Komponen Simetris

Pada tahun 1913, metode komponen simetris telah dikembangkan oleh Charles L. Fortescue dari Westinghouse saat menyelidiki pengoperasian motor induksi pada kondisi suplai tidak seimbang. Kemudian pada konvensi tahunan ke – 34 AIEE tanggal 28 juni 1918 di antlantic City, Ia menyajikan makalah yang berjudul “Method of Symmetrical Co-ordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks.” Yang kemudian dipublikasikan oleh AIEE Transactions, Volume 37, Part II, halaman 1027 – 1140. Metode komponen simetris digunakan untuk memahami dan menganalisis operasi sistem tenaga listrik pada kondisi tidak seimbang. Berbagai jenis ketidakseimbangan pada sistem tenaga listrik disebabkan oleh gangguan antara phasa dan/atau ke bumi ( fasa ke fasa, dua fasa ke tanah, satu fasa ke tanah ), fasa terbuka, impedansi tidak seimbang dan kombinasinya.

Metode komponen simetris digunakan untuk menguraikan suatu sistem tidak seimbang yang terdiri atas n buah fasor  yang berhubungan menjadi n buah sistem fasor yang seimbang. Pada sistem tiga fasa, tiga fasor tidak seimbang dapat diuraikan menjadi tiga sistem fasor yang seimbang. Ketiga komponen seimbang pada komponen simetris adalah :

 1.                  Komponen urutan positif.

 2.                  Komponen urutan negatif.

 3.                  Komponen urutan nol.

Ketiga himpunan komponen semetris dinyatakan dengan subskrip tambahan 1 untuk komponen urutan positif, 2 untuk komponen urutan negatif, dan 0 untuk komponen urutan nol. Komponen urutan positif dari V_a, V_b, dan V_c adalah V_a1, V_b1, dan V_c1. Demikian pula untuk komponen urutan negative adalah V_a2, V_b2, dan V_c2. Sedangkan komponen urutan nol adalah V_a0, V_b0, dan V_c0. 

  

Komponen urutan positif

Komponen urutan ini terdiri dari tiga fasor yang sama besar, terpisah 120⁰ satu sama lain dan mempunyai urutan fasa yang sama dengan fasor aslinya. Gambar dibawah menunjukkan fasor komponen urutan positif dengan urutan fasa sistem tenaga listrik abc. Arah putaran fasor berlawanan dengan arah jarum jam.

Pada pergeseran sudut, akan lebih mudah menggunakan unit fasor dengan pergeseran sudut 120⁰ dalam arah yang berlawanan dengan arah jarum jam. Hal ini dinamakan sebagai operator fortescue,

 Gambar Fasor tegangan urutan positif

Fasor tegangan urutan positif memiliki pola yang sama dengan fasor arus urutan positif, oleh karena itu pengaturan urutan positif dapat diperiksa kebenarannya sebagai berikut :

 Komponen urutan negatif 

Komponen urutan ini terdiri dari tiga fasor yang sama besar, terpisah 120⁰ satu sama lain dan mempunyai urutan fasa yang berlawanan dengan fasor aslinya. Gambar dibawah menunjukkan fasor komponen urutan negatif dengan urutan fasa sistem tenaga listrik abc, maka urutan fasa komponen urutan negatif adalah acb. Arah putaran fasor berlawanan dengan arah jarum jam.

Gambar Fasor tegangan urutan negatif

Seperti halnya pada urutan positif, fasor tegangan urutan negatif memiliki pola yang sama dengan fasor arus urutan negatif, oleh karena itu pengaturan urutan negatif dapat diperiksa kebenarannya sebagai berikut :

  

Komponen urutan nol

Komponen urutan ini terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan dengan pergeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan yang lain. Gambar di bawah ini menunjukkan fasor komponen urutan nol dengan urutan fasa sistem tenaga listrik abc.

Fasor tegangan urutan nol

Pengaturan tegangan dan arus urutan nol dapat diperiksa kebenarannya sebagai berikut :

Karena setiap fasor tak seimbang, yang asli adalah jumlah komponen, fasor asli yang dinyatakan dalam suku – suku komponennya adalah

Atau dalam bentuk matriks

Untuk memudahkan penghitungan, kita misalkan :

Maka kita peroleh :

Persamaan di atas menunjukkan bagaimana menguraikan tiga fasor tidak simetris menjadi komponen simetrisnya. Kita dapat menulis masing – masing persamaan di atas dalam bentuk biasa, kita peroleh :

Persamaan di atas menunjukkan bahwa tidak akan ada komponen urutan nol jika jumlah fasor tak seimbang itu sama dengan nol.

 

 

VACUUM CIRCUIT BREAKER

American National Standards Association (ANSI) C37.100 [l] mendefinisikan Circuit breaker sebagai peralatan pensaklaran adalah peralatan mekanik yang mampu menghantarkan dan memutus aliran arus listrik pada kondisi normal juga pada kondisi abnormal ( mis : gangguan hubung singkat ).

Pada umumnya vacuum circuit breaker digunakan untuk aplikasi indoor dan outdoor pada range tegangan antara 5 kv hingga 38 kv. Jika kontak pemutus vacuum circuit breaker dibuka, maka pada katoda kontak terjadi emisi thermis dan medan tegangan yang tinggi yang memproduksi elektron-elektron bebas. Elektron hasil emisi ini bergerak menuju anoda, elektron-elektron bebas ini tidak bertemu dengan molekul udara sehingga tidak terjadi proses ionisasi. Akibatnya, tidak ada penambahan elektron bebas yang mengawali pembentukan busur api. Dengan kata lain, busur api dapat dipadamkan.

Pemutusan arus pada vacuum circuit breaker

Pemutusan arus oleh vacuum circuit breaker, layaknya circuit breaker lainnya dilakukan dengan cara memisahkan pasangan kontak di dalam circuit breaker. Pada waktu terjadi pemutusan aliran listrik dengan proses terpisahnya pasangan kontak, pada saat itu juga timbul diffusion bunga api di antara kedua kontak CB. Bunga api ini disebut sebagai diffusion mode, dimana bentuk sebaran bunga api dapat digambarkan seperti gambar di bawah.

Besar arus yang mengalir pada titik katoda tergantung kepada material kontak yang digunakan. Dan untuk material tembaga, besar arusnya kira – kira 100 Ampere per titik. Bunga api akan tetap terjadi pada diffuse colomn mode hingga besar arus mencapai kira – kira 15 KA. Seiring meningkatnya besar arus pada satu - satu titik anoda, maka pada anoda akan muncul uap dari metal sebagai akibat naiknya temperatur pada anoda.

Pada waktu pemutusan normal aliran listrik arus bolak - balik, bunga api akan terdistribusi namun dengan cepat akan menghilang seiring berkurangnya besar arus, selama proses ini bunga api akan mengalami proses transisi dari diffusion mode ke constricted mode dan kembali lagi ke diffusion mode sebelum besar arus benar – benar nol. tujuan kita mengetahui hal di atas adalah untuk memampukan kita meminimalkan besar temperatur yang timbul pada kontak dan memaksimalkan durasi bunga api yang terdistribusi selama setengah siklus. Tujuan ini dapat kita capai dengan mendesain kontak untuk mengatur interaksi antara aliran arus dengan medan magnet yang timbul. Bergantung terhadap metode yang digunakan, medan magnet dapat timbul dengan arah melintang atau arah aksial terhadap bunga api yang terjadi.

Arah medan magnet melintang

Untuk menghasilkan arah medan yang melintang, kontak dapat disesain dengan bentuk spiral seperti pada gambar di bawah.

Dua type kontak spiral yang dipakai pada pemutus vacuum.

Gaya magnet yang timbul pada medan magnet melintang.

Gambar bentuk bunga api yang dipengaruhi oleh medan magnet melintang 26,8 KA

(Courtesy of Dr. M. B. Schulman, Cutler-Hammer, Horseheads, NY)

Seiring timbulnya gaya magnet dengan arah yang berputar sebagai akibat arah medan magnet yang melintang maka bunga api juga akan ikut berputar, hal ini akan mempercepat hilangnya bunga api yang juga akan memperkecil terperatur dan emisi uap metal pada elektroda.

Arah medan magnet aksial

Medan magnet aksial akan memperkecil besar tegangan dan membatasi besar daya pada bunga api yang terjadi di antara kontak pemutus. Medan magnet aksial berperan dalam timbulnya bunga api terdistribusi pada level arus yang tinggi. Dengan cara ini, bunga api akan tersebar merata pada permukaan kontak pemutus dan sebagai hasilnya, akan mencegah gross melting pada kontak. Dengan menggunakan medan magnet aksial, maka dampak yang dihasilkan oleh timbulnya bunga api pada waktu pemutusan aliran listrik dapat dibatasi.

Gambar di atas merupakan ilutrasi struktur kontak dan arah gaya pada bunga api yang dihasilkan akibat medan magnet aksial. Dari gambar terlihat aksi dari gaya medan terhadap lajur bunga api sebagai hasil interaksi medan magnet dengan aliran arus listrik.

Gambar bunga api pada level arus yang tinggi ( 101 KA ) yang dipengaruhi medan magnet aksial (Courtesy of Dr. M. B. Schulman, Cutler-Hammer, Horseheads, NY )

Konstruksi pemutus vacuum

Pemutus vacuum didesain dengan dua metode, perbadaaan kedua metodenya terdapat pada prosedur yang digunakan untuk mengelas dan mengangkat pemutus.

Pada metode pertama dikenal dengan pinch-off method, pemutus ditempatkan tersendiri di dalam sebuah pumping stand setelah semua bagian vacuum circuit breaker selesai dirakit. Sebuah pipa evakuasi ditempatkan pada salah satu ujung pemutus, yang umumnya berdekatan dengan kontak diam.

Pada Metode kedua, pemutus secara bersamaan dilas dan dipasang dengan temperatur tinggi. Sehingga derajat ke vakuman circuit breaker lebih baik.

        1. Upper breaker terminal 

        2. Fixed contact

        3. Moving contact 

        4. Interrupter body

        5. Lower breaker terminal

        6. Insulating coupler

        7.Contact pressure spring  

        8. Metal bellows

        Pemutus arus seperti pada gambar di atas terdiri dari :

            1. Isolasi keramik

            2. Plat metal ( stainless stell )   

            3. Kontak diam  

            4.  Kontak bergerak   

            5. Metal penghembus 

            6. Metal perisai/pelindung lapisan pertama  

            7.  Lingkup kontak  

            8.  Perisai/pelindung lapisan kedua 

            9.  Perisai/pelindung lapisan ketiga

MCB - MINIATURE CIRCUIT BREAKER

Setelah mencari - cari bahan tentang MCB, akhirnya bisa juga nyusun artikel tentang MCB. Tulisan ini tidak begitu lengkap, namun berharap bisa memberikan sedikit pencerahan bagi yang sedang mempelajari tentang MCB.

MCB – miniature circuit breaker memainkan peranan penting dalam hal proteksi arus lebih dan juga sebagai alat disconnect pada jaringan listrik. Sebuah breaker merupakan alat yang didesaian untuk mengisolasi rangkaian dari gangguan arus lebih : overload ( beban lebih ) dan short circuit ( hubung singkat ).

KONSTRUKSI MCB 

Pada umumnya, MCB bekerja menggunakan prinsip elektromekanik ( Thermal/Magnetik ) untuk membuka kontak breaker ketika gannguan arus lebih terjadi. Unit thermal trip bekerja berdasarkan kenaikan nilai temperatur, sedangkan unit magnetik trip bekerja berdasarkan kenaikan nilai arus.

PROTEKSI BEBAN LEBIH

Unit thermal trip digunakan untuk memproteksi jaringan listrik dari gangguan beban lebih, Unit thermal trip menggunakan logam bimetal yang ditempatkan di belakang trip bar circuit breaker, dan merupakan bagian dari breaker yang dilalui arus.

Ketika terjadi gangguan beban lebih, maka nilai arus yang melewati logam bimetal akan bertambah yang membuat temperatur pada logam bimetal semakin besar hingga pada suatu saat dan temperatur tertentu logam bimetal ini akan membengkok dan menekan trip bar yang akan membuka kontak MCB. Waktu yang dibutuhkan bimetal untuk membengkok dan membuka kontak MCB sesuai dengan kenaikan besar arus, semakin besar arus gangguan yang terjadi semakin cepat logam bimetal membengkok.

PROTEKSI ARUS HUBUNG SINGKAT

Unit magnetik trip bekerja untuk melindungi jaringan dari gangguan arus hubung singkat. 

Ketika gangguan hubung singkat terjadi, maka nilai arus yang melewati MCB akan bertambah besar secara signifikan yang akan menghasilkan medan magnet yang cukup besar. Medan magnet ini akan mendorong hammer trip, hammer trip ini nantinya akan mendorong moving contact yang membuat kontak akan terbuka. Proses terbukanya kontak breaker ketika terjadi gangguan hubung singkat umumnya terjadi setelah 5 milidetik setelah terjadi gangguan.

International standard IEC 60898-1 and European Standard EN 60898-1 menyatakan bahwa besar arus rated I_n sebuah MCB yang digunakan pada distribusi tegangan rendah merupakan nilai maksimum yang mampu dihantarkan oleh MCB pada temperatur udara sekitar 30⁰c. Pada umumnya MCB di desain dengan arus rated pada range : 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A .

Terdapat tiga tipe MCB berdasarkan karakteristik pemutusan arus gangguan yaitu :

Type "B", "C" dan "D" , masing – masing menyatakan nilai minimum arus yang melewati MCB yang mengakibatkan terbukanya kontak MCB tanpa disengaja.

Untuk lebih jelasnya, karakteristik kerja ke tiga type MCB dapat ditunjukkan oleh kurva karakteristik berikut :

ELECTROSTATIK PRECIPITATOR

Electrostatic Precipitator adalah alat yang digunakan untuk menangkap partikel-partikel (mis: debu) dengan menggunakan prinsip elektrostatis.

Komponen- komponen utama EP :

-Discharge electrodes

-Collection electrodes

-High voltage electrical systems

-Rappers

-Hoppers

Prinsip kerja EP

 

Discharge wire EP di berikan tegangan tinggi DC sampai terjadi korona, sehingga udara di sekitar Discharge wire terionisasi, sehingga pada saat material debu masuk ke area di antara. Discharge wire dan collecting plate akan menerima dampak korona yang membuat material debu bermuatan negatif. ketika collecting plate di groundkan, maka collecting plate akan bermuatan positif yang membuat material debu bermuatan negatif menempel pada collecting plate memnghasilkan lapisan debu. Tumpukan debu akan terus bertambah hingga
terjadi proses rapping. Charging, collecting, and removing merupakan prinsip dasar kerja EP.

Berikut ini merupakan gamabar bagian - bagian EP :

 

Secara umum rangkaian kontrol dan TR-set EP ditunjukkan oleh gambar berikut :

besaran yang masuk ke automatic voltage control merupakan nilai arus dan tegangan dari sisi primer dan

sekunder transformator. pada AVR nilai ini akan di bandingkan dan secara otomatis akan mengatur

kerja SCRs untuk mengontrol besar tegangan yang di suplai ke sisi primer transformator.

 

MOTOR INDUKSI TIGA FASA

Motor listrik merupakan beban listrik yang paling banyak digunakan di dunia, Motor induksi tiga fasa adalah suatu mesin listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dengan medan rotor. Penamaan motor ini berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar yang dihasilkan arus stator.

            Motor induksi memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat keadaan normal dan tidak membutuhkan perawatan yang  banyak. Namun, motor induksi memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan tidak bisa dilakukan tanpa merubah efisensi.
 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa
Secara umum konstruksi motor induksi tiga fasa terdiri dari stator dan rotor. Stator merupakan bagian dari mesin yang tidak berputar dan terletak pada bagian luar. Sedangkan rotor merupakan bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada bagian dalam. Konstruksi motor induksi dapat dilihat pada gambar berikut.

 

            Stator

Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar yang terletak pada bagian luar dan merupakan tempat mengalirkan arus beban. Stator terbuat dari besi bundar berlaminasi yang mempunyai alur – alur sebagai tempat meletakkan kumparan.

             Rotor

Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada bagian dalam. Pada motor induksi terdapat dua tipe rotor yang berbeda yaitu rotor sangkar tupai dan rotor belitan. Kedua tipe rotor ini menggunakan laminasi melingkar yang terikat erat pada poros. Penampang rotor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Batang rotor dan cincin ujung sangkar tupai yang kecil merupakan coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Pada motor yang lebih besar, batang rotor dibenamkan dalam alur rotor dan kemudian di las dengan kuat ke cincin ujung. Apabila dilihat tanpa inti rotor, maka batang rotor ini kelihatan seperti kandang tupai.oleh karena itu motor induksi dengan rotor sangkar tupai dinamakan motor induksi sangkar tupai.

Pada tipe rotor belitan, slot rotor menampung belitan terisolasi yang mirip dengan belitan pada stator. Belitan rotor terdistribusi merata, biasanya terhubung bintang  dan masing – masing ujung fasa terbuka yang terhubung pada cincin slip yang terpasang pada rotor. Pada motor rotor belitan, sikat karbon menekan cincin slip, oleh karena itu tahanan eksternal dapat dihubungkan seri dengan belitan rotor untuk mengontrol torsi start dan kecepatan selama pengasutan. Penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding rotor sangkar. 

Medan Putar

Perputaran rotor pada motor arus bolak – balik terjadi akibat adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang memotong rotor. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dengan suplai fasa banyak, umumnya tiga fasa. Pada saat terminal tiga fasa motor induksi dihubungkan dengan suplai tiga fasa maka arus bolak – balik tiga fasa  i_a, i_b, i_c yang terpisah sebesar 120⁰ derajat satu sama lain akan mengalir pada kumparan stator. Arus – arus ini akan menghasilkan gaya gerak magnet yang kemudian menghasilkan fluks yang berputar atau disebut juga medan putar.

Slip

Kecepatan putaran rotor motor induksi harus lebih lambat dari kecepatan sinkronnya supaya konduktor pada rotor selalu dipotong oleh medan putar, sehingga pada rotor timbul tegangan induksi yang akan menghasilkan arus induksi pada rotor. Arus induksi ini kemudian berinteraksi dengan fluks yang dihasilkan stator sehingga menghasilkan torsi. Selisih antara kecepatan putaran rotor dengan kecepatan sinkronnya disebut slip (s). Pada umumnya slip dinyatakan dalam persen dari kecepatan sinkron.

Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa 

Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik. Listrik yang diubah merupakan listrik tiga fasa. Dalam motor induksi, tidak ada hubungan listrik ke rotor, arus rotor merupakan arus induksi. Tetapi ada kondisi yang sama seperti motor dc, dimana pada rotor mengalir arus. Arus ini berada dalam medan magnetik sehingga akan terjadi gaya (F) pada rotor yang akan menggerakkan rotor dalam arah tegak lurus medan. 
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat dijabarkan dalam langkah – langkah berikut:

Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa 

Sebuah motor induksi identik dengan sebuah transformator. Oleh sebab itu, rangkaian ekivalen motor induksi mirip dengan rangkaian ekivalen transformator. Perbedaannya hanyalah bahwa kumparan rotor dari motor induksi berputar, yang berfungsi untuk menghasilkan daya mekanik.  

 Rangkaian Ekivalen Lengkap

Dibawah kondisi kerja normal pada tegangan dan frekuensi konstan, rugi inti pada motor induksi biasanya juga konstan. Dalam pandangan pada kenyataan ini, tahanan rugi inti R_c yang mewakili rugi inti motor, dapat dihilangkan dari rangkaian ekivalen motor induksi. Akan tetapi, untuk menentukan daya poros atau torsi poros, rugi inti yang konstan harus diikut-sertakan dalam pertimbangan, bersama dengan gesekan, rugi-rugi beban buta (stray-load losses) dan angin. 

 

Semua karakteristik kinerja motor induksi tiga fasa dapat ditentukan dari rangkaian ekivalennya. Dalam menganalisis rangkaian ekivalen sebuah transformator, bagian parallel dari rangkaian yang terdiri dari R_e dan X_Ø dapat diabaikan atau menggeser bagian parallel tersebut ke arah terminal primer. Namun cara ini tidak diijinkan dalam menganalisis rangkaian ekivalen motor induksi. Hal ini dikarenakan kenyataan bahwa arus penguatan  pada transformator berkisar antara 2% sampai 6% dari arus beban penuh dan juga reaktansi bocor primer per unitnya juga sangat kecil. Sedangkan pada motor induksi, arus penguatan berkisar antara 30% sampai 50% dari arus beban penuh dan juga reaktansi bocor primer per unit cukup besar. Oleh sebab itu, apabila komponen parallel rangkaian ekivalen motor induksi diabaikan maka akan terdapat kesalahan yang besar dalam hal perhitungan daya dan torsi motor induksi.