1. TUJUAN PERCOBAAN 1. Mahasiswa dapat menentukan daya aktif dari beban RESISTIF, INDUKTIF, dan KAPASITIF 2. Mahasiswa dapat menentukan faktor daya dan faktor daya reaktif 3. Mahasiswa dapat menggambarkan ketiga komponen daya atau SEGITIGA DAYA 4. Mahasiswa dapat Menggambarkan vektor arus dan tegangan 2. DASAR TEORI Dalam kehidupan sehari-hari kita jumpai alat-alat seperti dinamo sepeda dan generator. Kedua alat tersebut merupakan sumber arus dan tegangan listrik bolak-balik. Arus bolak-balik atau alternating current (AC) adalah arus dan tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam dua arah. Arus bolakbalik (AC) digunakan secara luas untuk penerangan maupun peralatan elektronik. Dalam bab ini kita akan membahas mengenai hambatan, induktor, dan kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik. Rangkaian Arus Bolak Balik Sumber arus bolak-balik adalah generator arus bolak-balik yang prinsip kerjanya pada perputaran kumparan dengan kecepatan sudut ω yang berada di dalam medan magnetik. Sumber ggl bolak-balik tersebut akan menghasilkan tegangan sinusoida berfrekuensi f. Dalam suatu rangkaian listrik, simbol untuk sebuah sumber tegangan gerak elektrik bolak-balik adalah: Tegangan sinusoida dapat dituliskan dalam bentuk persamaan tegangan sebagai fungsi waktu, yaitu:
V = Vm.sin 2π.f.t... (1) Tegangan yang dihasilkan oleh suatu generator listrik berbentuk sinusoida. Dengan demikian, arus yang dihasilkan juga sinusoida yang mengikuti persamaan: I = Im.sin 2π.f.t... (2) dengan Im adalah arus puncak dan t adalah waktu. Untuk menyatakan perubahan yang dialami arus dan tegangan secara sinusoida, dapat dilakukan dengan menggunakan sebuah diagram vektor yang berotasi, yang disebut diagram fasor. Istilah fasor menyatakan vektor berputar yang mewakili besaran yang berubah-ubah secara sinusoida. Panjang vektor menunjukkan amplitudo besaran, dan vektor ini dibayangkan berputar dengan kecepatan sudut yang besarnya sama dengan frekuensi sudut besaran. Sehingga, nilai sesaat besaran ditunjukkan oleh proyeksinya pada sumbu tetap. Cara ini baik sekali untuk menunjukkan sudut fase antara dua besaran. Sudut fase ini ditampilkan pada sebuah diagram sebagai sudut antara fasor-fasornya. Beban Resistif Beban resistif adalah beban listrik pada rangkaian listrik AC, yang diakibatkan oleh peralatan listrik dengan sifat resistif murni, sehingga beban tersebut tidak mengakibatkan pergeseran fasa arus maupun tegangan listrik jaringan.
Beban resistif dihasilkan oleh alat-alat listrik yang bersifat murni tahanan (resistor) seperti pada elemen pemanas dan lampu pijar. Beban resistif ini memiliki sifat yang "pasif", dimana ia tidak mampu memproduksi energi listrik, dan justru menjadi konsumen energi listrik. Resistor bersifat menghalangi aliran elektron yang melewatinya (dengan jalan menurunkan tegangan listrik yang mengalir), sehingga mengakibatkan terkonversinya energi listrik menjadi panas. Dengan sifat demikian, resistor tidak akan merubah sifat-sifat listrik AC yang mengalirinya. Gelombang arus dan tegangan listrik yang melewati resistor akan selalu bersamaan membentuk bukit dan lembah. Dengan kata lain, beban resistif tidak akan menggeser posisi gelombang arus maupun tegangan listrik AC. Gelombang Sinusoidal Beban Resistif Listrik AC Nampak pada grafik di atas, karena gelombang tegangan dan arus listrik berada pada fase yang sama maka nilai dari daya listrik akan selalu positif. Inilah mengapa beban resistif murni akan selalu ditopang oleh 100% daya nyata.
Beban Induktif Beban induktif diciptakan oleh lilitan kawat (kumparan) yang terdapat di berbagai alat-alat listrik seperti motor, trafo, dan relay. Kumparan dibutuhkan oleh alat-alat listrik tersebut untuk menciptakan medan magnet sebagai komponen kerjanya. Pembangkitan medan magnet pada kumparan inilah yang menjadi beban induktif pada rangkaian arus listrik AC. Untuk memudahkan diskusi kita, mari kita ambil contoh sebuah motor induksi AC untuk membahas beban induktif ini. Motor induksi bekerja dengan mengandalkan medan magnet yang dibangkitkan pada sisi stator untuk menginduksi rotor, sehingga pada rotor tercipta medan magnet lawan yang akan mengikuti medan magnet berputar pada sisi stator (simak pembahasan lengkapnya pada artikel Macam-Macam Motor Listrik AC). Beban untuk membangkitkan medan magnet putar pada stator motor induksi tersebut, tentu membutuhkan energi listrik khusus. Beban induktif pada motor induksi inilah yang ditanggung oleh daya reaktif sumber listrik AC. Sedangkan daya listrik yang dibutuhkan motor induksi tersebut untuk memutar beban yang terkopling pada porosnya, disebut dengan daya nyata. Jumlah resultan daya reaktif dan daya nyata disebut sebagai daya semu.
Rangkaian Listrik AC Dengan Beban Induktif Kumparan memiliki sifat untuk menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa listrik AC memiliki nilai arus yang naik turun membentuk gelombang sinusoidal. Perubahan arus listrik yang naik turun inilah yang dihalangi oleh komponen kumparan di dalam sebuah rangkaian listrik AC. Terhalangnya perubahan arus listrik ini mengakibatkan arus listrik menjadi tertinggal beberapa derajat oleh tegangan listrik pada grafik sinusoidal arus dan tegangan listrik AC. Gelombang Listrik AC dengan Beban Induktif Murni Nampak pada gelombang sinusoidal listrik AC di atas, bahwa jika sebuah sumber listrik AC diberi beban induktif murni, maka gelombang arus listrik akan tertinggal sejauh 90 oleh gelombang tegangan. Atas dasar inilah beban induktif dikenal dengan istilah beban lagging (arus tertinggal tegangan). Nampak pula bahwa dikarenakan pergeseran gelombang arus listrik di atas, maka nilai daya listrik menjadi bergelombang sinusoidal. Pada seperempat gelombang pertama daya diserap oleh beban induktif, namun pada seperempat gelombang kedua daya dikembalikan lagi ke sumber listrik AC. Hal ini menunjukkan bahwa beban induktif murni tidak meng-"konsumsi" daya nyata sedikitpun, beban induktif murni hanya memakai daya reaktif saja.
Beban Kapasitif Beban kapasitif merupakan kebalikan dari beban induktif. Jika beban induktif menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik AC, maka beban kapasitif bersifat menghalangi terjadinya perubahan nilai tegangan listrik. Sifat ini menunjukkan bahwa kapasitor bersifat seakan-akan menyimpan tegangan listrik sesaat. Rangkaian Listrik AC dengan Beban Kapasitif Gambar di atas merupakan ilustrasi rangkaian listrik AC dengan beban kapasitor murni. Mendapatkan supply tegangan AC naik dan turun, maka kapasitor akan menyimpan dan melepaskan tegangan listrik sesuai dengan perubahan tegangan masuknya. Fenomena inilah yang mengakibatkan gelombang arus AC akan mendahului (leading) tegangannya sejauh 90.
Gelombang Listrik AC dengan Beban Kapasitif Murni Gambar di atas adalah gelombang sinusoidal tegangan dan arus listrik AC pada beban kapasitor murni. Nampak jika kita plot daya listrik yang dibutuhkan untuk menanggung beban kapasitor juga berbentuk sinusoidal. Daya listrik bernilai positif (daya diserap kapasitor) pada setengah pertama gelombang sinusoidal daya, serta negatif (daya dikeluarkan kapasitor) pada setengah gelombang kedua Faktor Daya Faktor daya listrik adalah perbandingan antara daya aktif dengan daya buta, atau dapat dirumuskan sebagai berikut : dimana : P = daya aktif dalam KW S = daya buta dalam KVA
Umumnyaa faktor daya listrik ini disebut juga coshinus phi. ( cos φ ). Beberapa istilah listrik yang perlu diketahui yang erat kaitannya dengan faktor daya listrik antara lain : Daya aktif ( P ) : adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik melalui hambatan / resistor seperti lampu pijar, elemen pemanas atau heater. Daya ini dipergunakan untuk melakukan kerja atau dengan kata lain daya yang benar-benar digunakan sesuai dengan kebutuhan tenaga listrik. Satuan dari daya aktif ini adalah Watt atau kilo Watt. Daya reaktif ( Q ) a. Daya reaktif induktif : adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik melalui kumparankumparan kawat seperti pada motor-motor listrik, transformer, balast pada lampu neon dll. b. Daya reaktif kapasitif : adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik pada sebuah kapasitor. Satuan dari daya reaktif ini adalah volt ampere reaktif ( VAR ) atau kilo volt ampere reaktif (KVAR). segitiga daya.
Hubungan antara ketiga daya listrik tersebut, secara matematika dapat dinyatakan sebagai berikut : 3. DAFTAR PERALATAN No Nama Jumlah 1 Variac (autotrafo) 0-220 volt 1 buah 2 Beban resistif, lampu pijar 100 watt/220 volt 1 buah 3 Beban kapasitif, kapasitor 3,25 uf atau 4,5 uf 1 buah 4 Amperemeter 1 Buah 5 Voltmeter 1 Buah 6 Wattmeter 1 buah 7 Switch 220 V 1 buah 8 Kabel penghubung secukupnya
GAMBAR RANGKAIAN A W S220V V 4. LANGKAH KERJA 1. Buat rangkaian seperti gambar di atas (autotrafo pada posisi 0). Gunakan beban resistif R (lampu pijar). Lakukan pengukuran secara bertahap sampai tegangan nominal 220 Volt. Catat hasil pengukuran pada tabel 1. 2. Ganti beban dengan beban induktif L. Catat hasil pengukuran pada tabel 2. 3. Ganti beban dengan beban kapasitif C. Catat hasil pengukuran pada tabel 3. 4. Ulangi percobaan dengan beban campuran R//L; R//C; L//C dan R//L//C secara bergantian. Catat hasil pengukuran pada tabel 4.
DATA HASIL PERCOBAAN Tabel 1 No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ Sifat Beban Jenis Beban 1. 20 2. 50 3. 100 4. 150 5. 220 Tabel 2 No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ 1. 20 2. 50 3. 100 4. 150 5. 220 Sifat Beban Jenis Beban
Tabel 3 No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ 1. 20 2. 50 3. 100 4. 150 5. 220 Sifat Beban Jenis Beban Tabel 4 No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ 1. 50 2. 150 3. 50 4. 150 5. 50 6. 150 7. 50 8. 150 Sifat Beban Jenis Beban
7. TUGAS 1. Analisis hasil percobaan untuk langkah kerja 1,2 dan 3. 2. Bagaimana sifat beban campuran L//C? Jelaskan. 3. Buatlah segitiga daya berdasarkan data R//L; R//C; dan R//L//C di kertas grafik dan beri penjelasan. 4. Gambarkan vektor tegangan dan arus saat 220 Volt. 5. Buat kesimpulan untuk setiap percobaan.