LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
1. TUJUAN PERCOBAAN
1. Mahasiswa dapat menentukan daya aktif dari beban RESISTIF, INDUKTIF,
dan KAPASITIF
2. Mahasiswa dapat menentukan faktor daya dan faktor daya reaktif
3. Mahasiswa dapat menggambarkan ketiga komponen daya atau SEGITIGA
DAYA
4. Mahasiswa dapat Menggambarkan vektor arus dan tegangan
2. DASAR TEORI
Dalam kehidupan sehari-hari kita jumpai alat-alat seperti dinamo sepeda
dan generator. Kedua alat tersebut merupakan sumber arus dan tegangan listrik
bolak-balik. Arus bolak-balik atau alternating current (AC) adalah arus dan
tegangan listrik yang besarnya berubah terhadap waktu dan dapat mengalir dalam
dua arah. Arus bolakbalik (AC) digunakan secara luas untuk penerangan maupun
peralatan elektronik. Dalam bab ini kita akan membahas mengenai hambatan,
induktor, dan kapasitor dalam rangkaian arus bolak-balik. Rangkaian Arus Bolak
Balik
Sumber arus bolak-balik adalah generator arus bolak-balik yang prinsip
kerjanya pada perputaran kumparan dengan kecepatan sudut ω yang berada di
dalam medan magnetik. Sumber ggl bolak-balik tersebut akan menghasilkan
tegangan sinusoida berfrekuensi f. Dalam suatu rangkaian listrik, simbol untuk
sebuah sumber tegangan gerak elektrik bolak-balik adalah:
Tegangan sinusoida dapat dituliskan dalam bentuk persamaan tegangan
sebagai fungsi waktu, yaitu:
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
V = Vm.sin 2π.f.t .................................................. (1)
Tegangan yang dihasilkan oleh suatu generator listrik berbentuk sinusoida.
Dengan demikian, arus yang dihasilkan juga sinusoida yang mengikuti
persamaan:
I = Im.sin 2π.f.t .................................................... (2)
dengan Im adalah arus puncak dan t adalah waktu.
Untuk menyatakan perubahan yang dialami arus dan tegangan secara
sinusoida, dapat dilakukan dengan menggunakan sebuah diagram vektor yang
berotasi, yang disebut diagram fasor. Istilah fasor menyatakan vektor berputar
yang mewakili besaran yang berubah-ubah secara sinusoida. Panjang vektor
menunjukkan amplitudo besaran, dan vektor ini dibayangkan berputar dengan
kecepatan sudut yang besarnya sama dengan frekuensi sudut besaran. Sehingga,
nilai sesaat besaran ditunjukkan oleh proyeksinya pada sumbu tetap. Cara ini baik
sekali untuk menunjukkan sudut fase antara dua besaran. Sudut fase ini
ditampilkan pada sebuah diagram sebagai sudut antara fasor-fasornya.
Beban Resistif
Beban resistif adalah beban listrik pada rangkaian listrik AC, yang
diakibatkan oleh peralatan listrik dengan sifat resistif murni, sehingga beban
tersebut tidak mengakibatkan pergeseran fasa arus maupun tegangan listrik
jaringan.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Beban resistif dihasilkan oleh alat-alat listrik yang bersifat murni tahanan
(resistor) seperti pada elemen pemanas dan lampu pijar. Beban resistif ini memiliki
sifat yang "pasif", dimana ia tidak mampu memproduksi energi listrik, dan justru
menjadi konsumen energi listrik. Resistor bersifat menghalangi aliran elektron
yang melewatinya (dengan jalan menurunkan tegangan listrik yang mengalir),
sehingga mengakibatkan terkonversinya energi listrik menjadi panas. Dengan sifat
demikian, resistor tidak akan merubah sifat-sifat listrik AC yang mengalirinya.
Gelombang arus dan tegangan listrik yang melewati resistor akan selalu
bersamaan membentuk bukit dan lembah. Dengan kata lain, beban resistif tidak
akan menggeser posisi gelombang arus maupun tegangan listrik AC.
Gelombang Sinusoidal Beban Resistif Listrik AC
Nampak pada grafik di atas, karena gelombang tegangan dan arus listrik
berada pada fase yang sama maka nilai dari daya listrik akan selalu positif. Inilah
mengapa beban resistif murni akan selalu ditopang oleh 100% daya nyata.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Beban Induktif
Beban induktif diciptakan oleh lilitan kawat (kumparan) yang terdapat di
berbagai alat-alat listrik seperti motor, trafo, dan relay. Kumparan dibutuhkan oleh
alat-alat listrik tersebut untuk menciptakan medan magnet sebagai komponen
kerjanya. Pembangkitan medan magnet pada kumparan inilah yang menjadi
beban induktif pada rangkaian arus listrik AC.
Untuk memudahkan diskusi kita, mari kita ambil contoh sebuah motor
induksi AC untuk membahas beban induktif ini. Motor induksi bekerja dengan
mengandalkan medan magnet yang dibangkitkan pada sisi stator untuk
menginduksi rotor, sehingga pada rotor tercipta medan magnet lawan yang akan
mengikuti medan magnet berputar pada sisi stator (simak pembahasan
lengkapnya pada artikel Macam-Macam Motor Listrik AC). Beban untuk
membangkitkan medan magnet putar pada stator motor induksi tersebut, tentu
membutuhkan energi listrik khusus. Beban induktif pada motor induksi inilah yang
ditanggung oleh daya reaktif sumber listrik AC. Sedangkan daya listrik yang
dibutuhkan motor induksi tersebut untuk memutar beban yang terkopling pada
porosnya, disebut dengan daya nyata. Jumlah resultan daya reaktif dan daya
nyata disebut sebagai daya semu.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Rangkaian Listrik AC Dengan Beban Induktif
Kumparan memiliki sifat untuk menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik.
Seperti yang kita ketahui bersama bahwa listrik AC memiliki nilai arus yang naik
turun membentuk gelombang sinusoidal. Perubahan arus listrik yang naik turun
inilah yang dihalangi oleh komponen kumparan di dalam sebuah rangkaian listrik
AC. Terhalangnya perubahan arus listrik ini mengakibatkan arus listrik menjadi
tertinggal beberapa derajat oleh tegangan listrik pada grafik sinusoidal arus dan
tegangan listrik AC.
Gelombang Listrik AC dengan Beban Induktif Murni
Nampak pada gelombang sinusoidal listrik AC di atas, bahwa jika sebuah sumber
listrik AC diberi beban induktif murni, maka gelombang arus listrik akan tertinggal
sejauh 90° oleh gelombang tegangan. Atas dasar inilah beban induktif dikenal
dengan istilah beban lagging (arus tertinggal tegangan). Nampak pula bahwa
dikarenakan pergeseran gelombang arus listrik di atas, maka nilai daya listrik
menjadi bergelombang sinusoidal. Pada seperempat gelombang pertama daya
diserap oleh beban induktif, namun pada seperempat gelombang kedua daya
dikembalikan lagi ke sumber listrik AC. Hal ini menunjukkan bahwa beban induktif
murni tidak meng-"konsumsi" daya nyata sedikitpun, beban induktif murni hanya
memakai daya reaktif saja.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Beban Kapasitif
Beban kapasitif merupakan kebalikan dari beban induktif. Jika beban
induktif menghalangi terjadinya perubahan nilai arus listrik AC, maka beban
kapasitif bersifat menghalangi terjadinya perubahan nilai tegangan listrik. Sifat ini
menunjukkan bahwa kapasitor bersifat seakan-akan menyimpan tegangan listrik
sesaat.
Rangkaian Listrik AC dengan Beban Kapasitif
Gambar di atas merupakan ilustrasi rangkaian listrik AC dengan beban
kapasitor murni. Mendapatkan supply tegangan AC naik dan turun, maka kapasitor
akan menyimpan dan melepaskan tegangan listrik sesuai dengan perubahan
tegangan masuknya. Fenomena inilah yang mengakibatkan gelombang arus AC
akan mendahului (leading) tegangannya sejauh 90°.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Gelombang Listrik AC dengan Beban Kapasitif Murni
Gambar di atas adalah gelombang sinusoidal tegangan dan arus listrik AC
pada beban kapasitor murni. Nampak jika kita plot daya listrik yang dibutuhkan
untuk menanggung beban kapasitor juga berbentuk sinusoidal. Daya listrik bernilai
positif (daya diserap kapasitor) pada setengah pertama gelombang sinusoidal
daya, serta negatif (daya dikeluarkan kapasitor) pada setengah gelombang kedua
Faktor Daya
Faktor daya listrik adalah perbandingan antara daya aktif dengan daya
buta, atau dapat dirumuskan sebagai berikut :
dimana :
P = daya aktif dalam KW
S = daya buta dalam KVA
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Umumnyaa faktor daya listrik ini disebut juga coshinus phi. ( cos φ ). Beberapa
istilah listrik yang perlu diketahui yang erat kaitannya dengan faktor daya listrik
antara lain :
Daya aktif ( P ) :
adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik melalui hambatan /
resistor seperti lampu pijar, elemen pemanas atau heater.
Daya ini dipergunakan untuk melakukan kerja atau dengan kata lain daya yang
benar-benar digunakan sesuai dengan kebutuhan tenaga listrik.
Satuan dari daya aktif ini adalah Watt atau kilo Watt.
Daya reaktif ( Q )
a. Daya reaktif induktif :
adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik melalui kumparan-
kumparan kawat
seperti pada motor-motor listrik, transformer, balast pada lampu neon dll.
b. Daya reaktif kapasitif :
adalah daya yang timbul akibat mengalirnya arus listrik pada sebuah kapasitor.
Satuan dari daya reaktif ini adalah volt ampere reaktif ( VAR ) atau kilo volt ampere
reaktif (KVAR).
segitiga daya.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Hubungan antara ketiga daya listrik tersebut, secara matematika dapat dinyatakan
sebagai berikut :
3. DAFTAR PERALATAN
No Nama Jumlah
1 Variac (autotrafo) 0 -220 volt 1 buah
2 Beban resistif, lampu pijar 100 watt/220 volt 1 buah
3 Beban kapasitif, kapasitor 3,25 uF atau 4,5 uF 1 buah
4 Amperemeter 1 Buah
5 Voltmeter 1 Buah
6 Wattmeter 1 buah
7 Switch 220 V 1 buah
8 Kabel penghubung secukupnya
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
GAMBAR RANGKAIAN
WA
V220V
S
4. LANGKAH KERJA
1. Buat rangkaian seperti gambar di atas (autotrafo pada posisi 0). Gunakan
beban resistif R (lampu pijar). Lakukan pengukuran secara bertahap sampai
tegangan nominal 220 Volt. Catat hasil pengukuran pada tabel 1.
2. Ganti beban dengan beban induktif L. Catat hasil pengukuran pada tabel 2.
3. Ganti beban dengan beban kapasitif C. Catat hasil pengukuran pada tabel 3.
4. Ulangi percobaan dengan beban campuran R//L; R//C; L//C dan R//L//C
secara bergantian. Catat hasil pengukuran pada tabel 4.
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
DATA HASIL PERCOBAAN
Tabel 1
No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ° Sifat Beban Jenis Beban
1. 20
2. 50
3. 100
4. 150
5. 220
Tabel 2
No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ° Sifat
Beban
Jenis
Beban
1. 20
2. 50
3. 100
4. 150
5. 220
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
Tabel 3
No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ° Sifat
Beban
Jenis
Beban
1. 20
2. 50
3. 100
4. 150
5. 220
Tabel 4
No. V (Volt) I (Amp) P (Watt) Q (VAR) Cos φ° Sifat
Beban
Jenis
Beban
1. 50
2. 150
3. 50
4. 150
5. 50
6. 150
7. 50
8. 150
LABORATORIUM KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI JAKARTA
JOB SHEET PRAKTIKUM LISTRIK DAN ELEKTRONIKA
JOB SHEET 3 DAYA PADA RANGKAIAN ARUS
BOLAK BALIK 200 MENIT
7. TUGAS
1. Analisis hasil percobaan untuk langkah kerja 1,2 dan 3.
2. Bagaimana sifat beban campuran L//C ? Jelaskan.
3. Buatlah segitiga daya berdasarkan data R//L; R//C; dan R//L//C di kertas grafik
dan beri penjelasan.
4. Gambarkan vektor tegangan dan arus saat 220 Volt.
5. Buat kesimpulan untuk setiap percobaan.