Generator, Motor dan Transformator

Generator, Motor dan
Transformator
Dasar Teknik Elektro
Pertemuan 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 bagianbagian 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 AC
Berdasarkan 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 fasa
Generator 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 = frekuensi
n = kecepatan rotor per menit
p = 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
V N
dΦ
dt
• 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
dΦ
dsin  d
 BA

cos   cos 
dt
dt
dt
• Thus for the arrangement shown below
V N
dΦ
dsin 
 NBA
 NBA cos
dt
dt
V N
dΦ
dt
• Therefore this arrangement produces a
sinusoidal output as shown below
• Wires connected to
the rotating coil
would get twisted
• Therefore we use
circular slip rings
with sliding
contacts called
brushes
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 form
a 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 text
A 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 DC
Berdasarkan 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 fasa
Generator 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
approximately
uniform field in the
narrow air gap
– the arrangement
of coils and core
is known as the
armature
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 forms
produce slightly
different
characteristics
– diagram here
shows a
shunt-wound
generator
• 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
23.7
• 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 singlephase versions of each are also widely used –
particularly in a domestic setting
• 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 serieswound 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, kumparankumparan 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
PENDINGIN
TAP CHANGER
ALAT PERNAPASAN
PENGAMAN
PENDINGIN
Pada 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.
PENDINGIN
MEDIA
No
MACAM
PENDINGIN*
SISTEM
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 (onload) 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.
PENGAMAN
Rele 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
% Over load
factor
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
0
Suhu tertinggi terhadap isolasi transformator
yang diijinkan oleh VDE 0532
Kelas Isolasi
Bagian Minyak
LIilitan °C
A
A
E
B
F
H
60
76
75
85
110
135
PRINSIP KERJA TANSFORMATOR
• Keadaaan Transformator Tanpa beban
F
I0
N1
N2
E1
E2
F
I0
Transformator tanpa beban
V1
E1
Vektor 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 berubahubah memotong suatu kumparan maka pada
kumparan tersebut akan di induksikan suatu
tegangan listrik :
e1   N 1
e1   N1
Harga efektifnya E1 
df
dt
d (fmaks sin wt )
  N1fmaks cos wt
dt
N1 2ff maks
2
 4,44 N1 ff maks
(tertinggal 90o dari f)
Keadaan Tanpa Beban
• Pada rangkaian sekunder, fluks (f) bersama tadi
menimbulkan
e2   N 2
df
dt
e2   N 2 wfm cos wt
E2  4,44 N 2 ffmaks
Dengan mengabaikan rugi tahanan dan adanya fluks bocor,
E1 V1 N1


a
E2 V2 N 2
a = perbandingan transformasi
Dalam hai ini tegangan E1 mempunyai kebesaran yang sama tetapi
berlawanan arah dengan tegangan sumber V1.
E1 N1

E2 N 2
Keadaan Tanpa Beban
Arus 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
F
I0
V1
I0
IM
IC
Vektor hubungan fasor Io, IM dan IC
V1
RC
IC
IM
E1
Rangkain pengganti Io, IM dan IC
XM
Keadaaan Transformator Berbeban
F1
F2
I1
I2
N1
V1
E1
N2
E2
ZL
V2
• Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan
beban ZL, I2 mengalir pada kumparan sekunder, di
mana I2 = V2/ZL .
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 :
I1  I o  I '2
I o  I1  I '2
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 = N1(IM + I’2) – N2I2
Sehingga
N1I’2 = N2I2
• Karena nilai IM dianggap kecil maka I’2 = I1
N1I1 = N2I2 atau I1/I2 = N2/N1