wattmeter.docx

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”

Nama : Siti Masitoh

NPM : 140310100033

WATTMETER

Wattmeter adalah instrumen pengukur daya listrik yang pembacaannya dalam satuan

watt di mana merupakan kombinasi voltmeter dan amperemeter. Wattmeter digunakan

untuk mengukur daya listrik searah (DC) maupun bolak-balik (AC). Ada 3 tipe Wattmeter

yaitu Elektrodinamometer, Induksi dan Thermokopel. Namun yang paling banyak

digunakan adalah wattmeter elektrodinamik atau elektrodinamometer, karena sesuai dengan

karakteristiknya.

1. Tipe-tipe Wattmeter, antara lain :

1.1 Wattmeter Elektrodinamometer

Wattmeter tipe elektrodinamometer terdiri dari satu pasang kumparan yaitu

kumparan yang tetap disebut kumparan arus dan kumparan yang berputar disebut

dengan kumparan tegangan, sedangkan alat penunjuknya akan berputar melalui suatu

sudut, yang berbanding lurus dengan hasil perkalian pada arus-arus yang melalui

kumparan-kumparan tersebut.

1.2 Wattmeter Induksi

Alat ukur tipe induksi mempunyai pula sepasang kumparan-kumparan yang

bebas satu dan lainnya, seperti alat ukur wattmeter elektrodinamometer. Susunan ini

menghasilkan momen yang berbanding lurus dengan hasil kali dari arus-arus yang

melalui kumparan-kumparan tersebut, dengan demikian dapat pula dipergunakan

sebagai alat pengukur watt. Untuk memungkinkan hal ini F1 dalam gambar ini

didapat dari arus beban I dan F2 dari tegangan beban V. Perlu diperhatikan bahwa

F2 akan mempunyai sudut fasa sebesar 90° terlambat terhadap V. Hubungan antara

fasa-fasa diperlihatkan dalam gambar 4-8, dan menurut persamaan di dapat :

Gambar 1.1 Diagram vektor wattmeter jenis elektrodinamometer dan Diagram vektor wattmeterjenis induksi


1.3 Wattmeter Thermokopel

Alat pengukur watt tipe thermokopel merupakan contoh dari suatu alat

pengukur yang dilengkapi dengan sirkuit perkalian yang khusus. Konfigurasi alat

ukur ini diperlihatkan dalam gambar 4-9. Bila arus-arus berbanding lurus terhadap

tegangannya, dan arus beban dinyatakan sebagai maka akan didapatkan :

Gambar 1.2 Prinsip wattmeter jenis thermokopel

2. Prinsip Dasar Wattmeter Eletrodinamik atau Elektrodinamometer

Instrumen ini cukup familiar dalam desain dan konstruksi elektrodinamometer

tipe ammeter dan voltmeter analog. Kedua koilnya dihubungkan dengan sirkuit yang

berbeda dalam pengukuran power. Koil yang tetap atau field coil dihubungkan secara

seri dengan rangkaian, koil bergerak dihubungkan paralel dengan tegangan dan

membawa arus yang proporsional dengan tegangan. Sebuah tahanan non-induktif

dihubungkan secara seri dengan koil bergerak supaya dapat membatasi arus menuju

nilai yang kecil. Karena koil bergerak membawa arus proposional dengan tegangan

maka disebut pressure coil atau voltage coil dari wattmeter.

Gambar 2.1 rangkaian Wattmeter


Gambar 2.2 Konektivitas wattmeter

Pada wattmeter dapat terjadi error, antara lain :

1. Error pada akibat hubungan berbeda.

2. Error akibat induktansi kumparan tegangan.

3. Error akibat kapasistansi pada rangkain kumparan tegangan.

4. Error karena medan liar.

5. Error karena arus Eddy.

2.1 Wattmeter Satu Fasa

Elektrodinamometer dipakai secara luas dalam pengukuran daya, dan dapat

dipakai untuk menunjukkan daya searah (DC) maupun daya bolak-balik (AC) untuk

setiap bentuk gelombang tegangan dan arus dan tidak terbatas pada gelombang sinus

saja. Elektrodinamometer yang digunakan sebagai voltmeter atau kumparan-

kumparan yang diam dihubungkan seri dengan tahanan penbatas arus dan membawa

arus kecil (IP). Arus sesaat didalam kumparan yang berputar adalah IP = e/RP

dimana e adalah tegangan sesaat pada jala-jala dan RP adalah tahanan total,

kumparan berputar beserta tahanan serinya.

Gambar 2.3 Wattmeter satu fasa


Defleksi kumparan putar sebanding dengan perkalian IC dan IP dan untuk defleksi

rata-rata selama satu perioda dapat dituliskan :

Dimana :

rata-rata = defleksi sudut rata-rata kumparan

K = konstanta instrumen

IC = arus seasaat dalam kumparan medan

IP = arus sesaat di dalam kumparan-kumparan potensial

Dengan menganggap sementara Ic sama dengan arus beban I

(secara aktual : Ic = Ip + I); dan

menggunakan nilai Ip = e/Rp; maka didapatkan :

Menurut definisi, daya rata-rata didalam suatu rangkaian adalah :

Elektrodinamometer yang dihubungkan dalam konfigurasi gambar 2.3 mempunyai

defleksi yang sebanding dengan daya rata-rata. Jika f dan I adalah besaran sinus

dengan bentuk e = Em sin (wt) dan I = Im sin (wt + f ) maka persamaan (*) berubah

menjadi :

dimana E dan I menyatakan nilai - nilai rms tegangan dan arus f menyatakan sudut

fasa antara tegangan dan arus.

Wattmeter elektrodinamometer membutuhkan sejumlah daya untuk

mempertahankan medan magnetnya, tetapi ini biasanya begitu kecil dibandingkan

daya beban sehingga dapat diabaikan, Jika diperlukan pembacaan daya yang tepat,

kumparan arus harus persis membawa arus beban, dan kumparan potensial harus

dihubungkan diantara terminal beban.

Dengan menghubungkan kumparan potensial ke titik A, tegangan beban terukur

dengan tepat. Tetapi arus yang melalui kumparan-kumparan medan lebih besar

sebanyak IP. Berarti wattneter membaca lebih tinggi sebesar kehilangan daya daya

tambahan didalam rangkaian potensial. Tetapi, jika rangkaian potensial dihubungkan

ke titik B, kumparan medan mencatat arus yang tepat, tetapi tegangan pada

kumparan potensial akan lebih besar sebanyak penurunan tegangan pada kumparan-


kumparan medan. Juga wattmeter akan mencatat lebih tinggi, tetapi dengan

kehilangan sebesar I.R di dalam kumparan medan.

Cara penyambungan yang tepat tergantung pada situasi. Umumnya,

sambungan kumparan potensial pada titik A lebih diinginkan untuk beban-beban

arus tinggi, tegangan rendah, sedang sambungan kumparan potensial pada titik B

lebih diinginkan untuk beban-beban arus rendah, dan tegangan tinggi.

Kesulitan dalam menempatkan sambungan kumparan potensi diatasi dengan

wattmeter yang terkompensasi. Kumparan arus terdiri dari dua kumparan, masing-

masing mempunyai jumlah lilitan yang sama. Salah satu kumparan menggunakan

kawat besaran yang membawa arus beban ditambah arus untuk kumparan potensial.

Gulungan lain menggunakan kawat kecil (tipis) dan hanya membawa arus ke

kumparan tegangan. Tetapi arus ini berlawanan dengan arus didalam gulungan besar,

menyebabkan fluks yang berlawanan dengan fluks utama. Berarti efek I dihilangkan

dan wattmeter menunjukkan daya yang sesuai.

2.2 Wattmeter Banyak Fasa

Pengukuran daya dalam suatu sistem fasa banyak, memerlukan pemakaian dua

atau lebih wattmeter. Kemudian daya nyata total diperoleh dengan menjumlahkan

pembacaan masing-masing wattmeter secara aljabar. Teorema Blondel menyatakan

bahwa daya nyata dapat diukur dengan mengurangi satu elemen wattmeter dan

sejumlah kawat-kawat dalam setiap fasa banyak, dengan persyaratan bahwa satu

kawat dapat dibuat common terhadap semua rangkaian potensial. Gambar 4-4

menunjukkan sambungan dua wattmeter untuk pengukuran konsumsi daya oleh

sebuah beban tiga fasa yang setimbang yang dihubungkan secara delta.

Kumparan arus wattmeter 1 dihubungkan dalam jaringan A, dan kumparan

tegangan dihubungkan antara (jala-jala, line) A dan C. Kumparan arus wattmeter 2

dihubungkan dalam jaringan B , dan kumparan tegangannya antara jaringan B dan C.

Daya total yang dipakai oleh beban setimbang tiga fasa sama dengan penjumlahan

aljabar dari kedua pembacaan wattmeter. Diagram fasor gambar 4-5 menunjukkan

tegangan tiga fasa VAC, VCB, VBA dan arus tiga fasa IAC, ICB dan IBA. Beban

yang dihubungkan secara delta dan dihubungkan secara induktif dan arus fasa

ketinggalan dari tegangan fasa sebesar sudut.


Gambar 2.4 Konfigurasi Wattmeter

Kumparan arus wattmeter 1 membawa arus antara IA’A yang merupakan

penjumlahan vector dan arus-arus fasa IAC dan IAB. Kumparan potensial wattmeter

1 dihubungkan ke tegangan antara VAC. Dengan cara sama kumparan arus

wattmeter 2 membawa arus antara IB’B yang merupakan penjumlahan vektor dari

arus-arus fasa IBA dan IAC, sedang tegangan pada kumparan tegangannya adalah

tegangan antara VBC. Karena beban adalah setimbang, tegangan fasa dan arus-arus

fasa sama besarnya dan dituliskan :

Daya dinyatakan oleh arus dan tegangan masing-masing wattmeter

adalah:

W1 = VAC. IAA Cos (30°- θ) = V I Cos (30°- θ)

W2 = VBC. IBB Cos (30° + θ) = V I Cos (30° + θ)

Dan

W1 + W2 = V I Cos (30°- θ) + V I Cos (30° + θ)

= V I[(Cos 30°.Cos θ + Sin 30°.Sin θ) + (Cos 30°.Cos θ - Sin 30°.Sin θ)]

= 3 V I Cos θ

Persamaan diatas merupakan besarnya daya total dalam sebuah rangkaian tiga

fasa, dan karena itu kedua wattmeter pada gambar secara tepat mengukur daya total

tersebut. Dapat ditunjukkan bahwa penjumlahan aljabar dari pembacaan kedua

wattmeter akan memberikan nilai daya yang benar untuk setiap kondisi yang tidak

setimbang. Jika kawat netral dari system tiga fasa juga tersedia seperti halnya pada

beban yang tersambung dalam hubungan bintang 4 kawat, sesuai dengan teorema

Blondel, diperlukan tiga wattmeter untuk melakukan daya nyata total.


Gambar 2.5 Diagram fasor tegangan tiga fasa VAC, VCB, VBA dan arus

tiga fasa IAC, ICB dan IBA.

3. Cara Pengukuran

3.1 Wattmeter Satu Fasa

Ada beberapa cara Pengukuran Daya Satu Fasa, antara lain :

3.1.1 Dengan menggunakan Wattmeter

Suatu Wattmeter satu fasa dapat langsung mengukur daya yang diserap

beban, karena semua besaran arus dan Cos sydah tercakup di dalamnya.

Rangkaian pengkuran dengan Wattmeter satu fasa dapat dilihat pada gambar

dengan daya yang diukur adalah :

P = E I Cos

Gambar 3.1 Rangkaian pengukuran daya bolak-balik satu fasa dengan watt meter.

Kesalahan pada Wattmeter satu fasa antara lain adalah disebabkan oleh

sifat induktif kumparan tegangan. Hal ini menyebabkan arus yang mengalir pada

kumparan tegangan tidak sefasa dengan tegangan yang diukur.


3.1.2 Metoda 3 Voltmeter dan 3 Amperemeter

Pengukuran satu fasa dapat dilakukan memakai 3 Voltmeter (lihat gambar

8) dari diagram vector didapat :

V1 = V2 + V3 + 2V2 + V3 Cos

Karena itu daya pada beban dapat dihitung dengan rumus :

PL =

V 32−V 2

2−V 12

2R

Gambar3.2 Pengukuran daya 1 fasa dengan 3 voltmeter dan diagram vektor metoda 3

amperemeter.

3.1.3 Pengukuran daya satu fasa dapat juga dilakukan dengan menggunakan 3

Amperemeter.

Gambar 3.3 Pengukuran daya 1 fasa dengan 3 amperemeter dan diagram vektor.

Dari diagram vector didapat : I1 = I2 +I3 + 2 I2 + I3 Cos

Dan daya yang dapat dihitung dengan rumus :

PL =

R2

( I 32−I 2

2−I 12 )

3.2 Wattmeter Tiga Fasa

Pengukuran daya listrik AC tiga phasa adalah pengukuran daya yang dilakukan

untuk rangkaian listrik AC tiga phasa. Pengukuran daya listrik 3 phasa dapat

dilakukan dengan berbagai macam cara atau metoda sesuai dengan alat ukur yang

digunakan diantaranya :


1. Menggunakan satu wattmeter satu phasa

Suatu metode pengukuran daya yang hanya menggunkan 1 wattmeter satu

pasa, pengukuran hanya dilakukan pada salah satu pasanya. Kedua pasa yang

lainnya tidak diukur. Diagram rangkaiannya seperti pada di gambar di bawah ini

:

Gambar 3.4 Pengukuran daya menggunakan satu Wattmeter satu fasa

Metode ini digunakan untuk pengukuran daya beban 3 pasa seimbang,

seperti motor listrik tiga pasa. Pengukuran tidak harus pada seluruh pasanya.

Besar daya pasa sama dengan besar penunjukkan wattmeter. Sedang besar daya

total beban tiga kali besar penunjukkan wattmeter.

2. Menggunakan dua wattmeter satu phasa

Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 2 wattmeter satu pasa,

pengukurannya dilakukan pada jaringan. Kedua pasa yang lainnya tidiukur.

Diagram rangkaiannya seperti gambar dibawah ini:

Gambar 3.5 Pengukuran daya menggunakan dua Wattmeter satu fasa

Metode dengan menggunakan dua wattmeter satu pasa digunakan untuk

mengukur daya total dari beban, daya setiap pasanya tidak diketahui. Disamping

itu arus dan tegangan yang terukur adalah arusa dan tegangan jaringan. Besar

daya total merupakan penjumlahan kedua wattmeter. Metode ini digunakan


untuk pengukuran daya beban 3 pasa secara umum. Besar daya setiap pasa tidak

terbaca.

3. Menggunakan tiga wattmeter satu phasa

Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 3 wattmeter satu pasa.

Pengukuran dilakuakan pada setiap pasa. Diagram rangkaiannya seperti gambar

di bawah ini:

Gambar 3.6 Pengukuran daya menggunakan tiga Wattmeter satu fasa

Metode ini digunakan untuk pengukuran daya beban tiga pasa secara

umum. Besar daya setiap pasa dapat diketahui yaitu sebesar penunjukkan

masing – masing wattmeter. Dapat diketahui perbedaan pembebanan setiap

pasanya. Metode pengukuran daya yang menggunakan 3 wattmeter satu pasa,

juga dapat dilakukan seperti gambar dibawah ini. Besar daya setiap pasa dapat

diketahui yaitu sebesar penunjukkan masing – masing wattmeter. Dapat

diketahui perbedaan pembebanan setiap pasanya.

4. Menggunakan satu wattmeter tiga phasa

Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 1 wattmeter tiga pasa,

pengukuran dilakukan sekaligus ketiga pasanya. Kedua pasa yang lainnya tidak

diukur. Diagram rangkaiannya seperti gambar berikut ini.

Gambar 3.7 Pengukuran daya menggunakan satu Wattmeter tiga fasa


4. Aplikasi Wattmeter pada alat KWh

Elemen alat ukur watt jam satu fasa ditunjukkan pada gambar dibawah dalam

bentuk skema. Kumparan arus dihubungkan seri dengan jala-jala, dan kumparan

tegangan dihubungkan paralel. Kedua kumparan yang dililitkan pada sebuah kerangka

logam dengan desain khusus melengkapi dua rangkaian maghnit. Sebuah piringan

aluminium ringan digantung di dalam senjang udara medan kumparan arus yang

menyebabkan arus pusar mengalir di dalam piringan. Reaksi arus pusar dan medan

kumparan tegangan membangkitkan sebuah torsi (aksi motor) terhadap piringan dan

menyebabkannya berputar.

Gambar 4.1 Konstruksi Watt Jam (KWH) Meter

Torsi yang dibangkitkan sebanding dengan kuat medan kumparan tegangan dan

arus pusar di dalam piringan yang berturut-turut adalah fungsi kuat medan kumparan

arus. Berarti jumlah putaran piringan sebanding dengan energi yang telah dipakai oleh

beban dalam selang waktu tertentu, dan diukur dalam kilowatt-jam (kWh, kilowatt jam).

Poros yang menopang piringan aluminium dihubungkan melalui susunan roda gigi ke

mekanisme jam dipanel alat ukur, melengkapi suatu pembacaan kWh yang terkalibrasi

dalam desimal. Redaman piringan diberikan oleh dua maghnit permanen kecil yang

ditempatkan saling berhadapan pada sisi piringan. Bila piringan berputar, maghnit-

maghnit permanen mengindusir arus pusar di dalamnya. Arus-arus pusar ini bereaksi

dengan medan maghnit dari maghnit-maghnit permanen kecil dan meredam gerakan

piringan. Kalibrasi alat ukur watt jam dilakukan pada kondisi beban penuh yang diijinkan

dan pada kondisi 10% dari beban yang diijinkan.

Pada beban penuh, kalibrasi terdiri dari pengaturan posisi maghnit-maghnit

permanent kecil agar alat ukur membaca dengan tepat. Pada beban-beban yang sangat

ringan, komponen tegangan dari medan menghasilkan suatu torsi yang tidak berbanding

langsung dengan beban. Kompensasi kesalahan diperoleh dengan menyisipkan sebuah


kumparan pelindung atau pelat diatas sebagian kumparan tegangan dengan membuat alat

ukur bekerja pada 10% beban yang diijinkan. Kalibrasi alat ukur pada kedua posisi ini

biasanya menghasilkan pembacaan yang memuaskan untuk semua bebanbeban lainnya.

Sebuah alat ukur watt jam satu fasa ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4.2 Bagian Mekanik KWH Meter Tipe Induksi Dan Elektromekanik

Keterangan : Kumparan tegangan, yang dihubungkan paralel dengan beban Kumparan

arus, dihubungkan seri dengan beban Stator Piringan Aluminium Rotor Rotor brake

magnets Spindle dengan worm gear Display dial : 1/10, 10 dan 1000 , 1, 100 dan

10000.dials berputar searah jarum jam.

Meter induksi elektromekanik beroperasi dengan menghitung putaran dari cakram

aluminium yang dibuat berputar dengan kecepatan proporsional dengan power yang

digunakan. Alat ini mengkonsumsi power yang kecil sekitar 2 watts. Cakram metalik

bekerja dengan dua kumparan. Kumparan satu disambungkan dengan sebuah benda yang

menghasilkan flux magnetik yang proporsional dengan tegangan dan kumparan kedua

disambungkan dengan benda yang menghasilkan flux magnetik yang proporsional

dengan arus. Keadaan ini menghasilkan eddy currents di cakram dan efeknya adalah gaya

yang digunakan dalam cakram proporsional dengan hasil arus dan tegangan. Magnet

permanen menggunakan gaya berlawanan yang proporsional dengan kecepatan rotasi

cakram, hal ini menyebabkan sebuah pengereman yang menyebabkan cakram berhenti

berputar. Tipe meter yg didiskripsikan di atas digunakan pada AC fasa tunggal.

Perbedaan konfigurasi antara fasa tunggal dan tiga fasa adalah terletak adanya tambahan

kumparan tegangan dan arus.


Gambar 4.3 Meter induksi elektromekanik, 100 A 230/400 V. Cakram baling-baling aluminium horisontal

merupakan pusat meter

Pengukuran energi dalam sistem tiga fasa dilakukan oleh alat ukur watt jam fasa

banyak. Kumparan arus dan kumparan tegangan dihubungkan dengan cara yang sama

seperti wattmeter tiga fasa. Masing-masing fasa alat ukur watt jam mempunyai rangkaian

maghnetik dan piringan tersendiri, tetapi semua piringan dijumlahkan secara mekanis dan

putaran total permenit dari poros sebanding dengan energi total tiga fasa yang dipakai.


DAFTAR PUSTAKA

http://elektronika-dasar.com/instrument/prinsip-kerja-wattmeter-elektrodinamometer/

http://elektronika-dasar.com/instrument/wattmeter-1-satu-fasa/

http://dc312.4shared.com/doc/XDTA_ebm/preview.html

http://indriezone.blogspot.com/2009/06/bab-iv-wattmeter.html

http://indriezone.blogspot.com/2009/06/bab-iv-wattmeter.html

http://dc312.4shared.com/doc/XDTA_ebm/preview.html

http://elektronika-dasar.com/instrument/wattmeter-1-satu-fasa/

http://elektronika-dasar.com/instrument/prinsip-kerja-wattmeter-elektrodinamometer/

wattmeter.docx

Documents