BAB IV ANALISA PERHITUNGAN 4.1 PENGARUH TERHADAP SISI PEMBANGKITAN

Transkripsi

1 BAB IV ANALISA PERHITUNGAN 4.1 PENGARUH TERHADAP SISI PEMBANGKITAN PENGARUH TEGANGAN DAN FREKUENSI TERHADAP DESAIN GENERATOR Persamaan EMF yang dibangkitkan oleh generator, dengan menggunkan persamaan (2.4). E rms /fasa =4.44 x K c..k d.f.φ.t = 4 xk f.k c.k d.f.φ. T [1][7] Untuk melihat frekuensi terhadap desain generator maka faktor K d dan K f di anggap 1. Sehingga E rms /fasa = 1.11 x 4.f.Φ.T = 4.44 x f.φ. T E rms /fasa E rms /fasa 115Volt = 1.11 x 4.f.Φ.T = 1.11 x 4.f.Φ.T = 4.44 x f.φ. T = 4.44 x 400Hz. Φ. T Jika Φ adalah suatu nilai yang telah ditetapkan di awal desain maka frekuensi dan jumlah konduktor / fasa akan mempengaruhi e.m.f yang dibangkitkan. Untuk menentukan nilai flux dengan menggunkan persamaan (2.4) maka Φ = = V rms 4.44 x f xt x 400 xt Nilai T ialah Z/2 yang dapat di ketahui dengan melihat gambar 4. 1, dan dengan menggunakan persamaan (2.5) 40

2 41 gambar 4. 1 Jumlah slot dan batang konduktor/slot Z = jumlah slot x jumlah konduktor/slot fasa Z = 30 x 2 3 = 20 [1] Nilai Fluks pada IDG : Φ = T = Z 2 = 20 2 = = 0,00647 wb 4.44 x 400 x10 a. IDG 115V/400Hz pada Pesawat terbang : E rms /fasa = 1.11 x 4.f.Φ.T 220Volt = 4.44 x 50Hz. 0,00647wb. T

3 42 (T) jumlah koil/putaran seri/ fasa : T = x400 x0,00647 = 10 (Z) Jumlah konduktor seri/fasa : Z = 2T = 20 Jumlah konduktor / per slot dengan design 30 slot Z = jumla slot x jumla konduktor/slot fasa Jumla Konduktor/slot = jumla konduktor/slot = 20 x 3 30 z x fasa jumla slot = 2batang/slot Jumlah Slot dengan desain 2 konduktor /slot Z = jumla slot x jumla konduktor/slot fasa jumla slot = jumla slot = Z x fasa jumla konduktor/slot 20 x 3 2 = 30slot b. Generator 220/50Hz pada Tegangan rendah PLN : E rms /fasa 220Volt = 1.11 x 4.f.Φ.T = 4.44 x 50Hz. 0,00647wb. T (T) jumlah konduktor seri/ fasa : T = x50 x0,00647 = 154 (Z) Jumlah konduktor seri/fasa Z = 2T = 308

4 43 Jumlah konduktor / per slot dengan design 30 slot Z = jumla slot x jumla konduktor/slot fasa Jumla Konduktor/slot = jumla konduktor/slot = 308 x 3 30 z x fasa jumla slot = 31 batang/slot Jumlah Slot dengan desain 2 konduktor /slot Z = jumla slot x jumla konduktor/slot fasa jumla slot = jumla slot = Z x fasa jumla konduktor/slot 308 x 3 2 = 462slot Untuk lebih mempermudah maka data dimasukkan ke dalam tabel 4. 1 dan 4. 2, Tabel 4.1 menunjukkan data perbandingan jumlah slot pada generator 220V/50Hz dengan 115V/400Hz yang di desain dengan jumlah konduktor / slot sebanyak 2 buah. Tabel 4. 1 Perbandingan jumlah slot generator (sistem pesawat terbang) 115 V/400 Hz (sistem tegangan rendah PLN) 220 V/ 50 HZ Jumlah slot Konduktor/slot 2 2 Tabel 4.2 memperlihatkan data perbandingan jumlah konduktor/slot generator 220V/50Hz dengan 115V/Hz yang jumlah slot nya di disain sebanyak 30 slot Tabel 4. 2 Perbandingan Jumlah batang Konduktor dalam 1 slot (sistem pesawat terbang) 115 V/400 Hz (sistem tegangan rendah PLN) 220 V/ 50 HZ Jumlah slot Konduktor/slot 2 31

5 44 Pada hasil perhitungan di dapat bahwa jumlah batang konduktor atau jumlah slot akan bertambah jika frekuensi yang dihasil kan lebih rendah dan atau tegangan yang di hasilkan lebih tinggi. Meningkat nya jumlah konduktor atau pun jumlah slot akan mempengaruhi dimensi dan berat dari IDG. Jika rating IDG diubah menjadi 220V/50Hz maka jumlah sebanyak 462 slot tentunya akan membuat diameter stator jauh lebih besar, seiring bertambah nya diameter maka berat stator juga akan bertambah karena bahan yang di gunakan untuk membentuk stator juga bertambah. Begitupun dengan pertambahan batang konduktor pada 1 slot. Walaupun jumlah slot nya tetap, tetapi untuk memuat 31 batang konduktor, maka diameter slot juga harus di perbesar sekitar 15 kali lipat dari ukuran IDG pada spesifikasi 115/400Hz. melebar nya slot juga akan memaksa dimesi stator menjadi lebih besar dan juga akan menambah berat stator. 4.2 PENGARUH TENGANGAN DAN FREKUENSI TERHADAP BEBAN Beban rangkaian listrik, beban bisa berupa resistansi murni ( cosφ= 1), induktansi dan capasitansi ataupun gabungan dari ketiga nya. Sebelum melihat pengaruh tengan dan frekuensi pada beban RLC, pada gambar meperlihatkan beda bentuk gelombang 115/400hz dan 220/50hz. untuk mengambarkan bentuk tegangan digunakan MATLAB R2010. Gambar 4. 1 rangkaian tengangan tampa beban pada matlab

6 45 gambar 4. 2 memperlihatkan rangkaian simulasi sumber tegangan tampa beban untuk melihat bentuk gelombang nya. Pada simulasi digunakan 2 sumber tegangan AC 220V /50 Hz dan 115V /400 Hz. Sumber tegangan di hubungkan ke masingmasing Voltage measurement, output dari masing-masing pengukuran di gabungkan dengan menggunakan Mux lalu bentuk tegangan akan di tampilkan oleh scope ( pengganti osilator). Untuk nilai RMS dari masing-masing sumber di tampilkan pada display. Gambar 4. 2 bentuk tegangan PLN (kuning) dan Pesawat Terbang (ungu) pada display scope sumbu vertical adalah nilai tegangan dan sumbu horizontal adalah perioda. Pada perioda 0.02 detik gelombang kuning (Tegangan PLN) menghasilkan satu gelombang penuh, sedangkan gelombang Ungu (tegangan pesawat terbang) menghasilkan 8 gelombang penuh. Secara matematis dapat diperoleh dengan persamaan (2.1) : T = 1 F = 1 = 0.02 untuk frekuensi pada Pln 50 T = 1 F = 1 = untuk frekuensi pada Pln 400 Perbandingan jumla gelombang = 0,02 0,0025 = 1: Beban R Murni Pada Sistem tegangan Rendah PLN Gambar 4. 4 menunjukkan rangkaian simulasi 220V/50Hz pada beban R murni.

7 46 Gambar v/50Hz pada beban R murni sumber 220V/50Hz di simulasikan dengan bedan R murni 2ohm, pada hasil simulasi di dapat bahwa arus dan tegangan saling bertindih atau sefasa, yang di tunjukan oleh gambar 4. 5 Gambar 4. 4 gambar tegangan dan gelombang pada beban R murni Beban R Murni Pada Sistem tegangan Pesawat Terbang pada tegangan 115V/400Hz di lakukan simulasi yang serupa, dan hasil nya tegangan dan frekuensi sepasa, ditunjukkan oleh gambar 4. 6

8 47 Gambar 4. 5 gambar tegangan(115v/50hz) dan arus pada beban R murni Beban RL pada Sistem tegangan Rendah PLN Gambar 4. 7 menunjukkan rangkaian simulasi 220V/50Hz pada beban RL Gambar 4. 6 Rangkaian Simulasi Beban RL pada 220V /50Hz Pada simulasi kali ini, sumber di berikan beban RL seri 2Ω dan 20mH, dan di dapat hasil gelombang :

9 48 Gambar 4. 7 Bentuk Tegangan Dan Arus Beban RL Pada Simulasi Pada 220V/50Hz pada hasil simulasi, jelas sekali terlihat bahwa arus (ungu) tertinggal selama detik atau 2 5 π dari tengangan (kuning). Induktansi 20mH mempuyai nilai tahanan XL yang dapat di peroleh dengan persamaan (2.6) : reaktansi Induktif xl = ωl = 2πfL xl = 2π x 50 x 20x10 3 = 6, 28Ω Impedansi dalam rangkaian ini, persamaan (2.8) : Z = R 2 + X L 2 Faktor Daya, persamaan (2.10) : Z = ,28 2 = 6, 6 Ω < 72,3 cosφ = R Z cosφ = 2 = 0, 3 6,6

10 Beban RL pada Sistem tegangan Pesawat Terbang Dan dilakukan lagi simulasi pada nilai beban yang sama untuk sumber tegangan 115V/400Hz. Gambar 4. 8 Rangkaian Simulasi Beban RL pada 115V /400Hz gambar 4. 9 menunjukkan rangkaian simulasi beban RL seri pada sumber tegangan 115V/400Hz, hasil simulasi di perlihatkan pada gambar Gambar 4. 9 Bentuk Tegangan Dan Arus Beban RL Pada Simulasi pada 115V/400Hz dari hasil simulasi dapat dilihat bahwa Arus tertinggal selama 0.6x10-3 detik atau 3 π dari tegangan nya, dan nilai induktasi 20mH pada simulasi dapat diketahui 5 dengan persamaan (2.6) :

11 50 reaktansi induktif : xl = ωl = 2πfL xl = 2π x 400 x 20x10 3 = 50,26Ω Impedansi dalam rangkaian ini,persamaan (2. 8) : Z = R X L Z = ,26 2 = 50,3 Ω < 87,72 Faktor daya, persamman (2. 10) : cosφ = R Z cosφ = 2 50,3 = 0.04 Pada simulasi ini terlihat bahwa dari nilai induktansi yang sama nilai XL yang dihasilkan berbeda, nilai XL jauh lebih besar pada frekuensi 400Hz dibandingkan dengan 50Hz, perbedaan arus yang tertinggal (lagging) juga terlihat berbeda. Pada 220/50Hz arus tertinggal 2 π dari tegangan sedangkan pada 115V/400Hz arus 5 tertinggal sejauh 3 π dari tegangan beban RLC pada Sistem tegangan Rendah PLN Pada simulasi kali ini, rangkaian RL diasumsikan sama dengan simulasi sebelumnya dan di tambahkan capasitansi seri. Tegangan Sumber 220V/50Hz disimulasikan dengan Beban RLC Seri seperti yang di tunjukkan gambar Gambar Rangkaian Simulasi Beban RLC pada 220V /50Hz

12 51 pada rangkian simulasi diberikan capasitor 500μF seri dengan beban R dan L,.gambar memperlihatkan bentuk tegangan dan Arus pada simulasi kali ini. Gambar beban R(2 ohm), L ( 20 mh ) dan C (500 µf) pada 220V/50Hz dapat dilihat bahwa arus yang tertinggal pada saaat beban RL kembali sefasa dengan Tegangan. Hal ini menunjukkan bahwa lagging pada beban RL dapat di koreksi oleh kapasitor. Dalam percobaan ini Nilai 500 µf mengoreksi 2 π, yang 5 menunjukkan arus pada kapasitor mendahului (leading) tegangan selama detik atau sekitar 2 π. Nilai-nilai pada simulasi dapat dihitung menggunakan persamaan : 5 Reaktansi induktif, persamaan (2.6): xl = ωl = 2πfL xl = 2π x 50 x 20x10 3 = 6,28Ω Reaktansi Kapasitif, persamaan (2.7) : Xc = 1 ωc 1 Xc = = 6,3Ω 2π x 50 x 500x10 6 Impedansi pada rangkaian ini (2.8) : Z = R 2 + (X L 2 X c 2 )

13 52 Z = (6,28 2 6,3 2 ) = 2,009 Ω < 0,57 Power faktor,persamman (2.10) : cosφ = R Z cosφ = 2 2,009 = 0, beban RLC pada Sistem Tegangan Pesawat Terbang Lalu dengan rangkaian dan nilai yang sama, sumber tengangan di ubah menjadi 115V/400Hz. Rangkaian dan Bentuk gelombang masing-masing di perlihatkan oleh gambar dan Gambar Rangkaian Simulasi Beban RLC pada 115V /400Hz Gambar beban R(2 ohm), L ( 20 mh ) dan C (500 µf) pada 115V/400Hz

14 53 dilihat dari simulasi terlihat arus kembali tertinggal dari tegangannya selama 0.6x10-3 detik,padahal pada tegangan Rendah PLN dengan nilai beban yang sama arus kembali sejajar dengan tegangan yang membuat faktor daya kembali mendekati 1. Untuk melihat nilai-nilai simulasi ini digunakan: Reaktansi induktif, Persamaan (2. 6) : Reaktansi Kapasitif, Persamaan (2. 7) : xl = ωl = 2πfL xl = 2π x 400 x 20x10 3 = 50,26 Ω Xc = 1 ωc 1 Xc = = 0,795Ω 2π x 400 x 500x10 6 Impedansi pada rangkaian ini, persamaan (2. 8) : Z = R 2 + (X L 2 X c 2 ) Power faktor, persamaan(2. 10) : Z = (50,26 2 0,795 2 ) = 49,50 < 87,68 cosφ = R Z cosφ = 2 49,5 = 0,04 Keseluruhan hasil simulasi dan perhitugan dapat dilihat pada tabel 4. 3 Tabel 4. 3 Ringksan Analisa Beban RLC Impedansi (Ohm) Faktor daya (Cos φ ) Sumber Beban R (2 ohm) Beban RL(10Ω,20 mh) Beban RLC(2Ω,20 mh,500μf) Beban R (10 ohm) Beban RL(10Ω,20 mh) Beban RLC(2Ω,20 mh,500μf) 220V/50Hz (PLN) 2 6,6 2, ,3 0, V/400Hz (Pesawat 2 50,3 49,50 1 0,004 0,04 Terbang)

15 54 Dari tabel dapat dilihat bahwa nilai impedansi pada sumber 115V/400Hz jauh lebih besar dari nilai impedansi pada sumber 200V/50Hz, dari hasil analisa diketahui bahwa nilai tegangan tidak mempengaruhi nilai impedansi suatu rangkaian beban, rangkaian impedansi suatu rangkaian di pengaruhi oleh frekuensi tegangan tersebut. Nilai impedansi akan mempengaruhi faktor daya pada suatu rangkian beban. Berikut adalah data pengkalkulasian nilai resistansi dan induktasi pada sistem tegangan PLN dan Pesawat Terbang yang di tunjukkan tabel 4. 4 Tabel 4. 4 pengaruh Frekuesi terhadap beban Pesawat terbang PLN (220V/50Hz) (115/400Hz) resistansi(ohm) induktansi(mh) impedansi Power Impedansi power (ohm) faktor (ohm) faktor Dari data pada tabel dapat ambil kesimpulan bahwa semakin besar frekuensi pada suatu sistem tenaga listrik maka akan semakin besar pula nilai impedansi nya, dan akan semakin kecil pula faktor daya nya.

16 PENGARUH TEGANGAN DAN FREKUESI TERHADAP FAKTOR KEAMANAN Tegangan sentuh langsung pada sistem tegangan rendah PLN (220V/50Hz) Untuk mengetahui besar arus yang mengalir didalam tubuh jika terjadi tegangan sentuh diperlukan rangkaian pengganti. Gambar Ilustrasi Tegangan Sentuh Langsung gambar adalah ilustrsi terjadi nyategangan sentuh langsung, perhitungan dilakukan pada simulas kasus ektrim dimana manusia memegang salah satu kabel fasa yang terkelupas dan kaki menyentuh rangka pesawat, dimana pada pesawat terbang seluruh rangka pesawat adalah ground. diketahui : Vs R UI R U2 R ki =220V/50Hz =0 ohm =0 ohm =1000 ohm Maka, dengan menggunakan persamaan (2. 11) : I k = V s I k = R KI + R UI + R U = 220mA

17 56 Dari nilai grafik pada Ik = 220mA manusia akan masuk dalam zona berbahanya dalam waktu 363 mili detik Gambar grafik karateristik tubu hmanusia terhadap arus Detail perhitungan karateristik tubuh manusia bisa dilihat pada halaman lampiran Tegangan sentuh langsung pada sistem Tegangan Pesawat Terbang (115V/400Hz) Sama seperti perhitungan sebelum nya,untuk mengetahui besar arus yang mengalir didalam tubuh jika terjadi tegangan sentuh diperlukan rangkaian pengganti.

18 57 Gambar Ilustrasi Tegangan Sentuh Langsung gambar adalah ilustrsi terjadi nya tegangan sentuh langsung, perhitungan dilakukan pada simulas kasus ektrim dimana manusia memegang salah satu kabel fasa yang terkelupas dan kaki menyentuh rangka peasawat, dimana pada pesawat terbang seluruh rangka pesawat adalah ground. Jika diketahui : Vs R UI R U2 R ki =115V/400Hz =0 ohm =0 ohm =1000 ohm Maka,dengan menggunakan persamaan (2. 11) : I k = V s I k = R KI + R UI + R U = 115mA Dari nilai grafik yang di perlihatkan pada gambar 4. 18, saat Ik =115mA manusia akan masuk dalam zona berbahanya dalam waktu 500 mili detik

19 58 Gambar grafik karateristik tubu hmanusia terhadap arus Detail perhitungan karateristik tubuh manusia bisa dilihat pada halaman lampiran