GENERATOR AC (ALTERNATOR)
Hampir semua tenaga listrik yang dipergunakan saat ini bekerja pada sumber tegangan bolak balik (ac), karenanya, generator ac adalah alat yang paling penting untuk menghasilkan tenaga listrik. Generator ac, umumnya disebut alternator, bervariasi ukurannya sesuai dengan beban yang akan disuplai. Sebagai contoh, alternator pada PLTA mempunyai ukuran yang sangat besar, membangkitkan ribuan kilowatt pada tegangan yang sangat tinggi. Contoh lainnya adalah alternator di mobil, yang sangat kecil sebagai perbandingannya. Beratnya hanya beberapa kilogram dan menghasilkan daya sekitar 100 hingga 200 watt, biasanya pada tegangan 12 volt.
Bagian-bagian terpenting dari generator AC adalah :
1. Rangka stator, di buat dari besi tuang. Rangka stator merupakan rumah dari bagian-bagian generator yang lain
2. Stator, Bagian ini tersusun dari plat-plat (seperti yang di pergunakan juga pada jangkar dari mesin arus searah) stator ang mempunyai alur-alur sebagai tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator berfungsi sebagai tempat terjadinya GGL induksi
3. Rotor, merupakan bagian yang berputar. Pada rotor terdapat kutup-kutup magnet dengan lilitan nya yang di aliri arus searah, melewati cicin geser dan sikat-sikat
4. Slip ring atau cincin geser, di buat dari bahan kuningan atau tembaga yang di pasang pada poros dengan memakai bahan isolasi. Slip ring ini berputar bersama-sama dengan poros dan rotor. Jumlah slip ring ada dua buah yang masing-masing slip ring dapat menggeser sikat arang yang masing-masing merupakan sikat positif dan sikat negatif, berguna untuk mengalirkan arus penguat magnet pada lilitan magnet pada rotor.
5. Generator penguat, adalah suatu generator arus searah yang di pakai sebagai sumber arus. Biasanya yang di pakai adalah dinamo shunt. Generator arus searah ini biasanya di kopel terhadap mesin pemutarnya bersama generator utama. Akan tetapi seekarang banyak generator yang tidak menggunakan generator arus searah sebagai sumber penguat, tetapi mengambil sebagian kecil dari balitan statornya, di transformasikan dan kemudian di salurkan dengan dioda sebagai sumber penguat magnetnya.
DASAR-DASAR GENERATOR AC
Berapapun ukurannya, semua generator listrik, baik ac maupun dc, bergantung kepada prinsip induksi magnet. EMF diinduksikan dalam sebuah kumparan sebagai hasil dari
(1) kumparan yang memotong medan magnet, atau
(2) medan magnet yang memotong sebuah kumparan.
Sepanjang ada gerak relative antara sebuah konduktor dan medan magnet, tegangan akan diinduksikan dalam konduktor. Bagian generator yang mendapat induksi tegangan adalah armature. Agar gerak relative terjadi antara konduktor dan medan magnet, semua generator haruslah mempunyai dua bagian mekanis yaitu rotor dan stator.
ROTATING-ARMATURE ALTERNATOR
Alternator armature bergerak (rotating-armature alternator) mempunyai konstruksi yang sama dengan generator dc yang mana armature berputar dalam sebuah medan magnet stasioner. Pada generator dc, emf dibangkitkan dalam belitan armature dan dikonversikan dari ac ke dc dengan menggunakan komutator (sebagai penyearah). Pada alternator, tegangan ac yang dibangkitkan tidak diubah menjadi dc dan diteruskan kepada beban dengan menggunakan slip ring. Armature yang bergerak dapat dijumpai pada alternator untuk daya rendah dan umumnya tidak digunakan untuk daya listrik dalam jumlah besar.
ROTATING-FIELD ALTERNATORS
Alternator medan berputar mempunyai belitan armature yang stasioner dan sebuah belitan medan yang berputar. Keuntungan menggunakan system belitan armature stasioner adalah bahwa tegangan yang dihasilkan dapat dihubungkan langsung ke beban.
Jenis armature berputar memerlukan slip ring dan sikat untuk menghantarkan arus dari armature ke beban. Armature, sikat dan slip ring sangat sulit untuk diisolasi, dan percikan bunga api dan hubung singkat dapat terjadi pada tegangan tinggi. Karenanya, alternator tegangan tinggi biasanya menggunakan jenis medan berputar. Karena tegangan yang dikenakan pada medan berputar adalah tegangan searah yang rendah, problem yang dijumpai pada tegangan tinggi tidak terjadi.
Armature stasioner, atau stator, pada alternator jenis ini mempunyai belitan yang dipotong oleh medan putar (rotating magnetic field). Tegangan yang dibangkitkan pada armature sebagai hasil dari aksi potong ini adalah tegangan ac yang akan dikirimkan kepada beban.
Stator terdiri dari inti besi yang dilaminasi dengan belitan armature yang melekat pada inti ini.
FUNGSI-FUNGSI KOMPONEN ALTERNATOR
Secara umum generator ac medan berputar terdiri atas sebuah alternator dan sebuah generator dc kecil yang dibangun dalam satu unit. Keluaran dari alternator merupakan tegangan ac untuk menyuplai beban dan generator dc dikenal sebagai exciter untuk menyuplai arus searah bagi medan putar.
Exciter adalah sebuah generator dc eksitasi sendiri dengan belitan shunt. Medan exciter menghasilkan intensitas fluks magnetic antara kutub-kutubnya. Ketika armature exciter berotasi dalam fluks medan exciter, tegangan diinduksikan dalam belitan armature exciter. Keluaran dari komutator exciter dihubungkan melalui sikat dan slip ring ke medan alternator. Karena arusnya adalah arus searah, maka arus selalu mengalir dalam satu arah melalui medan alternator. Sehingga, medan magnet dengan polaritas tetap selalu terjadi sepanjang waktu dalam belitan medan alternator. Ketika alternator diputar, fluks magnetiknya dilalukan sepanjang belitan armature alternator. Tegangan bolak balik pada belitan armature generator ac dihubungkan ke beban melalui terminal.
PRIME MOVER (Penggerak Utama)
Semua generator, besar dan kecil, ac dan dc, membutuhkan sebuah sumber daya mekanik untuk memutar rotornya. Sumber daya mekanis ini disebut prime mover. Prime mover dibagi dalam dua kelompok yaitu untuk high-speed generator dan low-speed generator. Turbin gas dan uap pada PLTG dan PLTU adalah penggerak utama berkecepatan tinggi sementara mesin pembakaran dalam (internal combustion engine), air pada PLTA dan motor listrik dianggap sebagai prime mover berkecepatan rendah. Jenis prime mover memainkan peranan penting dalam desain alternator karena kecepatan pada mana rotor diputar menentukan karakteristik operasi dan konstruksi alternator.
ROTOR ALTERNATOR
Ada dua jenis rotor yang digunakan untuk alternator medan berputar yaitu turbine-driven dan salient-pole rotor. Jenis turbine-driven digunakan untuk kecepatan tinggi dan salient-pole untuk kecepatan rendah. Belitan pada turbine-driven rotor disusun sedemikian rupa sehingga membentuk dua atau empat kutub yang berbeda. Belitan-belitan tersebut dilekatkan erat-erat di dalam slot agar tahan terhadap gaya sentrifugal pada kecepatan tinggi.
Salient-pole rotor seringkali terdiri dari beberapa kutub yang dibelit terpisah, dibautkan pada kerangka rotor. Salient-pole rotor mempunyai diameter yang lebih besar dari turbine-driven rotor. Pada putaran per menit yang sama, salient-pole memiliki gaya sentrifugal yang lebih besar. Untuk menjaga keamanan dan keselatan sehingga belitannya tidak terlempar keluar mesin, salient-pole hanya digunakan pada aplikasi keceparan rendah.
FREKUENSI
Frekuensi keluaran dari tegangan alternator tergantung kepada kecepatan rotasi dari rotor dan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggi pula frekuensinya. Semakin lambat, semakin rendah pula frekuensinya. Semakin banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pula frekuensinya pada kecepatan tertentu.
Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga dua kutub berdekatan (utara dan selatan) telah melewati satu belitan, tegangan yang diinduksikan dalam belitan tersebut akan bervariasi hingga selesai satu siklus. Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakin banyak jumlah kutub, semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskan sebagai berikut, misalkan; sebuah generator dua kutub harus berotasi dengan kecepatan empat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutub untuk menghasilkan frekuensi yang sama dari tegangan yang dibangkitkan. Frekuensi pada semua generator ac dalam satuan hertz (Hz), yaitu banyaknya siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutub dan kecepatan rotasi sesuai dengan persamaan berikut:
dimana P adalah jumlah kutub, N adalah kecepatan rotasi dalam revolusi per menit (rpm) dan 120 adalah sebuah konstanta untuk konversi dari menit ke detik dan dari jumlah kutub ke jumlah pasangan kutub. Sebagai contoh, sebuah alternator dua kutub, 3600 rpm mempunyai frekuensi 60 Hz, ditentukan sebagai berikut:
Sebuah generator empat kutub dengan kecepatan 1800 rpm juga bekerja pada frekuensi 60 Hz.
Sebuah generator enam kutub 500 rpm mempunyai frekuensi
Sebuah generator 12 kutub dengan kecepatan 4000 rpm mempunyai frekuensi
PENGATURAN TEGANGAN
Sebagaimana yang telah kita lihat, ketika beban pada generator berubah, tegangan terminal pun ikut berubah. Besarnya perubahan tergantung pada desain generator. Pengaturan tegangan pada sebuah alternator adalah perubahan tegangan dari beban penuh ke tanpa beban, dinyatakan sebagai persentase tegangan beban penuh, ketika kecepatan dan arus medan dc tetap konstan.
Anggap bahwa tegangan tanpa beban generator adalah 250 volt dan tegangan beban penuh adalah 220 volt. Persen regulasi adalah:
Untuk diingat, bahwa semakin kecil persentase regulasi, semakin baik pula regulasinya untuk kebanyakan aplikasi.
PRINSIP PENGATURAN TEGANGAN AC
Di dalam sebuah alternator, tegangan bolak balik diinduksikan dalam belitan armature ketika medan magnet melewati belitan ini. Besarnya tegangan yang diinduksikan ini tergantung kepada tiga hal yaitu:
(1) jumlah konduktor dengan hubungan seri pada setiap belitan,
(2) kecepatan (rpm generator) pada mana medan magnet memotong belitan, dan
(3) kekuatan medan magnet. Salah satu dari factor ini dapat digunakan untuk pengaturan tegangan yang diinduksikan dalam belitan alternator.
Jumlah belitan, tentu saja tidak berubah tetap ketika alternator diproduksi. Juga, jika frekuensi keluaran harus konstan, maka kecepatan medan putar haruslah konstan pula. Ini mengakibatkan penggunaan rpm alternator untuk pengaturan tegangan keluaran menjadi tidak diperbolehkan.
Sehingga, metode praktis untuk melakukan pengaturan tegangan adalah dengan mengatur kekuatan medan putar. Kekuatan medan elektromagnetik ini dapat berubah seiring dengan perubahan besarnya arus yang mengalir melalui kumparan medan. Ini dapat dicapai dengan mengubah-ubah besarnya tegangan yang dikenakan pada kumparan medan.
OPERASI PARALEL ALTERNATOR
Alternator dapat dihubungkan secara parallel untuk :
(1) meningkatkan kapasitas keluaran dari suatu system melebihi apa yang didapat dari satu unit,
(2) berfungsi sebagai daya cadangan tambahan untuk permintaan yang suatu ketika bertambah, atau
(3) untuk pemadaman satu mesin dan penyalaan mesin standby tanpa adanya pemutusan aliran daya.
Ketika alternator-alternator yang sedang beroperasi pada frekuensi dan tegangan terminal yang berbeda, kerusakan parah dapat terjadi jika alternator-alternator tersebut secara mendadak dihubungkan satu sama lain pada satu bus yang sama (satu titik hubung). Untuk menghindari ini, mesin-mesin tersebut harus disinkronkan dahulu sebelum disambungkan bersama-sama. Ini dapat dicapai dengan menghubungkan satu generator ke bus (bus generator), dan mensinkronkan generator lainnya sebelum keduanya disambungkan. Generator dikatakan sinkron jika memenuhi kondisi berikut:
(1) Tegangan terminal yang sama. Diperoleh dengan menyetel kekuatan medan bagi generator yang hendak masuk ke dalam rangkaian (disambungkan).
(2) Frekuensi yang sama. Diperoleh dengan menyetel kecepatan prime mover dari generator yang hendak disambungkan.
(3) Urutan fasa tegangan yang sama.
