Pembangkitan Tegangan Tinggi DC

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC

Tugas Mata Kuliah TeknikTegangan Tinggi

Nama     : Andika Pradnya Satriawan

NIM      : 1614122045

Pembangkit Tegangan Tinggi DC

      Pembangkit tegangan tinggi DC umumnya banyak digunakan dalam fisika terapan seperti instrumen dalam bidang nuklir (akselerator, mikroskop elektron), peralatan elektromedik (x-ray), peralatan industri (presipitat dan penyaringan gas buang di pembangkit listrik, industri semen, pengecatan elektrostatik dan pelapisan serbuk) atau eletronika komunikasi (televisi). Kebutuhan bentuk tegangan, tingkat tegangan dan besar arus serta kestabilan dari pembangkit tegangan tinggi tersebut akan berbeda satu aplikasi dengan lainnya.

Tegangan tinggi DC banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti kabel dan kapasitor. Pemanfaatan tegangan tinggi DC banyak dijumpai pada instalasi elektrostatik (penyaring gas buang, peralatan pengecatan), peralatan kedokteran (alat rontgen) dan pada fisika inti (pemercepat muatan). Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak-balik melalui dioda Selenium, Germanium dan Silizium. Dioda Selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang rendah dan kapasitas penyaluran arus yang rendah. 

Tegangan tinggi searah banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti pada kabel atau kondensator.Pemanfaatan tegangan tinggi searah dapat dijumpai pada instalasi elektrostatik, pada peralatan kedokteran dan pada fisika inti.

Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak balik melalui dioda, kemudian dapat dilipat gandakan tingginya. Sedangkan generator elektrostatis sangan jarang digunakan. sebagai dioda penyearah biasa digunakan bahan selenium, germanium dan silizium. Dioda selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang redah dan kapaita penyaluran arus yang rendah. Akan tetapi dioda sedemikian ini dapat menahan tegangan bolak balik sampai 600 kV tanpa kondensator pengarah tegangan, karena kapasitansi lapisan dioda yang tinggi. Ada beberapa macam rangakaian pelipat ganda tegangan antara lain Vilard, Greincher, Kaskade Greincher. 

Pengukuran tegangan dengan pemakaian pembagi tegangan

Untuk mengukur tegangan arus searah yang tinggi dibutuhkan pembagi tegangan. Alat ini dipakai untuk menurunkan tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang rendah sehinga dapat disambungkan ke meter atau CRO. Nilai tegangan ini cukup besar sehingga tidak akan membahayakan alat ukur itu sendiri atau pemakai. Berdasarkan elemen-elemen yang dipakai, pembagi tegangan ini dapat dibedakan menjadi :

1) Pembagi tegangan resistif, berisi elemen tahanan.

2) Pembagi tegangan kapasitif, berisi elemen kapasitor.

3) Pembagi tahanan campuran antara resistor dan kapasitor.

 Pengukuran tegangan dengan pemakaian pembagi tegangan

Arus yang digunakan untuk pengukuran ini harus sangat kecil yaitu berkisar 1 mA, dikarenakan batas pembebanan pada sumber tegangan serta pemanasan pada resistor ukur. Akan tetapi arus yang kecil mudah terganggu oleh arus galat berupa arus-arus bocor dalam bahan isolasi dan permukaan isolasi serta berupa peluahan korona. Konstruksi resistor tegangan tinggi dibentuk dengan menhubungkan elemen-elemen resistor secara seri. 

     Pembangkit tegangan tinggi DC sangat diperlukan pada riset dibidang fisika terapan dan tes instalasi kabel pada aplikasi industri. Unit pembangkit muatan impulse juga memerlukan tegangan tinggi DC sekitar 5 sampai 200 kV. Normalnya tegangan pembangkit sampai 100 kV, penyearah elektronik digunakan dan arus output kira-kira 100 mA. Penyearah membutuhkan konstruksi khusus untuk katoda dan filament selama medan listrik tinggi dari beberapa kV/cm terjadi diantara anoda dan katoda pada periode non-conduction.

    Selain aplikasi diatas, tegangan tinggi DC juga bisa digunakan untuk tujuan lain seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Tegangan tinggi DC boleh dibangkitkan dengan menggunakan rangkaian multipliers, multipliers transformer bertingkat, electrostatic generator ( Vande Graaff Generator ) dan kumparan induksi 

Prinsip Tegangan Doubler

      Gambar 2.1 menampilkan skema setengah gelombang tegangan doubler . Pada kenyataannya, doubler yang ditampilkan terbuat dari dua setengah gelombang penyearah tegangan, dimana C1, D1 membuat satu setengah gelombang penyearah dan C2, D2 membuat penyearah yang lainnya.

Gambar 1. Diagram koneksi setengah gelombang tegangan doubler

     Skema dari penyerah setengah gelombang ditunjukkan oleh garis arah panah pada Gambar 2 Sedangkan garis putus-putus mempresentasikan penyearah setengah gelombang yang lain. Catatan bahwa C1dan D1 bekerja seperti penyearah setengah gelombang. Selama siklus positif dari input pada Gambar 2, polaritas yang melalui lilitan sekunder dari transformer ditampilkan. Catatan bahwa puncak dari sekunder adalah negatif. Pada saat itu D1 dibias maju (katoda negatif sama dengan anoda)

Gambar 2 Tegangan doubler pada siklus positif

     Bias maju menyebabkan D1 berfungsi seperti sakelar tertutup, contohnya rangkaian hubung singkat dan mengijinkan arus mengikuti jalur yang ditunjukkan dengan arah panah. Pada saat itu, C1diisi sampai puncak dari tegangan input sebesar 220 volt, dengan polaritas yang ditunjukkan sebagai arah tegangan. Itu artinya bahwa arah tegangan negatif menjadi arah positif. 

     Selama periode ini, ketika siklus masukan adalah negatif, seperti ditampilkan pada Gambar 3, polaritas yang melalui transformer sekunder adalah terbalik. Catatan bahwa puncak dari lilitan sekunder sekarang menjadi positif.

Gambar 3 Tegangan doubler pada siklus negatif

     Pada kondisi sekarang D2 dibias maju dan D1dibias mundur. Sebuah rangkaian seri sekarang terdiri dari C1,D2,C2dan transformer sekunder. Aliran arus ditunjukkan oleh arah panah seperti pada Gambar 3 Tegangan sekunder dari transformer sekarang melalui C1. 

     Hasilnya meningkatnya tegangan 440 volt. Akhirnya efek arah penggandaan tegangan akan menjadi positif ke negatif seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3

Prinsip Tegangan Tripling

     Gambar 4 mengilustrasikan setengah gelombang tegangan triplier

Gambar 4 Diagram koneksi setengah gelombang tegangan triplier

     Gambar 5 menampilkan skema siklus positif untuk tegangan triplier. Selama periode siklus positif, polaritas yang melewati lilitan sekunder dari transformer seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5 Catatan bahwa puncak dari secondarynya adalah negatif. Pada saat dioda D3 dibias maju (katoda negatif sama dengan anoda) dan berfungsi seperti saklar tertutup. Dengan ini mengizinkan C3 diisi sampai teganggan puncak 220 volt dan pada saat yang sama C1 juga mengisi 220 volt.

Gambar 5 Tegangan tripler pada siklus positif

      Gambar 6 menampilkan periode ketika siklus masukannya negatif. Disini C2 diisi dua kali dari tegangan input atau 440 volt, sebagai hasil tegangan doubling dari transformer dan C1. Pada saat itu, C2 dan C3 digunakan sebagai perangkat seri dan output tegangan meningkat menjadi 660 volt. R1dan R2adalah berbanding lurus berdasarkan tegangan yang melalui C2dan C3

Gambar 6  Tegangan tripler pada siklus negative

Tegangan Multiplier

     Sementara kita ketahui bahwa fungsi transformer meningkatkan atau menurunkan tegangan. Sedangkan transformer sekunder bisa menyediakan satu atau lebih output tegangan AC yang lebih besar atau kurang dari tegangan input. Ketika tegangan meningkat, arus menurun dan ketika tegangan turun arus meningkat.

    Ada metode lain untuk meningkatkan tegangan yang dikenal dengan tegangan multiplication. Tegangan multiplier umumnya digunakan untuk meningkatkan tegangan tinggi dimana arus yang rendah dibutuhkan. Pengukuran tegangan output dari sebuah tegangan multiplier bisa beberapa kali lebih besar dari tegangan input. Untuk alasan ini, tegangan multiplier digunakan hanya untuk aplikasi yang khusus dimana bebannya adalah konstan dan mempunyai impedansi tinggi atau dimana stabilitas input tegangan tidak mencapai titik kritis. Tegangan multiplier dapat diklasifikasikan seperti tegangan doubler, tripler dan quadrupler. 

     Klasifikasi tersebut tergantung pada ratio dari tegangan output ke tegangan input. Sebagai contoh, sebuah tegangan multiplier yang meningkatkan tegangan puncak input dua kali disebut voltage doubler gambar yang digunakan untuk penjelasan dari voltage multiplier dalam tesis ini menampilkan sebuah transformer input walaupun untuk beberapa aplikasi sebuah transfomer tidak diperlukan. Input dapat secara langsung dari sumber daya atau saluran tegangan. Tentunya ini tidak memisahkan peralatan dari saluran dan menghasilkan kondisi yang berbahaya. Banyak peralatan militer yang menggunakan transformer untuk mengurangi resiko ini

Harmonisa

     Ada dua jenis beban dalam sistem tenaga listrik yaitu beban linier dan beban non linier. Beban yang menghasilkan bentuk gelombang keluaran dengan arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan disebut beban linier, dimana gelombang yang dihasilkan bersih dan tidak terdistorsi. Pada kenyataanya tidak semua beban yang terpasang merupakan beban linier melainkan sebagian besar beban yang terpasang merupakan beban non linier. Pada beban non linier , beban tidak lagi menggambarkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang proporsional. Pemakaian beban non linier akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang tidak sinusoidal. Sehingga dapat mengakibatkan terbentuknya gelombang terdistorsi yang akan menghasilkan harmonisa. Perbedaan dari dua bentuk gelombang arus dan tegangan dari beban linier dan beban non linier dapat dilihat pada Gambar 7

Gambar 7. Bentuk gelombang arus dan tegangan

Sumber-Sumber Harmonisa

     IEC61000 (Standar Internasional Harmonisa) mengidentifikasi sumber utama dari harmonisa pada sistem tenaga adalah meliputi konverter daya, busur peleburan, statik VAR kompensator, inverters, kendali phasa elektronika daya, cycloconverters, power supply DC dan PWM. 

     Beban non linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang di dalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor seperti switching power supplies, UPS, komputer, printer, LHE, DC drive, AC drive, welding arc, battery charger, dll. Proses kerja peralatan atau beban non linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal.

Perhitungan Harmonisa

     Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linier atau alat yang mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Distortation Harmonic (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu

     Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi /2 dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus yaitu:

     

     Total Distortion Harmonisa (THD) untuk tegangan THD untuk arus didefinisikan sebagai nilai RMS harmonisa diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS fundamentalnya, dengan tegangan DC nya diabaikan. Total Distorsi Harmonisa atau Total Harmonic Distortation (THD) tegangan sebagai berikut:

     Dengan mengabaikan tegangan dc (Vo) dan nilai (Vrms) digantikan dengan Vn//2 pada Persamaan (2.5), sehingga THD dapat dituliskan dalam Persamaan berikut:

Total Harmonic Distortion (THD) arus sebagai berikut:

Dengan mengabaikan arus dc (Io) dan nilai Irms digantikan dengan In//2pada Persamaan (2.7), sehingga THD dapat dituliskan dalam Persamaan berikut:

Batasan Harmonisa

     Untuk mengurangi harmoisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknis dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Standar sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu phasa ataupun tiga phasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan IEEE. 

     

Filter Harmonisa

     Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan dan arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan oleh beban non linier yaitu diantaranya:

1. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat terutama pada daerah yang dekat dengan sumber                   pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat disumber dan mengurangi penyebaran arusnya.

2. Penggunaan filter aktif.

3. Kombinasi filter aktif dan pasif.

4. Konverter dengan reaktor antar phasa dan lain-lain.

     Disamping sistem diatas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa tetapi juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar, proses ini menyebabkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan induktor sistem.

1. Filter pasif

    Filter pasif dipasang pada sistem dengan tujuan utama untuk meredam harmonik dan tujuan lain yaitu untuk memperbaiki faktor daya, berupa komponen L, C yang dapat ditala untuk satu atau dua frekuensi. Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonisa (biasanya pada orde harmonisa rendah). Dalam beberapa kasus, reaktor saja tidak akan mampu untuk mengurangi distorsi harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Dalam kasus ini sangat diperlukan filter yang lebih baik

Gambar 8 Filter pasif single tuned

      Filter pasif terdiri dari kapasitor dan induktor Gambar 8 yang dituning pada frekuensi harmonisa tunggal dan mempunyai impedansi sangat rendah. Jika filter harmonik dituning sebagai teknik peredaman harmonisa, maka kita perlu memberikan filter ganda untuk memenuhi batas distorsi yang ditentukan. Saat menggunakan filter harmonisa, selanjutnya kita juga perlu menggambil tindakan pencegahan khusus untuk mencegah interferensi antara filter dan sistem tenaga. Sebuah filter harmonisa dengan impedansi rendah untuk frekuensi harmonisa tentu terlepas dari sumbernya. Oleh karena itu, peredam harmonisa mencoba untuk menyerap semua harmonisa yang mungkin ada dari semua sumber gabungan (beban non linier) pada sistem. Saat filter harmonisa jenis shunt dihubungkan dengan sistem daya, mereka menyebabkan pergeseran frekuensi resonansi alami pada sistem tenaga. Jika frekuensi baru ini di dekat frekuensi harmonisa, maka kemungkinan untuk mengalami suatu kondisi resonansi yang merugikan yang dapat mengakibatkan amplifikasi harmonisa dan kegagalan kapasitor atau induktor.

Gambar 9. Law pass filter harmonic

     Low pass filter harmonisa pada Gambar 9, sebagai penekanan luas harmonisa, menawarkan pendekatan untuk meredam harmonisa. Filter dituning untuk harmonisa tertentu, filter tersebut menyaring semua frekuensi harmonisa termasuk harmonisa ketiga. Filter tersebut terhubung secara seri dengan beban non linier dengan impedansi seri besar tersambung, karena itu mereka tidak membuat masalah sistem resonansi. Tidak perlu dilakukan tuning terhadap low pass filter. Karena ada impedansi seri yang besar. Sebaliknya mereka dipasok ke drive melalui kapasitor filter. Untuk alasan ini, sangat mudah untuk memprediksi tingkat distorsi yang akan dicapai dan untuk menjamin hasilnya. Sebuah low pass filter dapat dengan mudah menawarkan jaminan tingkat harmonisa arus serendah 8% sampai 12%

2. Filter aktif

    Filter aktif adalah filter harmonisa yang terdiri dari komponen-komponen aktif, seperti inveter yang dikontrol secara khusus dan secara aktif dapat mendeteksi komponen arus harmonisa di jaringan. Dengan cara sederhana yaitu menyuntikkan arus harmonisa yang phasanya dibuat berbeda 1800, sehingga saling menghilangkan. Filter aktif juga dapat mengkompensasi faktor daya atau fungsi yang lain. Berbeda dengan filter pasif yang hanya dapat memfilter satu harmonisa pada satu link filter pasif, filter aktif bisa mengkompensasi banyak harmonisa hanya dengan satu link filter aktif. Arus Is yang merupakan arus yang disebabkan oleh beban (beban non linier), dengan menggunakan pendeteksi arus, arus ini dapat dideteksi dan menggunakan transformasi fourier besar dari arus harmonisa diubah kedalam fungsi X(f). Kemudian arus harmonisa ini digeser sebesar 1800 dan dengan menggunakan inverse transformasi fourier dari arus diubah lagi kedalam fungsi x(t) kemudian menggunakan inverter arus diinjeksikan ke dalam jaringan untuk meminimasi atau menghilangkan harmonisa pada sistem.

Merancang Single-Tuned Filter

     Merancang Single Tuned Filter yang terdiri dari hubungan seri komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan, adalah bagaimana menentukan besarnya komponen-komponen dari filter tersebut . Langkah-langkah rancangan Single Tuned Filter adalah:

a. Tentukan kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya.

b. Tentukan Reaktansi Kapasitor

c. Tenukan Kapasitansi dari kapasitor

d. Tenukan Kapasitansi dari kapasitor

e. Tentukan Induktansi dari Induktor

f. Tentukan Induktansi dari Induktor

g. Tentukan Tahanan (R)

Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti pada Gambar 10

Gambar 10Vektor segitiga daya dapat menentukan kebutuhan

daya reaktif Q

     Dengan pemasangan kapasitor kebutuhan daya reaktif dapat dihitung untuk memperbaiki faktor daya pada beban. Komponen daya aktif (P) pada dasarnya konstan, daya semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya beban.  

Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) x tanφ

Faktor Daya

     Faktor daya biasanya disebut juga dengan Power Factor (PF) yang didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S) ini merupakan salah satu indikator baik atau buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya biasanya dinyatakan dalam bentuk cos φ

     Pada gelombambang sinusoidal dan non sinusoidal kondisi faktor daya sangatlah berbeda. Pada saat kondisi faktor daya sinusoidal, gelombang tegangan dan arus didalam perhitungannya tidak melibatkan frekuensi harmonisa. Sebaliknya pada saat kondisi non sinusoidal didalam perhitungannya akan melibatkan frekuensi harmonisa pada gelombang tegangan dan arus

1. Faktor daya pada kondisi tanpa harmonisa

     Pada saat kondisi gelombang arus sinusoidal (tanpa harmonisa) maka akan terdapat sudut phasa antara tegangan dan arus. Nilai frekuensi fundamental pada faktor daya dapat dihitung dengan menentukan nilai cosinus dari sudut phasanya atau perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S). Pada kondisi ini faktor daya dapat disebut dengan displacement power faktor seperti terlihat pada Gambar 11

Gambar 11 Sudut phasa gelombang tegangan, arus dan vektor segitiga daya

      Displacement Power Factor (DPF) dimana vektor segitiga daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu pada frekuensi fundamental yaitu:

2. Faktor daya pada kondisi harmonisa

      Nilai cosinus dari sudut phasanya tidak dapat didefinisikan sebagai faktor daya pada kondisi gelombang arus non sinusoidal (kondisi harmonisa). True Power Factor merupkan perhitungan faktor daya yang berhubungan dengan jumlah daya aktif pada frekuensi fundamental dan frekuensi harmonisa. True Power Factor merupakan ratio perbandingan total jumlah daya aktif pada semua frekuensi terhadap daya semu ini dapat dilihat pada Gambar 12

Gambar 12. Sudut phasa gelombang tegangan dan arus pada kondisi

harmonik

True Power Factor (TPF) adalah ratio perbandingan total jumlah daya aktif pada semua frekuensi terhadap daya semu

Single Tuned Filter

      Single tuned filter adalah salah satu jenis filter pasif yang terdiri dari komponen-komponen pasif seperti Resistansi (R), Induktok (L) dan Capasitor (C) yang dihubungkan secara seri. Gambar 2.13, merupakan skema dari single tuned filter, dimana filter ini paling banyak digunakan dan lebih efisien dalam sistem tenaga listrik industri yang digunakan untuk mengurangi gangguan harmonisa

Gambar 13. Single tuned filter

     Karakteristik single tuned filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi, sehingga arus yang frekuensi sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan melalui filter. Pada frekuensi resonansi, filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil, lebih kecil dari impedansi beban atau sama dengan tahanan induktor R, sehingga arus harmonisa dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan melalui filter dan tidak mengalir ke sistem. Pada dasarnya sebuah single tuned filter dipasang untuk setiap harmonisa yang akan diminimalkan. 

     Besarnya reaktansi (L atau C) bisa ditentukan oleh Quality Factor (Q). Dimana secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan R. Jika nilai Q yang dipilih besar maka nilai R kecil dan kualitas filter semakin bagus karena energi yang dipakai oleh filter semakin kecil yang artinya rugi- rugi panas filter kecil dan nilai Quality Factor berkisar antara 30 < Q < 100

      Pada dasarnya sebuah single tuned filter dipasang untuk setiap harmonisa yang akan diminimalkan. Karakteristik single tuned filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi, sehingga arus yang frekuensi sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan melalui filter. Besarnya reaktansi (L atau C) bisa ditentukan oleh Quality Factor (Q). Dimana secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahananR.

Terima Kasih....

Sumber:

http://nabilazisputri.blogspot.co.id/2015/05/pembangkitan-tegangan-tinggi-ac-dan-dc.html

repository.usu.ac.id/xmlui/bitstream/handle/123456789/57891/Chapter%20II.pdf?...

repository.usu.ac.id/xmlui/bitstream/handle/123456789/57891/Chapter%20II.pdf?...

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC...Part 3

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC

Nama           : Andika Pradnya S
NIM            : 1614122045
Tugas MK   : Teknik Tegangan Tinggi


SUMBER-SUMBER LISTRIK ARUS SEARAH

Semua sumber listrik yang dapat menimbulkan arus listrik tetap terhadap waktu dan arah tertentu disebut sumber-sumber listrik arus searah. Sumber listrik arus searah dibagi menjadi empat macam.

1. Elemen Elektrokimia
    Elemen elektrokimia adalah sumber listrik arus searah dari proses kimiawi. Dalam elemen ini terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Elemen elektrokimia dapat dibedakan berdasarkan lama pemakaiannya sebagai berikut.

A) Elemen Primer
    Elemen primer adalah sumber listrik arus searah yang memerlukan penggantian bahan setelah dipakai. Contoh elemen primer sebagai berikut:

a) Elemen Volta
    Elemen volta adalah sejenis baterai kuno yang diciptakan oleh Alesandro Volta.. Elemen volta masih diterapkan sampai saat ini. Meskipun bentuknya sudah dimodifikasi. Elemen volta terdiri atas 2 elektroda dari logam yang berbeda yang dicelupkan pada cairan asam atau larutan garam. Pada zaman dahulu, cairan asam atau garam tersebut berupa kain yang dicelup dalam larutan garam/asam.
b) Elemen Daniell
    Penemu elemen daniel adalah John Frederic Daniell. Elemen Daniell adalah elemen yang gaya gerak listriknya agak lama karena adanya depolarisator. Depolarisator adalah zat yang dapat menghambat terjadinya polarisasi gas hidrogen. Depolarisator pada elemen ini adalah larutan tembaga (sulfat).
c) Elemen Leclanche
    Jenis elemen leclanche ada dua macam, yaitu elemen kering dan basah, terdiri atas dua bejana kaca yang berisi:
–       batang karbon sebagai kutub positif (anoda)
–       batang seng sebagai kutub negatif (katoda)
–       Batu kawi sebagai depolarisator
–       larutan amonium klorida sebagai elektrolit
d) Elemen Kering
    Elemen kering adalah sumber arus listrik yang dibuat dari bahan-bahan kering yang tidak dapat diisi kembali (sekali pakai). Elemen ini termasuk elemen primer. Contoh elemen kering antara lain, batu baterai dan baterai perak oksida (baterai untuk jam tangan). Bahan untuk kutub positif digunakan batang karbon, dan untuk kutub negatif  digunakan lempeng seng.

B) Elemen Sekunder
    Elemen sekunder adalah sumber arus listrik yang tidak memerlukan penggantian bahan pereaksi (elemen) setelah sumber arus habis digunakan. Sumber ini dapat digunakan kembali setelah diberikan kembali energi (diisi atau disetrum).
    Contoh dari elemen sekunder yaitu akumulator (aki). Akumulator adalah termasuk sumber listrik yang dapat menghasilkan Tegangan Listrik Arus Searah (DC). Prinsip kerja dari aumulator adalah berdasarkan proses kimia.
    Secara sederhana, prinsip kerja akumulator dapat dijelaskan sebagai berikut.
a) Pemakaian
    Pada saat akumulator dipakai, terjadi pelepasan energi dari akumulator menuju lampu. Dalam peristiwa ini, arus listrik mengalir dari kutub positif ke pelat kutub negatif. Setelah akumulator dipakai beberapa saat, pelat kutub negatif dan positif akan dilapisi oleh sulfat. Hal ini menyebabkan beda potensial kedua kutub menjadi sama dan kedua kutub menjadi netral.
b) Pengisian
    Setelah kedua kutub netral dan arus tidak mengalir, kita harus menyetrum aki agar dapat digunakan kembali. Pada saat aki diestrum, arah arus berlawanan dengan pada saat digunakan,yaitu dari kutub negatif ke positif.
    Contoh lainnya seperti batu baterai yang digunakan pada telepon genggam (Hp), laptop, kamera, lampu emergensi dll.


2. Generator Arus Searah
    Generator arus searah adalah alat yang digunakan untuk mengubah energi gerak (mekanis) menjadi energi listrik dengan arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:
1). Generator penguat terpisah
2). Generator shunt
3). Generator kompon
    Generator DC terdiri dua bagian, yang pertama stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan yang kedua, bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
    Prinsip kerja generator ini adalah induksi elektromagnetik (perubahan medan magnet yang terjadi pada kumparan kawat sehingga terjadi arus listrik).
    Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:
• dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.


3. Termoelemen
    Termoelemen adalah sumber arus listrik searah dari proses yang terjadi karena adanya perbedaan suhu. Termoelemen mengubah energi panas menjadi energi listrik. Peristiwa ini dikemukakan oleh Thomas John Seebach pada tahun 1826.
    Arus yang ditimbulkan dari kejadian ini disebut termoelemen. Semakin besar perbedaan suhu antara A dan B, semakin besar arus yang mengalir. Tetapi, karena arus yang dihasilkan relatif kecil, termoelemen belum dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.


4. Sel Surya (Solar Cell)
    Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.
    Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. Prinsip kerjanya sebagai berikut.
    Jika pelat foil alumunium terkena cahaya matahari, maka pelat alumunium akan panas dan diteruskan ke pelat silikon. Silikon bersifat semikonduktor, sehingga pada suhu yang tinggi, elektron-elektron akan terlepas dan menempel pada foil alumunium dan muatan-muatan positifnya menempel pada foil besi. Jika kedua foil dihubungkan melalui rangkaian luar, maka akan menimbulkan aliran elektron. Ini karena pada kedua foil tersebut, terdapat perbedaan potensial. Potensial yang dibangkitkan oleh sel surya sangat kecil sehingga membutuhkan banyak sekali sel Sel surya juga terlalu mahal sehingga penggunaannya sangat terbatas pada alat-alat tertentu saja.
    Besar arusnya pun sangat bergantung pada intensitas cahaya yang menembus pelat, jumlah sel yang ada, dan luas penampang yang terkena cahaya. Contoh barang yang telah menggunakan tenaga surya yaitu, mobil listrik tenaga surya dan sumber energi pada satelit.

Selesai...

Sumber :
http://nabilazisputri.blogspot.co.id/2015/05/pembangkitan-tegangan-tinggi-ac-dan-dc.html
http://stellarclyne.wordpress.com/2010/08/22/hello-world/
https://syifa249e.wordpress.com/tugas-tugas/data-data-ipa/fisika/sumber-listrik-arus-searah/
http://dunia-listrik.blogspot.co.id/2009/01/generator-dc.html
http://trikueni-desain-sistem.blogspot.co.id/2014/08/jenis-karakteristik-generator-DC.html
http://electrozone94.blogspot.co.id/2013/08/generator-dc.html
http://trikueni-desain-sistem.blogspot.co.id/2014/08/prinsip-kerja-generator-DC.html

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC...Part 2

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC

Nama           : Andika Pradnya S
NIM            : 1614122045
Tugas MK   : Teknik Tegangan Tinggi



Jenis-Jenis Generator DC

Jenis-Jenis Generator DC

Generator Berpenguatan Bebas

     Generator tipe penguat bebas dan terpisahadalah generator yang lilitan medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak tergantung darimesin. Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.

Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:

Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :

• Tegangan jepit (V)

• Arus eksitasi (penguatan)

• Arus jangkar (Ia)

• Kecepatan putar (n).

Generator Penguatan Sendiri

    Generator penguatan sendiri adalah arus listrik yang dialirkan melalui kumparan penguat medan Rf yang diambil dari output generator tersebut. Biasanya generator ini dibuat sedemikian rupa sehingga dapat memberikan penguatan sendiri. Sebelum dapat bekerja dengan penguatan sendiri, biasanya kutub-kutub magnet harus diberi penguat untuk mendapatkan remenensi magnet (magnet sisa) dari suatu sumber lain. Sisa magnet kecil ini membangkitkan tegangan pada jangkar yang selanjutnya dikembalikan lagi ke dalam belitan medan untuk memperkuat medan magnetnya, sehingga dengan demikian tegangan yang dibangkitkan dalam jangar akan lebih besar. Demikian seterusnya hingga didapat tegangan yang cukup.

    Ditinjau dari cara-cara menghubungkan lilitan-lilitan medan dengan jangkar dan rangkaian luar atau jala-jala generator, penguatan sendiri ini dibagi menjadi:

1)      Generator Shunt

    Ciri utama generator shunt adalah kumparan penguat medan dipasang parallel terhadap kumparan jangkar. Untuk generator shunt berlaku hubungan:

    Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan:

a. Adanya sisa magnetik pada sistem penguat.

b. Hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hingga arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.

    Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya apabila:

a.       Sisa magnetik tidak ada

   Misal: pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetik adalah pada generator shunt diubah menjadi generator berpenguatan bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputaran nominal.

b.     Hubungan medan terbalik

    Karena generator diputar oleh arah yang salah dan dijalankan, sehingga arus medan tidak memperbesar nilai fluksi. Untuk memperbaikinya dengan hubungan-hubungan perlu diubah dan diberi kembali sisa magnetik, seperti cara untuk memberikan sisa magnetik.

c.     Tahanan rangkaian penguat terlalu besar

    Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan, hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau komutator kotor.

2) Generator Seri

    Pada generator ini kumparan medan diseri dengan kumparan jangkarnya, sehingga medannya mendapat penguatan jika arus bebannya ada, itu sebabnya generator seri selalau terkopel dengan bebannya, kalau tidak demikian maka tegangan terminal tidak akan muncul. Untuk generator seri berlaku hubungan:

    Kelemahan generator seri adalah tegangan output (terminal) tidak stabil, karena arus beban IL berubah-ubah sesuai dengan beban yang dipikul. Hal ini menyebabkan fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan seri tidak stabil. Keuntungan generator seri adalah daya output menjadi besar.

3)     Generator Kompon

    Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaan dari kedua hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari tegangan terminal kecil sekali dan terpengaruh. Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan seri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF-nya searah. Bila generator ini dihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu mempunyai kumparan kompon bantu. Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut kompon lawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau generator-generator khusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu yang mempunyai peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seri dirancang untuk kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar pada range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara otomatis pasa satu range beban tertentu.

(a) Kompon panjang

(b) Kompon pendek

Prinsip Kerja generator DC

Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday : 

    Dengan lain perkataan, apabila suatu konduktor memotong garis-garis fluksi magnetik yang berubah-ubah, maka GGL akan dibangkitkan dalam konduktor itu. Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan GGL adalah : 

-  harus ada konduktor ( hantaran kawat ) 

-  harus ada medan magnetik

- harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu.

Keterangan gambar :

-  Pada gambar Generator DC Sederhana dengan sebuah penghantar kutub tersebut, dengan memutar rotor ( penghantar ) maka pada penghantar akan timbul EMF. 

-  Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet sedemikian rupa sehingga sisi A-B dan C-D terletak tegak lurus pada arah fluks magnet. 

-  Kumparan ABCD diputar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi A-B dan C-D. 

-  GGL induksi yang terbentuk pada sisi A-B dan sisi C-D besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnet yang dipotong kumparan ABCD tiap detik sebesar :

Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan kanan :

- ibu jari : gerak perputaran 

- jari telunjuk : medan magnetik kutub utara dan selatan 

- jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus I 

Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak-balik, meskipun tujuan utamanya adalah pembangkitan tegangan searah, tampak bahwa tegangan kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolak-balik. Bentuk gelombang yang berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.

Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan metode atau sistem:

- Saklar 

Saklar berfungsi untuk menghubung singkatkan ujung-ujung kumparan. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :

Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul tegangan yang sinusoida. Bila setengah periode tegangan positif saklar di hubungkan, maka tegangan menjadi nol. Dan bila saklar dibuka lagi akan timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setengah periode tegangan saklar dihubungkan, maka akan dihasilkan tegangan searah gelombang penuh.

- Komutator 

Komutator berfungsi sebagai saklar, yaitu untuk menghubung singkatkan kumparan jangkar. Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung kumparan jangkar.Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangan bolak balik sinusoidal. Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan perioda perputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah gelombang penuh.

- Dioda 

Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:

    - Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus. 

    - Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus. 

Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam:

    - Half Wave Rectifier (penyearah setengah gelombang) 

    - Full Wave Rectifier (penyearah satu gelombang penuh)

Pembangkitan Tegangan Induksi Pada Generator Berpenguatan Sendiri

    Di sini akan diterangkan pembangkitan tegangan induksi generator shunt dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor, akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil. Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan menjadi lebih kecil. Berarti semakin besar tahanan kumparan medan, semakin buruk generator tersebut.

Kerja Paralel Generator Arus Searah

    Untuk memberi tenaga pada suatu beban kadang-kadang diperlukan kerja paralel dari dua atau lebih generator. Pada penggunaan beberapa buah mesin perlu dihindari terjadinya beban lebih pada salah satu mesin. Kerja paralel generator juga diperlukan untuk meningkatkan efisiensi yang besar pada perusahaan listrik umum yang senantiasa memerlukan tegangan yang konstan. Untuk hal-hal yang khusus sering dinamo dikerjakan paralel dengan aki, sehingga secara teratur dapat mengisi aki tersebut.

Tujuan kerja paralel dari generator adalah ;

Untuk membantu mengatasi beban untuk menjaga jangan sampai mesin dibebani lebih.

Jika satu mesin dihentikan akan diperbaiki karena ada kerusakan, maka harus ada mesin lain yang meneruskan pekerjaan. Jadi untuk menjamin kontinuitas dari penyediaan tenaga listrik.

Hubungan Paralel Generator

     Pembagian beban antara generator-generator yang dihubungkan paralel tergantung pada tegangan sumber masing-masing generator. Jika suatu saat arus jaringnya (I1 - I2)  sangat kecil, tegangan terminalnya akan hampir sama dengan tegangan sumbernya. Situasi ini menimbulkan keadaan yang sangat labil. Kalau tegangan sumber salah satu generator berubah sedikit, ada kemungkinan generator yang tegangan sumbernya lebih rendah akan bekerja sebagai motor. Mesin shunt sebagai motor maupun generator memiliki arah putar yang sama. Supaya generator ini tidak bekerja sebagai motor, biasanya digunakan saklar dengan otomat arus balik. Otomat ini memiliki sebuah kumparan tegangan dan sebuah kumparan arus. Medan kedua kumparan ini saling berlawanan. Kalau kumparan-kumparannya dipilih secara tepat, otomatnya bisa berfungsi sebagai pengaman arus maksimum maupun pengaman arus balik. Menambahkan sebuah generator pada jaringan harus dilakukan sebagai berikut:

a. Generator yang akan ditambahkan dijalankan hingga mencapai kecepatan putar nominalnya.

b. Tahanan pengatur medannya diatur sedemikian hingga tegangan generatornya menjadi sedikit lebih tinggi       daripada tegangan jaring. Tegangannya dapat diperiksa dengan menggunakan saklar pilih voltmeter.

c. Generator tadi kemudian dihubungkan dengan jaringan. Karena tegangannya sedikit lebih tinggi daripada       tegangan jaring, generator ini tidak akan bekerja sebagai motor.

d. Selanjutnya tahanan pengatur medannya diatur sedemikian hingga generator tersebut memikul sebagian        dari beban jaring. Besar beban generator ini dapat dilihat dari penunjukan amperemeternya.

Kelebihan dan Kekurangan Generator DC

Kekurangan:

- Konstruksinya rumit Setiap segmen dihubungkan oleh kawat atau kabel, karena jumlah segmen pada             komutator jumlahnya sangat banyak maka kawat atau kabel yang dibutuhkan juga banyak sehingga ini           menjadi salah satu kekurangan dari komutator . Karena konstruksinya yang rumit dan membutuhkan kawat   atau kabel yang banyak, generator DC menjadi mahal harganya.

- Selain itu, akibat komutator mempunyai segmen-segmen yang banyak dengan jarak yang relatif dekat,            ketika komutator berputar dengan kecepatan yang tingi akan menghasilkan suara yang bising.

- Dan akibat jarak yang dekat antar tiap segmen, kapasitas tegangannya juga rendah (max 5MW) karena       dikhawatirkan akan terjadi peloncatan bunga api listrik.

- Kelemahan berikutnya pada komutator adalah komutator yang sedang berputar harus dihubungkan dengan  brush (yang terdiri dari material Carbon) guna untuk menyalurkan arus DC ke rotor generator. Hal ini  mengakibatkan maintenance yang dilakukan harus lebih sering, karena brush akan mengalami "Aus" yang    mengakibatkan adanya serpihan-serpihan karbon pada komutator.

Keunggulan:

- mempunyai Torsi awal yang besar, sehingga banyak digunakan sebagai starter motor.

Bersambung...

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC...Part 1

PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI DC

Nama           : Andika Pradnya S
NIM            : 1614122045
Tugas MK   : Teknik Tegangan Tinggi

        Pembangkit tegangan tinggi DC umumnya banyak digunakan dalam fisika terapan seperti instrumen dalam bidang nuklir (akselerator, mikroskop elektron), peralatan elektromedik (x-ray), peralatan industri (presipitat dan penyaringan gas buang di pembangkit listrik, industri semen, pengecatan elektrostatik dan pelapisan serbuk) atau eletronika komunikasi (televisi). Kebutuhan bentuk tegangan, tingkat tegangan dan besar arus serta kestabilan dari pembangkit tegangan tinggi tersebut akan berbeda satu aplikasi dengan lainnya.

Tegangan tinggi DC banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti kabel dan kapasitor. Pemanfaatan tegangan tinggi DC banyak dijumpai pada instalasi elektrostatik (penyaring gas buang, peralatan pengecatan), peralatan kedokteran (alat rontgen) dan pada fisika inti (pemercepat muatan). Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak-balik melalui dioda Selenium, Germanium dan Silizium. Dioda Selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang rendah dan kapasitas penyaluran arus yang rendah. 

Tegangan tinggi searah banyak digunakan untuk pengujian dan penelitian susunan isolator dengan kapasitansi fungsi seperti pada kabel atau kondensator.Pemanfaatan tegangan tinggi searah dapat dijumpai pada instalasi elektrostatik, pada peralatan kedokteran dan pada fisika inti.

Pada umumnya pembangkitan tegangan tinggi searah dilakukan dengan penyearahan tegangan tinggi bolak balik melalui dioda, kemudian dapat dilipat gandakan tingginya. Sedangkan generator elektrostatis sangan jarang digunakan. sebagai dioda penyearah biasa digunakan bahan selenium, germanium dan silizium. Dioda selenium memiliki volume yang lebih besar, efisiensi yang redah dan kapaita penyaluran arus yang rendah. Akan tetapi dioda sedemikian ini dapat menahan tegangan bolak balik sampai 600 kV tanpa kondensator pengarah tegangan, karena kapasitansi lapisan dioda yang tinggi. Ada beberapa macam rangakaian pelipat ganda tegangan antara lain Vilard, Greincher, Kaskade Greincher.

GENERATOR DC

Pendahuluan

     Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Secara umum generator DC tidak berbeda dengan motor DC kecuali pada arah aliran daya. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator arus searah DC dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu: generator berpenguatan bebas dan generator berpenguatan sendiri.

      Dalam kehidupan kita sehari – hari Generator DC dapat berfungsi sebagai salah satu pembangkit arus searah di bengkel – bengkel atau pabrik, sebagai pengisi accu pada perusahaan pengisi accu, sebagai pengisi accu mobil, bahkan dipusat – pusat tenaga listrik berfungsi sebagai penguat maknit (exiciter ) pada generator utama.

     Generator DC terdiri dua bagian,yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing danterminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.

     Mengingat pentingnya penggunaan generator arus searah DC dalam kehidupan sehari hari maka dalam makalah ini penulis mencoba untuk menggambarkan mengenai dasar-dasar yang berhubungan mengenai generator arus searah DC

Pembahasan

     Generator merupakan salah satu aspek pendukung dalam sistem tenaga dan merupakan salah satu aspek penting di dalam pengkonversian energi elektromekanik; yaitu konversi energi dari bentuk mekanik ke listrik dan dari bentuk listrik ke mekanik. Generator dapat digolongkan ke dalam sistem pembangkit dimana sistem ini berperan untuk mengubah bentuk energi mekanik menjadi energi listrik. Suatu mesin listrik (baik generator ataupun motor) akan berfungsi bila memiliki, yaitu:

a.       Kumparan medan, untuk menghasilkan medan magnet.

b.      Kumparan jangkar, untuk mengimbaskan ggl pada konduktor – konduktor yang terletak pada alur –              alur jangkar.

c.       Celah udara, yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan magnet.

    Pada mesin arus searah, kumparan medan yang berbentuk kutub sepatu merupakan stator (bagian yang tidak berputar), dan kumparan jangkar merupakan rotor (bagian yang berputar). Bila kumparan jangkar berputar dalam medan magnet akan dibangkitkan tegangan (ggl) yang berubah – ubah arah setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak – balik.

e = Emax sin ωt

     Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat.

Pengertian Generator DC

   Generator adalah mesin listrik yang mengubah daya mekanis menjadi daya listrik. Mesin listrik dapat berupa generator dan motor dan berdasarkan arah arusnya mesin listrik terbagi atas mesin listrik arus searah dan mesin listrik arus bolak-balik.

     Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:

1. Generator penguat terpisah

2. Generator shunt

3. Generator kompon

Konstruksi Generator DC

    Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanen dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor.

     Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.

   Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodik / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, Gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.

Komponen-komponen Penyusun Generator DC

a.    Piringan tutup

    Piringan tutup pada ujung-ujung rumah sebagai dudukan bantalan-bantalan sebagai tempat berputarnya armatur. Bantalan yang terpasang pada plat penutup untuk menahan beban torsi dari sabuk penggerak. Tutup bagian belakang mempunyai lubang pelumasan untuk memasukan oli pelumas.Sikat arang dipasang pada tutup bagian belakang.

b.      Pul kumparan medan / sepatu-sepatu kutub

      Pul kumparan medan yang biasa disebut sepatu-sepatu kutub dikonstruksi dari besituang. Pada bagian dalam dibentuk cekung untuk menyesuaikan bentuk kontur bulat dari armatur dan mengurangi haambatan magnetik dari jarak udara. Ujung-ujungnya diperpanjang sebagai dudukan kumparan medan. Kutub-kutub magnet dipasangkan dengan baut pada rumah generator.

d.      Kumparan medan

 Kumparan medan digulung dengan kawat yang berukuran kecil; dengan tahanan relatif besar. Kumparan medan digulung dengan bentuk yang sesuai, diisolasi dan dibentuk yang sesuai dengan kontur rumah dan digulung pada kutub-kutub magnet.

e.       Armatur/Anker

 Armatur/Anker dinamo dikonstruksi dari plat-plat yang disusun berlapis-lapis yang disatukan dalam satu poros dan mempunyai alur-alur sebagai tempat kumparan. Kumparan dapat digulung langsung pada alur-alur membentuk gulungan/kumparan armatur/anker.

f.       Komutator

 Komutator terdiri dari segmen-segmen dari tembaga, dibentuk irisan memanjang searah dengan poros, masing-masing diisolasi satu dengan yang lainnya dan dengan poros diisolasi oleh mika atau phenolic resin. Komutator dipres pada poros anker. Kumparan anker dihubungkan ke komutator untuk membentuk hubungan/rangkaian kontinyu. Komutator berfungsi untuk menyearahkan arus induksi bolak-balik dalam kumparan anker menjadi arus searah untuk digunakan ke beban kelistrikan kendaraan.

g.      Rumah sikat dan arang sikat

 Sikat arang digunakan untuk menghubungkan hubungan antara armatur/anker dengan rangkaian luar. Sikat arang dapat bergesek dengan baik dengan komutator dengan bantuan pegas dan rumah sikat. Hubungan antara sikat-sikat arang dan rangkaian luar adalah dengan kabel tembaga fleksibel.

h.      Kipas pendingin

 Kipas pendingin terletak di bagian depan dan menyatu dengan puli penggerak mengalirkan udara pendingin ke dalam generator.

Prinsip kerja Generator DC

    Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:

a.    Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.

b.    Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Pembangkitan Tegangan Induksi.

    Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

    Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin. Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positif.

Jangkar Generator DC

    Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.

     Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang.

 Jangkar Generator DC.

Reaksi Jangkar

    Fluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator tak berbeban merupakan fluks utama. Jika generator dibebani, timbullah arus jangkar. Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktor tersebut. Dengan menganggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam kumparan medan, fluks ini seperti digambarkan pada gambar di bawah ini.

     Perhatikan pada konduktor yang terletak pada daerah ac, ternyata fluks yang ditimbulkan arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkecil, sehingga fluks yang terjadi disini menjadi berkurang. Perhatikanlah kemudian konduktor pada daerah bd, ternyata fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkuat, sehingga fluks yang terjadi di sini bertambah. Fluks total saat generator dalam keadaan berbeban adalah penjumlahan vector kedua fluks. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi jangkar. Interaksi kedua fluks tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Medan Jangkar dari Generator DC  dan Reaksi Jangkar 

     Karena operasi suatu generator arus searah selalu pada daerah jenuh, pengurangan suatu fluks pada konduktor dibandingkan dengan pertambahan fluks pada konduktor lain lebih besar. Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: Misalnya fluks sebesar Ox adalah fluks yang dihasilkan tanpa dipengaruhi oleh reaksi jangkar. Misalkan pula dengan adanya pengaruh reaksi jangkar pertambahan dan pengurangan kuat medan magnet (ggm) yang terjadi pada konduktor jangkar ac dan bd masing-masing sebesar B ampere-turn. Dengan demikian seperti terlihat pada gambar di bawah ini, pertambahan fluks pada konduktor bd hanyalah sebesar xy, sedangkan berkurangnya fluks pada konduktor jangkar ac sebesar xz, dimana harga xz lebih besar daripada xy. Oleh karena itu, fluks keseluruhan yang dihasilkan oleh konduktor jangkar akibat adanya reaktansi jangkar akan selalu berkurang harganya. Berkurangnya fluks ini dinamakan pendemagnetan.

 Akibat-akibat buruk dari adanya Reaksi Jangkar, yaitu:

a.    Terjadi distorsi medan

b.    Terjadi loncatan bunga api karena bertambah besarnya tegangan

c.    Pada tiap perubahan beban daerah netral magnetik bergeser

d.   Terjadi demagnetisasi.

Cara-cara untuk membatasi reaksi jangkar, yaitu:

a.    Kutub Antara ( Kutub Komutasi)

Bentuknya       : Lebih kecil dari kutub-kutub utama

Tujuan             : Menempatkan daerah netral magnetic pada tempatnya, sehingga tidak dipengaruhi keadaan beban dan menentang efek induksi sendiri.

b.    Kumparan Kompensasi

Bentuknya       : Konsentrasi, ditempatkan pada kutub-kutub utama.

Tujuan             : Untuk mencegah distorsi (perubahan bentuk) medan karena reaksi jangkar.

Pengukuran Pendemagnetan

    Pendemagnetan terjadi akibat adanya reaksi jangkar menyebabkan turunnya fluks. Sedangkan fluks merupakan fungsi arus medan. Dan reaksi jangkar timbul akibat adanya arus yang mengalir dalam konduktor jangkar. Jadi, besarnya pendemagnetan bergantung pada besarnya arus jangkar dan pengaruhnya terlihat pada arus medannya. Penentuan pendemagnetan dapat dilakukan dengan membuat grafik If sebagai fungsi Ia pada tegangan hasil pengukuran atau perhitungan.

    Grafik yang didapatkan dari perhitungan merupakan grafik dengan pengaruh pendemagnetan diabaikan. Untuk mendapatkannya, harga Ia dihitung harga Ea. Dari harga Ea yang didapat ini dan dengan menggunakan kurva pendemagnetan didapatkan harga If. Perhitungan dilakukan untuk beberapa harga Ia. Dari Ia dan If  yang berpasangan ini dihasilkan suatu grafik seperti terlihat pada gambar di bawah ini yang bertuliskan tanda ’hit’.

    Grafik yang didapatkan dari pengukuran grafik dengan pengaruh pendemagnetan diikutsertakan. Caranya adalah dengan memasangkan amperemeter pada kumparan medan dan kumparan jangkarnya. Dengan membaca kedua amperemeter ini diperoleh suatu grafik seperti terlihat pada gambar di atas yang bertuliskan tanda ’test’.

     Harga arus If dihasilkan dari pengukuran lebih besar daripada yang didapatkan dengan perhitungan untuk Ia yang sama. Selisih antara kedua grafik di atas menunjukkan besarnya pemagnetan = Fa (dalam ampere). Untuk menyatakan ggm-nya, tinggal mengalikannya dengan jumlah belitan jangkar. Harga efektif arus medan didefinisikan sebagai If  – Fa. Kemudian jika pendemagnetan dan tahanan jangkar diabaikan didapat grafik yang merupakan garis mendatar (garis putus-putus).

Bersambung...