Prinsip kerja Generator atau pembangkit listrik Arus bolak balik

Mengenal prinsip kerja Generator AC pembangkit listrik generator AC atau Alternator (Alternating Current Generator), Atau yang biasa kita sebut dengan Genset (Generator Set). Apa itu listrik?, Listrik adalah suatu energi yang memiliki dua jenis muatan yaitu muatan positif (proton) dan muatan negatif (elektron) yang bisa mengalir melalui suatu penghantar ( konduktor ) dalam sebuah rangkaian. Dan Energi ini memiliki berbagai kegunaan, seperti untuk menyalakan bola lampu, untuk menggerakkan motor listrik, menyalakan pendingin, televisi, dan lainnya.

Siapa penemu Listrik? 

Michael Faraday penemu listrik

Listrik ditemukan pertama kali oleh Michael Faraday melalui teori dasar gaya gerak listrik (GGL). Michael Faraday ( lahir 22 sept 1791, inggris) sangat berjasa dalam hal penemuan dasar- dasar listrik melalui Gaya Gerak Listrik (GGL). Melalui pengembangan prinsip inilah kemajuan pembangkit tenaga listrik berkembang dan banyak digunakan pada zaman sekarang.

Listrik yang biasa kita kenal dapat dibagi menjadi dua jenis , yaitu :

1. Listrik DC (Direct current) atau arus searah

Listrik DC atau adalah listrik yang memiliki besaran dan arah arus yang tetap, dengan Polaritas Kutub positif dan negatif yang permanen (Tetap).

2. Listrik AC (Alternating Current) arus bolak balik.

Listrik Arus bolak – balik atau AC (Alternating Current) adalah listrik yang memiliki besaran dan arah arus yang berubah – ubah. Dengan nilai potensial tegangan yang naik turun sesuai dengan gelombang sinusoida yang terjadi. Seberapa banyak Proses naik dan turunnya nilai potensial tegangan dipengaruhi oleh banyaknya gelombang yang terjadi atau disebut dengan frekwensi. Dan waktu yang diperlukan untuk mencapai satu gelombang naik dan turunnya nilai tegangan disebut dengan periode.

Apa itu frekwensi listrik arus bolak-balik (AC)?

Frekwensi listrik Arus bolak - balik (AC) 

Umumnya banyaknya gelombang yang terjadi dalam satu detik adalah 50 atau 60 gelombang setiap satu detik. Hal ini biasa kita sebut dengan Frekwensi dengan nilai frekwensi yang umumnya digunakan adalah 50 Hertz atau 60 hertz. Karena proses naik turun nilai potensial tegangan ini sangat cepat, sehingga kita tidak dapat melihat proses tersebut dengan kasat mata.

Berikut gambaran satu gelombang pada listrik arus bolak balik.

Bagaimana listrik arus bolak – balik (AC) terjadi?

Listrik Arus bolak – balik (AC) dihasilkan dari proses gerakan suatu penghantar yang memotong medan magnet, atau hal ini disebut dengan GGL (Gaya Gerak listrik).

Apa itu Gaya Gerak Listrik (GGL)?

Syarat-syarat Gaya gerak listrik :

1.                Penghantar

2.                Medan magnet

3.                Gerakan penghantar memotong medan magnet

Proses terjadinya listrik :

Gerakan sebuah penghantar yang bergerak melintasi atau memotong medan magnet, akan menghasilkan suatu tegangan atau nilai potensial di kedua ujung penghantar tersebut. Listrik akan timbul di kedua ujung penghantar saat melewati atau memotong suatu medan magnet. Besar kecilnya Tegangan listrik yang dihasilkan akan berubah sesuai dengan cepat atau lambatnya gerakan penghantar memotong medan magnet. Dan arah atau posisi muatan listrik positif dan negatif akan berubah sesuai dengan arah gerakan penghantar tersebut. Oleh karena itu Listrik yang dihasilkan ini disebut listrik dengan arus Bolak balik atau listrik AC (Alternating Current) /tidak tetap. Dari prinsip gaya gerak listrik (GGL) inilah, berkembang dan diciptakanlah Generator atau pembangkit listrik arus bolak balik (AC).

Pembangkit listrik arus bolak balik Atau AC (Alternating Current) 3 Phase.

Pembangkit listrik arus bolak balik Atau AC (Alternating Current) tiga Phase, Pembangkit ini menghasilkan Tegangan listrik dengan tiga jenis muatan listrik positif (3 phase), sedangkan muatan Netral dihasilkan dari hasil perbintangan gulungan utama ketiga phase tersebut.

Generator dan Alternator

• Generator

Generator : Suatu alat yang memanfaatkan suatu sumber tenaga gerak dan mengubah tenaga gerak tersebut menjadi sumber tenaga listrik dengan proses induksi magnetik.

• Alternator

Alternator adalah : singkatan dari Alternating Current Generator.

Yaitu suatu alat yang memanfaatkan tenaga gerak dan mengubahnya menjadi sumber energi listrik arus bolak-balik atau Alternating Current (AC).

Prinsip dasar Alternator atau Alternating Current Generator

Seperti yang sebelumnya kita ketahui, bahwa listrik Arus bolak – balik / AC (alternating Current) dihasilkan dari gerakan suatu penghantar memotong medan magnet, Dari prinsip inilah pembangkit listrik dapat menghasilkan listrik.

Bagian-bagian utama dari Generator AC 3 phase:

1.                Main Field Stator (Gulungan utama pada Stator)

2.                Main Field Rotor (Gulungan utama pada Rotor)

3.                Exciter Field Stator (Gulungan pembangkit Stator)

4.                Exciter Field Rotor (Gulungan pembangkit Rotor)

5.                Rotating Rectifier (Diode penyearah)

6.                AVR (Automatic Voltage Regulator)

Prinsip dasar Gaya gerak istrik dalam suatu generator listrik AC (Alternator):

A. Penghantar

Main field stator : gulungan utama yang terdapat pada bagian stator (bagian yang tidak bergerak atau berputar) pada Alternator tersebut. 

Main field stator ini berfungsi sebagai penghantar dalam prinsip GGL, dan akan bertugas untuk menangkap (memotong) medan magnet dari Main field rotor, dan menghasilkan keluaran listrik AC.

B. Medan Magnet
Main Field Rotor : Gulungan utama yang terdapat pada bagian Rotor (bagian yang bergerak atau berputar) pada alternator tersebut.
Main field rotor berfungsi sebagai penghasil medan magnet pada bagian kumparan rotor. Seperti yang kita ketahui bahwa setiap logam yang dililit dengan penghantar dan dialiri arus listrik, induksi listrik tersebut akan mengubah logam yang dililitnya menjadi magnet. Sehingga bagian logam pada rotor alternator adalah sumber medan magnet utama yang akan ditangkap oleh Main field Stator (Penghantar).

C. Gerakan penghantar memotong medan magnet
Agar terjadi proses penghantar memotong medan magnet dan menghasilkan listrik AC pada penghantar, maka diperlukan suatu gerakan. Pada Generator listrik AC (Alternator), harus dihubungkan dengan sumber tenaga gerak, sumber tenaga gerak yang biasa dipakai pada Alternator, antara lain :

• Mesin diesel, Generator AC (Alternator) yang digerakkan dengan Mesin diesel, biasa kita sebut dengan Genset (generator Set)
• Tenaga uap atau Turbin, Generator AC (Alternator) yang digerakkan dengan tenaga uap (Turbin) biasa kita sebut dengan Turbin generator.
• Tenaga air atau biasa disebut dengan PLTA (Pembangkit listrik tenaga Air)
• Tenaga Nuklir, Tenaga gas, tenaga angin, dan berbagai tenaga penggerak lainnya.

Tenaga gerak ini akan memutar bagian Rotor yang yang menjadi bagian medan magnet utama, akibat perputaran rotor ini, menyebabkan terjadinya proses medan magnet memotong penghantar atau sama dengan proses penghantar memotong medan magnet. Dalam hal ini, medan magnet adalah Main field rotor, penghantar adalah Main field Stator, dan sumber tenaga gerak menyebabkan terjadinya proses perpotongan medan magnet oleh penghantar. Dan sesuai dengan prinsip GGL (Gaya Gerak Listrik) , proses ini akan menghasilkan energi listrik pada main field stator.

Lalu bagaimana Main field Rotor dapat menjadi magnet ?

D. Proses Excitation (Excitor)

Untuk menjadikan Main field rotor menghasilkan medan magnet, dibutuhkan sumber listrik pembangkit. Sebagai pembangkit atau sumber listrik bantu untuk mengubah Main field Rotor menjadi medan magnet utama pada Alternator adalah gulungan Exciter (pembangkit).

Exciter adalah penghasil Listrik yang dialirkan ke Main field Rotor (Gulungan Utama pada Rotor).

Fungsi Exciter pada generator AC 3 Phase

Exciter adalah gulungan bantu pada generator yang berfungsi untuk menyupplai atau menghasilkan tegangan listrik untuk dialirkan ke Gulungan Rotor utama pada generator agar Gulungan Rotor dapat mengubah listrik tersebut menjadi medan Magnet utama. Exciter menghasilkan listrik arus bolak-balik (AC) , Lalu disearahkan atau diubah menjadi listrik DC (Arus searah) oleh Dioda penyearah yang disebut Rotating rectifier sebelum dialirkan ke gulungan rotor utama.

Exciter pada Generator listrik AC 3 Phase terdiri dari dua bagian utama ,yaitu :

Exciter Field Stator atau gulungan Exciter yang terdapat pada bagian stator (Bagian yang tidak bergerak) pada Alternator atau Generator tersebut. Exciter Stator berfungsi sebagai penghasil medan magnet.

Exciter Field Rotor atau gulungan Exciter yang terdapat di bagian Rotor (Shaft / poros yang berputar) pada generator tersebut. Exciter Rotor berfungsi untuk mengubah medan magnet dari Exciter Stator menjadi Listrik dalam bentuk AC (Alternating Current).

Lalu disearahkan dengan bantuan dioda pada rotating rectifier, listrik DC (Searah) lalu dialirkan ke Gulungan Rotor Utama, sehingga Rotor menghasilkan Medan Magnet Utama yang kuat.

Exciter berfungsi untuk menyuplai atau mengirimkan tegangan Prinsip kerja Exciter dapat menghasilkan listrik pembangkit sama halnya dengan prinsip GGL (Gaya Gerak Listrik) yaitu gerakan suatu penghantar memotong medan magnet.

Exciter pada suatu alternator terdiri dari dua jenis gulungan, yaitu:

1. Exciter field Stator (Medan magnet)

Gulungan Exciter pada stator (bagian yang tidak bergerak atau berputar), biasanya terpasang di bagian belakang pada alternator, dengan ukuran gulungan yang lebih kecil. Exciter stator adalah gulungan yang berperan sebagai penghasil medan magnet pada prinsip GGL dan berfungsi sebagai penghasil medan magnet yang akan ditangkap oleh bagian Exciter rotor.

2. Exciter Rotor (Penghantar)

Gulungan Exciter pada Rotor (bagian yang bergerak atau berputar), biasanya terpasang pada bagian belakang rotor. Dengan ukuran yang lebih kecil. Exciter Rotor adalah gulungan yang berperan sebagai penghantar pada prinsip GGL, dan akan menangkap atau memotong medan magnet yang dihasilkan dari Exciter Stator.

E. Proses penghantar memotong medan magnet

Saat sumber tenaga gerak memutar rotor, Gulungan Exciter Rotor juga akan berputar dan akan terjadi proses Penghantar (dalam hal ini Exciter Field Rotor) memotong medan magnet (dalam hal ini Exciter Field Stator), dan akan menghasilkan listrik pada ujung gulungan Exciter Field Rotor tersebut. Exciter Field rotor akan menghasilkan listrik Arus bolak balik (AC) tiga phase. Yang akan digunakan untuk mengubah gulungan utama pada rotor (Main Field Rotor) menjadi medan magnet Utama.

F. Rotating Rectifier

Rotating Rectifier adalah salah satu bagian penting yang terdapat pada suatu Alternator atau pembangkit listrik arus bolak balik (AC). Untuk menghasilkan medan magnet yang cukup besar pada Main Field Rotor, dibutuhkan sumber listrik, dan sumber listrik yang baik untuk menghasilkan medan magnet yang stabil dan kuat adalah listrik DC (Arus searah). Oleh karena itu pada Alternator dilengkapi dengan Rotating rectifier yang berfungsi untuk mengubah listrik Arus bolak – balik (AC) yang dihasilkan Exciter Rotor menjadi Listrik DC (Arus searah). Dengan menggunakan dioda – dioda penyearah. Rotating Rectifier (Penyearah / penyesuai arus listrik yang ikut berputar bersama dengan rotor) terpasang pada bagian Rotor dan ikut berputar, oleh karena itulah disebut dengan nama Rotating (berputar).

Lalu bagaimana exciter Stator dapat menjadi magnet?

Seperti yang sebelumnya kita ketahui, diperlukan sumber listrik untuk menghasilkan medan magnet, pada Exciter Field Stator juga diperlukan sumber listrik, sumber listrik yang diterima Exciter Field stator adalah berasal dari AVR (Automatic Voltage Regulator).

Namun saat pertama kali suatu generator akan dioperasikan, belum memiliki sumber listrik pembangkit excitor, oleh karena itu biasanya gulungan Exciter stator perlu disupplai sumber listrik external, seperti dari baterai 12 V. Setelah Generator beroperasi dengan normal dan berkelanjutan, Gulungan Exciter Stator akan tetap menyimpan sedikit medan magnet. Selanjutnya setiap pengoperasian generator, medan magnet yang masih tersisa / tersimpan dalam gulungan Exciter Stator akan digunakan sebagai sumber penguat pertama, dan nilai tegangannya akan meningkat seiring dengan proses penguatan Excitation yang diatur oleh AVR.

Prinsip Excitation ini biasa disebut dengan SELF EXCITED GENERATORS.

G. AVR

AVR atau Automatic Voltage Regulator : Suatu alat yang terpasang pada Generator AC (Alternator) dan memiliki fungsi secara terus menerus menjaga besaran output Voltage (tegangan listrik yang dihasilkan) agar tetap stabil sesuai dengan besaran tegangan atau Voltage yang diinginkan.

Dengan prinsip kerja menerima tegangan listrik yang dihasilkan dari gulungan utama (Main field Stator) dan dijadikan sebagai sensor keadaan tegangan sebenarnya, dan mengirimkan tegangan listrik ke Exciter. Besar kecilnya tegangan yang dikirimkan ke Exciter tergantung dari besar kecilnya tegangan yang disensornya dari Output Voltage (tegangan keluar) dari gulungan utama (Main Field stator). Dan sumber listrik yang dikirimkan ke Exciter berasal dari Output Voltage (Tegangan keluaran) gulungan utama. Ini juga alasan mengapa disebut dengan "SELF EXCITED GENERATORS"

Kesimpulan :

• Pada generator AC (Alternator), listrik dihasilkan dari gulungan utama stator (Main Field Stator)
• Main Field Stator (Gulungan utama) menghasilkan listrik dari perpotongan medan magnet, dan medan magnet utama dihasilkan dari Main Field Rotor.
• Main field Rotor dapat menghasilkan medan magnet karena diberi sumber listrik dari Exciter Rotor. Dan listrik yang dihasilkan sebelumnya dirubah menjadi arus searah melalu Rotating Rectifier.
• Exciter field Rotor menghasilkan listrik sebagai pembangkit medan magnet utama, karena gerakan perpotongan medan magnet yang dihasilkan dari Exciter Field Stator.
• Exciter Field Stator dapat menghasilkan medan magnet karena mendapat supplai listrik dari AVR, dan AVR mendapatkan supplai listrik dari gulungan utama (Main Field Stator)
• Saat pertama kali dioperasikan, Exciter Field Stator belum memiliki medan magnet, karena itu AVR juga belum mendapatkan sumber listrik dari Gulungan utama. Maka biasanya harus di supplai dari sumber listrik eksternal untuk menghasilkan medan magnet pada Exciter Field stator. Dan setelah itu, Exciter Field stator akan menyimpan sedikit medan magnet. Medan magnet yang masih tersisa tersebut, akan dinaikkan setelah generator dioperasikan dengan bantuan AVR, Sampai pembangkit listrik menghasilkan besaran nilai tegangan listrik yang diinginkan.

Selain Generator dengan prinsip excitation SELF EXCITED GENERATORS, beberapa generator juga memiliki sistem Excitation dengan bantuan PMG (Permanent Magnet Generators) atau disebut dengan PMG-EXCITED GENERATORS.

Sumber: https://duniaberbagiilmuuntuksemua.blogspot.co.id