Jenis Jenis Generator 105p2a

Mesin Arus Searah

Jimmy Trio Putra, S.T., M.Eng.

Generator Arus Searah

Interaction of Prime-mover DC Generator and Load Tdev

IA

Prime-mover (Turbine)

m

+

DC Generator EA

Tpm EA is Generated voltage VL is Load voltage Tpm is the Torque generated by Prime Mover Tdev is the opposing generator torque m is the speed of the armature in rad/sec.,

-

Load

+

VL

-

Neglecting Losses • Input mechanical power to dc generator

= Tdev m= KIAm =EA IA = Output electric power to load

•Induced EMF, EA = Km (volts) •Developed Torque, Tdev = KIA (Newton-meter or Nm) where  is the flux per pole in weber (Wb) IA is the Armature current K is the machine constant 3

Interaction of the DC Motor and Mechanical Load +

IA

Tload +

VT

EA DC Motor

- -

-

Mechanical Load (Pump, Compressor)

m Tdev

EA is Back EMF VT is Applied voltage Tdev is the Torque developed by DC Motor Tload is the opposing load torque m is the speed of the armature in rad/sec.,

Neglecting Losses • Input electrical power to dc motor = EA IA= K m IA = Tdev m

= Output mechanical power to load

•Induced EMF, EA = Km (volts) • Developed Torque, Tdev = KIA (Newton-meter or Nm) where  is the flux per pole in weber (Wb) IA is the Armature current K is the machine constant LP11

4

Persamaan Umum Tegangan DC Generator

Persamaan umum Tegangan yang dibangkitkan oleh Generator Arus Searah: ∅ 𝑥 𝑝 𝑥 𝑟𝑝𝑚 𝑥 𝑍 𝐸𝑔 = 𝑥10−8 𝑣𝑜𝑙𝑡 𝑎 𝑥 60 Dengan: 𝐸𝑔 = Tegangan total yang dibangkitkan dalam volt. ∅ = Fluks per kutub dalam Maxwell 𝑝 = banyaknya kutub 𝑟𝑝𝑚 = kecepatan putaran jangkar per menit 𝑍 = Jumlah total dari penghantar jangkar yang efektif 𝑎 = Banyaknya garis edar paralel dari arus pada penghantar jangkar

Contoh: Suatu generator arus searah 6 kutub, 85 kW mempunyai jangkar yang terdiri dari 66 slot (alur) dan tiap alur berisi 12 konduktor. Belitan (kumparan) jangkar dihubungkan sedemikian sehingga terdapat 6 garis edar paralel. Jika tiap kutub menghasilkan fluks sebesar 2.18 𝑥 106 Maxwell dan kecepatan perputaran jangkar 870 rpm, hitung tegangan yang dibangkitkan.

• In the power system design, the following points should be studied: 1. Load data, magnitude and rate of growth, design of power station with details of equipment parts; 2. Design of transmission lines and networks in the system for necessary load transmission over a given distance with the technical limitations and required electrical characteristics; 3. Design of distribution systems; 4. Interconnection in the systems; 5. Choice of voltage, system control including voltage control, control of active and reactive load, system losses; 6. Line compensation, system stability studies and reliability studies; 7. Layout of networks and their combinations for a better design; 8. Bus-bar arrangements; 9. Power system protection, protection against faults, protecting against lightning, etc.

Jenis-jenis Generator DC Berdasarkan penguatan yang diberikan pada belitan medan, generator DC dibagi menjadi: A. Generator DC dengan penguat terpisah/bebas B. Generator DC dengan penguat sendiri a. Generator DC Shunt b. Generator DC Seri c. Generator DC Kompon (campuran) i. Generator DC Kompon Panjang ii. Generator DC Kompon Pendek

8

A. Generator DC dengan penguat terpisah

• • •

Generator arus searah penguat terpisah atau penguatan bebas. Disebut sebagai Generator DC dengan penguat terpisah, bila arus kemagnetan diperoleh dari sumber tenaga listrik arus searah di luar generator. Generator DC dengan penguat terpisah hanya dipakai dalam keadaan tertentu. Dengan terpisahnya sumber arus kemagnetan dari generator, berarti besar kecilnya arus kemagnetan tidak terpengaruh oleh nilai-nilai arus ataupun tegangan generator.

10

Jangkar

Medan

Rheostat

Rangkaian Ekivalen Generator DC berpenguatan Terpisah

•Ea •Vt •Ia •I

•Vf •Rf •Ra •If •R

•∆𝑉𝑠𝑖 •Poutput

: Tegangan yang dibangkitkan oleh jangkar dalam volt : Tegangan Terminal dalam volt : Arus jangkar dalam Amper : Arus

beban dalam Ampere

penguatan dalam volt : Resistans kumparan medan dalam ohm : Resistans kumparan jangkar dalam ohm : Arus medan dalam Ampere : Resistans pengatur arus masuk kumparan medan dalam ohm : Tegangan sumber arus searah untuk

sikat : Daya keluaran jangkar : Rugi tegangan pada

12

• Sebuah generator arus searah berpenguatan bebas/terpisah melayani beban 450 A pada tegangan terminal 230 V. Resistans Jangkar 0.03 Ohm, rugi tegangan pada sikat adalah 2 volt. Hitung tegangan yang dibangkitkan. Jika arus medan untuk membangkitkan fluks dipertahankan sebesar 4 A, tegangan sumber arus searah untuk penguatan sebesar 220 V serta resistans kumparan medan 50 ohm, berapa besarnya resistans pengatur arus masuk kumparan medan?

B. Generator DC dengan penguat sendiri  Disebut sebagai Generator DC dengan penguat sendiri, bila 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.  Berdasarkan hubungan lilitan penguat magnet dengan lilitan jangkar generator DC penguat sendiri dibedakan menjadi shunt, seri, compound (pendek dan panjang).

14

GENERATOR DC SHUNT Karakteristik generator DC shunt : • Kumparan medan SHUNT dihubungkan paralel dengan jangkar. • Terdiri dari banyak lilitan yang relatif kecil. • Tegangan awal yang diperlukan untuk build-up dihasilkan oleh magnet sisa pada besi dari kutub medan.

15

PRINSIP KERJA DC SHUNT • Memerlukan fluks magnet residu pada stator. • Pada saat tegangan yang ditimbulkan naik,arus pada kumparan medan juga naik. • Penambahan arus akan memperkuat medan magnet dan memungkinkan generator untuk build–up pada tegangan kerja output yang dirancang. • Penambahan beban mengakibatkan turunnya tegangan output generator.

16

Rangkaian Ekivalen Generator Shunt

• • • • • • • • •

Ea Vt Ra Ia Rsh I Ish ∆𝑉𝑠𝑖 Poutput

: Tegangan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar dalam Volt : Tegangan terminal generator dalam Volt : Resistans kumparan jangkar dalam Ohm : Arus kumparan jangkar dalam Ampere : Resistans kumparan medan shunt dalam Ohm : Arus beban dalam Ampere : Arus pada kumparan medan shunt dalam Ampere : Rugi tegangan pada sikat : Daya keluaran dalam Watt

• Suatu generator arus searah shunt, 4 kutub, mempunyai 55 alur jangkar, tiap alur berisi 8 penghantar. Bila kecepatan generator 900 rpm, fluks/kutub 5,6x10^6 Maxwell dan garis edar paralel 4, hitung EMF/tegangan yang dibangkitkan oleh jangkar, jika arus jangkar 100 Ampere, resistans kumparan jangkar 0.05 ohm, rugi tegangan pada semua sikat 2 Volt, hitung tegangan terminal generator.

Generator Seri • Di dalam generator seri, medannya terhubung dalam rangkaian seri dengan pelindung dan rangkaian luar. • Generator jenis ini, voltasenya meningkat sebanding dengan kenaikan bebannya. Ketika arus masuk ke dalam mesin, akan menyebabkan medan magnetik yang lebih kuat.

19

Rangkaian Ekivalen Generator Seri

• • • • • • • •

Ea Vt Ra Ia Rs I ∆𝑉𝑠𝑖 Poutput

: Tegangan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar dalam Volt : Tegangan terminal generator dalam Volt : Resistans kumparan jangkar dalam Ohm : Arus kumparan jangkar dalam Ampere : Resistans kumparan medan seridalam Ohm : Arus beban dalam Ampere : Rugi tegangan pada sikat : Daya keluaran dalam Watt

• Suatu generator arus searah seri, 50 kW, 250 volt, resistans kumparan jangkar 0,1 Ohm, rugi tegangan pada sikat tidak ada. Hitung: a. Arus jangkarnya bila bekerja pada beban penuh. b. Resistans medan seri bila tegangan yang dibangkitkan = 300volt.

Generator Compound •

Merupakan rangkaian perpaduan antara generator seri dan paralel (shunt).

•

Generator kompon hampir sama dengan generator shunt, kecuali bahwa pada generator kompon mempunyai tambahan kumparan medan yang dihubungkan seri dengan jangkar. Kumparan medan yang dihubung seri tesebut dipasang atau ditempatkan pada kutub yang sama dengan kumparan medan shunt. Generator ini dikembangkan untuk mencegah tegangan terminal generator dc dari penurunan akibat penambahan beban.

•

•

Berdasarkan jenis rangkaian (menurut susunan rangkaian kumparan medan): - Compound Pendek - Compound Panjang

•

Berdasarkan cara kerja (menurut arah arus yang mengalir pada kumparan medan): - Majemuk kumulatif/Cumulatively Compounded Disebut kompon kumulatif dikarenakan arah arus yang mengalir pada kumparan medan seri searah dengan arus yang mengalir di kumparan medan shunt. - Majemuk Differensial/Differentially Compounded Disebut kompon diferensial dikarenakan arah arus yang mengalir di medan seri berlawanan arah dengan arus yang mengalir pada medan shunt. Presentasi MLD : Generator DC

22

Rangkaian Ekivalen Generator DC Kompon Pendek

• • • • • • • • • •

Ea Vt Ra Ia Rs Ish Rsh I ∆𝑉𝑠𝑖 Poutput

: Tegangan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar dalam Volt : Tegangan terminal generator dalam Volt : Resistans kumparan jangkar dalam Ohm : Arus kumparan jangkar dalam Ampere : Resistans kumparan medan seridalam Ohm : Arus medan shunt dalam Ampere : Resistans kumparam medan shunt dalam ohm : Arus beban dalam Ampere : Rugi tegangan pada sikat : Daya keluaran dalam Watt

Rangkaian Ekivalen Generator DC Kompon Panjang

• • • • • • • • • •

Ea Vt Ra Ia Rs Ish Rsh I ∆𝑉𝑠𝑖 Poutput

: Tegangan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar dalam Volt : Tegangan terminal generator dalam Volt : Resistans kumparan jangkar dalam Ohm : Arus kumparan jangkar dalam Ampere : Resistans kumparan medan seridalam Ohm : Arus medan shunt dalam Ampere : Resistans kumparan medan shunt dalam ohm : Arus beban dalam Ampere : Rugi tegangan pada sikat : Daya keluaran dalam Watt

• Suatu generator arus searah kompon pendek 20 kW bekerja dengan beban penuh pada tegangan terminal 250 volt. Resistans kumparan jangkar, kumparan medan seri dan kumparan medan shunt masing-masing sebesar 0.05 ohm, 0.025 ohm, dan 100 ohm. Hitung tegangan yang harus dibangkitkan oleh jangkar.

• Suatu generator kompon panjang melayani beban 50 Ampere pada tegangan terminal 500 volt, mempunyai resistans jangkar, medan seri dan medan shunt masing-masing 0.05 ohm, 0.03 ohm dan 250 ohm. Rugi tegangan sikat 2 volt. Jika output prime mover atau penggerak mula 27,5 kW, hitung: a. Tegangan yang dibangkitkan oleh jangkar b. Efisiensi dari generator.

Voltage regulation VR= (V no load-V full load)/ V full load x 100% Efisiensi mesin-mesin arus searah Efisiensi= Poutput/Pinput Poutput=Pinput – Ploss Efisiensi=Poutput/(Pouput+Ploss)

Rugi-rugi Mesin DC 1. Rugi-rugi tembaga, terdiri dari:  Rugi-rugi pada kumparan medan shunt, terdiri dari: o Rugi-rugi pada Rheostat o Rugi-rugi pada lilitan medan  Rugi-rugi pada kontak sikat  Rugi-rugi pada jangkar  Rugi-rugi pada kumparan medan seri  Rugi-rugi pada lilitan-lilitan medan tambahan 2. Rugi-rugi mekanis, terdiri dari:  Rugi-rugi besi  Rugi-rugi gesekan  Rugi buta beban (stray load loss); ±1% dari beban (boleh diabaikan).

LATIHAN • Sebuah generator shunt 100kW, 250 volt, pada jangkar diinduksikan tegangan 285 volt, dengan rated load. Tentukanlah berapa tahanan jangkar dan VR (Regulasinya) jika arus medan shunt 6 Ampere dan tegangan tanpa beban 264 volt. • Sebuah generator dc shunt memberi arus ke beban 450 Ampere, dengan tegangan 230 volt. Tahanan medan 50 ohm, tahanan jangkar 0.03 ohm. Hitunglah EMF yang dibangkitkan. • Sebuah generator dc, compound panjang memberikan arus 100 Ampere pada tegangan terminal 500 volt. Jika tahanan armature 0.02 ohm, tahanan medan seri 0.04 ohm dan tahanan medan shunt 100 ohm; Cari tegangan EMF yang dibangkitkan jika jatuh tegangan setiap sikat 1 volt. Abaikan reaksi jangkar.

• Sebuah generator kompoun dc 20 kW, bekerja pada beban penuh dengan tegangan terminal 250 volt. Tahanan belitan shunt, seri, dan jangkarnya masing-masing 100 ohm, 0.025 ohm dan 0.05 ohm. Tentukanlah jumlah total EMF yang dibangkitkan dalam jangkar jika mesin dihubungkan shunt pendek. • Berapakah EMF yang akan dibangkitkan dalam suatu generator dc belitan jerat, 8 kutub jika putarannya 200 rpm per kutub 0.05 weber dan jumlah penghantar jangkar 960.

• Hitung emf yang dibangkitkan oleh 4 kutub, jangkar belitan gelombang mempunyai 45 slot dengan 18 penghantar per slot apabila dijalankan pada 1200 rpm. Flux per kutub 0.016 weber. • Generator dc 6 kutub mempunyai armature hubungan jerat dengan 120 slot dan 8 penghantar per slot. Tampang dari setiap penghantar armature adalah 25 mm2 dan panjang rata-rata tiap lilitan adalah 220 cm. a. Hitung tahanan armature antara sikat pada temperature kerja 75°C. Resistivitas 1,72 µΩ cm. Koefisien temperature dari tahanan 0.00428 per °C pada 0°C. b. Hitung jumlah fluks per kutub dari generator jika pada 500 rpm, EMF yang dibangkitkan 240 volt. Ambil faktor bocor (leakage factor) 1.15.

Karakteristik (Watak) Generator Arus Searah

32

PERFORMANCES OF DC GENERATOR 1. OPEN-CIRCUIT (NO-LOAD) CHARACTERISTICS Conditions: 1. ∅ 𝐹𝑙𝑢𝑥 → 𝐼𝑓

2. 𝜔 𝑆𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑜𝑓 𝑡ℎ𝑒 𝑎𝑟𝑚𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒

No-load characteristic : 1. 𝐸0 = 𝐸0 𝐼𝑓 ,

𝐼𝑎 = 0 & 𝑁 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡

2. 𝐸0 = 𝐸0 𝑁 ,

𝐼𝑎 = 0 & 𝐼𝑓 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡

• No-load characteristic is essentially the magnetizing curve • No-load curve primarily depends on the magnetic system and less relates to the excitation modes.

2. EXTERNAL (TERMINAL) CHARACTERISTIC Conditions:

n  const  I f  const ( For shunt generator, R f  const )

External characteristic :

U  f (I )

1). Separately Excited Generator

RL   I   I a   Ea  Ra I a (1). U  U   saturation armature reaction (2).           Ea  U  Since Ra and the effect of AR are all small, U  f (I ) is an

approximately constant curve.

2. EXTERNAL (TERMINAL) CHARACTERISTIC

1). Shunt Generator

RL   I   I a  (1).   U    armature reaction (2). saturation     Ea  U  U  Ea  Ra I a

I f U

 (3). When U   I f    Ea  U  Rf

The third reason is a primary reason to make U changed . It could cause the terminal voltage U to decrease.

3). Series Generator

RL   I   I a   Ea  Ra I a (1). U  U    armature reaction (2). saturation      Ea  U   (3). I a   I s    Ea  U 

The third reason is also primary. It could cause the terminal voltage U to increase. So the terminal characteristic of series generator is a rising curve.

4). Compound Generator  There are two field windings, shunt winding and series winding, mounded on the stator.  Shunt winding plays main role and series winding provides compensating mmf.  Cumulative compound generator --- shunt mmf and series mmf have same direction and aid each other

overcompounding  U N  U 0   flat compounding  U N  U 0 undercompounding  U  U N 0   Differential compound generator --- shunt mmf and series mmf have reverse direction and oppose each other

Motor Arus Searah

Motor Arus Searah • Motor arus searah pada zaman dahulu sebelum dikenal motor arus bolak-balik, banyak digunakan untuk menghasilkan tenaga mekanik berupa kecepatan atau perputaran, baik untuk mesinmesin produksi di pabrik dan industry maupun untuk tram listrik dan sebagainya. Motor jenis ini juga digunakan untuk start awal dari mobil dan rangkaian perangkat elektronik. • Berdasarkan karakteristiknya, maka motor arus searah ini mempunyai daerah pengaturan putaran yang luas dibandingkan dengan motor arus bolak-balik, sehingga sampai sekarang masih banyak dipergunakan pada pabrik kertas, tekstil, dan pabrik-pabrik yang mesin produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas.

Prinsip kerja Motor 1. Adanya garis-garis gaya medan magnet (fluks), antara kutub yang berada di stator. 2. Penghantar yang dialiri arus ditempatkan pada jangkar yang berada dalam medan magnet tadi. 3. Pada penghantar timbul gaya yang menghasilkan torsi.

Gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada penghantar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet tergantung dari hal berikut: 1. Kekuatan dari medan magnet 2. Harga dari arus melalui penghantar 3. Panjang kawat yang membawa arus

Jenis Motor Arus Searah 1. Motor Arus Searah berpenguatan bebas 2. Motor Arus Searah berpenguatan sendiri, a. Motor Arus Searah Shunt. b. Motor Arus Searah Seri. c. Motor Arus Searah Kompon. • Motor Arus Searah Kompon Pendek • Motor Arus Searah Kompon Panjang

THANK YOU

Pengendalian frekuensi dicapai melalui: 1) aksi governor unit pembangkit (regulasi primer); 2) unit pembangkit yang memiliki automatic generation control (pengendalian sekunder); 3) perintah Pusat Pengatur Beban ke Pembangkit untuk menaikkan atau menurunkan titik setting governor dalam mengantisipasi perubahan beban; 4) penurunan tegangan dalam rangka menurunkan beban Sistem; 5) pengurangan beban secara manual; 6) peralatan pelepasan beban otomatis dengan relai frekuensi rendah; dan, 7) pelepasan generator oleh relai frekuensi lebih.