Generator DC

Listrik merupakan salah satu kebutuhan penting bagi aktivitas manusia. Keberadaan listrik begitu membantu kegiatan manusia mulai dari ia bangun tidur, bahkan saat tidurpun listrik tetap digunakan. Lalu dari manakah listrik itu timbul? Energi listrik dihasilkan oleh sebuah perangkat yang disebut Generator.  Berdasarkan output tegangan  yang dihasilkan generator terbagi atas 2 jenis yaitu Generator AC (bolak-balik), dan generator DC (searah). Pada tulisan ini akan dibahas lebih khusus tentang generator DC.

Generator adalah mesin yang mengubah energi mekanik menjadi energi elektrik dengan menerapkan prinsip dari magnet induksi. Prinsipnya yaitu: saat sebuah konduktor digerakkan dalam medan magnet dengan begitu sebuah konduktor memotong garis fluks magnet, sehingga timbul tegangan pada konduktor.

Besarnya tegangan yang ditimbulkan tersebut dipengaruhi faktor berikut:

1. kekuatan medan magnet (B)

2. Posisi sudut dari konduktor/lilitan saat memotong medan magnet

3. kecepatan pergerakan konduktor

4. panjang konduktor/lilitan di dalam medan magnet.

Polaritas tegangan tergantung pada garis fluks magnet dan arah dari pergerakan konduktor. Untuk menentukannya digunakan “aturan tangan kiri Fleming untuk generator”.

Gambar 1. Fleming’s Left Hand-rules

·         Ibu jari menunjukkan arah dari pergerakan kumparan

·         Jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet ( dari kutub utara ke kutub selatan)

·         Jari tengah menunjukkan arah arus pada lintasan eksternal sehingga tegangan diberlakukan

Di bawah ini(Gambar 2) merupakan bentuk dari generator yang sangat sederhana yang terdiri dari brush,slip rings, armature loop (lilitan kawat), magnet kutub N dan S.

Gambar 2. Generator yang sederhana

Sebuah generator Dasar hanya terdiri dari lilitan kawat (armature loop) tunggal yang berputar pada medan magnet. Dalam keadaan seperti pada gambar 3 yang dihasilkan adalah tegangan AC. Posisi A merupakan posisi awal armature akan berputar. Pada posisi ini kawat berada tegak lurus dengan medan magnet. Pada keadaan ini tidak ada medan magnet yang terpotong, sehingga emf (electromotive force)/(ggl) gaya gerak listrik tidak timbul. Posisi seperti Posisi A disebut dengan Normal Plane (bidang normal). Kemudian ketika armature loop berputar 90° (posisi B) menyebabkan kawat memotong garis gaya magnet terbesar pada sudut maksimalnya. Hasil yang ditimbulkan antara sudut 0-90°, menunjukkan bahwa emf akibat pengaruh konduktor kawat mengalami peningkatan nilai hingga pada nilai maksimalnya. Kemudian armature kembali berputar dari sudut 90°-180°. Konduktor yang awalnya memotong garis gaya magnet yang terbanyak kemudian secara berkelanjutan memotong garis gaya magnet yang lebih sedikit hingga pada posisi 180° (Posisi C) dimana tidak ada garis gaya magnet yang dipotong (seperti kondisi 0°/ bidang normal). Pada 0°-180°, konduktor kawat bergerak dalam arah yang sama selama melintasi medan magnet. Selanjutnya armature berputar dari 180° ke sudut 270° (Posisi D) hingga kembali pada posisi A (0°) tetapi arah gerak potong konduktor berkebalikan sehingga tegangan yang dihasilkan pun menjadi negatif. Output tegangan yang dihasilkan akhirnya membentuk gelombang sinus.

Gambar 3. Generator dasar yang baru menghasilkan tegangan AC

Kemudian untuk mengubah kondisi tersebut perlu mengubah cincin generator tersebut dengan 2 buah commutator sehingga output yang dihasilkan adalah tegangan DC.

Gambar 4. Generator Dasar dengan tegangan DC kasar

Karena Tegangan DC yang dihasilkan oleh generator dengan commutator masih kasar (voltage ripple), maka diberlakukan penambahan kawat untuk menurunkan ripple sehingga menghasilkan output tegangan yang halus/baik.

Gambar 5. Generator yang menghasilkan tegangan DC yang halus

Penambahan kawat armatur, menyebabkan tegangan yang melintasi brush tidak diijinkan jatuh pada level terendah dari peaknya (Gambar). Perlu diperhatikan, secara nyata, generator yang ada telah menggunakan banyak kawat armatur. Selain itu, juga menggunakan lebih dari 1 pasang kutub magnet. Penambahan kutub magnet akan meningkatkan kekuatan medan magnet menjadi lebih besar. Sehingga ini berarti peningkatan output tegangan disebabkan banyaknya kawat yang memotong garis gaya magnet yang lebih besar.

Dalam perkembangannya, generator juga menggunakan kutub elektromagnetik sebagai ganti penggunaan permanen magnet. Kutub medan elektromagnet terdiri tersusun atas kawat tembaga yang berintikan inti besi. Keuntungannya adalah mampu meningkatkan kekuatan medan dan dapat mengontrol kekuatan medan dengan variasi input voltasenya, sehingga akan menghasilkan output voltase yang dapat dikontrol juga.

Gambar 6. Generator dengan kutub elektromagnetik

Commutation yaitu proses yang digunakan untuk mendapatkan arah arus dari sebuah generator. Kawat penghantar yang berhubungan dengan beban harus berlawanan dengan kawat yang melintasi bidang netral. Brush harus diposisikan tepat supaya gerak comutation terpenuhi tanpa ada penyalaan brush.

Gambar 7. Generator saat melakukan gerak Commutation

Kemudian terjadi reaksi armature saat adanya arus armatur yang menyebabkannya menjadi elektromagnet. Medan armatur tersebut mengganggu lintasan medan-medan kutub magnet. Dan akibatnya terjadi pergeseraan bidang netral pada saat rotasi.

Gambar 8. Akibat adanya reaksi armatur dalam generator

Untuk menetralkan efek dari reaksi armatur, maka perlu dipasang Lilitan dan kutub-kutub penyeimbang. Sehingga garis-garis medan magnet dan bidang netral kembali pad posisi normal.

Gambar 9. Penambahan lilitan penyeimbang dan kutub magnet pada generator

Reaksi motor disebabkan oleh medan listrik yang mengatur armatur, cenderung melawan rotasi dari armatur juga berkaitan dengan gaya tarik dan tolak diantara medan kawat dan medan kutub.

Gambar 10. Adanya efek medan listrik dalam kawat armatur

Berikut adalah jenis dari armatur:

Gambar 11. Jenis armatur

Jenis-jenis Generator DC
Ketika tegangan DC diterapkan pada lilitan, arus mengalir sepanjang lilitan dan menimbulkan  medan magnet yang tetap. Keadaan seperti ini disebut Eksitasi Medan (Field Excitation).

Tegangan eksitasi ini dapat dihasilkan oleh generator itu sendiri dan juga dapat disuplai oleh sumber dari luar, seperti baterai. Generator yang disuplai oleh eksitasi medannya sendiri disebut Self-excited Generator.

Self-excited Generator selanjutnya diklasifikasikan menjadi beberapa tipe tergantung koneksi medan yang ia gunakan. Tipe generator tersebut yaitu:
1. Series-Wound DC GENERATORS

Generator ini memiliki kawat medan yang dihubungkan seri dengan armatur. Arus yang mengalir pada armatur mengalir sepanjang sirkuit eksternal (load circuit) dan kawat medan. Outputnya mampu dirubah secara langsung melalui arus yang menjadi beban. Jenis generator ini dalam aplikasinya jarang digunakan.

Gambar 12. Rangkaian generator tipe Series-Wound

2. HUNT-WOUND DC GENERATORS

Generator ini memiliki lilitan medan dan armatur yang dihubungkan secara paralel (Shunt).Output tegangannya dapat divariasikan berkebalikan dengan beban arus yang diberikan.

Gambar 13. Rangkaian generator tipe Shunt-Wound

3. COMPOUND-WOUND DC GENERATORS

Generator ini mengkombinasikan karakteristik dari generator series and shunt. Output tegangannya secara relatif tetap konstan untuk seluruh nilai dari arus pembebanan dalam desain generator. Compund-wound tipe ini banyak digunakan pada berbagai aplikasi karena sifat tegangan outputnya yang konstan.

Gambar 14. Rangkaian generator tipe Compound-Wound

Karakteristik tegangan ketiga tipe Generator tersebut ditunjukkan pada gambar 15 berikut.

Gambar 15. Karakteristik tegangan ketiga tipe generator