Daya Listrik Arus Bolak-Balik
A. Pengertian Daya Listrik
Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik. Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan Hukum Joule, sesuai nama fisikawan Britania James Joule, yang pertama kali menunjukkan bahwa energi listrik dapat berubah menjadi energi mekanik, dan sebaliknya.Misalkan suatu potential v dikenakan ke suatu beban dan mengalirlah arus i seperti pada gambar 1.3. Energi yang diberikan ke masing-masing elektron yang menghasilkan arus listrik sebanding dengan v (beda potensial). Dengan demikian total energi yang diberikan ke sejumlah elektron yang menghasilkan total muatan sebesar dq adalah sebanding dengan v x dq.
Energi yang diberikan pada elektron tiap satuan waktu, secara matematis didefinisikan sebagai:
Dengan,
W : usaha (kerja) yang bergantung satuan muatan, satuannya adalah Nm = Joule
Q : muatan, satuannya adalah Coulomb
Daya listrik disimbolkan sebagai P (Power), dengan satuan Watt (W)
B. Daya Arus Bolak-balik
Daya dalam arus searah dirumuskan P = V.i, dengan V dan i harganya selalu tetap.Tetapi untuk arus bolak-balik daya listriknya dinyatakan sebagai : perkalian antara tegangan, kuat arus dan faktor daya.
Dengan :
P = daya listrik bolak-balik (Watt)
V = tegangan efektif (V)
I = kuat arus efektif (A)
Z = impedansi rangkaian (Ohm)
Cos θ = faktor daya = ΔPt = 3I^2R (watt)…………………………….…….(1)
dimana:
I = arus jala-jala transmisi (ampere)
R = Tahanan kawat transmisi perfasa (ohm)
arus pada jala-jala suatu transmisi arus bolak-balik tiga fase adalah:
I = P/V3.Vr.Cos φ………………………………………………………..(2)
arus pada jala-jala suatu transmisi arus bolak-balik tiga fase adalah:
I = P/V3.Vr.Cos φ………………………………………………………..(2)
dimana:
P = Daya beban pada ujung penerima transmisi (watt)
Vr = Tegangan fasa ke fasa pada ujung penerima transmisi (volt)
Cos φ = Faktor daya beban V3 disini adalah akar 3
jika persamaan (1) disubstitusi ke persamaan (2), maka rugi-rugi daya transmisi dapat ditulis sebagai berikut:
ΔPt = P^2.R/Vr^2.cos^2 φ……………………………………………....(3)
Terlihat bahwa rugi-rugi daya transmisi dapat dikurangi dengan beberapa cara, antara lain:
1. meninggikan tegangan transmisi
2. memperkecil tahanan konduktor
3. memperbesar faktor daya beban
Sehingga untuk mengurangi rugi-rugi daya dilakukan dengan pertimbangan:
1. Jika ingin memperkecil tahanan konduktor, maka luas penampang konduktor
jika persamaan (1) disubstitusi ke persamaan (2), maka rugi-rugi daya transmisi dapat ditulis sebagai berikut:
ΔPt = P^2.R/Vr^2.cos^2 φ……………………………………………....(3)
Terlihat bahwa rugi-rugi daya transmisi dapat dikurangi dengan beberapa cara, antara lain:
1. meninggikan tegangan transmisi
2. memperkecil tahanan konduktor
3. memperbesar faktor daya beban
Sehingga untuk mengurangi rugi-rugi daya dilakukan dengan pertimbangan:
1. Jika ingin memperkecil tahanan konduktor, maka luas penampang konduktor
harus diperbesar. sedangkan luas penampang konduktor ada batasnya.
2. jika ingin memperbaiki faktor daya beban, maka perlu dipasang kapasitor
2. jika ingin memperbaiki faktor daya beban, maka perlu dipasang kapasitor
kompensasi (shunt capacitor). perbaikan faktor daya yang diperoleh dengan
pemasangan kapasitor pun ada batasnya.
3. rugi-rugi transmisi berbanding lurus dengan besar tahanan konduktor dan
3. rugi-rugi transmisi berbanding lurus dengan besar tahanan konduktor dan
berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan transmisi, sehingga pengurangan
rugi-rugi daya yang diperoleh karena peninggian tegangan transmisi jauh lebih
efektif daripada pengurangan rugi-rugi daya dengan mengurangi nilai tahanan
konduktornya.
Pertimbangan yang ketiga, yaitu dengan menaikkan tegangan transmisi adalah yang cenderung dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi daya pada saluran transmisi. Kecenderungan itupun dapat terlihat dengan semakin meningkatnya tegangan transmisi di eropa dan amerika, seperti ditunjukkan pada tabel dibawah ini.
C. Hambatan Arus Bolak-Balik
Pertimbangan yang ketiga, yaitu dengan menaikkan tegangan transmisi adalah yang cenderung dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi daya pada saluran transmisi. Kecenderungan itupun dapat terlihat dengan semakin meningkatnya tegangan transmisi di eropa dan amerika, seperti ditunjukkan pada tabel dibawah ini.
C. Hambatan Arus Bolak-Balik
1. Rangkaian Hambatan Murni
2. Rangkaian Hambatan Induktif
Sebuah kumparan induktor mempunyai induktansi diri L dipasangkan tegangan bolak-balik V, maka pada ujung2 kumparan timbul GGL induksi.
 |
 |
Hambatan induktif XL mempunyai harga : XL = hambatan induktif (Ohm)
3. Rangkaian Hambatan Kapasitif
Sebuah kapasitor dengan kapasitas C dihubungkan dg tegangan bolak-balik V, maka pada kapasitor itu menjadi bermuatan, sehingga pada plat2nya mempunyai beda potensial sebesar
 | ||
 | ||
Besar hambatan kapasitif XC :
 |
4. Rangkaian R-L Seri
Hambatan seri R dan XL dihubungkan dg teg. bolak-balik V.
Hukum Ohm I :
VR = beda potensial antara ujung2 R VL = beda potensial antara ujung2 XL
Besar tegangan total V ditulis secara vektor :
 |
Hambatan R dan XL juga dijumlahkan secara vektor : Z = impedansi (Ohm)
Kuat arus yg mengalir pada rangkaian ini adalah :5. Rangkaian R-C Seri
Hambatan seri R dan XC dihubungkan dg teg. bolak-balik V.
Hukum Ohm I :
 |
VR = beda potensial antara ujung2 R
VC = beda potensial antara ujung2 XC
Besar tegangan total V ditulis secara vektor :
 |
Hambatan R dan XC juga dijumlahkan secara vektor :
Z = impedansi (Ohm)
Kuat arus yg mengalir pada rangkaian ini adalah :
.
6. Rangkaian R-L-C Seri
Hambatan seri R, XL dan XC dihubungkan dg teg. bolak-balik V.
Hukum Ohm I :
VR = beda potensial antara ujung2 R
VC = beda potensial antara ujung2 XC
VL = beda potensial antara ujung2 XL
Besar tegangan total V ditulis secara vektor :
 |
Hambatan R, XL dan XC juga dijumlahkan secara vektor :
Z = impedansi (Ohm)
Kuat arus yg mengalir pada rangkaian ini adalah :
 |
7. Rangkaian Resonansi
Jika dalam rangkaian RLC seri XL = XC maka :
 |
Arus efektif pada rangkaian akan mencapai harga terbesar yaitu pada
 |
Dikatakan rangkaian dalam keadaan resonansi. Dalam hal ini berlaku
 |
Jadi frekuensi resonansinya adalah
 |
n Hubungan antara harga maksimum dan efektif
Vef = tegangan efektif (V) Vm = tegangan maksimum (V)
ief = arus efektif (A)
im = arus maksimum (A)
n Hubungan antara harga maksimum dan rata-rata
Vr = tegangan rata-rata (V) Vm = tegangan maksimum (V)
ir = arus rata-rata (A)
im = arus maksimum (A)
D. Perbaikan Faktor Daya Menggunakan Kapasitor
Sebelum membahas tentang perbaikan faktor daya dengan menggunakan kapasitor, ada baiknya kita mengingat kembali tentang pengertian umum dari Daya Semu, Daya Aktif dan Daya Reaktif.
Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu:
• Daya semu (S, VA, Volt Amper)
• Daya aktif (P, W, Watt)
• Daya reaktif (Q, VAR, Volt Amper Reaktif)
Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt,Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang
digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu.
Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik/industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan
beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik.Gambar 1. Segitiga Daya.
E. Pengertian Faktor Daya / Faktor Kerja
Faktor daya atau faktor kerja adalah perbandingan antara daya aktif (watt) dengan daya semu/daya total (VA), atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu/daya total (lihat gambar 1). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Faktor daya selalu lebih kecil atau sama dengan satu.
Secara teoritis, jika seluruh beban daya yang dipasok oleh perusahaan listrik memiliki faktor daya satu, maka daya maksimum yang ditransfer setara dengan kapasitas sistim pendistribusian. Sehingga, dengan beban yang terinduksi dan jika faktor daya berkisar dari 0,2 hingga 0,5, maka kapasitas jaringan distribusi listrik menjadi tertekan. Jadi, daya reaktif (VAR) harus serendah mungkin untuk keluaran kW yang sama dalam rangka meminimalkan kebutuhan
daya total (VA).
Faktor Daya / Faktor kerja menggambarkan sudut phasa antara daya aktif dan daya semu. Faktor daya yang rendah merugikan karena mengakibatkan arus beban tinggi. Perbaikan
faktor daya ini menggunakan kapasitor.
F. Kapasitor untuk Memperbaiki Faktor Daya
F. Kapasitor untuk Memperbaiki Faktor Daya
Faktor daya dapat diperbaiki dengan memasang kapasitor pengkoreksi faktor daya pada sistim distribusi listrik/instalasi listrik di pabrik/industri. Kapasitor bertindak sebagai pembangkit daya reaktif dan oleh karenanya akan mengurangi jumlah daya reaktif, juga daya
semu yang dihasilkan oleh bagian utilitas.
Sebuah contoh yang memperlihatkan perbaikan faktor daya dengan pemasangan kapasitor ditunjukkan dibawah ini:
Contoh 1. Sebuah pabrik kimia memasang sebuah trafo 1500 kVA. Kebutuhan parik pada mulanya 1160 kVA dengan faktor daya 0,70. Persentase pembebanan trafo sekitar 78 persen (1160/1500 = 77.3 persen). Untuk memperbaiki faktor daya dan untuk mencegah denda oleh pemasok listrik, pabrik menambahkan sekitar 410 kVAr pada beban motor. Hal ini meningkatkan faktor daya hingga 0,89, dan mengurangi kVA yang diperlukan menjadi 913 kVA, yang merupakan penjumlahan vektor kW dankVAr. Trafo 1500 kVA kemudian hanya berbeban 60 persen dari kapasitasnya. Sehingga pabrik akan dapat menambah beban pada trafonya dimasa mendatang. (Studi lapangan NPC)
Gambar 2. Rankaian Listrik
Contoh 2. Sekelompok lampu pijar dengan tegangan 220V/58 W, digabungkan dengan 12 lampu TL 11 W, ada 30 buah lampu pijar dan lampu TL. Faktor daya terukur sebesar cos alpha1= 0,5. Hitunglah daya semu dari beban dan besarnya arus I1 sebelum kompensasi, Jika diinginkan faktor kerja menjadi cos alpha2=0,9. hitung besarnya arus I2 (setelah kompensasi).
a) Besarnya daya lampu gabungan
PG = (58 W x 18) + (11 W x 12) = 1176 watt = 1,176 kW
Cos phi1 = PG/S1 ->> S1 = Pg/Cos phi1 = 1,176kW/0,5 = 2,352 kVA.
I1 = S1/U = 2,352 kVA/220 V = 10,69 ampere (A)--> sebelum kompensasi
b) besarnya daya setelah kompensasi (cos phi = 0,9)
S2 = PG/Cos phi2 = 1,176 kW/0,9 = 1,306 kVA
maka I2 = S2/U= 1,306 kVA/220 V = 5,94 A --> setelah kompensasi
G. Keuntungan Perbaikan Faktor Daya dengan Penambahan Kapasitor
G. Keuntungan Perbaikan Faktor Daya dengan Penambahan Kapasitor
Keuntungan perbaikan faktor daya melalui pemasangan kapasitor adalah:
1. Bagi Konsumen, khususnya perusahaan atau industri:
• Diperlukan hanya sekali investasi untuk pembelian dan pemasangan
kapasitor dan tidak ada biaya terus menerus.
• Mengurangi biaya listrik bagi perusahaan, sebab:
(a) daya reaktif (kVAR) tidak lagi dipasok oleh perusahaan utilitas
• Mengurangi biaya listrik bagi perusahaan, sebab:
(a) daya reaktif (kVAR) tidak lagi dipasok oleh perusahaan utilitas
sehingga kebutuhan total(kVA) berkurang dan
(b) nilai denda yang dibayar jika beroperasi pada faktor daya rendah dapat
(b) nilai denda yang dibayar jika beroperasi pada faktor daya rendah dapat
dihindarkan.
• Mengurangi kehilangan distribusi (kWh) dalam jaringan/instalasi pabrik.
• Tingkat tegangan pada beban akhir meningkat sehingga meningkatkan
• Mengurangi kehilangan distribusi (kWh) dalam jaringan/instalasi pabrik.
• Tingkat tegangan pada beban akhir meningkat sehingga meningkatkan
kinerja motor.
2. Bagi utilitas pemasok listrik
• Komponen reaktif pada jaringan dan arus total pada sistim ujung akhir
berkurang.
• Kehilangan daya I kwadrat R dalam sistim berkurang karena penurunan
arus.
• Kemampuan kapasitas jaringan distribusi listrik meningkat, mengurangi
kebutuhan untuk memasang kapasitas tambahan.
H. Masalah Penerapan Tegangan Tinggi Pada Transmisi
Pada penerapannya, peninggian tegangan transmisi harus dibatasi karena dapat menimbulkan beberapa masalah, antara lain:
1. Tegangan tinggi dapat menimbulkan korona pada kawat transmisi. korona ini pun akan menimbulkan rugi-rugi daya dan dapat menyebabkan gangguan terhadap komunikasi radio.
2. Jika tegangan semakin tinggi, maka peralatan transmisi dan gardu induk akan membutuhkan isolasi yang volumenya semakin banyak agar peralatan-peralatan tersebut mampu memikul tegangan tinggi yang mengalir. Hal ini akan mengakibatkan kenaikan biaya investasi.
3. Saat terjadi pemutusan dan penutupan rangkaian transmisi (switching operation), akan timbul tegangan lebih surja hubung sehingga peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang untuk mampu memikul tegangan lebih tersebut. Hal ini juga mengakibatkan kenaikan biaya investasi
4. Jika tegangan transmisi ditinggikan, maka menara transmisi harus semakin tinggi untuk menjamin keselamatan makhluk hidup disekitar trasnmisi. Peninggian menara transmisi akan mengakibatkan trasnmisi mudah disambar petir. Seperti telah kita ketahui, bahwa sambaran petir pada transmisi akan menimbulkan tegangan lebih surja petir pada sistem tenaga listrik, sehingga peralatan-peralatan sistem tenaga listrik harus dirancang untuk mampu memikul tegangan lebih surja petir tersebut.
5. Peralatan sistem perlu dilengkapi dengan peralatan proteksi untuk menghindarkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih surja hubung dan surja petir. Penambahan peralatan proteksi ini akan menambah biaya investasi dan perawatan.
kelima hal diatas memberi kesimpulan, bahwa peninggian tegangan transmisi akan menambah biaya investasi dan perawatan, namun dapat megurangi kerugian daya. Namun jika ditotal biaya keseluruhan, maka peninggian tegangan transmisi lebih ekonomis karena member biaya total minimum, dan tegangan ini disebut tegangan optimum.
Dalam menentukan dimensi suatu sistem isolasi, dibutuhkan pengetahuan yang pasti mengnai jenis, besaran dan durasi tekanan elektrik yang akan dialami bahan isolasi tersebut, dan disamping itu juga perlu untuk mempertimbangkan kondisi sekitar dimana isolasi akan ditempatkan. selain itu, perlu juga untuk mengetahui sifat-sifat dari bahan isolasi sehingga dapat dipilih bahan-bahan yang tepat untuk suatu sistem isolasi, dengan demikian akan dihasilkan
suatu rancangan yang paling ekonomis.
Fungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya. Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa lainnya, atau konduktor fasa dengan tanah.
2. Untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Fungsi yang penting dari suatu bahan isolasi adalah:
1. Untuk mengisolasi antara suatu penghantar dengan penghantar lainnya. Misalnya antara konduktor fasa dengan konduktor fasa lainnya, atau konduktor fasa dengan tanah.
2. Untuk menahan gaya mekanis akibat adanya arus pada konduktor yang diisolasi,
3. Mampu menahan tekanan yang diakibatkan panas dan reaksi kimia.
Tekanan yang diakibatkan oleh medan listrik, gaya mekanik, thermal dan reaksi kimia dapat saja terjadi serentak, sehingga perlu diketahui efek bersama dari semua parameter tersebut, dengan kata lain suatu bahan isolasi dinyatakan ekonomis jika bahan tersebut dapat menahan semua tekanan tersebut dalam jangka waktu yang lama.
I. Faktor-Faktor Dalam Pembangkitan
1. Faktor Beban
Faktor beban adalah perbandingan antara besarnya beban rata-rata untuk selang waktu tertentu terhadap beban puncak tertinggi dalam selang waktu yang sama (misalnya satu hari atau satu bulan). Sedangkan beban rata-rata untuk suatu selang waktu tertentu adalah jumlah produksi kWh dalam selang waktu tersebut dibagi dengan jumlah jam dari selang waktu tersebut.
Dari uraian diatas didapat:
faktor beban = beban rata-rata/beban puncak
bagi penyedia listrik, faktor beban sistem diinginkan setinggi mungkin karena faktor beban yang makin tinggi berarti makin rata beban sistemnya, sehingga tingkay pemanfaatan alat-alat yang ada dalam sistem tersebut dapat diusahakan setinggi mungkin.
2. Faktor Kapasitas
Faktor kapasitas sebuah unit pembangkit menggambarkan seberapa besar sebuah unit pembangkit itu dimanfaatkan. Faktor kapasitas tahunan (8760 jam) didefinisikan sebagai:
faktor kapasitas = Produksi kWh setahun/(daya terpasang MW x 8760 jam)
Dalam praktiknya, faktor kapasitas tahunan untuk unit PLTU hanya dapat mencapai angka antara 60% - 80% karena adanya masa pemeliharaan dan jika adanya gangguan atau kerusakan yang dialami oleh unit pembangkit tersebut. Untuk PLTA, faktor kapasitas tahunannya berkisar antara 30% - 50%, hal ini berkaitan dengan ketersediaan air.
faktor beban = beban rata-rata/beban puncak
bagi penyedia listrik, faktor beban sistem diinginkan setinggi mungkin karena faktor beban yang makin tinggi berarti makin rata beban sistemnya, sehingga tingkay pemanfaatan alat-alat yang ada dalam sistem tersebut dapat diusahakan setinggi mungkin.
2. Faktor Kapasitas
Faktor kapasitas sebuah unit pembangkit menggambarkan seberapa besar sebuah unit pembangkit itu dimanfaatkan. Faktor kapasitas tahunan (8760 jam) didefinisikan sebagai:
faktor kapasitas = Produksi kWh setahun/(daya terpasang MW x 8760 jam)
Dalam praktiknya, faktor kapasitas tahunan untuk unit PLTU hanya dapat mencapai angka antara 60% - 80% karena adanya masa pemeliharaan dan jika adanya gangguan atau kerusakan yang dialami oleh unit pembangkit tersebut. Untuk PLTA, faktor kapasitas tahunannya berkisar antara 30% - 50%, hal ini berkaitan dengan ketersediaan air.
J. Konduktor dan Kawat Tanah Pada Saluran Transmisi Udara
Konduktor adalah media untuk tempat mengalirkan arus listrik dari Pembangkit listrik ke Gardu induk atau dari GI ke GI lainnya, yang terentang lewat tower-tower. Konduktor pada tower tension dipegang oleh tension clamp, sedangkan pada tower suspension dipegang oleh suspension clamp. Dibelakang clamp tersebut dipasang rencengan isolator yang terhubung ke tower.
Sedangkan Kawat Tanah atau Earth wire (kawat petir / kawat tanah) adalah media untuk melindungi kawat fasa dari sambaran petir. Kawat ini dipasang di atas kawat fasa dengan sudut perlindungan yang sekecil mungkin, karena dianggap petir menyambar dari atas kawat.
Sedangkan Kawat Tanah atau Earth wire (kawat petir / kawat tanah) adalah media untuk melindungi kawat fasa dari sambaran petir. Kawat ini dipasang di atas kawat fasa dengan sudut perlindungan yang sekecil mungkin, karena dianggap petir menyambar dari atas kawat.
K. Energi Listrik
Energi listrik merupakan suatu bentuk energi yang berasal dari sumber arus. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk lain, misalnya:
• Energi listrik menjadi energi kalor / panas, contoh: seterika, solder, dan kompor listrik.
• Energi listrik menjadi energi cahaya, contoh: lampu.
• Energi listrik menjadi energi mekanik, contoh: motor listrik.
• Energi listrik menjadi energi kimia, contoh: peristiwa pengisian accu, peristiwa
penyepuhan (peristiwa melapisi logam dengan logam lain).
Jika arus listrik mengalir pada suatu penghantar yang berhambatan R, maka sumber arus akan mengeluarkan energi pada penghantar yang bergantung pada:
• Beda potensial pada ujung-ujung penghantar (V).
• Kuat arus yang mengalir pada penghantar (i).
• Waktu atau lamanya arus mengalir (t).
Berdasarkan pernyataan di atas, dan karena harga V = R.i, maka persamaan energi listrik dapat dirumuskan dalam bentuk :
Berdasarkan pernyataan di atas, dan karena harga V = R.i, maka persamaan energi listrik dapat dirumuskan dalam bentuk :
W = V.i.t = (R.i).i.t
W = i^2.R.t (dalam satuan watt-detik)
dan karena i = V/R, maka persamaan energi listrik dapat pula dirumuskan dengan:
dan karena i = V/R, maka persamaan energi listrik dapat pula dirumuskan dengan:
W = i^2.R.t = (V/R^2.R.t
W = V^2.t/R (dalam satuan watt-detik)
Keuntungan menggunakan energi listrik:
a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.
b. Mudah ditransmisikan.
c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.
Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:
Keuntungan menggunakan energi listrik:
a. Mudah diubah menjadi energi bentuk lain.
b. Mudah ditransmisikan.
c. Tidak banyak menimbulkan polusi/ pencemaran lingkungan.
Energi listrik yang dilepaskan itu tidak hilang begitu saja, melainkan berubah menjadi panas (kalor) pada penghantar. Besar energi listrik yang berubah menjadi panas (kalor) dapat dirumuskan:
Q = 0,24 V i t……kalori
Q = 0,24 i^2 R t…..kalori
Q = 0,24 V^2.t/R….kalori
Jika V, i, R, dan t masing-masing dalam volt, ampere, ohm, dan detik, maka panas (kalor) dinyatakan dalam kalori.
Jika V, i, R, dan t masing-masing dalam volt, ampere, ohm, dan detik, maka panas (kalor) dinyatakan dalam kalori.
Konstanta 0,24 didapat dari percobaan joule, Di dalam percobaannya Joule menggunakan rangkaian alat yang terdiri atas kalorimeter yang berisi air serta penghantar yang berarus listrik. Jika dalam percobaan arus listrik dialirkan pada penghantar dalam waktu t detik, ternyata kalor
yang terjadi karena arus listrik berbanding lurus dengan:
a. Beda potensial antara kedua ujung kawat penghantar (V)
b. Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)
c. Waktu selama arus mengalir (t).
dan hubungan ketiganya ini dikenal sebagai "hukum Joule"
Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24 kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah:
b. Kuat arus yang melalui kawat penghantar (i)
c. Waktu selama arus mengalir (t).
dan hubungan ketiganya ini dikenal sebagai "hukum Joule"
Karena energi listrik 1 joule berubah menjadi panas (kalor) sebesar 0,24 kalori. Jadi kalor yang terjadi pada penghantar karena arus listrik adalah:
Q = 0,24 V.i.t kalori
L. Pemanfaatan Energi Listrik
L. Pemanfaatan Energi Listrik
Di antara peralatan listrik di rumah anda, anda mungkin mempunyai pengering rambut, beberapa lampu, pesawat TV, stereo, oven microwave, kulkas dan kompor listrik. Masing-masing mengubah energi listrik menjadi energi bentuk lain, misalnya energi cahaya, energi kinetik, energi bunyi, atau energi panas. Berapa besarnya energi listrik yang diubah menjadi energi bentuk lain? dan berapa lajunya? Energi yang di catu pada rangkaian dapat digunakan dengan beberapa cara yang berbeda. Motor merubah energi listrik menjadi energi mekanik. Lampu listrik merubah energi listrik menjadi cahaya. Sayangnya tidak semua energi yang diberikan ke motor atau ke lampu dapat dimanfaatkan. Cahaya, khususnya cahaya lampu pijar menimbulkan panas. Motor terlalu panas untuk disentuh. Dalam setiap kasus, ada sejumlah energi yang diubah menjadi panas.
M. Tegangan, Arus, dan Daya Listrik
1. Tegangan Listrik
Tegangan atau beda potensial atau voltage (Bahasa Inggris) adalah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan satu muatan (sebesar 1 Coulomb) pada elemen atau komponen dari satu kutub ke kutub lainnya, atau pada kedua kutub akan mempunyai beda potensial jika digerakkan atau dipindahkan muatan sebesar 1 Coulomb dari satu kutub ke kutub lainnya. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat gambar di bawah ini.
Keterangan gambar:- Dua bola yang bermuatan positif dan bermuatan negatif, karena muatan keduanya sangat lemah dimana beda potensial antara keduanya mendekati nol, maka kedua bola tidak terjadi interaksi, kedua bola hanya diam saja (gambar a).
- Dua buah bola yang masing-masing bermuatan positif, dan negatif. Dengan muatan berbeda kedua bola akan saling tarik menarik. Untuk memisahkan kedua bola, diperlukan usaha F1 (gambar b).
- Kejadian dua buah bola bermuatan positif dan negatif, dipisahkan jaraknya dua kali jarak pada contoh (b), untuk itu diperlukan usaha F2 sebesar 2 kali usaha F1 (gambar c).
- Ada empat bola, satu bola visual tegangan bermuatan positif dan satu bola bermuatan negatif, dua bola lainnya tidak bermuatan. Jika dipisahkan seperti contoh no.3, diperlukan usaha F2 sebesar 2 kali usaha F1 (gambar d).
Keterkaitan antara kerja yang dilakukan sebenarnya adalah energi yang dikeluarkan, sehingga tegangan adalah energi per satuan muatan. Secara matematis, pengertian tegangan dapat dituliskan sebagai berikut:
Dengan,
V : tegangan, satuannya adalah Volt
W : usaha (kerja) yang bergantung satuan muatan, satuannya adalah Nm = Joule
Q : muatan, satuannya adalah Coulomb
- Satuan tegangan adalah Volt (V).
Satu Volt adalah beda potensial antara dua titik pada saat melakukan usaha sebesar satu joule untuk memindahkan muatan listrik sebesar satu coulomb.
- Satu Coulomb adalah total muatan yang mengandung 6,25 x 10^-18 elektron.
N. Arus Listrik
Arus merupakan perubahan kecepatan muatan terhadap waktu atau muatan yang mengalir dalam satuan waktu dengan simbol i (berasal dari bahasa Perancis: intensite). Dengan kata lain, arus adalah muatan yang bergerak. Selama muatan tersebut bergerak maka akan muncul arus tetapi ketika muatan tersebut diam maka arus pun akan hilang.
Muatan akan bergerak jika memperoleh energi luar yang mempengaruhinya. Muatan adalah satuan terkecil dari atom atau subbagian dari atom. Di mana dalam teori atom modern, dinyatakan bahwa atom terdiri dari partikel inti (proton bermuatan (+) dan neutron bersifat netral) yang dikelilingi oleh muatan elektron (-), normalnya atom bermuatan netral. Muatan terdiri dari dua jenis yaitu muatan positif dan muatan negatif. Arah arus searah dengan arah muatan positif (arah arus listrik) atau berlawanan dengan arah aliran elektron. Suatu partikel dapat menjadi muatan positif apabila kehilangan elektron dan menjadi muatan negatif apabila menerima elektron dari partikel lain.
Secara matematis, arus (i) didefinisikan sebagai baerikut:
Dengan,
Q = muatan konstan
q = muatan tergantung satuan waktu
muatan 1 elektron = -1,6021 x 10-19 Coulomb
1 Coulomb = -6,24 x 1018 elektron
Dalam teori rangkaian listrik, arus merupakan pergerakan muatan positif. Ketika terjadi beda potensial disuatu elemen atau komponen maka akan muncul arus di mana arah arus positif mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan arah arus negatif mengalir sebaliknya. Satuan arus listrik adalah Ampere (A).
O. Macam-macam arus :
- Arus searah (Direct Current/DC)
Arus DC adalah arus yang mempunyai nilai tetap atau konstan terhadap satuan waktu, artinya diaman pun kita meninjau arus tersebut pada wakttu berbeda akan mendapatkan nilai yang sama
- Arus Bolak-balik (Alternating Current/AC)
Arus AC adalah arus yang mempunyai nilai yang berubah terhadap satuan waktu dengan karakteristik akan selalu berulang untuk perioda waktu tertentu (mempunyai perida waktu : T).
P. Daya listrik pada alat listrik rumah tangga
Pada alat listrik rumah tangga umumnya tertulis spesifikasi daya dan tegangannya. Sebagai contoh pada lampu pijar tertulis 60 W/220 V, artinya lampu pijar tersebut akan memiliki daya 60 Watt jika terpasang pada tegangan 220 Volt, dikatakan lampu menyala normal, jika lampu pijar terpasang pada tegangan lebih kecil dari 220 Volt lampu akan meredup, sebaliknya jika lampu terpasang pada tegangan lebih besar dari 220 Volt, maka lampu akan menyala lebih terang. Tegangan 220 V pada alat listrik tersebut merupakan tegangan efektif. Pada bohlam 24 W/ 12 V, tegangan 12 V maksimum, karena sumbernya berasal dari arus DC. Daya sesungguhnya yang digunakan oleh suatu alat listrik memenuhi persamaan:
P2 = . P1
di mana :
P1 = daya tertulis pada alat listrik
P2 = daya sesungguhnya
V1 = tegangan tertulis pada alat listrik
V2 = tegangan uang terpakai
Pemakaian daya listrik di rumah atau di kantor dibatasi oleh pemutus daya yang dipasang bersama dengan KWh meter. Pemutus daya tersebut memiliki spesifikasi arus tertentu: 2A, 4A. 6A, 10A, 15A. Pemutusan daya 2A digunakan untuk membatasi pemakaian 440 W, pemutusan daya 6A digunakan untuk membatasi pemakaian daya 220 x 6 = 1320 Volt dan seterusnya.
Jika arus listrik melebihi ketentuan maka dengan adanya pemutusan daya secara otomatis akan menurunkan saklar. UntuK keamanan pada alat-alat listrik rumah tangga biasanya pada masing-masing alat dipasang sekering (fuse).
Pemasangan sekering pada alat listrik untuk mengantisipasi adanya arus yang tibatiba
membesar yang memungkinkan alat listrik dapat rusak atau terbakar. Dengan
adanya sekering, jika arus tiba-tiba membesar maka sekering akan putus dan alat
listrik tidak rusak. Sekering di pasaran memiliki nilai tertentu yaitu: 3 A, 5 A, 13 A, 15
DATA PERCOBAAN
Jenis Lampu: PHILIPS……………………………………………….
Tabel 1. Data Hasil Pengamatan
| No. | Daya Aktiv Tertera Dalam Satuan Watt | Tegangan Kerja (V) Dalam Satauan Volt | Konsumsi Arus (i) Dalam Satuan Ampere |
| 1. | 5 watt | 225 | 0,05 |
| 2. | 10 watt | 225 | 0,16 |
| 3. | 15 watt | 225 | 0,32 |
| 4. | 25 watt | 225 | 0,44 |
| 5. | 40 watt | 225 | 0,66 |
| 6. | 60 watt | 225 | 0,76 |
| 7. | 75 watt | 225 | 0,83 |
| 8. | 100 watt | 225 | 1,16 |
Ø PENGOLAHAN DATA
Pada sistem arus bolak-balik, daya listrik tidak sesederhana pada sistem arus searah. Pada arus bolak-balik terdapat tiga jenis daya, yaitu daya semu, daya aktiv, dan daya reaktif, secara matematis
S = P +jQ ........................................................................................................... (5.1)
Dimana daya semu(S) merupakan hasil penjumlahan daya aktiv (P) dengan daya reaktif (jQ) secara vektoris.
Daya semu merupakan hasil perkalian langsung antara tegangan kerja dengan Arus konsumsi peralatan listrik yang terpasang
S = V x i ................................................................................................................ (5.2)
Daya aktif, merupakan daya yang digunakan oleh peralatan, sedangkan daya reaktif daya yang ditimbulkan oleh komponen reaktif induktor yang bersifat rugi-rugi sistem jaringan listrik.
Karena penjumlahan daya aktiv dengan daya reaktif secara vektoris maka besarnya perbandingan antara daya aktiv terhadap daya semu merupakan fungsi cosinus.
.............................................................................................................. (5.3)Dimana Cos f, menunjukan tingkat keefektian sistem daya listrik bolak-balik.
Tabel. Perhitungan Daya Semu (S) dan Nilai Daya Aktif
| No | Daya Semu S (hasil perkalian V dan i ) Dalam Satuan VA | Daya Aktiv P Dalam Satuan Watt |
| 1. | 11,25 | 15 watt |
| 2. | 36 | 40 watt |
| 3. | 72 | 75 watt |
| 4. | 99 | 100 watt |
| 5. | 148,5 | 150watt |
| 6. | 171 | 175watt |
| 7. | 186,75 | 190watt |
| 8. | 247,5 | 250 watt |
Tabel 3. Pengolahan Data
| No. | S | P | S2 | P2 | S.P |
| 1. | 11,25 | 15 watt | 126,5625 | 225 | 168.75 |
| 2. | 36 | 40 watt | 1296 | 1600 | 1440 |
| 3. | 72 | 75 watt | 5184 | 5625 | 5400 |
| 4. | 99 | 100watt | 9801 | 10000 | 9900 |
| 5. | 148,5 | 150watt | 22052,25 | 22500 | 22275 |
| 6. | 171 | 175watt | 29204 | 30625 | 29925 |
| 7. | 186,75 | 190watt | 3487,5625 | 36100 | 35482.5 |
| 8. | 247,5 | 250 watt | 61256,25 | 62500 | 61075 |
| | | | | | |
| | | | | | |
| S | | | | ||
Linieritas Data.
Gardien garis (m) dalam perasamaan grafik adalah Cos f yaitu:
m = SS.P /SS2...................................................................................................... (2.3)
=16646,25/132444,64
=1,2568
Grafik 1. P terhadap S Data dan linieritas hasil percobaan
Dari data kedua garis diatas ( Data pecobaan dan Linertisanya) maka koefisien korelasinya adalah :
r = S S. P /(SS2.SP2)1/2
=166465,25/(13244,625.169,175)1/2
= 1,1129
Dan besaranya standar keasalahan yang terjadi dalam percobaan ini adalah
..Nilai hambatan Cos f =m = 1,2568 W/m
Kesalahan absolute (KA) = ± Cos f = ±1.2568
Kesalahan Relatif (KR) = Sn/ Cos f x 100% = 28,777 %
Nilai Terbaik hasil pengukuran = Cos f±Sn = 1,2568±361,68
Ø ANALISA
. Pada percobaan kali ini kita akan membuktikan daya pada lampu.Lampu yang digunakan ádalah lampu philips.Percobaan ini dilakukan mulai dari daya15,40,75,100,150,175,190,250 watt.Dari data yang didapat hail tegangan sama semua yaitu 225V tetapi pada kUat arus didapat hasil yang berbeda.Hasilnya ádalah Semakin besar daya pada lampu maka kuat arus yang didapat semakin besar.
Dalam perhitungan data hasil dari cos=1,tetapi dalam kelompok kami melebihi dari yang ditargetkan yaitu sebesar1,2568 DAN pada presentase kesalahan Didapat Sangay besar yaitu 28,777. Hal ini terjadi karena kurang nya ketelitianpada percobaan dan perhitungan data.
Percobaan kali ini juga menggunakan lampu sakura sebagai pembanding terhadap lampu philips dan untuk membuktikan apakah benar lampu itu Hemat energi.setelah dilakukanpercobaan hasinya 9V.Hal ini membuktikan bahwa lampu ini benar-benar Hemat energi karena terdapat kapasitor didalamnya yang berfungsi sebaga pengatur arus listrik.
Dalam percobaan kami ini, ternyata kami memiliki kasalahan relative sebesar 28,sekian persen. Ini dikarenakan proses percobaan yang memang memiliki kelemahan yaitu ketidaktapatan arus yan g terukur(pengamata).
Ternyata, daya semu mempunyai peran dalam perbaikkaan atau penghematan daya listrik. Ini dikarenakan daya yang dipakai adalah daya yang disemukan. Terdapat juga hubungan antaranya dengan daya reaktif dan daya aktif.
Berdasarkan percobaan, didapatkan bahwa semakin besar watt lampu pijar yang digunakan, maka semakin besar arus yang dikonsumsinya. Halini dapat dilihat dalam hasil pengamatan. Pada bola lampu mengalami terdapat hasil energi listik dengan ditandai panasnya bola lampu tersebut ,selain itu sinar yang dikeluarkan bola lampu tersebut jika wattnya basar maka semakin lama semakin terang . Selain itu juga saya menganalisa bahwa bola lampu pada Philips lebih hemat energi daripada ;lampu yang bermerek elektreda semua itu terbukti adanya suatu perbedaan pada daya semutnya ketika melakukan perbandingan dengan mencoba watt yang sama pada masing – masing bola lampu tersebut ,hal itu terbukti bahwa setelah dilakukan percobaan daya semu pada lampu philips yang 40 watt ,dihasilkan suatu daya yang rendah daripada lampu elektreda.
Tetapi perlu diingat ,jira lampu ini mulai putus atau terjadi pengurangan daya yang cukup besar,harus segera diganti.Jika tidak terjadi pembengkakan biaya PLN.
Ø KESIMPULAN
Dari percobaan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Semakin besar daya sebuah lampu maka kuat arus yang dihasilkan
semakin besar.
2. Lampu sakura tebukti sebagai lampu hemat energi karena terdapat
kapasitot yang berfungsi sebagai pengatur arus.
3. Nilai cos φ =1
4. Jika lampu hemat energi mulai putus atau terjadi pengurangan daya
yang besar, harus segera diganti karena dapat memperbesar biata PLN.
5. Dengan adanya pemasangan kapasitor pada lampu hemat energy, maka
perbaikan daya dapat menguntungkan. Dan keuntungan ini dapat kita
baca pada dasar teori di atas.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar