BAB 1
SISTEM TENAGA LISTRIK
A. TEKNIK TENAGA LISTRIK
Teknik Tenaga Listrik ialah ilmu yang mempelajari konsep dasar
kelistrikan dan pemakaian alat yang asas kerjanya berdasarkan aliran
elektron dalam konduktor (arus listrik). Dalam Teknik Tenaga Listrik dikenal
dua macam arus :
1. Arus searah dikenal dengan istilah DC (Direct Current)
2. Arus bolak balik dikenal sebagai AC (Alternating Current)
Dalam menghasilkan arus searah atau arus bolak balik, dikenal sistem
pengadaan energi listrik sebagai berikut :
Pembangkit: Sebagai sumber energi listrik yang antara lain berupa; PLTA, PLTU,
PLTN, PLTG, PLTD, dan ENERGI DARI ANGIN, SURYA, GEOTHERMAL,
OMBAK, CHEMICAL,dan sebagainya .
Transmisi: Sebagai jaringan untuk menyalurkan energi listrik dari pembangkit ke
beban atau ke jaringan distribusi (gardu-gardu listrik).
Distribusi: Sebagai jaringan yang menyalurkan energi listrik ke konsumen
pemakai.
Gambar 1. Sistem Pengadaan Energi Listrik
1
B. PERALATAN ATAU PERANTI PENGUBAH ENERGI
Dalam sistem energi listrik dikenal peralatan yang mengubah energi listrik,
baik dari energi listrik ke energi mekanis, maupun sebaliknya, serta megubah
energi listrik dari rangkaian atau jaringan yang satu menjadi energi listrik yang
lain pada rangkaian atau jaringan berikutnya. Piranti tersebut adalah generator,
Motor dan Transformator.
Generator merupakan piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan
untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik, dapat berupa generator
arus searah (generator DC) maupun generator arus bolak-balik (Alternator).
Motor merupakan piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan untuk
mengubah energi listrik menjadi energi mekanis, juga dapat berupa motor arus
searah maupun motor arus bolak balik. Sedangkan Transformator biasa
disebut juga Trafo, adalah piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan
untuk mengubah energi listrik yang satu ke energi listrik yang lain dimana
tegangan keluaran (out-put) dapat dinaikkan ataupun diturunkan oleh piranti ini
sesuai dengan kebutuhan.
Transformator terbagi atas ;
a. Trafo penaik tegangan (step-up) atau disebut trafo daya.
b. Trafo penurun tegangan (step-down) disebut juga trafo distribusi.
c. Trafo yang dipergunakan pada peralatan atau rangkaian elektronik,
yakni untuk memblokir rangkaian yang satu dengan yang lain.
Generator maupun motor dapat disebut mesin listrik, karena generator
dapat berupa generator arus searah dan generator arus bolak balik, demikian juga
motor.
Mesin listrik dapat dibagi atas :
a. Mesin arus searah, yang terbagi atas;
(1) Mesin Shunt,
(2) Mesin Seri,
(3) Mesin Kompon.
b. Mesin arus bolak balik, terbagi atas ;
2
(1) Transformator
(2) Mesin Tak Serempak (Asinkron) atau Mesin Induksi
(3) Mesin Sikron atau mesin Serempak.
Dalam mempelajari Teknik Tenaga Listrik berarti kita mempelajari rumus
yang berkaitan dengan q, i, v, p, dan w, sebagai variabel yang dianalisis.
3
Gambar 2. Variabel yang dianalisis dalam Teknik Tenaga Listrik
Soal Pendalaman
Jelaskan konversi energi, transmisi energi dan distribusi energi listrik
dangan blok diagram!
Energi
-1Air
-2Angin
-3 nuklir
-Bensin
Pengubah
Energi
-1Turbin
- 2Kincir
3. Reaktor
1. Konversi Energi (Dari Sumber Energi lain menjadi Energi Listrik
Alternat
or
2. Transmisi Listrik
3. Distribusi Listrik
Transformator
Step Up
Transfor
mator
Step Up
Jaringan
Tegangan
Tinggi
Transf
ormato
r Step
Down
Transfo
rmator
Step
Down
Rumah:
Kulkas
Komputer
P=900 watt
Veff=220 volt
Vmax=311,12volt
I= 4,09 ampere
Pengaman ≤ 4,09A
Jarin
gan
Teg.
Men
enga
Te
g.
Me
ne
ga
h
Te
g.
Re
n
Generat
or
AC
4
Pabri
k
BAB 2
KONSEP DASAR INDUKSI MAGNETIK
A. MEDAN MAGNET
Medan magnetik adalah ruang disekitar magnet dimana tempat benda-benda
tertentu mengalami gaya magnetik. Gaya magnetik dapat ditimbulkan oleh bendabenda
yang bersifat magnetik dan juga arus listrik/muatan listrik yang bergerak.
Magnet mempunyai dua kutub, yaitu utara (U) dan selatan (S). Medan magnetik
dapat digambarkan dengan garis-garis gaya magnetik yang disebut spectrum
magnetik. Garis gaya magnetik didefinisikan sebagai garis khayal yang
merupakan lintasan kutub utara magnet-magnet kecil apabila dapat bergerak
dengan bebas. Garis gaya magnetik selalu memancar dari kutub utara ke kutub
selatan dan tidak pernah memotong, seperti terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. Magnet batang sederhana
Gambar 4. Garis medan magnet batang sederhana
Garis medan magnetik dianggap mempunyai karakteristik tertentu. Semua garis
kekuatan:
· Mulai pada kutub utara dan berakhir pada kutub selatan .
· Kontinu dan selalu membentuk loop yang lengkung.
5
· Tidak pernah memotong.
· Cenderung memendek sendiri , karenanya garis magnet diantara kutub
yang berbeda menyebabkan kutub ditarik lebih dekat.
· Masuk dan keluarnya material magnet pada sisi kanan permukaan.
· Melewati semua material, magnet ataupun nonmagnet. Selain itu, tidak
ada isolator untuk kuat garis magnet.
B. MEDAN MAGNETIK DI SEKITAR ARUS LISTRIK
1. Percobaan Oersted
Hans Christian Oersted (1777-1851 orang Denmark) merupakan orang
pertama yang menemukan adanya medan magnet disekitar arus listrik.
Gambar 5. Percobaan Oersted
Pada Gambar 5, tampak jarum kompas diletakkan di bawah kawat
penghantar. Saat saklar terbuka, pada kawat tidak ada arus listrik yang mengalir
dan jarum kompas pada posisi sejajar dengan kawat. Apabila saklar ditutup
sehingga arus mengalir pada kawat penghantar, maka jarum kompas menyimpang.
Simpangan jarum kompas tergantung arah arus pada kawat dan letaknya.
Percobaan Oersted menunjukkan bahwa :
a. Arus listrik menghasilkan gaya yang dapat memutar sebuah
magnet yang ada didekatnya.
b. Besarnya gaya bergantung kepada kedudukan relative antara arus
dan magnet.
Dari percobaan ini, Oersted menyimpulkan bahwa "disekitar penghantar
berarus listrik timbul medan magnet".
6
2. Percobaan Ampere
Ampere menyatakan bahwa kawat yang berarus listrik mengadakan gaya
tarik atau tolak satu sama lain. Pada dua arus yang sama arahnya akan saling
menarik dan dua arus yang berlawanan arahnya akan saling menolak.
Gambar 6. Percobaan Ampere
3. Kaidah Penarik Gabus
Arah kuat medan magnet dapat ditentukan dengan kidah penarik gabus
seperti; Jika arah gerak penarik gabus menggambarkan arah arus listrik, maka
arah putaran penarik gabus menunjukkan arah kuat medan atau garis gaya.
Gambar 7. Kaidah Penarik Gabus
4. Kaidah Tangan Kanan
Bila ibu jari tangan menunjukkan arah arus, maka arah garis gaya atau
kuat medan sama dengan arah jari-jari yang digenggam. Besarnya gaya listrik di
suatu titik dalam medan listrik menyatakan kuat medan listrik di titik tersebut.
Gambar 8. Kaidah tangan kanan
7
C. INDUKSI MAGNETIK
1. Gaya Magnetik
Gaya yang bekerja antar arus listrik disebut gaya magnetik. Sebuah
muatan yang bergerak tidak mengalami gaya magnetik apabila bergerak paralel
dengan medan magnetnya. Gaya magnetik terhadap muatan yang bergerak itu
maksimun apabila gerakannya tegak lurus terhadap medan magnetnya.
2. Induksi Magnetik
Induksi magnetik dibatasi sebagai gaya terhadap muatan yang bergerak
dengan persamaan :
Newton ampere m
qv
B F -
F
= /
sin
Induksi magnetik adalah besaran vektor. Induksi magnetik ß , kecepatan
normal v sin Φ dan gaya magnetik F tegak lurus satu sama lain.
3. Flux Magentik
Induksi magnetik digambarkan sebagai garis-garis induksi sejajar dengan
medan magnet yang disebut flux magnetik.
Induksi magnetik juga disebut rapat flux, sebab induksi magnetik adalah
flux per satuan luas, jadi
atau B A
A
B = F F = .
Keterangan: Φ : weber
B : wb/m²
A : m²
4. Hukum Biot
Percobaan-percobaan yang telah dilakukan oleh Biot dan Savart dan juga
oleh Ampere menunjukkan bahwa besarnya induksi magnetik disuatu titik P yang
berada pada jarak r dari sebuah elemen arus i yang panjangnya Δ l
1. Berbanding lurus dengan kuat arus i
2. berbanding lurus dengan panjang elemen arus Δl
3. Berbanding lurus dengan sinus sudut antara garis singgung pada elemen
arus dan garis penghubung antara elemen arus dengan titik tersebut (Φ)
8
4. Berbanding terbalik dengan pangkat dua jarak r antara titik tersebut
dengan elemen arus.
5. Arahnya lurus bidang yang melalui elemen arus dan titik P
2
2
0 /
4
sin wb m
r
i l
B
p
m D F
D =
5. Hukum Biot-Savart
Induksi magnetik di sekitar kawat panjang lurus yang berarus listrik dapat
dicari dengan Hukum Biot-Savart seperti berikut :
0 / 2
2
wb m
A
B i
p
m
=
6. Induksi magnetik di pusat arus melingkar
Induksi magnetik di pusat kumparan yang berbentuk lingkaran:
0 / 2
2
wb m
r
iN
B
m
=
7. Induksi magnetik pada sumbu kumparan
Induksi magnetik di sebuah titik pada sumbu kumparan berjari-jari r meter
yang berada pada jarak a meter dari keliling lingkaran ialah:
2
3
2
0 /
2
wb m
a
B = m iNr
8. Induksi magnetik di dalam selenoida
Induksi magnetik di sebuah titik p pada sumbu selonoida yang panjangnya
1 meter yang terdiri dari N lilitan serta berarus i ampere adalah:
2
0 1 2 (cos cos ) /
2
wb m
l
B = m iN j - j
Induksi magnetik di salah satu ujung selenoida yang panjangnya 1 meter
yang terdiri N lilitan serta berarus i ampere ialah:
2
0 /
2
wb m
l
B = m iN
9
Gambar 9. Arah medan magnet disekitar kumparan (selenoida)
Soal Pendalaman
Mengapa fluks magnetik terjadi pada medan magnetik?
10
BAB 3
KONSEP INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
A. HUKUM FARADAY
Energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik dengan jalan induksi
elektromagnetik. Dengan induksi elektromagnetik dapat dibangkitkan energi
listrik secara besar-besaran.
Sifat magnetik dapat ditimbulkan dengan arus listrik, maka sebaliknya
arus listrik dapat ditimbulkan dengan gaya magnet. Hal ini dapat dinyatakan
dengan percobaan Faraday seperti berikut ;
Gambar 8. Percobaan Faraday
a. Apabila sebuah kumparan kawat yang kedua ujungnya dihubungkan
dengan galvometer, didekati oleh kutub utara suatu magnet batang, maka
selama ada gerakan, jarum galvometer akan menyimpan dari kedudukan
seimbangnya.
b. Apabila kutub magnet dijauhkan kembali dari kumparan, maka
galvometer akan menyimpang dengan arah yang berlawanan.
c. Bila percobaan di atas dilakukan dengan kutub selatan, maka waktu
didekatinya, arah simpangan galvometer sama dengan arah simpangan
ketika kutub utara dijauhkan daripadanya dan sebaliknya.
d. Simpangan jarum galvometer makin besar apabila jumlah lilitan kawat
kumparan makin banyak.
e. Pada gerakan yang perlahan-lahan simpangan sedikit dan perlahan-lahan,
pada gerakan cepat simpangan jarum besar dan menyentak.
11
Percobaan-percobaan Faraday seperti tersebut di atas menunjukkan bahwa
selama magnet digerakkan, di dalam kumparan terjadi arus yang arahnya bolakbalik
Oleh karena arus ini terjadi karena adanya induksi maka dinamakan arus
induksi, induksi yang menyebabkan arus induksi itu disebut induksi
elektromagnetik. Beda tegangan yang demikian dinamakan Gaya Gerak listrik
induksi (GGL induksi), arus yang terjadi disebut juga arus induksi atau arus
imbas.
B. HUKUM LENZ
Arah arus induksi dapt ditentukan dengan hukum Lenz, yang bunyinya :
”Arah arus induksi dalam suatu pengantar sedemikian, sehingga
menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan garis gaya yang
menimbulkannya”
Arus searah mempunyai nilai tetap, tidak berubah terhadap waktu.
Sedangkan arus bolak balik adalah arus yang nilainya berubah terhadap waktu
secara periodik. Bila dalam arus searah lambang sumber tegangannya .
Dan dalam arus bolak balik lambang sumber tegangannya ~
Arus bolak balik diukur dengan galvanometer, maka alat-alat tersebut (alat
ukurnya), angka menunjukkan angka nol. Karena kumparan koilnya terlalu lambat
untuk untuk mengikuti bentuk gelombang yang dihasilkan oleh sumber arus bolak
balik tersebut.
Tetapi bila diukur dengan osiloskop kita dapat melihat nilai-nilai arus atau
tegangan yang dihasilkan yang selalu berubah terhadap waktu secara periodik,
sehingga memperlihatkan sebuah bentuk gelombang.
.Gambar 9. Arah Gaya Magnetik dari Hukum Lenz
12
Soal Pendalaman
Arus lisrik mengalir sepanjang kawat listrik tegangan tinggi dari selatan ke
utara. Kemanakah arah megan magnet yang diakibatkan oleh arus listrik?
1. Di atas kawat tersebut
2. Di bawah kawat tersebut
13
BAB 4
BATERAI ( ACCU )
Baterai adalah suatu alat berfungsi menyimpan energi listrik dalam bentuk
energi kimia, dimana akan mengeluarkan energi listrik bila diperlukan.
A. KONSTRUKSI BATERAI
Baterai terdiri dari beberapa sel, dimana sel-sel ini membangkitkan
energi listrik. Tiap sel terdiri dari beberapa plat (lempeng), pemisah
(separator) dan elektrolit.
a. Kotak baterai
Kotak baterai terdiri dari ebonit, berguna untuk memegangi sel dan
penampang elektrolit. Reaksi kimia terjadi dalam kotak baterai. Sel-sel
tersebut dihubungkan secara seri (kutub positif dari salah satu sel
dihubungkan dengan kutub negatif dari sel lainnya), sehingga tegangan
listrik yang terbangkit sama dengan jumlah tegangan listrik di semua sel.
b. Terdapat dua macam plat, yaitu plat positif dan plat negatif. Plat berbentuk
kisi-kisi yang terbuat dari timah hitam dengan antimon ditambah dengan
bahan yang aktif, sehingga menambah daya penyimpangan. Plat positif
dipasang sebelah menyebelah dipisahkan oleh separator, sehinggga
membentuk satu group plat atau disebut satu sel. Dalam sel, terdapat satu
plat negatif lebih banyak sehingga kedua ujung dari kumpulan tersebut
adalah plat negatif.
c. Pemisah (separator)
Separator terbuat dari bahan non-konduktor untuk memisahkan plat positif
dan negatif agar tidak terjadi hubungan singkat. Pada separator terdapat
lubang-lubang dan alur yang halus untuk memberi jalan terhadap sirkulasi
elektrolit. Bahan separator adalah kayu, ebonit, atau dari serat gelas.
d. Elektrolit
Elektrolit terbuat dari campuran air sulingan (60,8%) dan asam belerang
(39,2 %). Mempunyai berat jenis 1,26 dalam keadaan baterai terisi penuh
14
pada suhu 20ºC. Bila plat-plat telah terendam elektrolit, bahan aktif plat
dan elektrolit sendiri mengadakan reaksi kimia sehinggga membangkitkan
energi listrik.
B. JENIS-JENIS BATERAI
1. Elemen Primer
Elemen elektrokimia yang memerlukan penggantian bahan-bahan pereaksi
setelah setelah jumlah energi dibebaskan melalui rangkaian luar.
Misalnya pada;
2. Elemen Volta
Antara atom-ataom logam Zn dan Cu larutan H2SO4 terjadi suatu selisih
potensial. Besarnya selisih potensial antara logam dan larutan dapat diperkirakan
pada deret volta (Nernst), K Na Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Pt Au C.
Makin ke kiri makin besar selisih potensial antara logam dengan larutan
(Mg dengan H2SO4 memberikan selisih potensial yang lebih besar dibansing Zn
dengan H2SO4 )
Pada gambar di atas selisih potensial antara logam Cu dan Zn (kedua
kutub) dinamakan gaya gerak listrik elemen (GGL) yang besarnya sekitar 1 volt.
Pada waktu kutub Cu terjadi juga pembentukan gas hidrogen, sehingga
timbul GGL antar seng dengan hidrogen yang arahnya berlawanan dengan GGL
anatar seng dan Cu (GGL ini dinamakan GGL polarisasi). Akibatnya mengurangi
GGL antara Cu dan Zn.
3. Elemen Daniell :
Ciri khas memiliki depolarisator (untuk mencegah terjadinya pembentukan
gas hidrogen). Disini depolarisator (CuSO4) akan mengikat gas hidrogen.
Akibatnya alat ini dapat dipakai lebih lama. Adapun GGL elemen ini sekitar 1
volt.
4. Elemen Leclanche basah :
Elektrolitnya adalah NH4Cl dan depolarisatornya menganoksida (MnO2).
Reaksi pengikatan hidrogen dengan MnO2 ini berlangsung kurang cepat sehingga
lama kelamaan terjadi juga polarisasi. GGL akan turun dari harga GGL semula
15
(1,5 volt). Karbon (pengantar yang baik) digunakan untuk membantu dipolarisasi
(pengantar yang kurang baik)
5. Elemen Leclanche kering :
Elektrolitnya adalh pasta NH4Cl dengan serbuk kayu, tepung atau getah.
Elemen kering (GGL 1,5 volt) digunakan untuk lampu senter, radio transistor dan
sebagainya.
6. Elemen Weston
Elektroda positif : air raksa (Hg)
Elektroda negatif : amalgam kadmium ( 11% Cd, 89% Hg)
Depolarisator : Campuran mercurosulfat (HgSO4) dan kadmiumsulfat
(CdSO4) berupa pasta
Elektrolitnya : Larut jenuh kadmiumsulfat
Halur-hablur kadmiumsulfat (CdSO4 8/3 H2O) digunakan untuk menjaga
larutan tetap jenuh.
GGL ini besarnya berkisar 1,01850 sampai 11,01870 volt pada temperatur
suhu 20º (hampir konstan), karena itu biasa digunakan sebagai elemen standar.
7. Elemen Sekunder
Elemen sekunder adalah elemen elektrokimia yang dapat memperbaharui
bahan-bahan pereaksinya setelah dialiriarus dari sumber lain yang arahnya
berlawanan dengan arus yang dihasilkan elemen itu.
8. Elemen Bahan Bakar
Elemen bahan bakar adalah elemen elektrokimia yang mengubah energi
kimia bahan bakar yang diberikan secara bertahap (kontinu) menjadi energio
listrik.
9. Elemen Hidrogen-Oksigen
Elemen ini digunakan untuk penerbangan angkasa. Energi ini tidak perlu
mengganti bahan atau mengisi elemen seperti pada elemen sekunder.
Elektroda : Nikel katalitis
Elektrolit : kalium hidroksida
Oksigen bereaksi dengan air (pada anoda berbentuk OH-). Hidrogen
bereaksi dengan OH- membentuk air melepaskan elektron pada katoda. Arus
16
elektron pada katoda mengalir ke anoda menjadi arus elemen. Air pada ruang
elektroda harus disingkirkan supaya kepekatan elektrolit tetap.
C. REAKSI KIMIA PADA BATERAI
Pengosongan dan pengisian beterai merupakan suatu siklus seperti reaksi
kimia di bawah ini.
Reaksi kimia pada waktu baterai mengeluarkan arus :
PbO2 + 2 H2SO4 + Pb --- PbSO4 + 2 H2O + PbSO4
Plat + elektrolit + Plat Plat + air + Plat
Ketika baterai mengeluarkan arus listrik, timah hitam pada plat positif
maupun negatif bergabung dengan SO4 yang terdapat dalam elektrolit, sehinggga
membentuk PbSO4. Dengan adanya reaksi tersebut, elektrolit H2SO4 sedikit
demi sedikit menjadi air, sehingga elektrolit berkurang konsentrasinya,
mengakibatkan berat jenisnya pun menurun.
Reaksi kimia pada waktu baterai diisi :
PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 --- PbO2 + 2 H2SO4 + Pb
Plat + air + Plat Plat + elektrolit + Plat
Selama pengisisan, arus listrik mengalir ke dalam baterai dengan arah
yang berlawanan, sehingga mengakibatkan kebalikan reaksi di dalam baterai.
H2SO4 terpisah dari PbSO4 pada tiap-tiap plat sehingga plat positif akan
terdapat Pb. Dalam reaksi ini H2SO4 akan terbentuk kembali di dalam elektrolit
sehingga konsentrasi dan berat jenisnya akan naik.
Akibat reaksi kimia (ketika akai dipakai), pada kutub-kutub anoda dan katoda
lama kelmaan terjadi endapan PbO sehingga tidak terjadi selisih potensial lagi
(aki kosong). Untuk mengisisnya kembali maka kita harus mengalirkan arus
listrik ke arah yang berlawanan dengan arus yang dikeluarkan oleh aki tersebut.
GGL aki ini sekitar 2 volt. Efesiensi aki .ialah perbandingan energi listrik yang
dapat dipakai menjadi kalor dibandingkan dengan energi listrik yang diisikan.
berkisar 80-90%.
Soal Pendalaman
Bagaimana karakteriustik baterai yang dapat diisi?
17
BAB 5
GENERATOR ARUS BOLAK-BALIK (ALTERNATOR)
A. PROSES INDUKSI PENGHASIL ARUS BOLAK-BALIK
Arus yang dihasilkan dari perkisaran lingkaran kawat, yang diujungnya
dihubungkan dengan cincin tembaga yang satu dengan yang lainnya terhadap
poros disekat pada cincin ini diletakkan dua buah sikat yang mengambil arus dari
kawat lingkaran, kemudian diberikan pada aliran luar. Arus yang mengalir dalam
rantai ini berubah-ubah besar serta arahnya, maka disebut arus bolak-balik.
Contoh; Sebuah generator yang sederhana adalah generatot AC, yang terdiri dari
sebuah kumparan kawat yang berputar dalam medan magnet serba sama.
GGL yang diinduksikan di dalam sebuah generator ideal berupa GGL bolakbalik
yang dapat dinyatakan dengan persamaan :
e = emax Sin ωt dimana emax= N.B.A.ω
Kumparan dimana terjadi GGL induksi disebut anker.
A. PRINSIP KERJA ALTERNATOR
Cara mendapatkan arus listrik dari perkisaran lingkaran kawat, kedua
ujung kawat itu dihubungkan pada dua buah cincin tembaga yang satusama
lainnya serta terhadap porosnya disekat. Pada cincin ini diletakkan dua buah sikat
yang mengambil arus dari kawat lingkaran kemudian diberikan kepada rantai
aliran luar. Arus yang mengalir dalam rantai ini berubah-ubah pula seperti tekanan
yang diinduksikan.
Karena arus-terus menerus berubah besar beserta arahnya, maka disebut
arus bolak-balik. Pada arus searah, elektron dalam kawat bergerak dalam arah
yang selalu sama, pada arus bolak-balik elektron ini melakukan getaran tunggal
pada suatu kedudukan setimbang.
Tahanan lingkaran kawat disebut tahanan dalam dan tahanan rantai aliran
luar disebut tahanan luar. Jika perputarannya beraturan, tekanannya berlangsung
seperti sinosuida.
18
Sebuah lingkaran kawat ABCD yang diputar keliling poros MN. Seandainya
jumlah GGL yang dilingkar O, kuat arus maksimun. Bila kita perhatikan pula
selama separo putaran AB memotong garis gaya dari bawah ke atas dan setelah
melalui garis netral garis gaya tersebut dipotong dari atas ke bawah, dengan kata
lain, dalam arah yang berlawanan. Dengan demikian gaya gerak listrik dan arus
listrik, terjadi sewaktu melalui garis netral dan berbalik arahnya. Kejadian yang
timbul selama lingkaran kawat diputar, merupakan suatu putaran sempurna. (lihat
Gambar 11).
Gambar 11. Prinsip Kerja Alternator.
Pada poros selinder ini tredapat beberapa jalur tembaga yang disebut
Lamel, yang disekat satu sama lain, dan seluruhnya merupakan sebuah kolektor.
Karena kawat-kawat lingkaran dihubungkan pada tembereng kolektor ini, maka
perubahan kutub berjalan otomatis.
19
Gambar 10. Alternator
Jangkar yang berbentuk selinder tadi disebut jangkar teromol. Kumparan
kawat yang berputar harus diletakkan pada jangkar ini, demikian sehingga apabila
sisi yang satu berada di muka kutub utara, yang lain berada di muka kutub selatan
dan semuanya diatur demikian sehingga terjadi suatu rantai aliran tertutup.
Apabila jangkar berputar, terjadi suatu GGL dalam tiap lingkaran. Hasil
pekerjaan bersama dari berbagai-bagai kumparan itu dapat diperoleh dengan
menjumlahkan GGL dalam berbagai kumparan untuk tiap saat.
20
BAB 6
GENERATOR ARUS SEARAH
A. PROSES INDUKSI PENGHASIL LISTRIK ARUS SEARAH
Bila kawat melingkar diletakkan di antara dua kutub utara dan selatan
maka akan memotong garis-garis gaya sehingga dalam kawat terjadi arus induksi.
Arus induksi yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Arus bolak-balik yang
dihasilkan itu kemuadian diubah menjadi arus searah dengan memakai dua sekat
lempengan logam setengah lingkaran (cincin slip/komutator) . Besar GGl induksi
tergantung pada jumlah garis gaya yang dipotong tiap detik.
Kumparan yang diinduksikan gaya gerak listrik disebut anker. Untuk
mencapai tegangan yang tinggi, kawat kumparannya digulung pada sebuah inti
besi dan menggunakan banyak lilitan. Ujung-ujung kumparan dihubungkan pada
komutator yang terdiri dari dua cincin slip yang disekat satu sama lain. Pada
kedua belahan cincin tersebut disinggungkan sikat-sikat yang terbuat dari granit
yang dihubungkan ke kutub-kutub generator. Kedudukan sikat-sikat sedemikian
hingga terselip dari segmen komutator yang satu ke segmen yang lain pada saat
GGL berubah arah selama waktu kumparan berputar. Di dalam rantai aliran luar
terdapat tegangan searah yang berubah-ubah.
Jika kumparan berputar 180 derajat, maka selama putaran itu akan terjadi
gaya gerak listrik induksi yang arahnya tetap. Setelah berputar 180 derajat sikatsikat
bersinggungan dengan isolator sehingga dalam aliran luar tidak ada arus.
Pada perputaran berikutnya terjadi GGL induksi lagi, tetapi karena bentuk
komutator demikian, maka pada aliran luar GGL itu tetap sama seperti semula.
B. PRINSIP KERJA GENERATOR ARUS SEARAH
Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday :
e = - N df/ dt
dimana : N : jumlah lilitan
f : fluksi magnet
e : Tegangan imbas, ggl(gaya gerak listrik)
21
Dengan lain perkataan, apabila suau konduktor memotong garis-garis fluksi
magnetik yang berubah-ubah, maka ggl akan dibangkitkan dalam konduktor itu.
Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan ggl adalah :
- harus ada konduktor ( hantaran kawat )
- harus ada medan magnetik
- harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada
fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu.
Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan
kiri :
- ibu jari : gerak perputaran
- jari telunjuk : medan magnetik kutub u dan s
- jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus I
Gambar 12. Kaidah Tangan Kiri
Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak balik, meskipun tujuan
utamanya adalah pemabngkitan tegangan searah, tamopak bahwa tegangan
kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolakbalik.
Bentuk gelombang yng berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.
Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan
- saklar
- komutator
- dioda
22
2. Sistem Saklar
Saklar berfungsi untuk menghubungsingkatkan ujung-ujung kumparan.
Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :
Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul
tegangan yang sinusoida. Bila setengan periode tegangan positif saklar di
huybungkan, maka tegangan menjadi nol. Dan bila sakalar dibuka lagi akan
timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setenganh periode tegangan saklar
dihubungkan, maka akan di hailkan tegangan searah gelombang penuh.
3. Sistem Komutator
Komutator brfungsi sebagai saklar, yaitu untuk menghubung singkatkan
kumparan jangkar. Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung
kumparan jangkar. Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut
berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangna
bolak balik sinusoidal.
Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah
cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah
akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan
perioda perputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah
gelombang penuh. (lihat Gambar 13)
4. Sistem Dioda
Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:
- Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.
- Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.
Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam:
- Half wave rectifier (penyearah setengah gelombang)
- Full wave rectifier (penyearah satu gelombang penuh)
23
Gambar 13. Efek Komutasi
C. KARAKTERISTIK GENERATOR ARUS SEARAH
Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu :
- dengan magnet permanen
- dengan magnet remanen
Generator listrik dengan magnet permanen sering juga disebut magneto
dynamo. Karena banyak kekurangannya, maka sekarang jarang digunakan.
Sedangkan generator dengan magnet remanen menggunakan medan magnet
listrik, mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu :
- Medan magnet yang dibangkitkan dapat diatur
Pada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :
Ea = f z n P / 60 a Volt
Dimana:
Ea = ggl yang dibangkitkan pada jangkar generator
f = fluks per kutub
z = jumlah penghantar total
n = kecepatan putar
a = jumlah hubungan pararel
24
Bila zP/60a = c(konstanta), maka :
Ea = cnf Volt
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator
arus searah dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu:
a.. Generator berpenguatan bebas
Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan
medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak
tergantung dari mesin.
Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai
tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua
kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
Gambar 14. Generator Berpenguatan Bebas
Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam
generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
Vf = If Rf
Ea = Vt + Ia Ra
Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :
- Tegangan jepit (V)
- Arus eksitasi (penguatan)
- Arus jangkar (Ia)
- Kecepatan putar (n)
b. Generator berpenguatan sendiri
(a) Generator searah seri
25
Gambar 15. Generator Berpenguatan Sendiri
Vt = Ia Ra
Ea = Ia (Ra + Rf) + Vt + <Vsi
(b) Generator Shunt
Gambar 16. Generator Shunt
Vt = If Rf
Ea = Ia Ra + Vt + <Vsi
Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan :
- Adanya sisa magnetik pada sistem penguat
- Hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hingga
arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.
Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau:
- Sisa magnetik tidak ada.
Misal: pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetik
adalah pada generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatan
bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan
dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputaran
nominal
26
- Hubungan medan terbalik, karena generator diputar oleh arah yang salah
dan dijalanksalahan, sehingga arusmedan tidak memperbesar nilai fluksi.
Untuk memperbaikinya dengan hubungan-hubungan perlu diubah dan
diberi kembali sisa magnetik, seperti cara untuk memberikan sisa
magnetik
- Tahanan rangkaian penguat terlalu besar.
Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan,
hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau
komutator kotor.
c. Generator Kompon
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator
seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki
merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan
sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaan dari kedua
hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga
tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari dari tegangan terminal kecil sekali
dan terpengaruh.
Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan
seri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF nya searah. Bila generator ini
dihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu mempunyai kumparan
kompon bantu.
Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut
kompon lawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau generator-generator
khusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu yang mempunyai
peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seri dirancang untuk
kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar pada
range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara
otomatis pasa satu range beban tertentu.
(a) Kompon panjang
27
Gambar 17. Generator Kompon Panjang
Ia = If1 = IL + If2
Ea = Vt + Ia(Ra + Rf1) + <Vsi
(b) Kompon pendek
Gambar 18. Generator Kompon Pendek
Ia = If1 + If2 = IL + If2
Ea = Vt + ILRf1 + IaRa + <Vsi
Pembangkitan Tegangan Induksi Pada Generator Berpenguatan Sendiri
Disini akan diterangkan pembangkitan tegangan induksi generator shunt
dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu
fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor,
akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya
tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan
menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses
terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil.
Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan
menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk
generator tersebut.
28
D. REAKSI JANGKAR
Fluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator tak
berbeban merupakan fluks utama. Jika generator dibebani, timbullah arus jangkar.
Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktor tersebut.
Dengan mengnggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam kumparan medan,
fluks ini seperti digambarkan pada gambar dibawah ini.
Perhatian pada konduktor yang terletak pada daerah ac, ternyata fluks
yang ditimbulkan arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkecil,
sehingga fluks yang terjadi disini menjadi berkurang. Perhatikanlah kemudian
konduktor pada daerah bd, ternyata fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar
dengan fluks utamanya saling memperkuat, sehingga fluks yang terjadi disini
bertambah. Fluks total saat generator dalam keadaan berbeban adalah
penjumlahan vector kedua fluks. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi
jangkar. Interaksi kedua fluks tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Karena operasi suatu generator arus searah selalu pada daerah jenuh, pengurangan
suatu fluks pada konduktor dibandingkan dengan pertambahan fluks pada
konduktor lain lebih besar.
B
Gambar 19. Reaksi Jangkar
E. KERJA PARAREL GENERATOR ARUS SEARAH
29
Untuk memberi tenaga pada suatu beban kadang-kadang diperlukan kerja
pararel dari dua atau lebih generator. Pada penggunaan beberapa buah mesin perlu
dihindari terjadinya beban lebih pada salah satu mesin. Kerja pararel generator
juga diperlukan untuk meningkatkan efisiensi yang besar pada perusahaan listrik
umum yang senantiasa memerlukan tegangan yang konstan. Untuk hal-hal yang
khusus sering dynamo dikerrjakan pararel dengan aki, sehingga secara teratur
dapat mengisi aki tesebut.
Tujuan kerja pararel dari generator adalah :
- Untuk membantu mengatasi beban untuk manjaga jangan sampai mesin
dibebani lebih.
- Jika satu mesin dihentikan akan diperbaiki karena ada kerusakan, maka
harus ada mesin lain yang meueruskan pekerjaan. Jadi untuk menjamin
kontinuitas dari penyediaan tenaga listrik.
Soal Pendalaman
Jelaskan bagaimana generator listrik arus searah bekerja untuk
mengeluarkan arus dengan E sebesar 12 volt?
30
BAB 7
MOTOR LISTRIK
A. KARAKTERISTIK MOTOR LISTRIK
Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi
kinetik. Dasar kerja motor hampir sama dengan alat pengukur listrik, yaitu
perputaran kumparan berarus listrik dalam suatu medan magnet. Alat yang dapat
melakukan perubahan arah aliran dinamakan komutator yang terpasang pada
poros motor.
Komponen utama dari motor listrik yaitu; sebuah magnet yang berbentuk
U dengan ruang berbentuk silinder di antara kutub-kutubnya, sebuah kumparan
yang dapat berputar di antara kutub magnet, dua buah sikat, dua buah cincin
belah.
Cara kerja motor berdasarkan asas bahwa kawat yang berarus listrik
mengalami gaya Lorentz di dalam medam nagnet.
A : Sumber arus DC
B : Isolasi
C : komutator
D : Sikat
E : Poros
U-S : Kutub
Magnet
Gambar 20. Motor Arus Searah
Misal, sebuah kumparan kawat yang berarus listrik berada di dalam medan
magnet serba sama seperti Gambar 20. Arah garis gaya magnet dari kiri ke kanan,
sedangkan arah arus listrik seperti terlukis dengan anak panah.
Gaya dari medan magnet bekerja pada kawat di kedua sisi yang dapat
dicari dengan aturan Fleming (aturan tangan kiri), seperti berikut :
31
” Jika telunjuk tangan kiri menunjuk arah yang sama dengan arah garis gaya dan
jari tengan menunjuk arah yang sama dengan arah arus, maka ibu jari menunjuk
arah gerakan kawat”
Jadi pada gambar 20 itu kawat yang kiri bergerak ke atas dan yang kanan
bergerak ke bawah, karena kedua gaya tersebut sama besar, sejajar dan
berlawanan arahnya, maka pada kumparan tersebut bekerjalah suatu kopel
kekuatan.
Supaya kopel ini senantiasa sama arahnya, dipergunakan sebuah
komutator yang mengubah arah arus dalam kumparan apabila telah melintasi
daerah netral.
Bagian yang berputar dinamakan Rotor dan bagian yang tidak bergerak
yang dilengkapi dengan kutub-kutub magnet disebut Stator. Gaya magnet dari
kutub-kutub stator ini dapat diperoleh dengan arus yang melalui Rotor (seri), atau
dengan sebagian arus yang dialirkan ke motor (shunt).
Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi
gerak atau kinetik. Dasar kerja motor listrik adalah hampir sama dengan dasar
kerja alat pengukur listrik, yaitu perputaran kumparan berarus listrik, yaitu
perputaran kumparan berarus listrik ke dalam medan magnet.
Motor listrik mempunyai bagian utama yaitu ;
a. Sebuah magnet tetap berbentuk U dengan ruang di antara kutubkutubnya
berbentuk selinder.
b. Sebuah kumparan yang dapat berputar diantara kutub-kutub
magnet tetap
c. Dua buah sikat S1 dan S2
d. Dua buah cincin belah B1 dan B2
B. PRINSIP KERJA MOTOR LISTRIK
1. Arus listrik masuk melalui sikat S2 ke belahan B2, dari B2 arus mengalir
melalui kumparan ke belahan B1 Ke sikat S1.
2. Arus listrik ini memutar kumparan sampai bidang kumparan menghadap
magnet kutub-kutub magnet tetap. B1 dan B2 berputar.
32
3. Tepat pada saat iru B2 bersentuhan dengan S1 dan B1 bersentuhan dengan
S2. Sekarang arus dalam kumparan menjadi dari S2 ke belahan B1 melalui
kumparan lalu kebelahan B2 terus ke sikat S1.
Jadi arus sekarang dalam kumparan berubah. Dengan demikian kumparan
berputar setengah putaran lagi, demikian seterusnya tiap kali bidang
kumparan berhadapan dengan kutub-kutub magnet tetap. Arah arus diubah
oleh cincin belah itu yang terbuat dari penghantar dan disebut Komutator.
4. Pengaruh medan magnet terhadap kumparan itu paling besar ketika bidang
kumparan tidak terletak sejajar dengan garis-garis gaya. Sedangkan
pengaruh medan magnet terhadap putaran kumparan paling kecil ketika
bidang kumparan itu tegak lurus garis-garis gaya. Maka dari itu kumparan
motor itu menggunakan satu kumparan yang berjalan agak tersentaksentak.
Untuk menghaluskan putaran maka digunakan dua buah kumparan, yang
satu tegak lurus dengan yang lain, dengan dua pasang cincing belah. Dengan cara
ini bila kumparan yang satu tegak lurus pada garis gaya maka kumparan yang lain
sejajar dengan garis gaya.
Untuk membuat motor listrik yang kuat maka kumparan yang digunakan
lebih banyak lagi, begitu pula cincin belahnya. Kumparan-kumparan diletakkan
pada alur-alur sebuah selinder besi disebut Anker atau Sauh. Ujung-ujung tiap
kumparan berakhir pada komutator yang berupa plat-plat tembaga yang tersekat
atau sama lain tersusun sekeliling anker sedangkan sikatnya terbuat dari karbon.
Perlu diketahui bahwa pengaruh paling besar medan magnet terhadap
kumparan adalah ketika bidang kumparang tidak sejajar dengan garis-garis gaya
magnet. Sedangkan pengaruh medan magnet terhadap kumparan paling kecil
ketika bidang kumparan berada tegak lurus dengan garis-garis gaya medan
magnet. Hal ini akan mengakibatkan jalan motor tersentak-sentak, sehingga
diperlukan paling tidak dua buah kumparan yang saling tegak lurus serta dua
pasang cincin belah.
Untuk membuat motor listrik yang kuat maka diperlukan lebih banyak lagi
kumparan dan cincin belahnya. Kumparan-kumparan tersebut diletakkan pada
33
alur-alur sebuah selinder besi disebut anker. Ujung dari setuap kumparan berakhir
pada sebuah komutator yang berupa plat tembaga dan tersekat satu dengan yang
lainnya, tersusun mengelilingi anker, sedangkan sikat terbuat dari karbon.
Sesuai dengan Hukum Lenz, setiap GGL induksi berkelakuan melawan
perubahan yang menghasilkannya. Dengan demikian induksi diri selalu dalam
arah sedemikian rupa sehuingga melawan perubahan arus dalam rangkaian. Jika
kumparan atau rangkaian listrik mempunyai sifat melawan setiap perubahan araus
dalam rangkaian, dikatakan mempunyai induksi diri atau induktansi, yang
bersatuan Henry. Rangkaian mempunyai induktansi satu Henry jika GGL satu volt
diinduksikan dalam rangkaian ketika arus berubah dengan laju satu amper per
sekon.
Soal Pendalaman
Melihat bagian-bagian motor, bedakan dengan yang ada pada generator!
34
BAB 8
ALTERNATOR GGL TIGA-FASE
A. KARAKTERISTIK ALTERNATOR GGL TIGA-FASE
Rangkaian listrik tiga fase diberi energi oleh tiga GGL bolak balik dengan
frekuensi yang sama dan berbeda fase 120º listrik. Tiga GGL gelombang sinus
yang demikian ditunjukkan dalam gambar di bawah ini. Ketiga GGL ini
dibangkitkan dalam tiga pasangan jangkar yang terpisah dalam generator AC.
Toga pasang kumparan ini dipasang terpisah 120 derajat listrik pada jangkar
genertor. Ujung kumparan semuanya dikeluarkan dari generator untuk
membentuk tiga rangkaian fase-tunggal yang terpisah. Tetapi kumparan-kumparan
biasanya dihubungkan baik di dalam maupun di luar guna membentuk sistem tiga
fase kawat tiga atau kawat empat.
Ada dua cara hubungan kumparan tiga fase, dan secara umum ada dua
cara menghubungkan alat ke rangkaian tiga fase yaitu hubungan Y dan hubugan
delta. Kebanyakan generator dihubungkan secara Y, tetapi beban dapat
dihubungkan baik secara Y maupun delta.
B. Hubungan Tegangan dalam Generator Hubungan Y
Gambar 2 a mewakilli sebuah kumparan atau lilitan fase sebuah generator.
Likitan ini diletakkan pada permukaan jangkar sedemikian rupa sehingga GGL
yang dibangkitkan berbeda 120 deajat. Tiap-tiap kumparan diberi huruf S dan F
(start dan finish). Dalam gambar 2a semua ujung kumparan yang diberi tanda S
dihubungkan ke titik bersama N yang disebut netral dan ketiga kumparan n yang
diberi tanda F dikeluarkan ke terminal saluran A,B, dan C membentuk catu tiga
fase kawat tiga. Tipe hubungan ini disebut hubngan Y (kadan-kadanng disebut
hubnngan bintang). Kerapkali dikeluarkan ke papan netral atau terminal seperti
ditunjukkan pada gambar 2a dengan garis putus-putus, membentuk sistem tiga
fase kawat empat.
Tegangan yang dibangkitkan setiap fase generator AC disebit tegangan
fase (simbol Ep atau Vp). Jika sambungan netral dikeluarkan dafri generator,
35
tegangan dari masing-masing terminal saluran A,B, atau C ke sambungan netral N
adalah tegangan saluran ke saluran atau singkatnya tegangan saluran (simbol El
atau Vl).
Gambar 21. Hubungan Bintang
Gambar 21 (a) hubungan lilitan fase dalam generator hubungan Y
(b) diagram konvensional hubungan Y
(c) diagram fasor yang menunjukkan hubungan antara tegangan fase
dan saluran.
Hubungan dari tiga fase-fase disebut urutan fase atau putaran fase
tegangan. Ini ditentukan oleh putaran generator, tetapi dpat dibalikkan di luar
generator dengan menukarkan setiap dari ketiga kawat saluran (jangan kawat
saluran dengan kawat netral).
Sangatlah membantu jika kita menggambrkan diagram rangkaian
hubungan Y seperti dalam diagram 2.b. perhatikan bahwa ranglaian gambar 2.b.
benatr-benar sama dengan gambar 2.a, dengan ujung setiap kumparannya
dihubungkan ketitik netral, dan ujung F dikeluarkan ke terminal. Setelah diagram
rangkaian digambar dan semua bagiannya diberi huruf, maka diagram fasor dapat
digambar seperti pada gambar 2c. Diagram fasor menunjukkan ketiga tegangan
fase Van, Vbn, Vcn berbeda 120 derajat.
Haruslah diperhatikan dalam gambar 2 bahwa setiap fasor diberi huruf
dengan dua subskrip. Kedua huruf tersebut menunjukkan kedua titik diantara
36
tegangan yang ada, dan urutan huruf menunjukkan polaritasrelatif dari tegangan
selama setengah siklus positifnya.dalam diagram fasor yang ditunjukkan, telah
diumpamakan bahwa terminal generatornya positif. Sebagai contoh ; simbol Van
menunjukkan tegangan v antar titik A dan N dengan titik A positif terhadap titik N
selama setengah siklus positifnya. Karena tegangan membalik setengah siklus,
sekarang polsnya dapat diperhatikan, jika polaritas ini diperhatikan secara
konsisten untuk semua fasenya.
Haruslah diperhatikan bahw ajika untuk setengah siklus positif ditentukan
polaritas titik A terhadap N (Van), maka Van jika digunakan pada diagram fasor
yang sama haruslah digambar berlawanan, atau beda fase 180 derajat dengan Van.
Tegangan antara setiap dua terminal saluran dari generator yang terhubung
Y adalah selisih potensial antara kedua terminal ini terhadap netral. Sebagai
contoh ; tegangan saluran Vab sama dengan A terhadap netral (Van) dikurangi
tegangan B terhadap netral (Vbn). Untuk menurangi Vbn dari Van, perlulah
membalikkan Vbn dan kemudian menjumlahkan fasor ini pada Van. Kedua fasor
Van dan Vbn panjangnya sama dan beda 60 derajat, seperti ditunjukkan dlam
gambar 2.c. dapat ditunjukkan secara grafik atau dibuktikan dengan ilmu ukur
atau bidang bahwa Vab sama dengan V3 atau 1,73 dikali harga Van dan Vbn.
Konstruksi grafik ditunjukkan dalam diagram fasor, oleh akrena itu dalam
hubnngan Y yang seimbang,
VL = 1,73 Vp
C. Hubungan Arus dalam Generator Hubungan Y
Arus yang mengalir keluar ke kawat saluran dari terminal generator A, B,
dan C (gambar 2) harus mengalir dari titik N keluar melalui kumparan generator.
Maka arus dalam setiap saluran (IL) harus sama dengan fase (Ip). Dalam
hubungan Y
lL = Ip
37
D. Hubungan Tegangan dalam Generator Hubungan Delta
Generator hunbungan delta ditunjukkan dalam gambar 3. hubungan ini
dibentuk dengan menghubunkan terminal S dari satu fase ke terminal F dari fase
tangganya.
Gambar 3. (a) Hubungan lilitan fase dalam hubungan delta
(b) Diagram konvesional dari hubungan delta
(c) Diagram fasor yanng menunjukkan hubungan antar arus fase dan
arus saluran
Maka hubungan saluran dibuat pada titik bersama antar fase seperti yang
ditunjukkan. Diagram konvensional yang mana ketiga kumparan dihubungkan
seperti huruf yunani ditunjukkan dalam gambar 3b. Pengamatan dari diagram
menunjukkan bahwa tegangan yang dibangkitkan dalam fase 1 juga merupakan
tegangan antara saluran A dan B. Oleh sebab itu dalam hubungan Delta.
VL = Vp
E. Hubungan Arus dalam generator Hubungan Delta
Arus fase dalam hubungan delta pada gambar 3.b adalah I1, I2,
I3..Diagram fasor yang menyatakan arus ini ditunjukkan dalam gambar 3c. Untuk
menentukan arus adalam setiap kawat slauran, perlulah menjumlahkan fasor arus
yang mengalir ke dalam kedua fase dimana kawat saluran tersebut dihubungkan.
38
Gambar Hubungan Delta
Sebagai contoh ; arus yang mengalir keluar menuju beban melalui saluran A
haruslah
IA = I1 + (- I3)
Karena I1 dan I3 merupakan fasor yang besarnya sama dan berbeda 60º, maka
jumlah fasornya adalah V3 atau 1,73 kali harga I1 ataupun -I3 (gambar 3c). Oleh
sebab itu dalam hubungan –delta.
IL = V3 Ip = 1,73 Ip
F. Daya dalam Rangkaian Tiga-Fase
Dari rumus daya dalam rangaian satu fase, daya dalam setiap fase (Pp)
baik hubungan –delta maupun- Y adalah:
Pp = VpIp. cos Θ
Dimana Θadalah sudut antara arus fase dan tegangan fase. Maka daya yang
dihasilkan dalam tiga-fase dalam hubungan tiga-fase yang seimbang adalah ;
P = 3 Pp = 3 Vp. Ip. cos Θ
Tetapi dalam hubungan Y
3
I Il, danV VL p p = =
Maka daya tiga-fase dalam hubungan –Y yang dinyatakan dalam tegangan dan
arus saluran adalah:
= cosQ = 3 cosQ
3
P 3VL IL VLIL
Dalam hubungan delta
..............
39
BAB 2
TRANSFORMATOR
A. KONSTRUKSI
Transformator terdiri dari dua buah kumparan, lilitan, induktor, atau
gulungan kawat (primer dan sekunder) yang bersifat induktif, yang terpisah
secara elektris namun terhubung secara magnetis melalui jalur yang melalui
reluktansi (reluctance) rendah. Di antara kumparan terdapat inti (core) yang
dilaminasi, berfungsi mengurangi reluktansi. Secara terperinci, konstruksi
transformator daya biasanya terdiri atas bagian-bagian sebagai berikut:
1. Inti yang dilaminasi
2. Dua buah kumparan
3. Tangki, casing, body
4. Sistem pendingin
5. Terminal, kontak atau sambungan ke listrik
6. Bis kabel (bushing) ke luar
Gambar:
40
B. PRINSIP KERJA
Transformator daya merupakan suatu peralatan listrik elektromagnetik
statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik arus bolakbalik
(AC) dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan
frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu
gandengan (dampingan) magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetis, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi
sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding
terbalik dengan perbandingan kuat arusnya.
P P S
S S P
N V I
N V I
= =
41
SISTEM TENAGA LISTRIK
A. TEKNIK TENAGA LISTRIK
Teknik Tenaga Listrik ialah ilmu yang mempelajari konsep dasar
kelistrikan dan pemakaian alat yang asas kerjanya berdasarkan aliran
elektron dalam konduktor (arus listrik). Dalam Teknik Tenaga Listrik dikenal
dua macam arus :
1. Arus searah dikenal dengan istilah DC (Direct Current)
2. Arus bolak balik dikenal sebagai AC (Alternating Current)
Dalam menghasilkan arus searah atau arus bolak balik, dikenal sistem
pengadaan energi listrik sebagai berikut :
Pembangkit: Sebagai sumber energi listrik yang antara lain berupa; PLTA, PLTU,
PLTN, PLTG, PLTD, dan ENERGI DARI ANGIN, SURYA, GEOTHERMAL,
OMBAK, CHEMICAL,dan sebagainya .
Transmisi: Sebagai jaringan untuk menyalurkan energi listrik dari pembangkit ke
beban atau ke jaringan distribusi (gardu-gardu listrik).
Distribusi: Sebagai jaringan yang menyalurkan energi listrik ke konsumen
pemakai.
Gambar 1. Sistem Pengadaan Energi Listrik
1
B. PERALATAN ATAU PERANTI PENGUBAH ENERGI
Dalam sistem energi listrik dikenal peralatan yang mengubah energi listrik,
baik dari energi listrik ke energi mekanis, maupun sebaliknya, serta megubah
energi listrik dari rangkaian atau jaringan yang satu menjadi energi listrik yang
lain pada rangkaian atau jaringan berikutnya. Piranti tersebut adalah generator,
Motor dan Transformator.
Generator merupakan piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan
untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik, dapat berupa generator
arus searah (generator DC) maupun generator arus bolak-balik (Alternator).
Motor merupakan piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan untuk
mengubah energi listrik menjadi energi mekanis, juga dapat berupa motor arus
searah maupun motor arus bolak balik. Sedangkan Transformator biasa
disebut juga Trafo, adalah piranti atau peralatan listrik yang dapat dipergunakan
untuk mengubah energi listrik yang satu ke energi listrik yang lain dimana
tegangan keluaran (out-put) dapat dinaikkan ataupun diturunkan oleh piranti ini
sesuai dengan kebutuhan.
Transformator terbagi atas ;
a. Trafo penaik tegangan (step-up) atau disebut trafo daya.
b. Trafo penurun tegangan (step-down) disebut juga trafo distribusi.
c. Trafo yang dipergunakan pada peralatan atau rangkaian elektronik,
yakni untuk memblokir rangkaian yang satu dengan yang lain.
Generator maupun motor dapat disebut mesin listrik, karena generator
dapat berupa generator arus searah dan generator arus bolak balik, demikian juga
motor.
Mesin listrik dapat dibagi atas :
a. Mesin arus searah, yang terbagi atas;
(1) Mesin Shunt,
(2) Mesin Seri,
(3) Mesin Kompon.
b. Mesin arus bolak balik, terbagi atas ;
2
(1) Transformator
(2) Mesin Tak Serempak (Asinkron) atau Mesin Induksi
(3) Mesin Sikron atau mesin Serempak.
Dalam mempelajari Teknik Tenaga Listrik berarti kita mempelajari rumus
yang berkaitan dengan q, i, v, p, dan w, sebagai variabel yang dianalisis.
3
Gambar 2. Variabel yang dianalisis dalam Teknik Tenaga Listrik
Soal Pendalaman
Jelaskan konversi energi, transmisi energi dan distribusi energi listrik
dangan blok diagram!
Energi
-1Air
-2Angin
-3 nuklir
-Bensin
Pengubah
Energi
-1Turbin
- 2Kincir
3. Reaktor
1. Konversi Energi (Dari Sumber Energi lain menjadi Energi Listrik
Alternat
or
2. Transmisi Listrik
3. Distribusi Listrik
Transformator
Step Up
Transfor
mator
Step Up
Jaringan
Tegangan
Tinggi
Transf
ormato
r Step
Down
Transfo
rmator
Step
Down
Rumah:
Kulkas
Komputer
P=900 watt
Veff=220 volt
Vmax=311,12volt
I= 4,09 ampere
Pengaman ≤ 4,09A
Jarin
gan
Teg.
Men
enga
Te
g.
Me
ne
ga
h
Te
g.
Re
n
Generat
or
AC
4
Pabri
k
BAB 2
KONSEP DASAR INDUKSI MAGNETIK
A. MEDAN MAGNET
Medan magnetik adalah ruang disekitar magnet dimana tempat benda-benda
tertentu mengalami gaya magnetik. Gaya magnetik dapat ditimbulkan oleh bendabenda
yang bersifat magnetik dan juga arus listrik/muatan listrik yang bergerak.
Magnet mempunyai dua kutub, yaitu utara (U) dan selatan (S). Medan magnetik
dapat digambarkan dengan garis-garis gaya magnetik yang disebut spectrum
magnetik. Garis gaya magnetik didefinisikan sebagai garis khayal yang
merupakan lintasan kutub utara magnet-magnet kecil apabila dapat bergerak
dengan bebas. Garis gaya magnetik selalu memancar dari kutub utara ke kutub
selatan dan tidak pernah memotong, seperti terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. Magnet batang sederhana
Gambar 4. Garis medan magnet batang sederhana
Garis medan magnetik dianggap mempunyai karakteristik tertentu. Semua garis
kekuatan:
· Mulai pada kutub utara dan berakhir pada kutub selatan .
· Kontinu dan selalu membentuk loop yang lengkung.
5
· Tidak pernah memotong.
· Cenderung memendek sendiri , karenanya garis magnet diantara kutub
yang berbeda menyebabkan kutub ditarik lebih dekat.
· Masuk dan keluarnya material magnet pada sisi kanan permukaan.
· Melewati semua material, magnet ataupun nonmagnet. Selain itu, tidak
ada isolator untuk kuat garis magnet.
B. MEDAN MAGNETIK DI SEKITAR ARUS LISTRIK
1. Percobaan Oersted
Hans Christian Oersted (1777-1851 orang Denmark) merupakan orang
pertama yang menemukan adanya medan magnet disekitar arus listrik.
Gambar 5. Percobaan Oersted
Pada Gambar 5, tampak jarum kompas diletakkan di bawah kawat
penghantar. Saat saklar terbuka, pada kawat tidak ada arus listrik yang mengalir
dan jarum kompas pada posisi sejajar dengan kawat. Apabila saklar ditutup
sehingga arus mengalir pada kawat penghantar, maka jarum kompas menyimpang.
Simpangan jarum kompas tergantung arah arus pada kawat dan letaknya.
Percobaan Oersted menunjukkan bahwa :
a. Arus listrik menghasilkan gaya yang dapat memutar sebuah
magnet yang ada didekatnya.
b. Besarnya gaya bergantung kepada kedudukan relative antara arus
dan magnet.
Dari percobaan ini, Oersted menyimpulkan bahwa "disekitar penghantar
berarus listrik timbul medan magnet".
6
2. Percobaan Ampere
Ampere menyatakan bahwa kawat yang berarus listrik mengadakan gaya
tarik atau tolak satu sama lain. Pada dua arus yang sama arahnya akan saling
menarik dan dua arus yang berlawanan arahnya akan saling menolak.
Gambar 6. Percobaan Ampere
3. Kaidah Penarik Gabus
Arah kuat medan magnet dapat ditentukan dengan kidah penarik gabus
seperti; Jika arah gerak penarik gabus menggambarkan arah arus listrik, maka
arah putaran penarik gabus menunjukkan arah kuat medan atau garis gaya.
Gambar 7. Kaidah Penarik Gabus
4. Kaidah Tangan Kanan
Bila ibu jari tangan menunjukkan arah arus, maka arah garis gaya atau
kuat medan sama dengan arah jari-jari yang digenggam. Besarnya gaya listrik di
suatu titik dalam medan listrik menyatakan kuat medan listrik di titik tersebut.
Gambar 8. Kaidah tangan kanan
7
C. INDUKSI MAGNETIK
1. Gaya Magnetik
Gaya yang bekerja antar arus listrik disebut gaya magnetik. Sebuah
muatan yang bergerak tidak mengalami gaya magnetik apabila bergerak paralel
dengan medan magnetnya. Gaya magnetik terhadap muatan yang bergerak itu
maksimun apabila gerakannya tegak lurus terhadap medan magnetnya.
2. Induksi Magnetik
Induksi magnetik dibatasi sebagai gaya terhadap muatan yang bergerak
dengan persamaan :
Newton ampere m
qv
B F -
F
= /
sin
Induksi magnetik adalah besaran vektor. Induksi magnetik ß , kecepatan
normal v sin Φ dan gaya magnetik F tegak lurus satu sama lain.
3. Flux Magentik
Induksi magnetik digambarkan sebagai garis-garis induksi sejajar dengan
medan magnet yang disebut flux magnetik.
Induksi magnetik juga disebut rapat flux, sebab induksi magnetik adalah
flux per satuan luas, jadi
atau B A
A
B = F F = .
Keterangan: Φ : weber
B : wb/m²
A : m²
4. Hukum Biot
Percobaan-percobaan yang telah dilakukan oleh Biot dan Savart dan juga
oleh Ampere menunjukkan bahwa besarnya induksi magnetik disuatu titik P yang
berada pada jarak r dari sebuah elemen arus i yang panjangnya Δ l
1. Berbanding lurus dengan kuat arus i
2. berbanding lurus dengan panjang elemen arus Δl
3. Berbanding lurus dengan sinus sudut antara garis singgung pada elemen
arus dan garis penghubung antara elemen arus dengan titik tersebut (Φ)
8
4. Berbanding terbalik dengan pangkat dua jarak r antara titik tersebut
dengan elemen arus.
5. Arahnya lurus bidang yang melalui elemen arus dan titik P
2
2
0 /
4
sin wb m
r
i l
B
p
m D F
D =
5. Hukum Biot-Savart
Induksi magnetik di sekitar kawat panjang lurus yang berarus listrik dapat
dicari dengan Hukum Biot-Savart seperti berikut :
0 / 2
2
wb m
A
B i
p
m
=
6. Induksi magnetik di pusat arus melingkar
Induksi magnetik di pusat kumparan yang berbentuk lingkaran:
0 / 2
2
wb m
r
iN
B
m
=
7. Induksi magnetik pada sumbu kumparan
Induksi magnetik di sebuah titik pada sumbu kumparan berjari-jari r meter
yang berada pada jarak a meter dari keliling lingkaran ialah:
2
3
2
0 /
2
wb m
a
B = m iNr
8. Induksi magnetik di dalam selenoida
Induksi magnetik di sebuah titik p pada sumbu selonoida yang panjangnya
1 meter yang terdiri dari N lilitan serta berarus i ampere adalah:
2
0 1 2 (cos cos ) /
2
wb m
l
B = m iN j - j
Induksi magnetik di salah satu ujung selenoida yang panjangnya 1 meter
yang terdiri N lilitan serta berarus i ampere ialah:
2
0 /
2
wb m
l
B = m iN
9
Gambar 9. Arah medan magnet disekitar kumparan (selenoida)
Soal Pendalaman
Mengapa fluks magnetik terjadi pada medan magnetik?
10
BAB 3
KONSEP INDUKSI ELEKTROMAGNETIK
A. HUKUM FARADAY
Energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik dengan jalan induksi
elektromagnetik. Dengan induksi elektromagnetik dapat dibangkitkan energi
listrik secara besar-besaran.
Sifat magnetik dapat ditimbulkan dengan arus listrik, maka sebaliknya
arus listrik dapat ditimbulkan dengan gaya magnet. Hal ini dapat dinyatakan
dengan percobaan Faraday seperti berikut ;
Gambar 8. Percobaan Faraday
a. Apabila sebuah kumparan kawat yang kedua ujungnya dihubungkan
dengan galvometer, didekati oleh kutub utara suatu magnet batang, maka
selama ada gerakan, jarum galvometer akan menyimpan dari kedudukan
seimbangnya.
b. Apabila kutub magnet dijauhkan kembali dari kumparan, maka
galvometer akan menyimpang dengan arah yang berlawanan.
c. Bila percobaan di atas dilakukan dengan kutub selatan, maka waktu
didekatinya, arah simpangan galvometer sama dengan arah simpangan
ketika kutub utara dijauhkan daripadanya dan sebaliknya.
d. Simpangan jarum galvometer makin besar apabila jumlah lilitan kawat
kumparan makin banyak.
e. Pada gerakan yang perlahan-lahan simpangan sedikit dan perlahan-lahan,
pada gerakan cepat simpangan jarum besar dan menyentak.
11
Percobaan-percobaan Faraday seperti tersebut di atas menunjukkan bahwa
selama magnet digerakkan, di dalam kumparan terjadi arus yang arahnya bolakbalik
Oleh karena arus ini terjadi karena adanya induksi maka dinamakan arus
induksi, induksi yang menyebabkan arus induksi itu disebut induksi
elektromagnetik. Beda tegangan yang demikian dinamakan Gaya Gerak listrik
induksi (GGL induksi), arus yang terjadi disebut juga arus induksi atau arus
imbas.
B. HUKUM LENZ
Arah arus induksi dapt ditentukan dengan hukum Lenz, yang bunyinya :
”Arah arus induksi dalam suatu pengantar sedemikian, sehingga
menghasilkan medan magnet yang melawan perubahan garis gaya yang
menimbulkannya”
Arus searah mempunyai nilai tetap, tidak berubah terhadap waktu.
Sedangkan arus bolak balik adalah arus yang nilainya berubah terhadap waktu
secara periodik. Bila dalam arus searah lambang sumber tegangannya .
Dan dalam arus bolak balik lambang sumber tegangannya ~
Arus bolak balik diukur dengan galvanometer, maka alat-alat tersebut (alat
ukurnya), angka menunjukkan angka nol. Karena kumparan koilnya terlalu lambat
untuk untuk mengikuti bentuk gelombang yang dihasilkan oleh sumber arus bolak
balik tersebut.
Tetapi bila diukur dengan osiloskop kita dapat melihat nilai-nilai arus atau
tegangan yang dihasilkan yang selalu berubah terhadap waktu secara periodik,
sehingga memperlihatkan sebuah bentuk gelombang.
.Gambar 9. Arah Gaya Magnetik dari Hukum Lenz
12
Soal Pendalaman
Arus lisrik mengalir sepanjang kawat listrik tegangan tinggi dari selatan ke
utara. Kemanakah arah megan magnet yang diakibatkan oleh arus listrik?
1. Di atas kawat tersebut
2. Di bawah kawat tersebut
13
BAB 4
BATERAI ( ACCU )
Baterai adalah suatu alat berfungsi menyimpan energi listrik dalam bentuk
energi kimia, dimana akan mengeluarkan energi listrik bila diperlukan.
A. KONSTRUKSI BATERAI
Baterai terdiri dari beberapa sel, dimana sel-sel ini membangkitkan
energi listrik. Tiap sel terdiri dari beberapa plat (lempeng), pemisah
(separator) dan elektrolit.
a. Kotak baterai
Kotak baterai terdiri dari ebonit, berguna untuk memegangi sel dan
penampang elektrolit. Reaksi kimia terjadi dalam kotak baterai. Sel-sel
tersebut dihubungkan secara seri (kutub positif dari salah satu sel
dihubungkan dengan kutub negatif dari sel lainnya), sehingga tegangan
listrik yang terbangkit sama dengan jumlah tegangan listrik di semua sel.
b. Terdapat dua macam plat, yaitu plat positif dan plat negatif. Plat berbentuk
kisi-kisi yang terbuat dari timah hitam dengan antimon ditambah dengan
bahan yang aktif, sehingga menambah daya penyimpangan. Plat positif
dipasang sebelah menyebelah dipisahkan oleh separator, sehinggga
membentuk satu group plat atau disebut satu sel. Dalam sel, terdapat satu
plat negatif lebih banyak sehingga kedua ujung dari kumpulan tersebut
adalah plat negatif.
c. Pemisah (separator)
Separator terbuat dari bahan non-konduktor untuk memisahkan plat positif
dan negatif agar tidak terjadi hubungan singkat. Pada separator terdapat
lubang-lubang dan alur yang halus untuk memberi jalan terhadap sirkulasi
elektrolit. Bahan separator adalah kayu, ebonit, atau dari serat gelas.
d. Elektrolit
Elektrolit terbuat dari campuran air sulingan (60,8%) dan asam belerang
(39,2 %). Mempunyai berat jenis 1,26 dalam keadaan baterai terisi penuh
14
pada suhu 20ºC. Bila plat-plat telah terendam elektrolit, bahan aktif plat
dan elektrolit sendiri mengadakan reaksi kimia sehinggga membangkitkan
energi listrik.
B. JENIS-JENIS BATERAI
1. Elemen Primer
Elemen elektrokimia yang memerlukan penggantian bahan-bahan pereaksi
setelah setelah jumlah energi dibebaskan melalui rangkaian luar.
Misalnya pada;
2. Elemen Volta
Antara atom-ataom logam Zn dan Cu larutan H2SO4 terjadi suatu selisih
potensial. Besarnya selisih potensial antara logam dan larutan dapat diperkirakan
pada deret volta (Nernst), K Na Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Pt Au C.
Makin ke kiri makin besar selisih potensial antara logam dengan larutan
(Mg dengan H2SO4 memberikan selisih potensial yang lebih besar dibansing Zn
dengan H2SO4 )
Pada gambar di atas selisih potensial antara logam Cu dan Zn (kedua
kutub) dinamakan gaya gerak listrik elemen (GGL) yang besarnya sekitar 1 volt.
Pada waktu kutub Cu terjadi juga pembentukan gas hidrogen, sehingga
timbul GGL antar seng dengan hidrogen yang arahnya berlawanan dengan GGL
anatar seng dan Cu (GGL ini dinamakan GGL polarisasi). Akibatnya mengurangi
GGL antara Cu dan Zn.
3. Elemen Daniell :
Ciri khas memiliki depolarisator (untuk mencegah terjadinya pembentukan
gas hidrogen). Disini depolarisator (CuSO4) akan mengikat gas hidrogen.
Akibatnya alat ini dapat dipakai lebih lama. Adapun GGL elemen ini sekitar 1
volt.
4. Elemen Leclanche basah :
Elektrolitnya adalah NH4Cl dan depolarisatornya menganoksida (MnO2).
Reaksi pengikatan hidrogen dengan MnO2 ini berlangsung kurang cepat sehingga
lama kelamaan terjadi juga polarisasi. GGL akan turun dari harga GGL semula
15
(1,5 volt). Karbon (pengantar yang baik) digunakan untuk membantu dipolarisasi
(pengantar yang kurang baik)
5. Elemen Leclanche kering :
Elektrolitnya adalh pasta NH4Cl dengan serbuk kayu, tepung atau getah.
Elemen kering (GGL 1,5 volt) digunakan untuk lampu senter, radio transistor dan
sebagainya.
6. Elemen Weston
Elektroda positif : air raksa (Hg)
Elektroda negatif : amalgam kadmium ( 11% Cd, 89% Hg)
Depolarisator : Campuran mercurosulfat (HgSO4) dan kadmiumsulfat
(CdSO4) berupa pasta
Elektrolitnya : Larut jenuh kadmiumsulfat
Halur-hablur kadmiumsulfat (CdSO4 8/3 H2O) digunakan untuk menjaga
larutan tetap jenuh.
GGL ini besarnya berkisar 1,01850 sampai 11,01870 volt pada temperatur
suhu 20º (hampir konstan), karena itu biasa digunakan sebagai elemen standar.
7. Elemen Sekunder
Elemen sekunder adalah elemen elektrokimia yang dapat memperbaharui
bahan-bahan pereaksinya setelah dialiriarus dari sumber lain yang arahnya
berlawanan dengan arus yang dihasilkan elemen itu.
8. Elemen Bahan Bakar
Elemen bahan bakar adalah elemen elektrokimia yang mengubah energi
kimia bahan bakar yang diberikan secara bertahap (kontinu) menjadi energio
listrik.
9. Elemen Hidrogen-Oksigen
Elemen ini digunakan untuk penerbangan angkasa. Energi ini tidak perlu
mengganti bahan atau mengisi elemen seperti pada elemen sekunder.
Elektroda : Nikel katalitis
Elektrolit : kalium hidroksida
Oksigen bereaksi dengan air (pada anoda berbentuk OH-). Hidrogen
bereaksi dengan OH- membentuk air melepaskan elektron pada katoda. Arus
16
elektron pada katoda mengalir ke anoda menjadi arus elemen. Air pada ruang
elektroda harus disingkirkan supaya kepekatan elektrolit tetap.
C. REAKSI KIMIA PADA BATERAI
Pengosongan dan pengisian beterai merupakan suatu siklus seperti reaksi
kimia di bawah ini.
Reaksi kimia pada waktu baterai mengeluarkan arus :
PbO2 + 2 H2SO4 + Pb --- PbSO4 + 2 H2O + PbSO4
Plat + elektrolit + Plat Plat + air + Plat
Ketika baterai mengeluarkan arus listrik, timah hitam pada plat positif
maupun negatif bergabung dengan SO4 yang terdapat dalam elektrolit, sehinggga
membentuk PbSO4. Dengan adanya reaksi tersebut, elektrolit H2SO4 sedikit
demi sedikit menjadi air, sehingga elektrolit berkurang konsentrasinya,
mengakibatkan berat jenisnya pun menurun.
Reaksi kimia pada waktu baterai diisi :
PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 --- PbO2 + 2 H2SO4 + Pb
Plat + air + Plat Plat + elektrolit + Plat
Selama pengisisan, arus listrik mengalir ke dalam baterai dengan arah
yang berlawanan, sehingga mengakibatkan kebalikan reaksi di dalam baterai.
H2SO4 terpisah dari PbSO4 pada tiap-tiap plat sehingga plat positif akan
terdapat Pb. Dalam reaksi ini H2SO4 akan terbentuk kembali di dalam elektrolit
sehingga konsentrasi dan berat jenisnya akan naik.
Akibat reaksi kimia (ketika akai dipakai), pada kutub-kutub anoda dan katoda
lama kelmaan terjadi endapan PbO sehingga tidak terjadi selisih potensial lagi
(aki kosong). Untuk mengisisnya kembali maka kita harus mengalirkan arus
listrik ke arah yang berlawanan dengan arus yang dikeluarkan oleh aki tersebut.
GGL aki ini sekitar 2 volt. Efesiensi aki .ialah perbandingan energi listrik yang
dapat dipakai menjadi kalor dibandingkan dengan energi listrik yang diisikan.
berkisar 80-90%.
Soal Pendalaman
Bagaimana karakteriustik baterai yang dapat diisi?
17
BAB 5
GENERATOR ARUS BOLAK-BALIK (ALTERNATOR)
A. PROSES INDUKSI PENGHASIL ARUS BOLAK-BALIK
Arus yang dihasilkan dari perkisaran lingkaran kawat, yang diujungnya
dihubungkan dengan cincin tembaga yang satu dengan yang lainnya terhadap
poros disekat pada cincin ini diletakkan dua buah sikat yang mengambil arus dari
kawat lingkaran, kemudian diberikan pada aliran luar. Arus yang mengalir dalam
rantai ini berubah-ubah besar serta arahnya, maka disebut arus bolak-balik.
Contoh; Sebuah generator yang sederhana adalah generatot AC, yang terdiri dari
sebuah kumparan kawat yang berputar dalam medan magnet serba sama.
GGL yang diinduksikan di dalam sebuah generator ideal berupa GGL bolakbalik
yang dapat dinyatakan dengan persamaan :
e = emax Sin ωt dimana emax= N.B.A.ω
Kumparan dimana terjadi GGL induksi disebut anker.
A. PRINSIP KERJA ALTERNATOR
Cara mendapatkan arus listrik dari perkisaran lingkaran kawat, kedua
ujung kawat itu dihubungkan pada dua buah cincin tembaga yang satusama
lainnya serta terhadap porosnya disekat. Pada cincin ini diletakkan dua buah sikat
yang mengambil arus dari kawat lingkaran kemudian diberikan kepada rantai
aliran luar. Arus yang mengalir dalam rantai ini berubah-ubah pula seperti tekanan
yang diinduksikan.
Karena arus-terus menerus berubah besar beserta arahnya, maka disebut
arus bolak-balik. Pada arus searah, elektron dalam kawat bergerak dalam arah
yang selalu sama, pada arus bolak-balik elektron ini melakukan getaran tunggal
pada suatu kedudukan setimbang.
Tahanan lingkaran kawat disebut tahanan dalam dan tahanan rantai aliran
luar disebut tahanan luar. Jika perputarannya beraturan, tekanannya berlangsung
seperti sinosuida.
18
Sebuah lingkaran kawat ABCD yang diputar keliling poros MN. Seandainya
jumlah GGL yang dilingkar O, kuat arus maksimun. Bila kita perhatikan pula
selama separo putaran AB memotong garis gaya dari bawah ke atas dan setelah
melalui garis netral garis gaya tersebut dipotong dari atas ke bawah, dengan kata
lain, dalam arah yang berlawanan. Dengan demikian gaya gerak listrik dan arus
listrik, terjadi sewaktu melalui garis netral dan berbalik arahnya. Kejadian yang
timbul selama lingkaran kawat diputar, merupakan suatu putaran sempurna. (lihat
Gambar 11).
Gambar 11. Prinsip Kerja Alternator.
Pada poros selinder ini tredapat beberapa jalur tembaga yang disebut
Lamel, yang disekat satu sama lain, dan seluruhnya merupakan sebuah kolektor.
Karena kawat-kawat lingkaran dihubungkan pada tembereng kolektor ini, maka
perubahan kutub berjalan otomatis.
19
Gambar 10. Alternator
Jangkar yang berbentuk selinder tadi disebut jangkar teromol. Kumparan
kawat yang berputar harus diletakkan pada jangkar ini, demikian sehingga apabila
sisi yang satu berada di muka kutub utara, yang lain berada di muka kutub selatan
dan semuanya diatur demikian sehingga terjadi suatu rantai aliran tertutup.
Apabila jangkar berputar, terjadi suatu GGL dalam tiap lingkaran. Hasil
pekerjaan bersama dari berbagai-bagai kumparan itu dapat diperoleh dengan
menjumlahkan GGL dalam berbagai kumparan untuk tiap saat.
20
BAB 6
GENERATOR ARUS SEARAH
A. PROSES INDUKSI PENGHASIL LISTRIK ARUS SEARAH
Bila kawat melingkar diletakkan di antara dua kutub utara dan selatan
maka akan memotong garis-garis gaya sehingga dalam kawat terjadi arus induksi.
Arus induksi yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Arus bolak-balik yang
dihasilkan itu kemuadian diubah menjadi arus searah dengan memakai dua sekat
lempengan logam setengah lingkaran (cincin slip/komutator) . Besar GGl induksi
tergantung pada jumlah garis gaya yang dipotong tiap detik.
Kumparan yang diinduksikan gaya gerak listrik disebut anker. Untuk
mencapai tegangan yang tinggi, kawat kumparannya digulung pada sebuah inti
besi dan menggunakan banyak lilitan. Ujung-ujung kumparan dihubungkan pada
komutator yang terdiri dari dua cincin slip yang disekat satu sama lain. Pada
kedua belahan cincin tersebut disinggungkan sikat-sikat yang terbuat dari granit
yang dihubungkan ke kutub-kutub generator. Kedudukan sikat-sikat sedemikian
hingga terselip dari segmen komutator yang satu ke segmen yang lain pada saat
GGL berubah arah selama waktu kumparan berputar. Di dalam rantai aliran luar
terdapat tegangan searah yang berubah-ubah.
Jika kumparan berputar 180 derajat, maka selama putaran itu akan terjadi
gaya gerak listrik induksi yang arahnya tetap. Setelah berputar 180 derajat sikatsikat
bersinggungan dengan isolator sehingga dalam aliran luar tidak ada arus.
Pada perputaran berikutnya terjadi GGL induksi lagi, tetapi karena bentuk
komutator demikian, maka pada aliran luar GGL itu tetap sama seperti semula.
B. PRINSIP KERJA GENERATOR ARUS SEARAH
Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday :
e = - N df/ dt
dimana : N : jumlah lilitan
f : fluksi magnet
e : Tegangan imbas, ggl(gaya gerak listrik)
21
Dengan lain perkataan, apabila suau konduktor memotong garis-garis fluksi
magnetik yang berubah-ubah, maka ggl akan dibangkitkan dalam konduktor itu.
Jadi syarat untuk dapat dibangkitkan ggl adalah :
- harus ada konduktor ( hantaran kawat )
- harus ada medan magnetik
- harus ada gerak atau perputaran dari konduktor dalam medan, atau ada
fluksi yang berubah yang memotong konduktor itu.
Untuk menentukan arah arus pada setiap saat, berlaku pada kaidah tangan
kiri :
- ibu jari : gerak perputaran
- jari telunjuk : medan magnetik kutub u dan s
- jari tengah : besaran galvanis tegangan U dan arus I
Gambar 12. Kaidah Tangan Kiri
Untuk perolehan arus searah dari tegangan bolak balik, meskipun tujuan
utamanya adalah pemabngkitan tegangan searah, tamopak bahwa tegangan
kecepatan yang dibangkitkan pada kumparan jangkar merupakan tegangan bolakbalik.
Bentuk gelombang yng berubah-ubah tersebut karenanya harus disearahkan.
Untuk mendapatkan arus searah dari arus bolak balik dengan menggunakan
- saklar
- komutator
- dioda
22
2. Sistem Saklar
Saklar berfungsi untuk menghubungsingkatkan ujung-ujung kumparan.
Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut :
Bila kumparan jangkar berputar, maka pada kedua ujung kumparan akan timbul
tegangan yang sinusoida. Bila setengan periode tegangan positif saklar di
huybungkan, maka tegangan menjadi nol. Dan bila sakalar dibuka lagi akan
timbul lagi tegangan. Begitu seterusnya setiap setenganh periode tegangan saklar
dihubungkan, maka akan di hailkan tegangan searah gelombang penuh.
3. Sistem Komutator
Komutator brfungsi sebagai saklar, yaitu untuk menghubung singkatkan
kumparan jangkar. Komutator berupa cincin belah yang dipasang pada ujung
kumparan jangkar. Bila kumparan jangkar berputar, maka cincin belah ikut
berputar. Karena kumparan berada dalam medan magnet, akan timbul tegangna
bolak balik sinusoidal.
Bila kumparan telah berputar setengah putaran, sikat akan menutup celah
cincin sehingga tegangan menjadi nol. Karena cincin berputar terus, maka celah
akan terbuka lagi dan timbul tegangan lagi. Bila perioda tegangan sama dengan
perioda perputaran cincin, tegangan yang timbul adalah tegangan arus searah
gelombang penuh. (lihat Gambar 13)
4. Sistem Dioda
Dioda adalah komponen pasif yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:
- Bila diberi prasikap maju (forward bias) bisa dialiri arus.
- Bila diberi prasikap balik (reverse bias) dioda tidak akan dialiri arus.
Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan, dioda dibagi dalam:
- Half wave rectifier (penyearah setengah gelombang)
- Full wave rectifier (penyearah satu gelombang penuh)
23
Gambar 13. Efek Komutasi
C. KARAKTERISTIK GENERATOR ARUS SEARAH
Medan magnet pada generator dapat dibangkitkan dengan dua cara yaitu :
- dengan magnet permanen
- dengan magnet remanen
Generator listrik dengan magnet permanen sering juga disebut magneto
dynamo. Karena banyak kekurangannya, maka sekarang jarang digunakan.
Sedangkan generator dengan magnet remanen menggunakan medan magnet
listrik, mempunyai kelebihan-kelebihan yaitu :
- Medan magnet yang dibangkitkan dapat diatur
Pada generator arus searah berlaku hubungan-hubungan sebagai berikut :
Ea = f z n P / 60 a Volt
Dimana:
Ea = ggl yang dibangkitkan pada jangkar generator
f = fluks per kutub
z = jumlah penghantar total
n = kecepatan putar
a = jumlah hubungan pararel
24
Bila zP/60a = c(konstanta), maka :
Ea = cnf Volt
Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan medannya, generator
arus searah dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu:
a.. Generator berpenguatan bebas
Generator tipe penguat bebas dan terpisah adalah generator yang lilitan
medannya dapat dihubungkan ke sumber dc yang secara listrik tidak
tergantung dari mesin.
Tegangan searah yang dipasangkan pada kumparan medan yang mempunyai
tahanan Rf akan menghasilkan arus If dan menimbulkan fluks pada kedua
kutub. Tegangan induksi akan dibangkitkan pada generator.
Gambar 14. Generator Berpenguatan Bebas
Jika generator dihubungkan dengan beban, dan Ra adalah tahanan dalam
generator, maka hubungan yang dapat dinyatakan adalah:
Vf = If Rf
Ea = Vt + Ia Ra
Besaran yang mempengaruhi kerja dari generator :
- Tegangan jepit (V)
- Arus eksitasi (penguatan)
- Arus jangkar (Ia)
- Kecepatan putar (n)
b. Generator berpenguatan sendiri
(a) Generator searah seri
25
Gambar 15. Generator Berpenguatan Sendiri
Vt = Ia Ra
Ea = Ia (Ra + Rf) + Vt + <Vsi
(b) Generator Shunt
Gambar 16. Generator Shunt
Vt = If Rf
Ea = Ia Ra + Vt + <Vsi
Pada generator shunt, untuk mendapatkan penguatan sendiri diperlukan :
- Adanya sisa magnetik pada sistem penguat
- Hubungan dari rangkaian medan pada jangkar harus sedemikian, hingga
arah medan yang terjadi, memperkuat medan yang sudah ada.
Mesin shunt akan gagal membangkitkan tegangannya kalau:
- Sisa magnetik tidak ada.
Misal: pada mesin-mesin baru. Sehingga cara memberikan sisa magnetik
adalah pada generator shunt dirubah menjadi generator berpenguatan
bebas atau pada generator dipasang pada sumber arus searah, dan
dijalankan sebagai motor shunt dengan polaritas sikat-sikat dan perputaran
nominal
26
- Hubungan medan terbalik, karena generator diputar oleh arah yang salah
dan dijalanksalahan, sehingga arusmedan tidak memperbesar nilai fluksi.
Untuk memperbaikinya dengan hubungan-hubungan perlu diubah dan
diberi kembali sisa magnetik, seperti cara untuk memberikan sisa
magnetik
- Tahanan rangkaian penguat terlalu besar.
Hal ini terjadi misalnya pada hubungan terbuka dalam rangkaian medan,
hingga Rf tidak berhingga atau tahanan kontak sikat terlalu besar atau
komutator kotor.
c. Generator Kompon
Generator kompon merupakan gabungan dari generator shunt dan generator
seri, yang dilengkapi dengan kumparan shunt dan seri dengan sifat yang dimiliki
merupakan gabungan dari keduanya. Generator kompon bisa dihubungkan
sebagai kompon pendek atau dalam kompon panjang. Perbedaan dari kedua
hubungan ini hampir tidak ada, karena tahanan kumparan seri kecil, sehingga
tegangan drop pada kumparan ini ditinjau dari dari tegangan terminal kecil sekali
dan terpengaruh.
Biasanya kumparan seri dihubungkan sedemikian rupa, sehingga kumparan
seri ini membantu kumparan shunt, yakni MMF nya searah. Bila generator ini
dihubungkan seperti itu, maka dikatakan generator itu mempunyai kumparan
kompon bantu.
Mesin yang mempunyai kumparan seri melawan medan shunt disebut
kompon lawan dan ini biasanya digunakan untuk motor atau generator-generator
khusus seperti untuk mesin las. Dalam hubungan kompon bantu yang mempunyai
peranan utama ialah kumparan shunt dan kumparan seri dirancang untuk
kompensasi MMF akibat reaksi jangkar dan juga tegangan drop di jangkar pada
range beban tertentu. Ini mengakibatkan tegangan generator akan diatur secara
otomatis pasa satu range beban tertentu.
(a) Kompon panjang
27
Gambar 17. Generator Kompon Panjang
Ia = If1 = IL + If2
Ea = Vt + Ia(Ra + Rf1) + <Vsi
(b) Kompon pendek
Gambar 18. Generator Kompon Pendek
Ia = If1 + If2 = IL + If2
Ea = Vt + ILRf1 + IaRa + <Vsi
Pembangkitan Tegangan Induksi Pada Generator Berpenguatan Sendiri
Disini akan diterangkan pembangkitan tegangan induksi generator shunt
dalam keadaan tanpa beban. Pada saat mesin dihidupkan (S tutup), timbul suatu
fluks residu yang memang sudah terdapat pada kutub. Dengan memutarkan rotor,
akan dibangkitkan tegangan induksi yang kecil pada sikat. Akibat adanya
tegangan induksi ini mengalirlah arus pada kumparan medan. Arus ini akan
menimbulkan fluks yang memperkuat fluks yang telah ada sebelumnya. Proses
terus berlangsung hingga dicapai tegangan yang stabil.
Jika tahanan medan diperbesar, tegangan induksi yang dibangkitkan
menjadi lebih kecil. Berarti makin besar tahanan kumparan medan, makin buruk
generator tersebut.
28
D. REAKSI JANGKAR
Fluks yang menembus konduktor jangkar pada keadaan generator tak
berbeban merupakan fluks utama. Jika generator dibebani, timbullah arus jangkar.
Adanya arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada konduktor tersebut.
Dengan mengnggap tidak ada arus medan yang mengalir dalam kumparan medan,
fluks ini seperti digambarkan pada gambar dibawah ini.
Perhatian pada konduktor yang terletak pada daerah ac, ternyata fluks
yang ditimbulkan arus jangkar dengan fluks utamanya saling memperkecil,
sehingga fluks yang terjadi disini menjadi berkurang. Perhatikanlah kemudian
konduktor pada daerah bd, ternyata fluks yang ditimbulkan oleh arus jangkar
dengan fluks utamanya saling memperkuat, sehingga fluks yang terjadi disini
bertambah. Fluks total saat generator dalam keadaan berbeban adalah
penjumlahan vector kedua fluks. Pengaruh adanya interaksi ini disebut reaksi
jangkar. Interaksi kedua fluks tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Karena operasi suatu generator arus searah selalu pada daerah jenuh, pengurangan
suatu fluks pada konduktor dibandingkan dengan pertambahan fluks pada
konduktor lain lebih besar.
B
Gambar 19. Reaksi Jangkar
E. KERJA PARAREL GENERATOR ARUS SEARAH
29
Untuk memberi tenaga pada suatu beban kadang-kadang diperlukan kerja
pararel dari dua atau lebih generator. Pada penggunaan beberapa buah mesin perlu
dihindari terjadinya beban lebih pada salah satu mesin. Kerja pararel generator
juga diperlukan untuk meningkatkan efisiensi yang besar pada perusahaan listrik
umum yang senantiasa memerlukan tegangan yang konstan. Untuk hal-hal yang
khusus sering dynamo dikerrjakan pararel dengan aki, sehingga secara teratur
dapat mengisi aki tesebut.
Tujuan kerja pararel dari generator adalah :
- Untuk membantu mengatasi beban untuk manjaga jangan sampai mesin
dibebani lebih.
- Jika satu mesin dihentikan akan diperbaiki karena ada kerusakan, maka
harus ada mesin lain yang meueruskan pekerjaan. Jadi untuk menjamin
kontinuitas dari penyediaan tenaga listrik.
Soal Pendalaman
Jelaskan bagaimana generator listrik arus searah bekerja untuk
mengeluarkan arus dengan E sebesar 12 volt?
30
BAB 7
MOTOR LISTRIK
A. KARAKTERISTIK MOTOR LISTRIK
Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi
kinetik. Dasar kerja motor hampir sama dengan alat pengukur listrik, yaitu
perputaran kumparan berarus listrik dalam suatu medan magnet. Alat yang dapat
melakukan perubahan arah aliran dinamakan komutator yang terpasang pada
poros motor.
Komponen utama dari motor listrik yaitu; sebuah magnet yang berbentuk
U dengan ruang berbentuk silinder di antara kutub-kutubnya, sebuah kumparan
yang dapat berputar di antara kutub magnet, dua buah sikat, dua buah cincin
belah.
Cara kerja motor berdasarkan asas bahwa kawat yang berarus listrik
mengalami gaya Lorentz di dalam medam nagnet.
A : Sumber arus DC
B : Isolasi
C : komutator
D : Sikat
E : Poros
U-S : Kutub
Magnet
Gambar 20. Motor Arus Searah
Misal, sebuah kumparan kawat yang berarus listrik berada di dalam medan
magnet serba sama seperti Gambar 20. Arah garis gaya magnet dari kiri ke kanan,
sedangkan arah arus listrik seperti terlukis dengan anak panah.
Gaya dari medan magnet bekerja pada kawat di kedua sisi yang dapat
dicari dengan aturan Fleming (aturan tangan kiri), seperti berikut :
31
” Jika telunjuk tangan kiri menunjuk arah yang sama dengan arah garis gaya dan
jari tengan menunjuk arah yang sama dengan arah arus, maka ibu jari menunjuk
arah gerakan kawat”
Jadi pada gambar 20 itu kawat yang kiri bergerak ke atas dan yang kanan
bergerak ke bawah, karena kedua gaya tersebut sama besar, sejajar dan
berlawanan arahnya, maka pada kumparan tersebut bekerjalah suatu kopel
kekuatan.
Supaya kopel ini senantiasa sama arahnya, dipergunakan sebuah
komutator yang mengubah arah arus dalam kumparan apabila telah melintasi
daerah netral.
Bagian yang berputar dinamakan Rotor dan bagian yang tidak bergerak
yang dilengkapi dengan kutub-kutub magnet disebut Stator. Gaya magnet dari
kutub-kutub stator ini dapat diperoleh dengan arus yang melalui Rotor (seri), atau
dengan sebagian arus yang dialirkan ke motor (shunt).
Motor listrik adalah alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi
gerak atau kinetik. Dasar kerja motor listrik adalah hampir sama dengan dasar
kerja alat pengukur listrik, yaitu perputaran kumparan berarus listrik, yaitu
perputaran kumparan berarus listrik ke dalam medan magnet.
Motor listrik mempunyai bagian utama yaitu ;
a. Sebuah magnet tetap berbentuk U dengan ruang di antara kutubkutubnya
berbentuk selinder.
b. Sebuah kumparan yang dapat berputar diantara kutub-kutub
magnet tetap
c. Dua buah sikat S1 dan S2
d. Dua buah cincin belah B1 dan B2
B. PRINSIP KERJA MOTOR LISTRIK
1. Arus listrik masuk melalui sikat S2 ke belahan B2, dari B2 arus mengalir
melalui kumparan ke belahan B1 Ke sikat S1.
2. Arus listrik ini memutar kumparan sampai bidang kumparan menghadap
magnet kutub-kutub magnet tetap. B1 dan B2 berputar.
32
3. Tepat pada saat iru B2 bersentuhan dengan S1 dan B1 bersentuhan dengan
S2. Sekarang arus dalam kumparan menjadi dari S2 ke belahan B1 melalui
kumparan lalu kebelahan B2 terus ke sikat S1.
Jadi arus sekarang dalam kumparan berubah. Dengan demikian kumparan
berputar setengah putaran lagi, demikian seterusnya tiap kali bidang
kumparan berhadapan dengan kutub-kutub magnet tetap. Arah arus diubah
oleh cincin belah itu yang terbuat dari penghantar dan disebut Komutator.
4. Pengaruh medan magnet terhadap kumparan itu paling besar ketika bidang
kumparan tidak terletak sejajar dengan garis-garis gaya. Sedangkan
pengaruh medan magnet terhadap putaran kumparan paling kecil ketika
bidang kumparan itu tegak lurus garis-garis gaya. Maka dari itu kumparan
motor itu menggunakan satu kumparan yang berjalan agak tersentaksentak.
Untuk menghaluskan putaran maka digunakan dua buah kumparan, yang
satu tegak lurus dengan yang lain, dengan dua pasang cincing belah. Dengan cara
ini bila kumparan yang satu tegak lurus pada garis gaya maka kumparan yang lain
sejajar dengan garis gaya.
Untuk membuat motor listrik yang kuat maka kumparan yang digunakan
lebih banyak lagi, begitu pula cincin belahnya. Kumparan-kumparan diletakkan
pada alur-alur sebuah selinder besi disebut Anker atau Sauh. Ujung-ujung tiap
kumparan berakhir pada komutator yang berupa plat-plat tembaga yang tersekat
atau sama lain tersusun sekeliling anker sedangkan sikatnya terbuat dari karbon.
Perlu diketahui bahwa pengaruh paling besar medan magnet terhadap
kumparan adalah ketika bidang kumparang tidak sejajar dengan garis-garis gaya
magnet. Sedangkan pengaruh medan magnet terhadap kumparan paling kecil
ketika bidang kumparan berada tegak lurus dengan garis-garis gaya medan
magnet. Hal ini akan mengakibatkan jalan motor tersentak-sentak, sehingga
diperlukan paling tidak dua buah kumparan yang saling tegak lurus serta dua
pasang cincin belah.
Untuk membuat motor listrik yang kuat maka diperlukan lebih banyak lagi
kumparan dan cincin belahnya. Kumparan-kumparan tersebut diletakkan pada
33
alur-alur sebuah selinder besi disebut anker. Ujung dari setuap kumparan berakhir
pada sebuah komutator yang berupa plat tembaga dan tersekat satu dengan yang
lainnya, tersusun mengelilingi anker, sedangkan sikat terbuat dari karbon.
Sesuai dengan Hukum Lenz, setiap GGL induksi berkelakuan melawan
perubahan yang menghasilkannya. Dengan demikian induksi diri selalu dalam
arah sedemikian rupa sehuingga melawan perubahan arus dalam rangkaian. Jika
kumparan atau rangkaian listrik mempunyai sifat melawan setiap perubahan araus
dalam rangkaian, dikatakan mempunyai induksi diri atau induktansi, yang
bersatuan Henry. Rangkaian mempunyai induktansi satu Henry jika GGL satu volt
diinduksikan dalam rangkaian ketika arus berubah dengan laju satu amper per
sekon.
Soal Pendalaman
Melihat bagian-bagian motor, bedakan dengan yang ada pada generator!
34
BAB 8
ALTERNATOR GGL TIGA-FASE
A. KARAKTERISTIK ALTERNATOR GGL TIGA-FASE
Rangkaian listrik tiga fase diberi energi oleh tiga GGL bolak balik dengan
frekuensi yang sama dan berbeda fase 120º listrik. Tiga GGL gelombang sinus
yang demikian ditunjukkan dalam gambar di bawah ini. Ketiga GGL ini
dibangkitkan dalam tiga pasangan jangkar yang terpisah dalam generator AC.
Toga pasang kumparan ini dipasang terpisah 120 derajat listrik pada jangkar
genertor. Ujung kumparan semuanya dikeluarkan dari generator untuk
membentuk tiga rangkaian fase-tunggal yang terpisah. Tetapi kumparan-kumparan
biasanya dihubungkan baik di dalam maupun di luar guna membentuk sistem tiga
fase kawat tiga atau kawat empat.
Ada dua cara hubungan kumparan tiga fase, dan secara umum ada dua
cara menghubungkan alat ke rangkaian tiga fase yaitu hubungan Y dan hubugan
delta. Kebanyakan generator dihubungkan secara Y, tetapi beban dapat
dihubungkan baik secara Y maupun delta.
B. Hubungan Tegangan dalam Generator Hubungan Y
Gambar 2 a mewakilli sebuah kumparan atau lilitan fase sebuah generator.
Likitan ini diletakkan pada permukaan jangkar sedemikian rupa sehingga GGL
yang dibangkitkan berbeda 120 deajat. Tiap-tiap kumparan diberi huruf S dan F
(start dan finish). Dalam gambar 2a semua ujung kumparan yang diberi tanda S
dihubungkan ke titik bersama N yang disebut netral dan ketiga kumparan n yang
diberi tanda F dikeluarkan ke terminal saluran A,B, dan C membentuk catu tiga
fase kawat tiga. Tipe hubungan ini disebut hubngan Y (kadan-kadanng disebut
hubnngan bintang). Kerapkali dikeluarkan ke papan netral atau terminal seperti
ditunjukkan pada gambar 2a dengan garis putus-putus, membentuk sistem tiga
fase kawat empat.
Tegangan yang dibangkitkan setiap fase generator AC disebit tegangan
fase (simbol Ep atau Vp). Jika sambungan netral dikeluarkan dafri generator,
35
tegangan dari masing-masing terminal saluran A,B, atau C ke sambungan netral N
adalah tegangan saluran ke saluran atau singkatnya tegangan saluran (simbol El
atau Vl).
Gambar 21. Hubungan Bintang
Gambar 21 (a) hubungan lilitan fase dalam generator hubungan Y
(b) diagram konvensional hubungan Y
(c) diagram fasor yang menunjukkan hubungan antara tegangan fase
dan saluran.
Hubungan dari tiga fase-fase disebut urutan fase atau putaran fase
tegangan. Ini ditentukan oleh putaran generator, tetapi dpat dibalikkan di luar
generator dengan menukarkan setiap dari ketiga kawat saluran (jangan kawat
saluran dengan kawat netral).
Sangatlah membantu jika kita menggambrkan diagram rangkaian
hubungan Y seperti dalam diagram 2.b. perhatikan bahwa ranglaian gambar 2.b.
benatr-benar sama dengan gambar 2.a, dengan ujung setiap kumparannya
dihubungkan ketitik netral, dan ujung F dikeluarkan ke terminal. Setelah diagram
rangkaian digambar dan semua bagiannya diberi huruf, maka diagram fasor dapat
digambar seperti pada gambar 2c. Diagram fasor menunjukkan ketiga tegangan
fase Van, Vbn, Vcn berbeda 120 derajat.
Haruslah diperhatikan dalam gambar 2 bahwa setiap fasor diberi huruf
dengan dua subskrip. Kedua huruf tersebut menunjukkan kedua titik diantara
36
tegangan yang ada, dan urutan huruf menunjukkan polaritasrelatif dari tegangan
selama setengah siklus positifnya.dalam diagram fasor yang ditunjukkan, telah
diumpamakan bahwa terminal generatornya positif. Sebagai contoh ; simbol Van
menunjukkan tegangan v antar titik A dan N dengan titik A positif terhadap titik N
selama setengah siklus positifnya. Karena tegangan membalik setengah siklus,
sekarang polsnya dapat diperhatikan, jika polaritas ini diperhatikan secara
konsisten untuk semua fasenya.
Haruslah diperhatikan bahw ajika untuk setengah siklus positif ditentukan
polaritas titik A terhadap N (Van), maka Van jika digunakan pada diagram fasor
yang sama haruslah digambar berlawanan, atau beda fase 180 derajat dengan Van.
Tegangan antara setiap dua terminal saluran dari generator yang terhubung
Y adalah selisih potensial antara kedua terminal ini terhadap netral. Sebagai
contoh ; tegangan saluran Vab sama dengan A terhadap netral (Van) dikurangi
tegangan B terhadap netral (Vbn). Untuk menurangi Vbn dari Van, perlulah
membalikkan Vbn dan kemudian menjumlahkan fasor ini pada Van. Kedua fasor
Van dan Vbn panjangnya sama dan beda 60 derajat, seperti ditunjukkan dlam
gambar 2.c. dapat ditunjukkan secara grafik atau dibuktikan dengan ilmu ukur
atau bidang bahwa Vab sama dengan V3 atau 1,73 dikali harga Van dan Vbn.
Konstruksi grafik ditunjukkan dalam diagram fasor, oleh akrena itu dalam
hubnngan Y yang seimbang,
VL = 1,73 Vp
C. Hubungan Arus dalam Generator Hubungan Y
Arus yang mengalir keluar ke kawat saluran dari terminal generator A, B,
dan C (gambar 2) harus mengalir dari titik N keluar melalui kumparan generator.
Maka arus dalam setiap saluran (IL) harus sama dengan fase (Ip). Dalam
hubungan Y
lL = Ip
37
D. Hubungan Tegangan dalam Generator Hubungan Delta
Generator hunbungan delta ditunjukkan dalam gambar 3. hubungan ini
dibentuk dengan menghubunkan terminal S dari satu fase ke terminal F dari fase
tangganya.
Gambar 3. (a) Hubungan lilitan fase dalam hubungan delta
(b) Diagram konvesional dari hubungan delta
(c) Diagram fasor yanng menunjukkan hubungan antar arus fase dan
arus saluran
Maka hubungan saluran dibuat pada titik bersama antar fase seperti yang
ditunjukkan. Diagram konvensional yang mana ketiga kumparan dihubungkan
seperti huruf yunani ditunjukkan dalam gambar 3b. Pengamatan dari diagram
menunjukkan bahwa tegangan yang dibangkitkan dalam fase 1 juga merupakan
tegangan antara saluran A dan B. Oleh sebab itu dalam hubungan Delta.
VL = Vp
E. Hubungan Arus dalam generator Hubungan Delta
Arus fase dalam hubungan delta pada gambar 3.b adalah I1, I2,
I3..Diagram fasor yang menyatakan arus ini ditunjukkan dalam gambar 3c. Untuk
menentukan arus adalam setiap kawat slauran, perlulah menjumlahkan fasor arus
yang mengalir ke dalam kedua fase dimana kawat saluran tersebut dihubungkan.
38
Gambar Hubungan Delta
Sebagai contoh ; arus yang mengalir keluar menuju beban melalui saluran A
haruslah
IA = I1 + (- I3)
Karena I1 dan I3 merupakan fasor yang besarnya sama dan berbeda 60º, maka
jumlah fasornya adalah V3 atau 1,73 kali harga I1 ataupun -I3 (gambar 3c). Oleh
sebab itu dalam hubungan –delta.
IL = V3 Ip = 1,73 Ip
F. Daya dalam Rangkaian Tiga-Fase
Dari rumus daya dalam rangaian satu fase, daya dalam setiap fase (Pp)
baik hubungan –delta maupun- Y adalah:
Pp = VpIp. cos Θ
Dimana Θadalah sudut antara arus fase dan tegangan fase. Maka daya yang
dihasilkan dalam tiga-fase dalam hubungan tiga-fase yang seimbang adalah ;
P = 3 Pp = 3 Vp. Ip. cos Θ
Tetapi dalam hubungan Y
3
I Il, danV VL p p = =
Maka daya tiga-fase dalam hubungan –Y yang dinyatakan dalam tegangan dan
arus saluran adalah:
= cosQ = 3 cosQ
3
P 3VL IL VLIL
Dalam hubungan delta
..............
39
BAB 2
TRANSFORMATOR
A. KONSTRUKSI
Transformator terdiri dari dua buah kumparan, lilitan, induktor, atau
gulungan kawat (primer dan sekunder) yang bersifat induktif, yang terpisah
secara elektris namun terhubung secara magnetis melalui jalur yang melalui
reluktansi (reluctance) rendah. Di antara kumparan terdapat inti (core) yang
dilaminasi, berfungsi mengurangi reluktansi. Secara terperinci, konstruksi
transformator daya biasanya terdiri atas bagian-bagian sebagai berikut:
1. Inti yang dilaminasi
2. Dua buah kumparan
3. Tangki, casing, body
4. Sistem pendingin
5. Terminal, kontak atau sambungan ke listrik
6. Bis kabel (bushing) ke luar
Gambar:
40
B. PRINSIP KERJA
Transformator daya merupakan suatu peralatan listrik elektromagnetik
statis yang berfungsi untuk memindahkan dan mengubah daya listrik arus bolakbalik
(AC) dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya, dengan
frekuensi yang sama dan perbandingan transformasi tertentu melalui suatu
gandengan (dampingan) magnet dan bekerja berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetis, dimana perbandingan tegangan antara sisi primer dan sisi
sekunder berbanding lurus dengan perbandingan jumlah lilitan dan berbanding
terbalik dengan perbandingan kuat arusnya.
P P S
S S P
N V I
N V I
= =
41
