Pengukuran Besaran Listrik Pengukuran Daya

06. Pengukuran Besaran ListrikPENGUKURAN DAYA

6.1 Elektrodinamometer dalam Pengukuran DayaElektrodinamometer merupakan satu alat ukur yang digunakan secara luas dalam

pengukuran daya.

Alat ini dapat digunakan untuk pengukuran daya arus searah (dc) maupun daya arus

bolak balik (ac), untuk setiap bentuk gelombang tegangan dan arus, dan tidak

terbatas hanya pada gelombang sinus saja.

Elektrodinamometer yang digunakan sebagai voltmeter atau ampermeter, terdiri dari

kumparan-kumparan yang diam dan kumparan yang berputar, dimana kumparan-

kumparan tersebut dihubungkan secara seri, dan karenanya bereaksi terhadap

pengaruh kuadrat arus.

Elektrodinamometer dengan sedikit modifikasi dapat dipakai untuk mengukur :

- Daya satu fasa ( wattmeter satu fasa ).

- Daya tiga fasa ( wattmeter tiga fasa )

- Daya reaktif ( VAR meter ).

- Wattjam ( Wattjam meter atau KWH meter )

- Faktor daya ( power-factor meter )

- Frekuensi ( frequency-meter ).

Pada bagian ini, akan dibahas mengenai penggunaan elektrodinamometer dalam

pengukuran daya.

6.2 Wattmeter Satu Fasa ( Pengukuran Daya Satu Fasa )Wattmeter satu fasa digunakan untuk mengukur daya beban satu fasa.

Pada gambar 1, ditunjukkan diagram sebuah wattmeter elektrodinamometer untuk

pengukuran daya beban satu fasa.

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ir. S.O.D. Limbong PENGUKURAN BESARAN LISTRIK 1

Gambar 1

Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa kumparan-kumparan medan atau kumparan-

kumparan diam, merupakan dua komponen yang terpisah yang dihubungkan secara

seri dan dialiri oleh arus jala-jala total ( ic ).

Kumparan berputar ditempatkan di dalam medan maknet yang dihasilkan kumparan-

kumparan diam, dihubungkan secara seri dengan tahanan pembatas arus ( R ) dan

dialiri arus yang kecil ( ip ).

Arus sesaat yang mengalir pada kumparan putar besarnya ip = e / Rp, dimana:

e adalah tegangan sesaat pada jala-jala dan Rp adalah tahanan total kumparan

berputar beserta tahanan seri R.

Defleksi Kumparan PutarDefleksi atau penyimpangan kumparan berputar sebanding dengan perkalian arus ic

dan ip dan defleksi rata-rata selama satu periode adalah :

1 T

Θrata-rata = K ---- ∫ ic ip dt …………….( 6 - 1 )

T 0

Dimana : Θrata-rata = defleksi sudut rata-rata dari kumparan putar.

K = konstanta instrumen.

ic = arus sesaat dalam kumparan medan.

ip = arus sesaat dalam kumparan potensial / tegangan.

Jika arus ic dianggap sama dengan arus beban i ( pada kenyataannya ic = ip + i ),

maka dengan menggunakan harga ip = e / Rp , persamaan ( 6 - 1 ) berubah menjadi :

1 T 1 T

Θrata-rata = K ---- ∫ i ( e / Rp ) dt = K2 ---- ∫ e i dt …………….( 6 - 2 )

T 0 T 0

Daya rata-rata didalam suatu rangkaian, menurut defenisi adalah :

1 T

Prata-rata = ---- ∫ e i dt …………….( 6 - 3 )

T 0

Yang menunjukkan bahwa elektrodinamometer dalam konfigurasi pada gambar 1,

mempunyai defleksi yang sebanding dengan daya rata-rata.

Jika e dan i, merupakan besaran-besaran sinus yang mempunyai bentuk :

e = Emaks Sin wt dan i = Imaks Sin ( wt + θ ), maka persamaan ( 6 - 2 ) menjadi :

θrata-rata = K3 E I Cos θ …………….( 6 - 4 )


dimana E dan I, menyatakan nilai efektif tegangan dan arus dan θ menyatakan beda

sudut fasa antara tegangan dan arus.

Persamaan ( 6 - 2 ) dan ( 6 - 3 ), menunjukkan bahwa elektrodinamometer mengukur

daya rata-rata yang dikirim ke beban.

Karakteristik Wattmeter :- Wattmeter mempunyai satu terminal tegangan dan satu terminal arus yang diberi

tanda “ + “.

Jika terminal arus yang diberi tanda ini dihubungkan kesisi jala-jala masuk

( input ) dan terminal tegangan kesisi jala-jala dalam mana kumparan arus

dihubungkan, alat ukur selalu akan membaca naik, apabila daya dihubungkan ke

beban.

- Jika jarum membaca mundur ( khususnya untuk pengukuran daya tiga fasa

dengan metoda dua wattmeter ), maka sambungan arus harus dipertukarkan.

- Untuk mempertahankan medan maknetnya, wattmeter elektrodinamometer

memerlukan sejumlah daya, akan tetapi daya ini jauh lebih kecil dibandingkan

terhadap daya beban, sehingga dapat diabaikan.

- Untuk pembacaan daya yang tepat, kumparan arus harus mengalirkan arus

beban, dan kumparan potensial harus dihubungkan diantara terminal-terminal

beban.

Hubungan kumparan potensial : Perhatikan rangkaian wattmeter pada gambar 1 :

- Jika kumparan potensial dihubungkan ke titik A, maka tegangan yang diukur

adalah tegangan beban, akan tetapi arus melalui kumparan medan lebih besar,

yaitu ip, sehingga wattmeter membaca lebih tinggi sebesar kehilangan daya

tambahan pada rangkaian potensial.

Hubungan ini lebih diinginkan untuk beban-beban dengan arus tinggi, tegangan rendah.

- Jika kumparan potensial dihubungkan ke titik B, maka tegangan yang diukur

lebih besar sebanyak drop tegangan pada kumparan medan, akan tetapi arus

yang mengalir pada kumparan medan adalah harus beban yang sebenarnya,

dan wattmeter akan mengukur daya lebih tinggi, akan tetapi kehilangan daya

sebesar I 2 R di dalam kumparan medan.

Hubungan ini lebih diinginkan untuk beban-beban dengan arus rendah, tegangan tinggi.


Wattmeter terkompensasi :Pada gambar 2, ditujukkan diagram rangkaian sebuah wattmeter terkompensasi,

yang digunakan untuk mengatasi kesulitan dalam menempatkan sambungan

kumparan potensial, dimana kumparan arus terdiri dari dua bagian, masing-masing

mempunyai jumlah lilitan yang sama.

Salah satu kumparan menggunakan kawat besar yang menghantarkan arus beban

dan arus kumparan potensial, sedangkan kumparan lainnya mengguna-kan kawat

kecil dan hanya menghantarkan arus ke kumparan potensial, akan tetapi arus ini

berlawanan arah dengan arus didalam kumparan besar, menyebabkan fluksi yang

berlawanan arah dengan fluksi utama, sehingga pengaruh ip dihilangkan dan

wattmeter menunjukkan daya yang sebenarnya.

6.3 Wattmeter Tiga Fasa ( Pengukuran Daya Tiga Fasa ) Penggunaan dua atau lebih wattmeter diperlukan untuk pengukuran daya dalam

suatu sistem fasa banyak.

Daya nyata total diperoleh dengan menjumlahkan secara aljabar pembacaan

masing-masing wattmeter.

Teorema Blondel menyatakan bahwa : daya nyata dapat diukur dengan mengu-rangi

satu wattmeter dari sejumlah kawat-kawat dalam setiap sistem fasa banyak, dengan

persyaratan satu kawat dapat dibuat sebagai terminal bersama ( “ common “ )

terhadap semua rangkaian potensial.

Pada gambar 3a, ditunjukkan hubungan dua buah wattmeter untuk pengukuran

konsumsi daya sebuah beban tiga fasa setimbang hubungan delta, dimana :

Kumparan arus wattmeter 1 dihubungkan pada line A, dan kumparan tegangan

dihubungkan antara line A dan C.


Gambar 2

Kumparan arus wattmeter 2, dihubungkan pada line B, dan kumparan tegangan

antara line B dan C.

Penjumlahan aljabar dari pembacaan kedua wattmeter, merupakan jumlah daya

total yang digunakan oleh beban setimbang tiga fasa.

Gambar 3b, menunjukkan diagram fasor tegangan dan arus di dalam sistem tiga

fasa tiga-kawat dan sudut antara tegangan fasa dan arus fasa dinyatakan oleh θ.

VAC , VCB , dan VBA adalah tegangan beban tiga fasa dan IAC , ICB , dan IBA adalah arus

beban tiga fasa.

Beban hubungan delta dianggap induktif, dan arus fasa tertinggal dari tegangan fasa

sebesar sudut θ.


a

b

Gambar 3

Kumparan arus wattmeter 1, mengalirkan arus line IA’A, yang merupakan pen-

jumlahan vektor dari arus arus-arus fasa IAC dan IAB, sedangkan kumparan potensial

dihubungkan ke tegangan line ( jala-jala ) VAC.

Kumparan arus wattmeter 2, mengalirkan arus line IB’B , yang merupakan pen-

jumlahan vektor dari arus-arus fasa IBA dan IBC , sedangkan kumparan potensialnya

dihubungkan ke tegangan line VBC.

Pada beban setimbang, tegangan-tegangan fasa dan arus-arus fasa besarnya sama

dan dinyatakan :

VAC = VBC = V dan IAC = IBC = IBA = I

Daya, dinyatakan oleh arus dan tegangan masing-masing wattmeter, yaitu :

W1 = VAC IA’A Cos ( 300 - θ ) = V I Cos ( 300 - θ ) ….………( 6 - 5 )

W2 = VBC IB’B Cos ( 300 + θ ) = V I Cos ( 300 + θ ) .….…..... ( 6 - 6 )

dan

W1 + W2 = V I Cos ( 300 - θ ) + V I Cos ( 300 + θ )

= V I ( Cos 300 Cos θ + Sin 300 Sin θ + Cos 300 Cos θ -

Sin 300 Sin θ )

W1 + W2 = √3 V I Cos θ ... .………( 6 - 7 )

Persamaan ( 6 - 7 ), merupakan pernyataan daya total dalam sebuah rangkaian tiga

fasa, oleh karena itu kedua wattmeter pada gambar 3a secara tepat mengukur daya

total.

Penjumlahan aljabar dari pembacaan kedua wattmeter, akan memberikan nilai daya

sebenarnya untuk setiap : kondisi tidak seimbang, faktor daya atau bentuk

gelombang.

Untuk sistem tiga fasa empat kawat dihubungkan ke beban bintang empat Kawat ,

maka sesuai dengan teorema Blondel, diperlukan tiga wattmeter untuk mengukur

daya nyata total.

6.4 VAR meter ( Pengukuran daya Reaktif )Var meter adalah sebuah alat yang merupakan gabungan antara wattmeter dan

transformator pergeseran fasa, digunakan untuk pengukuran daya reaktif yang timbul

pada sebuah rangkaian arus bolak balik.

Daya reaktif yang disuplai ke sebuah rangkaian arus bolak balik dinyatakan dalam

satuan VAR ( Volt-Amper-Reaktif ).

Untuk menjelaskan perbedaan antara daya nyata dan daya reaktif, perhatikan

gambar 4, dimana ditunjukkan dua fasar tegangan E dan arus I dengan beda sudut

fasa sebesar θ.


Besar daya nyata adalah perkalian komponen-komponen sefasa antara tegangan

dan arus, yaitu : ( E I Cos θ ), sedangkan daya reaktif adalah perkalian komponen-

komponen reaktif, yaitu : E I Sin θ atau E I Cos ( θ - 900 ).

Jika tegangan bergeser sebesar 900 dari nilai sebenarnya, komponen tegangan

sefasa yang tergeser akan menjadi E Cos ( θ - 900 ), sehingga perkalian komponen-

komponen yang sefasa, yaitu : E I Cos ( θ - 900 ), merupakan daya reaktif.Untuk mengukur daya reaktif ini, digunakan wattmeter bersama-sama dengan

sebuah jaringan penggeser fasa.

Pada sebuah rangkaian satu fasa, komponen-komponen R, L, dan C yang berim-

bang dapat menghasilkan pergesaran fasa sebesar 900.

Rangkaian pengukuran daya reaktif ( VAR ) dalam sistem tiga fasa dimana

pergeseran fasa yang diinginkan dilakukan dengan menggunakan dua

autotransformator yang dihubungkan dalam konfigurasi “ delta terbuka “, seperti

ditunjukkan pada gambar 5.

Kumparan-kumparan arus dari wattmeter dihubungkan seri dengan jala-jala ( line ),

sedangkan kumparan-kumparan potensialnya dihubungkan ke kedua autotransfor-

mator seperti ditunjukkan pada gambar.

Kawat antaran fasa B dihubungkan ke terminal bersama ( “ common “ ) kedua

autotransformator dan fasa antaran A dan C dihubungkan ke pencabangan ( tap )

100 % dari kedua transformator.

Kedua autotransformator menghasilkan 115,4 % tegangan antaran pada gulungan

total.

Kumparan potensial wattmeter 1 dihubungkan dari pencabangan ( tap ) 57,7 %

transformator 1 ke pencabangan 115,4 % transformator 2, yang akan menghasilkan

tegangan yang sama dengan tegangan antaran tetapi bergeser sejauh 900, seperti

ditunjukkan pada diagram fasor gambar 5.


Gambar 4

Kumparan tegangan wattmeter 2 dihubungkan dengan cara yang sama, yaitu dari

pencabangan 57,7 % transformator 2 ke pencabangan 115,4 % transformator 1.

Karena kedua kumparan tegangan menerima gaya gerak listrik ( ggl ) yang sama

dengan tegangan antaran tetapi bergeser 900 , maka kedua wattmeter akan

membaca daya reaktif yang digunakan oleh beban.

Jumlah aljabar dari pembacaan kedua wattmeter, merupakan daya reaktif total yang

disuplai ke beban.

6.5 Alat Ukur Wattjam ( Pengukuran Energi Listrik )Alat ukur wattjam ( watthourmeter atau Kwh Meter ) banyak digunakan secara

komersil untuk pengukuran energi listrik.

Gambar 6, menunjukkan skema atau rangkaian elemen alat ukur wattjam satu fasa,

dimana :

- Kumparan arus dihubungkan ke jala-jala ( line atau antaran ), sedang kumparan

tegangan dihubungkan paralel dengan jala-jala.

- Untuk melengkapi dua rangkaian maknet, kedua kumparan dililitkan pada sebuah

kerangka logam dengan desain khusus.


Gambar 5

- Sebuah piringan aluminium ringan digantung di dalam celah udara medan

kumparan arus, yang mengakibatkan di dalam piringan mengalir arus pusar.

- Akibat adanya arus pusar dan medan kumparan tegangan, akan dibangkitkan

sebuah torsi pada piringan, yang besarnya sebanding dengan besar kuat medan kumparan tegangan dan arus pusar di dalam piringan, ( yang berturut-turut

merupakan fungsi kuat medan kumparan arus ), dan torsi ini menyebabkan

piringan berputar.

- Jumlah putaran piringan sebanding dengan energi yang telah digunakan oleh

beban dalam periode waktu tertentu, dan diukur dalam kilowatt-jam ( Kwh,

Kilowatt-hour ).

- Untuk melengkapi pembacaan KWh yang terkalibrasi dalam desimal, poros yang

menopang piringan aluminium dihubungkan melalui susunan roda gigi ke

mekanisme jam di panel alat ukur.

- Dua maknet permanen kecil ditempatkan saling berhadapan pada sisi piri-ngan,

untuk meredam putaran piringan. Jika piringan berputar, maknet-maknet

permanen ini akan menginduksi arus pusar di dalamnya dan arus-arus pusar ini

akan bereaksi dengan medan maknet dari maknet-maknet permanen kecil, dan

meredam gerakan piringan.

- Kalibrasi alat ukur wattjam dilaksanakan pada dua kondisi, yaitu :

a. pada kondisi beban penuh yang diijinkan : disini kalibrasi terdiri dari

pengaturan posisi maknet-maknet permanen kecil, agar alat ukur membaca

dengan tepat.

b. pada kondisi 10 % dari beban yang diijinkan ( beban ringan ) :


Gambar 6

Pada beban-beban yang sangat ringan, komponen tegangan dari medan

akan menghasilkan suatu torsi yang tidak berbanding langsung dengan

beban , dan kompensasi kesalahan dilakukan dengan menyisipkan se-buah

kumparan pelindung atau plat diatas kumparan tegangan dengan membuat

alat ukur bekerja pada 10 % dari beban yang diijinkan.

Kedua posisi ini akan menghasilkan pembacaan yang memuaskan untuk semua

beban-beban lainnya.

- Pengukuran energi dalam sistem tiga fasa dilakukan alat ukur wattjam tiga fasa,

dimana kumparan arus dan kumparan tegangan dihubungkan dengan cara yang

sama seperti wattmeter tiga fasa pada gambar 3a.

Masing-masing fasa alat ukur wattjam memiliki rangkaian maknetik dan piringan

sendiri, dan semua piringan akan dijumlahkan secara mekanik dan putaran total

permenit dari poros sebanding dengan energi total tiga fasa yang digunakan.

- Sebuah alat ukur wattjam satu fasa ditunjukkan pada gambar 7.

Daftar Pustaka

1. Wiliam D. Cooper, “ Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran “

Jakarta, September 2008

Ir. S.O.D. Limbong


Gambar 7

Pengukuran Besaran Listrik Pengukuran Daya

Documents

Transcript of Pengukuran Besaran Listrik Pengukuran Daya