Mengenal Lebih Dekat Dengan Generator Listrik

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik, medan elektromagnetik adalah sebuah medan terdiri dari dua medan vektor yang berhubungan: medan listrik dan medan magnet. 

Ketika dibilang medan elektromagnetik, medan tersebut dibayangkan mencakup seluruh ruang, biasanya medan elektromagnetik hanya terbatas di sebuah daerah kecil di sekitar objek dalam ruang. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. 

Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apapun sumber energi mekanik yang lain.

Sebelum hubungan antara magnet dan listrik ditemukan, generator menggunakan prinsip elektrostatik, Elektrostatik adalah cabang fisika yang berkaitan dengan gaya yang dikeluarkan oleh medan listrik statik (tidak berubah/bergerak) terhadap objek bermuatan yang lain. Mesin Wimshurst menggunakan induksi elektrostatik atau “influence”. Generator Van de Graaff menggunakan satu dari dua mekanisme:

• Penyaluran muatan dari elektroda voltase-tinggi

• Muatan yang dibuat oleh efek triboelectric menggunakan pemisahan dua insulator

Generator elektrostatik tidak efisien dan berguna hanya untuk eksperimen saintifik yang membutuhkan voltase tinggi.

Pada 1831-1832 Michael Faraday menemukan bahwa perbedaan potensial dihasilkan antara ujung-ujung konduktor listrik yang bergerak tegak lurus terhadap medan magnet. Dia membuat generator elektromagnetik pertama berdasarkan efek ini, menggunakan cakram tembaga yang berputar antara kutub magnet tapal kuda. Proses ini menghasilkan arus searah yang kecil. Desain alat yang dijuluki ‘cakram Faraday’ itu tidak efisien dikarenakan oleh aliran arus listrik yang arahnya berlawanan di bagian cakram yang tidak terkena pengaruh medan magnet.

Arus yang diinduksi langsung di bawah magnet akan mengalir kembali ke bagian cakram di luar pengaruh medan magnet. Arus balik itu membatasi tenaga yang dialirkan ke kawat penghantar dan menginduksi panas yang dihasilkan cakram tembaga. Generator homopolar yang dikembangkan selanjutnya menyelesaikan permasalahan ini dengan menggunakan sejumlah magnet yang disusun mengelilingi tepi cakram untuk mempertahankan efek medan magnet yang stabil. Kelemahan yang lain adalah amat kecilnya tegangan listrik yang dihasilkan alat ini, dikarenakan jalur arus tunggal yang melalui fluks magnetik.

Dinamo adalah generator listrik pertama yang mampu mengantarkan tenaga untuk industri, dan masih merupakan generator terpenting yang digunakan pada abad 21. Dinamo menggunakan prinsip elektromagnetisme untuk mengubah putaran mekanik menjadi listrik arus bolak-balik, Elektromagnetisme adalah cabang fisika tentang medan elektromagnetik yang mempelajari mengenai medan listrik dan medan magnet. Medan listrik dapat diproduksi oleh muatan listrik statik, dan dapat memberikan kenaikan pada gaya listrik. 

Medan magnet dapat diproduksi oleh gerakan muatan listrik, seperti arus listrik yang mengalir di sepanjang kabel dan memberikan kenaikan pada gaya magnetik.

Istilah “elektromagnetisme” berasal dari kenyataan bahwa medan listrik dan medan magnet adalah saling “berpelintiran”/terkait, dan dalam banyak hal, tidak mungkin untuk memisahkan keduanya. Contohnya, perubahan dalam medan magnet dapat memberikan kenaikan kepada medan listrik; yang merupakan fenomena dari induksi elektromagnetik, dan merupakan dasar dari operasi generator listrik, motor induksi, dan transformer.

Istilah elektrodinamika kadangkala digunakan untuk menunjuk kepada kombinasi dari elektromagnetisme dengan mekanika. Subjek ini berkaitan dengan efek dari medan elektromagnetik dalam sifat mekanika dari partikel yang bermuatan listrik.

Dinamo pertama berdasarkan prinsip Faraday dibuat pada 1832 oleh Hippolyte Pixii, seorang pembuat alat Prancis. Alat ini menggunakan magnet permanen yang diputar oleh sebuah “crank”. Magnet yang berputar diletakaan sedemikian rupa sehingga kutub utara dan selatannya melewati sebongkah besi yang dibungkus dengan kawat. Pixii menemukan bahwa magnet yang berputar memproduksi sebuah pulsa arus di kawat setiap kali sebuah kutub melewati “coil”. Lebih jauh lagi, kutub utara dan selatan magnet menginduksi arus di arah yang berlawanan. Dengan menambah sebuah komutator, Pixii dapat mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah.

Namun, kedua desain di atas menderita masalah yang sama: mereka menginduksi “spike” arus diikuti tanpa arus sama sekali. Antonio Pacinotti, seorang ilmuwan Italia, memperbaikinya dengan mengganti “coil” berputar dengan yang “toroidal”, yang dia ciptakan dengan mebungkus cincin besi. Ini berarti bahwa sebagian dari “coil” terus melewati magnet, membuat arus menjadi lancar. Zénobe Gramme menciptakan kembali desain ini beberapa tahun kemudian ketika mendesain pembangkit listrik komersial untuk pertama kalinya, di Paris pada 1870-an. Desainnya sekarang dikenal dengan nama dinamo Gramme. Beberapa versi dan peningkatan lain telah dibuat, tetapi konsep dasar dari memutar loop kawat yang tak pernah habis tetap berada di hati semua dinamo modern.

Perinsip Kerja Generator Listrik

Generator adalah suatu sistem yang menghasilkan tenaga listrik dengan masukan tenaga mekanik Jadi disini generator berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik yang mempunyai prinsip kerja sebagai berikut :

Bilamana rotor diputar maka belitan kawatnya akan memotong gaya-gaya magnit pada kutub magnit, sehingga terjadi perbedaan tegangan, dengan dasar inilah timbullah arus listrik, arus melalui kabel/kawat yang ke dua ujungnya dihubungkan dengan cincin geser. Pada cincin-cincin tersebut menggeser sikat-sikat, sebagai terminal penghubung keluar.Generator adalah suatu sistem yang menghasilkan tenaga listrik dengan masukan tenaga mekanik . Jadi disini generator berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik yang mempunyai prinsip kerja sebagai berikut : 

Bilamana rotor diputar maka belitan kawatnya akan memotong gaya-gaya magnit pada kutub magnit, sehingga terjadi perbedaan tegangan, dengan dasar inilah timbullah arus listrik, arus melalui kabel/kawat yang ke dua ujungnya dihubungkan dengan cincin geser. Pada cincin-cincin tersebut menggeser sikat-sikat, sebagai terminal penghubung keluar. 

Bagian-bagian generator : 

1. Rotor, adalah bagian yang berputar yang mempunyai bagian terdiri dari poros, inti, kumparan, cincin geser, dan sikat-sikat. 

2. Stator, adalah bagian yang tak berputar (diam) yang mempunyai bagian terdiri dari rangka stator yang merupakan salah satu bagian utama dari generator yang terbuat dari besi tuang dan ini merupakan rumah dari semua bagian-bagian generator, kutub utama beserta belitannya, kutub-kutub pembantu beserta belitannya, bantalan-bantalan poros.

ROTATING-ARMATURE ALTERNATOR

Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.

ROTATING-FIELD ALTERNATORS

Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban.

Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi.

Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.

Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada inti ini.

Macam Generator 

Berdasarkan tegangan yang dibangkitkan generator dibagi menjadi 2 yaitu : 

1. Generator Arus Bolak-Balik (AC) 

Generator arus bolak-balik yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan out put ) berupa tegangan bolak-balik. 

2. Generator Arus Searah (DC) 

Generator arus searah yaitu generator dimana tegangan yang dihasilkan (tegangan out put) berupa tegangan searah, karena didalamnya terdapat sistem penyearahan yang dilakukan bisa berupa oleh komutator atau menggunakan dioda. 

9

Berdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi menjadi 2 yaitu : 

1. Generator 1 fasa 

Generator yang dimana dalam sistem melilitnya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis dan dalam hal ini tidak diperhatikan banyaknya lilitan. Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U. 

2. Generator 3 fasa 

Generator yang dimana dalam sistem melilitnya terdiri dari tiga kumpulan kumparan yang mana kumparan tersebut masing-masing dinamakan lilitan fasa. Jadi pada statornya ada lilitan fasa yang ke satu ujungnya diberi tanda U – X; lilitan fasa yang ke dua ujungnya diberi tanda dengan huruf V – Y dan akhirnya ujung lilitan fasa yang ke tiga diberi tanda dengan huruf W – Z. 

Lilitan stator 

Lilitan stator terdiri atas beberapa kumparan, yang dipasang dalam alur-alur inti stator. Pada kumparan stator terdapat sisi kumparan yang terletak dalam alur-alur, dan kepala-kepala kumparan yang menghubungkan sisi-sisi kumparan diluar alur-alur satu sama lain. Tiap-tiap kumparan terdiri atas satu atau lebih lilitan menurut besar tegangan. Dalam gambar 2.2a dilukiskan sebuah kumparan yang terdiri atas empat lilitan. Jumlah kawat tiap sisi kumparan sama banyaknya dengan jumlah lilitan pada tiap-tiap kumparan. 

Perhitungan Tegangan Generator 

Dengan diputarnya rotor generator sepanjang dua poolstek (jarak antara pertengahan kutub magnit dengan pertengahan kutub magnit berikutnya yaitu diukur pada keliling besi stator), maka akan dibangkitkan suatu tegangan induksi di dalam lilitan A yang besarnya dapat ditulis e = 4 Φ 10-8 volt. Harga ini meliputi satu periode. 

Karena banyaknya periode dalam tiap detik dinyatakan dengan huruf f singkatan dari frekuensi, maka besarnya GGL dapat dituliskan sebagai berikut : 

Erata-rata = e. f = 4. Φ. f. 10-8 volt. 

GGL diatas adalah harga rata-rata dari GGL untuk mendapatkan harga efektifnya maka seluruhnya harus dikalikan dengan suatu angka perbandingan : 

fv = Harga efektif 

Harga rata-rata 

= 1,111. 

Angka perbandingan (Konstanta) diatas dinamakan faktor bentuk dan dalam rumus-rumus selalu dinyatakan dengan singkatan fv. 

Jadi harga efektif dari GGL yang dibangkitkan dalam lilitan A itu adalah : 

E = 4. f. fv.Φ. 10-8 Volt. 

Karena seluruh jumlah lilitan stator terdiri atas banyak lilitan kawat sebanyak W, maka besarnya GGL yang dibangkitkan dalam generator adalah: 

E = 4. f. fv. Φ. W. 10-8 Volt. 

Ketentuan rumus diatas ini hanya berlaku jika lilitan-lilitan kawatnya sebanyak W itu saling berhubungan seri dan banyaknya saluran (alur) hanya satu. Tetapi dalam kenyataannya bahwa banyaknya alur tiap kutub adalah lebih dari satu seperti : 2 dan 3 dan sebagainya. 

Untuk lilitan stator yang mempunyai saluran lebih dari pada satu, maka keadaan GGL yang dibangkitkan dalam lilitan-lilitan kawat akan agak berkurang daripada ketentuan rumus diatas. Ini dikarenakan bahwa kawat-kawat dalam tiap-tiap saluran itu berhadapan dengan Φ yang tidak sama besarnya. Oleh karena itu dalam ketentuan tersebut diatas masih harus dikalikan lagi agar konstanta yang dinamakan : faktor lilitan dan dinyatakan dengan suatu huruf fw. 

Besarnya faktor lilitan untuk generator fasa tunggal adalah 0,8 dan untuk generator fasa tiga (generator arus putar) adalah 0,96. 

Dengan demikian maka secara lengkap rumus diatas untuk GGL dari generator dapat dituliskan sebagai berikut : 

E = 4. f. fv. fw. Φ. W. 10-8 Volt 

Dimana : 

E = Tegangan GGL generator (V) 

f = frekuensi generator (Hz) 

fv = faktor efektif = 1,111 

fw= faktor lilitan (untuk generator fasa tunggal adalah 0,8 dan untuk generator fasa tiga adalah 0,96). 

Φ = fluks (garis gaya = 108 maxwell) 

W = lilitan