Teori Listrik Terapan

1.      TEORI LISTRIK TERAPAN

1.1.    ARUS BOLAK-BALIK.

Untuk melayani keperluan Arus bolak balik disediakan saluran 1 phasa dan 3 phasa.

1.1.1.   Arus Bolak-Balik 1 Phase

Tidak seperti arus searah dimana besar dan polaritas dari arus/tegangan selalu tetap sepanjang waktu maka pada arus bolak-balik, besar dan polaritas dari arus/tegangan berubah-rubah terhadap waktu mengikuti bentuk fungsi sinusoidal.

Gambar 1. Gelombang Sinusioda Arus Bolak Balik

Dari karakteristik tersebut maka kita kenal    :

a.   Tegangan / arus sesaat

b.   Tegangan / arus puncak / maksimum

c.   Tegangan / arus efektif

                   Tegangan                                                 Arus

Nilai sesaat            :           e     =  V sin wt                                    I    = sin t

Nilai maks             :           V    =  V                                               I    = I  

Nilai efektif            :           V_ef  =  V / √2                                        I_ef  = I / √2

Nilai efektif adalah nilai yang terukur pada alat ukur (Volt meter /Amper meter)

Misalnya tegangan dirumah  :  220 volt atau 380 volt.

1.1.2.   Listrik Arus Bolak-Balik 3 Phase

Suatu sistem Listrik bolak-balik 3 phase sebenarnya merupakan gabungan dari 3 buah sistem 1 phase yang sedemikian rupa sehingga diperoleh sistem 3 phase seimbang. Rangkaian listrik 3 Phase yang masing-masing phase berbeda 120⁰ listrik. Tiga GGL gelombang sinus yang demikian ditunjukkan dalam gambar 1. Ketiga GGL ini dibangkitkan dalam tiga pasang kumparan jangkar yang terpisah dalam generator AC, Tiga pasang kumparan ini dipasang terpisah 120 derajat listrik pada jangkar generator .

Ujung-ujung kumparan semuanya dikeluarkan dari generator untuk membentuk tiga rangkaian phase tunggal yang terpisah. Tetapi kumparan-kumparan biasanya biasanya saling dihubungkan baik didalam ataupun diluar guna membentuk sistem tiga phase kawat tiga atau kawat empat.

Gambar 2. Tegangan Sistem 3 phase

Berdasarkan hubungan antara kumparan masing-masing phase ada dua macam hubungan dalam sitem 3 phase yaitu hubungan bintang dan segitiga (delta).

a.    Hubungan Segitiga

Perhatikan gambar 2. Hubungan segitiga ini dinamakan juga hubungan delta dibentuk oleh tiga kumparan phase yang saling berhubungan seri sehingga membentuk suatu segitiga .

Pada hubungan ini tidak terdapat titik netral.

Gambar 3. Sistem 3 phase hubungan segitiga

Arus phase pada hubungan delta (Gambar 2) adalah I₁, I₂ dan I₃ dengan diagram fasornya seperti gambar 2. Nilai arus pada setiap kawat saluran didapat dengan menjumlahkan fasor arus yang mengalir pada titik pertemuan kedua phase.

Bila I₁ dan - I₃ adalah fasor yang besarnya sama dan berbeda 60⁰, maka jumlah fasornya adalah  atau 1,73 kali harga I₁ atau I₃. Jadi pada hubungan delta ( Δ ) nilai arusnya adalah :

Pengamatan dari diagram menunjukan bahwa tegangan yang bangkitkan dalam setiap phase juga merupakan tegangan antara dua kawat saluran. Sebagai contoh, tegangan yang dibangkitkan dalam phase 1 juga merupakan tegangan antara saluran A dan B. Oleh sebab itu dalam hubungan delta, tegangan line merupakan juga tegangan phase U_L = U_P.

b.    Hubungan bintang

Perhatikan gambar 3. Salah satu ujung kumparan tiap phase disatukan sebagai terminal netral yang lainnya merupakan terminal A, B, C.

Terminologi yang digunakan pada, sistem hubungan bintang :

Ø  Tegangan phase adalah beda potensial antara phase yang satu dengan netral = U_P.

Ø  Tegangan phase ke phase adalah beda potensial antara phase yang satu dengan phase yang lainya = U_L

         Hubungan antara U_P denvan U_L adalah :

U_L = 3.U_P

G

Gambar 4. Sistem 3 phase hubungan bintang

Tegangan antara setiap dua terminal saluran dari generator yang terhubung Y adalah selisih potensial antara kedua terminal ini terdapat netral. Sebagai contoh : tegangan saluran U_AB sama dengan tegangan A terhadap netral (U_AN) dikurangi dengan B terhadap netral (U_BN).

Untuk mengurangkan U_BN dari U_AN, perlulah membalikkan U_BN dan menjumlahkan fasor ini pada U_AN. Kedua fasor U_AN dan U_NB, panjangnya sama dan berbeda 60⁰, seperti ditunjukan dalam gambar 3. Dapat ditunjukan secara grafik atau dibuktikan dengan ilmu ukur bidang bahwa U_AB sama dengan  atau 1,73 di kali harga U_AN atau U_NB.

Konstruksi grafik ditunjukkan dalam diagram fasor. Oleh sebab itu dalam hubungan Y yang seimbang, U_L =  Up = 1,73 Up.

1.2.    BEBAN PADA ARUS BOLAK-BALIK

Pada sistem arus searah hanya mengenal beban resistive ( R ), tetapi pada sistem arus bolak balik beban merupakan “ Impedansi” ( Z ) yang biasa dibentuk dari unsur  : R, L, C.

Contoh beban  :

R  (hambatan murni)                 :  Lampu pijar, setrika listrik, heater

L  ( hambatan induktif)              :  Reaktor, komparan

C  (hambatan kapasitas)           :  Kapasitor

Sifat hambatan L (X_L) dengan C (X_C) saling bertentangan /meniadakan.

 X_L   = 2π.f.L,  dan   X_C   =  1/2π.f.C

  X_L   dan    X_C    merupakan bagian imajiner dari impedansi  Z

Hubungan dari tiga beban / hambatan digambarkan sebagai berikut  :

                 

Gambar 5. Vektor Diagram Beban Listrik

1.3.    KESEIMBANGAN BEBAN

Hubungan Bintang pada Sirkuit Seimbang

Gambar 6. Hubungan Bintang

Arus pada penghantar Netral sama dengan nol. Besarnya arus pada kawat netral sama dengan jumlah vektoris dari 3 arus pada kawat­kawat phasa.

Karena ketiga arus ini sama besarnya, tetapi berbeda phasa 120⁰ satu sama lain, maka resultantenya nol.

Pada percobaan diatas dimana alat pemakai adalah beban resistif maka arus I sephase de­ngan tegangan Phase-Netral.

	Pada sambungan bintang seimbang, penghantar netral dapat ditiadakan (dihilangkan ).

Gambar 7. Hubungan Bintang Beban Seimbang

Maka titik bersama dari ketiga alat pemakai disebut : “titik netral buatan" . Tegangan titik bintang adalah sama dengan "tegangan penghantar Netral”

Hubungan Bintang Pada Sirkuit Tak Seimbang.

Gambar 8.Hubungan Bintang Beban Tidak Seimbang

Bila sirkuit tak seimbang, penghantar Netral dilalui arus, Dalam hal ini penghantar netral tidak boleh dihilangkan.

Ketiga arus phase tidak sama besarnya. Jumlah vektoris dari ketiga arus, sama dengan arus yang mengalir pada penghantar Netral.

Gambar 9.Vektor Beban Seimbang

Percobaan        :    Bila kawat Netral suatu sambungan bintang diputus/ditiadakan

Gambar 10.Hubungn Bintang Netral Putus pada Beban tidak seimbang

Akibat netral putus pa hubungan Bintang Beban Tidak Seimbang :

Ø  Alat pemakai pada phase 1 dengan beban yang terkecil bertegangan diatas nominal.

Ø  Alat pemakai pada phase 2 dengan beban lebih besar, bertentangan dibawah nominal.

Ø  Tegangan titik bersama selalu bergeser kearah tegangan dari phase yang paling besar bebannya.

Ø  Tegangan phase-phase tetap sama dengan tegangan normal.

Gambar 11. Vektor Beban Tidak Seimbang

1.4.    DAYA PADA ARUS BOLAK-BALIK

Karena beban Z mempunyai/membentuk pergeseran sudut terhadap  V (sebagai referensi) maka arus beban I_b yang mengalirpun membentuk sudut yang sama searah dengan sudut dari Z sebesar  φ.

Hal ini berakibat timbulnya 3 macam daya.

a.    Daya aktif            :  P (watt)

b.    Daya reaktif         :  Q (VAR)

c.    Daya semu          :  S (VA)

Hubungan dari ketiga macam daya tersebut kita kenal sebagai “segitiga daya”.

	Beban bersifat induktif		Beban bersifat kapasitif

Gambar 12. Segi Tiga Daya

Penjumlahan Vektor P dan Q

S =

1.5.    RUMUS-RUMUS DAYA

1 Phasa   :

S  =  V x I                                                       (VA)                                                   

P  =  V x I x cos θ                                          (Watt)                                                 

Q =  V x I j X sin θ                                         (VAR) 

                                              

V = Tegangan Phasa-netral   (220 Volt)

I  =  Arus Phasa

3 Phasa   :

S  =  V x I x √3                                                           (VA)                                       

P  =  V x I x √3 x cos θ                                              (Watt)                                     

Q =  V x I x √3 j X sin θ                                             (VAR)                                     

V = Tegangan Phasa-phasa   (380 Volt)

I  =  Arus Phasa