Tenaga Listrik Satu Fasa dan Tiga Fasa Daya Aktif Reaktif Nyata
Daya Kompleks
Konsep ini sangat penting untuk dipahami. Untuk menetapkan ekspresi daya kompleks, kita harus terlebih dahulu mempertimbangkan jaringan fase tunggal yang tegangannya dan arusnya dapat dinyatakan dalam bentuk kompleks sebagai V.ejα dan I.ejβ. Di mana α dan β adalah sudut yang dibentuk oleh vektor tegangan dan vektor arus terhadap sumbu referensi masing-masing. Daya aktif dan daya reaktif dapat dihitung dengan mencari hasil kali tegangan dengan konjugat dari arus. Itu berarti,
(α − β) ini hanyalah sudut antara tegangan dan arus, sehingga itu adalah perbedaan fase antara tegangan dan arus yang biasanya dinyatakan sebagai φ.
Oleh karena itu, persamaan di atas dapat ditulis ulang sebagai,
Di mana, P = VIcosφ dan Q = VIsinφ.
Kuantitas S ini disebut daya kompleks.
Magnitudo daya kompleks yaitu |S| = (P2 + Q2)½ dikenal sebagai daya semu dan satuannya adalah volt-ampere. Kuantitas ini merupakan produk dari nilai absolut tegangan dan arus. Lagi-lagi nilai absolut arus secara langsung terkait dengan efek pemanasan sesuai dengan hukum pemanasan Joule. Oleh karena itu, rating mesin listrik biasanya ditentukan oleh kemampuan daya semunya dalam batas suhu yang diperbolehkan.
Dicatat bahwa dalam persamaan daya kompleks, istilah Q [ = VIsinφ ] positif ketika φ [= (α − β)] positif, yaitu, arus tertinggal dari tegangan yang berarti beban bersifat induktif. Kembali Q negatif ketika φ negatif; yaitu, arus mendahului tegangan yang berarti beban bersifat kapasitif.
Daya Fasa Tunggal
Sistem transmisi listrik fase tunggal sistem transmisi listrik sebenarnya tidak tersedia, tetapi kita masih harus mengetahui konsep dasar daya fase tunggal sebelum membahas sistem daya tiga fase modern. Sebelum membahas detail tentang daya fase tunggal, mari kita coba memahami parameter-parameter berbeda dari sistem tenaga listrik. Tiga parameter dasar sistem tenaga listrik adalah hambatan listrik, induktansi, dan kapasitansi.
Hambatan
Hambatan adalah sifat inheren dari setiap bahan, yang menyebabkan bahan tersebut menahan aliran arus dengan menghalangi pergerakan elektron melalui bahan tersebut karena tabrakan dengan atom-atom stasioner. Panas yang dihasilkan oleh proses ini disebarkan dan dikenal sebagai kehilangan daya ohmik. Ketika arus mengalir melalui resistor, tidak akan ada perbedaan fase antara tegangan dan arus, yang berarti arus dan tegangan berada dalam fase yang sama; sudut fase antara keduanya adalah nol. Jika arus I mengalir melalui hambatan listrik R selama t detik, maka energi total yang dikonsumsi oleh resistor adalah I2.R.t. Energi ini dikenal sebagai energi aktif dan daya yang sesuai dikenal sebagai daya aktif.
Induktansi
Induktansi adalah sifat yang memungkinkan sebuah induktor menyimpan energi dalam medan magnetik selama setengah siklus positif dan melepaskan energi ini selama setengah siklus negatif dari sumber daya listrik fase tunggal. Jika arus 'I' mengalir melalui koil dengan induktansi L Henry, energi yang disimpan dalam koil dalam bentuk medan magnetik diberikan oleh
Daya yang terkait dengan induktansi adalah daya reaktif.
Kapasitansi
Kapasitansi adalah sifat yang memungkinkan sebuah kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik statis selama setengah siklus positif dan melepaskannya selama setengah siklus negatif dari sumber daya. Energi yang disimpan antara dua pelat logam paralel dengan perbedaan potensial listrik V dan kapasitansi C, dinyatakan sebagai
Energi ini disimpan dalam bentuk medan listrik statis. Daya yang terkait dengan kapasitor juga daya reaktif.
Daya Aktif dan Daya Reaktif
Mari kita pertimbangkan rangkaian daya fase tunggal di mana arus tertinggal dari tegangan dengan sudut φ.
Misalkan perbedaan potensial listrik instan v = Vm.sinωt
Maka arus instan dapat dinyatakan sebagai i = Im. sin(ωt – φ).
Di mana, Vm dan Im adalah nilai maksimum dari perbedaan potensial listrik dan arus yang bervariasi sinusoidal masing-masing.
Daya instan rangkaian diberikan oleh
Daya Aktif
Daya Resistif
Mari kita ambil kondisi pertama di mana rangkaian daya fase tunggal sepenuhnya bersifat resistif, itu berarti sudut fase antara tegangan dan arus yaitu φ = 0 dan karenanya,
Dari persamaan di atas jelas bahwa, apa pun nilai ωt, nilai cos2ωt tidak bisa lebih besar dari 1; karenanya nilai p tidak bisa negatif. Nilai p selalu positif terlepas dari arah instan tegangan v dan arus i, yang berarti energi mengalir dalam arah konvensional, yaitu dari sumber ke beban dan p adalah laju konsumsi energi oleh beban dan ini disebut daya aktif. Karena daya ini dikonsumsi karena efek resistif dari rangkaian listrik, maka terkadang juga disebut Daya Resistif.
Daya Reaktif
Daya Induktif
Sekarang pertimbangkan situasi ketika rangkaian daya fasa tunggal sepenuhnya induktif, yang berarti arus tertinggal dibelakang tegangan dengan sudut φ = + 90o. Dengan menempatkan φ = + 90o
Dalam ekspresi di atas, ditemukan bahwa daya mengalir dalam arah alternatif. Dari 0o hingga 90o akan memiliki setengah siklus negatif, dari 90o hingga 180o akan memiliki setengah siklus positif, dari 180o hingga 270o akan kembali memiliki setengah siklus negatif, dan dari 270o hingga 360o akan kembali memiliki setengah siklus positif. Oleh karena itu, daya ini bersifat alterna dengan frekuensi dua kali lipat frekuensi sumber. Karena daya mengalir dalam arah bergantian, yaitu dari sumber ke beban dalam setengah siklus dan dari beban ke sumber dalam setengah siklus berikutnya, nilai rata-rata dari daya ini adalah nol. Oleh karena itu, daya ini tidak melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Daya ini dikenal sebagai daya reaktif. Karena ekspresi daya reaktif yang dijelaskan di atas terkait dengan rangkaian induktif sepenuhnya, daya ini juga disebut daya induktif.
Ini dapat disimpulkan bahwa jika rangkaian sepenuhnya induktif, energi akan disimpan sebagai energi medan magnet selama setengah siklus positif dan dilepaskan selama setengah siklus negatif, dan laju perubahan energi ini, dinyatakan sebagai daya reaktif induktor atau sederhananya daya induktif, dan daya ini akan memiliki siklus positif dan negatif yang sama dan nilai netto akan menjadi nol.
Daya Kapasitif
Mari kita pertimbangkan rangkaian daya fasa tunggal yang sepenuhnya kapasitif, yaitu arus mengarah tegangan sebesar 90o, oleh karena itu φ = – 90o.
Dalam ekspresi daya kapasitif, juga ditemukan bahwa daya mengalir dalam arah yang berbeda. Dari 0o hingga 90o akan memiliki setengah siklus positif, dari 90o hingga 180o akan memiliki setengah siklus negatif, dari 180o hingga 270o akan kembali memiliki setengah siklus positif, dan dari 270o hingga 360o akan kembali memiliki setengah siklus negatif. Jadi, daya ini juga bersifat alternatif dengan frekuensi, dua kali frekuensi sumber. Oleh karena itu, seperti daya induktif, daya kapasitif tidak melakukan pekerjaan yang berguna. Daya ini juga merupakan daya reaktif.
Komponen Aktif dan Komponen Reaktif Daya
Persamaan daya dapat ditulis ulang sebagai
Ekspresi di atas memiliki dua konsonan; yang pertama adalah Vm. Im.cosφ(1 – cos2ωt) yang tidak pernah bernilai negatif karena nilai (1 – cos2ωt) selalu lebih besar atau sama dengan nol tetapi tidak bisa memiliki nilai negatif.
Bagian dari persamaan daya satu fase ini mewakili ekspresi daya reaktif yang juga dikenal sebagai daya nyata atau daya sebenarnya. Rata-rata dari daya ini jelas akan memiliki beberapa nilai non-nol, yang berarti, daya tersebut melakukan pekerjaan yang bermanfaat dan itulah mengapa daya ini juga disebut daya nyata atau terkadang disebut daya sebenarnya. Bagian dari persamaan daya ini mewakili daya reaktif yang juga dikenal sebagai daya nyata atau daya sebenarnya.
Istilah kedua adalah Vm. Im.sinφsin2ωt yang akan memiliki siklus positif dan negatif. Oleh karena itu, rata-rata komponen ini adalah nol. Komponen ini dikenal sebagai komponen reaktif karena ia bergerak bolak-balik pada garis tanpa melakukan pekerjaan yang bermanfaat.
Kedua daya nyata dan daya reaktif memiliki dimensi yang sama dalam watt, tetapi untuk menekankan fakta bahwa komponen reaktif mewakili daya non-nyata, ia diukur dalam volt-ampere reaktif atau VAR.
Daya satu fase merujuk pada sistem distribusi di mana semua tegangan bervariasi secara serempak. Ini dapat dihasilkan dengan memutar kumparan bergerak dalam medan magnet atau dengan memindahkan medan di sekitar kumparan stasioner. Tegangan bolak-balik dan arus bolak-balik yang dihasilkan, oleh karena itu disebut tegangan satu fase dan arus. Jenis-jenis sirkuit yang berbeda menunjukkan respons yang berbeda terhadap penerapan input sinusoidal. Kami akan mempertimbangkan semua jenis sirkuit satu per satu yang mencakup hambatan listrik saja, kapasitansi saja, dan induktor saja, serta kombinasi dari ketiganya, dan mencoba menetapkan persamaan daya satu fase.
Persamaan Daya Satu Fase untuk Sirkuit Hambatan Murni
Mari kita periksa perhitungan daya satu fasa untuk rangkaian resistif murni. Rangkaian yang terdiri dari hambatan ohmik murni berada di seberang sumber tegangan dengan tegangan V, ditunjukkan dalam gambar di bawah ini.
Di mana, V(t) = tegangan instan.
Vm = nilai maksimum tegangan.
ω = kecepatan sudut dalam radian/detik.
Menurut Hukum Ohm ,
Dengan mengganti nilai V(t) dalam persamaan di atas kita mendapatkan,
Dari persamaan (1.1) dan (1.5) jelas bahwa V(t) dan IR sefasa. Jadi, dalam kasus hambatan ohmik murni, tidak ada perbedaan fase antara tegangan dan arus, yaitu mereka sefasa seperti ditunjukkan dalam gambar (b).
Daya instan,
Dari persamaan daya satu fasa (1.8) jelas bahwa daya terdiri dari dua istilah, satu bagian konstan yaitu
dan yang lainnya adalah bagian yang fluktuatif yaitu
Nilainya nol untuk siklus penuh. Jadi, daya melalui resistor ohmik murni diberikan sebagai dan ditunjukkan dalam gambar (c).
Persamaan Daya Tunggal Fasa untuk Rangkaian Induktif Murni
Induktor adalah komponen pasif. Setiap kali arus AC melewati induktor, ia menentang aliran arus melaluinya dengan menghasilkan tegangan balik. Jadi, tegangan yang diterapkan tegangan daripada menyebabkan penurunan di seberangnya perlu menyeimbangkan tegangan balik yang dihasilkan. Rangkaian yang terdiri dari induktor murni di seberang sumber tegangan sinusoidal Vrms ditunjukkan dalam gambar di bawah ini.
Kita tahu bahwa tegangan di seberang induktor diberikan sebagai,
Dari persamaan daya tunggal fasa di atas, jelas bahwa I tertinggal dari V oleh π/2 atau dengan kata lain V unggul I oleh π/2, ketika AC melewati induktor, yaitu I dan V tidak sefase seperti yang ditunjukkan pada gambar (e).
Daya sesaat diberikan oleh,
Di sini, rumus daya tunggal fasa hanya terdiri dari istilah yang berfluktuasi dan nilai daya untuk siklus penuh adalah nol.
Persamaan Daya Tunggal Fasa untuk Rangkaian Kapasitif Murni
Ketika AC melewati kapasitor, ia terlebih dahulu mengisi hingga nilai maksimumnya dan kemudian mengosongkan muatan. Tegangan di seberang kapasitor diberikan sebagai,
Dengan demikian jelas dari perhitungan daya satu fase I(t) dan V(t) bahwa dalam kasus kapasitor arus mendahului tegangan dengan sudut π/2.
Daya melalui kapasitor terdiri hanya dari istilah fluktuasi dan nilai daya untuk siklus penuh adalah nol.
Persamaan Daya Satu Fase untuk Rangkaian RL
Resistor murni ohmik dan induktor dihubungkan secara seri seperti yang ditunjukkan pada gambar (g) di seberang sumber tegangan V. Kemudian penurunan tegangan di R akan menjadi VR = IR dan di L akan menjadi VL = IXL.
Penurunan tegangan ini ditunjukkan dalam bentuk segitiga tegangan seperti yang ditunjukkan pada gambar (i). Vektor OA mewakili penurunan di R = IR, vektor AD mewakili penurunan di L = IXL dan vektor OD mewakili hasil dari VR dan VL.
adalah impedansi dari rangkaian RL.
Dari diagram vektor jelas bahwa V mengarah I dan sudut fase φ diberikan oleh,
Dengan demikian daya terdiri dari dua istilah, satu istilah konstan 0.5 VmImcosφ dan lainnya adalah istilah fluktuatif 0.5 VmImcos(ωt – φ) yang nilainya nol untuk seluruh siklus.
Dengan demikian hanya bagian konstan yang berkontribusi pada konsumsi daya aktual.
Dengan demikian daya, p = VI cos Φ = ( tegangan rms × arus rms × cosφ) watt
Dimana cosφ disebut faktor daya dan diberikan oleh,
I dapat diuraikan menjadi dua komponen persegi panjang Icosφ sepanjang V dan Isinφ tegak lurus terhadap V. Hanya Icosφ yang berkontribusi pada daya nyata. Dengan demikian, hanya VIcosφ disebut komponen wattful atau komponen aktif dan VIsinφ disebut komponen wattless atau komponen reaktif.
Persamaan Daya Fasa Tunggal untuk Rangkaian RC
Kita tahu bahwa arus dalam kapasitansi murni, mengarah pada tegangan dan dalam hambatan ohmik murni, arus tersebut berada dalam fase. Dengan demikian, arus bersih mengarah pada tegangan dengan sudut φ dalam rangkaian RC. Jika V = Vmsinωt dan I akan menjadi Imsin(ωt + φ).
Daya sama seperti dalam kasus rangkaian R-L. Berbeda dengan rangkaian R-L, faktor daya listrik adalah leading dalam rangkaian R-C.
Definisi Daya Tiga Fasa
Ditemukan bahwa pembangkitan daya tiga fasa lebih ekonomis daripada pembangkitan daya fasa tunggal. Dalam sistem daya listrik tiga fasa, tiga tegangan dan gelombang arus memiliki pergeseran waktu 120o dalam setiap siklus daya. Ini berarti; setiap gelombang tegangan memiliki perbedaan fase 120o terhadap gelombang tegangan lainnya dan setiap gelombang arus memiliki perbedaan fase 120o terhadap gelombang arus lainnya. Definisi daya tiga fasa menyatakan bahwa dalam sistem listrik, tiga daya fasa tunggal individu dibawa oleh tiga sirkuit daya terpisah. Tegangan dari tiga daya ini secara ideal 120o berbeda satu sama lain dalam fase waktu. Demikian pula, arus dari tiga daya ini juga secara ideal 120o berbeda satu sama lain. Sistem daya tiga fasa yang ideal mengimplikasikan sistem yang seimbang.
Sistem tiga fase dikatakan tidak seimbang ketika setidaknya salah satu dari tiga tegangan fase tidak sama dengan yang lain atau sudut fase antara fase-fase tersebut tidak tepat sama dengan 120o.
Keuntungan Sistem Tiga Fase
Ada banyak alasan mengapa daya ini lebih disukai dibandingkan dengan daya fase tunggal.
Persamaan daya fase tunggal adalah
Yang merupakan fungsi tergantung waktu. Sedangkan persamaan daya tiga fase adalah
Yang merupakan fungsi konstan tidak tergantung waktu. Oleh karena itu, daya fase tunggal bersifat berdenyut. Hal ini biasanya tidak mempengaruhi motor dengan rating rendah, tetapi pada motor dengan rating tinggi, hal ini menghasilkan getaran berlebihan. Jadi, daya tiga fase lebih disukai untuk beban daya tegangan tinggi.Rating mesin tiga fase 1,5 kali lebih besar daripada mesin fase tunggal dengan ukuran yang sama.
Motor induksi fase tunggal tidak memiliki torsi awal, jadi kita harus menyediakan beberapa cara bantu untuk memulainya, tetapi motor induksi tiga fase dapat dimulai sendiri dan tidak memerlukan cara bantu apapun.
Faktor daya dan efisiensi keduanya lebih besar dalam kasus sistem tiga fase.
Persamaan Daya Tiga Fase
Untuk menentukan, ekspresi persamaan daya tiga fasa yaitu untuk perhitungan daya tiga fasa kita harus pertama-tama mempertimbangkan situasi ideal di mana sistem tiga fasa seimbang. Ini berarti tegangan dan arus pada setiap fasa berbeda dari fasa yang berdekatan dengan 120o serta amplitudo gelombang arus setiap fasa sama dan demikian pula amplitudo gelombang tegangan setiap fasa sama. Sekarang, perbedaan sudut antara tegangan dan arus pada setiap fasa sistem daya tiga fasa adalah φ.
Kemudian tegangan dan arus fase merah akan menjadi
masing-masing.
Tegangan dan arus fase kuning akan menjadi-
masing-masing.
Dan tegangan dan arus fase biru akan menjadi-
masing-masing.
Oleh karena itu, ekspresi daya instan pada fase merah adalah –
Demikian pula ekspresi daya instan pada fase kuning adalah –
Demikian pula ekspresi daya instan pada fase biru adalah –
Total daya tiga fasa sistem adalah penjumlahan daya individu pada setiap fasa-
Ekspresi daya di atas menunjukkan bahwa total daya instan konstan dan sama dengan tiga kali daya nyata per fasa. Dalam kasus ekspresi daya satu fasa, kami menemukan bahwa ada komponen daya reaktif dan daya aktif, tetapi dalam kasus ekspresi daya tiga fasa, daya instannya konstan. Sebenarnya, dalam sistem tiga fasa, daya reaktif pada setiap fasa individu tidak nol, tetapi jumlahnya pada setiap saat adalah nol.
Daya reaktif adalah bentuk energi magnetik, mengalir per satuan waktu dalam sebuah rangkaian listrik. Satuannya adalah VAR (Volt Ampere Reaktif). Daya ini tidak dapat digunakan dalam rangkaian AC. Namun, dalam sebuah rangkaian DC, daya ini dapat diubah menjadi panas seperti ketika kapasitor atau induktor yang terisi ditaruh di seberang resistor, energi yang tersimpan dalam elemen tersebut berubah menjadi panas. Sistem tenaga kita beroperasi pada sistem AC dan sebagian besar beban yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari kita bersifat induktif atau kapasitif, oleh karena itu daya reaktif adalah konsep yang sangat penting dari perspektif listrik.
Sumber: Electrical4u.
Pernyataan: Hormati aslinya, artikel yang baik layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk menghapus.
