Unit 6- Rangkaian Tiga Fase.doc

Politeknik Negeri Malang

Unit 6

58

Rangkaian Tiga Fase

Tujuan Setelah selesai mempelajari bagian ini, mahasiswa diharapkan akan mampu : 1. Menjelaskan keunggulan arus bolak-balik tiga fase dibandingkan dengan arus bolakbalik satu fase.. 2. Menggambarkan gelombang arus bolak-balik tiga. 3. Menjelaskan beban seimbang dan tidak seimbang.. 4. Menggambarkan hubungan bintang dan delta.

6.1 Pembangkitan GGL Tiga Fase Rangkaian listrik tiga fase diberi energi oleh tiga ggl bolak-balik yang dihasilkan dari alternator tiga fase.

(b) Gambar 6-1. Diagram bentuk gelombang dan phasor sistem tiga fase

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

59

Sistem tiga fase memiliki tiga tegangan, masing-masing tidak sefase atau terpisah 360/3 = 120 derajat elektrik. Tiga fase tersebut harus diidentifikasi untuk menunjukkan urutannya. Dalam beberapa penerapan digunakan nama A, B dan C. Untuk suplai dan distribusi secara umum, fase ditandai dengan kode warna merah, kuning dan hitam.

6.2 Keuntungan Sistem Tiga Fase 1. Sistem tiga fase dapat menyalurkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan sistem fase tunggal. 2. Daya yang disalurkan ke atau diambil dari sistem tiga fase lebih konstan. Karena daya lebih konstan, torsi mesin yang berputar lebih konstan dan getaran dalam mesin berkurang. 3. Jika tersedia dua tegangan, pilihan dapat dilakukan tergantung pada jenis beban. 4. Untuk output daya yang sama, mesin tiga fase ukuran fisiknya lebih kecil daripada fase tunggal. 5. Dalam sistem distribusi, untuk daya yang sama, jumlah total material yang dibutuhkan untuk mendistribusikan daya lebih kecil dibandingkan dengan bila digunakan sistem fase tunggal.

6.3 Hubungan Bintang Satu metode penyambungan sistem tiga fase adalah menghubungkan tiga ujung gulungan menjadi satu seperti yang digambarkan di Gambar 6.2(a). Karena bentuk dari diagram ini, sistem tiga fase ini disebut terhubung bintang dan titik hubungan bersama disebut titik bintang.

Gambar 6.2. Sambungan tiga fase bintang

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

60

6.4 Hubungan Delta Gulungan alternator tiga fase dapat juga disambung seperti diperlihatkan Gambar 6.3, yang membentuk loop tertutup dengan ujung yang berbeda digabungkan bersama, dan tegangan saluran dihubungkan ke persilangan tersebut. Sistem ini disebut sambungan delta karena bentuk diagram mewakili huruf Latin  (delta/segitiga).

(a)

(b) Gambar 6.3. Sambungan tiga fase delta

6.5 Beban Seimbang Hubungan Bintang Listrik tiga phasa dengan beban seimbang pengertian seimbang adalah apabila beban masing-masing phasa identik.

A

Sistim tiga phasa dibebani dengan beban seimbang.

IA 20<-300

VAN=120<-90

N B C

VBN=120<-300 IB

20<-300 20<-300

VCN=120<1500

IA 

VAW 120  90  ZA 20  30

 6  60

IB 

VBN 120  30  ZB 20  30

 6  60 0

IC Gambar 6.4. Beban seimbang hubungan bintang

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

61

I W  ( I A  I B  I C ) 

IC 

 (6  60  6  60 0  6(180)  0

VCW 120  150 0  ZC 20  30

 6  180 0

Jika masing-masing beban tidak sama besarnya maka disebut beban tidak seimbang. Sebagai contoh: Suatu sistim tiga phasa dengan tegangan 400 volt, dibebani dengan 10 kW, 8 kW dan 5 kW hitunglah arus masing-masing line dan arus yang mengalir pada penghantar netral. Pemecahan: IR

R

10Kw

231 volt

400 volt

231 volt Y I 400volt 231 volt Y B

8Kw

5Kw

IB

Gambar 6.5. Beban tidak seimbang hubungan bintang Jika keterangan line = 400 volt maka tegangan phasanya =

I R  10.1000

231

I Y  80.1000

231

I B  5.1000

231

V2 400 volt   231 volt V3 V3

 43,3 A  34,6 A

 21,65 A

Jika diambil sudut phasa VRN<900 VYN=231<-300

IY = 34,6<-300

VBN=231<2100

IB = 21,65<2100

IR = 43,3<900

0 0 0 IN  (43,3  90  34,6  30  21,65  210 )  18,9 A

Beban seimbang, biasanya pada motor-motor listrik sedang beban tak seimbang terjadi pada jaringan yang mengunakan bermacam-macam beban.

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

62

6.6 Beban Seimbang Hubungan Delta (Segitiga) Contoh soal seperti gambar dibawah: IA

A

IAB

IB

B

5<45

5<45 0

0

5<45

Diketahui: VAB=110<1200 VBC=110<00 VCA=110<2400

0

ICA

IBC hubungan delta IC seimbang Gambar 6.6. Beban C Arus masing-masing phasa adalah: I AB 

VAB 110  120   22  750  5,7  i 21,2 ZA 5  45

I BC 

VCB 110  0   22  45 0  13,55  i15,55 Z 5  45

I CA 

VCA 110  240   22  155 0  21,2  i5,7 Z 5  45

Arus yang mengalir pada line: I AB  I A  I CA  I A  I AB  I CA

= 22 <650 – 22 <1950 I A  38,1  45 0 I BC  I B  I AB  I B  I BC  I AB

= 22 <450 – 22 <650 I CA  I C  I BC

 38,1  70 0  I C  I CA  I BC

= 22 <1950 – 22 < -450  38,1  165 0

Keseimbangan untuk hubungan delta: Arus link =

Arus phasa

6.7 Beban Hubungan Delta Tidak Seimbang IA

A

B

ICA

IAB

VAB

10

IB VAC

10<30

VBC IBC IC 06. TeoriListrik Terapan

C

15<-30

Jika diketahui beban hubungan delta seperti pada gambar. Tegangan VAB = 240<1200 VBC = 240<00 VCA = 240<2400

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

63

Gambar 6.7. Beban tidak seimbang hubungan delta. Arus masing-masing phasa: I AB 

VAB 240  120 0   24  120 0 10 10

VBC 240  0 0   24  30 0 0 10  30 10  30 VCA 240  240 0    16  270 0 0 0 15  30 15  30

I BC  I CA

Arus yang mengalir dari sumber: I A  I AB  I CA  24 <1200 – 16 <2600 = 38,6 <108,10 I B  I BC  I AB  24 <300 – 24 <1200 = 46,4 < - 450 I C  I CA  I BC  16<2600 – 24 < -300 = 21,2 <190,90

6.8 Menghitung Daya pada Beban Tiga Fase Daya masing-masing phasa P1 = Vphasa 1 Iphasa 1, Cos  P2 = Vphasa 2, Iphasa 2, Cos 2 P3 = Vphasa 3, Iphasa 3, Cos 3 Daya tiga phasa = P1+P2+P3 Jika beban tidak seimbang maka P1+P2+P3 tetapi jika beban seimbang P1=P2=P3 =?  P3 phasa  3.P  3.V phasa I phasa Cos atau

3 V Line . I Line Cos

Contoh perhitungannya: Motor tiga phasa beroperasi pada tegangan 400 Volt membangkitkan daya 20Kw effisiensinya 0,86 dan factor dayanya 0,82 hitunglah: a) Arus line b) Arus phasa jika dihubungkan secara delta Pemecahan: 06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang daya out

64

20,000

a). Daya input  effisiensi  0,87  22,988 Watt arus line = dicari sebagai berikut. Daya tiga phasa = 3 V Line I Line Cos  I Line 

22,988 3 400 . 0,82

 40,46

b). Untuk hubungan delta arus phasanya: I Line 

3 I phasa

I phasa 

I I Line 3

40,46 3

 23,359 A

6.9 Satu Wattmeter (Sistim Empat Kawat) Gambar 5.1 mengambarkan wattmeter yang dihubungkan antara kawat fasa dan netral. Jumlah datya yang dihasilkan dari catu daya tiga fasa sama dengan jumlah harga daya yang dipakai oleh setip fasa : Dalam beban setimbang (beban dan factor daya yang sama pada setiap fasa): Ptotal = 3PA = 3PB = 3PC = 3 kali bacaan wattmeter Pada beban tak setimbang, wattmeter harus dihubungkan atau dipindahkan bergantian ke setiap fasa dan kemudian tambahkan bacaan daya masing-masing Ptotal = PA+ PB + PC Pembacaan Watt meter di peroleh dari perhitungan P = I . V Cos . I = arus yang menjalar pada Watt meter V = tegangan yang terukur pada Watt meter  = beda phasa antara V dan I

L1

M

W

V+ L V

N

A B

L2 C

L3

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

65

Gambar 6.8. Hubungan satu wattmeter dalam rangkaian tiga fasa, sistim empat kawat Keuntungan 1. Dibutuhkan hanya sebuah wattmeter. 2. Cocok untuk beban seimbang dan beban tidak seimbang. Kerugian 1. Dibutuhkan hubungan netral untuk wattmeter. 2. Tidak tepat untuk beban tak setimbang yang berubah-ubah. 3. Wattmeter harus dihubungkan atau dipindahkan kesetiap fasa secara bergantian untuk beban tidak setimbang.

6.10 Satu Wattmeter (Sistem Tiga Kawat) Karena hanya tiga kawat yang digunakan, maka tidak terdapat netral dalam hubungan ini. Karena terdapat 300 pergeseran fasa antara tegangan line dan fasa, maka perlu disediakan titik bintang buatan sehingga diperoleh tegangan yang benar pada sudut fasa yang diberikan pada wattmeter. Dua impedansi yang sepadan dengan impedansi rangkaian tegangan dalam wattmeter, harus di hubungkan dalam bentuk bintang dengan rangkaian tegangan pada meter (Gambar 6.10) dan ke dua saluran lainya.

Untuk beban seimbang saja: Ptotal = 3PA= 3 kali bacaan wattmeter. L1

A

W Z1

B

L2

06. TeoriListrik L Terapan 3

Z2

Abdul Manaf

C

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

66

Gambar 6.9. Hubungan untuk atu wattmeter dalam tiga fasa, sistim tiga kawat Untuk beban seimbang dan tak seimbang: Ptotal = PA+ PB + PC

Keuntungan 1. Hanya dibutuhkan sebuah wattmeter 2. Sesuai untuk beban seimbang dan tak seimbang Kerugian 1. Dibutuhkan dua impedansi yang sepadan untuk menghasilkan sebuah netral buatan. 2. Tidak akurat untuk beban tak setimbang yang berubah-ubah 3. Wattmeter harus dihubungkan atau dipindahkan bergantian untuk beban tak seimbang.

6.11 Dua Wattmeter (Sistim Tiga Kawat) Kedua buah meter memiliki lilitan arus di dua saluran dan kedua lilitan tegangan dihubungkan ke saluran ketiga. Meter sendiri tidak menunjukkan jumlah daya pada rangkaian, tetapi kedua meter secara bersama-sama menunjukkan jumlah daya yang digunakan. yaitu Ptotal = W1+ W2

L1

A

W1

L2

06. TeoriListrik Terapan L3

W2

B

Abdul Manaf

3/26/2019 C

Politeknik Negeri Malang

67

Gambar 6.10 Rangkaian pengukuran daya dengan mengunakan dua wattmeter Kedua bacaan meter akan sama dengan beban setimbang dengan faktor daya sama dengan satu Untuk semua kondisi lainya, meter akan menunjukkan bacaan yang berbeda. Metode dua wattmeter dapat digunakan pada sistem tiga fasa, tiga kawat untuk mengukur besarnya daya beban, baik beban setimbang dan maupun tak setimbang atau dihubungkan dalam bintang atau delta. Metode ini tidak dapat digunakan pada sistem empat kawat, hubungan bintang karena arus komponen satu fasa dapat mengalir dalam saluran (dan netral) yang tidak memiliki hubungan dengan kumparan –arus wattmeter, dan daya yang dipakai tidak dicatat. Jika factor daya beban lebih kecil dari 0,5 muara pembaca salah satu wattmeter akan menunjukkan angka negatip, pembaca wattmeter dapat dilakukan dengan membalik arus yang mengalir pada wattmeter.

W  W1  tan   3  2  W2  W1 

(hanya untuk beban seimbang dan bentuk gelombang sinusoida) sudut  diperoleh dari tan-1 dan cos sudut ini merupakan faktor dari beban Contoh 1 Ketika dihubungkan ke motor tiga fasa, dua wattmeter memberikan bacaan 5 kW dan –1 kW hitunglah besarnya: (a). jumlah daya yang dipakai (b). faktor daya motor jawaban: (a). Ptotal = W1+W2 = -1 + 5 W2  W1  (b). tan   3.   W2  W1  

 5    1  3.    5  ( 1) 

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang 

 5  1 3.   5  1 



3. X

6  4

68

3 X 1.5

 2.598



 = 68.9

 = cos=0.3592 Keuntungan 1. Hanya dua wattmeter yang diperlukan 2. Berguna untuk tiga fasa setimbang dan tak seimbang, beban tiga-kawat. 3. Faktor daya dapat diperoleh untuk beban setimbang. 4. Tidak dibutuhkan hubungan ke netral Kerugian 1. Sesuai hanya untuk tiga fasa, beban tiga kawat. 2. Kehati-hatian ketika menentukan polaritas W1 3. Faktor daya tidak dapat diperoleh oleh beban tidak setimbang 4. Tidak sesuai untuk daya atau bacaan faktor daya dengan tiga fasa, sistim empat kawat.

6.12 Tiga Wattmeter (Sistim Tiga Kawat) Tidak terdapat netral pada sistim tiga kawat, sehingga netral buatan harus disediakan namun jika wattmeter identik digunakan, ketiga rangkaian tegangan dapat dihubungkan ke titik bintang (lihat gambar 6.12) Ptotal = W1+ W2 +W3

L1 L2 L3

A

W1

06. TeoriListrik Terapan

B

W2 W3

Abdul Manaf

C

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

69

Gambar 6.11. Hubungan untuk tiga wattmeter ke sebuah sistem tiga fasa, sistem tiga kawat Keuntungan 1. Sesuai untuk beban setimbang dan tak setimbang. 2. Baik untuk memperoleh daya total 3. Lebih akurat daripada menggunakan sebuah wattmeter untuk beban yang berubah-ubah. Kerugian 1. Bibutuhkan tiga wattmeter

6.13 Tiga Wattmeter (Sistim Empat Kawat) Tiga fasa, sitem empat kawat pada dasarnya merupakan tiga buah catu daya yang terpisah dengan netral biasa. Jumlah daya diperoleh dengan menghubungkan tiga wattmeter sebagaimana Gambar 6.12. Ptotal = W1+ W2 +W3

L1 L2 L3

06. TeoriListrik Terapan N

A

W1

B

W2 W3

Abdul Manaf

C N

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

70

Gambar 6.12. Hubungan untuk tiga wattmeter ke sistem tiga fasa sistim empat kawat Keuntungan 1. sesuai untuk beban stimbang dan tak setimbang 2. baik untuk memperoleh daya total. 3. lebih akurat daripada sebuah wattmeter untuk beban yang berubah-ubah. Kerugian 1. Dibutuhkan tiga wattmeter.

Daftar Pustaka Boctor, SA. 1992. Electric Circuit Analysis, 2nd edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Edwards, RCL dan D.F. Meyer. 1955. Electrical and Electronic Trades Principles and Applications, McGraw Hill, Sydney. 06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019

Politeknik Negeri Malang

71

Edward Hughes, Electrical Technology.Longman, London Gunawan, Hanapi 1984. Rangkaian dan Mesin Listrik Erlangga. Hotkinson, GL.1979. Technician Electrical Principles.Cassel. London Jenneson, JR. 1966. Electrical Principles for the Electrical Trades, 4th edition, McGrawHill Book Company Australia Pty Ltd, Sydney, NSW. Joseph A. Edminister, Electrical Circuit. Mc Graw-Hill, USA

06. TeoriListrik Terapan

Abdul Manaf

3/26/2019