bab ii landasan teori
advertisement
BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini akan menguraikan dasar-dasar teori yang digunakan dalam proyek akhir mengenai simulator pengisian Akumulator dengan menggunakan Alternator Mobil 12VDC/60A, mulai dari generator sinkron, penyearah tiga fasa gelombang penuh, Alternator Regulator arus bolak-balik, Akumulator dan Alternator Mobil. 2.1. Prinsip Pembangkitan Tenaga Listrik 2.1.1. Induksi Elektro Magnet Garis gaya magnet dipotong oleh pengantar listrik yang bergerak diantara medan magnet, akan timbul gaya gerak listrik pada penghantar dan arus akan mengalir apabila penghantar tersebut merupakan bagian dari sirkuit lengkap. Seperti yang ditunjukan pada gambar 2.1. mengenai penghantar yang dihubungkan dengan galvanometer, digerakan keluar masuk secara terus-menerus kedalam celah satu buah magnet permanen yang berbentuk U. Gambar 2.1. Pengkukuran Arus Yang Kecil Dengan Galvanometer (Hengki Mahendra, Modul Sistem Pengisian, 2011) Seperti ditunjukan pada gambar 2.1. jarum galvanometer (amperemeter yang dapat mengukur arus yang sangat kecil), akan bergerak karena gaya gerak listrik yang dihasilkan pada saat pengantar digerakkan maju-mundur diantara katup utara dan katup selatan magnet. Dari aksi ini, akan didapat beberapa kesimpulan bahwa: 6 7 1) Jarum galvanometer akan bergerak jika pengahantar atau magnet digerakkan. 2) Arah gerakan jarum akan berfariasi mengikuti arah gerakan penghantar atau magnet. 3) Basar gerakan jaum akan semakin besar sebanding dengan kecepatan gerakan. 4) Jarum tidak akan bergerak jika gerakan dihentikan. Bila dengan beberapa cara, pengantar dilewatkan melalaui garis gaya magnet, maka dalam pengantar akan terbangikit gaya gerak listrik, penomena ini disebut dengan “induksi elektromagnet”. Generator menghasilkan gaya gerak dengan cara induksi elektro magnet dan mengubahnya menjadi tenaga listrik listrik (tegangan arus). 2.1.2. Arah Gerak Gaya Listrik Arah gaya gerak listrik yang dibangkitkan dalam penghantar diantara medan magnet bervariasi mengikuti perubahan arah garis gaya megnet dan gerakan penghatar. Seperti yang ditunjukan gambar 2.2. Apabila penghantar digerakkan (dengan arah seperti yang ditunjukan oleh tanda panah besar pada gambar 2.2) diantara kutup magnet utara dan selatan, maka gaya gerak listrik akan menalir dari kanan ke kiri (arah garis gaya magnet dari kutub utara ke kutub selatan). Arah gais gaya magnet dapat dipahami dengan mengunakan Hukum Tangan Kanan Fleming (Fleming’s Right-Hand Rute). Hukum Tangan Kanan Fleming dengan ibu jari, telunjuk dan jari tengah tangan kanan dibuka dengan sudut yang tepat satu sama lain, maka telunjuk akan menunjukan gais gaya magnet, ibu jari menunjukan arah gerakan penghantar dan jari tengah menunjukan arah gaya gerak listrik. 2.1.3. Besarnya Garis Gaya Magnet Besarnya gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada saat penghantar memotong (melewati) garis gaya magnet di antara medan magnet sebanding dengan banyaknya garis gaya magnet yang dipotong pada suatu satuan waktu. Untuk lebih jelasnya mengenai garis gaya magnet, dapat melihat gambar 2.3. 8 Sebagai contoh, bila banyaknya garis-garis N dipotong dalam waktu t detik dan gaya gerak listrik U volt, ini dapat dinyatakan dengan rumus berikut (simbol α berarti “sebanding dengan”): ππΌ π π‘ ............................................................................................ (2.1) Gambar 2.2. Hukum Tangan Kanan Fleming Gambar 2.3. Garis Gaya Magnet (Hengki Mahendra, Modul Sistem Pengisian, 2011) Dalam medan magnet dengan densitas yang seragam, besarnya gaya gerak listrik yang dibangkitkan tergantung pada arah gerakan penghantar meskipun kecepatan gerakan penghantar konstan. Seperti terlihat pada gambar 2.4. sebuah penghantar digerakkan dari titik A ke B ke C ke D dan kembali ke A. Bagaimanapun, ia memotong garis gaya magnet hanya pada saat bergerak dari A ke B dan dari C ke D. Dengan kata lain, meskipun penghantar bergerak dengan kecepatan yang sama di antara masing-masing titik, gaya gerak listrik akan bangkit hanya pada saat penghantar bergerak antara A dan B dan antara C dan D. 9 Gambar 2.4. Gerakan Penghantar Pada Garis Gaya Magnet Bila penghantar (conductor) digerakkan dengan jalur melingkar didalam medan magnet seperti yang ditujukan pada gambar 2.5. maka besarnya garis gaya magnet akan berubah secara konstan. Pada gambar ini, penghantar digerakkan dalam lingkaran dengan kecepatan tetap dari titik A hingga ke titik L diantara kutub magnet utara dan selatan. Dalam hal ini jumlah garis gaya magnet terbesar dipotong antara titik D dengan E dan antara titik J dengan K, tetapi tidak ada garis yang dipotong antara A dengan B atau G dengan H. Gambar 2.5. Gerakan Melingkar Garis Gaya Listrik Jadi, bila gaya gerak listrik yang dibangkitkan pada saat penghantar digerakkan dalam lingkaran dinyatakan dalam sebuah grafik, dapat dilihat bahwa keberadaan gaya ini secara tetap mengalami perubahan (bertambah dan berkurang). Selanjutnya, arah arus yang dibangkitkan oleh gaya gerak listrik ini akan berubah setiap setengan putaran penghantar, seperti yang ditujukan pada gambar 2.6. 10 Gambar 2.6. Grafik Gaya Gerak Listrik 2.1.4. Prinsip Generator Meskipun gaya gerak listrik dihasilkan bila sebuah penghantar diputar dalam medan magnet, sebenarnya besarnya gaya gerak listrik (ggl) yang dihasilkan sangat kecil. Seperti pada gambar 2.7. mengenai prinsip generator. Gambar 2.7. Prinsip Generator Apabila dua buah penghantar disambung ujung ke ujung, maka akan timbul ggl pada keduanya yang tentu saja ganda. Jadi, semakin banyak penghantar yang berputar dalam medan magnet semakin besar pada ggl yang dihasilkan. Bila penghantar terbentuk dalam satu kumparan, jumlah total ggl yang dibangkitkan akan menjadi lebih besar, demikian juga besarnya tenaga listrik (arus dan tegangan) yang dihasilkan. Generator membangkitkan tenaga listrik dengan cara memutarkan sebuah kumparan di dalam medan magnet. Untuk lebih jelasnya mengenai kumparan yang berputar didalam medan magnet, dapat dilihat pada gambar 2.8. 11 Gambar 2.8. Perputaran Kumparan Pada Medan Magnet 2.1.5. Generator Arus Bolak Balik Bila arus listrik yang dibangkitkan oleh kumparan diberikan melalui cincin gesek dan sikat (jadi kumparan dapat berputar), besarnya arus yang mengalir ke lampu akan berubah, pada saat yang sama, demikian juga arah alirannya. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9. Pada saat kumparan berputar, arus yang dihasilkan pada setengah putaran pertama akan dikeluarkan dari brush pada sisi A, mengalir melalui lampu dan kembali ke brush pada sisi B. Pada setengah putaran selanjutnya, arus akan mengalir dari B dan kembali keA. Gambar 2.9. Kumparan dengan Beban Lampu yang di Beri Cincin Gesek Dan Sikat, Bergerak Diantara Medan Magnet (Hengki Mahendra, Modul Sistem Pengisian, 2011) 12 Dalam model ini, generator arus bolak-balik memberikan arus yang dihasilkan oleh kumparan dalam medan magnet. Alternator yang digunakan pada sistem pengisian mobil menggunakan diode untuk mengarahkan arus (mengubahnya menjadi arus searah) sebelum dialirkan ke sistem pengisian. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.10. Gambar 2.10. Gravik Penyearahan Arus Oleh Dioda (Hengki Mahendra, Modul Sistem Pengisian, 2011) 2.1.6 Generator Sinkron 2.1.6.1. Prinsip Kerja Generator sinkron adalah generator arus bolak-balik dan sering disebut Alternator yang berfungsi mengubah tenaga mekanik menjadi daya listrik. Prinsip kerja mesin ini adalah berdasarkan prinsip induksi elektromagnit seperti halnya pada transformator, tetapi pada Alternator ini terdapat komponen yang bergerak. Pada mesin yang bertenaga kecil (dengan rating kurang dari 50kW) kumparan pembangkit (jangkar) terletak pada rotor dan kumparan medan pada stator. Tetapi pada mesin dengan rating dalam Megawatt (sampai 800MW atau lebih), jangkar terletak pada stator dan kumparan medan pada rotor. Pada gambar 2.11. memperlihatkan pembangkitan tegangan dengan kumparan pembangkit (jangkar) yang berputar dan pada gambar 2.12. kumparan penguat yang berputar. 13 Gambar 2.11. Pembangkitan Tegangan dengan Jangkar Berputar Gambar 2.12. Pembangkitan Tegangan dengan Kumparan Medan Berputar (Drs. R. Panjaitan, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, 2000) Apabila rotor diputar oleh suatu penggerak utama dan kumparan medan diberi sumber tegangan DC sehingga kumparan medan akan membangkitkan medan magnit. Hasil interaksi kawat-kawat jangkar dengan garis-garis gaya, maka di dalam kawat jangkar akan timbul tegangan induksi yang sinusoid (atau berbentuk grafik sinus) seperti diperlihatkan pada gambar 2.11 (b). Jika kumparan berada pada posisi start (gambar 2.11.), tegangan yang timbul adalah nol. Pada gambar 2.12. tegangan yang timbul dalam kawat jangkar akan di suplai ke jala-jala (rangkaian luar) melalui slip ring (atau cincin seret), sedang pada gambar 2.18. dapat dihubungkan langsung dengan terminal stator dan arus eksitasilah yang dilalirkan melalui slip ring. 14 2.1.6.2. Frekuensi Dan Putaran Frekuensi adalah jumlah getaran listrik setiap detik yang dinyatakan adalah satuan Herz atau Cycle (disingkat Hz atau c/s). Apabila dikatakan frekuensi f = 1 Hz, hal ini berarti rotor bergerak mengitari dua buah kutub, yaitu rotor berputar dengan jarak 3600 listrik. Oleh karena itu frefuensi tergantung pada putaran dan jumla kutub. Bila suatu mesin (Alternator) mempunyai jumlah kutub P, tegangan induksi yang timbul dalam kawat jangkar tiap perputaran menjadi P/2 periode. Jadi sebuah Alternator yang mempunyai jumlah kutub P untuk menghasilkan tegangan induksi dengan frekuensi f, harus membuat putaran perdetik atau 60 π π 2 π π 2 puratan permenit (atau rpm). Sehingga untuk putaran N berlaku hubungan: π= 60 π πΉ= π. π π 2 120 = 120 π πππ ..................................................................... (2.2) π»π§ .................................................................................. (2.3) di mana P = jumlah kutub (U + S). Rating kecepatan putaran tergantung tipe primovernya. Apabila primover dari suatu Alternator mempunyai kecepatan rendah maka Alternator tersebut membutuhkan banyak kutub sehingga tercapai besar frekuensi yang telah ditentukan. Alternator yang tipe primovernya mempunyai kecepatan tinggi maka biasanya generator tersebut mempunyai jumlah kutub 2, 4, atau 6 buah. 2.1.6.3. Konstruksi Karena Alternator digunakan untuk membangkitkan arus bolak-balik, maka Alternator tidak membutuhkan komutator sehingga hal ini memungkinkan dibuatnya kumparan pembangkit (jangkar) pada bagian yang tidak bergerak, yaitu stator. Hal ini mempunyai keuntungan yakni: (i) Memungkinkan untuk membuat isolasi kawat jangkar yang lebih kuat. Karena kumparan dan isolasi tidak dipikul oleh rotor sehingga dapat mengurangi getaran mekanis. 15 (ii) Tegangan tinggi yang dibangkitkan dalam kawat jangkar tidak lagi memerlukan slip ring untuk mensuplai ke rangkaian luar (jala-jala) tetapi dapat langsung menghubungkannya dengan terminal stator. A. Rotor Tipe konstruksi kumparan medan yang berputar atau rotor dari Alternator ada dua macam, yakni salient pole rotor (rotor kutub salient) dan cylindrical rotor (rotor sillinder). Rotor kutub salient dapat mengakibatkan rugi angin yang terlalu besar apabila putaran sangat tinggi, dan juga menimbulkan suara yang berisik. Sehingga rotor jenis ini biasanya digunakan pada Alternator yang mempunyai penggerak utama dengan kecepatan rendah dan menengah. Rotor ini mempunyai kutup yang terdiri dari lapisan-lapisan besi, dimaksudkan untuk dapat mengurangi panas akibat eddy current. Gambar 2.13. Rotor Kutub Sailent Rotor silinder biasanya digunakan pada Alternator yang tipe penggerak utamanya adalah turbin uap, yaitu turbo-Alternator yang mempunyai putaran sangat tinggi. Rotor ini berbentuk silinder dimana kelilingnya terdiri dari alur-alur sebagai tempat dari kawat-kawat kumparan medan. Rotor seperti ini didesain pada berbagai macam jumlah kutub yang disesuaikan dengan tipe penggerak mula dari Alternator tersebut. 16 Gambar 2.14. Rotor Silinder B. Stator Kumparan pembangkit (jangkar) terletak pada bagian yang tidak bergerak atau stator. Keliling bagian dalam dari stator ini dikonstruksi sedemikian rupa sehingga mempunyai alur-alur sebagi tempat dari kawat-kawat jangkar. Gambar 2.15. Jangkar Dari Alternator (Drs. R. Panjaitan, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, 2000) Alur-alur dari inti stator ini dibuat dalam berbagai macam bentuk, yaitu: terbuka, semi terbuka dan tertutup, diperlihatkan dalam gambar 2.16. berikut ini. 17 Gambar 2.16. Bentuk Alur C. Gulungan Jangkar Gulungan jangkar dalam Alternator berbeda dari gulungan jangkar dalam mesin DC. Mesin DC mempunyai rangkaian gulungan yang tertutup tetapi pada Alternator rangkaian gulungan terbuka. Untuk Alternator tiga fasa, salah satu ujung gulungan fasa dihubungkan menjadi titik netral dan ujung lainnya dihubungkan ke terminal stator. 1) Gulungan berlapis tunggal Apabila hanya satu sisi kumparan dalam setiap alur maka disebut gulungan berlapis tunggal. Gambar 2.17. Gulungan Berlapis Tunggal 18 Gambar 2.17. memperlihatkan suatu Alternator mempunyai 4 buah kutub, 12 alur; 3 alur per kutub atau 1 alur/fasa/kutub. Gulungan dalam langkah penuh. Misalnya fasa R mulai dari alur 1, kemudian 4, 7 dan berakhir pada alur 10. Permulaan fasa Y maju 120° listrik dari permulaan fasa R, yaitu mulai dari alur 3, kemudian 6, 9 dan berakhir pada alur 12. Dengan cara yang sama fasa B mulai dari alur 5, 8, 11 dan berakhir pada alur 2. Untuk mendapatkan hubungan titik bintang, ketiga ujung akhir dari belitan dihubungkan. 2) Gulungan berlapis ganda Dalam gulungan berlapis ganda, dua sisi kumparan ditempatkan dalam setiap alur stator. Dari keadaan ini dapat diketahui suatu ketentuan, yakni: (i) Jumlah alur stator sama dengan perkalian jumlah kutub dengan jumlah fasa. Dengan demikian stator berkutub 4 dari generator 3 fasa dapat mempunyai 12, 24, 36, 48 alur dan seterusnya. (ii) Jumlah alur sama dengan jumlah kumparan. Gambar 2.18. Gulungan Berlapis Ganda 19 Gambar 2.18. memperlihatkan sebuah jangkar dari suatu Alternator digulungan secara gelung mempunyai 4 kutub, 24 alur. Langkah kutub = 24/4 = 6. mendapatkan tegangan maksimum, kumparan harus dibuat langkah penuh. Untuk Hal ini berarti jika satu sisi kumparan mulai dari alur 1 maka sisi yang lainnya harus berada pada alur 7 dan ini disebut langkah kutub atau besarnya 180° listrik. Jumlah kumparan tiap fasa = 24/3 = 8, untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar, kumparan tersebut harus dihubungkan seri. Empat kumparan pertama pada alur 1, 7, 13 dan 19. Empat kumparan lagi berada pada alur 2, 8, 14 berada dan 20. Belitan ini adalah untuk fasa R. Fasa Y berbeda 120° listrik dari fasa R, yaitu mulai dari alur 5, 4 alur jaraknya dari permulaan fasa R. Cara menggulung fasa Y sama dengan fasa R. Fasa B dimulai dari alur 9, yaitu 4 alur jaraknya dari permulaan fasa Y. Secara lengkapnya untuk gulungan 3 fasa diperlihatkan dalam gambar 2.26. terminal R2, Y2 dan B2 dapat dihubungkan untuk mendapatkan titik netral dari hubungan bintang. Gambar 2.19. Gulungan Jangkar Generator 3 Fasa 3) Hubungan bintang dan segitiga Untuk hubungan bintang, R1, Y1, dan B1 ketiganya dihubungkan sehingga terdapat titik bintang. R2, Y2, dan B2 dihubungkan ke terminal. Untuk hubungan segitiga, R2 dan Y1, Y2 dan B1, B2 dan R1 saling dihubungkan, dan 20 saluran ke terminal diambik dari ketiga titik penghubungan tersebut seperti diperlihatkan dalam gambar 2.20 a dan b. Gambar 2.20. Hubungan Bintang dan Segitiga (Drs. R. Panjaitan, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, 2000) 2.1.6.4. Persamaan Ggl Yang Timbul Jika z = jumlah kawat atau sisi kumparan dalam seri/fasa = 2T, di mana T = jumlah kumparan atau lilitan /fasa (1 lilitan = 2 sisi kumparan) P = jumlah kutub f = frekuensi ggl yang timbul (Hz) Ø = fluks/kutub N = kecepatan putaran rotor (rpm) Jika rotor berputar satu kali (yaitu 60/N detik) maka setiap kawat stator terpotong oleh fluks ØP weber. Sehingga dØ = ØP dan dt = 60/N detik. Harga ggl rata-rata yang timbul per konduktor ggl rata − rata per konduktor = π∅ ππ‘ ∅π = 60 π = ∅ππ 60 π£πππ‘ .............. (2.4) Seperti telah dijelaskan bahwa π= π. π ππ‘ππ’ π = 120 120π π ............................................................... (2.5) Maka ggl rata-rata per kawat πΈπ = ∅π 60 . 120π π = 2 . π . ∅ π£πππ‘ ........................................................ (2.6) 21 Jika kawat stator terdiri dari Z kawat per fasa, maka πΈπ πππ πππ π = 2 . π . ∅ . π π£πππ‘ = 4 . π . ∅ . π π£πππ‘ Harga efektif dari ggl yang timbul adalah πΈπππ = 4 . πΎπ . π . ∅ . ππ π£πππ‘ dimana: faktor bentuk Kb = = πππππ πππ‘π −πππ‘π πππππ πππππ‘ππ 0,707 0,636 π½πππ πΈπππ = 4,44 . π . ∅ . π ............................................................ (2.7) 2.1.6.5. Penguatan Pada generator sinkron kumparan medan (rotor) diberi eksitasi (penguatan) dengan arus searah. Arus searah tersebut dapat diperoleh dari sumber arus searah atau dari arus bolak-balik yang diserahkan. Generator atau sumber listrik lain, yang memberikan eksitansi pada generator sinkron (Alternator) disebut penguatan terpisah, dan apabila arus eksitasi diambil dari Alternator itu sendiri disebut penguatan sendiri, yaitu dengan memanfaatkan sisa magnet pada kutub. Pada suatu stasiun tenaga, kadang-kadang digunakan jala-jala khusus untuk memberikan eksitasi pada generator sinkron. Tetapi yang sering digunakan adalah eksitasi tersendiri bagi tiap-tiap Alternator itu. Stasiun tenaga yang mempunyai jala-jala eksitasi biasanya diberi daya dari beberapa generator arus searah yang dihubungkan paralel, dan memberikan daya pada kumparan medan semua generator. Dalam keadaan darurat jala jala eksitasi diberi daya oleh baterai. Untuk “main exciter” (penguat utama) biasanya digunakan generator arus searah dengan penguat bebas atau dengan penguatan sendiri. Bagi generator yang berpenguatan bebas yang bekerja sebagai main exciter, eksitasinya diperoleh dari sumber arus searah lainnya. Generator atau sumber listrik lain yang memberikan eksitasi pada main exciter disebut “pilot exciter” (penguat pembantu). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam gambar 2.21, dan 2.22. 22 Gambar 2.21. Generator dengan Main Exciter Gambar 2.22. Generator dengan Main Exciter dan Pilot Exciter Arus eksitasi ini dapat menentukan sifat-sifat dari Alternator, yaitu dengan mengatur harga arus eksitasi maka faktor daya dari Alternator tersebut dapat ditentukan. Bila arus eksitasi cukup membangkitkan fluksi yang diperlukan oleh Alternator, maka Alternator tersebut disebut bekerja pada “unity-power factor” (faktor daya satu). Bila arus eksitasi kurang dari harga unity-pf maka Alternator bekerja dengan “langging-pf” (factor daya terbelakang), sedangakan jika harga arus eksitasi lebih besar dari harga unity-pf maka disebut “leading-pf” (factor daya mendahului). 2.1.6.7. Karakteristik beban Nol Dengan memutar Alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), tegangan (E0) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. πΈ0 = π π ∅ .................................................................................... (2.8) dimana: c = konstanta mesin N = putaran sinkron Ø = fluks yang dihasilkan oleh If 23 Dalam keadaan tanpa beban, arus jangkar tidak mengalir pada stator, karena tidak terdapat reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus eksitasi I f. Apabila arus eksitasi diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga E 0 yang terlihat pada kurva pemagnetan gambar 2.23. Pada celah udara, kurva seperti pemagnetan merupakan garis lurus. Gambar 2.23. Karakteristik Beban Nol ab = tambahan arus medan yang diperlukan untuk daerah jenuh Ra = tahanan stator Xa = reaktansi stator E0 = V (keadaan tanpa beban) (Drs. R. Panjaitan, Mesin Listrik Arus Bolak Balik, 2000) 2.2. Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh 2.2.1. Cara Kerja Rangkaian Berbeda dengan penyearah tiga fasa gelombang setengah, penyearah tiga fasa gelombang penuh menggunakan enam buah dioda yang dikonfigurasikan sebagai sistem jembatan seperti diperlihatkan pada gambar 2.24. dengan dioda sejjumlah itu dimana masing-masing dioda akan konduksi selama 600 listrik, dan menghsilkan tegangan riak yang lebih kecil atau faktor riak nya menurun dan berarti tegangan keluaran VDC menjadi lebih besar dari tegangan keluaran penyearah tiga fasa gelombang setengah. Tegangan keluaran ini, bentuk gelombang keluarannya diperlihatkan pada gambar 2.25. 24 Gambar 2.24. Rangkaian Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh (Wijayanto, Kartono, ELEKTRONIKA ANALOG, Politeknik Negeri Bandung, 2010) Saat t1, t2, dan t3 tegangan fasa R dan fasa T- dan fasa S lebih positif dibanding dengan fasa lainnya sehingga dioda D1, D6, dan D3 konduksi. Sedangkan saat t4, t5, dan t6, tegangan fasa R-, fasa T,dan fasa S- lebih positif terhadap fasa lainnya sehingga dioda D2, D4, dan D5 konduksi. Gambar 2.25. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Tiga Fasa Gelombang Penuh 2.2.2. Persamaan Tegangan Keluaran VDC Sesuai dengan gambar 4.4. maka tegangan VDC ditentukan sebagai berikut: π 3 ππ·πΆ 3 6 = π ππ sin ππ‘ π ππ‘ π 6 ππ·πΆ = 3ππ 2π 3 −cos ππ‘ π 3 π ππ·πΆ = 3ππ − −0,5 − 0,5 π ππ·πΆ = π ππ = 0,955 ππ ................................................................. (2.9) 25 Vm adalah tegangan puncak dari tegangan jala-jala (line to line) dan VLL merupakan tegangan jala-jala efektif, dimana Vm = VLL . √2. Jadi jika VDC dihitung terhadap tegangan jala-jala, maka didapatkan: ππ·πΆ = 0,955 2 ππΏπΏ = 1,35 ππΏπΏ .................................................................................... (2.10) Tegangan keluaran efektif dihitung sebagai berikut: π 3 6 π ππ ππ = ππ 2 π ππ2 ππ‘ π ππ‘ π 6 3ππ 2 2π ππ ππ = 3 π 2 2π π 1 − cos 2ππ‘ πππ‘ π 6 3ππ 2 sin 2ππ‘ ππ‘ − 2π 2 ππ ππ = ππ ππ = π 3 π − − 3 3 2π 3 π 3 = 0,956 ππ ................................. (2.11) 2 Faktor riak adalah: 2 ππ ππ = ππ,2 ππ2, ππ2, π ππ = 0,956 ππ ∴π= 2 π ππ = π ππ 2 + ππ·πΆ 2 2 ππ ππ − ππ·πΆ − 0,955 ππ 2 = 0,044 ππ .................. (2.12) ππ , π ππ 0,044 ππ = = 0,053 ππ‘ππ’ 5,3% 0,83 ππ ππ·πΆ Contoh soal: Dari gambar 2.26. di bawah diketahui tegangan sekunder trafo antar fasa 380 volt dan tegangan fasa dengan netral 220 volt 50 Hz. Tentukan berapa tegangan pada R apabila nilai R = 680Ω. 26 Gambar 2.26. Gambar Contoh Soal 1 Jawab: π 3 ππ·πΆ 6 = π ππ sin ππ‘ π ππ‘ π 6 ππ·πΆ = 3ππ 2π 3 −cos ππ‘ π 3 π ππ·πΆ = 3ππ − −0,5 − 0,5 π 3 ππ·πΆ = π ππ = 0,955 ππ ................................................................ (2.13) Jadi tegangan VRL = 0,955 x √2 x 380 VRL = 0,955 x 1,4142 x 380 VRL = 513,21 VDC ............................................................................... (2.14) (Wijayanto, Kartono, ELEKTRONIKA ANALOG, Politeknik Negeri Bandung, 2010) 2.3. Alternator Regulator Tipe Elektro Mekanik Output pada Alternator ditentukan oleh banyaknya gulungan stator, kekuatan medan dan banyaknya garis-garis gaya magnet per waktu (kecepatan putaran). Karena itulah, begitu putaran rotor meningkat, tegangan dan arus yang dibuat oleh Alternator juga akan naik. Oleh sebab itu, tegangan dan arus yang dibangkitkan harus diatur untuk melindungi Alternator itu sendiri. Dan yang melakukan pengaturan ini adalah Alternator regulator. Alternator regulator dapat mengatur arus yang dibangkitkan melalui pengaturan besar arus yang mengalir di field coil dengan menggunakan bermacam cara. 27 Voltage regulator tipe Elektro Mekanik terdiri dari voltage regulator dan relay lampu charging alert (voltage relay). Gambar 2.27. Alternating Current Alternator Regulator Voltage regulator fungsinya adalah untuk memastikan agar tegangan yang dihasilkan selalu tetap konstan. Jika tegangan yang dihasilkan lebih tinggi dari aturan, maka arus yang dibangkitkan akan berkurang (karena adanya resistor tambahan ke field coil secara serial untuk memutus tegangan yang dihasilkan). Dan apabila tegangannya lebih rendah dari aturan, maka beberapa resistor akan diputus dari field coil untuk menjaga tegangan yang dihasilkan. Gambar 2.28. Struktur Voltage Regulator (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa, Bandung, 2011) 28 Karena Alternator AC menggunakan dioda silikon sebagai rectifier, maka kemungkinan adanya arus terbalik tidak akan terjadi dan dioda mempunyai fungsi pembatas arus sehingga tidak perlu khawatir akan terjadi over current. Karena kenapa yang diperlukan hanya voltage regulator saja. itulah Charging alert lamp relay harus dihubungkan ke voltage regulator untuk menjalankan lampu indikator. 2.3.1. Prinsip Kerja Voltage Regulator Dalam Rangkaian Pengisian Akumulator Berikut adalah rangkaian pengisian baterai dengan menggunakan Alternator mobil dan voltage regulator tipe arus bolak-balik. Gambar 2.29. Rangkaian Pengisian Pada Baterai (Charging system – voltage regulator, Isuzu training center) Pada saat sakelar mengontak Aliran arus yang terjadi ialah: Baterai (+) → melewati sakelar → menyalakan lampu indikator → terminal L voltage regulator → titik kontak P2 voltage regulator → titik c voltage regulator → ground. Baterai (+) → terminal IG voltage regulator →titik a voltage regulator → titik kontak P1 → terminal F voltage regulator → terminal F Alternator → rotor Alternator berubah menjadi magnet → terminal E Alternator → ground. 29 Gambar 2.30. Aliran Arus Pada Saat Sakelar Mengontak Pada saat putaran rotor rendah Aliran arus yang terjadi adalah: Alternator membangkitkan tegangan → dari terminal N Alternator → terminal N voltage regulator → masuk ke voltage relay → voltage relay menjadi magnet → Plat kontak P2 tertarik oleh magnet voltage relay, sehingga plat kontak P2 terhubung dengan titik d voltage regulator → plat kontak P2 terputus dengan titik kontak c, sehingga lampu indikator mati → terminal E voltage regulator → ground. Alternator (B) → baterai (+), baterai di isi (charging) → terminal IG voltage regulator → titik a voltage regulator → plat kontak P1 → terminal F voltage regulator → terminal F Alternator → rotor menjadi magnet → ground. Gambar 2.31. Aliran Arus Pada Saat Putaran Rendah 30 Pada saat putaran rotor menengah Aliran arus yang terjadi adalah: Tegangan Alternator bertambah, terminal B Alternator → kemagnetan voltage regulator semakin kuat, voltage relai menjadi magnet → plat kontak P1 tertarik lepas dari titik kontak a, namun plat kontak P1 tidak berhubungan dengan titik b → ground. Terminal B Alternator → baterai (+) → terminal IG voltage regulator → arus tidak mengalir ke titik kontak a karena plat P1 tidak terhubung dengan titik a, sehingga arus mengalir ke resistor → terminal F voltage regulator → terminal F Alternator → rotor Alternator, kemagnetan rotor berkurang akibat aliran arus yang melewati resistor, sehingga tegangan dan arus yang masuk rotor Alternator mengecil → terminal E Alternator → ground. Gambar 2.32. Aliran Arus Pada Saat Putaran Sedang Pada saat putaran rotor tinggi Tegangan yang dibangkitkan Alternator semakin tinggi, terminal B Alternator → plat kontak P2 → titik kontak d voltage regulator → relai tegangan voltage regulator, kemagnetan relai tegangan menguat, plat kontak P1 tertarik oleh magnet relai tegangan, sehingga plat P1 terhubung dengan titik kontak b voltage regulator → ground. Terminal B Alternator → plat kontak P2 → titik kontak d voltage regulator → titik kontak b voltage regulator → relai tegangan voltage regulator → ground. 31 Gambar 2.33. Aliran Arus Pada Saat Putaran Tinggi (Charging system – voltage regulator, Isuzu training center) 2.4. Akumulator 2.4.1. Prinsip Kerja Akumulator Akumulator adalah suatu alat electrochemical yang dapat merubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi kimia kelistrikan, yang kelompokkan menjadi primary cell dan secondary cell. Primary Cell Ketika pelat tembaga dan pelat seng dicelupkan ke dalam larutan asam sulfur, maka seng itu akan melebur oleh menjadi ion seng (Zn++) yang mempunyai muatan listrik positif (+), karena itulah muatan listrik negatif (-) akan dikumpulkan dari pelat seng-nya. Kemudian Ion hidrogen (H+) akan bergerak ke pelat tembaga karena adanya daya tolak dari ion seng. Karena itulah, ion hidrogen akan memberikan muatan positif (+) ke pelat tembaga, sehingga pelat tembaga tersebut akan mempunyai muatan positif. Akibatnya, akan timbul perbedaan tegangan antara pelat seng dan pelat tembaga. Dengan menghubungkan beban misal resistor antara pelat tembaga dan pelat seng, maka aliran listrik akan mengalir dari pelat tembaga ke pelat seng melalui beban resistor tersebut. Dengan menggunakan Akumulator, energi kimia akan dirubah ke energi listrik. Untuk primary cell, setelah sekali arus ini dikeluarkan, maka arus tidak dapat diisi kembali (recharged). 32 Gambar 2.34. Prinsip Kerja Primary cell Secondary Cell Secondary cell umumnya disebut sebagai storage battery, yang dapat mengembalikan kembali fungsi Akumulator dengan cara pengisian kambali setrum yang telah dikeluarkan. Pada kendaraan secondary cell ini adalah yang paling banyak digunakan. Pada saat beban listrik dihubungkan ke terminal battery, maka akan dihasilkan tegangan melalui reaksi kimia antara pelat electrode electrolyte di dalam Akumulator. Gambar 2.35. Prinsip Kerja Lead-Acid Battery Storage battery umumnya adalah lead-acid battery yang dilarutkan oleh asam belerang yang digunakan untuk electrolyte, lead peroxide digunakan untuk pelat positif (anoda) dan purelead digunakan untuk pelat negatif (katoda). 33 2.5.2. Maksud Pemakaian Akumulator Akumulator dapat membuat energi listrik dan energi kimia melalui penggunaan material pelat electroda dan electrolyte (disebut dengan discharging). Akumulator juga dapat menyimpan energi listrik ke dalam energi kimia (disebut dengan charging). hal-hal yang diperlukan sebuah Akumulator adalah sebagai berikut: ο Ukurannya harus kecil, ringan dan tahan lama. ο Mempunyai kapasitas yang besar dan harganya cukup murah. 2.4.3. Jenis - Jenis Akumulator Akumulator yang banyak dipakai pada kendaraan adalah tipe secondary cell (storage battery atau galvanic battery) yang memungkinkan untuk dapat mengeluarkan dan mengisi kembali muatan listriknya. Akumulator Lead-Acid Jenis Akumulator ini terdiri dari lead peroxide (PbO2) sebagai pelat electrode (anoda) positif (+), discharge lead (Pb) sebagai pelat electrode (katoda) negatif (-) dan larutan asam belerang (H2SO4) sebagai electrolyte. Kelebihan dan kelemahannya adalah sebagai berikut: Kelebihan Akumulator lead-acid: ο Tingkat bahayanya lebih sedikit di bandingkan dengan jenis lainnya, karena reksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan. ο Dapat diandalkan dan harganya juga relatif murah. Kelemahan Akumulator lead-acid: ο Energinya sekitar 40Wh/kgf, lebih rendah dari yang lainnya. ο Umurnya kurang tahan lama dan memerlukan waktu pengirisan kembali yang lebih lama. Alkali Baterai (Ni-Cd Battery) Ada dua baterai alkalin yaitu Ni-Fe battery dan Ni -Cd battery. Di-nickelhydroxide [2NiO(OH)] dan iron (Fe) digunakan pada Ni-Fe battery dan di-nickel- 34 hydroxide [2NiO(OH)] dan cadmium (Cd) digunakan pada Ni-Cd battery sebagai pelat anoda (+) dan pelat katoda (-). Untuk electrolyte digunakan potassium hydroxide (KOH). Electrolyte digunakan hanya untuk menggerakkan electrons untuk reaksi kimia untuk proses charging dan discharging, sehingga bukan gravitasnya harus tidak berubah. Penutupnya terbuat dari lembar baja yang dilapisi oleh nikel atau plastik. Besarnya tegangan sekitar 1,2V per cell, dan tegangan dalam keadaan diisi adalah sekitar 1,35V per cell. Tegangannya akan turun ke 1,1V pada saat dipakai, namun akan meningkat kembali sampai ke 1,4~1,7V pada saat diisi kembali. Kelebihan dan kekurangan baterai alkalin adalah sebagai berikut: Keuntungan baterai alkalin: ο Tahan beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama. ο Mempunyai performa discharging yang baik. ο Mempunyai densitas output yang besar. ο Usianya tahan lama (10~20 tahun). ο Waktu pengisian cepat. Kelemahan baterai alkalin: ο Densitas energinya rendah, sekitar 25~35Wh/kgf. ο Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal. ο Agak sulit untuk diproduksi massal. 2.4.4. Struktur Akumulator lead-acid Komposisi dasar baterai lead-acid ada dua macam metal electrode yang mempunyai karakteristik ionisasi dan electrolyte yang berbeda. Ada perbedaan tegangan listrik antara anoda (+) dan katoda (-). Seperti tampak pada gambar 2.36. ketika beban listrik dihubungkan diantara elektroda ini, maka arus listrik sekwensial akan mengalir dari elektroda (+) yang mempunyai tegangan listrik besar ke elektroda (-) yang tegangan listriknya lebih kecil melakui reaksi kimia antara elektroda dan elektrolit. 35 Gambar 2.36. Skema Dasar Diagram Lead-Acid Battery Lead-acid battery yang digunakan pada kendaraan, anoda yang digunakan adalah lead peroxide (PbO2), discharge lead (Pb) digunakan untuk katoda dan larutan asam belerang (H2SO4) digunakan untuk elektrolit. Sebenarnya untuk memperoleh energi listrik yang besar dengan volume yang sekecil mungkin, maka area pelat elektroda yang berisi elektrolit harus bisa sebesar mungkin. Untuk mewujudkannya, pelat elektroda hendaknya adalah kumpulan pelat yang terdiri dari banyak pelat tipis yang disusun sejajar. Gabungan pelat elektroda anoda dan katoda dipasang saling berhadapan satu sama lainnya. Gambar 2.37. Struktur Penyimpanan Baterai (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011) Elektrolit Elektrolit adalah larutan asam belerang yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi melalui pencampuran alir sulingan dengan asam belerang. Elektrolit menyimpan energi ketika baterai di-charged dimana terjadi kontak 36 antara elektrolit dengan pelat elektroda, dan akan mengeluarkan energi listriknya ketika baterai dipakai. Elektrolit juga berperan sebagai arus litrik di dalam cell. Gravitasi elektrolit adalah sekitar 1.280 pada saat baterai diisi penuh dengan suhu 20 derajat celcius, dan dipakai sebabai nilai standar. Dengan gravitasi standar, konditivitas belerangnya berada pada angka tertingi. Ketika battery dipakai penuh, nilai gravitasinya adalah sekitar 1.050. Sebenarnya, elektrolit baterai mempunyai gravitasi yang lebih tinggi dari angka standarnya untuk menaikkan gaya electromotive dan menurunkan tahanan internal pada saat baterai digunakan. Proses pembuatan elektrolit ialah seperti berikut: ο Vessel harus merupakan insulator (seperti ebonite atau plastik) ketika elektrolit tercampur. ο Asam belerang tercampur ke air sulingan secara perlahan. Rasio campuran air sulingan dan asam belerang adalah (1.400) 60% dan 40%. ο Percampurannya dilakukan secara perlahan dengan cara mengaduknya dan kemudian didiamkan sejenak. ο Pengaturan gravitasi pada elektrolit untuk 1.280 adalah 200C. 2.4.5. Mengukur Berat Jenis Air Akumulator Alat ukur yang digunakan untuk mengukur berat jenis air Akumulator adalah hydrometer, berikut cara menggunakan alat hydrometer Cara Menggunakan Alat Hydrometer: 1. Pencet karet dan masukan ujung pipa pengisap kedalam air Akumulator yang akan diukur. 2. Lepaskan karet dan air Akumulator yang akan diukur masuk dalam tabung hydrometer. 3. Masukan sejumlah air Akumulator kedalam tabung hydrometer agar pelampung dapat terapung dan berat jenis air Akumulator dapat dibaca dari Salah satu warna yang terdapat pada ujung pelampung. Berat jenis air Akumulator yang baik adalah 1,25 - 1,28 pada temperatur 200C. 37 Gambar 2.38. Alat Hydrometer 2.4.6. Perbandingan Berat Jenis Air Akumulator dengan Kapasitas Akumulator Barat jenis air Akumulator menunjukan kekuatan listrik dalam Akumulator. Berat jenis air akan berubah 0,0007 setiap perbedaan temperatur 10C. Pada urnumnya berat jenis air Akumulator ditunjukan pada temperatur 200C, maka pembacaan pada hydrometer harus diperhitungkan bila pengukuran sangat dingin atau pada temperatur panas selesai pengisian. (Iihat grafik di bawah ini). Gambar 2.39. Grafik Perbandingan Berat Jenis Air dengan Kapasitas Akumulator (Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen Sains (TERMS), 1997) 38 2.4.7. Charging pada Akumulator lead-acid Dengan mengalirkan arus untuk memakai strum baterai dari sumber arus langsung external (charger atau Alternator), reaksi material pada anoda dan dilarutkan ke dalam lead sulfate dan selama proses discharge berlangsung katoda akan dirubah ke dalam lead dan sulfuric radicals. Air sulingan dilarutkan ke dalam oksigen dan hidrogen. Sulfuric radical yang dilarutkan dari lead sulfate dipertemukan dengan hidrogen untuk membuat asam belerang yang pada akhirnya berubah menjadi asam belerang. Oleh karena densitas asam belerang meningkat dan berat jenisnya juga akan ikut naik. itulah, Kemudian pelat anoda dikonversikan ke dalam lead peroxide dan pelat katoda konversikan menjadi discharge lead. Gambar 2.41. memperlihatkan kurva hubungan antara tegangan dan berat jenis elektrolit berdasarkan waktu pengisiannya (charging time). Gambar 2.40. Chemical Changes During The Charge Operation Gambar 2.41. Grafik Karakter Pengisian (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011) 39 2.4.8. Kapasitas Akumulator lead-acid Kapasitas baterai adalah kapasitas listrik, yang dapat di-discharged sampai tegangan terminalnya mencapai tegangan nominal final ketika baterai yang sudah diisi penuh dipakai secara terus-menerus dengan arus tertentu. Elemen untuk menentukan kapasitas baterai adalah ukurannya (atau area), ketebalan dan jumlah elektroda serta jumlah elektrolit. Satuan ukur untuk kapasitas baterai adalah AH (Ampere Hour rate) yang diwakili oleh persamaan sebagai berikut: π΄πππππ π»ππ’π πππ‘π π΄π» = π·ππ ππππππππ ππ’πππππ‘ π΄ × ππππ π€πππ‘π’ πππππππππ (π»).................. (2.15) Lama Waktu Pengisian Akumulator Contoh Pengisian Akumulator: Apabila mempunyai Akumulator 12VDC berkapasitas 40AH, dan pada saat di berat jenis dengan hydro meter, terukur berat jenis air adalah 1,160. Kemudian angka berat jenis tersebut di sesuikan dengan kurva tingkat kekosongan Akumulator pada gambar 2.42, setelah di sesuaikan, terhitung bahwa Akumulator memiliki tingkat kekosongan 50%. Dengan kekosongan Akumulator sebesar 50% berarti kekosongan kapasitas aki adalah 40 Ah x 50% = 20 Ah. Gambar 2.42. Grafik Perbandingan Berat Jenis Air dengan Presentase Kekosongan Arus Listrik Akumulator (Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen Sains (TERMS), 1997) 40 ππππ‘π’ ππππππ πππ (π) = πΎππππ πππππ π΄ππ’ππ’πππ‘ππ π΄π» × (1,2 − 1,5) π΄ππ’π ππππππ πππ (π΄) 20π΄π» × 1,2 − 1,5 4π΄ πΎππππ πππππ π΄ππ’ππ’πππ‘ππ (π΄π») × 1,2 ππππ‘π’ ππππππ πππ, π (π) = π΄ππ’π ππππππ πππ (π΄) ππππ‘π’ ππππππ πππ (π) = 20π΄π» × 1,2 = 6π πππ 4π΄ πΎππππ πππππ π΄ππ’ππ’πππ‘ππ (π΄π») × 1,5 ππππ‘π’ ππππππ πππ, π (π) = π΄ππ’π ππππππ πππ (π΄) ππππ‘π’ ππππππ πππ, π (π) = ππππ‘π’ ππππππ πππ, π (π) = 20π΄π» × 1,5 = 7,5π(πππ) 4π΄ Jadi waktu yang diperlukan untuk pengisian 20AH pada pengisian lambat adalah 6 H (jam) s/d 7,5 H (jam). (Sartono, PERAWATAN AKI KENDARAAN BERMOTOR, Teknologi Energi Riset Manajemen Sains (TERMS), 1997) 2.4.9. Metode-Metode Pengisian Akumulator Maintenance charge adalah proses pengisian untuk tambahan kapasitas dari pemakaian normal atau self-discharge. Kapasitas Akumulator dapat ditambah oleh Alternator ketika rotor Alternator berputar. Pada kondisi berikut, arus yang dipakai lebih besar dari arus yang diisi, sehingga diperlukan maintenance charge: ο Apabila proses pengisian tidak bisa berjalan di karenakan adanya kesalahan fungsi pada Alternator atau regulator atau kerusakan kontrol. Ada dua metode maintenance charge, yaitu normal charge yang waktu pengisiannya relatif cukup lama, dan quick charge yang waktu pengisiannya relatif singkat dengan menggunakan arus yang besar. Normal charge digolongkan menjadi constant current charge, constant voltage charge dan variable current charge berdasarkan kondisi pengisiannya. (1) Constant current charge Metode pengisian ini adalah mengisi setrum dengan arus tetap dari awal sampai akhir proses pengisian. Secara garis besar arusnya seperti berikut: ο Pengisian arus standar : 10% dari kapasaitas battery 41 ο Pengisian arus minimal : 5% dari kapasitas battery ο Pengisian arus maksimal : 20% dari kapasitas battery Dan karanteristik pengisian arus tetap adalah sebagai berikut: a. Tegangan terminal pada awal proses pengisian naik secara drastis dan setelah itu melambat turun. Selanjutnya, pada saat mendekati 2,4V, tegangannya naik lagi, dan ketika tegangannya sudah berada diantara 2,6~2,7V, maka tegangannya akan terus tetap dipertahankan. b. Berat jenis elektrolit secara perlahan akan niak karena dia tidak bergerak sampai gas dihasilkan. Pada saat gas dihasilkan, maka berat jenisnya akan naik secara tajam untuk kemudian akan tetap di angka sekitar 1.280. c. Jika tegangannya pada cell mencapai 2,3~2.4V setelah proses pengisian dimulai, maka akan banyak gas yang dihasilkan. Alasannya adalah bahwa arus yang disuplai setelah diisi penuh digunakan oleh elektolit air sulingan. Pada pelat anoda (+) oksigen dihasilkan dan hidrogen dihasilkan pada pelat katoda (-). Status penghasilan gas selama proses pengisian juga digunakan sebagai alat untuk menentukan selesainya proses pengisian. Disini gas hidrogen adalah gas yang berbahaya karena marupakan gas yang mudah meledak, sehingga hati-hati jangan sampai terkena api. d. Pada saat proses pengisian selesai, apabila berat jenis elektrolit dengan temperatur 200C adalah lebih dari 1.280, maka perlu ditambah air sulingan untuk mengatur agar berat jenisnya berada dilevel 1.280. Gambar 2.43. Karakteristik Pengisian Arus dan Tegangan Pada Constant Current Charge 42 (2) Constant voltage charge Metode ini adalah proses pengisian yang dilakukan dengan tegangan konstan dari awal sampai akhir proses pengisian. Karakteristik pengisian terlihat seperti pada gambar 2.44. pada awal proses pengisian, arus yang diberikan adalah besar. Setelah beberapa lama, arusnya akan dikurangi. Dan pada akhirnya, arus tidak bisa mengalir diakhir proses pengisian. Oleh karena itulah, tidak ada gas yang timbul, sehingga performa pengisiannya lebih baik, namun begitu, arus yang dapat mempengaruhi usia pemakaian baterai nya. besar Gambar 2.44. Karakteristik Pengisian Arus dan Tengangan Pada Constant Voltage Charge. (3) Variable current charge Metode pengisian ini adalah proses pengisian dengan arus yang variable. Dalam metode ini, efesiensi pengisiannya bagus dan temperatur elektrolit secara perlahan akan naik. Di akhir proses pengisian, arusnya akan berkurang, sehingga bisa mengurangi hilangnya arus dan bisa melindungi kerusakan akibat dari timbulnya gas. (4) Quick charge Cara ini biasanya menggunakan alat quick charger untuk mempercepat waktu proses pengisian. Quick charge tidak menimbulkan reaksi kimia. 43 Gambar 2.45. Quick Charger Ketika melakukan quick charge maka perlu diperlatikan hal sebagai berikut: a. Jika user ingin melakukan quick charge dimana baterai tidak dilepas dari kendaraan, seluruh kabel harus dipisahkan dari kutup terminal (+) dan (-). Kemudian clip pada charger dipasang dengan benar (hal ini untuk melindungi dioda Alternator). b. Arus yang diisi harus 50% dari kapasitasnya, jangan sampai lebih. c. Quick charge harus dilakukan dalam waktu yang sesingkat mungkin. d. Jika temperatur elektrolitnya lebih dari 450C, arus yang diisi harus dikurangi atau proses pengisiannya harus ditunda dan dilanjutkan apabila temperaturnya sudah lebih rendah. 2.4.10. Hal yang Harus Diperhatikan dalam Melakukan Charging Battery ο Lokasi proses pengisian baterai harus mempunyai sistem ventilasi yang baik. ο Setrum baterai yang dipakai bukan karena tidak dipakai dalam jangka waktu yang lama. Tetapi dilakukan melalui maintenance charge. ο Temperatur elektrolit tidak lebih dari 450C. ο Baterai yang akan di-charge harus jauh dari jangkauan api. ο Jangan sampai battery mengalami overcharged karena pelat anoda (+) nya akan menjadi oksida. ο Apabila baterai yang diisi pada saat yang bersamaan lebih dari dua buah, maka sistem koneksinya harus secara seri. ο Penyambungan charger dan baterai jangan sampai terbalik. 44 2.5. Alternator Mobil Alternator merupakan salah satu komponen yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik memutarkan rotor dan membangkitkan arus bolak-balik pada stator. Arus bolak-balik ini diubah menjadi arus searah oleh dioda rectifier. Alternator berfungsi menghasilkan arus searah untuk mengisi Akumulator. 2.5.1. Tujuan Dari Pemakaian Alternator tipe AC Jenis Alternator arus bolak-balik adalah 3 fasa yang memperoleh output arus searah melalui pemakaian dioda silikon rectifier. Ketahanannya bagus pada kecepatan tinggi dan performa pengisiannya agak lambat sehingga kebanyakan dipakai untuk sistem pengisian baterai kendaraan. Karakteristiknya adalah sebagai berikut: ο Ukurannya kecil dan beratnya ringan, dapat membuat tegangan output dengan kecepatan rendah. ο Tidak mempunyai kommutator pada komponen yang berputar, batas kecepatan putarnya bisa sangat tinggi. ο Karena diselaraskan dengan memakai dioda silikon, maka kapasitas listriknya besar. ο Usia brush cukup lama. 2.5.2. Struktur dan cara kerja Alternator Mobil AC Altenator Mobil AC terdiri dari stator yang merupakan komponen tetap, rotor yaitu komponen yang berputar, dan end frame yang menopang kedua ujung rotor. Stator merupakan bagian tetap dari Alternator sebagai tempat keluarnya arus dan tegangan dari Alternator. Rotor berputar di dalam stator untuk menginduksi gaya electromotive pada stator coil. 45 Gambar 2.46 Struktur Alternator Mobil AC (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011) Arus yang dihasilkan oleh stator coil disearahkan oleh rectifier (dioda silikon) yang dipasang pada end frame menjadi arus searah dan disuplai ke luar. Brush tidak untuk mendapatkan arus output namun dipakai untuk membangkitkan rotor coil melalui pemberian arus ke rotor coil dari baterai. Fungsi dioda silikon tidak hanya menyerahkan arus bolak-balik yang dibangkitkan dari stator coil namun juga untuk mencegah arus terbalik dari baterai ke Alternator. Karena itulah, tidak lagi diperlukan cut out relay seperti pada altenator mobil DC. Apabila tegangan yang dibangkitkan dari Alternator lebih tinggi dari tegangan terminal baterai, maka proses pengisian baterai secara otomatis akan dimulai. (1) Stator Stator bertindak sebagai armatur pada Alternator AC. Seperti tampak pada gambar 2.47. Tiga coil secara terpisah dililit disekitar steel core yang terdiri dari banyak layer. Tegangan 3 fasa AC akan diinduksikan ke dalam koil-koil ini. Gambar 2.47. Struktur Stator 46 Untuk mengurangi hilangnya inti (gejala dimana pusaran arus hilang yang terjadi karena banyaknya garis magnet disekeliling steel core), maka stator steel core terdiri dari susunan pelat baja silikon tipis, dan diantara pelat-pelat tersebut terdapat bebarapa celah untuk memasang stator coil. Selama bekerja, dia akan menjadi jalan bagi fluks magnet yang dihasilkan dari kutub rotor. Satu kelompok stator coil dibuat dari gulungan kawat tembaga yang ditutup dengan material insulating menjadi celah seperti tampak pada gambar Coil pitch pemasangannya pas dengan celah yang ada pada kutub (pole 2.54. pitch). Tiga kelompok koil ini disusun secara 1200 (2/3 dari pole pitch) dan dibentuk dengan sambungan 3 fasa. Untuk metode penyambungan coil-nya ada dua macam yaitu koneksi bintang (Y) dan koneksi segitiga. Gambar 2.48. Bentuk Stator Coil (2) Rotor Rotor, merupakan tempat untuk membuat fluks magnetik (garis magnet). Rotor terdiri dari rotor core, rotor coil, shaft, dan slip ring. Untuk Alternator AC kendaraan, menggunakan rotor jenis Randle yang strukturnya sederhana dan kekuatannya cukup baik sehingga banyak digunakan pada kendaraan. Seperti tampak pada gambar 2.49., jenis Randle terdiri dari 4~6 inti baja yang disisipkan pada shaft dari kedua ujung rotor coil yang berbentuk tabung. Lilitan awal dan akhir pada rotor coil dihubungkan ke dua slip rings yang dipasang pada shaft yang sudah terbungkus. 47 Gambar 2.49. Struktur Rotor Tipe Randle Cara kerja rotor adalah sebagai berikut. Pada saat arus mengalir di dalam rotor coil melalui kontak brush ke slip ring, garis-garis magnet akan terbentuk sesuai dengan arah shaft sehingga satu sisi dari inti dimagnetkan ke kutub N dan satu sisinya lagi dimagnetkan ke kutub S. karena itulah, masing-masing kutub yang saling berhadapan satu sama lainnya juga dimagnetkan, dan ke 8 sampai 12 kutub N dan S disusun secara berjejer. Bahan rotor core terbuat dari penggandaan besi karbon yang rendah. Slip-nya terbuat dari material konduksi yang baik seperti tembaga atau besi baja. (3) Brush Kedua brush disisipkan ke dalam brush holder yang terpasang pada bracket dan melakukan kontak ke slip ring melalui spring. Satu brush dihubungkan ke terminal luar yang dibungkus, dan satu brush lainnya digrounded melalui brush holder. Ketika rotor berputar, secara beruturan brush akan bergerak dan melakukan kontak ke slip ring, karena itulah brush ini terbuat dari material metal karbon yang ketahanannya cukup baik dan tahanan kontaknya rendah. (4) Rectifier Rectifier terdiri dari dioda. Seperti tampak pada gambar 2.51. enam buah dioda dipasang di bagian belakang end frame untuk menyearahkan tegangan arus bolak-balik 3 fasa yang dihasilkan dari stator coil untuk dirubah ke arus searah. Pada saat arus mengalir ke dioda, temperatur dioda akan naik, sehingga perlu di pasang heat sink (pelat pendingin). Umumnya tiga dioda sisi negatif dimasukkan ke bagian belakang end frame dan tiga dioda positif di pasang ke heat sink yang sudah dibungkus. Atau bisa juga, masing-masing ketiga positif dan 48 negatif disolder ke heat sink. Dengan kata lain, ke enam diode dipasang pada printed board yang mempunyai heat sink. Gambar 2.50. Koneksi Dioda (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011) 2.5.3. Cara Kerja Alternator AC Mobil Berdasarkan gambar 2.52, cara kerja Alternator dapat dijelaskan. Pertama, pada saat kunci kontak di putar ke posisi ON, arus sebesar 2A sampai 3A akan mengalir dari baterai ke terminal F → (+) brush → slip ring → rotor coil → slip ring → (-) brush → terminal E (ground). Oleh karena rotor coil mendapatkan arus dari baterai, maka rotor coil menjadi magnet, sehingga disekeliling rotor terdapat garis-garis magnet. Setelah terdapat garis-garis gaya magnit di sekitar rotor dan melingkupi belitan stator, maka apabila rotor tersebut di putar, di belitan stator maka akan dibangkitkan tegangan arus bolak-balik 3 fasa. Tegangan AC ini disearahkan menjadi arus DC melalui 6 dioda silikon dan dikeluarkan melalui terminal B Alternator. Ketika kecepatan putaran Alternator mencapai 1,000 rpm, tegangan dari Alternator akan lebih tinggi dari pada tegangan pada terminal baterai. Karena itulah, arus output disuplai dari terminal B ke baterai sebagai arus pengisian, dan ada pula yang disuplai ke rotor coil. Pada Alternator, arus tidak akan mengalir pada saat tegangan yang disuplai ke dioda silikon kurang dari 0.5V. 49 Output terminal tegangan N adalah setengahnya dari output terminal B. Tegangan ini digunakan untuk menjalankan voltage regulator. Gambar 2.51 Operasi Alternator AC (Daryanto, Sistem kelistrikan motor, Satu nusa. Bandung, 2011)
