Open Course Selamat Belajar Analisis Rangkaian Listrik Di Kawasan Fasor - Course #6 Oleh : Sudaryatno Sudirham Isi Kuliah #6 Analisis Daya Penyediaan Daya dan Perbaikan Faktor Daya Sistem Tiga Fasa Seimbang Tujuan: Memahami daya nyata dan daya reaktif Memahami gejala alih daya Mampu menghitung alih daya maksimum Tinjauan Daya di Kawasan Waktu Tinjauan Daya di Kawasan Waktu Tegangan dan arus beban merupakan fungsi waktu vb Vm cos(t ) ; ib I m cos t pb vi Vm I m cos(t ) cos t Vm I m cos t cos sin t sin cos t Vm I m V I V I cos m m cos cos 2t m m sin sin 2t 2 2 2 V I V I m m cos 1 cos 2t m m sin sin 2t 2 2 Nilai rata-rata = VrmsIrmscos Komponen ini memberikan alih energi netto; disebut daya nyata: P Nilai rata-rata =0 pb 1 0 -1 t 15 Komponen ini tidak memberikan alih energi netto; disebut daya reaktif: Q Tinjauan Daya di Kawasan Fasor Tegangan dan Arus dalam Fasor V Vrms0o • dan I I rms Daya Kompleks : S VI Im * jQ S Vrms I rms I* S P jQ P S cos V rms I rms cos Q S sin V rms I rms sin S = VI* I P V Re Segitiga daya Faktor Daya cos P S Tinjauan Daya di Kawasan Fasor • Faktor Daya dan segitiga daya: P f.d. cos S I* Im Im V I (leading) V I* Re Re P Faktor daya lagging I (lagging) Im jQ Re S =VI* Im P Re jQ S =VI* Faktor daya leading Tinjauan Daya di Kawasan Fasor Daya Kompleks dan Impedansi Beban ZB V I atau V Z BI S P jQ S VI * Z BI I Z B I * 2 2 2 R B I rms jX B I rms 2 R B jX B I rms 2 P R B I rms 2 2 R B I rms jX B I rms 2 Q X B I rms dan Tinjauan Daya di Kawasan Fasor • CONTOH I A seksi sumber seksi beban B VAB 480 75o V(rms) I 8,75 105o A(rms) dan S VI * 480 75 o 8,75 105 o 4200 30 o 4200 cos 30 o j 4200 sin 30 o 3640 j 2100 P 3640 W Q 2100 VAR dan faktor daya cos(30 ) 0,866 RB P 2 I rms XB Q 2 I rms 3640 (8,75) 2100 (8,75) 2 2 47,5 27,4 VA Alih Daya Alih Daya • Alih Daya Dalam rangkaian linier dengan arus bolak-balik keadaan mantap, jumlah daya kompleks yang diberikan oleh sumber bebas, sama dengan jumlah daya kompleks yang diserap oleh elemen-elemen dalam rangkaian Alih Daya CONTOH A V=1090oV I2 I1 = 0,10o A B j50 Berapa daya yang diberikan oleh masing-masing sumber dan berapa diserap R = 50 ? I5 I4 I3 j100 50 C 1 1 1 1 o VC VA 0,10 0 50 j100 j 50 j 50 atau VC 2 j1 VA j 2 10 0 o VA V 10 90o 1090o V VC 2 j1 2 10 (90 o 90 o ) 10 0 o VC 30 12 j 6 V 2 j1 S i (VC V A )I 1* 12 j 6 j10 0,10 o 1,2 j 0,4 VA I 3 I 2 I1 V A VC 10 90 o (12 j 6) I2 j 50 j 50 0,08 j 0,24 A I 3 I 2 I 1 0,08 j 0,24 0.10 o 0,18 j 0,24 A S v VI *3 10 90 o (0,18 j 0,24 ) 2,4 j1,8 VA S tot S i S v 1,2 j 0,4 2,4 j1,8 3,6 j1,4 VA Alih Daya • Alih Daya Maksimum Dengan Cara Penyesuaian Impedansi I A + ZT = RT + jXT VT ZB = RB + jXB VT ( RT RB ) 2 ( X T X B ) 2 VT 2 PB I R B B 2 ( RT R B ) 2 ( X T X B ) 2 Jika X T -X B Jika RT RB PB VT RB PB VT (maksimum) Jadi syarat untuk terjadinya alih daya maksimum adalah : RT R B dan X B X T RB ( RT R B ) 2 2 4 RB 2 Alih Daya CONTOH VT ZT A + j50 (50 j100 ) 25 j 75 j 50 50 j100 j100 50 j50 100o j50 j1 10 0 o 10 5 j5 V 50 j100 j50 1 j1 Z B 25 j 75 25 + j 75 V PMAX B IB VT 2 4RB 5 j5 4 25 2 0,5 W VT 5 j5 0,02 135 o A ZT Z B 50 10 0 o Is 0,10 o A Ps 50 I s 2 25 I B 2 ( j50 )( 25 j 75) 50 j100 50 (0,1) 2 25 ( 0,02 ) 2 1 W j50 25 j 75 Alih Daya • Alih Daya Maksimum Dengan Cara Sisipan Transformator impedansi yang terlihat di sisi primer ZT + ZB N Z B 1 Z B N2 Z B Z B cos j Z B sin VT N1 N2 VT Z B cos 2 PB dPB 0 dZ B 2 RT Z B cos 2 X T Z B sin 2 Z B RT X T Z T 2 2 N1 N2 ZT ZB Alih Daya CONTOH + 50 Dari contoh sebelumnya: A j100 25 + j 60 j50 100o V B ZT N a 1 N2 PB R T Seandainya diusahakan Z T 25 j 75 VT 5 j5 V VT a 2 RB ZB 2 25 2 75 2 25 60 2 a 2 RB X 2 T a2 X B 2 50 1,216 25 25 1,216 25 2 75 1,216 60 Z B (25 j 60) PB 50 1,216 25 25 1,216 25 2 1,1028 2 75 1,216 60 2 0,06 W Tidak ada peningkatan alih daya ke beban. 2 0,49 W Rangkuman Mengenai Fasor Rangkuman Mengenai Fasor Fasor adalah pernyataan sinyal sinus yang fungsi waktu ke dalam besaran kompleks, melalui relasi Euler. Dengan menyatakan sinyal sinus tidak lagi sebagai fungsi waktu, maka pernyataan elemen elemen rangkaian harus disesuaikan. Dengan sinyal sinus sebagai fungsi t elemen-elemen rangkaian adalah R, L, C. Dengan sinyal sinus sebagai fasor elemen-elemen rangkaian menjadi impedansi elemen R, jL, 1/jC. Impedansi bukanlah besaran fisis melainkan suatu konsep dalam analisis. Besaran fisisnya tetaplah R = l/A, dan C = A/d Dengan menyatakan sinyal sinus dalam fasor dan elemen-elemen dalam inpedansinya, maka hubungan arus-tegangan pada elemen menjadi hubungan fasor arus - fasor tegangan pada impedansi elemen. Hubungan fasor arus dan fasor tegangan pada impedansi elemen merupakan hubungan linier. Rangkuman Mengenai Fasor Dengan menyatakan arus dan tegangan menjadi fasor arus dan fasor tegangan yang merupakan besaran kompleks maka daya juga menjadi daya kompleks yang didefinisikan sebagai S = V I*. Besaran-besaran kompleks dapat digambarkan di bidang kompleks sehingga kita mempunyai digram fasor untuk arus dan tegangan serta segitiga daya untuk daya. Hukum-hukum rangkaian, kaidah-kaidah rangkaian, serta metoda analisis yang berlaku di kawasan waktu, dapat diterapkan pada rangkaian impedansi yang tidak lain adalah transformasi rangkaian ke kawasan fasor. Sesuai dengan asal-muasal konsep fasor, maka analisis fasor dapat diterapkan hanya untuk sinyal sinus keadaan mantap. Tujuan: Memahami transformator dan diagram fasornya Mampu menghitung kebutuhan daya dan faktor daya beban Mampu menghitung penyediaan daya sumber dan tegangan sumber untuk mencatu beban; Mampu menentukan keperluan perbaikan faktor daya. Pemyediaan Daya Pemyediaan Daya Transformator Dalam penyaluran daya listrik banyak digunakan transformator berkapasitas besar dan juga bertegangan tinggi. Dengan transformator tegangan tinggi, penyaluran daya listrik dapat dilakukan dalam jarak jauh dan susut daya pada jaringan dapat ditekan. Di jaringan distribusi listrik banyak digunakan transformator penurun tegangan, dari tegangan menengah 20 kV menjadi 380 V untuk distribusi ke rumah-rumah dan kantor-kantor pada tegangan 220 V. Transformator daya tersebut pada umumnya merupakan transformator tiga fasa; namun kita akan melihat transformator satu fasa lebih dulu Pemyediaan Daya Transformator Dua Belitan Tak Berbeban If Vs + + E1 N1 N2 + E2 Belitan sekunder: Belitan primer: 2 f N1 E1 m aks 4.44 f N1 m aks 2 I2 = 0 E2 4.44 f N 2 maks E1 N 1 a rasio transformasi E2 N 2 Pemyediaan Daya Transformator Dua Belitan Tak Berbeban If + E1 + Vs N1 maks sin t N2 + E2 e1 N1 e2 N 2 d N1 makscos t dt d N 2 m aks cos t dt Fasor E1 sefasa dengan E2 karena diinduksikan oleh fluksi yang sama. Ic I E1=E2 If R1 If V1 rasio transformasi a = 1, resistansi belitan primer R1 Arus magnetisasi If dapat dipandang sebagai terdiri dari dua komponen yaitu I (90o dibelakang E1) yang menimbulkan dan IC (sefasa dengan E1) yang mengatasi rugi-rugi inti. Resistansi belitan R1 dalam diagram fasor ini muncul sebagai tegangan jatuh IfR1. Pemyediaan Daya Fluksi Bocor Di Belitan Primer If V1 Ic Vs l1 E2 I l If E1=E2 IfR1 jIfXl Representasi fluksi bocor di belitan primer V1 E1 I f R1 El1 E1 I f R1 jI f X 1 Mengatasi rugi-rugi inti ada fluksi bocor di belitan primer Pemyediaan Daya Transformator Berbeban I1 V1 l1 l2 I2 V2 RB E2 V2 I 2 R2 El 2 V1 E1 I1R1 El1 V2 I 2 R2 jI 2 X 2 E1 I1R1 jI1 X 1 V1 E2 I’2 If I2 I1 jI2X2 E1 V2 I2R2 beban resistif , a > 1 I1R1 jI1X1 Pemyediaan Daya Rangkaian Ekivalen Transformator I2 I1 R1 jX1 V1 If E1 R c Ic R1 jX1 V1 E1 V1 E1 I1 R1 jI1 X 1 E1 aV2 I 2 R2 jI 2 X 2 I1 I f I 2 jX2 R2 jX2 B V2=aV2 B V2=aV2 I2 I1 R2 I jXc Z If I2 , R2 , dan X2 adalah arus, resistansi, dan reaktansi sekunder yang dilihat dari sisi primer Pemyediaan Daya Rangkaian Ekivalen yang Disederhanakan Arus magnetisasi hanya sekitar 2 sampai 5 persen dari arus beban penuh Jika If diabaikan terhadap I1 kesalahan yang terjadi dapat dianggap cukup kecil I1=I2 Re = R1+R2 jXe =j(X1+ X2) B V1 V1 V2 I2 I2Re jI2Xe V2 Pemyediaan Daya Contoh Penyediaan Daya 10 kW f.d. 0,8 lagging 380 V rms 8 kW f.d. 0,75 lagging Impedansi saluran diabaikan S1 P1 jQ1 P1 j S1 sin 1 P1 j S 2 P2 j | S 2 | sin 2 P2 j P1 sin 1 10 j 7,5 kVA cos1 P2 sin 2 8 j 7 kVA cos 2 S12 S1 S 2 10 j 7,5 8 j 7 18 j14,5 kVA cos 12 18 18 2 14 ,5 2 0.78 lagging Faktor daya total tidak cukup baik Perbaikan Faktor Daya Perbaikan Faktor Daya Perbaikan faktor daya dilakukan pada beban induktif dengan menambahkan kapasitor yang diparalel dengan beban, sehingga daya reaktif yang harus diberikan oleh sumber menurun tetapi daya rata-rata yang diperlukan beban tetap dipenuhi Im jQ kapasitor kVA beban tanpa kapasitor jQ beban (induktif) Re kapasitor paralel dengan beban kVA beban dengan kapasitor P beban Daya yang harus diberikan oleh sumber kepada beban turun dari |S| menjadi |S1|. Perbaikan Faktor Daya CONTOH 380 V rms 50 Hz 10 kW f.d. 0,8 lagging C 8 kW f.d. 0,75 lagging S1 10 j10 tan(arccos 0,8) 10 j 7,5 kVA S 2 8 j8 tan(arccos 0,75) 8 j 7 kVA S12 18 j14,5 kVA cos 12 0.78 Im S12 S12C P12 jQ12 cos 12C 0.95 diinginkan lagging lagging S12C 18 j18 tan(arccos 0.95) 18 j5,9 kVA -jQ12C jQ12C j5,9 j14,5 j8,58 kVAR Re QC C VC 2 XC VC QC VC 2 2 C C 8580 190 F 2 100 380 Diagram Satu Garis Diagram Satu Garis | V | = 380 V rms CONTOH Vs 0,2 + j2 beban 1 10 kW cos = 1 S1 10 j 0 kVA I1 S1 V1* 10000 j 0 387 ,6 6,4 o 25,86,4 0,2 + j2 o beban 2 8 kW cos = 1 I 2* A S2 8 j 0 kVA 8000 j 0 380 0 o 210 o A I 2 210 o A 2 S sal 2 (0,2 j 2) I 2 (0,2 j 2) I 2 I s I1 I 2 25,86,4o 210o 2 0,09 j 0,9 kVA 46,64 j 2,88 46,733,5o A Stot 2 S sal 2 S2 8,09 j 0,9 kVA 2 S sal1 (0,2 j 2) I s (0,2 j 2) 46,732 V1 0,44 j 4,37 kVA Stot 2 I2 * 8090 j 900 385,2 j 42,9 V 210o 387,66,4o V S s S sal1 S1 S sal 2 S 2 0,44 j 4,37 10 8,09 j 0,9 18,53 j5,27 kVA Vs Ss I s* 18530 j 5270 46,73 3,5 o 19265 15,9 o 46,73 3,5 o 412 19 ,4 o V Tujuan • Memahami hubungan sumber dan beban dalam sistem tiga fasa seimbang. • Memahami hubungan fasor-fasor arus dan tegangan pada sistem tiga fasa seimbang • Mampu menentukan hubungan fasor-fasor arus dan tegangan pada sistem tiga fasa seimbang • Mampu melakukan analisis daya pada sistem tiga fasa Sumber Satu Fasa dan Tiga Fasa Sumber Satu Fasa dan Tiga Fasa vs(t) u Vs R 1/jC jL s Sebuah kumparan dipengaruhi oleh medan magnet yang berputar dengan kecepatan perputaran konstan Tegangan imbas yang muncul di kumparan memberikan sumber tegangan bolak-balik, sebesar Vs C vs(t) u N s vs(t) VBN vs(t) Tiga kumparan dengan posisi yang berbeda 120o satu sama lain berada dalam medan magnet yang berputar dengan kecepatan perputaran konstan VCN A VAN B Tegangan imbas di masing-masing kumparan memberikan sumber tegangan bolak-balik. Dengan hubungan tertentu dari tiga kumparan tersebut diperoleh sumber tegangan tiga fasa Sumber Tiga Fasa Dalam pekerjaan analisis rangkaian kita memerlukan referensi sinyal. Oleh karena itu tegangan bolak balik kita gambarkan dengan tetap menyertakan referensi sinyal Untuk sumber tiga fasa, referensi sinyal tegangan adalah sebagai berikut A, B, C : titik fasa C VAN , VBN ,VCN besar tegangan fasa ke netral dituliskan pula sebagai Vfn atau Vf VBN + VCN N + VAN + besar tegangan antar fasa adalah A dituliskan pula sebagai B N : titik netral Simbol sumber tiga fasa: VAB , VBC ,VCA Vff Sumber Tiga Fasa Diagram fasor sumber tiga fasa Im VCN C VBN Diagram fasor tegangan + VCN N + VAN + 120o A B Sumber terhubung Y Keadaan Seimbang |VAN| = |VBN| = |VCN| 120o VAN VBN VAN = |VAN| 0o VBN = |VAN| -120o VCN = |VAN| -240o Re Sumber Tiga Fasa Sumber tiga fasa dan saluran menuju beban C Tegangan fasa-netral VBN + VCN N + VBC VCA IC + A VAN IA VAB B Sumber Tiga Fasa Terhubung Y Saluran ke beban IB Tegangan fasa-fasa Arus saluran Sumber Tiga Fasa Hubungan fasor-fasor tegangan Im Tegangan fasa-fasa: VCN VCA VBN 30o 30o VAN Tegangan Fasa-netral 120o VBN 30o VAB VAB VAN VNB VAN VBN VBC VBN VNC VBN VCN Re VCA VCN VNA VCN VAN VAB V fn 330o VBC V fn 3 90o VBC VCA V fn 3 210o Dalam keadaan seimbang: VAN VBN VCN V fn : nilai tegangan fasa - netral VAB VBC VCA V ff V fn 3 : nilai tegangan fasa - fasa Sumber Tiga Fasa Arus saluran dan arus fasa Arus saluran IC C + VBN N + IA VCN + C Arus fasa C A N VAN B IB A B B Sumber terhubung Y A Beban terhubung Y Arus di penghantar netral dalam keadaan seimbang bernilai nol Arus fasa Beban terhubung Δ Beban Tiga Fasa Beban Tiga Fasa Beban terhubung Y IB B Z IA VBN 120 o VBN VBN IB (120 o ) I f ( 120 o ) Z Z Z Z N A IN o VAN VAN VAN 0 IA I f Z Z Z Z C IC VCN 240 o VCN VCN IC (240 o ) I f ( 240 o ) Z Z Z Im Keadaan seimbang I A I B I C 0 VCN IC IB VBN S 3 f VAN I *A VBN I *B VCN I *C V AN IA Re referensi 3 VAN I A V ff I f 3 Beban Tiga Fasa Contoh IB B Z IA IN Z=4+j3 Z VAN referensi Z IC VBN 220 V 3 VAN 2200 o V ( sebagai referensi) VBN 220 120o V VCN 220 240 o V I C 44 276,8o A Re 380 I B 44(36,8o 120o ) 44 156,8o A Im IB 3 VAN 2200 o 2200o o IA 44 3 6 , 8 A o Z 3 j4 536,8 C IC VCN Vff = 380 V (rms) N A V fn V ff IA VAN I 44 A S3 f 3 VAN I *A 3 2200o 4436,8o 2936,8o kVA P3 f 29 cos 36.8o 23,2 kW Q3 f 29 sin 36.8o 17,4 kVAR Beban Tiga Fasa Beban terhubung Δ IB I AB IAB IA Z A Z ICA Z IBC VBC I BC VBC Z ; I CA VCA Z o V ff VAB V ff 0 Z Z Z I BC I AB 120o ; I CA I AB 240o IBC I A I AB I CA C IC VCA I AB B VAB Z I B I BC I AB ; I C I CA I BC I A I AB 3( 30 o ) I f Im 3( 30 o ) ICA I B I BC 3( 150 o ) I f 3( 150 o ) I C I CA 3( 270 o ) I f 3( 270 o ) IAB ICA IA VAB Re S3 f 3 VAB I*AB 3 V ff 0o I f V ff I A 3 P3 f V ff I A 3 cos S 3 f cos Q3 f V ff I A 3 sin S 3 f sin Beban Tiga Fasa Contoh VAN IB Z=4+j3 IA Vff = 380 V (rms) VAN referensi IAB IBC Im I AB VAB VCN VBC 380 90o ; VCA 380 210o C ICA 3 0 o 220 0 o ; VBN 220 120 o ; VCN 220 240 o VAB VAN 3( AN 30 o ) 380 30 o B A IC 380 VAB 380 30 o 380 30 o 76 6,8o A o Z 4 j3 536 ,8 I BC 76 6,8o 120 o 76 126 ,8o A I CA 76 6,8o 240 o 76 246 ,8o A ICA I A I AB 3(6,8o 30 o ) 76 3 36,8o 131 .6 36,8o A Re IBC IAB VAN I B 131 .6(36,8o 120 o ) 131,6 156 ,8o A I C 131 .6(36,8o 240 o ) 131,6 276 .8o A S3 f 3VABI *AB 3 38030o 76 6.8o 86.6436.8o 69,3 j 52 kVA VBN P3 f 3 R I AB 3 4 (76) 2 69,3 kW 2 Q3 f 3 X I AB 3 3 (76) 2 52 kVAR 2 Analisis Daya Pada Sistem Tiga Fasa Analisis Daya Pada Sistem Tiga Fasa Pada dasarnya analisis daya pada sistem tiga fasa tidak berbeda dengan sistem satu fasa Analisis Daya Pada Sistem Tiga Fasa Contoh Is = ? RB = ? XB = ? S 3 f 3V fn I *f 50 kVA f.d. 0,9 lagging Y VLL = 480 V 3 V fn v I f i 3 V fn I f ( v i ) S3 f 3 V fn I f V ff I f 3 Is I f S3 f V ff 3 50000 60 A 480 3 P S 3 f cos 50 0,9 45 kW ; Q S 3 f sin 50 0,436 21,8 kVAR S 3 f 45 j 21,8 kVA S per Z S per If fasa 2 (15 j 7,3) 1000 4,16 j 2,03 (60 ) 2 fasa S3 f 3 15 j 7,3 kVA R 4,16 ; X 2,03 . Analisis Daya Pada Sistem Tiga Fasa Contoh |Ssumber| = ? IS Z = 2 + j20 IB b e b a n VB VS Vsumber= ? 100 kW 4800 V rms cos = 0,8 lag PB 100 kW S B cos SB 100 125 kVA 0,8 QB S B sin 125 0,6 75 kVAR SB 100 j75 kVA PB VB I B cos 3 IB 100 15 A 4800 0,8 3 S sal 3 (2 j 20) 152 1,35 j13,5 kVA S Sumber S B S sal 101,35 j88,5 kVA S Sumber 101,35 2 88,52 134 ,5 kVA S Sumber VS I S 3 VS I B 3 VS SS IB 3 134 ,5 1000 15 3 5180 V rms Courseware Analisis Rangkaian Listrik Di Kawasan Fasor Course #6 Sudaryatno Sudirham