DASAR-DASAR LISTRIK Setiap pabrik kimia membutuhkan energi listrik dalam jumlah yang besar untuk mengoperasikan berbagai peralatan proses dan penerangan pabrik. HUKUM DASAR Tegangan : V = I R Daya : P = V I = I2 R dengan P = daya (J/s, watt atau VA) I = arus (ampere) V = tegangan (volt) R = tahanan (ohm)
V(t) Vmaks waktu 1/50 s = 360°°
Arus Bolak - balik: V(t) = Vmaks sin (2πft) Vmaks = tegangan maksimum f = frekuensi (Hz) t = waktu 2πft dalam radian 2π = 360 oC
Tegangan dan kuat arus bolak-balik dinyatakan dalam nilai efektifnya (root mean square) V=
Vmaks 2
dan
I=
Imaks 2
Kalau tegangan sumber listrik terukur 220 V, berarti sumber tersebut memiliki amplitudo tegangan sebesar: Vmaks = 220√ √2 = 308 volt.
INDUKTANSI Jika dalam suatu rangkaian listrik bolak-balik terdapat kumparan, arus terlambat dari tegangan.
I(t) Imaks Vmaks
V(t)
V(t) = Vmaks sin (2πft) I(t) = Imaks sin (2πft - ) α : sudut keterlambatan I(t) terhadap V(t)
waktu α 360 o Tahanan akibat induktansi XL = 2πf.L dengan : XL = tahanan induktansi (ohm) L = induktansi (H, henry)
Halaman ke 1 dari 10 halaman
KAPASITANSI Pada rangkaian dengan kapasitor, arus mendahului tegangan.
I(t) Imaks
V(t) Vmaks
V(t) = Vmaks sin (2πft) I(t) = Imaks sin (2πft +
waktu
I(t) mendahului V(t) dengan sudut
α 360 o Rangkaian kapasitor mengakibatkan efek yang berlawanan dengan induktansi. Tahanan yang timbul akibat kapasitansi dinyatakan sebagai tahanan kapasitansi: XC = 1/(2πf.C) dengan: XC = tahanan kapasitansi (ohm) C = kapasitansi (F, farad) RANGKAIAN TAHANAN a. tahanan murni, misalnya pemanas listrik b. tahanan induktansi, terutama motor listrik c. tahanan kapasitansi, biasanya untuk memperbaiki faktor daya 1. Rangkaian Tahanan Murni a. Rangkaian Seri R3
• A
R4
• B
R
• C
R = R3 + R4 VAC = VAB + VBC IAB = IAC
ekivalen dengan
A•
1
R
•B R2
C• =
• C
R1
b. Rangkaian Paralel 1
• A
•D
R
ekivalen dengan
• P
• Q
1 +
R1
)
R2
VAB = VBC IPQ = IAB + IBC
Halaman ke 2 dari 10 halaman
2. Rangkaian R-L Seri Rangkaian ini biasanya untuk menyatakan rangkaian dalam motor listrik. A R
A
R = tahanan murni XL = tahanan induktansi Z = tahanan impedansi
IR
ekivalen dengan
B
I
Z
IL
XL
C
B
→ → → Z = R + X (penjumlahan vektor) L Z ≠ R + XL (bukan penjumlahan aljabar) →
→
→
VAC = VAB + VBC
(jumlah vektor);
IR = IL = I → → → Z = R + XL
R
XL
Z
R 90 o
90 o
90 o
(a)
(b)
XL
R
XL
(c)
Z
Lihat Gambar (a), (b) atau (c), selisih sudut antara arah R (tahanan murni) dan XL (tahanan induktansi) adalah 90o. VAB dan VBC berturut-turut searah dengan R dan XL. 3. Rangkaian R-C Paralel Rangkaian ini biasanya digunakan dalam pemasangan kapasitor. •A
A C
IR XC
D IC
1
E IC
→
I
Z
Z
=
1
1 +→ XC R →
(jumlah vektor)
R
I B
I
90 o
VCD = VEF = VAB
•B
F XC
Z
Pada rangkaian ini, IR dan IC saling membentuk sudut 90 oC, atau berturut-turut searah dengan R dan XC.
90 o
IR
R
3. Rangkaian R-L-C Jika suatu rangkaian mengandung XL dan XC, tanda (positif atau negatif) XL harus berlawanan dengan XC. Umumnya XL diberi tanda (+) dan XC diberi tanda (-). Diagram vektor R-L-C umumnya dinyatakan seperti gambar di samping ini.
Halaman ke 3 dari 10 halaman
BILANGAN KOMPLEKS Untuk memudahkan operasi vektor, kita menggunakan bilangan kompleks : Z = a + b.j j . j = -1 a = bilangan riil, sumbu x b b = bilangan imajiner, sumbu y z1 = a + bj Z1 = a1 + b1 j
+j
Z2 = a2 + b2 j
a Z1 + Z2 = (a1 + a2) + (b1 + b2)j Z1.Z2 = (a1 + b1j)(a2 + b2j) = (a1a2 – b1b2) + (a1b2 + a2b1)j
-j
Z1 a 1 + b1 j a 1 + b1 j a 2 − b 2 j = = . Z2 a 2 + b 2 j a 2 + b 2 j a 2 − b 2 j =
c
z2 = a - cj
(a 1a 2 + b1b 2 ) + (a 2 b1 − a 1b 2 )j a 22 + b 22
Tahanan murni, Z1 = R Tahanan induktansi, Z2 = +XLj Tahanan kapasitansi, Z3 = -XCj Perhatikan Z2 dan Z3 berlawanan tanda! →
→
→
Untuk rangkaian R-L seri : Z = R + X L →
Z = R + XL j 1 1 1 Untuk rangkaian R-C paralel : → = → − → Z R XC →
Z=
RX C2 R 2 + X C2
(tanda negatif XC telah dimasukkan)
-
R 2XC R 2 + X C2
j
Halaman ke 4 dari 10 halaman
CONTOH SOAL tahanan kawat R1 = 2 Ω
A
P
Diketahui: Motor satu fasa 220 V, 1 kW, cosφ = 80% Saluran listrik terdiri dari dua kawat dengan tahanan 2 Ω tiap kawat.
I
• A
>
RM
220 V
Ditanyakan: 1. Berapa tegangan sumber, VPQ agar motor tetap bekerja pada 220 V 2. Rugi-rugi listrik lewat saluran = I2.R1 3. Bagaimana VPQ dan rugi – rugi listrik jika cos φ = 0,6
XLM
I
Q
• B
motor listrik
R2 = 2 Ω B Jawab:
RM =
V 2 .cos 2φ 220 2.0,8 2 = = 30,98 Ω Paktif 1000
cos φ = 0,8 φ = 36,86o ; tan φ = 0,75 =
r Z motor = 30,98 + 23,23 j
X LM XLM = 23,23 Ω R
Jadi kuat arus yang melalui motor: I = Paktif/(V.cosφ) I = 1000/(220. 0,8) = 5,682 A VPA = I.R1 = 5,682 x 2 = 11,364 V VBQ = I.R2 = 5,682 x 2 = 11,364 V VAB = 220 V = 220 cos φ + 220 sin φ j = 176 + 132 j →
→
→
→
VPQ (sumber listrik) = VPA + V AB + VBQ VAB = 220 V
(jumlah vektor)
VPQ
φ
φ
VPA = VBQ
φ1
= 36,86o ; arah VAB
VPA dan VBQ searah sumbu riil φ1 = …?
; arah VPQ
(VPA + VBQ) = 22,728 V
r VPQ = 11,36 + (176 + 132j) + 11,36 = 198,72 + 132j VPQ = 198,72 2 + 132 2 = 238,6 V Cara perhitungan lain. Tahanan keseluruhan : Ztotal = RPA + Zmotor + RBQ Ztotal = 2 + 30,98 + 23,23j + 2 Ztotal = 34,98 + 23,23j ; φ1 = 33,59° → cos φ1 = 0,833
Z total = 34,98 2 + 23,232 = 41,99 VPQ = I. Ztotal = 5,682 x 41,99 = 238,6 volt
Soal Latihan Hitung rugi-rugi saluran, I2 R, untuk berbagai nilai pf.
Halaman ke 5 dari 10 halaman
Persamaan-persamaan Listrik Data
Arus bolak-balik satu fasa tiga fasa
Daya total, kVA
Daya aktif, kW Daya reaktif, kVAR Horsepower (output) Ampere (jika hp diketahui) Ampere (jika kW diketahui) Ampere (jika kVA diketahui) Faktor daya, cos φ Tahanan murni dalam R-L seri (motor listrik) Tahanan induktansi dalam R-L seri
Arus searah
1.000 V.I.pf 1.000 V.I. 1 - pf 2 1.000
1,73.V.I. 1.000 1,73.V.I.pf 1.000 1,73.V.I. 1 - pf 2 1.000
V.I..pf.η (746) hp.(746) V.pf.η kW.(1.000) V.pf kVA.(1.000) V
1,73.V.I.pf.η (746) hp(746)(100) 1,73.V.pf. kW.(1.000) 1,73.V kVA.(1.000) 1,73.V
V.I.η. (746) hp.(746) V.η kW.(1.000) V
kW.(1.000) 1,73.V.I
1
V. I
pf = R=
kW kVA
V.I. 1.000
V 2 (pf ) 2 kWx1000
XL = R. tan (arc cos (pf))
η = efisiensi mekanik, dalam pecahan
Halaman ke 6 dari 10 halaman
MOTOR LISTRIK Motor – motor umumnya diklasifikasikan berdasarkan : jenis arus (searah atau bolak-balik) ukuran (HP atau KVA) phasanya (1 phasa atau 3 phasa) Motor arus searah (DC Motor) untuk pengaturan kecepatan yang teliti. momen penggerak awal tinggi efisiensi tinggi investasi dan biaya pemeliharaan mahal Motor Induksi Rotor Sangkar (Squirrel Cage)
Motor arus bolak-balik (AC Motor) Motor Induksi Motor arus bolak-balik (AC Motor)
Motor Induksi Rotor Belitan (Wound Rotor) Motor Sinkron
Karakteristik motor induksi rotor sangkar (Squirrel Cage) : Desain sederhana Tidak mahal Momen penggerak awal tinggi Efisiensi tinggi Faktor daya menurun pada bebab-beban rendah Untuk ukuran yang besar memerlukan cara start yang rumit & mahal Karakteristik motor induksi rotor belitan (Wound Rotor) : Umumnya hanya dipakai untuk ukuran-ukuran besar Lebih mahal dari jenis Squirrel Cage karena memerlukan slip ring Membutuhkan perawatan slip ring Motor sinkron memiliki kecepatan yang konstan dan mampu memperbaiki faktor daya sistem kelistrikan. Namun motor ini mahal karena memerlukan slip ring dan roton belitan. Fluktuasi tegangan kerja sangat mempengaruhi kinerja motor induksi, seperti ditampilkan dalam tabel berikut ini. tegangan kerja 10% tegangan kerja 10% dibawah nominal diatas nominal (nameplate) (nameplate) torsi awal (starting torque) turun sampai 19% naik sampai 21% kenaikan temperatur rotor naik 10-15% naik sampai 15% arus beban penuh naik 11% arus awal (starting current) naik kira-kira 10% overload capacity turun 19% -
Halaman ke 7 dari 10 halaman
Konservasi energi listrik di Motor Listrik (1) Apakah kapasitas motor sesuai dengan beban yang dilayani ? (2) Apakah motor yang beroperasi dapat di-Stop dan di-On kembali segera ? (3) Siapa yang memberi pelumas pada motor – motor dan penggerak lainnya ? (4) Apakah panas yang dihasilkan oleh motor tersebut dapat disiklus kembali ? (5) Apakah jenis penggerak yang dipakai ? (6) Apakah jenis penggerak tersebut sudah efisien ? (7) Bagaimana tegangan masuk ke motor ? (8) Apakah tegangan antara fasa seimbang ? (9) Apakah motor dapat dibersihkan untuk memperkecil pembetukan panas ? (10) Bagaimana beban diatur ? (11) Apakah dua (atau lebih) motor yang ditandem bekerja lebih baik ? (12) Apakah pemeliharaan motor baik ? (13) Apakah motor tersebut alam lingkungan dan ada kebocoran listrik ke tanah ? (14) Siapa yang menghidupkan dan mematikan motor – motor ? Berapa sering ? (15) Bagaimana efisiensi motor tersebut ? Rugi–rugi dan Potensi Penghematan Energi Motor Penghematan energi pada motor adalah pengoperasian optimum, jadi motor harus dioperasikan pada beban yang memberi efisiensi tinggi. Oversized menyebabkan efisinsi kerja motor tersebut rendah.
Rugi − rugi = P x (1 − η )
kW
dengan P = V.A. cosφ P = daya motor η = efisiensi motor, fungsi beban cosφ = power factor, fungsi beban Penghematan yang dapat diperoleh dengan perbaikan efisiensi mekanik (misalnya penggantian motor yang sesuai dengan beban):
1 1 energi dihemat = 3 x V x I x CosΦ x − x h η1 η 2 dengan:
V I Cosφ η1 η2 h
(kWh)
= Tegangan masuk 3 phasa = 380 volt = Arus beban (Ampere) = Faktor daya motor = Efisiensi motor yang lama = Efisiensi motor yang baru = Jam kerja motor setahun
Perbaikan Faktor Daya dapat mengahasilkan penghematan energi dan keuntungan lain, misalnya: (1) menambah kemampuan jaringan distribusi listrik dalam melayani beban (2) memperbesar kapasitas efektif kabel transmisi. (3) mengurangi rugi–rugi motor (4) mengurangi rugi–rugi di transformator sehingga memperbesar kemampuan transformator. Upaya perbaikan faktor daya a. pemasangan kapasitor untuk menaikkan faktor daya b. menggunakan peralatan dengan faktor daya tinggi atau mengoperasikan peralatan pada beban yang optimum c. menggunakan motor–motor sinkron daripada motor induksi d. mengoperasikan motor sinkron bersama–sama dengan motor induksi, karena motor sinkron dapat dioperasikan pada faktor daya > 1 atau leading power factor.
Halaman ke 8 dari 10 halaman
DASAR – DASAR LISTRIK - 9-
TRANSFOMATOR Transformator berfungsi untuk memindahkan energi listrik dari sistem tegangan tinggi/menengah ke teganan beban-beban.
Rugi − rugi energitrafo = Kapasitasdayakeluarantransformator x (1 − η )
kVA
= Rugi − rugi maknetisasi + rugi − rugi tembaga Rugi–rugi maknetisasi dapat dianggap konstan selama tegangan masukan konstan. Rugi–rugi tembaga berbanding lurus dengan kwadrat dari beban. Perbandingan antara rugi–rugi maknetisasi dan rugi–rugi tembaga = + 1 : 4. Potensi Penghematan Energi pada Transformator Perbaikan Efisiensi (penggantian transformator dan pengaturn beban)
1 1 Energi yang dihemat setahun (∆E ) = L x − x h (kWh) η1 η 2 L = Beban transformator (kW) η1 = Efisiensi transformator yang lama η2 = Efisiensi transformator yang baru h = Jam kerja transformator dalam setahun Penggantian transformator tentu menimbulkan masalah investasi. Sebaiknya usahakan melakukan realokasi beban–beban: sehingga beberapa transformator diistirahatkan dan yang lain transformator dibebani penuh. Perbaikan Faktor Daya
L1 2 L 2 2 Energi yang dihemat setahun (∆E ) = P x (1 − η ) x 0,8 x − x h (kWh) P P dengan: P η 0,8 L1 L2 h
= kapasitas desain transformator (kVA) = efisiensi transformator = faktor rugi – rugi tembaga = beban transformator setelah perbaikan faktor daya (kVA) = beban transformator sebelum perbaikan faktor daya (kVA) = Jam kerja transformator dalam setahun
Contoh : Sebuah transformator daya 20 kV/380 V dengan kapasitas 2000 kVA dan beropeasi 7000 jam setahun. Transformator tersebut memasok daya listrik untuk beban induktif 1800 kVA dengan faktor daya 0,85. Usaha penghematan dilakukan dengan cara memasang kapasitor sehingga diperoleh perbaikan faktor daya menjadi 0,95. Menurut persamaan di atas: P = 2000 kVA; L1 = 1610 kVA; L2 = 1800 kVA Penghematan: ∆E = 181.412 kWh Konservasi energi listrik di transformator daya (1) Apakah transformator tersebut memang diperlukan? (2) Apakah transformator terlalu panas? (3) Apakah transformator dapat dimatikan bila tidak digunakan ? (4) Apakah sambungan kabelnya cukup kuat dan kontaktor bekerja baik? (Sambungan jelek menimbulkan tegangan turun dan panas yang berlebihan) (5) Apakah tapping tegangan sudah dalam posisi yang tepat ?
Halaman ke 9 dari 10 halaman
DASAR – DASAR LISTRIK 10 - -
SOAL-SOAL LATIHAN
1.
a. b. c. d. e. f. g. h.
Tuliskan cara mengubah arah putaran motor listrik tiga fasa. Tuliskan kemungkinan cara mengubah kecepatan putar motor sinkron. Tuliskan dua hal perbedaan motor sinkron dengan motor induksi. Tuliskan dengan penjelasan singkat lima hal yang harus diperhatikan jika sebuah motor penggerak peralatan industri kimia akan diganti dengan motor listrik baru. Tuliskan salah satu keunggulan motor induksi dari motor listrik arus searah. Tuliskan salah satu kekurangan motor induksi dari motor sinkron. Tuliskan keunggulan start Y-∆ pada motor listrik 3 fasa. Tuliskan contoh penerapan start Y-∆ dalam pabrik kimia.
2. Sebuah motor listrik satu-fasa memiliki spesifikasi sebagai berikut: 10 kW/220V/50Hz/pf.0,6. a. Jika motor listrik ini dipasang pada sumber listrik yang tepat 220V/50Hz, tentukan kuat arus yang masuk motor listrik ini. b. Jika kita ingin memperbaiki faktor daya motor menjadi 0,7, berapa farad kapasitor yang harus dipasang paralel pada motor tersebut? c. Berapa kuat arus masuk motor setelah perbaikan faktor daya menjadi 0,7? 3. Sebuah pabrik kimia kecil menggunakan listrik satu fasa untuk beban-beban berikut ini: 2 buah motor listrik @ 2KW/220V/pf.0,7; sebuah motor listrik 3 kW/220V/pf.0,8; dan 5 pemanas listrik paralel @ 1,5 kW/220V. Jika pabrik tersebut memperoleh sumber listrik dari PLN pada 480 V, tentukan spesifikasi transformator (daya kVA minimum) yang harus dipasang untuk menyambung beban ke PLN. Lonjakan arus listrik ketika start-up peralatan dapat diabaikan.
Halaman ke 10 dari 10 halaman
