TEKNIK TENAGA LISTRIK DAN ELEKTRONIKA

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

Referensi :

1. Arismunandar, A., 1973, Teknik Tenaga Listrik jilid II, Pradya Paramita, Jakarta

2. Bolton W, Mechatronics Electronic Control Systems In Mechanbical Enginering

3. D. Chattopadhyay., P.C. Rakshit, 1989, Dasar Elektronika, UI press, Jakarta.

4. H.C. Yohannes., 1979, Dasar-Dasar Elektronika, Ghalia Indonesia.

5. Thomas Sri Widodo, DEA, Dipl.Ing, 2002, Elektronika Dasar, Salemba Teknika.

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

7. Michael Neidle., 1979, Basic Elektrical Instalations, 2^nd Edition, Macmillan Press Ltd.

8. Suyanto M, 2000, Diktat kuliah Instalasi listrik jilid 1, ISTA Jogjakarta.

9. Van Harten P, Setiawan E., 1991, Instalasi Listrik Arus Kuat Jilid III, Bina Cipta, Bandung

10. Zuhal, 1988, Dasar teknik Tenaga listrik Dan elektronika daya, PT Gramedia

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 tugas-tugas 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.

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

- Sistem Thermis

- Sistem Biologis

Contoh : Open Loop System

Yaitu : akibat pengaruh output kepada input melalui operator ( Manusia )

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 berasama-sama mengatur kerja system sampai output mencapai harga yang diinginkan.

B ( bimetal ) : yang terdiri dari dua buah keeping logam yang mempunyai koefisient expansitermal (ά ) 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 :

dimana : R = Besarnya Hambatan ( Ω )

ρ = Hambatan Jenis (Ωm )

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 :

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 :

R₀= Tahanan pada 0⁰C Rt = Tahanan pada t⁰C

T = Temperature ά = Koefisien suhu tahanan

Sumber Arus dan Tegangan

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.

Untuk sumber tegangan, dimana dapat konstan :

Contoh Soal :

a. 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 ( V_in, V_out, R₁ dan R₂ ).

Penyelesaian :

Menurut Hukum Kirchoff I dan II Bahwa ( KCL da KVL )

a). “ OPEN LOOP”

b). “CLOSED LOOP”

Besaran-besaran listrik secara umum :

Besaran listrik secara umum terdiri dari beberapa komponen

Komponen – komponen listrik

1. Resistansi :

Secara umum fungsi dari komponen resistor adalah sebagai pengatur kuat arus yang mengalir. Nilai resistor dinyatakan dalam satuan ohm (W). Resistor dilambangkan dengan huruf R, sedangkan dalam skema disimbolkan sebagai :

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 : volt maka :

Daya yang dikeluarkan : watt

Energi (watt detik) dimana :

Sehingga besarnya Energi adalah : joule

Macam-macam resistor :

a. 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 warna gelang, dimana warna-warna tersebut melambangkan angka-angka sebagai berikut :

Hitam : 0 (nol); Coklat: 1 (satu); Merah: 2 (dua); Jingga: 3 (tiga); Kuning : 4 (empat); Hijau : 5 (lima); Biru: 6 (enam); Ungu: 7 (tujuh);Kelabu : 8 (delapan); Putih: 9 (sembilan)

Warna-warna untuk toleransinya sebagai berikut :

Emas : 5%

Perak : 10%

Tanpa Warna : 20%

Gambar 2. Penunjuk Kode Warna

Keterangan :

· Pita pertama melambangkan angka pertama.

· Pita kedua melambangkan angka kedua.

· Pita ketiga melambangkan banyaknya angka nol.

· Pita warna keempat melambangkan toleransi.

Contoh :

1) Merah, ungu, jingga, emas ; artinya 27 K Ohm toleransi 5%.

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 :

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 dapat digolongkan 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 :

1. Alat pengatur suara (Volume Control)

2. Alat pengatur nada (Tone Control)

3. Alat pengatur nada tinggi (Treble Control)

4. Alat pengatur nada rendah (Bass Control)

Gambar 2.3 Potensiometer dan lambangnya

2) Trimmer potensio = Trimpot

Cara merubah nilai hambatan pada tripot adalah dengan jalan memutar memakai obeng (drei).

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. Kapasitor keramik : jika dielektikanya keramik

b. Kapasitor kertas : jika dielektikanya kertas

c. Kapasitor mika : jika dielektikanya mika

d. Kapasitor elektrolit (elco) : jika dielektikanya oksida alumunium

e. Kapasitor variable (varco)

f. Kapasitor trimmer

Gambar 2.5 Dielektrika Kondensator

Dari bermacam-macam kapasitor mempunyai kemampuan menyimpan tenaga listrik yang berbeda-beda. Kemampuan menyimpan tenaga listrik dari 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.

C =

Tegangan (V) : Juga untuk

Arus (i) : sehingga

Maka :

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

_o = permitivitas tempat

_r = permitivitas relatif

Daya (P) : P = Vc x i == watt

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

Sehingga :

Maka Energi mutlak = C V²

Kapasitansi total dapat diubah dengan cara menghubungkan beberapa kapasitor secara seri atau pararel. Kapasitor total dapat dikurangi dengan cara dihubungkan secara seri dan dapat dicari dengan rumus :

Sedangkan kapasitas total dapat ditambah dengan cara dihubungkan secara pararel dan dapat dicari dengan rumus :

CT = C₁ + C₂ + … + C_n

Satuan kapasitas dari kapasitor itu dinyatakan dalam farad. 1 farad ialah kemampuan kapasitor untuk menyimpan tenaga listrik atau mesin listrik 1 coulomb, apabila kapasitor itu diberi tegangan listrik 1 volt. Dalam praktek, dibuat satuan-satuan yang lebih kecil, yaitu :

1 mikrofarad (m fd) = 10^-6farad

1 nanofarad (nf) = 10^-9 farad

1 pikofarad (pfd) = 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

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 Step-Down atau transformator penurun tegangan adalah transformator yang digunakan untuk menurunkan tegangan dari tinggi ke tegangan yan lebih rendah.

Cara kerja transformator adalah sebagai berikut :

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 :

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 :

Induktor mempunyai tegangan (V) :