selatan magnet permanen dibalik

Ke mana arah arah arus listrik induksi yang dihasilkan Percobaan secara sederhana

dapat dilakukan dengan menggunakan sepasang magnet permanen berbentuk U

sebatang kawat digantung dikedua sisi ujungnya pada ujung kawat dipasangkan

Voltmeter (Gambar 3) Batang kawat digerakkan ke arah panah pada kawat dihasilkan

ggl induksi dengan tegangan yang terukur pada Voltmeter Besarnya ggl induksi yang

dibangkitkan

ui = B middot L middot v middot z VoltDimana ui = Tegangan induksi pada kawat V

B = Kerapatan medan magnet Tesla

L = Panjang kawat efektif meter

v = Kecepatan gerak mdetik

z = Jumlah belitan kawat

Belitan kawat generator berbentuk silinder dan beberapa kawat dibelitkan selanjutnya

disebut belitan rotor atau belitan jangkar Kedudukan I ketika rotor digerakkan searah

jarum jam kawat 1 tanda silang (menjauhi kita) kawat 2 tanda titik (mendekati kita) ggl

induksi maksimum Posisi II kawat 1 dan kawat 2 berada pada garis netral ggl induksi

sama dengan nol Posisi III kawat kebalikan posisi I dan ggl induksi tetap maksimum

(Gambar 4)



























komutator


komutator







menjadi tegangan DC

Jumlah Kutub











n = putaran sinkron

















momen puntir






















JENIS MOTOR LISTRIK



Motor DC





komponen utama






























persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100






























komutator


komutator







menjadi tegangan DC

Jumlah Kutub











n = putaran sinkron

















momen puntir






















JENIS MOTOR LISTRIK



Motor DC





komponen utama






























persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100












n = putaran sinkron

















momen puntir






















JENIS MOTOR LISTRIK



Motor DC





komponen utama






























persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100









momen puntir






















JENIS MOTOR LISTRIK



Motor DC





komponen utama






























persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100








JENIS MOTOR LISTRIK



Motor DC





komponen utama






























persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100

















persamaan berikut






Ia = arus dinamo


Motor AC













Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100







Motor sinkron

















P= jumlah kutub











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100











cincingeser















1000



garis 3 fase






Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100







Pr = hp x 07457ηr




Beban = PiPr

x100




tugas fisika - generator & motor listrik

Documents