Analisis Penentuan Tegangan Terminal Pada Generator DC

POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
ISSN : 1858-3709
Analisis Penentuan Tegangan Terminal Pada Generator DC Penguat
Terpisah Untuk Beban Variabel Menggunakan Kurva Saturasi Tanpa
Beban
Defining of Output Voltage at Load Variable Separately Field Direct
Current Generator Using No-load Curve Analysis
Junaldi, Berlianti
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang
Telp. 0751-72590 Fax. 0751-72576
ABSTRACT
In general direct current generator measurement, the output voltage changing as load variable implementation.
It can be difined by using load measuring datas. This methode is identically trial experiment. By applying the
loads to generator, operating them and get output voltage through direct measurement using voltmeter. Other
methode to define output voltage value is to be analysed by using no-load curve. This simple methode was
applied to varible load from 10% to 100% load (nameplate rate of load current). The figure element can be
obtained from the calculation. This methode was applied to 5 kW, 125 V, 1150 rad/menit (no-load), armature
resistance 0,4 ohm, field current 2 A the separately field direct current generator (armature reaction and brush
losses may be neglected)
Keywords : generator rotation, separately field direct current generator, load current, no-load curve
PENDAHULUAN
Suatu generator arus searah perlu dibebani
agar dapat diaplikasikan dan dimanfaatkan
untuk berbagai kebutuhan. Akan tetapi,
ketika suatu generator dibebani terjadi
perubahan
nilai
tegangan
keluaran
generator. Besarnya nilai tegangan keluaran
generator ini dapat diketahui melalui
pengukuran
langsung
menggunakan
volmeter
atau
penghitungan
secara
matematis
dengan
terlebih
dahulu
mengukur parameter perhitungan yang
diperlukan.
Salah satu cara lain yang cukup
sederhana dan dapat digunakan untuk
menentukan nilai tegangan keluaran
generator ketika dibebani yaitu dengan
menggunakan kurva saturasi tanpa beban
generator.
Cara ini dilakukan dengan terlebih
dahulu
mem-plot
kurva
saturasi
karakteristik tegangan jangkar fungsi arus
medan penguat dalam keadaan tanpa beban.
Kurva ini dapat digunakan untuk
menghitung nilai tegangan terminal
keluaran generator.
Dengan cara ini, hasilnya akan
dibandingkan dengan penghitungan secara
matematis berdasarkan rumusan rangkaian
secara elektris.
Tujuan penelitian:
1. Menghitung dan menentukan besarnya
nilai tegangan terminal keluaran generator
untuk perubahan nilai beban sebesar 10%
sampai 100% menggunakan kurva saturasi
tanpa beban generator arus searah penguat
terpisah.
Rangkaian ekivalen generator dc
penguat terpisah dibebani
Gambar 1 berikut merupakan rangkaian
generator dc penguat terpisah dibebani.
Terdapat beberapa parameter didapatkan
dari hasil pengukuran, diantaranya adalah:
Rf = Tahanan medan penguat terpisah,
(ohm)
Vf = Sumber tegangan dc untuk mengeksitasikan arus medan penguat
generator (Volt)
40
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
ISSN : 1858-3709
Ra = Tahanan jangkar (ohm)
Ia = Arus yang mengalir dari kumparan
jangkar (A)
IL = Arus beban (A)
Vt = tegangan
terminal
keluaran
generator (Volt)
Gambar 2.
Gambar 1. Rangkaian ekivalen generator dc
penguat terpisah dibebani
Perubahan tegangan keluaran generator
saat dibebani
Ketika sebuah generator dibebani, maka
akan terjadi perubahan nilai tegangan
. Perubahan nilai ini
keluaran generator
mengikuti besarnya jatuh tegangan pada
tahanan jangkar akibat mengalirnya arus
beban. Semakin besar arus beban yang
mengalir, maka jatuh tegangan pada
kumparan jangkar juga menjadi naik
sehingga tegangan terminal keluaran
generator menjadi turun
. Hal ini secara
matematis dirumuskan sebagai berikut :
Grafik karakteristik perubahan
tegangan terminal keluaran
generator terhadap perubahan
arus beban
Kurva saturasi beban nol generator dc
penguat terpisah
Gambar kurva karakteristik berikut
merupakan karakteristik perubahan arus
medan penguat fungsi perubahan tegangan
induksi pada jangkar generator saat
generator tidak dibebani.
Kurva saturasi beban nol ini dapat
digunakan
untuk
menentukan
dan
menghitung besarnya nilai tegangan
terminal keluaran generator dengan variasi
.
beban
(1)
Dimana
= tegangan induksi jangkar (Volt)
Secara grafis, perubahan tegangan terminal
keluaran generator digambarkan sesuai
dengan gambar 2.
Gambar 3. Kurva saturasi beban nol generator
dc penguat terpisah
41
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
ISSN : 1858-3709
Formula penggunaan kurva saturasi beban
nol
Tegangan terminal generator, Vt
Tegangan induksi pada jangkar ea
Rumus untuk menentukan tegangan induksi
pada jangkar ea adalah :
(5)
Dimana :
= tegangan terminal keluaran generator (V)
= tegangan induksi jangkar (V)
= arus beban penuh (A)
= resistansi jangkar (ohm)
METODOLOGI
Dimana:
= kecepatan generator dalam sudut
= kecepatan generator saat tidak
dibebani (dlm sudut)
= kecepatan putar generator dalam
put/menit
= kecepatan putar generator saat
tidak dibebani dalam put/menit
= tegangan induksi pada jangkar saat
putaran n
= tegangan induksi pada jangkar saat
putaran no
Arus beban penuh, IL
Untuk menghitung besarnya arus beban penuh
IL digunakan rating generator sebagai acuan.
Pada penulisan ini rating generator yang
digunakan adalah:
5 kW, 125 V, 1150 rad/menit (no-load),
resistansi jangkar 0,4 ohm.
Rumus :
IL =
(A)
Dimana :
(4)
Adapun metodologi untuk penulisan ini
adalah
dengan
analisis
melalui
penghitungan
dan
penetapan
nilai
berdasarkan kurva saturasi beban nol
generator arus searah penguat terpisah.
Langkah-langkah analisis adalah sebagai
berikut:
1. Menentukan tegangan induksi pada
jangkar Ea, dengan nilai arus medan
penguat yang telah ditetapkan,
berdasarkan kurva saturasi tanpa
beban dapat dilihat besarnya tegangan
induksi jangkar
2. Menetapkan besarnya arus beban
(dalam penulisan ini divariabelkan
mulai dari 10% sampai 100% rating
nameplate)
3. Menentukan tegangan induksi jangkar
dengan kecepatan putar nominal
berdasarkan kurva saturasi tanpa
beban
4. Menghitung
tegangan
terminal
keluaran generator sesuai dengan
beban variabel yang telah ditetapkan
Data kurva saturasi beban nol
Data untuk membuat kurva saturasi beban
nol ini terdiri dari karaktristik arus medan
penguat fungsi tegangan induksi jangkar
saat tidak dibebani (beban nol). Data ini
didapatkan dari generator dc dengan
spesifikasi 5 kW, 125 V, 1150 rad/menit
(no-load), resistansi jangkar 0,4 ohm.
P = daya nominal generator dc (Watt)
V = tegangan nominal (Volt)
IL = arus beban penuh (A)
42
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
ISSN : 1858-3709
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
290
290
290
290
290
290
290
290
3
3
3
3
3
3
3
3
5
10
15
20
25
30
35
40
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
288
286
284
282
280
278
276
274
Tabel 2. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan if = 3 A,
eao = 290 V pada kurva saturasi
beban nol, n = 1175 rpm
Gambar 4. Kurva saturasi beban nol generator
dc penguat terpisah spesifikasi
5 kW, 125 V, 1150 rad/menit
(no-load), resistansi jangkar
0,4 ohm.
Kurva saturasi tanpa beban menghasilkan
tegangan induksi jangkar generator
maksimum adalah 300 Volt dengan
kecepatan
putar
generator
1150
putaran/menit serta pemberian arus eksitasi
pada medan penguat maksimum sebesar
5A.
HASIL
Dikarenakan tegangan saturasi jangkar saat
beban nol bernilai 300 V, maka untuk
perhitungan nilai tegangan terminal
keluaran generator diambil dibawah 300 V
sesuai dengan kurva saturasi beban nol.
Tabel 1. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan if = 3 A,
eao = 290 V pada kurva saturasi
beban nol, n = 1150 rpm
n
(rpm)
Ea
(V)
IL
(A)
Ra
(Ώ)
Vt (V)
(A)
If
1150
290
3
0
0,4
290
n
(rpm)
Ea
(V)
1175
1175
1175
1175
1175
1175
1175
1175
1175
296
296
296
296
296
296
296
296
296
IL
(A)
Ra
(Ώ)
Vt (V)
(A)
If
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
296
294
292
290
288
286
284
282
280
Tabel 3. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan if = 3 A,
eao = 290 V pada kurva saturasi
beban nol, n = 1190 rpm
n
(rpm)
Ea
(V)
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
300
300
300
300
300
300
300
300
300
IL
(A)
Ra
(Ώ)
Vt (V)
(A)
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
300,1
298
296
294
292
290
288
286
284
If
Dari data tabel 1 sampai dengan tabel 3
mengenai pembebanan generator penguat
terpisah yang dihitung berdasarkan kurva
saturasi beban nol generator, maka dapat
43
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
digambarkan
karakteristik
perubahan
tegangan terminal keluaran generator fungsi
arus beban sebagai beikut ini:
ISSN : 1858-3709
1150
1150
1150
250
250
250
2
2
2
30
35
40
0,4
0,4
0,4
238
236
234
Tabel 6. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan n = 1150
rpm, eao = 290 V pada kurva
saturasi beban nol, If = 3 A
Gambar 5. Grafik pembebanan generator dc
penguat terpisah dengan variabel
kecepatan putar
Tabel 4. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan n = 1150
rpm, eao = 150 V pada kurva
saturasi beban nol, If = 1 A
n
(rpm)
Ea
(V)
(A)
IL
(A)
Ra
(Ώ)
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
150
150
150
150
150
150
150
150
150
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
If
Ea
(V)
(A)
If
IL
(A)
Ra
(Ώ)
1150
1150
1150
1150
1150
1150
250
250
250
250
250
250
2
2
2
2
2
2
0
5
10
15
20
25
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
Ea
(V)
(A)
IL
(A)
Ra
(Ώ)
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
1150
290
290
290
290
290
290
290
290
290
3
3
3
3
3
3
3
3
3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
If
Vt (V)
290
288
286
284
282
280
278
276
274
Vt (V)
150
148
146
144
142
140
138
136
134
Tabel 5. Daftar nilai tegangan terminal
keluaran generator pada nilai arus
beban variabel dengan n = 1150
rpm, eao = 250 V pada kurva
saturasi beban nol, If = 2 A
n
(rpm)
n
(rpm)
Vt (V)
250
248
246
244
242
240
Gambar 6. Grafik pembebanan generator dc
penguat terpisah dengan variabel
arus medan penguat, If
PEMBAHASAN
Dari kurva saturasi tanpa beban terlihat
bahwa tegangan induksi maksimum pada
jangkar akan jenuh pada nilai 300 Volt. Jika
dibebani maksimum sebesar 40 A, maka
besarnya tegangan terminal keluaran
generator adalah :
44
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
Data tabel 1 sampai dengan tabel 3
merupakan data perubahan tegangan
terminal keluaran generator dc penguat
terpisah untuk nilai arus medan penguat
konstan dan kecepatan putar variabel.
Sedangkan tabel 4 sampai dengan tabel 6
merupakan data perubahan tegangan
terminal keluaran generator untuk arus
penguat medan variabel dan kecepatan
putar konstan.
Parameter yang menjadi acuan untuk tabel
1 sampai dengan tabel 3 berdasarkan kurva
saturasi beban nol (gambar 4) adalah :
Arus medan penguat, if = 3 A
Tegangan induksi jangkar, ea = 290 Volt
Dengan kecepatan putar beban nol, n =
1150 rpm.
Dengan kecepatan putar dan kondisi nilai
medan penguat serta tegangan jangkar
tersebut, ketika generator dibebani 100%
dari beban nominal, maka:
ILmaks = daya nominal mesin dc/tegangan
nominal
= 5 kW / 125 V
= 40 A
Tegangan terminal keluaran generator, Vt
saat dibebani maksimum adalah:
ISSN : 1858-3709
induksi yang dibangkitkan pada jangkar
juga lebih besar. Hal ini menyebabkan
penurunan tegangan Ia.Ra lebih kecil
sehingga tegangan terminal keluaran
generator mendekati nilai tegangan induksi
jangkar. Untuk arus medan penguat lebih
kecil, tegangan induksi jangkar juga lebih
rendah. Tegangan terminal keluaran
generator dengan arus medan penguat lebih
kecil menyebabkan nilai tegangan terminal
keluaran generator juga lebih rendah
dibandingkan arus medan penguat denga
nilai lebih besar pada kecepatan putar yang
sama.
SIMPULAN
1. Metoda untuk menghitung tegangan
terminal keluaran generator dc penguat
terpisah dengan menggunakan kurva
saturasi tanpa beban dapat dievaluasi
dengan menerapkan kecepatan putar
variabel atau arus medan penguat
variabel.
2. Pada penelitian ini, data untuk kurva
saturasi beban nol (tanpa beban)
diterapkan pada kecepatan putar 1150
rpm.
3. Untuk mendapatkan nilai tegangan
terminal keluaran generator tertinggi
dapat diterapkan pada kecepatan putar
tertinggi dan atau pada arus medan
penguat terbesar.
SARAN
Data dapat dikembangkan lagi untuk
penerapan pada generator dc penguat
sendiri seri, shunt, kompon
Dengan tegangan saturasi untuk terminal
adalah 300 V (sesuai kurva saturasi beban
nol).
Pada tabel 4 sampai tabel 6, kecepatan putar
dibuat konstan dan arus medan penguat
dibuat bervariasi.
Dari gambar 6 grafik pembebanan
generator dc penguat terpisah untuk arus
medan penguat lebih besar, maka tegangan
DAFTAR PUSTAKA
A. E. FitzgeraldA., Charles Kingsley, Jr.,
Stephen D. UmansE., 2003 “Electric
Machinery-Sixth Edition” McGrawHill Higher Education, New York
45
POLI REKAYASA Volume 8, Nomor 2, April 2013
Herry
ISSN : 1858-3709
Purnomo, 2000, “Mesin-mesin
Listrik”, Diktat Kuliah Teknik
Elektro
Universitas
Brawijaya,
Malang
Lawrence J. Hollander, P.E. “Dc Motors
And
Generators”
Dean
of
Engineering
EmeritusnUnion
College
46