Kegiatan Belajar 3 [PDF]

Citation preview

Kegiatan Belajar 3 MODUL PEMBELAJARAN



Nama Bahan Kajian Kode/sks Program Studi Falkutas Pembelajaran Ke Pokok Bahasan Dosen



: : : : : : :



Analisa Sistem Tenaga Listrik /3sks Teknik Elektro Falkutas Teknik III (Pertemuan minggu ke 3) Konsep komponen –komponen RLC. Rahmaniar



Learning Outcomes (Capaian Pembelajaran) 1. Mahasiswa dapat menjelaskan sumber Tegangan dan Arus Bolak Balik 2. Mahasiswa dapat menjelaskan konsep daya pada arus bolak-balik Soft skill/Karakter : Dapat bekerja sama dalam kelompok (Tim) komunikatif, gigih dan kreatif.



A. POKOK BAHASAN 1. Rangkaian Dengan R, L dan C 2. Sumber tegangan dan Arus Bolak Balik



45



B. MODUL- FLASH-NR SKENARIO PROJEK Terdapat berbagai jenis alat listrik yang menggunakan Listrik AC, baik Listrik AC 1 Phase maupun Listrik AC 3Phase, seperti misalnya Lampu pijar, Lampu TL, Rice cooker, Setrika, Kipas angin, Motor listrik 1 Phase, Motor Listrik 3 Phase, Heater, dan sebagainya. Berbagai Alat Listrik yang kita sebutkan diatas, membutuhkan Energi/daya listrik agar dapat dioperasikan atau dinyalakan, dan semuanya itu termasuk kedalam Beban Listrik. Jika Faktor daya suatu instalasi 0,7 harus dikoreksi menjadi 0,9 tertinggal. Tentukan peralatan tambahan yang diperlukan untuk memperbaiki Cos pi sesuai dengan yang diinginkan! Gambarkan segitiga daya dan buat tabel dayanya! C. MATERI PEMBELAJARAN 1. Beban Listrik Arus Bolak-Balik (AC). Pada dasarnya beban-beban listrik tcrdiri beberapa komponen yaitu : 1. Tahanan murni (beban resistif) 2. Kumparan murni (bebab Induktif) 3. Kapasitor murni (beban kapasitif) Pada rangkaian arus listrik bolak balik, arus yang mengalir mempunyai fasa yang berbeda terhadap tegangan yang berkerja padanya. Hal ini disebabkan oleh pengarnh beban-beban listrik yang terdapat pada rangkaian tersebut.



Gambar 1. Gambar diagram beban Listrik 46



2. Rangkaian Dengan Beban Tahanan Murni (R) Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja (resistance) , seperti elemen pemanas (heating, element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu Sifat beban resistif itu adalah arus beban resistif sefasa dengan tegangannya atau faktor daya atau cos φ = 1 Daya aktif P = V. I Cos φ ( Watt) Daya Reaktif Q= V. I Sin φ ( VAR ) Jika Cos φ = 1 maka Sin φ = 0 dan daya aktif menjadi maximum daya reaktif nol. Jika suatu tegangan sinusoidal : V = Vm Sin t diberikan pada rangkaian dengan beban tahanan murni, maka menurut hukum Ohm, besar arus i yang mengalir adalah : i =



V R



=



Vm . sin t R



=I



m



sin t



Im =



Vm R



dimana: Persamaan (2 -1) terlihat bahwa arus i yang mengalir dalam rangkaian adalah sefasa dengan teganganV. Nilai efektif tegangan dan arus adalah:



V=



Vm ; 2



I =



Im 2



;



Persamaan tegangan v dan arus i diatas maka besar daya sesaat p adalah : P = v.i = Vmsin t . Im sin t = Vm Im sin2  t = ½ Vm Im ( 1 – cos 2 t) = V.I (1 – cos 2  t) Persamaan di atas terlihat bahwa daya mempunyai frekwensi dua kali lebih besar pada frekwensi arus dan tegangan. Nilai daya selalu positif dan berubah nol sampai Vm Im.



47



Nilai rata-rata daya P = 1/2 Vm. Im



Gambar 2. Rangkaian dengan Beban R,L dengan Vm= V sin ωt Jika diamati bentuk glombang hubungan arus dan tegangan akan terlukis sebagai berikut:



Gambar 3. Fasor Diagram Arus dan Tegangan untuk Beban Tahanan Murni 3. Rangkaian Dengan Beban Kumparan Murni (L) Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri dari kumparan kawat yang dililitkan pada suatu inti, seperti coil, transformator, dan solenoida. Beban ini dapat mengakibatkan pergeseran fasa (phase shift) pada arus sehingga bersifat lagging. Hal ini disebabkan oleh energi yang tersimpan berupa medan magnetis akan mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini menyerap daya aktif dan daya reaktif. Sifat beban induktif Arus beban induktif 900 ketinggalan terhadap tegangannya atau faktor daya: cos φ = 0 . Daya aktif:



P = V. In .Cos φ (Watt ) = V. I .Cos 90 ° = V. I . 0



Daya Reaktif: Q = V. In . Sin φ ( VAR )



48



= V. In .Sin 90 ° = V. In . 1 Bila Cos φ = 0 maka Sin φ = 1 dan daya aktif menjadi nol daya reaktif maksimum. Jika pada suatu rangkaian dengan beban kumparan murni diberikan tegangan sinusoidal : V = Vm sin t, maka besar arus i yang mengalir dalam rangkaian ini adalah : 1 vdt L  1 = Vm sin t dt L  V = - m cos  t L V = m sin (t - 90 o ) L = I m sin ( mt - 90 o )



i=



Persamaan di atas terlihat bahwa arus i tertinggal ( lagging ) sebesar 90 o tegangan v. Besar daya sesaat p pada rangkaian ini adalah : Persamaan tegangan v dan arus i diatas maka besar daya sesaat p adalah : P = v.i = Vmsin t . Im sin (t-90o) = - Vm Im sin  t cos t = ½ Vm Im sin 2 t Besar daya rata-rata P adalah : T



1  pdt T V r 1 P = Vm I m  sin 2  2 dt 2 o



P =



=0



Gambar rangakain AC dengan beban dinggap Induktansi Murni ditunjukkan pada gambar 17.



49



Gambar 4. Rangkaian Beban Induktanis Murni Hasil pengukuran terhadap respom tegangan dan arus menunjukkan bahwa arus tertinggal 900 terhadap tegangan seperti ditujukan pada gambar 12 :



Gambar 5 Fasor diagram arus dan tegangan beban induktansi murni Gambar 18. terlihat bahwa daya mempunyai frekwensi dua kali lebih besar pada frekwensi arus dan tegangan. Daya positif bila arus pada rangkaian bertambah dimana pada saat ini energi tersimpan dalam bentuk medan magnetik di dalam kumparan (induktor). Bila arus pada rangkaian berkurang maka daya adalah negatip dan pada saat ini energi yang tersimpan dalam kumparan kembali ke sumber. 4. Rangkaian Dengan Beban Kapasitor Murni (C) Sebuah kapasitor daya atau yang dikenal dengan nama kapasitor bank harus mempunyai daya Qc yang sama dengan daya reaktif dari sistem yang akan diperbaiki faktor dayanya. Jika keadaan ini dipenuhi, kapasitor akan memperbaiki faktor daya menjadi bernilai maksimum (faktor daya = 1). Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah factor daya dari cos φ1 menjadi cos φ2 dapat ditentukan dengan 50



ΔQ = Peff Tan (φ1 – φ2) VAR Gambar 19 memperlihatkan Perbaikan Faktor Daya



Gambar 6 Perbaikan Faktor Daya ∆𝐶𝑝𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑠𝑎



∆𝑄 𝜇𝐹 3𝑉 2 2𝜋𝑓



Dimana: φ1: adalah faktor daya sebelum didiperbaiki φ2: adalah faktor daya sesudah diperbaiki ΔCperphasa: Besar nilai kapasitor perphasa ΔQ: Jumlah daya rektif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya (VAR) Jika pada rangkaian dengan beban kapasitor murni diberikan tegangan sinusoidal : v = Vm sin t, maka arus i yang mengalir dalam rangkaian ini adalah : dv dt d =C ( Vm sin t) dt = Vm C cos t



i=C



Vm cost 1/ C = I msin (t = 90 o ) Persamaan ( 2- 5) terlihat bahwa arus i mendahului (leading) sebesar 90o tegangan =



V. Besar daya sesaat p adalah : P = v.i = Vm sin t . Im sin (t-90o) = Vm Im sin  t cos t 1 Vm I m sin 2 t = . 2



51



= Besar daya rata-rata P adalah : 1 P = T



P =



T







p d t



V



1 Vm I m 2



r



 sin 2 t dt o



=0



Gambar rangakain AC dengan beban dinggap Induktansi Murni ditunjukkan pada gambar 20



Gambar 7. Rangkaian AC dengan Asumsi Beban Kapasitansi Murni



Gambar 8 Fasor diagram arus dan tegangan untuk beban kapasitor mumi. Dari gambar 21 terlihat bahwa daya mempunyai frekwensi dua kali lebih besar pada frekwensi arus dan tegangan. Daya positif bila tegangan naik dan pada saat ini kapasitor diisi di mana energi tersimpan dalam bentuk medan listrik. Daya negatif bila tegangan tunm dan pada saat ini kapasitor melepaskan energi yang tersimpan dalam bentuk medan listrik ke sumber. 52



5. Rangkaian Dengan Beban Induktif ( R dan L ) Jika pada suatu rangakaian dengan beban R dan L , diberikan tegangan sebesar V, maka jatuh tegangan pada beban yang terdiri : -



VR. = I. R. (jatuh tegangan pada R, sefasa dengan arus I ).



-



VL



=1. XL (jatuh tegangan pada L, mendahului (leading) sebesar 90° arus I)



Gambar 9 a. Rangkaian dengan beban R dan L b.Fasor diagram arus dan tegangan untuk beban R dan L Dari gambar 22.b. dapat dianalisa di mana fasor OA mewakili jatuh tegangan VR dan fasor AB mewakili jatuh tegangan Vt jadi tegangan sumber (V) adalah OB. V = = =I I =



Nilai R 2 + X 2L



VR2 | + VL2 (I.R) 2 + (I. X L ) 2 R 2 + X2 L V L R 2 + X2



adalah simpedansi (Z) beban. Hal ini dapat dilihat hubungan segitiga



reaktansi induktif pada gambar 2.5.a dimana : Z2 = R2 + XL2



53



Gambar 10



a. Segitiga impedansi pada beban induktif. b. Komponen arus pada beban induktif



Dari gambar 23.b. terlihat bahwa tegangan V mendahului (leading) terhadap arus I sebesar sudut , dimana :



Cos







Sin  Tan 



=



R Z



=



XL Z



=



XL R



Pada beban induktif, reaktansi XL menyebabkan terjadi pergeseran fasa antara tegangan dan arus sebesar . Hal ini dapat dianalisa Persamaan gelombang tegangan V dan arus i di bawah ini : v = Vm sin t i = Im sin (t - ) Daya sesaat p adalah : p



= v.i = Vm sin t . Im sin ( t - ) = Vm sin t . Im sin ( t - ) =



1 Vm I m [cos  − cos(2t −  )] 2



54



Besar daya rata-rata p adalah : 1 Vm .I m cos 2 = V .I . cos P =



Persamaan di atas merupakan Persamaan daya aktif, yaitu daya listrik yang dapat diubah ke dalam bentuk daya mekanis dan dapat juga diubah ke dalam bentuk lain yaitu bentuk panas. Bentuk cos ^ disebut faktor daya (power factor).



Gambar 11. Kurva arus, tegangan dan daya pada beban induktif D. RANGKUMAN Resistansi, reaktansi dan impedansi merupakan istilah yang mengacu pada karakteristik dalam rangkaian yang bersifat melawan arus listrik. Resistansi merupakan tahanan yang diberikan oleh resistor. Reaktansi merupakan tahanan yang bersifat reaksi terhadap perubahan tegangan atau perubahan arus. Nilai tahanannya berubah sehubungan dengan perbedaan fase dari tegangan dan arus. Selain itu reaktansi tidak mendisipasi energi. Sedangkan impedansi mengacu pada keseluruhan dari sifat tahanan terhadap arus baik mencakup resistansi, reaktansi atau keduanya. Ketiga jenis tahanan ini diekspresikan dalam satuan ohm, Semakin besar hambatan/impedansi, makin besar tegangan yang dibutuhkan. Impedansi tidak dapat dikatan sebagai hambatan secara spontan. Karena terdapat perbedaan yang mendasar dari keduanya. Beberapa sumber mengatakan bahwa impedansi merupakan hasil reaksi hambatan (R, resistensi) dan kapasitas elektron (C, capacitance) secara bersamaan. Impedansi listrik, atau lebih sering disebut impedansi, menjelaskan ukuran penolakan terhadap arus bolak-balik sinusoidal. Impedansi listrik memperluas konsep resistansi listrik ke sirkuit AC, menjelaskan tidak hanya amplitudo relatif dari tegangan dan arus, tetapi juga fase relatif. Bila sebuah beban diberi tegangan, 55



impedansi dari beban tersebut akan menentukan besar arus dan sudut fase yang mengalir pada beban tersebut. Faktor daya merupakan petunjuk yang menyatakan sifat suatu beban. E. TUGAS/ESSAY : 1. Tentukan reaktansi induktif jika diketahui frekuensi rangkaian AC 50Hz, dan induktansi



induktor 1H. 2. Dari soal no. 1 pada contoh kasus diketahui tegangan AC sebesar 50V, berapakah arus yang mengalir pada rangkaian? Untuk menjawab pertanyaan ini adalah dengan menggunakan hukum Ohm dimana V = I ∙ R, kemudian ganti ‘R’ (resistansi) dengan reaktansi induktif (XL). 3. Diketahui V = 50VAC, R = 10Ω, XL = 5Ω, XC = 10Ω tentukan impedansi rangkaian jika R, L, C dirangkai seri? 4. Sebuah rangkaian R-L-C paralel dimana R = 100Ω, XL = 5Ω, XC = 8Ω dan dihubungkan dengan tegangan 120VAC, hitung arus total (IT) dan impedansi rangkaian (ZT)? 5. Hitung kuat arus (rms) dan gambarkan tegangan, arus dan daya terhadap waktu dari rangkaian resistansi berikut:



6. Hitung kuat arus (rms) dan gambarkan tegangan, arus dan daya dari rangkaian berikut :



7. Hitung impedansi total dan tegangan pada masing-masing resistor, induktor dan kapastior dari rangkaian SERI resistansi-induktansi-kapasitor berikut



56



8. Hitunglah impedansi total dan kuat arus dari masing-masing resistor, induktor dan



kapasitor dari rangkaian PARALEL resistansi-induktansi-kapasitor berikut



57



F. LEMBAR JAWABAN TUGAS / TEST ESSAY 1. .................................................................................................................................................. .....



2. .................................................................................................................................................. .....



3. .................................................................................................................................................. ..... 4. .................................................................................................................................................. ..... 5. .................................................................................................................................................. ..... 6. .................................................................................................................................................. ..... 7. .................................................................................................................................................. .....



8. .................................................................................................................................................. .....



58