PENJANA ARUS ULANG ALIK G3

ISI KANDUNGAN

1 PENGENALAN PENJANA
AU
BINAAN PENJANA AU
2
6
GAMBAR-GAMBAR
PRINSIP KENDALIAN BERKENAAN

12 9

JENIS-JENIS PENJANA AU OPERASI/SIMULASI
PENJANA AU
17
15
KELEBIHAN &
KEKURANGAN PENJANA SPESIFIKASI PENJANA AU

19 18

CONTOH PENGIRAAN APLIKASI PENJANA AU
PENJANA AU
21

Pengenalan

Arus ulang alik (AU) digunakan terutamanya dalam industri pengangkutan dan pengeluaran
elektrik. Malah, hampir setiap isi rumah di dunia dikuasakan oleh AU. Arus ulang alik
cenderung digunakan untuk pengagihan kuasa. Hal ini kerana ia mempunyai kelebihan
bahawa ia ditukar kepada voltan lain menggunakan pengubah (transformer). Pengubah tidak
berfungsi dengan arus terus. AU ialah arus yang sentiasa berubah-ubah alirannya mengikut
masa dan mengalir di dalam dua keadaan sama ada pada nilai negatif atau pun nilai positif.
Perubahan arah aliran arus ini disebabkan oleh perubahan kutub punca voltan penjana arus
ulang alik yang silih berganti.

Rajah 1 : Ciri-Ciri Arus Ulang Alik

Manakala penjana pula merupakan tenaga mekanikal yang ditukar kepada tenaga elektrik.
Di mana ia berfungsi berdasarkan prinsip hukum Faraday aruhan elektromagnet. Jadi,
penjana ulang alik ialah mesin yang menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik.
Tenaga elektrik yang dihasilkan ini adalah dalam bentuk gelombang keluaran sinusoidal
arus ulang alik. Di dalam bab ini akan membincangkan prinsip penjana arus ulang alik
menggunakan contoh yang mudah dan cara kerja yang sebenar bagi penjana arus ulang
alik.

Oleh kerana, penjana AU bekerja pada prinsip hukum Faraday aruhan elektromagnet yang
menyatakan daya gerak elektrik (EMF) atau voltan dijana dalam pembawa arus yang
memotong medan magnet seragam, maka hal ini boleh dicapai dengan memutarkan
gegelung pengalir dalam medan magnet statik atau dengan memutarkan medan magnet
yang mengandungi pengalir pegun.

Jadi susunan yang terbaik adalah dengan FORMULA PENJANA
memastikan gegelung tidak bergerak
kerana lebih mudah untuk menarik arus Formula penjana berdasarkan pada hukum
ulang alik teraruh daripada gegelung Faraday dikaitkan dengan :
angker pegun daripada gegelung berputar.
Oleh itu, EMF yang dihasilkan bergantung

pada bilangan lilitan gegelung angker,
kekuatan medan magnet, dan kelajuan e = Voltan janaan (volt)
medan berputar.
∅N = Jumlah lilitan pengalir
PENGENALAN PENJANA AU = Jumlah fluks perkutub (weber)
t = Masa (saat)

1

1 BINAAN PENJANA Binaan Asas 1 Fasa
ARUS ULANG ALIK (AU) Penjana Arus Ulang Alik

Binaan Asas 1 Fasa
Penjana Arus Ulang Alik

Komponen-Komponen Penjana AU

Gelang Gelincir Berus Karbon Belitan pemegun

belitan angker Pemutar Kuk

Medan Magnet

BINAAN PENJANA AU 2

1.1 PENERANGAN BINAAN
PENJANA AU

Gelang Gelincir

Benarkan arus DC mengalir ke belitan medan
pada rotor untuk menghasilkan medan magnet

Berus Karbon

Menyambung litar angker ke punca keluaran
penjana.

Medan Magnet

terdiri daripada gegelung pengalir yang menerima
bekalan voltan dan menghasilkan fluks magnet.
Fluks magnet dalam medan memotong angker
untuk menghasilkan fluks magnet. Voltan ini ialah
voltan keluaran penjana AU

Gegelung belitan angker

Apabila arus mengalir dalam belitan, setiap
kumpulan mengeluarkan satu kutub magnet
bergantung kepada arah pengaliran arus dan
daya gerak magnet.

BINAAN PENJANA AU 3

1.1 Pemutar (Rotor)

Rotor ialah bahagian berputar penjana AC. Ia terdiri
daripada belitan medan magnet. Setiap hujung
belitan medan magnet dilekatkan pada gelang
gelincir. Gabungan ini disambungkan kepada aci
biasa di mana pemutar berputar. Terdapat dua jenis
rotor yang dinamakan sebagai :

Pemutar

Kutub Menonjol

Bilangan kutub yang diunjurkan,
dikenali sebagai kutub menonjol
dengan tapaknya disematkan pada
pemutar. Ia digunakan dalam aplikasi
kelajuan rendah dan sederhana.

Pemutar
Kutub Tidak Menonjol

Tiada kutub yang diunjurkan tetapi
kutub dibentuk oleh arus yang
mengalir melalui belitan pemutar
(penguja). Pembinaan jenis ini adalah
sesuai untuk yang tinggi kelajuan.

FAKTA PENTING

Sumber arus ulang-alik adalah daripada
penjana arus yang menggunakan prinsip
aruhan yang menukarkan tenaga mekanik
kepada tenaga elektrik. Penjana ini
dinamakan sebagai penjana AU.

BINAAN PENJANA AU 4

Belitan Pemegun (Stator)

Pemegun ialah komponen pegun yang memegang
belitan angker dengan cekap. Tujuan belitan angker
adalah untuk membawa arus ke beban dan beban
boleh menjadi sebarang peralatan luaran yang
menggunakan kuasa elektrik. Ia terdiri daripada tiga
bahagian utama:

Pemutar

Kutub Menonjol

Ia adalah bingkai luar yang digunakan untuk memegang teras pemegun serta
belitan angker

Pemutar
Kutub Tidak Menonjol

Ia dilaminasi dengan keluli atau besi untuk mengurangkan kehilangan
arus pusar. Slot dibuat pada bahagian dalam teras untuk memegang
belitan angker.

Pemutar
Kutub Tidak Menonjol

Belitan angker dililit pada slot teras angker.

Secara amnya sebuah mesin terdiri daripada dua bahagian utama iaitu bahagian
luaran yang tidak bergerak dipanggil pemegun dan bahagian dalaman yang
berputar dipanggil pemutar. Pemegun dan pemutar dipisahkan oleh sela udara
yang bertindak selaku bahanantara pemindahan medan magnet.

BINAAN PENJANA AU 5

2 GAMBAR-GAMBAR
BERKENAAN PENJANA AU

GAMBAR-GAMBAR BERKENAAN 6

2.1 GAMBAR-GAMBAR
BERKENAAN PENJANA AU

GAMBAR-GAMBAR BERKENAAN 7

2.2 GAMBAR-GAMBAR
BERKENAAN PENJANA AU

GAMBAR-GAMBAR BERKENAAN 8

3 PRINSIP KENDALIAN
PENJANA AU

Mengikut undang-undang aruhan elektromagnet Faraday, apabila konduktor disambungkan
dengan fluks yang berubah-ubah, ia akan mempunyai EMF teraruh merentasinya. Nilai EMF
teraruh merentasi konduktor bergantung pada kadar perubahan hubungan fluks dengan
konduktor. Arah emf teraruh dalam konduktor boleh ditentukan oleh Hukum Tangan Kanan
Fleming. Peraturan ini mengatakan bahawa pada tangan kanan anda jika anda
meregangkan ibu jari anda, jari pertama dan jari kedua berserenjang antara satu sama lain,
dan jika anda menyelaraskan ibu jari tangan kanan anda sepanjang arah gerakan konduktor
dalam medan magnet, dan jari pertama sepanjang arah medan magnet, maka jari kedua
anda menunjukkan arah emf dalam konduktor.

Rajah 1 : Ciri-Ciri Arus Ulang Alik

Hukum ini menyatakan bahawa apabila konduktor bergerak dalam medan magnet ia
memotong garisan daya magnet yang mendorong daya elektromagnet (EMF) dalam
konduktor. Magnitud EMF teraruh ini bergantung pada kadar perubahan fluks (daya garis
magnet) hubungan dengan konduktor. EMF ini akan menyebabkan arus mengalir jika litar
pengalir ditutup. Oleh itu, dua bahagian penting penjana yang paling asas ialah:

Medan Magnet Konduktor yang bergerak di
dalam medan magnet itu.




PRINSIP KENDALIAN PENJANA AU 9

2.1 PRINSIP KENDALIAN 10
PENJANA AU

Gelung segi empat tepat konduktor ialah ABCD yang
berputar di dalam medan magnet mengenai paksi ab nya.
Apabila gelung berputar dari kedudukan menegak ke
kedudukan mendatar, ia memotong garisan fluks medan.
Semasa pergerakan ini dua belah, iaitu AB dan CD gelung
memotong garisan fluks akan ada EMF teraruh di kedua-
dua belah (AB dan CD) gelung

Arah arus boleh ditentukan oleh Hukum tangan kanan Flemming.
Hukum ini mengatakan bahawa jika anda meregangkan ibu jari, jari
telunjuk dan jari tengah tangan kanan anda berserenjang antara
satu sama lain.
ibu jari menunjukkan arah gerakan konduktor, jari telunjuk
menunjukkan arah medan magnet, iaitu, N – kutub ke S – kutub,
dan jari tengah menunjukkan arah aliran arus melalui konduktor.
Sekarang jika kita menggunakan Hukum tangan kanan ini, kita
akan melihat pada kedudukan mendatar gelung ini, arus akan
mengalir dari titik A ke B dan pada bahagian lain gelung, arus akan
mengalir dari titik C ke D

Sekarang jika kita membenarkan gelung bergerak lebih jauh,
ia akan kembali ke kedudukan menegaknya, tetapi kini
bahagian atas gelung akan menjadi CD
Bahagian bawah akan menjadi AB (hanya bertentangan
dengan kedudukan menegak sebelumnya

Pada kedudukan ini, gerakan sisi gelung adalah selari
dengan garis fluks medan. Oleh itu tidak akan timbul
pemotongan fluks, dan akibatnya, tidak akan ada arus
dalam gelung. Jika gelung berputar lebih jauh, ia datang
semula dalam kedudukan mendatar

PRINSIP KENDALIAN PENJANA AU

Di sini gerakan tangen sisi gelung adalah berserenjang dengan garis fluks; maka kadar
pemotongan fluks adalah maksimum di sini, dan menurut Hukum tangan kanan
Flemming, pada kedudukan ini arus mengalir dari B ke A dan di sebelah lain dari D ke
C.Sekarang jika gelung diteruskan berputar pada paksinya. Setiap kali sisi AB datang di
hadapan kutub S, arus mengalir dari A ke B. Sekali lagi, apabila ia datang di hadapan
kutub N, arus mengalir dari B ke A.

Begitu juga, setiap kali CD sisi datang di hadapan kutub S arus mengalir dari C ke D.
Apabila CD sisi datang di hadapan kutub N arus mengalir dari D ke C. Jika kita melihat
fenomena ini secara berbeza, kita boleh membuat kesimpulan, bahawa setiap sisi
gelung datang di hadapan kutub N, arus akan mengalir melalui sisi itu dalam arah yang
sama, iaitu, ke bawah ke satah rujukan.

Sekarang gelung dibuka dan disambungkan dengan cincin berpecah seperti yang
ditunjukkan dalam rajah di bawah. Gelang belah, diperbuat daripada silinder pengalir,
dipotong menjadi dua bahagian atau segmen yang terlindung antara satu sama lain.
Kami menyambungkan terminal beban luaran dengan dua berus karbon yang terletak
pada segmen gelang gelang berpecah ini.

Mari kita sambungkan gelang gelincir Sambungan Slip Ring
dengan kedua-dua hujung gelung. Kita pada Penjana Arus Ulang Alik
boleh menyambungkan beban dengan
gelung melalui berus yang terletak pada
gelang gelincir seperti yang ditunjukkan.
Dalam kes ini, elektrik berselang-seli yang
dihasilkan dalam gelung datang beban. Ini
adalah penjana elektrik AC.

PRINSIP KENDALIAN PENJANA AU 11

4 OPERASI PENJANA ARUS
ULANG ALIK SATU FASA

Penjana fasa tunggal adalah penjana yang mempunyai satu struktur belitan dalam di
dalam kendalian. Penjana fasa tunggal atau dikenali sebagai alternator fasa tunggal
merupakan penjana arus elektrik ulang alik bagi menghasilkan satu voltan berselang seli
secara berterusan. Kendalian ini digunakan untuk menukarkan tenaga mekanikal bagi
menjana kuasa elektrik dalam sistem fasa tunggal.

keadaan terjadi apabila setiap putaran lengkap angker yang dihasilkan oleh penjana
AU satu fasa akan memberi satu kitaran arus ulang alik yang lengkap. Selain itu, dalam
kedudukan A menunjukan tiada bekalan voltan dan arus dalam litar luaran (beban)
sebelum angker mula berputar mengikut arah jam. Keadaan ini terjadi kerana angker tidak
memotong mana-mana garisan daya magnet (0° putaran).

Seterusnya, angker mula berputar dari kedudukan A ke kedudukan B dapat dilihat
apabila setiap separuh daripada angker akan memotong garisan daya magnet dan
menghasilkan arus dalam litar luaran (beban). Jika dilihat pada keadaan graf yang diberi,
terdapat peningkatan arus daripada sifar kepada nilai maksimum dalam arah yang sama.
Perubahan nilai arus yang terhasil mewakili suku pertama gelombang sinus pada putaran
sebanyak 90°.

Kendalian angker penjana akan berputar daripada kedudukan B kepada kedudukan
C akan menghasilkan arus berterusan pada arah yang sama. Pada tahap ini mendapati
araus akan berkurangan daripada nilai maksimum kepada nilai kosong atau sifar. Keadaan
nilai ini mewakili suku kedua gelombang sinus iaitu pada putaran 91° hingga 180°.

Begitu juga apabila angker terus berputar kepada kedudukan D bagi menghasilkan
keadaan arah arus yang berbeza apabila separuh daripada gegelung akan memotong
garisan daya magnet dalam arah bertentangan. Pada tahap ini, arus akan meningkat
daripada nilai kosong kepada nilai negatif maksimum. Keadaan ini mewakili suku ketiga
gelombang sinus iaitu pada putaran 181° sehingga 270°.

Akhirnya, angker akan berputar kepada kedudukan E atau kembali kepada
kedudukan asal iaitu kedudukan A serta menghasilkan arus yang berkurang kepada sifar.
Pada kedudukan ini angker penjana melengkapkan satu kitaran gelombang sinus iaitu
pada putaran 360°.

OPRASASI PENJANA AU 12

4 OPERASI PENJANA ARUS
ULANG ALIK SATU FASA

OPERASI PENJANA AU 13

4.1 OPERASI PENJANA ARUS
ULANG ALIK TIGA FASA

Penjanaan AU tiga fasa mempunyai tiga belitan dalam penjana. Pada abad ke-21,
elektrik dua fada telah digantikan sepenuhnya oleh elektrik tiga fasa yang akan digunakan
dalam industri. Oleh itu, kendalian penjana masa kina hanya tertumpu kepada satu fasa
dan tiga fasa sahaja.Keluaran penjana arus ulang alik bagi tiga fasa akan menghasilkan
tiga voltan sinusoidal 120° yang mempunyai amplitude dan frekuensi yang sama tetapi
berada diluar fasa antara satu sama lain. Kendalian penjana tiga fasa adalah sama
seperti kendalian satu fasa kecuali pada tiga fasa terdapat tiga belitan angker yang sama
jaraknya iaitu 120° daripada fasa antara satu sama lain. Selain itu, penjana tiga fasa
disambungkan dalam sambungan star atau delta bagi kendalian tiga fasa. Penjana tiga
fasa mempunyai enam cabang utama daripada gegelung angker. Apabila cabang ini
melalui penjana dan terus kepada keluaran, akan terdapat tiga cabang sahaja yang akan
muncul untuk sambungan kepada beban. Rajah dibawah menunjukkan gambaran
simulasi kendalian penjana arus ulang alik tiga fasa.

Rajah 2 : menunjukan simulasi kendalian penjana AU yang mempunyai tiga belitan 14
angker pada jarak yang sama iaitu putaran sebanyak 120° daripada fasa antara satu
sama lain.

OPERASI PENJANA AU

4.2 JENIS-JENIS PENJANA
ARUS ULANG ALIK

Penjana arus ulang alik atau dikenali sebagai alternator merupakan alat atau
mesin yang dapat menghasilkan arus elektrik yang banyak. Penjana arus ulang
alik merupakan satu mesin yang mengubah tenaga mekanikal kepada tenaga
elektrik dalam membentuk altenatif e.m.f. Secara am, penjana diperbuat daripada
gegelung dawai yang berputar dalam medan magnet. Hukum aruhan
elektromagnet Farady mengawal operasi penjana arus ulang alik. Voltan AU atau
e.m.f yang terhasil akan dibekalkan kepada litar luar menggunakan dua gegelung
gelincir (S1,S2) dan dua berus (B1,B2). Terdapat 2 jenis penjana arus ulang alik
iaitu penjana aruhan dan penjana segerak.

PENJANA ARUHAN

Penjana aruhan tidak memerlukan pengujian DC berasingan, kawalan pengawal
selia, kawalan frekuensi. Konsep ini berlaku apabila gegelung konduktor
berputar dalam medan magnet yang mengerakan arus dan voltan. Penjana
aruhan akan bergerak pada kelajuan yang tetap atau konsisten bagi
menyampaikan voltan AC yang stabil.

PENJANA SEGERAK

Penjana segerak merupakan penjana yang yang bersaiz besar dan hanya
digunakan pada loji kuasa.

JENIS-JENIS PENJANA AU 15

5 JENIS-JENIS PENJANA
SEGERAK

ALTERNATOR MEDAN BERPUTAR (ROTATING ARMATURE GENERATOR)

Alternator medan berputar mempunyai elitan angker
pegun dan belitan medan berputar. Kelebihan yang
boleh didapati apabila terdapat alat pegun belitan
angker ialah voltan yang dihasilkan boleh disambung
terus kepada beban. Terdapat beberapa alat yang
diperlukan bagi mengalirkan arus daripada angker
kepada beban semasa penjana bergerak adalah berus
dan gelang gelincir.

Pemutar

Kutub Tidak Menonjol

ALTERNATOR ANGKER BERPUTAR (ROTATING FIELD ALTERNATORS)

Alternator angker berputar digunakan bagi
menghasilkan keluaran arus berkuasa rendah.
Terdapat dua jenis alternator angker berputar iaitu
angker pada rotor dan medan pada stator. Arus
angker pemutar akan mengalir melalui gelang slip
dan berus.

JENIS-JENIS PENJANA AU 16

6 SPESIFIKASI MESIN
MENGIKUT JENIS

GENSET HONDA INVERTER EU
30is1

Yamamax Pro

SPESIFIKASI MESIN MENGIKUT JENIS 17

6.1 KELEBIHAN DAN
KEKURANGAN PENJANA AU

KELEBIHAN DAN KEKURANGAN PENJANA AU 18

7 APLIKASI PENJANA ARUS
ULANG ALIK (AU)

Penjana AU digunakan secara meluas dalam aplikasi yang berbeza-beza.
Penjana ini mudah dilihat dan diaplikasikan dalam kehidupan seharian kita ialah
stesen penjanakuasa yang menjana arus ulang alik. Selain itu, penjana ini juga
dapat dikategorikan kepada beberapa aplikasi.

Alternator Marin

Penjana AU jenis ini digunakan bagi menjana
kuasa dalam aplikasi marin

Alternator radio

Penjana jenis ini adalah sumber utama kuasa
dalam stesen janakuasa elektrik.

APLIKASI PENJANA AU Alternator diesel-elektrik lokomotif

Lokomotif memerlukan tenaga elektrik dan
mekanikal secara serentak dan sumber kuasanya
adalah penjana AU

Alternator automotif

kereta pada masa kini menggunakan penjana
untuk menghasilkan kuasa elektrik. Semua
kuasa elektrik dalam kenderaan dan
pengecasan bateri dijana oleh penjana AU

.

19

7.1 APLIKASI PENJANA ARUS
DI STESEN JANAKUASA

Pengoperasi Stesen Janakuasa Elektrik Hidro yang melibatkan penjana
arus ulang sepertu berikut:

PENJANA AU DI
STESEN JANAKUASA

Turbin menukarkan tenaga air yang mengalir kepada
tenaga mekanikal.

Penjana menukarkan tenaga mekanikal ini
kepada elektrik mengikut Hukum Faraday

Apabila rotor berpusing, ia menyebabkan kutub
medan bergerak melepasi pengalir yang
dipasang di stator.

Seterusnya, menyebabkan elektrik mengalir dan
voltan berkembang di terminal keluaran penjana.

APLIKASI PENJANA AU 20

8 CONTOH PENGIRAAN

Nilai voltan yang dijana oleh alternator segerak yang diberikan bergantung
pada kelajuan dan arus medan. Memandangkan kelajuan mesti dtetap untuk
mengekalkan frekuensi yang betul, voltan mesti dikawal dengan pelarasan arus
medan.

CONTOH 1

1.Tentukan nilai frekuensi dge terjana bagi sebuah penjana AU yang
mempunyai 10 kutub dan dipacu dengan kelajuan 3000 pusingan seminit.

2.Tentukan kelajuan putaran bagi penjana tersebut, jika voltan yang dijanakan
perlu mempunyai frekuensi 60 Hertz.

JAWAPAN :

Maklumat yang diberikan : JAWAPAN NO.1 JAWAPAN NO.2
Jika f = 60Hz,
Kelajuan, N = 3000 N = 3000 N = 120f / P
Kutub,P = 10 P = 10 N = 120 (60) / 10
f = 50 N = 720 RPM
Rumus Berkaitan N = 120f / P
N = 120f / P N P = 120f

f = ( N )( P ) / 120
f = ( 3000 )( 10 ) / 120 21
f = 250Hz




CONTOH PENGIRAAN PENJANA AU

CONTOH 2

Satu alternator 3 fasa, 2 kutub, 210 pengalir di dalam angker mempunyai nilai
fluks per kutub 17.5mWb. Bentuk gelombang mesin ini adalah sinusoidal dan
frekuensi voltan yang dijanakan 50 Hz. Anggap bahawa Faktor Agihan (Kd) dan
Faktor Jarak (Kp) adalah uniti. Kirakan voltan Vppgd (Vrms) yang terjana

JAWAPAN : Kf = 1.11,
E fasa = 2.22 Kd Kp f Ø Z
Maklumat yang diberikan : E fasa = 2.22 (1)(1)(50)(17.5m)(210)
E fasa = 408V
KP = 2 E Talian = √ 3 E Fasa
Z = 210 E Talian = √ 3 (408)
Ø = 17.5 mWb E Talian = 707 V
f = 50 Hz
Kd = 1

Kp = 1

Rumus Berkaitan
E FasaC=O2NKTfOKdHK3p f Ø Z

Bagi 4 kutub, Penjana 60 Hz , apakah kelajuan dalam rpm pada rotor

JAWAPAN : NP= 120(60) / 4
Maklumat yang diberikan : = 1800 RPM

f = 60 Hz

P= 4

Rumus Berkaitan
NP=120f / Poles

CONTOH PENGIRAAN PENJANA AU 22