Generator, Motor dan Transformator

Dasar Teknik ElektroPertemuan ke 7

Generator

• Generator adalah suatu sistem yang berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik

• Bagian utama dari generator adalah :– Rotor (bagian yang berputar)– Stator (bagian yang diam)

DC

AC

ROTOR dan STATOR• Rotor, mempunyai bagian-bagian yang terdiri

dari :– poros, – inti, – kumparan, – cincin geser, dan – sikat-sikat.

ROTOR dan STATOR• Stator, mempunyai bagian-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, dan – bantalan-bantalan poros.

DETIL ALTERNATOR

JENIS GENERATOR

• Generator AC– Generator arus bolak-balik yaitu generator dimana

tegangan yang dihasilkan (tegangan out put ) berupa tegangan bolak-balik.

• Generator 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.

Generator ACBerdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi

menjadi 2 yaitu : 1. Generator 1 fasa

Generator yang sistem lilitanya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis . Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U.

2. Generator 3 fasaGenerator yang sistem lilitanya hanya terdiri dari tiga kumpulan kumparan. 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.

Generator AC• Kecepatan dan jumlah kutub derajat ac menentukan frekuensi

tegangan yang dibangkitkan. • Jika generator mempunyai dua kutub ( utara dan selatan ) dan

kumparan berputar pada kecepatan satu putaran perdetik, maka frekuensi akan berubah manjadi siklus per detik.

• Rumus untuk mementukan frekuensi generator adalah : f = pn/120

f = frekuensin = kecepatan rotor per menitp = jumlah kutub

A Simple AC Generator

• We noted earlier that Faraday’s law dictates that if a coil of N turns experiences a change in magnetic flux, then the induced voltage V is given by

• If a coil of area A rotates with respect to a field B, and if at a particular time it is at an angle to the field, then the flux linking the coil is BAcos, and the rate of change of flux is given by

tΦNV

dd

coscosdd

dsind

ttBA

dtdΦ

• Thus for the arrangement shown below

tΦNV

dd

cosdsind

dd NBA

tNBA

tΦNV

• Therefore this arrangement produces a sinusoidal output as shown below

• Wires connected tothe rotating coilwould get twisted

• Therefore we usecircular slip ringswith slidingcontacts calledbrushes

AC Generators or Alternators

• Alternators do not require commutation– this allows a simpler construction– the field coils are made to rotate while the armature

windings are stationary• Note: the armature windings are those that produce the output

– thus the large heavy armature windings are in the stator– the lighter field coils are mounted on the rotor and direct

current is fed to these by a set of slip rings

• A four-pole alternator

• As with DC generators multiple poles and sets of windings are used to improve efficiency– sometimes three sets of armature windings

are spaced 120 apart around the stator to forma three-phase generator

• The e.m.f. produced is in sync with rotation of the rotor so this is a synchronous generator– if the generator has a single set of poles the output

frequency is equal to the rotation frequency– if additional pole-pairs are used the frequency is

increased accordingly

Example – see Example 23.2 from course textA four-pole alternator is required to operate at 60 Hz. What is the required rotation speed?

A four-pole alternator has two pole pairs. Therefore the output frequency is twice the rotation speed. Therefore to operate at 60Hz, the required speed must be 60/2 = 30Hz. This is equivalent to 30 60 = 1800 rpm.

Generator DCBerdasarkan sistem pembangkitannya generator AC dapat dibagi

menjadi 2 yaitu : 1. Generator 1 fasa

Generator yang sistem lilitanya hanya terdiri dari satu kumpulan kumparan yang hanya dilukiskan dengan satu garis . Ujung kumparan atau fasa yang satu dijelaskan dengan huruf besar X dan ujung yang satu lagi dengan huruf U.

2. Generator 3 fasaGenerator yang sistem lilitanya hanya terdiri dari tiga kumpulan kumparan. 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.

A Simple DC Generator

• The alternating signal from the earlier AC generator could be converted to DC using a rectifier

• A more efficient approach is to replace the two slip rings with a single split slip ring called a commutator– this is arranged so that connections to the coil are

reversed as the voltage from the coil changes polarity– hence the voltage across the brushes is of a single polarity– adding additional coils produces a more constant output

• Use of a commutator

• A simple generator with two coils

• The ripple can be further reduced by the use of a cylindrical iron core and by shaping the pole pieces– this produces an

approximatelyuniform field in thenarrow air gap

– the arrangementof coils and coreis known as thearmature

DC Generators or Dynamos

• Practical DC generators or dynamos can take a number of forms depending on how the magnetic field is produced– can use a permanent magnet– more often it is generated electrically using field coils

• current in the field coils can come from an external supply– this is known as a separately excited generator

• but usually the field coils are driven from the generator output

– this is called a self-excited generator

– often use multiple poles held in place by a steel tube called the stator

• A four-pole DC generator

• Field coil excitation– sometimes the field coils are connected in series with

the armature, sometimes in parallel (shunt) and sometimes a combination of the two (compound)

– these different formsproduce slightlydifferentcharacteristics

– diagram hereshows ashunt-woundgenerator

• DC generator characteristics– vary slightly between forms– examples shown here are for a shunt-wound

generator

MOTOR

Motor dibagi menjadi dua jenis :• Motor AC• Motor DC

AC Motors

• AC motors can be divided into two main forms:– synchronous motors– induction motors

• High-power versions of either type invariably operate from a three-phase supply, but single-phase versions of each are also widely used – particularly in a domestic setting

23.7

• Synchronous motors– just as a DC generator can be used as a DC motor, so AC

generators (or alternators) can be used as synchronous AC motors

– three phase motors use three sets of stator coils• the rotating magnetic field drags the rotor around with it

– single phase motors require some starting mechanism– torque is only produced when the rotor is in sync with the

rotating magnetic field• not self-starting – may be configured as an induction motor until

its gets up to speed, then becomes a synchronous motor

• Induction motors– these are perhaps the most important form of AC motor– rather than use slip rings to pass current to the field

coils in the rotor, current is induced in the rotor by transformer action

– the stator is similar to that in a synchronous motor– the rotor is simply a set of parallel conductors shorted

together at either end by two conducting rings

• A squirrel-cage induction motor

• In a three-phase induction motor the three phases produce a rotating magnetic field (as in a three-phase synchronous motor)– a stationary conductor will see a varying magnetic field

and this will induce a current– current is induced in the field coils in the same way that

current is induced in the secondary of a transformer– this current turns the rotor into an electromagnet which

is dragged around by the rotating magnetic field– the rotor always goes slightly slower than the magnetic

field – this is the slip of the motor

• In single-phase induction motors other techniques must be used to produce the rotating magnetic field– various techniques are used leading to various

forms of motor such as• capacitor motors• shaded-pole motors

– such motors are inexpensive and are widely used in domestic applications

DC Motors

• When current flows in a conductor it produces a magnetic field about it - as shown in (a) below– when the current-carrying conductor is within an

externally generated magnetic field, the fields interact and a force is exerted on the conductor - as in (b)

• Therefore if a conductor lies within a magnetic field:– motion of the conductor produces an electric current– an electric current in the conductor will generate motion

• The reciprocal nature of this relationship means that, for example, the DC generator above will function as a DC motor– although machines designed as motors are more efficient in this

role• Thus the four-pole DC generator shown earlier could

equally well be a four-pole DC motor

• DC motor characteristics– many forms – each with slightly different

characteristics– again can be permanent magnet, or series-wound,

shunt-wound or compound wound– figure below shows a shunt-wound DC motor

Universal Motors

• While most motors operate from either AC or DC, some can operate from either

• These are universal motors and resemble series-wound DC motors, but are designed for both AC and DC operation– typically operate at high speed (usually > 10,000 rpm)– offer high power-to-weight ratio– ideal for portable equipment such as hand drills and

vacuum cleaners

Electrical Machines – A Summary

• Power generation is dominated by AC machines– range from automotive alternators to the synchronous

generators used in power stations– efficiency increases with size (up to 98%)

• Both DC and AC motors are used– high-power motors are usually AC, three-phase– domestic applications often use single-phase induction

motors– DC motors are useful in control applications

Key Points

• Electrical machines include both generators and motors• Motors can usually function as generators, and vice versa• Electrical machines can be divided into AC and DC forms• The rotation of a coil in a uniform magnetic field produces a

sinusoidal e.m.f. This is the basis of an AC generator• A commutator can be used to produce a DC generator• The magnetic field in an electrical machine is normally produced

electrically using field coils• DC motors are often similar in form to DC generators• Some forms of AC generator can also be used as motors• The most widely used form of AC motor is the induction motor

TRANSFORMATOR

Pengertian Transformator

• Alat listrik yang dapat memindahkan energi listrik dengan merubah tingkat tegangan dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lain melalui prinsip induksi magnetik tanpa merubah frekuensi.

BAGIAN UTAMA TRANSFORMATOR

INTI BESI

INTI BESI

Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluksi, yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Pada transformator, inti besi dibuat dari lempengan-lempengan besi tipis yang berisolasi, untuk mengurangi panas (sebagai rugi-rugi besi) yang ditimbulkan oleh “Eddy Current”

KUMPARAN

KUMPARAN

Beberapa lilitan kawat berisolasi akan membentuk suatu kumparan. Kumparan tersebut di-isolasi, baik terhadap inti besi maupun terhadap kumparan lain disebelahnya dengan isolasi padat, seperti karton, pertinax.

MINYAK TRANSFORMATOR

MINYAK TRANSFORMATOR

Sebagian besar trafo tenaga, kumparan-kumparan dan intinya direndam dalam minyak trafo, terutama trafo-trafo tenaga yang berkapasitas besar, karena minyak trafo mempunyai sifat sebagai media pemindah panas (di sirkulasi), dan bersifat sebagai isolasi (daya tegangan tembus tinggi), sehingga minyak trafo tersebut berfungsi sebagai media pendingin dan isolasi.

TANGKI

Pada umumnya bagian-bagian dari trafo yang terendam minyak trafo berada (ditempatkan) dalam tangki. Untuk menampung pemuaian minyak trafo, tangki dilengkapi dengan konservator.

BUSHING

BUSHING

Hubungan antara kumparan trafo ke jaringan luar melalui sebuah bushing, yaitu sebuah konduktor yang diselubungi oleh isolator, yang sekaligus berfungsi sebagai penyekat antara konduktor tersebut dengan tangki trafo.

PERALATAN BANTU

PENDINGINTAP CHANGERALAT PERNAPASANPENGAMAN

PENDINGINPada inti besi dan kumparan-kumparan akan timbul panas, akibat rugi-rugi besi dan rugi-rugi tembaga. Bila panas tersebut mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, akan merusak isolasi (di dalam trafo), maka untuk mengurangi kenaikan suhu yang berlebihan tersebut trafo perlu dilengkapi dengan alat/system pendingin untuk menyalurkan panas keluar trafo. Media yang dipakai pada system pendingin dapat berupa:udara/gas, minyak, dan air.Sedangkan pengalirannya (sirkulasi) dapat dengan cara alamiah (natural) atau tekanan/paksaan.

PENDINGINMEDIA

No MACAM SISTEM PENDINGIN*

Dalam Trafo Luar Trafo

Sirkulasi Alamiah

Sirkulasi Paksa

Sirkulasi Alamiah

Sirkulasi Paksa

1 AN - - Udara -

2 AF - - - Udara

3 ONAN Minyak - Udara -

4 ONAF Minyak - - Udara

5 OFAN - Minyak Udara -

6 OFAF - Minyak - Udara

7 OFWF - Minyak - Air

8 ONAN/ONAF Kombinasi 3 dan 4

9 ONAN/OFAN Kombinasi 3 dan 5

10 ONAN/OFAF Kombinasi 3 dan 6

11 ONAN/OFWF Kombinasi 3 dan 7

TAP CHANGER

Merupakan alat pengubah perbandingan transformasi untuk mendapatkan tegangan operasi sisi sekunder yang konstan/stabil (diinginkan) dari tegangan jaringan/sisi primer yang berubah-ubah. Tap changer dapat dilakukan baik dalam keadaan berbeban (on-load) atau dalam keadaan tak berbeban (off load) tergantung pada jenisnya.

ALAT PERNAFASAN

Akibat pengaruh naik turunnya beban transformator maupun suhu udara luar, maka suhu minyak akan berubah-ubah mengikuti keadaan tersebut. Bila suhu minyak tinggi, minyak akan memuai dan mendesak udara di atas permukaan minyak keluar dari dalam tangki, sebaliknya apabila suhu turun, minyak menyusut maka udara luar akan masuk ke dalam tangki.

PENGAMANRele Bucholz untuk mendeteksi dan mengamankan terhadap gangguan di dalam trafo yang menimbulkan gas

PENGAMAN• Rele Differensial pengaman trafo dari

gangguan hubung singkat di dalam trafo

Over Load

Load

factor% Over load

10% 20% 30% 40% 50%

Jam jam jam menit menit

0.5 3 1.5 1 30 15

0.75 2 1 0.5 15 8

0.9 1 0.5 0.25 8 4

Suhu tertinggi terhadap isolasi transformator yang diijinkan oleh VDE 0532

Bagian Minyak

Kelas Isolasi

A A E B F H

LIilitan °C 60 76 75 85 110 135

0

PRINSIP KERJA TANSFORMATOR• Keadaaan Transformator Tanpa beban

F

E1

I0

N1 N2

E2

V1

I0

F

E1

Vektor transformator tanpa beban

Transformator tanpa beban

Keadaan Tanpa Beban

• Bila kumparan primer suatu transformator dihubungkan dengan sumber tegangan V1 yang sinusoid, akan mengalirlah arus primer Io yang juga sinusoid dan dengan mengannggap belitan N1 reaktif murni, Io akan tertinggal 90o dari V1 (lihat gambar ). Arus primer Io menimbulkan fluks (f) yang sefasa dan juga berbentuk sinusoid.

• f = fmaks sin t

Keadaan Tanpa Beban

• Fluks yang sinusoid ini akan menghasilkan tegangan induksi e1 (Hukum Faraday). Fluks yang berubah-ubah memotong suatu kumparan maka pada kumparan tersebut akan di induksikan suatu tegangan listrik :

dtdNe f

11

wtNdt

wtdNe maks

maks cos)sin(

111 ff

(tertinggal 90o dari  f)

maksmaks fN

fNE f

f1

11 44,4

22

Harga efektifnya

Keadaan Tanpa Beban• Pada rangkaian sekunder, fluks (f) bersama tadi

menimbulkan

dtdNe f

22 wtwNe m cos22 f maksfNE f22 44,42

1

2

1

NN

EE

aNN

VV

EE

2

1

2

1

2

1

Dalam hai ini tegangan E1 mempunyai kebesaran yang sama tetapi berlawanan arah dengan tegangan sumber V1.

Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor,

a = perbandingan transformasi

Keadaan Tanpa BebanArus Penguat

• Arus primer Io yang mengalir pada saat kumparan sekunder tidak dibebani disebut arus penguat. Dalam kenyataannya arus primer Io bukanlah merupakan arus induktif murni, hingga ia terdiri atas dua komponen:(1) Komponen arus pemagnetan IM, yang menghasilkan fluks (f). (2) Komponen arus rugi tembaga IC, menyatakan daya yang hilang akibat adanya rugi histeris dan ‘arus eddy’. IC sefasa dengan V1, dengan demikian hasil perkaliannya (IC x V1) merupakan daya (watt) yang hilang

V1 E1

F

I0

IC

IM V1IMICRC XM

I0

Vektor hubungan fasor Io, IM dan IC Rangkain pengganti Io, IM dan IC

Keadaaan Transformator Berbeban

• Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir pada kumparan sekunder, di mana I2 = V2/ZL .

V2V1 E1

I1

N1 N2

E2

I2

ZL

F2

F1

Keadaaan Transformator Berbeban• Arus beban I2 ini akan menimbulkan gaya gerak magnet

(ggm) N2 I2 yang cenderung menentang fluks (f) bersama yang telah ada akibat arus pemagnetan IM. Agar fluks bersama itu tidak berubah nilainya, pada kumparan primer harus mengalir arus I’2, yang menentang fluks yang dibangkitkan oleh arus beban I2, hingga keseluruhan arus yang mengalir pada primer menjadi :

'21o

'2o1

III

II I

Keadaaan Transformator Berbeban

• Bila rugi besi diabaikan (IC diabaikan) maka Io = IM

I1 = IM + I’2

• Untuk menjaga agar fluks tetap tidak berubah sebesar ggm yang dihasilkan oleh arus pemagnetan IM saja, berlaku hubungan : N1IM = N1I1 – N2I2 N1IM = N 1(IM + I’2) – N2I2

Sehingga N1I’2 = N2I2

• Karena nilai IM dianggap kecil maka I’2 = I1 N1I1 = N2I2 atau I1/I2 = N2/N1