Macam-macam Generator AC

Generator AC atau biasa dikenal dengan alternator berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi listrik AC. Bagamana prinsip kerja generator listrik AC telah kita bahas di artikel sebelumnya. Alternator memiliki berbagai tipe yang dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa hal. Berikut adalah pengklasifikasian tersebut:

Macam-Macam Alternator Berdasarkan Sumber Eksitasi

Salah satu komponen utama dari generator adalah magnet yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada proses elektromagnetik. Magnet yang digunakan tersebut dapat berupa magnet permanen ataupun medan kumparan. Seperti yang kita ketahui bahwa jika sebuah kumparan kawat dialiri arus listrik searah, maka akan timbul medan magnet di sekitarnya. Proses pembangkitan medan magnet dengan menggunakan arus listrik searah inilah yang biasa dikenal dengan proses eksitasi.

Skema Medan Magnet yang Terbangkitkan di Sekitar Kumparan Listrik
(Sumber)

Berdasarkan hal di atas maka generator AC dapat dibagi menjadi dua tipe berdasarkan sumber medan magnet, yakni generator yang menggunakan magnet permanen dan generator yang menggunakan magnet buatan. Keduanya memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, dan berikut adalah penjabarannya:

1. 1. Generator Dengan Magnet Permanen.
      Kelebihan :
      • Desain yang sederhana.
      • Umur generator lebih awet (reliable).
      • Tidak membutuhkan sumber arus listrik DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet.

      

      Skema Alternator Dengan Magnet Permanen
      (Sumber)

      Kekurangan :

      • Tidak efisien jika menggunakan magnet permanen dengan produksi fluks magnet rendah.
      • Pembangkitan daya listrik terbatas sejauh kemampuan magnet dalam membentuk medan magnet, sehingga tidak cocok digunakan untuk skala besar.
   2. Alternator Dengan Magnet Buatan.
      Kelebihan :
      • Dapat membangkitkan medan magnet dengan fluks besar sehingga lebih efisien jika digunakan untuk menghasilkan power yang besar.
      • Besaran fluks medan magnet dapat diatur sesuai kebutuhan.

      

      Alternator Dengan Magnet Buatan
      (Sumber)

      Kekurangan :

      • Desain lebih rumit dibandingkan dengan alternator yang menggunakan magnet permanen.
      • Sangat tergantung dengan supply arus DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet, jika sumber arus gagal memasok arus DC maka alternator tidak dapat berfungsi sama sekali.

Macam-Macam Alternator Berdasarkan Posisi Kawat Kumparan (Armature)

Pembangkitan gaya gerak listrik (GGL) oleh generator terjadi karena adanya medan magnet yang di tengah-tengahnya melintas kawat kumparan, atau sebaliknya adanya sebuah kawat kumparan yang sedang dilintasi oleh medan magnet. Atas dasar hal tersebut maka generator AC dapat diklasifikasikan menjadi dua, yakni alternator dengan kumparan sebagai rotor dan alternator dengan medan magnet sebagai rotor.

1. 1. Alternator Dengan Kumparan Sebagai Rotor.Generator AC dengan kumparan sebagai rotor diilustrasikan pada gambar di bawah ini. Stator generator ini bekerja sebagai sumber medan magnet, sedangkan sisi rotor bekerja sebagai kumparan kawat. Kumparan kawat berputar dan memotong garis gaya magnet sehingga terbangkitkan arus listrik pada kumparan tersebut. Arus listrik dikeluarkan dari rotor melalui slip ring dan sikat karbon (brush). Masing-masing slip ring terkoneksi dengan tiap-tiap ujung kawat kumparan. Sikat karbon berfungsi sebagai bidang gesek yang berkontak langsung dengan slip ring. Voltase listrik yang dihasilkan generator ditransfer dari slip ring melewati sikat karbon untuk menuju ke luar sistem.

      Alternator Dengan Kumparan sebagai Rotor
      (Sumber)

      Generator AC tipe ini lebih banyak diaplikasikan untuk kebutuhan daya listrik rendah. Jika digunakan untuk daya listrik yang tinggi, maka arus listrik yang mengalir melewati slip ring dan sikat karbon akan semakin besar. Tentu hal ini merupakan losses yang cukup besar dengan mentransmisikan listrik berdaya besar melewati sebuah bidang gesek. Dibutuhkan biaya yang tidak sedikit jika alternator tipe ini dipaksakan untuk memproduksi listrik berdaya tinggi. Sehingga sebagian besar generator AC yang memproduksi listrik berdaya tinggi merupakan tipe medan magnet sebagai rotor.

   2. Alternator Dengan Medan Magnet Sebagai Rotor.Generator AC dengan medan magnet sebagai rotor menjadi generator AC yang lebih umum digunakan dibandingkan dengan tipe sebelumnya. Pada tipe ini, arus listrik DC dari sumber luar dialirkan ke kumparan rotor dengan melewati slip ring dan sikat karbon. Arus listrik DC tersebut digunakan untuk membangkitkan medan magnet di kumparan rotor. Seiring dengan perputaran rotor, maka medan magnet akan ikut bergerak berputar. Garis gaya medan magnet yang bergerak berputar, akan terpotong oleh kumparan pada sisi stator yang diam sehingga tercipta gaya gerak listrik di sisi kumparan stator. Dikarenakan daya keluaran generator ini melalui sisi stator, maka dimungkinkan untuk menggunakan konektor tetap dan selalu terisolasi sebagai sistem transmisinya. Hal ini tentu menjadi kelebihan jika digunakan untuk mentransmisikan arus AC yang besar. Di sisi lain, sistem slip ring dan sikat karbon yang digunakan pada sisi rotor tidak menjadi masalah karena arus listrik DC yang ditransmisikan tidak sebesar arus listrik AC yang dihasilkan pada sisi stator.

      Alternator Dengan Medan Magnet sebagai Rotor
      (Sumber)

      Macam-Macam Alternator Berdasarkan Fase Listrik yang Dihasilkan

      Telah kita bahas di artikel sebelumnya bahwa karakter listrik AC adalah besar voltase yang naik turun membentuk gelombang sinusoidal. Pada suatu sistem listrik AC, gelombang voltase tersebut bisa berjumlah satu atau tiga. Jumlah satu dan tiga ini lebih familiar digunakan di khalayak umum dibandingkan dengan angka yang lain. Jika sistem listrik AC tersebut hanya terdapat satu gelombang voltase, maka hal ini disebut listrik AC satu fasa. Sedangkan jika terdapat tiga gelombang voltase maka disebut dengan listrik AC tiga fasa.

      

      Perbedaan Gelombang Listrik AC Fasa Tunggal dengan Tiga Fasa
      (Sumber)

      Bagaimana bisa ada dua tipe arus listrik AC di atas adalah berasal dari sumber arus listrik AC tersebut, dalam hal ini adalah generator. Komponen generator yang menentukan jumlah fasa yang dihasilkan tersebut adalah kumparan kawat (armature). Jumlah dan susunan kumparan menjadi penentu jumlah fasa yang dihasilkan oleh sebuah generator AC. Berikut akan kita bahas lebih lanjut dua tipe generator ini berdasarkan fasa listrik AC yang ia hasilkan.

      1. Generator AC Fasa Tunggal.Generator AC yang menghasilkan listrik fasa tunggal adalah generator yang di dalamnya hanya memiliki satu kumparan kawat (armature), atau beberapa kumparan kawat yang tersusun secara seri. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan beberapa skema generator berikut.

         (a) Alternator Dengan Satu Putaran Lilitan Kumparan Sebagai Rotor

         

         (b) Alternator Dengan Beberapa Putaran Lilitan Kumparan Sebagai Rotor

         

         (c) Alternator Dengan Satu Pasang Kumparan Sebagai Stator

         

         (d) Alternator Dengan Dua Pasang Kumparan Sebagai Stator
         (Sumber)

         Keempat jenis generator di atas sama-sama menghasilkan arus listrik AC satu fasa. Gambar (a) adalah sebuah generator AC dengan kumparan kawat sebagai rotor. Nampak pada grafik dibawahnya bahwa dengan satu putaran lilitan kumparan mampu menghasilkan listrik AC fasa tunggal. Gambar (b) juga sama seperti gambar (a), yakni sebuah alternator dengan kumparan sebagai rotor. Hanya saja lilitan kumparan diperbanyak menjadi beberapa kali. Hal ini akan menghasilkan arus listrik AC fasa tungggal dengan frekuensi yang sama seperti gambar (a), namun memiliki nilai voltase yang berlipat ganda sesuai dengan jumlah lilitan kumparan.

         Gambar (c) dan (d) adalah generator AC tipe medan magnet sebagai rotor, sehingga kawat kumparan didesain berada di sisi stator. Nampak pada gambar (c), stator tersusun atas dua sisi kumparan yang saling terhubung secara seri. Selain itu arah putaran lilitan kumparan antara yang satu dengan yang lainnya nampak saling berkebalikan, hal ini dikarenakan tiap-tiap kumparan akan menghadap ke medan magnet dengan kutub yang berbeda. Dengan desain demikian akan membuat arah arus listrik yang terbangkitkan akan selalu searah antara kumparan yang satu dengan yang lainnya.

         Generator gambar (d) merupakan pengembangan dari desain (c), dimana kumparan kawat bertambah menjadi empat kumparan dan begitu pula dengan kutub magnet yang juga menjadi empat kutub. Lilitan kumparan saling terhubung secara seri sesuai dengan gambar di atas. Dengan desain semacam ini, untuk setiap 90^o putaran rotor, kutub voltase listrik akan berubah arah dari positif ke negatif ataupun sebaliknya. Sehingga di setiap satu putaran rotor akan tercipta dua gelombang penuh listrik AC. Selain itu karena kumparan dihubungkan secara seri dan output tegangan berupa satu fase, maka besar tegangan listrik total yang dihasilkan oleh generator ini sebanyak empat kali tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing kumparan. Dengan kata lain dua kali lebih besar dibandingkan dengan tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator (c).

      2. Generator AC Fasa Tiga.Generator tiga fasa memiliki prinsip kerja yang sama dengan generator satu fasa. Pembeda paling utama adalah digunakannya tiga kumparan kawat yang saling terhubung dengan konfigurasi khusus. Jika pada alternator satu fasa beberapa kumparan dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan listrik AC yang lebih besar, maka pada alternator tiga fasa koneksi antar ketiga kumparan kawat akan menghasilkan tiga gelombang voltase listrik AC yang saling mendahului.

         Koneksi Antar Kumparan Pada Alternator AC
         (Sumber)

         Tiga kumparan kawat, baik diposisikan sebagai rotor ataupun stator alternator, disusun sedemikian rupa sehingga diantara ketiganya memiliki jarak sudut 120^o. Masing-masing kumparan memiliki dua ujung kawat yang salah satu ujungnya dihubungkan dengan ujung kawat kumparan lainnya dengan bentuk konfigurasi delta (Δ) atau wye (Y) seperti pada gambar di atas. Sedangkan ujung-ujung kawat kumparan lainnya berfungsi sebagai output untuk menyalurkan energi listrik AC yang terbangkitkan keluar generator.

         

         3 Kumparan Sebagai Stator Alternator Saling Terhubung dengan Koneksi Y
         (Sumber)

         Tegangan listrik keluaran alternator AC tiga fasa membentuk tiga buah gelombang sinus jika diproyeksikan ke dalam sebuah grafik. Ketiga gelombang tersebut memiliki frekuensi yang sama persis, namun saling memiliki jarak sepertiga gelombang antara satu gelombang dengan gelombang lainnya. Dibawah ini adalah sebuah animasi proses pembentukan gelombang listrik AC dari sebuah alternator. Titik-titik merah, biru, dan hijau adalah posisi dimana kumparan kawat harus diletakan serta merepresentasikan fase satu, dua, dan tiga.

         
         Animasi Pembangkitan Listrik AC Tiga Fasa
         (Sumber)

         Macam-Macam Generator AC Berdasarkan Kecepatan Putaran Rotor

         Generator AC juga dapat dibagi menjadi dua berdasarkan kecepatan putaran rotornya. Jika sebuah generator AC rotornya berputar dengan kecepatan sesuai dengan sinkronisasi jaringan, maka generator tersebut dinamakan generator sinkron. Namun jika kecepatan putaran rotor generator lebih cepat sedikit dibandingkan kecepatan frekuensi jaringan, maka generator tersebut adalah generator tidak sinkron.

         1. Generator Sinkron
            Generator sinkron adalah generator yang putaran rotornya seirama dengan frekuensi jaringan. Pada generator ini berlaku rumus menghitung frekuensi jaringan sebagai berikut:

            [latex]f=dfrac {Ntimes P}{60}Hz[/latex]

            Dimana N adalah kecepatan rotor dalam rpm, P adalah jumlah pasang kutub magnet rotor, sedangkan 60 adalah konversi ke detik.

            

            Generator Sinkron
            (Sumber)

            Semisal ada sebuah generator yang menggunakan dua kutub magnet (1 utara dan 1 selatan) terpasang ke sebuah jaringan listrik berfrekuensi 50Hz. Jika putaran rotor generator tersebut adalah 3000 rpm, maka generator tersebut disebut generator sinkron.

         2. Generator Tidak Sinkron
            Yang dimaksud dengan generator tidak sinkron adalah generator ini memiliki kecepatan putaran rotor yang sedikit lebih cepat dengan kecepatan sinkronisasi jaringan. Hal ini dikarenakan komponen rotor generator ini tidak menggunakan magnet permanen ataupun sistem eksitasi dari luar. Rotor generator tipe ini menggunakan induksi elektromagnetik yang tercipta pada stator untuk ditangkap oleh batang-batang konduktor (biasa berbentuk seperti kandang tupai) sehingga tercipta medan magnet di dalam rotor. Disaat yang sama rotor tersebut diputar oleh sumber putaran dari luar dengan kecepatan di atas kecepatan sinkronisasi, menghasilkan fluks magnet rotor yang sekarang memotong kumparan stator. Pada saat inilah kumparan stator akan menghasilkan arus listrik untuk dikirim ke sistem.

            

            Komponen Generator Tidak Sinkron (aSinkron)
            (Sumber)

            Generator tipe ini banyak dipergunakan untuk pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga mikro hidro. Hanya saja ada beberapa kelemahan di dalamnya, yakni:

            • Efisiensi sistem eksitasi internal di dalam generator ini kurang baik.
            • Kita tidak dapat menggunakan generator tipe ini untuk kondisi faktor daya sedang lagging.
            • Generator ini membutuhkan daya reaktif yang terlalu besar.

         
         Referensi:

         • Wikipedia: Alternator
         • Wikipedia: Single Phase Generator
         • Wikipedia: Three Phase Electric Power

         Referensi dan eBook Gratis:

         • Alternating Current Generators
         • Basic AC Electrical Generators
         • Lessons in Electrical Circuit
         • Motors and Controls: AC Generators, Transformers, and AC Motors
         • Electrical Machines: I. Introduction to AC Machine
         • Electrical Machines: II. Synchronous Generators
         • Electrical Machines: III. Synchronous Motors
         • Electrical Machines: IV. Three-Phase Induction Machines
         • Electrical Machines: VI. Induction Generators
         • Electrical Machines: VII. Induction Regulators

Pusat Pakaian Dalam