7082 teknik tenaga listrik bab 1
TRANSCRIPT
TEKNIK TENAGA LISTRIK DAN ELEKTRONIKA Materi : 1. Pendahuluan 2. Pandangan singkat masalah Teknik tenaga Listrik 3. Element-element listrik dan Elektronika 4. Penggunaan rumus-rumus Kelistrikan dan Elektronika 5. Dasar Mesin-mesin Listrik dalam Industri 6. Model system pengendalian mesin-mesin listrik 7. Pembebanan motor-motor dalam Industri 8. Stabilisitas sistem 1.2.
Referensi : Arismunandar, A., 1973, Teknik Tenaga Listrik jilid II, Pradya Paramita, Jakarta Bolton W, Mechatronics Electronic Control Systems In Mechanbical Enginering D. Chattopadhyay., P.C. Rakshit, 1989, Dasar Elektronika, UI press, Jakarta. H.C. Yohannes., 1979, Dasar-Dasar Elektronika, Ghalia Indonesia. Thomas Sri Widodo, DEA, Dipl.Ing, 2002, Elektronika Dasar, Salemba Teknika. Michael Neidle., 1982, Elektrical Instalation Teknology, Macmillan Press Ltd.
3.
4.
5.
6.
1
7.
Michael Neidle., 1979, Basic Elektrical Instalations, 2nd Edition, Macmillan Press Ltd. Suyanto M, 2000, Diktat kuliah Instalasi listrik jilid 1, ISTA Jogjakarta. Van Harten P, Setiawan E., 1991, Instalasi Listrik Arus Kuat Jilid III, Bina Cipta, Bandung Zuhal, 1988, Dasar teknik Tenaga listrik Dan elektronika daya, PT Gramedia
8.
9.
10.
Pendahuluan Piranti-piranti pengontrol otomatis ini sangat berguna bagi manusia. Apalagi jika ditambah dengan suatu kecerdasan melalui program yang ditanamkan dalam sistem tersebut akan semakin meringankan tugas-tugas manusia. Akan tetapi secerdas apapun sebuah mesin tentu masih membutuhkan peranan manusia untuk mengatur dan mengontrol piranti-piranti ini. Otomasi kontrol bukan untuk menggantikan sepenuhnya peranan manusia, tetapi mengurangi peranan dan meringankan tugas-tugas manusia dalam pengontrolan suatu proses.
2
Dengan adanya perkembangan teknologi, maka mata kuliah Teknik Tenaga Listrik atau Teknik Kendali (control automatic) memberikan kemudahan dalam : 1. Mendapatkan performansi dari sistem Dinamik, 2. Dapat mempertinggi kualitas produksi 3. Menurunkan biaya produksi, 4. Mempertinggi laju produksi, 5. Dan meniadakan pekerjaan- pekerjaan rutin yang membosankan, yang harus dilakukan oleh manusia. Maka dengan mencakup konsep-konsep teori jaringan (Network theori) akan mendapatkan suatu analisis system pengaturan dan pengendalian pada hasil keluaran (output) yang dikehendaki. Dengan demikian didalam permasalahan Analisis Sistem Teknik akan dibahas masalah: System dan model system, juga perumusan matematis system yang ditinjau dan serta cara penyelesaiannya. Untuk teknik umpan balik (feedback ) adalah merupakan salah satu proses paling dasar dan hampir terdapat di semua system dinamik antara lain : Hal-hal yang berkaitan dengan diri manusia Hubungan antara manusia dengan mesin-mesin Peralatan-peralatan yang saling menunjang.
3
Sehingga system adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama dan dapat menjalannkan tugas-tugas tertentu antara lain: - Sistem Elektris - Sistem Mekanis - Sistem Thermis - Sistem Biologis
Contoh : Open Loop System Yaitu : akibat pengaruh output kepada input melalui operator ( Manusia )S t=0
+ V1 -
InputI(t)
SPengatur
RPenggerak
Output
R2
Closed loop control System: Yaitu pengaruh output ke input disebut feedback yang berarti suatu komponen keadaan tiap saat dari output (akibat) diberitaukan ke input ( penyebab ). Jadi Input dan output berasama-sama mengatur kerja system sampai output mencapai harga yang diinginkan.Penggerak
Input
+ -
R
Output
Pengukur
B 4
B ( bimetal ) : yang terdiri dari dua buah keeping logam yang mempunyai koefisient expansitermal ( ) yang berlainan dan dilekatkan menjadi satu. Dengan adanya perbedaan expansitermal tersebut, bila bimetal dipanaskan atau didinginkan akan mengalammi perubahan bentuk, atau berubah bentuk sehingga terjadi perubahan pada jari-jari tertentu. Elemen-elemen Listrik 1. Elemen Listrik Pasif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat menerima/membutuhkan tegangan listrik. Resistor Capasitor Induktor 2. Elemen Listrik Aktif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat membangkitkan atau memberikan tenaga listrik. Sumber Arus Sumber tegangan
Komponen-komponen Listrik
5
Resistor : Adalah suatu hambatan dari suatu benda sebagai penghantar atau Isolator. Besarnya hambatan (Resistansi ) dari bahan dapat dirumuskan sebagai berikut : Tahanan suatu bahan /material tergantung pada :R= L A
dimana : R = Besarnya Hambatan ( ) = Hambatan Jenis (m ) L = Panjang bahan ( m ) A = Luas penampang
( mm2 ) Hambatan yang sengaja dibuat untuk tujuan tertentu misalnya, akan dipakai untuk membatasi arus yang akan mengalir sehingga memberikan tegangan tertentu : Maka dapat dikatakan sebagai penghantar ( Konduktor ): karena mempunyai nilai tahanan yang rendah. Seperti - Logam - Logam Campuran - Larutan asam Disebut sebagai Isolator karena hambatan isolasi yang tinggi Misal : Mika, gelas, Karet, PVC mempunyai
R Hubungan Tahnan (R ) dengan temperature ( T ) adalah : Rt1
R0 t C 234,5 C ? tC t1
6
Sudut Linear selalu sama pada mumnya, bila temperature naik nilai tahnan ( R ) juga ikut naik. Apabila kenaikkannya linear,maka hubungan antara R dan T dimana :Rt 1 = R0 (1 +.t )
R R2
R0 = Tahanan pada 00C Rt = Tahanan pada t0C T = Temperature = Koefisien suhu tahanan
R0
R1 1
2
R2 = R1 {1 + (t 2 t1 )}
234,5 = C 0 (1 + 0 ?t1tC t1 R1 R )R2 = R0 (1 + 0 t 2 )....................
t2
t C
R 2 R0 ( 1 + 0 t 2 ) 1 = = (1 + 0 t 2 ) (1 + 0 t 2 ) R1 R0 (1 + 0 t1 )
R2 R0 (1 + 0 t2 ) = = (1 + 0 t 2 ) (1 + 0 t 2 ) 1 R1 R0 (1 + 0 t1 )
= ( 1 + 0 t 2 ) ( 1 0 t 2 ) 1
7
= (1 0 t1 + 0 t 2 0 2 t1 t 2 )R2 = (1 t1 + t 2 ).... [1 + ( t 2 t1 ) ] R 2 = R 1 {1 + ( t 2 t 1 )}.....terbu kti R1
Sumber Arus dan Tegangan Didalam elemen listrik aktip dapat dikatakan sebagai sumber arus atau sumber tenaga, tetapi untuk penekanan terhadap waktu yang panjang, apakah tegangan atau arus yang konstan. Untuk sumber Arus, berarti untuk waktu yang lama di,ana besarnya arus dapat dikatakan konstan.
I = su be m r a sD ru C
I(t) = su b m er aru A s C
Untuk sumber tegangan, dimana dapat konstan :V(dc) Em ax V(AC )
m m t t=0 2
+V(dc)
E tEm in
Contoh Soal :S t=0
R1
+Vin I
R2
Vout
8
Tuliskan persamaan system Open loop untuk V0(tegangan keluaran sebagai fungsi dari ( Vin, R1 dan R2 ). b. Tuliskan persamaan system Closed loop untuk V0(tegangan keluaran sebagai fungsi dari ( Vin, Vout, R1 dan R2 ).a.
) )
Penyelesaian : Menurut Hukum Kirchoff I dan II Bahwa ( KCL da KVL ) a). OPEN LOOPV0 = R2 ...... = Vin R1 + R2
R2 V0 = Vin .... Sehingga .memenuhi fungsi ( f )[Vin ,. R1 ,. R2 ] R1 + R2
b). CLOSED LOOPI = Vin Vout ......... Sehingga Vout = R2 R1
R2 V Vout R2 Vout = R2 in = Vin Vout R1 R1 R! out ..... M enuhi V em ... fungsi ... dari ( f ).. adalah .(Vin , Vout , R1 , R2
Besaran-besaran listrik secara umum : Besaran listrik secara umum terdiri dari beberapa komponen
9
Komponen komponen listrik 1. Resistansi : Secara umum fungsi dari komponen resistor adalah sebagai pengatur kuat arus yang
mengalir. Nilai resistor dinyatakan dalam satuan ohm ( ). Resistor dilambangkan dengan huruf R, sedangkan dalam skema disimbolkan sebagai :
a
b
Gambar 1. a. Simbol tahanan tetap b. Simbol tahanan variabel Jika resistor (R) dipasang pada tegangan (V) yang tetap, maka : a. Kuat arus I akan menjadi kecil, bila resistor R besar.
10
b. Kuat arus I akan menjadi besar, bila resistor R kecil. Menurut hukum ohm I bahwa maka :V (t ) = Rxi ( t )
:
Vr = ixR
volt
Daya yang dikeluarkan :P = Vrxi = (ixR) xi = i xR2
wattdw = p.dt
Energi (watt detik)w = dw
dimana :
Sehingga besarnya Energi adalah : joule Macam-macam resistor :a.
=P.d w t
Resistor tetap, disebut weerstand (bahasa yang kaki-kakinya dan dalam terletak praktek pada dapat
Belanda)
ujung-ujungnya
dipasang bolak-balik. Nilai resistor dinyatakan dengan warna gelang yang melingkar pada bagian luar resistor tersebut. Kode warna
11
gelang diciptakan oleh perkumpulan pabrikpabrik radio Eropa dan Amerika yang bernama RMA (Radio Manufactores Association). Setiap resistor ditandai dengan 4 warna gelang,
dimana warna-warna tersebut melambangkan angka-angka sebagai berikut : Hitam : 0 (nol); Coklat: 1 (satu); Merah: 2 (dua); Jingga: 3 (tiga); Kuning : 4 (empat);
Hijau : 5 (lima); Biru: 6 (enam); Ungu: 7 (tujuh);Kelabu : (sembilan) Warna-warna berikut : Emas Perak : 5% : 10% : 20% untuk toleransinya sebagai 8 (delapan); Putih: 9
Tanpa Warna
Gambar 2. Penunjuk Kode Warna
12
A n g ka P e r ta m a A n g ka K e d u a
T o le r a n si B a n ya k A n g ka n o l
Keterangan : Pita pertama melambangkan angka
pertama. Pita kedua melambangkan angka kedua. Pita ketiga melambangkan banyaknya Pita warna keempat melambangkan
angka nol. toleransi. Contoh : 1) Merah, ungu, jingga, emas ; artinya 27 K
Ohm toleransi 5%. 2) Hijau, biru, coklat, emas ; artinya 560
Ohm toleransi 5%. 3) Jingga, putih, jingga, perak ; artinya 39 K
Ohm toleransi 10%. Bila hanya terdapat tiga pita warna, sedang pita warna keempat tidak ada berarti
toleransinya adalah 20%. Contoh :
13
1)
Jingga, putih, merah ; artinya 3 K 9 Ohm
toleransi 20%. 2) Hijau, biru, kuning ; artinya 360 K Ohm
toleransi 20%. Jika pita warna ketiga itu emas, maka dua angka yang dilambangkan pita warna pertama dan kedua dikalikan dengan 0,1 dan bila pita warna ketiga itu perak pengalinya adalah 0,01. Contoh : 1) Coklat, hitam, emas ; artinya 1 Ohm
toleransi 20%. 2) Merah, hijau, perak ; artinya 0,25 Ohm
toleransi 20%. b. Variabel Resistor (VR) Adalah resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah, variabel resistor dapat digolongkan menjadi 2 macam :
14
1)Potensimeter, ada 2 macam : Potensio apabila Linier, ialah potensio dipindah sesuai yang nilai
kontak
gesenya berubah
hambatannya
dengan
perhitungan linier. Potensio logaritmis, ialah potensio yang apabila kontak gesenya berubah dipindah sesuai nilai
hambatannya
dengan
perhitungan logaritma. Potensiometeer kebanyakan dipergunakan
sebagai alat pengatur, misal :
1. 2. 3.
Alat pengatur suara (Volume Control) Alat pengatur nada (Tone Control) Alat Alat pengatur pengatur nada nada tinggi rendah (Treble (Bass
Control)4.
Control)
15
A 5 K 0
Gambar 2.3 Potensiometer dan lambangnya 2)Trimmer potensio = Trimpot Cara tripot merubah nilai hambatan jalan pada
adalah
dengan
memutar
memakai obeng (drei).
Gambar 2.4 Trimer Potensio dan lambangnya 2.Kapasitor Kapasitor Kodensator, atau adalah biasa juga disebut komponen
merupakan
elektronika yang dapat menyimpan tenaga listrik
16
dalam waktu tertentu, tanpa disertai reaksi kimia. Kapasitor berlainan dengan aki, dimana aki juga dapat menyimpan tenaga listrik, tetapi dengan disertai reaksi kimia. Pada dasarnya kapasitor terdiri dari 2 keping penghantar (konduktor) yang disekat satu
dengan yang lain. Bahan penyekat keping ini disebut Dielektrika (Gambar 3.5). Berdasarkan bahan dielektikanya, maka kapasitor dibagi atas berbagai macam-maca, diantaranya : a. Kapasitor keramik : jika dielektikanya
keramik b. kertas c.d.
Kapasitor
kertas :
jika
dielektikanya
Kapasitor mika : jika dielektikanya mika Kapasitor elektrolit (elco) : jika
dielektikanya oksida alumunium
17
e.
Kapasitor variable (varco) Kapasitor trimmer
f.
Dielektika Konduktor
Konduktor
Gambar 2.5 Dielektrika Kondensator Dari mempunyai listrik yang bermacam-macam kemampuan menyimpan berbeda-beda. kapasitor tenaga Kemampuan
menyimpan tenaga listrik dari kapasitor disebut kapasitansi (C), besar muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb. Dan kapasitor yang memperoleh muatan listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar (V) volt. Kapasitansi dapat diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan tegangan. C=Q V
18
Tegangan (V) :V (t ) = 1 C
Vc =
1 C
idt
Juga untuk
idti =C dVc dt
Arus (i) : Maka : Permukaan
sehingga
Vc =
1 C
idt
i=
dVc dVc =C 1 dt dt C
kapasitor
yang
berhubungan
biasanya berbentuk plat rata. Ukuran kapasitor bergantung pada luas plat (A), jarak antar plat (d) dan medium penyekat. Kapasitansi juga dapat diukur dengan rumus : C=A d
Dimana : = o . ro
= permitivitas tempat
r = permitivitas relatif
Daya (P)
:
P = Vc x i = c idt = c i dt 2
1
1
watt
19
Energi (w) yang tersimpan pada kapsitor dapat dihitung dengan rumus :dw = Pdt = Vcxi .dt = VcxC dVc dt dt
Sehingga :
1 2 w = C VcxdVc = xCx Vc 21 2
Maka Energi mutlak =
C V2
Kapasitansi total dapat diubah dengan cara menghubungkan beberapa kapasitor secara seri atau pararel. Kapasitor total dapat dikurangi dengan cara dihubungkan secara seri dan dapat dicari dengan rumus :1 1 1 1 = + + ... + CT C1 C 2 Cn
Sedangkan
kapasitas
total
dapat
ditambah
dengan cara dihubungkan secara pararel dan dapat dicari dengan rumus : CT = C1 + C2 + + Cn
20
Satuan dinyatakan
kapasitas dalam
dari 1
kapasitor farad
itu ialah
farad.
kemampuan kapasitor untuk menyimpan tenaga listrik atau mesin listrik 1 coulomb, apabila kapasitor itu diberi tegangan listrik 1 volt. Dalam praktek, dibuat satuan-satuan yang lebih kecil, yaitu : 1 mikrofarad ( fd) 1 nanofarad (nf) = 1 pikofarad (pfd) = Disamping untuk = 10-6 farad
10-9 farad 10-12 farad tenaga atau
menyimpan
muatan listrik, kapasitor juga dapat digunakan untuk : a. Peredam bunga api (kapasitor keramik) b. Perata elektrolit) denyut arus listrik (kapasitor
21
c. Rangkaian resonansi dalam tuning sirkuit, atau mencari gelombang radio (kapasitor
variable) d. Menggeser gelombang atau menepatkan
frekuensi (kapasitor trimmer)
3.
Transformator Transformator atau biasa disebut dengan trafo adalah alat untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dan digunakan untuk memindahkan energi dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian berikutnya tanpa merubah frekuensi. Dalam aplikasinya trafo dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu :
22
1. Transformator
Step-Up
atau
tranformator
penaik tegangan adalah tranformator yang digunakan untuk menaikkan tegangan dari rendah ke tegangan yang lebih tinggi. 2. Transformator Step-Down atau transformator penurun tegangan adalah transformator yang digunakan untuk menurunkan tegangan dari tinggi ke tegangan yan lebih rendah. Cara kerja transformator adalah sebagai berikut : 1. Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan primer arus timbul AC, maka pada gaya
kumparan
garis-garis
magnet yang berubah-ubah. 2. Perubahan garis-garis gaya dari kumparan primer ini menginduksi kumparan sekunder sehingga pada kumparan sekunder timbul arus bolak-balik.
23
Dengan memilih jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan dapat dihasilkan GGL
kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL kumparan primer. Hubungan GGL atau tegangan primer (Vp) tegangan sekunder (Vs), jumlah lilitan kumparan primer (np) dan jumlah lilitan kumparan sekunder (ns) dapat dinyatakan
dengan rumus :Tegangan primer Tegangan sekunder = Jumlah lilitan primer Jumlah lilitan sekunder
Vp np = Vs ns
yang
biasa
disebut
dengan
perbandingan memperhatikan kita dapat
transformasi. perbandingan
Dengan transformasi
mengetahui jenis dari transformator tersebut apakah trafo Step-Up atau Step-Down. Pada transformator terdiri dari banyak belitan, sehinga dapat dipandang sebagai Induktor,
24
dengan demikian dapat diuraikan sebagai berikut :di ( t ) Induktor mempunyai tegangan (V) : V ( t ) = L dtdi ( t ) =
(L)
Dimana : ( i) menyatakan sebagai fungsi waktu (t) menyatakan panjang lilitan (H)1 Sehingga besarnya arus adalah ( i ) = L VL .dt Besarnya daya (P) : P = VLxi maka di di P=L xi = Lxi watt dt dt
1 xVl .dt L
Energi yang tersimpan (w) : = p.d w t
dw = Pdt
maka
Sehingga :
w = Lxi
di dt = L i.di dt
maka (Energi) adalah
(W ) = 1 xLx i22
joule
25