BAB II DASAR TEORI 2.1 Energi Listrik Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Salah satu bentuk energi adalah energi listrik. Energi listrik adalah energi yang berkaitan dengan akumulasi arus elektron, dinyatakan dalam Watt-jam. Energi ini dibutuhkan bagi peralatan listrik/energi yang tersimpan dalam arus listrik untuk menggerakan motor, lampu penerangan, pendingin, pemanas, ataupun menggerakan peralatan mekanik lain utuk menghasilkan bentuk energi lain. Konversi energi adalah cara untuk merubah energi dari satu sistem ke sistem yang lain. Misalnya energi listrik diubah menjadi energi mekanik, energi mekanik diubah menjadi energi listrik, energi elektromagnetik diubah menjadi energi mekanik dan lain sebagainya. Energi primer Penggerak mula Generator Energi listrik Gambar 2.1 Skema konversi energi listrik Pada umumnya proses konversi energi listrik dapat ditunjukkan oleh gambar 2.1. Skema pembangkitan listrik dimulai dengan adanya energi primer. Energi primer di bumi ini sangat banyak, diantaranya adalah energi matahari atau panas matahari, energi angin, energi air dan lain-lain. Energi primer tersebut dikonversikan menjadi energi mekanik oleh penggerak mula. Pada umumnya jenis-jenis penggerak mula yang sering digunakan pada saat ini adalah turbin angin, turbin air, turbin gas, mesin diesel atau motor bensin, dan lain-lain. Energi mekanik tersebut menggerakan atau memutarkan generator sehingga generator dapat membangkitkan energi listrik. 2.2 Generator AC Generator adalah suatu mesin konversi yang berfungsi untuk mengkonversikan energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik yang digunakan oleh generator adalah energi yang berasal dari putaran poros (daya poros). Daya poros tersebut dapat 1
diperoleh dari prime mover atau mesin penggerak awal seperti, motor bakar, turbin, dan lain-lain. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga seabagai alternator, generator AC (alternating current), atau generator sinkron, dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator atau frekuensi tegangan yang dibangkitkan, sinkron dengan kecepatan putar rotornya (frekuensi berbanding lurus terhadap putaran). 2.2.1 Konstruksi Generator AC Konstruksi generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama yaitu stator, yakni bagian generator dimana terdapat kumparan tempat untuk menerima induksi magnet dan membangkitkan tegangan AC, dan rotor yakni bagian yang berputar dari generator sinkron, dimana terdapat kutub-kutub magnet. Konstruksi dari generator AC ini dapat dilihat pada gambar 2.2. Gambar 2.2 Konstruksi generator arus bolak-balik 2.2.1.1 Rotor Rotor merupakan bagian yang berputar pada generator. Kumparan medan diletakkan pada rotor. Kumparan medan ini disuplai tegangan dc agar dapat membangkitkan medan magnet. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Jumlah kutub pada rotor harus sama dengan jumlah kutub pada stator. Terdapat dua macam tipe rotor magnet dari alternator (generator arus bolak-balik) yaitu: 1. Kutub menonjol (salient pole) biasanya digunakan alternator kecepatan rendah seperti pada gambar 2.3.a. 2
2. Kutub silinder (non salient pole) atau kutub tidak menonjol, biasanya digunakan pada alternator kecepatan tinggi seperti pada gambar 2.3.b. (a) (b) Gambar 2.3 Rotor dengan 4 kutub magnet Pada rotor kutub magnet menonjol keluar sering disebut dengan kutub sepatu. Lebar permukaan rotor kutub sepatu biasanya hanya mencakup 2/3 bagian dari lebar permukaan kutub stator. Kumparan pada setiap kutub dihubungkan secara seri. Untuk generator dengan putaran lambat dan berkutub banyak, digunakan rotor kutub sepatu karena diameternya yang besar sehingga bisa dibuat lebih banyak kutub. Pada generator dengan putaran tinggi, rotor kutub sepatu tidak cocok digunakan karena tidak cukup kuat untuk menahan stres mekanik yang terjadi pada kecepatan yang tinggi, pada kecepatan tinggi, akan terjadi gesekan angin yang berlebihan sehingga menghasilkan kebisingan. Jadi, rotor kutub sepatu hanya dijumpai pada putaran rendah. Selain itu, distribusi fluks magnet pada rotor kutub sepatu cenderung berbentuk persegi dan belum mendekati sinusoidal sehingga menimbulkan harmonisa. Rotor silinder terbuat dari baja tempa padat yang mempunyai slot dan gigi di sepanjang pinggiran luarnya seperti halnya stator. Tidak seperti rotor kutub sepatu, kutub magnet pada rotor silinder tidak menonjol. Seperti halnya stator, kumparan medan pada rotor silinder diletakkan di dalam slot ini. Di sekitar daerah pusat kutub umumnya tidak mempunyai slot. Rotor silinder biasanya digunakan pada generator putaran tinggi. Rotor silinder lebih panjang daripada rotor kutub sepatu. Diameter rotor silinder tidak sebesar rotor kutub sepatu untuk mengurangi gaya sentrifugal yang muncul pada kecepatan putar yang tinggi. Rotor ini memiliki kekuatan mekanis yang tinggi dan tidak menghasilkan gesekan angin yang berlebihan sehingga sangat cocok untuk 3
bekerja pada kecepatan tinggi. Selain itu, distribusi fluks magnet yang dihasilkan lebih mendekati sinusoidal sehingga akan menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang lebih baik. 2.2.1.2 Stator Stator merupakan bagian yang diam yang terdiri dari bagian luar (rangka stator) dan bagian dalam. Rangka stator terbuat dari besi tuang dan merupakan rumah dari semua bagian generator. Bagian dalam stator dibuat dari kumpulan laminasi lembaran baja (dengan permeabilitas yang tinggi) dan mempunyai banyak slot yang mengelilingi pinggiran dalamnya. Jumlah slot tergantung pada ukuran mesin, jumlah kutub, dan jumlah kumparan per kutub per fasa. Bagian dalam stator dirancang berbentuk lembaran untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar (eddy current). Kumpulan laminasi ini disatukan untuk membentuk bagian yang padu melalui baut dan disatukan dengan rangka stator melalui pengelasan ataupun dengan ikatan yang kuat (pada beberapa mesin berukuran kecil). Gambar 2.4 Bangunan stator lengkap belitan jangkar 2.2.2 Prinsip Kerja Generator AC Secara umum prinsip kerja generator AC adalah kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi tertentu yang akan mensuplai arus searah terhadap kumparan medan. Dengan adanya arus searah yang mengalir melalui kumparan medan maka akan menimbulkan fluks yang besarnya terhadap waktu adalah tetap. Penggerak mula yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar. Perputaran rotor tersebut akan memutarkan medan magnet yang dihasilkan kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor, di induksikan pada kumparan jangkar pada stator dan dihasilkan fluks magnet yang berubah-ubah besarnya terhadap waktu. 4
2.2.2.1 Hukum Faraday Prinsip kerja generator AC dalam mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik adalah berdasarkan hukum Faraday. Hasil penelitian Faraday menunjukkan bahwa jika fluksi magnet menembus suatu rangkaian tertutup dan berubah terhadap waktu, maka akan timbul suatu tegangan induksi yang sebanding dengan perubahan fluksi terhadap waktu di dalam rangkaian tersebut. Pernyataan tersebut dapat ditulis dalam persamaan 2.1 dibawah ini : dimana: e = tegangan induksi (volt) = fluksi magnet (weber) = waktu (s) N= jumlah lilitan Berdasarkan persamaan 2.1 dapat dikatakan bahwa tegangan induksi yang dibangkitkan pada kumparan konduktor sebanding dengan besarnya perubahan fluksi magnet yang berubah terhadap waktu. Maka tegangan induksi yang dibangkitkan oleh alternator dapat diperbesar dengan cara: 1. Memperbanyak lilitan kumparan, 2. Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat. 3. Mempercepat perputaran kumparan 4. Menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan. 2.2.2.2 Frekuensi dan Putaran Frekuensi adalah jumlah putaran perdetik yang dinyatakan dalam hertz (Hz). Satu periode tegangan dibangkitkan pada konduktor jangkar bilamana rotor berputar satu kali sebesar 360 derajat listrik sehingga frekuensi tergantung pada jumlah kutub dan kecepatan. Hubungan antara putara dan frekuensi tersebut ditunjukkan pada persamaan 2.2 dibawah ini: dimana: n = putaran (rpm) 5
= frekuensi (Hz) p = jumlah kutub Untuk membangkitkan tegangan sinusoidal dengan frekuensi tertentu pada generator, maka rotor harus diputar pada kecepatan yang sesuai dengan frekuensi. Rotor dikatakan berputar pada kecepatan sinkron jika kecepatannya sesuai dengan n r/min dalam persamaan 2.2. 2.2.2.3 Hubungan Antara Tegangan dengan Kemagnetan Gambar 2.5 Generator AC sederhana Generator AC tiga fasa, harus ada tiga belitan yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a a, b b dan c c pada gambar 2.5 Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang fluksi sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang besarnya fluksi sesaat: Besarnya tegangan induksi yang timbul pada kumparan konduktor sebanding dengan besarnya perubahan fluks magnet yang berubah terhadap waktu, kemudian banyaknya garis-garis gaya magnet yang memiliki kerapatan fluks magnet sebesar B menembus suatu permukaan dengan luas A, persamaan dapat dituliskan dalam bentuk: Hukum Faraday pada persamaan 2.1 tegangan yang timbul pada kumparan stator secara umum dapat diturunkan sebagai berikut: 6
dimana dan Untuk pemakaian umum, biasanya digunakan tegangan induksi efektif dengan persamaan: dimana: = tegangan induksi maksimum (Volt) ; =tegangan induksi efektif (Volt) N = jumlah lilitan ; e = tegnanan induksi dalam keadaan transient (Volt) C = Konstanta ; = frekuensi (hz) n = putaran rotor (rpm) = fluks magnetik maskimum (Weber) 2.3 Rangkaian Kemagnetan Gejala magnet memainkan bagian yang melengkapi hampir setiap piranti listrik yang digunakan pada saat ini di setiap industri, untuk penelitian, dan di rumah. Generator, motor, transformator, pemutus rangkaian, televisi, komputer, tape recorder, dan telepon semuanya menggunakan pengaruh magnetik untuk melakukan bermacam-macam tugas penting. Ada kemiripan antara analisis rangkaian listrik dengan rangkaian magnet. Untuk praktisnya sistem satuan SI digunakan untuk menganalisis hal tersebut. Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnetmagnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada ujung logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara dan selatan. Kutub magnet 7
adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya. 2.3.1 Jenis-jenis Magnet Berdasarkan sifat kemagnetannya magnet dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu magnet permanen dan magnet remanen. Magnet permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnet yang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut magnet alam karena memiliki sifat kemagnetan yang tetap. Secara umum magnet permanen terbagi atas 5 jenis, yaitu: a. Magnet neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah jarang, terbuat dari campuran logam neodymium, b. Magnet Samarium-Cobalt: salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan kobalt. c. Ceramic Magnets d. Plastic Magnets e. Alnico Magnets Magnet remanen adalah suatu bahan yang hanya dapat menghasilkan medan magnet yang bersifat sementara. Medan magnet remanen dihasilkan dengan cara mengalirkan arus listrik atau digosok-gosokkan dengan magnet alam. Bila suatu bahan pengantar dialiri arus listrik, besarnya medan magnet yang dihasilkan tergantung pada besar arus listrik yang dialirkan. Medan magnet remanen yang digunakan dalam praktek kebanyakan dihasilkan oleh arus dalam kumparan yang berinti besi. Agar medan magnet yang dihasilkan cukup kuat, kumparan diisi dengan besi atau bahan sejenis besi dan sistem ini dinamakan elektromagnet. Keuntungan elektromagnet adalah bahwa kemagnetannya dapat dibuat sangat kuat, tergantung dengan arus yang dialirkan, dan kemagnetannya dapat dihilangkan dengan memutuskan arus listriknya. Neodymium magnet merupakan jenis magnet yang akan digunakan dalam pembuatan generator AC ini. Magnet ini adalah generasi ketiga magnet bumi yang langka dan telah tersedia secara komersial. Magnet ini sangat mahal harganya, oleh karena itu penulis menggunakan magnet neodymium bekas hardisk karena keterbatasan biaya dalam 8
pembuatan generator. Gambar 2.6 merupakan gambaran dari bentuk neodymium bekas hardisk. Gambar 2.6 Magnet neodymium bekas hardisk Magnet ini adalah yang paling kuat dan langka, neodymium iron boron memiliki ketahanan yang baik untuk bidang demagnetization eksternal karena paksaan intrinsik tinggi Force (HCI). Resistensi ini membuat magnet Neodymium pilihan yang sangat baik untuk aplikasi elektromekanis. Magnet NdFeB lebih rentan terhadap oksidasi dibandingkan paduan magnet lainnya, jadi untuk sebagian besar aplikasi, pelapis atau plating magnet ini sangat dianjurkan. Dalam membuat sebuah alternator fluks aksial, akan lebih efektif menggunakan magnet neodymium. Magnet ini mempunyai karakteristik seperti pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Karakteristik neodymium magnet 2.3.2 Medan Magnet Sumber http://www.duramag.com/neodymium-technical-info.html Dalam daerah di sekeliling magnet memiliki suatu medan magnet, yang dapat dinyatakan dengan garis fluks magnet yang mirip dengan garis fluks listrik, akan tetapi tidak memiliki titik awal dan titik akhir seperti garis fluks listrik tapi berupa lintasan yang terus 9
menerus. Simbol untuk fluks magnet adalah phi. Garis fluks magnet memancar dari kutub utara menuju ke selatan, kembali ke kutub utara melalui batang metal seperti gambar 2.7. Jaraknya sama antara garis fluks dalam inti dan penyebaran yang simetris di luar bahan magnetik. Ada sifat tambahan garis fluks magnet dalam bahan homogen (bahan yang memiliki struktur yang seragam). Hal ini penting untuk memahami bahwa garis fluks magnet akan mencoba untuk menempati ruang yang sekecil mungkin. Gambar 2.7 Arah fluks magnet 2.3.3 Permeabilitas Permeabilitas suatu bahan adalah ukuran mudahnya garis fluks dapat ditetapkan dalam suatu bahan. Hal ini mirip dengan sifat hantaran dalam rangkaian listrik. Permeabilitas ruang hampa adalah: weber/ampere-meter Atau μ 0 = 1,257.10-6 Vdet/A.m Dalam praktek, permeabilitas semua bahan magnet, seperti tembaga, alumunium, kayu, kaca, dan udara, adalah sama dengan permeabilitas ruang hampa. Bahan yang memiliki permeabilitas sedikit lebih kecil dari permeabilitas ruang hampa disebut diamagnetik dan bahan yang memiliki permeabilitas sedikit lebih besar dari ruang hampa disebut paramagnetik. Bahan magnet seperti besi, nikel, baja, cobalt, dan campuran dari bahan tersebut memiliki permeabilitas ratusan sampai ribuan kali permeabilitas ruang hampa disebut dengan ferromagnetik. Elektron di dalam bahan feromagnetik juga bergerak mengelilingi intinya. Elektron berputar pada porosnya dan menarik medan magnet, sehingga atom-atom feromagnetik yang tersebar akan tertarik menuju inti. Dalam lilitan tanpa inti besi, kerapatan fluksi magnetis B sebanding dengan arus I dan kuat medan H. Perbandingan antara kerapatan fluksi B dan kuat medan magnet H mempunyai nilai konstan oleh karena itu disebut sebagai konstanta medan magnet μ 0. 10
2.3.4 Reluktansi Reluktansi merupakan derajat hambatan magnetik dari suatu rangkaian magnetik terhadap fluks magnet ditentukan oleh persamaan 2.6: Dimana: = relukansi(at/wb) l = panjang lintasan magnet A = Luas potongan melintang Reluktansi berbanding terbalik dengan permeabilitas. Semakin besar harga maka akan semakin kecil harga reluktansi. Bahan seperti ferromagnetik, memiliki reluktansi yang kecil. Tidak ada satuan yang secara luas diterima untuk reluktansi, meskipun biasanya digunakan satuan rel dan At/Wb. Gambar 2.8 merupakan contoh rangkaian magnet untuk mencari reluktansi magnet. Fluksi Magnetis RmFE RmU Panjangg garis sumbu medan magnetis Gambar 2.8 Contoh rangkaian magnetis Karena garis medan ada yang melewati inti besi dan ada yang melewati udara (lihat gambar 2.7) maka resistansi atau hambatan magnetisnya juga ada dua, yaitu reluktansi inti besi dan reluktansi udara, dan dapat ditulus dengan persamaan 2.7. dimana: = Reluktansi magnet = Relutansi besi = Reluktansi udara 2.3.5 Hukum Ohm Untuk Rangkaian Magnet 11
Gambar 2.9 (a) Rangkaian magnet setara dan (b) analogi rangkaian listrik Rangkaian magnet dapat diwakili oleh sistem yang diperlihatkan pada gambar 2.9.a. Analogi rangkaian listrik diperlihatkan pada gambar 2.9.b. Analogi jenis ini dapat berguna untuk menyelesaikan rangkaian magnet. Hukum Ohm bagi rangkaian magnet dapat ditulis oleh persamaan 2.8: Untuk rangkaian magnet, pengaruh yag dinginkan adalah fluks, penyebab berupa gaya gerak magnet (magnetikmotive, mmf), yang berupa gaya luar (atau tekanan ) yang diperlukan untuk menetapkan garis fluks magnet dalam bahan magnet. Perlawanan terhadap penetapan fluks adalah reluktansi. Gaya gerak magnet sebanding dengan perkalian jumlah belitan yang mengitari inti dan arus yang melalui kawat belitan dalam bentuk persamaan 2.9 dengan satuan belit-amper, At: Persamaan tersebut mengungkap bahwa peningkatan jumlah belitan atau arus yang melalui kawat akan menghasilkan peningkatan tekanan pada suatu sistem untuk membuat garis fluks melalui inti. Fluks magnet dibuat dalam inti melaui perubahan struktur atom inti karena adanya tekanan luar yang bukan ukuran aliran partikel muatan yang melalui inti. 2.3.6 Gaya Magnetisasi Gaya gerak listrik per satuan panjang disebut dengan gaya magnetisasi H. dalam bentuk persamaan 2.10 dengan satuan At/m: Ketika gaya megnetisasi bertambah, maka permeabilitas naik sampai harga maksimum dan kemudian turun ke harga minimum seperti pada gambar 3 pada lampiran gambar. Semakin besar permeabilitas, akan semakin besar rapat fluks yang dihasilkan. 12