Prinsip Kerja Generator AC

Arus listrik AC (Alternating Current) merupakan arus listrik yang arahnya bolak-balik pada sebuah rangkaian listrik. Jika pada rangkaian listrik DC arus listrik mengalir dari kutub positif ke kutub negatif, lain halnya dengan rangkaian listrik AC dimana arus listrik bergerak secara periodik berbolak-balik arah dari kutub satu ke yang lainnya.

Perbedaan Arus Listrik AC dan DC
(Sumber)

Berbolak-baliknya arah arus listrik AC menghasilkan nilai arus yang secara periodik akan bernilai positif dan negatif. Jika digambarkan pada sebuah grafik, maka nilai arus listrik AC akan membentuk gelombang sinusoidal yang memiliki nilai frekuensi tertentu.

Diagram Arus Listrik Bolak-Balik (AC)
(Sumber)

Bentuk arus listrik AC yang sedemikian rupa berkaitan dengan generator listrik yang membangkitkannya. Generator listrik AC memiliki prinsip kerja yang serupa dengan generator DC yakni menggunakan prinsip elektromagnetik (baca artikel Prinsip Kerja Generator DC berikut), hanya saja ada satu komponen yang membuat arus listrik yang terbangkitkan berupa arus bolak-balik. Komponen tersebut adalah slip ring. Generator AC menggunakan slip ring dengan bentuk lingkaran penuh yang berbeda dengan slip ring pada generator DC yang berupa cincin belah. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan komponen-komponen utama generator listrik AC berikut ini.

Komponen-Komponen Generator Listrik AC
(Sumber)

Sebelum lebih dalam membahas generator AC, ada baiknya kita mengenal hukum Faraday mengenai induksi elektromagnetik sebagai fenomena dasar yang diterapkan pada generator. Hukum Faraday menyebutkan jika terjadi perubahan garis gaya magnet pada sebuah kumparan kawat, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl) pada kawat tersebut. Jika kumparan kawat dihubungkan dengan rangkaian listrik tertutup, maka akan timbul pula arus listrik yang mengalir pada rangkaian.

Kaidah Tangan Kanan Fleming
(Sumber)

Memahami hukum Faraday, kita tidak dapat lepas dengan kaidah tangan kanan yang diperkenalkan oleh John Ambrose Fleming. Kaidah tangan kanan fleming adalah sebuah metode mneumonik untuk memudahkan kita menentukan arah vektor dari ketiga komponen hukum Faraday, yakni arah gaya gerak kumparan kawat, arah medan magnet, serta arah arus listrik. Jika Anda menirukan posisi jari tangan kanan Anda seperti pada gambar di atas, maka ibu jari akan menunjukkan arah gaya (torsi), jari telunjuk menunjukkan arah medan magnet, dan jari tengah menunjukkan arah arus listrik.

Kembali pada skema komponen-komponen generator AC di atas, rotor generator diskemakan dengan sebuah kawat angker penghantar listrik (armature) yang membentuk persegi panjang. Masing-masing ujung kawat angker terhubung dengan cincin logam yang biasa kita kenal dengan sebutan slip ring. Slip ring ini termasuk bagian dari rotor, sehingga ia ikut berputar dengan rotor. Komponen slip ring inilah yang membedakan antara generator AC dengan DC. Jika pada generator DC digunakan cincin belah sebagai penyearah arus, pada generator AC slip ring berbentuk lingkaran penuh dan terhubung dengan masing-masing ujung armature.

Untuk sisi stator generator tersusun atas dua magnet dengan kutub berbeda yang saling berhadapan. Pada bagian yang kontak langsung dengan slip ring, stator dilengkapi dengan sikat karbon yang berfungsi untuk menghubungkan arus listrik yang dibangkitkan pada kawat angker ke rangkaian listrik di luar generator.

Skema Prinsip Kerja Generator AC
(Sumber)

Gambar di atas adalah skema sederhana proses kerja generator AC. Kawat angker ABCD dapat berputar terhadap sumbu a-b, dan berada di tengah-tengah medan magnet N-S. Kawat angker sedang dalam kondisi diputar oleh sumber dari luar, dengan arah yang berlawanan arah putaran jarum jam sesuai pada gambar. Putaran ini memberikan gaya torsi dengan arah yang selalu tegak lurus dengan kawat angker.

Sekarang mari kita perhatikan bagian kawat angker sisi C-D pada gambar sebelah kiri. Kawat tersebut bergerak ke atas (keluar bidang gambar) sesuai dengan torsi arah putaran gaya luar. Gerakan kawat angker ini memotong garis gaya magnet sehingga akan timbul gaya gerak listrik di kawat angker tersebut. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan Fleming, maka dengan mudah dapat kita tentukan arah arus listrik yang terbangkitkan yakni ke bawah dari titik C ke D. Sehingga arah arus pada tahanan R adalah dari kanan ke kiri. Begitu pula pada kawat angker sisi A-B yang mengalami gaya torsi ke bawah (masuk bidsng gambar), sehingga jika kita menggunakan kaidah tangan kanan Fleming maka akan kita dapatkan arah arus listrik dari titik A ke B.

Seiring dengan berputarnya poros generator, maka kawat angker generator akan berpindah posisi sesuai dengan gambar sebelah kanan. Pada kondisi ini, dengan menggunakan cara yang sama seperti sebelumnya, akan dapat dengan mudah kita simpulkan bahwa aliran arus listrik di sisi kawat angker A-B adalah dari titik B ke A. Sedangkan pada sisi kawat C-D arah arus listrik yakni dari titik D ke C. Dengan masing-masing sisi kawat angker yang selalu bersentuhan dengan slip ring tersendiri, maka arah arus listrik yang dibangkitkan pada konfigurasi kawat angker gambar kanan adalah kebalikan dari gambar kiri. Disinilah arus bolak-balik listrik AC berasal.

Gelombang Sinusoidal Arus AC
(Sumber)

Dengan penjelasan di atas maka arus listrik AC memiliki karakter unik yakni nilai arus yang fluktuatif dari positif hingga negatif. Tiap-tiap posisi kawat angker memiliki nilai arus yang berbeda-beda, dan akan kembali bernilai sama jika kawat angker rotor kembali ke posisi nol nya (telah berputar 360^o). Gambar di atas adalah gelombang sinusoidal arus listrik yang dibangkitkan oleh generator AC. Gambar sebelah kiri adalah ilustrasi penampang generator AC dengan berbagai posisi kawat angker rotor. Sedangkan gambar yang sisi kanan adalah grafik sinusoidal arus listrik AC dengan sumbu Xadalah waktu, dan sumbu Y adalah nilai arus listrik. Grafik arus listrik AC disebut dengan grafik sinusoidal karena nilai arus listrik sesuai dengan prinsip trigonometri fungsi sinus (x(t) = Amax.sinθ).

Frekuensi Listrik AC

Frekuensi menjadi salah satu karakter arus listrik AC, tentu saja hal ini dikarenakan bentuk grafik arus listrik yang berupa gelombang sinusoidal. Frekuensi adalah jumlah gelombang yang terjadi di setiap satu detik, dengan satuan frekuensi yaitu Hertz. Pada gambar di atas satu gelombang voltase listrik AC dihasilkan oleh satu putaran penuh kawat angker rotor lilitan single, di dalam medan magnet kutub utara-selatan. Putaran rotor yang konstan akan menghasilkan frekuensi listrik AC yang konstan pula. Sehingga jika putaran rotor semakin cepat, maka frekuensi listrik juga akan semakin besar. Oleh karena itulah nilai frekuensi listrik AC adalah berbanding lurus dengan kecepatan rotasi rotor ( ƒ ∝ Ν ), dengan N = rpm.

Pada gambar sederhana di atas kita juga hanya menggunakan kutub tunggal untuk masing-masing kutub utara dan selatan, sehingga hanya terdapat satu arah garis gaya magnet. Misalkan saja kita menambah satu pasang lagi kutub magnet sehingga terdapat dua kutub utara dan dua kutub selatan, maka untuk satu saja putaran kumparan rotor akan menghasilkan dua gelombang sinusoidal listrik AC. Dapat disimpulkan disini bahwa nilai frekuensi listrik AC juga berbanding lurus dengan jumlah pasangan kutub magnet ( ƒ ∝ P ), dimana P = jumlah pasangan kutub magnet stator generator.

Dengan ini dapat kita simpulkan bahwa nilai frekuensi listrik AC sebuah generator AC dapat kita hitung menggunakan rumus sederhana berikut :

 dengan f = ^gelombang / _menit

atau,

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