Sistem Tenaga Listrik dan Mesin Listrik: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 10 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Daya tiga fasa

Hubungan Y: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Hubungan Δ: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Daya nyata total: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Daya semu dan daya reaktif: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kapasitor perbaikan faktor daya: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Tegangan pada setiap kapasitor: Δ: V_L Y: V_L/√3
Daya masukan motor: P_in = P_out/η

Transformator

Rasio lilitan: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Rasio arus: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Arus pengenal: I = S/V
Impedansi yang dirujuk: Z₁′ = a²·Z_L
Rugi tembaga pada beban parsial: P_cu = x²·P_cu,fl
Efisiensi: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
Efisiensi maksimum: x = √(P_core/P_cu,fl)

Daya AC & faktor daya

Daya nyata: P = V·I·cos φ
Daya reaktif: Q = V·I·sin φ
Daya semu: S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor daya: pf = cos φ = P/S
Kapasitor kompensasi: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Impedansi AC & fasor

Impedansi: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Frekuensi sudut: ω = 2πf
Besar dan sudut: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor: V = I·Z

Metode

Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
Cari setiap reaktansi: X_L = ωL dan X_C = 1/(ωC).
Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.

Motor DC

Rangkaian jangkar: V = E + I_aR_a
GGL balik dan torsi: E = k·ω, T = k·I_a
Kelajuan: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Kecepatan tanpa beban dan torsi tertahan: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Daya-daya: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Start: I_start = V/(R_a + R_st)
Regulasi kecepatan: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Daya maksimum yang dikembangkan: P_max = V²/(4R_a)
Penggerak chopper: V_a = D·V_dc

Metode

Gambar rangkaian jangkar: catu V, resistansi R_a, dan GGL balik E yang diseri.
Gunakan V = E + I_a·R_a untuk menghubungkan tegangan, arus, dan GGL balik.
Gunakan E = k·ω untuk kecepatan dan T = k·I_a untuk torsi, dengan ω = 2π·n/60.
Untuk daya dan efisiensi, mulailah dari V·I_a, kurangkan rugi tembaga I_a²·R_a lalu rugi rotasi.

2Soal latihan

1.Daya tiga fasaSedang

Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 22 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 92% dan faktor dayanya 0,84 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 400 V. Cari arus saluran I_L.

P_out = 22 kWη = 92%cos φ = 0,84V_L = 400 V

I_L = A

2.Daya tiga fasaSulit

Beban tiga fasa seimbang menyerap 60 kW pada faktor daya 0,7 tertinggal dari sumber 415 V (antarsaluran), 60 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,92 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total Q_C yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.

P = 60 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,92V_L = 415 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

3.TransformatorSedang

Sebuah transformator satu fasa 75 kVA, 4800/240 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus I_HV pada kumparan tegangan tinggi.

S = 75 kVAV₁ = 4800 VV₂ = 240 V

I_HV = A

4.TransformatorSulit

Sebuah transformator satu fasa 500 kVA memiliki rugi inti 3000 W dan rugi tembaga 4500 W pada beban pengenal. Transformator menyuplai 75% dari kVA pengenalnya pada faktor daya 0,9 tertinggal. Cari rugi total P_loss dalam watt pada beban ini.

S = 500 kVAP_core = 3000 WP_cu,fl = 4500 Wx = 0,75pf = 0,9

P_loss = W

5.Daya AC & faktor dayaSedang

Sebuah beban induktif mengambil 16,5 A dan 1980 W dari sumber satu fase 240 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari X.

V = 240 VI = 16,5 AP = 1980 W

X = Ω

6.Daya AC & faktor dayaSulit

Sebuah beban satu fase mengambil 18 kW pada faktor daya 0,65 tertinggal dari sumber 240 V, 50 Hz. Kapasitor 470 µF dihubungkan paralel dengan beban. Cari faktor daya baru cos φ yang dilihat sumber.

P = 18 kWpf₁ = 0,65V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF

cos φ =

7.Impedansi AC & fasorSedang

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 10 V (rms), 60 Hz. Cari arus rms I.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF

I = A

8.Impedansi AC & fasorSulit

Sebuah rangkaian RLC seri dicatu oleh sumber 5 V (rms) yang frekuensinya diatur pada frekuensi resonansi rangkaian. Cari tegangan rms V_L pada induktor.

V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 5 mHC = 1 µF

V_L = V

9.Motor DCSedang

Sebuah motor DC (k = 0,15 V·s/rad, R_a = 0,2 Ω) bekerja dari 48 V. Pada beban penuh motor menarik 25 A. Dengan mengabaikan arus tanpa beban, cari regulasi kecepatannya SR = (n₀ − n_FL)/n_FL dalam persen.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/radR_a = 0,2 ΩI_FL = 25 A

SR = %

10.Motor DCSulit

Sebuah chopper DC memberi daya ke motor (k = 1,2 V·s/rad, R_a = 1,5 Ω) dari bus DC 240 V. Tegangan jangkar rata-ratanya adalah D·240 V. Cari siklus kerja D yang menjalankan motor pada 300 rpm dengan beban 7,2 N·m.

V_dc = 240 Vk = 1,2 V·s/radR_a = 1,5 ΩT = 7,2 N·mn = 300 rpm

D = %

3Larutan

1.Daya tiga fasa

Jawaban: I_L = 41,09 A

Daya masukan listrik

P_in = P_out/η = 22/0,92 = 23,91 kW

Arus saluran

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 23913/(√3·400·0,84) = 41,09 A

Jawaban

I_L = 41,09 A

2.Daya tiga fasa

Jawaban: Q_C = 35,65 kvar

Sistem tiga fasa seimbang: pada hubungan Y (bintang) tegangan antarsaluran adalah √3 kali tegangan fasa, V_L = √3·V_ph, dan arus saluran sama dengan arus fasa. Pada hubungan Δ (delta) tegangan antarsaluran sama dengan tegangan fasa dan arus saluran adalah √3 kali arus fasa, I_L = √3·I_ph. Daya total adalah tiga kali daya satu fasa: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Perbaikan faktor daya: kapasitor menyuplai daya reaktif secara lokal, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Masing-masing dari ketiga kapasitor menyuplai Q_C/3 = V²·ω·C, dengan V tegangan pada kapasitor tersebut: V_L pada bank Δ, V_L/√3 pada bank Y.

Daya reaktif sebelum dan sesudah

Daya nyata tidak berubah, sehingga setiap faktor daya menentukan daya reaktifnya: Q = P·tan φ.

Q₁ = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 35,65 kvar

Jawaban

Q_C = 35,65 kvar

3.Transformator

Jawaban: I_HV = 15,63 A

Transformator ideal: tegangan sebanding dengan jumlah lilitan dan arus berbanding terbalik: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a dan I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, sehingga daya masuk sama dengan daya keluar, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedansi beban Z di sisi sekunder terlihat sebagai a²·Z dari sisi primer.

Arus pengenal

Kedua kumparan membawa daya semu yang sama.

I_HV = S/V = 75000/4800 = 15,63 A

Jawaban

I_HV = 15,63 A

4.Transformator

Jawaban: P_loss = 5531 W

Rugi-rugi transformator: rugi inti (histeresis dan arus pusar) bergantung pada tegangan dan sama pada beban berapa pun. Rugi tembaga pada kumparan sebanding dengan kuadrat arus, sehingga pada fraksi x dari beban pengenal besarnya x²·P_cu,fl. Efisiensi η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), dengan P_out = x·S·pf. Efisiensi paling tinggi pada beban saat rugi tembaga sama dengan rugi inti.

Rugi tembaga pada beban ini

P_cu = x²·P_cu,fl = 0,5625·4500 = 2531 W

Rugi total

Rugi inti sama pada beban berapa pun.

P_loss = 3000 + 2531 = 5531 W

Jawaban

P_loss = 5531 W

Efisiensi pada beban ini adalah η = 98,39%.

5.Daya AC & faktor daya

Jawaban: X = 12,6 Ω

Daya AC: daya semu S = V·I (VA) terbagi menjadi daya nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan daya reaktif Q = S·sin φ (var), yang bolak-balik antara sumber dan beban. Faktor daya adalah cos φ. Kapasitor paralel memasok daya reaktif secara lokal, sehingga arus saluran turun untuk daya nyata yang sama.

Resistansi dari daya nyata

R = P/I² = 1980/16,5² = 7,273 Ω

Reaktansi dari impedansi

|Z| = V/I = 240/16,5 = 14,55 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(14,55² − 7,273²) = 12,6 Ω

Jawaban

X = 12,6 Ω

6.Daya AC & faktor daya

Jawaban: cos φ = 0,8205

Daya reaktif sebelum dan sesudah

Daya nyata P tidak berubah; hanya daya reaktif yang ditarik dari sumber yang berubah.

Q₁ = 18·tan(arccos 0,65) = 21,04 kvar

Q_C = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8,505 kvar

Q₂ = 21,04 − 8,505 = 12,54 kvar

Daya semu baru

S₂ = √(18² + 12,54²) = 21,94 kVA

Faktor daya baru

cos φ = P/S₂ = 18/21,94 = 0,8205

Jawaban

cos φ = 0,8205

7.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,09541 A

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Impedansi

Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(80² + (67,72)²) = 104,8 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 10/104,8 = 0,09541 A

Jawaban

I = 0,09541 A

8.Impedansi AC & fasor

Jawaban: V_L = 176,8 V

Resonansi

Pada resonansi reaktansi saling meniadakan, jadi impedansinya hanya R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s

I = V/R = 5/2 = 2,5 A

Tegangan pada induktor

X_L = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω

V_L = I·X_L = 2,5·70,71 = 176,8 V

Jawaban

V_L = 176,8 V

Ini Q = 35,36 kali tegangan sumber.

9.Motor DC

Jawaban: SR = 11,63 %

Motor DC: jangkar adalah resistansi R_a yang diseri dengan GGL balik E, sehingga V = E + I_a·R_a. GGL balik naik seiring kecepatan, E = k·ω, dan torsi seiring arus, T = k·I_a, dengan konstanta motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam satuan SI. Ubah kecepatan dengan ω = 2π·n/60. Daya yang dikembangkan adalah E·I_a = T·ω; daya masukan adalah V·I_a, dan selisihnya berasal dari rugi tembaga I_a²R_a dan rugi rotasi. Kecepatan turun secara garis lurus terhadap torsi, ω = V/k − R_a·T/k², dari kecepatan tanpa beban V/k sampai nol pada torsi tertahan k·V/R_a. Saat diam E = 0, jadi arus start V/R_a besar kecuali dibatasi oleh resistor.

Kecepatan tanpa beban dan beban penuh

n₀ = 60·48/(2π·0,15) = 3056 rpm

n_FL = 60·(48 − 25·0,2)/(2π·0,15) = 2737 rpm

Regulasi kecepatan

SR = (3056 − 2737)/2737·100 = 11,63 %

Jawaban

SR = 11,63 %

10.Motor DC

Jawaban: D = 19,46 %

Tegangan jangkar yang diperlukan

V_a = 1,2·31,42 + 6·1,5 = 46,7 V

Siklus kerja

D = 46,7/240 = 19,46 %

Jawaban

D = 19,46 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems