TEKNIK TENAGA LISTRIK DAN ELEKTRONIKA Materi : 1. Pendahuluan 2. Pandangan singkat masalah Teknik tenaga Listrik 3. Element-element listrik dan Elektronika 4. Penggunaan rumus-rumus Kelistrikan dan Elektronika 5. Dasar Mesin-mesin Listrik dalam Industri 6. Model system pengendalian mesin-mesin listrik 7. Pembebanan motor-motor dalam Industri 8. Stabilisitas sistem 1.2.

Referensi : Arismunandar, A., 1973, Teknik Tenaga Listrik jilid II, Pradya Paramita, Jakarta Bolton W, Mechatronics Electronic Control Systems In Mechanbical Enginering D. Chattopadhyay., P.C. Rakshit, 1989, Dasar Elektronika, UI press, Jakarta. H.C. Yohannes., 1979, Dasar-Dasar Elektronika, Ghalia Indonesia. Thomas Sri Widodo, DEA, Dipl.Ing, 2002, Elektronika

3.

4.

5.

Dasar, Salemba Teknika.6.

Michael Neidle., 1982, Elektrical Instalation Teknology, Macmillan Press Ltd.

1

7.

Michael Neidle., 1979, Basic Elektrical Instalations, 2nd Edition, Macmillan Press Ltd. Suyanto M, 2000, Diktat kuliah Instalasi listrik jilid 1, ISTA Jogjakarta. Van Harten P, Setiawan E., 1991, Instalasi Listrik Arus Kuat Jilid III, Bina Cipta, Bandung Zuhal, 1988, Dasar teknik Tenaga listrik Dan elektronika daya, PT Gramedia

8.

9.

10.

Pendahuluan Piranti-piranti pengontrol otomatis ini sangat

berguna bagi manusia. Apalagi jika ditambah dengan suatu kecerdasan melalui program yang ditanamkan dalam sistem tersebut akan semakin meringankan tugastugas manusia. Akan tetapi secerdas apapun sebuah mesin tentu masih membutuhkan peranan manusia untuk mengatur dan mengontrol piranti-piranti ini. Otomasi kontrol bukan untuk menggantikan sepenuhnya peranan manusia, tetapi mengurangi peranan dan meringankan tugas-tugas manusia dalam pengontrolan suatu proses.

2

Dengan adanya perkembangan teknologi, maka mata kuliah Teknik Tenaga Listrik atau Teknik Kendali (control automatic) memberikan kemudahan dalam : 1. Mendapatkan performansi dari sistem Dinamik, 2. Dapat mempertinggi kualitas produksi 3. Menurunkan biaya produksi, 4. Mempertinggi laju produksi, 5. Dan meniadakan pekerjaan- pekerjaan rutin yang membosankan, yang harus dilakukan oleh manusia. Maka dengan mencakup konsep-konsep teori jaringan (Network theori) akan mendapatkan suatu analisis system pengaturan dan pengendalian pada hasil keluaran (output) yang dikehendaki. Dengan demikian didalam permasalahan Analisis Sistem Teknik akan dibahas masalah: System dan model system, juga perumusan matematis system yang ditinjau dan serta cara penyelesaiannya. Untuk teknik umpan balik (feedback ) adalah merupakan salah satu proses paling dasar dan hampir terdapat di semua system dinamik antara lain : Hal-hal yang berkaitan dengan diri manusia Hubungan antara manusia dengan mesin-mesin Peralatan-peralatan yang saling menunjang. Sehingga system adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama dan dapat menjalannkan tugas-tugas tertentu antara lain: - Sistem Elektris - Sistem Mekanis

3

- Sistem Thermis - Sistem Biologis

Contoh : Open Loop System Yaitu : akibat pengaruh output kepada input melalui operator ( Manusia )S t=0

+ V1 -

InputI(t)

SPengatur

RPenggerak

Output

R2

Closed loop control System: Yaitu pengaruh output ke input disebut feedback yang berarti suatu komponen keadaan tiap saat dari output (akibat) diberitaukan ke input ( penyebab ). Jadi Input dan output berasamasama mengatur kerja system sampai output mencapai harga yang diinginkan.Penggerak +

Input-

R

Output

Pengukur

B

4

B ( bimetal ) : yang terdiri dari dua buah keeping logam yang mempunyai koefisient expansitermal ( ) yang berlainan dan dilekatkan menjadi satu. Dengan adanya perbedaan expansitermal tersebut, bila bimetal dipanaskan atau didinginkan akan mengalammi perubahan bentuk, atau berubah bentuk sehingga terjadi perubahan pada jari-jari tertentu. Elemen-elemen Listrik 1. Elemen Listrik Pasif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat menerima/membutuhkan tegangan listrik. Resistor Capasitor Induktor 2. Elemen Listrik Aktif : Adalah elemen listrik yang mempunyai sifat membangkitkan atau memberikan tenaga listrik. Sumber Arus Sumber tegangan

Komponen-komponen Listrik Resistor : Adalah suatu hambatan dari suatu benda sebagai penghantar atau Isolator. Besarnya hambatan (Resistansi ) dari bahan dapat dirumuskan sebagai berikut : Tahanan suatu bahan /material tergantung pada :5

L R= A

dimana : R = Besarnya Hambatan ( ) = Hambatan Jenis (m ) L = Panjang bahan ( m ) A = Luas penampang ( mm2 )

Hambatan yang sengaja dibuat untuk tujuan tertentu misalnya, akan dipakai untuk membatasi arus yang akan mengalir sehingga memberikan tegangan tertentu : Maka dapat dikatakan sebagai penghantar ( Konduktor ): karena mempunyai nilai tahanan yang rendah. Seperti - Logam - Logam Campuran - Larutan asam Disebut sebagai Isolator karena mempunyai hambatan isolasi yang tinggi Misal : Mika, gelas, Karet, PVC Hubungan Tahnan (R ) dengan temperature ( T ) adalah : RRt1

R0 t C 234,5 C ? tC t1

6

Sudut Linear selalu sama pada mumnya, bila temperature naik nilai tahnan ( R ) juga ikut naik. Apabila kenaikkannya linear,maka hubungan antara R dan T dimana :R t1

=R0 (1 + .t )

R R2

= Tahanan pada 0 C Rt = Tahanan pada t0C T = Temperature = Koefisien suhu tahanan

0

R0

R0

R1 1

2

R2 =R1 { + (t 2 1 )} 1 t

234,5 C

? tC t1

t2

t C

R1 = R0 (1 + 0 t1 ) R2 = R0 (1 + 0 t 2 )....................

R 2 R 0 (1 + 0 t 2 ) 1 = = (1 + 0 t 2 ) (1 + 0 t 2 ) R1 R0 (1 + 0 t1 )

R2 R0 (1 + 0 t 2 ) = = (1 + 0 t 2 ) (1 + 0 t 2 ) 1 R1 R0 (1 + 0 t1 )

1 = (1 + 0 t 2 ) (1 0 t 2 ) 2 = (1 0 t1 + 0 t 2 0 t1 t 2 )

R2 = (1 t1 + t 2 ).... [1 + ( t 2 t1 ) ] R 2 = R 1 {1 + ( t 2 t 1 )}.....terbu kti R1

Sumber Arus dan Tegangan

7

Didalam elemen listrik aktip dapat dikatakan sebagai sumber arus atau sumber tenaga, tetapi untuk penekanan terhadap waktu yang panjang, apakah tegangan atau arus yang konstan. Untuk sumber Arus, berarti untuk waktu yang lama di,ana besarnya arus dapat dikatakan konstan.

I = su be m r a sD ru C

I(t) = su b m er aru A s C

Untuk sumber tegangan, dimana dapat konstan :V(dc) Em ax V(AC )

m m t t=0 2

+V(dc)

E tEm in

Contoh Soal :S t=0

R1

+Vin I

R2

Vout

8

Tuliskan persamaan system Open loop untuk V0(tegangan keluaran ) sebagai fungsi dari ( Vin, R1 dan R2 ). b. Tuliskan persamaan system Closed loop untuk V0(tegangan keluaran ) sebagai fungsi dari ( Vin, Vout, R1 dan R2 ).a.

Penyelesaian : Menurut Hukum Kirchoff I dan II Bahwa ( KCL da KVL ) a). OPEN LOOPV0 = R2 ...... = Vin R1 + R2 R2 V0 = Vin ....Sehingga.memenuhi fungsi ( f )[Vin ,.R1 ,.R2 ] R1 + R2

b). CLOSED LOOPI= Vin Vout .........Sehingga Vout = R2 R1

R2 V Vout R2 Vout = R2 in = Vin Vout R1 R1 R! Vout ..... Memenuhi... fungsi...dari ( f )..adalah.(Vin , Vout , R1 , R2

Besaran-besaran listrik secara umum : Besaran listrik secara umum terdiri dari beberapa komponen

9

Komponen komponen listrik 1. Resistansi : Secara umum fungsi dari komponen resistor adalah sebagai pengatur kuat arus yang mengalir. Nilai resistor dinyatakan dalam satuan ohm (). Resistor

dilambangkan dengan huruf R, sedangkan dalam skema disimbolkan sebagai :

a

b

Gambar 1. a. Simbol tahanan tetap b. Simbol tahanan variabel Jika resistor (R) dipasang pada tegangan (V) yang tetap, maka : a. Kuat arus I akan menjadi kecil, bila resistor R besar. b. Kuat arus I akan menjadi besar, bila resistor R kecil. Menurut hukum ohm I bahwa : maka :V ( t ) = Rxi( t )

Vr = ixR

volt

10

Daya yang dikeluarkan :P = Vrxi = (ixR) xi = i xR2

wattdw = p.dt

Energi (watt detik)

dimana :

w = dw

Sehingga besarnya Energi adalah : w = P.dt Macam-macam resistor :a.

joule

Resistor tetap, disebut weerstand (bahasa Belanda)

yang kaki-kakinya terletak pada ujung-ujungnya dan dalam praktek dapat dipasang bolak-balik. Nilai resistor dinyatakan dengan warna gelang yang melingkar pada bagian luar resistor tersebut. Kode warna gelang diciptakan oleh perkumpulan pabrik-pabrik radio Eropa dan Amerika yang bernama RMA (Radio Manufactores

Association). Setiap resistor ditandai dengan 4 warnagelang, dimana warna-warna tersebut melambangkan angka-angka sebagai berikut :

11

Hitam : 0 (nol); Coklat: 1 (satu); Merah: 2 (dua); Jingga: 3 (tiga); Kuning : 4 (empat); Hijau : 5 : 8

(lima); Biru: 6 (enam); Ungu: 7 (tujuh);Kelabu (delapan); Putih: 9 (sembilan)

Warna-warna untuk toleransinya sebagai berikut : Emas Perak : 5% : 10% : 20%T o le r a n si B a n ya k A n g ka n o l A n g ka P e r ta m a A n g ka K e d u a

Tanpa Warna

Gambar 2. Penunjuk Kode Warna Keterangan : nol.

Pita pertama melambangkan angka pertama. Pita kedua melambangkan angka kedua. Pita ketiga melambangkan banyaknya angka Pita warna keempat melambangkan toleransi.

Contoh : 1) Merah, ungu, jingga, emas ; artinya 27 K Ohm

toleransi 5%.

12

2)

Hijau, biru, coklat, emas ; artinya 560 Ohm

toleransi 5%. 3) Jingga, putih, jingga, perak ; artinya 39 K Ohm

toleransi 10%. Bila hanya terdapat tiga pita warna, sedang pita warna keempat tidak ada berarti toleransinya adalah 20%. Contoh : 1) Jingga, putih, merah ; artinya 3 K 9 Ohm

toleransi 20%. 2) Hijau, biru, kuning ; artinya 360 K Ohm

toleransi 20%. Jika pita warna ketiga itu emas, maka dua angka yang dilambangkan pita warna pertama dan kedua dikalikan dengan 0,1 dan bila pita warna ketiga itu perak pengalinya adalah 0,01. Contoh :

13

1)

Coklat, hitam, emas ; artinya 1 Ohm toleransi

20%. 2) Merah, hijau, perak ; artinya 0,25 Ohm

toleransi 20%. b. Variabel Resistor (VR) Adalah resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah, variabel resistor menjadi 2 macam : 1) Potensimeter, ada 2 macam : Potensio Linier, ialah potensio yang apabila kontak gesenya dipindah nilai hambatannya berubah sesuai dengan perhitungan linier. Potensio logaritmis, ialah potensio yang apabila kontak gesenya dipindah nilai hambatannya berubah sesuai dengan perhitungan logaritma. Potensiometeer kebanyakan dipergunakan sebagai alat pengatur, misal : dapat digolongkan

14

1. 2. 3. 4.

Alat pengatur suara (Volume Control) Alat pengatur nada (Tone Control) Alat pengatur nada tinggi (Treble Control) Alat pengatur nada rendah (Bass Control)

A 5 K 0

Gambar 2.3 Potensiometer dan lambangnya 2) Trimmer potensio = Trimpot Cara merubah nilai hambatan pada tripot adalah dengan jalan memutar memakai obeng (drei).

15

Gambar 2.4 Trimer Potensio dan lambangnya 2. Kapasitor Kapasitor atau biasa juga disebut Kodensator, adalah merupakan komponen elektronika yang dapat menyimpan tenaga listrik dalam waktu tertentu, tanpa disertai reaksi kimia. Kapasitor berlainan dengan aki, dimana aki juga dapat menyimpan tenaga listrik, tetapi dengan disertai reaksi kimia. Pada dasarnya kapasitor terdiri dari 2 keping penghantar (konduktor) yang disekat satu dengan yang lain. Bahan penyekat keping ini disebut Dielektrika (Gambar 3.5). Berdasarkan bahan dielektikanya, maka kapasitor dibagi atas berbagai macam-maca,

diantaranya : a. b. c. Kapasitor keramik : jika dielektikanya keramik Kapasitor kertas : jika dielektikanya kertas Kapasitor mika : jika dielektikanya mika

16

d.

Kapasitor elektrolit (elco) : jika dielektikanya

oksida alumuniume.

Kapasitor variable (varco) Kapasitor trimmer

f.

Dielektika Konduktor

Konduktor

Gambar 2.5 Dielektrika Kondensator Dari beda. bermacam-macam kapasitor tenaga mempunyai listrik dari

kemampuan menyimpan tenaga listrik yang berbedaKemampuan menyimpan kapasitor disebut kapasitansi (C), besar muatan (Q) diukur dengan satuan coulomb. Dan kapasitor yang memperoleh muatan listrik akan mempunyai tegangan antar terminal sebesar (V) volt. Kapasitansi dapat diukur berdasarkan besar muatan yang dapat disimpan pada suatu kenaikan tegangan.

17

C= Tegangan (V) : Arus (i) : Maka :Vc = dVc dt 1 idt C

Q V V (t) = 1 idt C 1 idt C

Juga untuk sehinggaVc =

i=C

i=

dVc dVc =C 1 dt dt C

Permukaan kapasitor yang berhubungan biasanya berbentuk plat rata. Ukuran kapasitor bergantung pada luas plat (A), jarak antar plat (d) dan medium penyekat. Kapasitansi juga dapat diukur dengan rumus : C= Dimana :o r A d

=

o . r

= permitivitas tempat = permitivitas relatif : P = Vc x i = c idt = c i dt 2

Daya (P)

1

1

watt

Energi (w) yang tersimpan pada kapsitor dapat dihitung dengan rumus :

18

dw = Pdt = Vcxi.dt = VcxCSehingga :1 2 w = C VcxdVc = xCxVc 2 1 C 2

dVc dt dt

Maka Energi mutlak = Kapasitansi total

V2 diubah dengan cara

dapat

menghubungkan beberapa kapasitor secara seri atau pararel. Kapasitor total dapat dikurangi dengan cara dihubungkan secara seri dan dapat dicari dengan rumus :1 1 1 1 = + + ... + CT C1 C 2 Cn

Sedangkan kapasitas total dapat ditambah dengan cara dihubungkan secara pararel dan dapat dicari dengan rumus : CT = C1 + C2 + + Cn Satuan kapasitas dari kapasitor itu dinyatakan dalam farad. 1 farad ialah kemampuan kapasitor untuk

menyimpan tenaga listrik atau mesin listrik 1 coulomb,

19

apabila kapasitor itu diberi tegangan listrik 1 volt. Dalam praktek, dibuat satuan-satuan yang lebih kecil, yaitu : 1 mikrofarad ( fd) = 1 nanofarad (nf) 1 pikofarad (pfd) = = 10-6 farad 10-9 farad 10-12 farad

Disamping untuk menyimpan tenaga atau muatan listrik, kapasitor juga dapat digunakan untuk : a. Peredam bunga api (kapasitor keramik) b. Perata denyut arus listrik (kapasitor elektrolit) c. Rangkaian resonansi dalam tuning sirkuit, atau mencari gelombang radio (kapasitor variable) d. Menggeser gelombang atau menepatkan frekuensi (kapasitor trimmer)

3.

Transformator

20

Transformator atau biasa disebut dengan trafo adalah alat untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dan digunakan untuk memindahkan energi dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian berikutnya tanpa merubah frekuensi. Dalam aplikasinya trafo dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu : 1. Transformator Step-Up atau tranformator penaik tegangan adalah tranformator yang digunakan untuk menaikkan tegangan dari rendah ke tegangan yang lebih tinggi. 2. Transformator penurun Step-Down adalah atau transformator yang

tegangan

transformator

digunakan untuk menurunkan tegangan dari tinggi ke tegangan yan lebih rendah. Cara kerja transformator adalah sebagai berikut :

21

1. Jika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan arus AC, maka pada kumparan primer timbul garis-garis gaya magnet yang berubah-ubah. 2. Perubahan garis-garis gaya dari kumparan primer ini menginduksi kumparan sekunder sehingga pada

kumparan sekunder timbul arus bolak-balik. Dengan memilih jumlah lilitan yang sesuai untuk tiap kumparan dapat dihasilkan GGL kumparan sekunder yang berbeda dengan GGL kumparan primer. Hubungan GGL atau tegangan primer (Vp) tegangan sekunder (Vs), jumlah lilitan kumparan primer (np) dan jumlah lilitan kumparan sekunder (ns) dapat dinyatakan dengan rumus :Tegangan primer Jumlah lilitan primer = Tegangan sekunder Jumlah lilitan sekunderVp np = Vs ns

22

yang biasa disebut dengan perbandingan transformasi. Dengan memperhatikan perbandingan transformasi kita dapat mengetahui jenis dari transformator tersebut apakah trafo Step-Up atau Step-Down. Pada transformator terdiri dari banyak belitan, sehinga dapat dipandang sebagai Induktor, dengan demikian dapat diuraikan sebagai berikut :di ( t ) Induktor mempunyai tegangan (V) : V ( t ) = L dt di ( t ) = 1 xVl.dt L

(L)

Dimana : ( i) menyatakan sebagai fungsi waktu (t) menyatakan panjang lilitan (H)1 Sehingga besarnya arus adalah ( i ) = L VL.dt

Besarnya daya (P) : = Lxi dtdi

P = VLxi

maka

P =L

di xi dt

wattdw = Pdt

Energi yang tersimpan (w) : Sehingga :(W ) = 1 xLx i 22 w = Lxi di dt = L i.di dt

maka w = p.dt

maka (Energi) adalah

joule

23

24