Penjana elektrik

Daripada Wikipedia, ensiklopedia bebas.
Lompat ke: pandu arah, cari
Alternator awal abad ke-20 yang dihasilkan di Budapest, Hungary, dalam dewan penghasil tenaga di stesen elektrik hidro.

Dalam penghasilan elektrik, penjana elektrik merupakan satu peranti yang menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik, dan biasanya menggunakan induksi elektromagnetik. Penukaran terbalik tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dilakukan melalui motor elektrik, dan motor dan generator mempunyai banyak persamaan. Sumber penggerak utama bagi kuasa mekanikal mungkin reciprocating atau enjin wap turbin, air yang jatuh melalui kuasa hidro (turbin atau kincir air, enjin pembakaran dalam, turbin angin, mesin jana tangan (hand crank), udara mampat atau sebarang sumber tenaga mekanikal yang lain.

Sejarah pembangunan[sunting | sunting sumber]

Sebelum hubungan antara magnet dan eletrik dijumpai, penjana elektrostatik dicipta yang menggunakan prinsip elektrostatik. Ia menghasilkan voltan amat tinggi dan arus eletrik rendah. Ia beroperasi dengan menggunakan sawat bercaj eletrik, piring dan cakera bagi membawa caj pada elektrod berpotensi tinggi. Caj dijana menggunakan salah satu mekanisma:

  • Induksi elektrostatik
  • Kesan triboeletrik, di mana hubungan antara dua penebat meninggalkan ia becaj.

Disebabkan ia tidak efisen dan kesukaran menebat mesin yang menghasilkan voltan tinggi, penjana elektrostatik memiliki kadar kuasa rendah dan tidak pernah digunakan bagi menjana kuasa eletrik kuantiti besar secara perdagangan. Mesin Wimshurst dan penjana Van de Graaff merupakan contoh mesin ini yang masih selamat.

Dinamo Jedlik[sunting | sunting sumber]

Pada tahun 1827, Anyos Jedlik Hungary mula mengujikaji peranti berputar elektromagnetik yang dia gelar rotor diri elektromagnetik. Dalam prototaip penghidup eletrik pola tunggal (disiapkan antara 1852 dan 1854) kedua-dua bahagian kaku dan berputar adalah elektromagnetik. Dia membina konsep dinamo sekurang-kurangnya 6 tahun sebelum Ernst Werner von Siemens dan Charles Wheatstone tetapi dia tidak mempatennya kerana dia berfikir bahawa dia bukan orang pertama yang menyedarinya. Secara ringkas konsepnya adalah disebalik menggunakan magnet kekal, dua elektromagnet bertentangan sesama sendiri menggalak medan eletrik keliling motor. Ia juga jumpaan prinsip penggalak diri.[1]

Cakera Faraday[sunting | sunting sumber]

Cakera Faraday, penjana eletrik pertama. Magnet berbentuk ladam kuda (A) menghasilkan medan magnet melalui cakera (D). Apabila cakera diputar, ia mendorong arus eletrik mengalir keluar dari tengah kea rah tepi. Arus mengalir keluar melalui hubungan spring mengelunsur m, melalui litar luaran, dan kembali ke pusat cakera melalui paksi.

Pada sekitar tahun 1831–1832, Michael Faraday menjumpai prinsip operasi penjana elektromagnetik. Prinsip ini kemudiannya dikenali sebagai Hukum Faraday, iaitu kuasa elektromotif dihasilkan pada pengalir eletrik yang mengelilingi flux magnet yang berubah-ubah. Dia turut membina penjana electromagnet pertama, dikenali sebagai Cakera Faraday, sejenis penjana kutub tunggal, menggunakan cakera tembaga berputar antara kutub magnet ladam kuda. Ia menghasilkan voltan DC yang kecil.

Reka bentuk ini kurang berkesan disebabkan arus songsang membatal diri di bahagian yang tidak di bawah pengaruh medan magnet. Ketika arus didorong langsung di bawah magnet, arus akan mengelilingi kebelakang di kawasan di luar pengaruh magnet. Arus songsang ini menghadkan keluaran kuasa ke wayar pengumpul dan mendorong pemanasan membazir pada cakera tembaga. Penjana homokutub berikutnya akan menyelesaikan masaalah ini dengan menggunakan jujukan magnet diatur mengelilingi sempadan cakera bagi mengekalkan kesan medan manget berterusan bagi aliran arus satu arah.

Satu lagi kelemahannya adalah hasil voltan adalah amat rendah, disebabkan laluan arus tunggal melalui flux magnet. Penguji kaji mendapati bahawa dengan menggunakan wayar yang dibalut dalam gelung mampu menghasilkan voltan lebih tinggi dan lebih berguna. Disebabkan voltan keluaran adalah bernisbah dengan bilangan putaran, penjana dengan mudah direka bagi menghasilkan sebarang voltan yang diingini dengan mengubah bilangan gelung. Lilitan wayar menjadi ciri asas bagi kesemua reka bentuk penjana eletrik.

Dinamo[sunting | sunting sumber]

Dinamo tidak lagi digunakan bagi menghasilkan tenaga disebabkan saiz dan kerumitan kommutator perlukan bagi aplikasi berkuasa tinggi. Dinamo berarus tinggi, dipancu gegelong besar menghasilkan 310 amperes pada 7 volt, atau 2,170 watt, apabila berputar pada kelajuan 1,400 pusingan per minit (”RPM”).
Mesin Eletrik Dinamo [Pandangan hujung, Sebahagian Seksyen] (U.S. Patent 284,110 )

Dinamo merupakan penjana eletrik pertama yang mampu menghasilkan kuasa bagi industri. Dinamo menggunakan prinsip eletromagnetik bagi menukar putaran mekanikal kepada denyutan DC melalui penggunaan komutator eletrik. Dinamo pertama dibina oleh Hippolyte Pixii pada tahun 1832.

Melalui beberapa siri jumpaan yang tidak disengajakan, dinamo kemudiannya menjadi sumber kepada banyak ciptaan yang berikut, termasuk motor eletrik DC, alternator AC, motor synchronous AC, dan penukar rotari.

Mesin dynamo terdiri daripada struktur kekal, yang memberikan medan eletrik tetap, dan set gegelong yang berputar dalam medan tersebut. Bagi mesin kecil, medan magnet kekal mungkin boleh diberikan oleh satu atau lebih magnet kekal; mesin lebih besar memiliki medan magnet tetap yang diberikan oleh satu atau lebih eletromagnet, yang biasanya dipanggil gelung medan.

Dinamo penjana kuasa yang besar kini jarang dilihat kerana kegunaan arus ulang-alik hampir sejagat bagi penyebaran kuasa dan penukar kuasa dari AC ke DC eletronik keadaan pepejal (“Solid state”). Tetapi sebelum prinsip AC dijumpai, dynamo arus terus amat besar merupakan satu-satunya cara bagi menghasilkan dan mengagih kuasa. Kini dynamo penjana kuasa kebanyakannya hanyalah sesuatu yang menarik.

Alternator[sunting | sunting sumber]

Tanpa komutator, dinamor menjadi alternator, iaitu penjana suap tunggal sinchronous. Apabila digunakan bagi menyuap grid kuala eletrik, alternator perlu sentiasa beroperasi pada kelajuan sekata yang ditala sekata dengan frekuensi eletril grid kuasa. Penjana DC boleh beroperasi pada sebarang kelajuan dalam had mekanikal, tetapi output sentiasa arus lansung.

Alternator biasa menggunakan medan berputar beredar mendorong dengan arus langsung, dan (stator) kaku beredar yang menghasilkan arus ulang alik. Oleh kerana medan rotor hanya memerlukan sejumlah kecil kuasa yang dihasilkan mesin, berus bagi hubungan medan boleh menjadi amat kecil. Bagi kes penggalak tanpa sentuh, tiada berus digunakan sama sekali dan gandar rotor membawa pembetul "rectifiers" untuk menggalak medan pengedar utama.

Penjana eletrokmagnetik berputar yang lain[sunting | sunting sumber]

Penjana jenis lain, seperti penjana suap tunggal penggalak atau asynchronous, penjana suap berganda, atau penjana suap berganda rotor-berputar tanpa berus, tidak menggunakan magnet kekal atau medan beredar (contoh., elektromagnet) yang menetapkan medan magnet tetap, dan hasilnya, dilihat berjaya dalam penggunaan frekuensi tetap pelbagai kelajuan, seperti turbin angin atau teknologi tenaga diperbaharui.

Prestasi output penuh bagi sebarang openjana boleh dioptima dengan kawalan eletronik tetapi hanya penjana suap berganda atau penjana suap berganda rotor beredar tanpa wayar menggunakan kawalan eletrik dengan penetap kuasa yang jauh lebuh kecil berbanding output kuasa penjana yang dikawal, ciri-ciri yang secara sendiri, menawarkan kelebihan kos, ketahanan dan keberkesanan.

Penjana MHD[sunting | sunting sumber]

Rencana utama: Penjana MHD

Penjana magnetohidrodinamik secara langsung menghasilkan kuasa eletrik dengan mengerakkan gas panas melalui medan magnetik, tanpa menggunakan mesin elektromagnetik berputar. Penjana MHD pada asalnya dibangunkan kerana output plasma dari penjana MHD adalah api, yang turut boleh memanaskan dandang wap logi kuasa kitaran Rankine. Rekabentuk pratikal pertama adalah AVCO Mk. 25, yang dibangunkan pada tahun 1965. Kerajaan Amerika Syarikat membiayai sebahagian besar kos pembangunan, menghasilkan logi ujian 25 MW pada tahun 1987. Di Soviet Union dari tahun 1972 sehingga akhir 1980-an, logi MHD U 25 beroperasi secara komersial dengan tetap dinilai 25 MW, nilai logi MHD tertinggi di dunia pada masa itu.[2] Penjana MHD beriperasi sebagai kitaran isian (topping cycle) (pada tahun 2007) adalah kurang efisen berbanding gabungan -kitaran turbin gas.

Terminologi[sunting | sunting sumber]

Dua bahagian utama penjana atau motor boleh digambarkan menggunakan istilah mekanikal atau eletrik.

Mekanikal:

  • Rotor: Bahagian berputar mesin eletrik.

• "Stator": Bahagian pegun mesin eletrik

Eletrik:

  • Lengan ("Armature"): Komponen penjana kuasa bagi mesin eletrik. Pada penjana, alternator, atau dinamo lengan "armature" bergelung menghasilkan arus eletrik. Lengan "armature" boleh pada rotor atau pada stator.
  • Medan gelung ("Field coil"): Komponen medan magnetik bagi mesin eletrik. Medan magnetik bagi dinamo atau alternator boleh dibekalkan samaada melalui alektromagnetik atau magnet kekal yang dipasang pada samaada pada rotor atau stator.

Disebabkan pemindahan kuasa ke litar medan adalah kurang berbanding litar "armature", penjana AC hampir sentiasa memiliki medan gelendung pada rotor dan stator ketika "armature" gelendung. Hanya medan arus kecil sahaja perlu dipindahkan kepada rotor bergerak, menggunakan cecincin selit ("slip ring"). Mesin arus langsung (dinamos) memerlukan komutator ("commutator") pada gandar berputar bagi menukar arus ulang alik yang dihasilkan oleh armature kepada arus langsung, dengan itu gelendung armature adalah pada rotor mesin.

Excitation[sunting | sunting sumber]

Penjana Takho[sunting | sunting sumber]

Penjana Takho sering diguna bagi membekal kuasa meter tacho bagi mengukur kelajuan motor eletrik, enjin, dan peralatan yang dikuasainya. Penjana menjana voltan secara kasarnya berskala dengan kelajuan gandar. Dengan pembinaan dan rekabentuk tepat, penjana boleh dibina bagi menghasilklan voltan amat tepat bagi julat tertentu kelajuan gandar.

Rujukan[sunting | sunting sumber]

  1. Augustus Heller, Anianus Jedlik, Norman Lockyer, April 2, 1896.
  2. Langdon Crane, Magnetohydrodynamic (MHD) Power Generator: More Energy from Less Fuel, Issue Brief Number IB74057, Library of Congress Congressional Research Service, 1981, retrieved from http://digital.library.unt.edu/govdocs/crs/permalink/meta-crs-8402:1July 18, 2008

Pautan luar[sunting | sunting sumber]