Penjana Au

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

3.0 PENJANA ARUS ULANGALIK Penjana a.u beroperasi sama seperti penjana a.t iaitu berasaskan prinsip aruhan elektromagnetik. Dimana kedua-dua penjana ini mempunyai gelung angker dan medan magnet. Diketahui dalam penjana a.t. angker yang berputar dan medan magnet pegun sebaliknya dalam penjana a.u. kebanyakannya medan magnet yang berputar dan angker pegun. Pengujaan tambahan dari luar diperlukan kerana penjana a.u tidak boleh menguja dirinya sendiri. Penjana a.u juga dikenali sebagai pengulang alik (alternator). “Large alternators powered by engines, steam turbines, and water turbines produce electricity on a commercial scale. Alternators are sometimes called AC generators because they generate alternating current (AC). An electric generator that produces nonreversing current, or direct current (DC), is called a DC generator, magneto, or dynamo. More often, it is simply called a generator. Alternators and DC generators make use of the same principle but are built differently and used for different purposes.”

3.0.1 AC GENERATOR ACTION An alternating current generator, or AC generator, produces an alternating current, which means the voltage produced alternately reverses from positive to negative polarity, producing a corresponding change in the direction of current flow.

Gambarajah penjana mudah

Much like a DC generator, an AC generator requires a coil to cut across the force lines of a magnetic field. This coil is attached to two slip rings, which deliver the current to and from the load destination, thus completing the circuit. During the first half turn, the coil cuts across the field near the magnet's north pole. Electrons travel up the wire, and the lower slip ring becomes positively charged. When the coil cuts near the South Pole of the wire during the second half turn, the lower slip ring becomes negatively charged, and electrons move down the wire. The faster the coil turns, the faster the electrons move, increasing the frequency (in Hertz) of the current produced by the generator.

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

1

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

3.1 JENIS PENJANA A.U Penjana a.u direka mengikut teori prinsip penjanaan d.g.e. Tebahagi kepada 2 jenis iaitu :  Jenis angker berputar medan pegun dan  Jenis medan berputar angker pegun.

3.1.1 ANGKER BERPUTAR MEDAN PEGUN 

Dapat menjana voltan yang rendah sahaja, sebab sukar untuk menambah kekuatan fluks, jika hendak meningkatkan juga voltan janaan maka bilangan pengalir mestilah ditambah begitu juga saiz berus, gelang gelincir dan rangka alat serta mesin. Ini memerlukan perbelanjaan yang besar dan menyukarkan. Biasanya mesin ini tidak ditutup di penghujung belakangnya bagi memudahkan pemerhatian dan pengendalian.



U

Pemutar (rotor)

Penggerak Utama

Bekalan Keluar A.U S

Bekalan Masukan (ujaan) A.T

(The rotor will be the armature if the voltage output is generated there.)

Gambarajah Angker Berputar Medan Pegun

3.1.2 MEDAN BERPUTAR ANGKER PEGUN     

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

Dapat menjana voltan yang tinggi, voltan yang dijana diambil daripada medan kutub pegun bukan dari angker. Arus yang dikeluarkan besar. Tidak ada bahagian pengalir yang bergerak. Oleh itu pengalir boleh ditambah tanpa menambah saiz angker dan kekuatan penggerak. Mesin ini biasa ditutup sepenuhnya dan disejukkan dengan cara hembusan angin. Mengeluarkan voltan 3 fasa

2

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

U

Pemutar (rotor)

Penggerak Utama

Bekalan Masuk (ujaan) A.T S

Bekalan Keluar A.U

(The stator will be the armature if the volage output is generated there.)

Gambarajah Medan Berputar Angker Pegun

3.2 DUA BAHAGIAN UTAMA PENJANA A.U Stator (Pemegun) Bahagian yang tidak bergerak dan menempatkan lilitan medan. Mengandungi lilitan utama dan lilitan permulaan. Terdiri dari kerangka dan teras pegun.

Rotor (Pemutar) Bahagian yang berputar dan menempatkan gelung angker. Lilitannya tidak sisambung kepada bahagian lain motor. Jenis yang selalu digunakan: i. Rotor sangkar tupai ii. Rotor gelang pisah

Kerangka bertindak sebagai penyokong teras pegun dan dibuat dari besi tuang.

3.2.1 STATOR (PEMEGUN) Terdiri dari dua bahagian iaitu ; a) Bingkai  diperbuat dari besi tuang atau plet keluli lembut,  hanya bertindak sebagai penyokong kepada teras pemegun sahaja. b) Teras pemegun.  diperbuat daripada lapisan besi atau aloi  disisinya mempunyai lubang-lubang alur.  lubang-lubang alur ini ditempatkan dengan belitan angker.

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

3

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

Gambarajah Stator

3.2.2 ROTOR (PEMUTAR) Terdapat 2 jenis pemutar dalam penjana A.U. iaitu, a) Pemutar Jenis Kutub Menonjol Berbentuk seperti “flywheel”, diguna untuk penjana berkelajuan rendah dan sederhana. Kebaikan pemutar jenis kutub menonjol. i) Penyelenggaraannya mudah ii) Kos selenggaraannya rendah iii) Pemutar jenis ini lebih ringan berbanding jenis kutub silinder.

Gambarajah pemutar jenis kutub menonjol

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

4

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

b) Pemutar Jenis Kutub Silinder Berbentuk seperti silinder, biasanya mempunyai 2 atau 4 kutub sahaja. Kebaikan pemutar jenis silinder. i) Pemutar jenis ini mempunyai imbangan yang baik. ii) Bunyinya lebih senyap. iii) Mempunyai kehilangan angin yang minima.

Gambarajah pemutar jenis silinder

3.3. PENGGERAK UTAMA (PRIME MOVER) BAGI PENJANA A.U. IALAH ; a) b) c) d)

Turbin hidro Turbin gas Turbin stim Engin diesel

3.3.1 PERBEZAAN ANTARA PENJANA A.T. DENGAN PENJANA A.U.     

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

A.T Angker berputar , medan pegun. Mengguna Penukar tertib Menghasilkan Arus terus Tidak memerlukan pengujaan daripada luar

   

Menghasilkan voltan yang tidak  boleh diubah nilainya

A.U Angker pegun , medan berputar. Mengguna Gelang gelincir Menghasilkan Arus ulang alik Memerlukan pengujaan tambahan daripada luar kerana tidak boleh menguja dirinya sendiri. Menghasilkan satu voltan yang yang boleh diubah nilainya kepada nilainilai yang lebih tinggi untuk tujuan penghantaran 5

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

3.3.2 KELEBIHAN PENJANA A.U BERBANDING PENJANA A.T Penjana A.U Penjana A.T Voltan keluaran boleh diubah dan Voltan keluaran tidak sesuai diagihkan dijana/diagih dengan cekap. kerana menggunakan penukar tertib. Binaannya ringkas dan tidak perlu Binaanya adalah sama seperti penjana a.u selenggaraan yang tinggi Pengunaanya luas. Penggunaanya terhad.

3.3.3 KEGUNAAN / APLIKASI PENJANA A.U 1. 2. 3. 4.

Welding generator Sistem janakuasa Motor generator set Synchronous Generators (Railway network)

3.4 KONSEP SEGERAK DALAM PENJANA A.U “Note: Armature - The power-producing component of an alternator or generator. The armature can be on either the rotor or the stator, depending on the type of generator. The rotor will be the armature if the voltage output is generated there and the stator will be the armature if the voltage output is generated there.”

Konsep segerak dalam penjana a.u di sini saya merujuk kepada gelung angker terletak di stator dan gelung medan di lilit pada rotor atau yang dikatakan dari penjana a.u jenis medan berputar angker pegun. Konsep segerak dalam penjana a.u. secara ringkasnya adalah seperti berikut. 1. 2.

3. 4.

Bila bekalan a.t diberikan kepada rotor, ia akan menghasilkan medan magnet pada setiap kutub-kutub magnet dan mengelektromagnetkan teras besi. Aci yang diputarkan oleh penggerak utama akan menyebabkan rotor turut berputar seterusnya memotong medan magnet yang dihasilkan oleh angker dan menghasilkan d.g.e. di dalam gelung angker. Seterusnya medan magnet angker turut berputar mengikut putaran medan rotor pada kelajuan tertentu. Inilah yang dikatakan sebagai konsep segerak dalam penjana a.u.

3.4.1 BILANGAN KITARAN D.G.E YANG TERJANA Bilangan kitaran d.g.e yang terjana dalam satu pusingan penuh pergerakan pemutar adalah bersamaan dengan jumlah pasangan kutub yang terdapat pada pemutar penjana berkenaan. Bilangan kitaran d.g.e yang terjana bagi satu pusingan penuh pergerakan pemutar ialah; f 

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

P 2

6

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

Bilangan pusingan pemutar dalam satu saat ialah = N / 60. Oleh itu bilangan kitaran (f) bagi d.g.e yang terjana dalam satu saat ialah:

f 

P N PN   Hz 2 60 120

3.4.2 CONTOH SOALAN Darpada jadual di bawah berapakah frekuansi d.g.e yang dijana oleh penjana a.u ini. Bilangan kutub (P) Kutub kelajuan)

2 3600

4 1800

6 1200

8 600

10 300

12 200

3.4.3 FORMULA VOLTAN JANAAN A.U Jumlah voltan yang terjana dalam penjana a.u bergantung kepada : i) Bilangan pengalir ii) Kekuatan fluks dan iii) Kelajuan putaran pengalir atau medan magnet.

Z

: Number of conductors or coil sides in series or phase Z = 2T ; where T is number of coil or turn per phase.  remember one turn or coil has two side.

P

: Number of poles.

F

: Frequency of induced E.M.F in Hz.



: Flux pole in Weber.

kd

: Distribution factor.

kd  kc or kp

sin m 2 m sin  2

: Pitch or coil span factor

k p  cos  2 kf

: Form factor

k f  1.11; if E.M.F is assumed sinusoidal N Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

: Rotative speed of the rotor in rpm. 7

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

Actually available voltage phase (rms) is

E phase  2k f kd k p fZ E phase  2.22kd k p fZ

If the number of coil or turn per phase (T) is given,

E phase  2k f kd k p f (2T ) E phase  4.44k d k p fT If you want to know the line of the voltage generator,

Eline  3 E phase

Example An alternator three phase, have two poles, 210 conductors inside the armature winding and value of flux per poles is 17.5mWb. The waveform for this machine is a sinusoidal and the frequency to generate the voltage is 50Hz. Assume that kd and kp is unity. Calculate the rms voltage generates in a single phase.

Solution Given: P Z  f kd kp

Diketahui:

Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

: : : : : :

2 210 17.5 x 10-3 50 1 1

E phase  2.22kd k p fZ

8

E3106 – MESIN ELEKTRIK DAN KAWALAN

JKE POLIMAS

 The rms voltage generates in a single phase

E phase  2.22k d k p fZ E phase  2.22(1)(1)(50)(17.5  103 )(210) E phase  408V #  The rms voltage line generates Diketahui:

Eline  3 E phase Eline 

3E phase

Eline 

3 (408)

Eline  707V # 3.5 PENGATUR VOLTAN Dalam keadaan tiada beban disambung pada penjana, voltan terminal adalah sama nilai dengan voltan yang terjana di dalam penjana, tetapi apabila beban disambungkan pada penjana nilai voltan terminal akan berubah samada bertambah atau berkurang bergantung kepada jenis beban yang dikenakan. Oleh itu satu litar pengaturan voltan diadakan bagi tujuan untuk menstabilkan voltan terminal dari berubah-ubah akibat daripada beban yang dikenakan atau juga disebut sebagai akibat daripada faktor kuasa beban. Faktor kuasa beban yang mempengaruhi kejatuhan voltan adalah disebabkan oleh faktor-faktor berikut iaitu: a) b) c)

Rintangan gelung stator Regangan gelung stator dan Akibat tindak balas angker

Pengaturan voltan penjana a.u biasanya diungkap dalam peratus dan ditakrifkan seperti berikut ; Pengaturan ialah perbezaan antara voltan terminal penjana tanpa beban dengan voltan terminal ketika beban penuh per dengan voltan terminal ketika beban penuh.

Peratus Pengaturan =

VN L  VFL VFL

x 100

VNL = Voltan terminal tanpa beban (ialah voltan yang terjana dalam penjana, Eg) VFL = Voltan terminal ketika beban penuh (iaitu ketika beban dikenakan pada penjana) Izdihar AB 8/9/2007 4.32pm

9