Daya dalam rangkaian arus bolak balik

18 01 2010

Daya resistif dan reaktif dalam rangkaian arus bolak balik

Tenaga listrik mempunyai kedudukan yang vital dalam kehidupan masyarakat karena menyangkut hajat hidup orang banyak, tenaga listrik sebagai hasil pengolahan sumber daya energi mempunyai fungsi vital sebagai sarana penghidupan dan prasarana pembangunan sosial ekonomi.

Dalam artikel ini akan dibahas hal yang sangat penting tentang komponen dasar kelistrikan dan pengaruhnya terhadap daya listrik. Pengelolaan, perawatan serta pengembangan kelistrikan harus mengikuti kaidah-kaidah yang ada agar tercapai maksud dan tujuan dari pemanfaatan energi tersebut sehingga energi tersebut tidak berbalik memanfaatkan lingkungannya, oleh karena itu pemahaman dan pengetahuan tentang ketenaga listrikan mutlak diperlukan agar rugi-rugi dapat ditekan sekecil mungkin agar nilai keekonomiannya berimbang.

Didalam sebuah rangkaian listrik arus bolak-balik (alternating current, ac) satu phasa, sumber tegangan 220 Volt, 50 Hz dengan beban resistif akan mendisipasi daya seperti yang diperlihatkan oleh Gbr.1  di bawah ini:

gbr1formula1

Dalam contoh ini, arus yang mengalir ke beban resistif murni sebesar 4,4 Ampere kuadrat arus(rms), Irms. Disipasi daya pada beban akan menjadi 968 Watt. Karena beban resistif murni (tidak ada reaktansi), arus dalam rangkaian memiliki phasa yang sama dengan tegangan dan dalam perhitungan tampak seperti setara rangkaian arus searah(direct current, dc).

Jika kita plot bentuk gelombang arus, tegangan dan daya pada rangkaian ini, akan terlihat seperti dalam Gbr.2 di bawah ini. Dalam Gbr.2 tampak bahwa bentuk gelombang daya akan selalu positif dan tak pernah negatif untuk rangkaian resistif. Ini artinya bahwa selalu terjadi disipasi daya pada beban resistif, dan tidak pernah kembali ke sumber seperti halnya dengan beban reaktif.

Jika sumber adalah generator mekanik, rangkaian ini akan menyerap sebanyak 968 watt energi mekanik atau sekitar 1,3 kali tenaga kuda (1,3 PK) untuk memutar poros.
Juga tampak bahwa gelombang daya tidak pada frekuensi yang sama terhadap gelombang tegangan ataupun arus tapi sebaliknya, frekuensi daya dua kali lipat dari bentuk gelombang tegangan atau arus.

gbr2

Frekuensi yang berbeda ini menyebabkan kita tak dapat menyatakan daya dengan menggunakan notasi komplex (rectangular atau polar) seperti halnya yang digunakan pada notasi tegangan, arus dan impedansi karena bentuk ini menyiratkan simbolisme matematika hubungan phasa yang tidak berubah.

Ketika frekuensi tidak sama, maka hubungan phasa perubahan terus-menerus sehingga cara terbaik untuk melanjutkan perhitungan listrik arus bolak-balik adalah dengan menggunakan notasi skalar dan untuk menangani hubungan phasa yang relevan adalah dengan menggunakan notasi trigonometri.

Sebagai perbandingan, mari kita perhatikan sebuah rangkaian arus bolak-balik sederhana dengan beban reaktif murni seperti pada Gbr.3 di bawah ini. Jika di plot bentuk gelombang dari arus, tegangan dan daya dari rangkaian tersebut akan terlihat seperti dalam Gbr.4 di bawah ini. Perhatikan bahwa daya berubah secara seimbang antara siklus positif dan negatif.

Isyarat ini menyatakan bahwa daya sedang bergantian di serap dari dan kembali ke sumbernya. Jika sumber adalah generator mekanik, hampir tidak ada energy yang terserap dari jaringan mekanik untuk memutar poros, karena tidak ada daya yang digunakan oleh beban. Poros generator akan mudah berputar, dan induktor tidak menjadi panas sebagaiman sebuah resistor.

gbr3

Sekarang, mari kita asumsikan rangkaian arus bolak-balik dengan beban yang terdiri dari induktansi dan resistansi seperti diperlihatkan pada Gbr.5 di bawah ini:

Pada frekuensi 50 Hz, induktansi 150 mH memberikan reaktansi induktif sebesar 47,145 Ω. Reaktansi induktif ini bergabung dengan resistif 50 Ω, membentuk impedansi beban total 50 + j47,145 Ω, atau 68,722 Ω ∠ 43,315o.

Jika kita mengabaikan sudut phasa, kita dapat menghitung arus yang mengalir di dalam rangkaian tersebut dengan mengambil besaran polar dari sumber tegangan 220 Volt dan membaginya dengan besaran polar impedansi 68,722 Ω. Dengan tegangan listrik 220 Volt rms, beban saat ini adalah sebesar 3,201 A.

gbr4

Besaran ini akan diindikasikan oleh sebuah ampere meter rms jika dihubungkan secara seri dengan resistor dan induktor. Kita telah ketahui bahwa komponen reaktif tidak mendisipasi daya, karena komponen ini sama-sama menyerap daya dari dan kembali ke sumber daya pada seluruh rangkaian. Oleh karena itu, setiap beban reaktansi induktif juga tidak mendisipasi daya. Satu-satunya komponen yang mendisipasi daya di sini adalah bagian beban impedansi resistif.

Jika kita perhatikan plot dari bentuk gelombang tegangan, arus dan daya total pada rangkaian ini dapat diketahui bagaimana kombinasi ini bekerja, seperti tampak pada Gbr.6 di bawah ini.

Seperti halnya sirkuit reaktif, perubahan bentuk gelombang daya antara positif dan negative merupakan nilai sesaat terhadap waktu. Dalam sebuah rangkaian reaktif murni perubahan antara daya positif dan daya negatif terbagi sama besar, mengakibatkan disipasi daya bersih adalah nol. Disipasi daya hampir tidak terjadi pada reaktansi akan tetapi tidak demikian pada resistif. Namun di sirkuit dengan resistansi dan reaktansi campuran seperti Gbr.5, bentuk gelombang daya akan tetap berubah antara positif dan negatif, akan tetapi besar daya positif akan melebihi besarnya daya negatif. Dengan kata lain, kombinasi beban induktif dengan beban resistif akan mengkonsumsi lebih banyak daya dari pada daya yang kembali ke sumbernya.

gbr6

Pada plot bentuk gelombang daya, tampak bahwa gelombang di sisi positif lebih besar dari pada di sisi negatif, ini menunjukkan bahwa ada daya yang terserap lebih oleh beban dari pada yang kembali ke rangkaian. Adapun daya yang kembali kerangkaian tersebut terjadi karena adanya reaktansi induktif, ketidak seimbangan gelombang daya positif terhadap negatif ini disebabkan oleh resistensi yang menghamburkan daya keluar dari rangkaian dan biasanya dalam bentuk panas. Jika sumber daya adalah generator mekanik maka jumlah energi mekanik yang diperlukan untuk memutar poros akan menjadi jumlah daya rata-rata antara siklus daya positif dan siklus daya negatif.

Secara matematis yang mewakili daya dalam rangkaian arus bolak-balik menjadi sebuah pekerjaan yang menarik, karena gelombang daya tidak pada frekuensi yang sama terhadap tegangan atau arus. Selanjutnya, sudut phasa daya sangat berbeda dari sudut phasa tegangan ataupun arus, sedangkan sudut phasa tegangan atau arus diwakili oleh  pergeseran waktu relative antara dua gelombang, sudut phasa daya merupakan rasio antara disipasi daya yang dihamburkan terhadap daya yang kembali ke sumber.

Karena menggunakan cara yang berbeda dalam menentukan daya, tegangan atau arus  dalam rangkaian listrik arus bolak-balik, hal ini sesungguhnya untuk lebih memudahkan dalam menghitung besaran daya dari angka-angka kuantitas scalar dari tegangan, arus, hambatan dan reaktansi dari pada mencoba menurunkannya dari vektor atau bilangan kompleks dari tegangan, arus dan impedansi.

Kesimpulan:

Dalam rangkaian resistif murni, semua daya dalam rangkaian didisipasikan oleh resistor.  Tegangan dan arus dalam phasa yang sama. Dalam rangkaian reaktif murni, tidak ada daya dalam rangkaian yang didisipasikan oleh beban. Sebaliknya, daya bergantian diserap dari dan kembali ke sumber. Tegangan dan arus berbeda phasa sebesar 90o antara satu sama lain.

Dalam sebuah rangkaian yang terdiri dari impedansi campuran, resistansi dan reaktansi, akan ada lebih banyak daya yang dihamburkan oleh beban dibandingkan yang kembali ke sumber, tetapi beberapa daya pasti akan dihamburkan dan beberapa hanya akan diserap dan dikembalikan. Tegangan dan arus dalam rangkaian tersebut akan berbeda phasa antara 0o dan 90o.

About these ads

Actions

Information

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s




Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: