Teori Dasar Teknik Tenaga Listrik

Asosiasi Tenaga Listrik | Tulisan ini berkaitan dengan dasar-dasar pembelajaran listrik. Dasar-dasar pembelajaran listrik disini menjelaskan besaran listrik, komponen listrik, jenis pembangkit listrik, motor listrik, generator, medan magnet dan medan listrik, transformator serta impedansi dan sistem 3 fase. Dasar-dasar dari listrik ini berguna agar kita dapat mengetahui apa yang menjadi dasar pembelajaran listrik serta aplikasi-aplikasi yang bersangkutan dengan listrik.

Pendahuluan

Bersamaan dengan berkembangnya teknologi didunia, listrik pun menjadi kebutuhan pokok manusia untuk melakukan kegiatan sehari-hari. Istilah listrik yang sudah tidak asing lagi ditelinga kita, berikut akan diuraikan dalam kalimat yang sederhana agar lebih mudah dicerna, dimana terdapat beberapa pokok bahasan didalamnya. Pada dasarnya, energi listrik adalah salah satu bentuk energi yang paling banyak dimanfaatkan. Mulai dari penerangan di rumah maupun di jalan serta alat-alat elektronik yang ada dan mesin-mesin pabrik pun dijalankan menggunakan energi listrik. Maka, dapat dikatakan bahwa aktivitas sehari-hari sangat dipengaruhi oleh energi listrik. Apabila tidak terdapat energi listrik, tentu banyak sekali aktivitas yang tidak dapat dilakukan dalam kegelapan. Kita tidak dapat menyaksikan televisi, mendengarkan radio hingga membaca buku pun tidak dapat dilakukan dengan sempurna. Begitu pentingnya energi listrik dalam kehidupan kita menyebabkan kita bertanya lebih jauh tentang listrik. Kali ini akan dibahas beberapa materi listrik yang dapat membawa kita agar cukup mengenal dasar-dasar dari listrik.

Sistem Tenaga Listrik

Teknik tenaga listrik adalah ilmu yang mempelajari bentuk tenaga yang dapat dikirim dari satu tempat ke tempat lain dengan mudah. Dalam pembelajaran teknik tenaga listrik akan dijelaskan jenis-jenis pembangkit tenaga listrik, yaitu:

1. PLTU (Pusat Listrik Tenaga Uap), PLTU memanfaatkan minyak, gas alam sebagai bahan bakar untuk membangkitkan panas dan uap pada boiler. Uap akan memutar turbin dengan sebuah generator. Uap dalam turbin dilewatkan melalui kondenser yang menyerap panas uap sehingga uap berubah menjadi air yang dalam proses selanjutnya akan dipompakan kembali menuju boiler. 
2. PLTG (Pusat Listrik Tenaga Gas), PLTG adalah mesin melalui proses pembakaran dalam dengan Bahan bakar berupa minyak atau gas alam dibakar dalam ruang pembakar. Udara yang masuk kedalam kompresor setelah mengalami tekanan dengan bahan bakar kemudian disemprotkan ke ruang bakar untuk melakukan proses pembakaran. Gas yang dihasilkan oleh pembakaran ini kemudian memutar roda turbin dengan generator.
3. PLTN (Pusat Listrik Tenaga Nuklir), ada reaktor air tekan terdapat dua rangkaian yang seakan-akan terpisah. Rangkaian pertama tersusun dalam pipa berkelompok yang berguna untuk menghasilkan panas dalam reaktor. Kemudian tidak terjadi pembentukan uap karena air dalam bejana penuh dan air menjadi panas dan bertekanan. Air tersebut mengalir ke rangkaian kedua melalui suatu generator uap. Generator uap kemudian menghasilkan uap dan memutar turbin lalu mengikuti siklus tertutup. 

Elemen Sistem Tenaga

Adalah elemen yang mengirimkan energi dalam bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit, sumberdaya energi primer seperti minyak, gas alam, dan batubara, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik oleh generator. Generator Adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Pada generator, kumparan tegak lurus dengan medan magnet dan sikat karbon akan bersentuhan dengan ujung-ujung kumparan secara bergantian. Kemudian, dari generator dihasilkan suatu tegangan searah. Kebalikan dari generator adalah motor listrik yaitu mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.[1]

Motor Listrik adalah alat dimana arus bolak-balik disalurkan ke kumparan. Kumparan yang dialiri arus listrik ini akan berputar dalam medan magnet, karena terdapat gaya Lorentz dalam kumparan. Perputaran kumparan tersebut menyebabkan timbulnya GGL induksi atau yang biasa disebut dengan GGL balik. Dan bila motor listrik berputar semakin cepat maka tegangan balik akan semakin besar.[2]

Macam-macam motor listrik:

1. Motor DC Shunt;
2. Motor DC Seri dan; 
3. Motor DC Kompond Pendek.

Besaran-besaran listrik, Komponen Listrik, dan Hukum Ohm:

Besaran Listrik

• Tegangan, Adalah beda potensial listrik yang didapat dari satu titik ke titik lainnya dalam rangkaian listrik. Tegangan memiliki satuan Volt (v) dengan lambang V, E.
• Arus Adalah banyaknya muatan listrik yang mengalir persatuan waktu. Arus memiliki satuan ampere dengan lambang I, i. Rumus yang digunakan adalah : I = Q / t.  Keterangan: I = Arus Listrik (Ampere), Q = Muatan (Coulomb) t = waktu (sekon). Arus di bagi menjadi dua yaitu : Arus searah (DC /direct current) : arah arus yang mempunyai nilai tetap terhadap satuan waktu .dimana pun kita meninjau arus tersebut pada waktu yang berbeda hasilnya akan tetap sama. dan  Arus bolak balik (alternating current/AC) : arah arus yang berubah nilainya tidak tetap terhadap satuan waktu .dengan karakteristik yang berulang dalam periode waktu yang tertentu.
• Muatan, Muatan memiliki satuan coulomb (c) dan lambang Q. Besar muatan dasar adalah 6.24 x 1018.

Komponen Listrik

Komponen listrik dibagi menjadi 2:

• Menyerap energi, Jika arus positif meninggalkan terminal positif menuju terminal elemen/komponen, atau arus positif menuju terminal positif elemen/komponen tersebut.
• Mengirim energi, ika arus positif masuk terminal positif dari terminal elemen/komponen, atau arus positif meninggalkan terminal positif elemen/komponen.

Yang termasuk dalam komponen listrik adalah:

• Hambatan, Adalah perbandingan tegangan listrik dengan arus listrik yang mengalir. Hambatan memiliki satuan Ohm dan lambang R. Rumus yang digunakan adalah:

R = V / I

Keterangan: 

R = Hambatan

V = Tegangan

I = Arus

• Kapasitansi,  Adalah banyaknya muatan listrik dalam besaran kapasitas yang memiliki satuan farad (F) dan lambang C. Dimana 1 farad = 1 coulomb per volt.

• Induktansi, Adalah hubungan antara perubahan fluks magnetik dengan arus listrik. Kemampuan induktor menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dengan satuan Henry (H). Induktor adalah salah satu komponen listrik yang berguna dalam suatu rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah.

Hukum Ohm

Bunyinya:

“Kuat arus yang mengalir melalui suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar, asalakan suhu penghantar tersebut tidak berubah”.[11]

Rumus yang biasa digunakan adalah:

V = I . R

Keterangan:

V = Beda potensial (volt)

I = Kuat Arus (Ampere)

R = Hambatan (Ohm)

P = V . I

Keterangan:

P = Daya (watt)

V = Tegangan (volt)

I = Arus (ampere)

Medan Magnet Dan Medan Listrik

Medan magnet adalah ruang di sekitar benda magnet sehingga bila suatu benda atau magnet lain berada dalam ruang tersebut akan mengalami gaya magnetic. Medan magnet dapat ditimbulkan oleh muatan yang bergerak atau kawat penghantar berarus listrik. Sedangkan, medan listrik adalah ruang di sekitar muatan listrik yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Seperti halnya pada medan listrik, prinsip superposisi berlaku pula pada medan magnet, dimana total medan magnet yang disebabkan oleh beberapa muatan yang bergerak merupakan penjumlahan vektor medan magnet yang disebabkan oleh masing-masing muatan. Hukum Ampere dapat digunakan untuk menentukan besar medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik pada berbagai jenis bentuk penghantar.[12]

Hukum Maxwell berbunyi:

"Oleh karena perubahan medan magnet dapat menimbulkan medan listrik,sebaliknya perubahan medan listrik dapat menimbulkan perubahan medan magnet"

Transformator

Transformator asal kata dari trafo yaitu alat listrik yang mengubah energi listrik dari satu atau beberapa rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya dengan menggunakan gandengan magnet ataupun prinsip induksi elektromagnetik.[13]

KEGUNAAN TRAFO:

1. Gandengan impedansi antara sumber dengan beban;
2. Menghambat arus searah dan;
3. Menaikkan dan menurunkan tegangan AC.

Dalam bidang tenaga listrik trafo dikelompokkan menjadi 3, yakni:

• Trafo daya, Untuk menaikkan tegangan listrik sampai beratus-ratus ribu volt.
• Trafo distribusi
• Trafo pengukuran, Yaitu trafo arus dan tegangan.

TRAFO TANPA BEBAN.

Trafo tanpa beban terjadi jika kumparan sekunder dalam keadaan terbuka. Pada keadaan tersebutlah, arus yang mengalir pada kumparan primer sangat kecil atau yang disebut dengan arus tanpa beban. Dimana arus tersebut terdiri dari arus pemagnet dan arus tembaga. 

SAMBUNGAN TRAFO SERI DAN PARAREL. 

Terkadang saat menggunakan trafo, terdapat trafo yang tidak dapat membawa arus dan teganagn beban yang digunakan. Maka, dalam mengatasi hal tersebut digunakan dua atu beberapa trafo yang tersambung ser ataupu pararel. 

RUGI-RUGI TRAFO.

Rugi daya trafo adalah rugi besi dan rugi tembaga yang terdapat dalam kumparan primer maupun sekunder. Mengatasi rugi besi adalah dengan mengambil inti besi yang penampangnya cukup besar agar fluks magnet dapat dengan mudah mengalir. Mengatasi rugi tembaga adalah dengan mengambil kawat tembaga yang penampangnya cukup besar untuk mengalirkan arus listrik yang diperlukan. 

Efesiensi Trafo adalah perbandingan antara daya output dengan daya input.

TRANSFORMATOR 3 FASE.

Ada 4 macam sambungan pada trafo 3 fase, yaitu:

a. Sambungan bintang dengan bintang. 

Rumus yang digunakan adalah:

VL = √3 . Vph

IL = Iph

Keterangan:

Masing-masing tegangan fase berbeda 120°.

b. Sambungan delta dengan delta. 

Rumus yang digunakan adalah:

IL = √3 . Iph

VL = Vph

c. Sambungan bintang dengan delta. 

Rumus yang digunakan adalah:

V = Vprimer / Vsekunder. √3

Contoh:

Tegangan fase primer 220 volt dan tegangan fase sekunder 110 volt maka, besar transformasi tegangan trafo adalah…

Jawab:

V = Vprimer / Vsekunder. √3

V = 220 / (110 . √3)

V = 1,15 Volt

d. Sambungan delta dengan bintang.

Terdapat hubungan arus dan tegangan pada sambungan delta dan bintang. 

Tegangan kumparan bintang = V √3

Arus kumparan bintang = I

Tegangan kumparan delta = V

Arus kumparan delta = I √3

Rangkaian Listrik

Rangkaian listrik adalah suatu komponen yang dihubungkan dengan cara tertentu dan paling sedikitnya mempunyai satu lintasan tertutup.di dalam rangkaian listrik dapat di kelompokan menjadi dua komponen aktif dan pasif,komponen aktif adalah komponen yang menghasilkan energi sedangkan komponen pasif adalah komponen yang tidak menghasilkan energi. Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atau fundamental bagi ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, sistem komputer, putaran mesin, dan teori kontrol.

Pada arus bolak balik, nilai arus dan tegangan dikatakan sefase bila nilai-nilai tersebut mencapai nilai maksimum pada saat yang bersamaan dan mencapai nilai miimum juga pada saat yang bersamaan. Altenator merupakan generator yang menghasilkan tegangan AC. Sebelumnya telah diperlihatkan bahwa ggl yang dihasilkan oleh sebuah generator memiliki persamaan V= Vm sin ωt. Dalam hal ini, arus bolak balik yang akan kita pelajari adalah arus bolak balik yang berubah terhadap waktu secara sinusoidal. Dimana, arus dan tegangan sesaat suatu bentuk sinusoid dalam suatu periode waktu dapat dijelaskan dengan persamaan:

I (t) = Im cos (ωt + Φ)

V (t) = Vm cos (ωt)

Keuntungan dari gelombang sinus adalah gejala alam dapat digambarkan sebagai gelombang sinus, arus dan tegangan dalam pembangkitan tenaga listrik berbentuk sinus, serta semua gelombang periodic dengan syarat tertentu dapat diuraikan kedalam penjumlahan gelombang sinus dengan frekuensi bermacam-macam. 

Impedansi. 

Adalah hubungan arus dan tegangan melalui kapasitor, induktor dan hambatan. Hubungan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

V = I . Z

Dimana, dalam impedansi V berbanding terbalik dengan I, dan nilai impedansi berubah-ubah bergantung pada frekuensi signal. 

Faktor daya rata-rata dalam fasor. 

Diagram fasor adalah diagram yang menggambarkan vector rotasi. Sedangkan fasor sendiri adalah tegangan yang melewati masing-masing elemen tersebut kita nyatakan dengan vector rotasi. 

Daya sesaat: P = V . i

Daya rata-rata: P = I/T integral p(t) dt

Keterangan:

T = Periode

Sistem Tiga Fasa

Pada sistem tenaga listrik 3 fase, idealnya daya listrik yang dibangkitkan, disalurkan dan diserap oleh beban semuanya seimbang, P pembangkitan = P pemakain, dan juga pada tegangan yang seimbang. Pada tegangan yang seimbang terdiri dari tegangan 1 fase yang mempunyai magnitude dan frekuensi yang sama tetapi antara 1 fase dengan yang lainnya mempunyai beda fase sebesar 120°listrik, sedangkan secara fisik mempunyai perbedaan sebesar 60°, dan dapat dihubungkan secara bintang (Y, wye) atau segitiga (delta, Δ, D).

Hubungan segitiga dengan bintang.

contoh: jika dari suatu gambar diketahui suatu tegangan Vrs adalah 380, dan R1 dan R2 adalah 60 dan I adalah 3,67 maka, besar daya ketika salah satu kawat fase terputus dan daya keseluruhan adalah?

jawab

p = Vrs . I

= Vrs . Vrs / (R1+R2)

= 380 . 380 / (60+60)

= 144400/120

= 1203,33 watt

P = 3 . Vrs/√3 . I

= 3 . 380/√3 . 3,67

= 380 . √3 . 3,67

= 2415,59 watt

hubungan bintang, ujung-ujung tiap fase dihubungkan menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang. Tegangan antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar magnitude dan beda fasa yang berbeda dengan tegangan tiap terminal terhadapa titik netral. Tegangan Va, Vb dan Vc disebut tegangan “fase” atau Vf.

hubungan segitiga (delta, Δ, D) ketiga fase saling dihubungkan sehingga membentuk hubungan segitiga 3 fase. Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran dihitung antar fase, karena tegangan saluran dan tegangan fasa mempunyai besar magnitude yang sama, maka:

Vline=Vfase

Tetapi arus saluran dan arus fasa tidak sama dan hubungan antara kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum kirchoff, sehingga:

Iline = akar 3

Ifase=1,73Ifase

Jumlah daya yang diberikan oleh suatu generator 3 fase atau daya yang diserap oleh beban 3 fase, diperoleh dengan menjumlahkan daya dari tiap-tiap fase. Pada sistem yang seimbang, daya total tersebut sama dengan tiga kali daya fase, karena daya pada tiap-tiap fasenya sama.

Sifat terpenting dari pembebanan yang seimbang adalah jumlah phasor dari ketiga tegangan adalah sama dengan nol, begitupula dengan jumlah phasor dari arus pada ketiga fase juga sama dengan nol. Jika impedansi beban dari ketiga fase tidak sama, maka jumlah phasor dan arus netralnya (In) tidak sama dengan nol dan beban dikatakan tidak seimbang. Ketidakseimbangan beban ini dapat saja terjadi karena hubung singkat atau hubung terbuka pada beban. 

Dalam sistem 3 fase ada 2 jenis ketidakseimbangan,yaitu:

1. Ketidakseimbangan pada beban.
2. Ketidakseimbangan pada sumber listrik (sumber daya).

Kombinasi dari kedua ketidakseimbangan sangatlah rumit untuk mencari pemecahan permasalahannya, oleh karena itu kami hanya akan membahas mengenai ketidakseimbangan beban dengan sumber listrik yang seimbang. Pada saat terjadi gangguan, saluran netral pada hubungan bintang akan teraliri arus listrik. Ketidakseimbangan beban pada sistem 3 fase dapat diketahui dengan indikasi naiknya arus pada salahsatu fase dengan tidak wajar, arus pada tiap fase mempunyai perbedaan yang cukup signifikan, hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan.

Kesimpulan

Dapat mengetahui besaran-besaran dan komponen-komponen listrik, jenis pembangkit listrik yang terdiri dari PLTU, PLTG, dan PLTN, motor listrik dan generator yang memilki fungsi berkebalikan yaitu motor listrik mengubah energi listrik ke mekanik dan generator adalah kebalikannya. Medan magnet adalah yang terdapat disektar benda magnet dan medan listrik yang disekitar muatan listrik. transformator dari kata dasar trafo yang merambat arus searah menaikturunkan tegangan AC serta menjelaskan hubungan impedansi dan sistem 3 fase bintang dan segitiga.