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 90 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 93% dan faktor dayanya 0,8 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 400 V. Cari arus saluran I_L.

P_out = 90 kWη = 93%cos φ = 0,8V_L = 400 V

I_L = A

2.Daya tiga fasaSulit

Beban tiga fasa seimbang menyerap 75 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 480 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. Kapasitor dihubungkan secara Δ. Cari kapasitansi C_ph setiap kapasitor dalam µF.

P = 75 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,92V_L = 480 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.TransformatorSedang

Sebuah transformator satu fasa 15 kVA, 2400/240 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus I_HV pada kumparan tegangan tinggi.

S = 15 kVAV₁ = 2400 VV₂ = 240 V

I_HV = A

4.TransformatorSulit

Sebuah transformator satu fasa 250 kVA memiliki rugi inti 1250 W dan rugi tembaga 3750 W pada beban pengenal. Transformator menyuplai 50% dari kVA pengenalnya pada faktor daya 0,95 tertinggal. Cari rugi total P_loss dalam watt pada beban ini.

S = 250 kVAP_core = 1250 WP_cu,fl = 3750 Wx = 0,5pf = 0,95

P_loss = W

5.Daya AC & faktor dayaSedang

Motor satu fase menyerap 17 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 230 V. Cari daya reaktif Q yang ditariknya.

P = 17 kWpf = 0,8V = 230 V

Q = kvar

6.Daya AC & faktor dayaSulit

Beban satu fase menyerap 50 kW pada faktor daya 0,7 tertinggal dari sumber 240 V, 60 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,92. Cari arus saluran baru I_new.

P = 50 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz

I_new = A

7.Impedansi AC & fasorSedang

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 230 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 10 µF

I = A

8.Impedansi AC & fasorSulit

Sebuah rangkaian RLC seri dicatu oleh sumber 1 V (rms) yang frekuensinya diatur pada frekuensi resonansi rangkaian. Cari tegangan rms V_L pada induktor.

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF

V_L = V

9.Motor DCSedang

Sebuah motor DC menghasilkan daya mekanik 1,5 kW pada 2000 rpm. Cari torsi poros T.

P = 1,5 kWn = 2000 rpm

T = N·m

10.Motor DCSulit

Sebuah motor DC berpenguat terpisah (k = 2 V·s/rad pada medan penuh, R_a = 0,5 Ω, V = 240 V) menggerakkan torsi beban konstan 50 N·m. Fluks medan dikurangi menjadi 90 % dari nilai penuhnya. Cari kecepatan baru n.

V = 240 Vk = 2 V·s/radR_a = 0,5 ΩT = 50 N·mΦ = 90 %

n = rpm

3Larutan

1.Daya tiga fasa

Jawaban: I_L = 174,6 A

Daya masukan listrik

P_in = P_out/η = 90/0,93 = 96,77 kW

Arus saluran

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 96774/(√3·400·0,8) = 174,6 A

Jawaban

I_L = 174,6 A

2.Daya tiga fasa

Jawaban: C_ph = 157,5 µF

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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar

Q₂ = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 34,19 kvar

Kapasitansi per fasa

Pada bank Δ, setiap kapasitor terhubung di antara dua saluran.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 11398/(314,2·480²) = 157,5 µF

Jawaban

C_ph = 157,5 µF

3.Transformator

Jawaban: I_HV = 6,25 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 = 15000/2400 = 6,25 A

Jawaban

I_HV = 6,25 A

4.Transformator

Jawaban: P_loss = 2188 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 = 0,25·3750 = 937,5 W

Rugi total

Rugi inti sama pada beban berapa pun.

P_loss = 1250 + 937,5 = 2188 W

Jawaban

P_loss = 2188 W

Efisiensi pada beban ini adalah η = 98,19%.

5.Daya AC & faktor daya

Jawaban: Q = 12,75 kvar

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.

Sudut

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Daya reaktif

Q = P·tan φ = 17·0,75 = 12,75 kvar

Jawaban

Q = 12,75 kvar

6.Daya AC & faktor daya

Jawaban: I_new = 226,4 A

Daya reaktif sebelum dan sesudah

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 50·tan(45,57°) = 51,01 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 29,71 kvar

Arus saluran baru

I_new = P/(V·cos φ₂) = 50000/(240·0,92) = 226,4 A

Jawaban

I_new = 226,4 A

7.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 2,036 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·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (108,9)²) = 113 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 230/113 = 2,036 A

Jawaban

I = 2,036 A

8.Impedansi AC & fasor

Jawaban: V_L = 2,236 V

Resonansi

Pada resonansi reaktansi saling meniadakan, jadi impedansinya hanya R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·10·10⁻⁶) = 4472 rad/s

I = V/R = 1/10 = 0,1 A

Tegangan pada induktor

X_L = ω₀L = 4472·0,005 = 22,36 Ω

V_L = I·X_L = 0,1·22,36 = 2,236 V

Jawaban

V_L = 2,236 V

Ini Q = 2,236 kali tegangan sumber.

9.Motor DC

Jawaban: T = 7,162 N·m

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 dalam rad/s

ω = 2π·2000/60 = 209,4 rad/s

Torsi

T = P/ω = 1500/209,4 = 7,162 N·m

Jawaban

T = 7,162 N·m

10.Motor DC

Jawaban: n = 1200 rpm

Konstanta motor yang melemah

k₂ = 0,9·2 = 1,8 V·s/rad

Arus jangkar baru

I_a = 50/1,8 = 27,78 A

Kecepatan baru

ω = (240 − 27,78·0,5)/1,8 = 125,6 rad/s → n = 1200 rpm

Jawaban

n = 1200 rpm

Pelemahan medan adalah cara penggerak DC berjalan di atas kecepatan dasarnya.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems