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

Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 150 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 480 V. Faktor dayanya 0,75 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.

V_L = 480 VI_L = 150 Acos φ = 0,75

P = kW

2.Daya tiga fasaSulit

Beban tiga fasa seimbang menyerap 250 kW pada faktor daya 0,72 tertinggal dari sumber 415 V (antarsaluran), 50 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 = 250 kWpf₁ = 0,72pf₂ = 0,92V_L = 415 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3.TransformatorSedang

Sebuah transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 10:1 diberi tegangan 2300 V pada kumparan primernya. Resistor 40 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder. Cari arus primer I₁.

N₁:N₂ = 10:1V₁ = 2300 VR_L = 40 Ω

I₁ = A

4.TransformatorSulit

Sebuah transformator satu fasa 75 kVA memiliki rugi inti 450 W dan rugi tembaga 1350 W pada beban pengenal. Pada beban S_η,max berapa, dalam kVA, efisiensinya paling tinggi?

S = 75 kVAP_core = 450 WP_cu,fl = 1350 W

S_η,max = kVA

5.Daya AC & faktor dayaSedang

Sebuah beban induktif mengambil 5,5 A dan 633 W dari sumber satu fase 230 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari X.

V = 230 VI = 5,5 AP = 633 W

X = Ω

6.Daya AC & faktor dayaSulit

Beban satu fase menyerap 45 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 400 V, 60 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,98. Cari daya reaktif Q_C yang harus dipasok kapasitor.

P = 45 kWpf₁ = 0,8pf₂ = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

7.Impedansi AC & fasorSedang

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 60 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF

φ = °

8.Impedansi AC & fasorSulit

Sebuah resistor R₁ dihubungkan seri dengan gabungan paralel R₂ dan kapasitor C, ke sumber 24 V (rms), 200 Hz. Cari besar impedansi |Z|.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR₁ = 15 ΩR₂ = 40 ΩC = 22 µF

|Z| = Ω

9.Motor DCSedang

Sebuah motor DC menarik 5 A dari catu 120 V. Resistansi jangkarnya 0,8 Ω dan rugi rotasinya (gesekan, hambatan udara, dan besi) 23 W. Cari efisiensinya η.

V = 120 VI_a = 5 AR_a = 0,8 ΩP_rot = 23 W

η = %

10.Motor DCSulit

Sebuah chopper DC memberi daya ke motor (k = 0,6 V·s/rad, R_a = 1,5 Ω) dari bus DC 48 V. Tegangan jangkar rata-ratanya adalah D·48 V. Cari siklus kerja D yang menjalankan motor pada 300 rpm dengan beban 1,2 N·m.

V_dc = 48 Vk = 0,6 V·s/radR_a = 1,5 ΩT = 1,2 N·mn = 300 rpm

D = %

3Larutan

1.Daya tiga fasa

Jawaban: P = 93,53 kW

Daya semu

S = √3·V_L·I_L = √3·480·150 = 124,7 kVA

Daya nyata

P = S·cos φ = 124,7·0,75 = 93,53 kW

Jawaban

P = 93,53 kW

2.Daya tiga fasa

Jawaban: Q_C = 134,5 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 134,5 kvar

Jawaban

Q_C = 134,5 kvar

3.Transformator

Jawaban: I₁ = 0,575 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.

Tegangan dan arus sekunder

V₂ = 2300/10 = 230 V

I₂ = 230/40 = 5,75 A

Arus primer

Transformator ideal tidak memiliki rugi-rugi: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/10 = 0,575 A

Jawaban

I₁ = 0,575 A

Periksa: beban yang terlihat dari sisi primer adalah a²·R_L = 4000 Ω, dan 2300/4000 memberikan arus yang sama.

4.Transformator

Jawaban: S_η,max = 43,3 kVA

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 sama dengan rugi inti

x²·1350 = 450 → x = √(450/1350) = 0,5774

Beban pada efisiensi maksimum

S_η,max = x·S = 0,5774·75 = 43,3 kVA

Jawaban

S_η,max = 43,3 kVA

5.Daya AC & faktor daya

Jawaban: X = 36,21 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 = 633/5,5² = 20,93 Ω

Reaktansi dari impedansi

|Z| = V/I = 230/5,5 = 41,82 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(41,82² − 20,93²) = 36,21 Ω

Jawaban

X = 36,21 Ω

6.Daya AC & faktor daya

Jawaban: Q_C = 24,61 kvar

Daya reaktif sebelum dan sesudah

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 45·tan(36,87°) = 33,75 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 24,61 kvar

Jawaban

Q_C = 24,61 kvar

7.Impedansi AC & fasor

Jawaban: φ = −80,03 °

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 = 377·0,1 = 37,7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (−227,6)²) = 231 Ω

Sudut fase

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−227,6/40) = −80,03°

Jawaban

φ = −80,03°

8.Impedansi AC & fasor

Jawaban: |Z| = 38,53 Ω

Reaktansi

X_C = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Gabungan paralel

Kalikan pembilang dan penyebut dengan sekawan kompleksnya untuk memisahkan Z_p menjadi bagian real dan imajiner.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 17,99 − j19,9 Ω

Impedansi total

Z = 15 + 17,99 − j19,9 = 32,99 − j19,9 Ω

|Z| = √(32,99² + 19,9²) = 38,53 Ω

Jawaban

|Z| = 38,53 Ω

9.Motor DC

Jawaban: η = 92,83 %

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.

Daya-daya

P_in = 120·5 = 600 W

P_dev = 116·5 = 580 W

P_out = 580 − 23 = 557 W

Efisiensi

η = 557/600·100 = 92,83 %

Jawaban

η = 92,83 %

10.Motor DC

Jawaban: D = 45,52 %

Tegangan jangkar yang diperlukan

V_a = 0,6·31,42 + 2·1,5 = 21,85 V

Siklus kerja

D = 21,85/48 = 45,52 %

Jawaban

D = 45,52 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems