ARUS  PUTAR ( LISTRIK TIGA FASA )

Bagian 2

Bila suatu beban tiga-fasa dihubungkan pada jaringan arus putar, ada dua konfigurasi dasar yang mungkin, salah satunya adalah apa yang dinamakan hubungan Bintang ( Y ). Nama ini berasal dari bentuk penyusunan tahanan-beban (lihat Gambar 15).

Dalam contoh kita, beban tiga-fasa diperlihatkan sebagi tiga tahanan yang sama besarnya R. Sebuah penghantar luar menghubungkan setiap fasa dengan salah satu titik terminal a, b, c dari peralatan, kemudian disambungkan oleh salah satu elemen dari saluran dengan tahanan-beban masing-masing. Semua elemen saluran dihubungkan pada suatu titik N, yaitu titik bintang. Titik bintang ini dihubungkan pada penghantar netral N. 

Arus saluran iA, iB dan iC mengalir melalui masing-masing elemen dan arus yang sama mengalir melalui penghantar luar. Arus yang terakhir disebut juga arus fasa. Jadi

Dalam sistem hubung bintang, arus saluran/arus penghantar sumber listrik = arus fasa/arus penghantar-luar.

Tegangan V antara penghantar luar (ditunjukkan dalam tiga warna) adalah tegangan saluran atau tegangan gabungan yang dimaksud dalam uraian sebelumnya. Tegangan gabungan berada antara terminal a-b, b-c, dan c-a.

Gambar 15

Jatuh-tegangan pada setiap tahanan-beban dari hubungan bintang dinamakan tegangan titik bintang. Sebagaimana yang dinyatakan dalam uraian sebelumnya, jatuh tegangan pada setiap tahanan-beban ini adalah sama seperti tegangan fasa yang dibangkitkan. Jadi dalam hubungan bintang.

Tegangan titik-bintang (tegangan antara salah satu terminal dan titik bintang) = tegangan fasa.

Perbandingan antara tegangan dan arus pada hubung bintang diperlihatkan dalam diagram vektor fasa (lihat Gambar 16 – 18). 

Tegangan titik bintang (dalam warna biru) yang berbeda fasa 120ᵒ satu terhadap yang lainnya (Gambar 16), menjadi pangkal dari tegangan saluran yang digambarkan (Gambar 17) dalam warna hitam.

Demikian juga tegangan saluran atau tegangan gabungan berbeda fasa 120ᵒ satu terhadap yang lainnya. Karena beban dalam contoh yang kita berikan dalam bentuk tahanan Ohm murni. 

Arus IA, IB, IC mempunyai fasa yang sama dengan tegangan titik-bintang VP =(VAN, VBN dan VCN) lihat Gambar 18. 

Dalam hubungan bintang setiap arus saluran ditentukan oleh perbandingan tegangan titik-bintang terhadap tahanan-beban R.

Kenyataan ini akan dijabarkan melalui contoh dengan angka-angka : 

Suatu beban hubungan-bintang terdiri dari tahanan R yang masing-masing besarnya 10 Ω, dihubungkan pada jaringan arus putar (listrik tiga-fasa) dengan tegangan saluran/gabungan VL=380 V (Gambar19).

Karena susunan hubung-bintang, ada jatuh tegangan :

VP = 380/1,73 = 220 V pada setiap tahanan-beban murni R.

Ketiga arus penghantar–luar atau arus fasa mempunyai besar yang sama, karena beban dalam hubungan-bintang adalah seimbang, dan dinyatakan dengan IA = IB = IC = VP/R 

Gambar 19

Dalam sistem hubungan bintang empat-kawat, penghantar netral N harus menghantar penjumlahan arus saluran IA, IB dan IC . 

Oleh karena itu dapat timbul anggapan bahwa ukuran penghantar ini harus cukup besar untuk arus yang tinggi. 

Akan tetapi tidak demikianlah keadaannya, karena penghantar ini hanya perlu menghantar penjumlahan vektor fasa dari ketiga arus tersebut. 

Jadi berlakulah hal yang sama seperti untuk jumlah nilai sesaat tegangan fasa. 

Pada momen tertentu dari waktu t1, nilai sesaat iA1 = 0 (lihat Gambar 20), iB1, iC1 sama besar, tetapi berlawanan arah tanda, yaitu kedua arus berlawan arah dan penjumlahan vektor fasanya adalah nol. 

Dengan menentukan nilai t yang lain dapat terlihat bahwa keadaan yang sama berlaku untuk setiap nilai t yang dipilih. 

Oleh karena itu dalam hal beban yang seimbang, penghantar netral tidak dialiri arus; jadi kawat itu seolah tidak penting untuk menghantar arus. 

Maka sistem empat-kawat  A, B, C dan N dapat disederhanakan menjadi sistem tiga-kawat A, B dan C. 

Ini hanya mungkin bila terdapat beban yang seimbang, artinya semua tahanan-beban R adalah sama besar dan sistem sumber listrik bersifat simetris. 

Kalau nilai R tidak sama, besar arus saluran berbeda-beda dan arus netral tidak sama dengan nol. Dalam hal ini suatu arus netral IN mengalir dalam penghantar netral. 

Namun bagaimanapun juga arus ini lebih kecil dari pada setiap arus penghantar-luar. 

Jadi penghantar netral bila digunakan, diberi penampang kawat lebih kecil dibanding penghantar-luar. 

Bila beban tidak seimbang dan tidak ada penghantar netral, maka tidak ada jalan balik untuk penjumlahan dari arus fasa. 

Tegangan fasa dalam keadaan ini tidak akan dapat dinyatakan dengan tegangan saluran dibagi oleh √3, dan akan mempunyai nilai yang berbeda-beda.

Gambar 20

Di samping hubungan-bintang, ada satu konfigurasi dasar lagi yang memberi kemungkinan untuk menghubungkan beban tiga-fasa pada jaringan arus putar (listrik tiga-fa.sa). Kemungkinan kedua ini adalah hubungan-segitiga atau Delta (simbol Δ) lihat Gambar 21.

Dalam konfigurasi ini, tahan-beban R membentuk sisi dari segitiga. Terminal a, b dan c dihubungkan melalui penghantar luar dengan fasa A, B dan C. Tegangan gabungan VL adalah antara terminal a, b dan c, dan oleh karena itu merupakan jatuh tegangan pada setiap tahanan-beban R. 

Hal ini berarti :

Lain halnya dengan hubungan-bintang, pada hubungan-segitiga tegangan gabungan merupakan jatuh-tegangan pada setiap penghantar sumber listrik

Maka itu tegangan gabungan dengan simbol VAB, VBC dan VCA merupakan tegangan saluran. 

Arus saluran yang melalui elemen-elemen dalam susunan delta digambarkan juga menajdi IAB, IBC dan ICA. 

Arus itu bersumber pada arus penghantar luar IA, IB dan IC. setiap arus fasa itu terbagi untuk menyumbangkan sebagian dari dua arus saluran.

Arus dalam hubungan segitiga dihubungkan berdasarkan persamaan 

Arus penghantar-luar/fasa =   √3 X arus saluran

         Gambar 21

Hubungan antara tegangan dan arus pada hubungan-segitiga akan dijelaskan dengan bantuan gambar.

Tegangan gabungan VAB, VBC dan VCA merupakan jatuh-tegangan pada tahanan-beban. Yakni dalam hal ini tegangan gabungan adalah sama dengan tegangan fasa. 

Vektor fasa VAB, VBC dan VCA adalah tegangan gabungan (lihat Gambar 22).

Susunan ini sudah diperlihatkan berkenaan dengan susunan bintang.

Karena tahanan-beban murni dalam segitiga, arus saluran yang berkaitan dengannya mempunyai fasa yang sama dengan tegangan gabungan (Gambar 23).

Besarnya arus fasa ditentukan oleh perbandingan antara tegangan gabungan dan tahanan R.

Sebaliknya arus penghantar-luar IA, IB dan IC  dalam hal ini terbentuk sebagai kombinasi dari arus saluran.

Satu arus penghantar-luar selalu dinyatakan oleh penjumlahan vektor fasa dari kedua arus saluran yang melingkupinya. Hal ini diperlihatkan dalam Gambar 24 untuk arus penghantar-luar IA .

IA merupakan penjumlahan vektor fasa dari arus saluran IAB dan ICA (lihat Gambar 21).

Jadi dalam hubungan segitiga terdapat perbandingan yang tetap antara arus penghantar-luar dan arus saluran. Faktor pengalinya √3.

Arus penghantar-luar = √3 X arus saluran.

Contoh dengan angka-angka untuk hubungan-segitiga/Delta.

Sekali lagi pertimbangan suatu jaringan arus putar (listrik tiga-fasa) dengan tegangan gabungan VL = 380 V dan tahanan-beban R = 10 Ω pada setiap penghantar sumber listrik.

Ini adalah nilai-nilai yang sama seperti untuk contoh hubungn-bintang, hanya sekarang beban disusun sebagai hubungan-segitiga atau Delta (Gambar 25).

Karena beban adalah seimbang (tahanan R pada setiap saluran sama dan sistem sumber listrik bersifat simetris), arus saluran adalah sama besar dan ditentukan oleh tegangan gabungan serta beban.

Jadi arus dalam hubungan-segitiga IAB = IBC = ICA = VL/R =380/10=38 A.

Arus penghantar-luar IA = IB = IC adalah √3  X 38 = 65,82 A.

Gambar 25

Sampai sejauh ini telah diuraikan dua metode dasar dalam menghubungkan beban pada jaringan arus putar. Dalam beberapa uraian selanjutnya berikut ini akan diberikan ringkasan mengenai jenis hubungan yang paling tepat untuk penggunaan tertentu.

Suatu penerapan yang penting adalah sakelar pengalih bintang-segitiga (star-delta). Anda dapat berpedoman pada contoh-contoh dengan perhitungan angka untuk hubungan-bintang dan hubungan -delta (dalam uraian sebelumnya). 

Dalam hubungan-bintang, arus saluran adalah 22 A setiap penghantar-luar. Bila beban yang sama diubah hubungannya melalui sakelar pengalih menjadi hubungan-segitiga, arus penghantar-luar adalah 65,82 A, bila besarnya tegangan saluran tidak diubah.

Jadi untuk beban tiga-fasa yang tertentu, arus saluran dalam hubungan-segitiga adalah tiga kali lebih besar daripada arus saluran dalam hubungan-bintang, dengan tegangan saluran yang sama. 

Sebagaimana yang diuraikan sebelumnya, ada dua faktor  √3  untuk arus penghantar-luar dalam hubungan segitiga.

Keduanya menghasilkan faktor pengali keseluruhan √3  X √3 = 3. Berdasarkan hal tersebut dapat dinyatakan bahwa untuk beban tiga-fasa yang sama

Arus saluran Δ = 3 x Arus saluran Y

Kenyataan ini dimanfaatkan dalam sakelar pengalih bintang-segitiga (Gambar 27).

Misal beban berupa motor arus putar, mula-mula dijalankan dalam hubungan Y (arus rendah, kedudukan sakelar ke kiri) dan kemudian sakelar dialihkan (arus kerja penuh, kedudukan sakelar ke kanan). 

Ini merupakan salah satu cara yang mungkin untuk menjalankan motor tak serempak (Motor Asinkron), tidak diperlukan starter khusus.

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas, kumparan dari motor tiga-fasa dengan terminal-terminal dipisahkan, diperlihatkan dalam Gambar 28.

 Gambar 27 dan 28

Pengadaan energi listrik untuk konsumen, baik industri maupun rumah tangga, merupakan pula penerapan yang penting dari arus putar atau listrik tiga-fasa. Untuk “Distribusi tegangan rendah” dalam keadaan yang paling sederhana, penyedian listrik untuk keperluan penerangan dan daya pada bangunan; terdapat dua persyaratkan :

1. Dari segi ekonomis dituntut pemakian penghantar yang bekerja pada tegangan yang setinggi mungkin, akan tetapi dengan arus yang rendah agar dapat menghemat pada bahan  penghantar  yang mahal.
2. Berdasarkan alasan keselamatan, tegangan antara penghantar dan pentanahan tidak boleh   melebihi 250 V.

Berkenaan dengan butir 2 di atas, sistem distribusi tegangan dalam hubungan-delta, hanya mungkin dengan tegangan saluran yang rendah < 250. Bagaimanapun keadaan ini bertentangan dengan persyaratan pada butir 1 di atas.

Dilain pihak, dengan hubungan-bintang dapat diperoleh tegangan gabungan 380 V. Dalam hal ini, hanya terdapat 220 V antara penghantar-luar dan penghantar netral. 

Maka persyaratan 1 dipenuhi dan untuk memenuhi persyaratan 2, penghantar netral ditanahkan. 

Meskipun dalam konfigurasi ini diperlukan penghantar keempat, distribusi tegangan rendah yang menggunakan hubungan-bintang adalah selalu lebih murah karena penghematan dalam penampang-lintang dari penghantar-luar.

Oleh karena itu sistem distribusi yang paling tepat untuk penyediaan energi listrik adalah sistem empat-kawat arus putar bertegangan 380/220 V. 

Keadaan ini memberikan kemungkinan penyediaan arus tiga-fasa maupun arus satu-fasa kepada konsumen secara  serentak.

Penyediaan listrik untuk bangunan dapat diatur seperti dalam contoh berikut ini (Gambar 29).

Masing-masing rumah menggunakan salah satu tegangan fasa, yaitu A, B dan C tehadap N yang di distribusikan berurutan (arus kecil). Di samping itu beban kerja yang lebih tinggi (misalnya motor tiga-fasa) dapat dicatukan dari tegangan gabungan (arus besar).

Pada uraian sebelumnya telah diterangkan adanya kemungkinan menggunakaan salah satu fasa dari sistem empat kawat tiga-fasa untuk penyediaan listrik bagi pemakai satu-fasa.

Peralatan listrik dengan karakteristik kerja yang berbeda-beda dapat dihubungkan pada masing-masing fasa, sehingga fasa-fasa akan mendapat pembebanan yang berbeda-beda.

Hal ini berarti bahwa akan ada pembebanan yang tidak seimbang pada fasa-fasa dari jaringan empat-kawat tiga-fasa.

Dalam contoh-contoh sebelumnya, hanya keadaan beban seimbang yang dipertimbangkan; arus penghantar-luar IA, IB dan IC sama besar. 

Dalam Gambar 30 vektor fasa untuk arus tersebut pada beban seimbang diperlihatkan dalam diagram sebelah kiri. Dalam diagram sebelah kanan, arus yang sama tergambarkan berurutan.

Vektor-vektor fasa tersebut membentuk segi tiga tertutup, maka penjumlahan vektor fasanya adalah nol. 

Namun apabila besar arus penghantar-luar berbeda satu terhadap yang lain karena tahanan-beban yang tidak sama (Gambar 31), penjumlahan vektor fasanya adalah tidak nol.

Dalam hal ini, suatu arus mengalir kembali melalui penghantar netral. Besarnya diperlihatkan oleh vektor fasa IN dalam Gambar 31. Tidak diinginkan adanya arus penghantar netral yang setara dengan arus penghantar-luar.

Oleh karena itu pihak yang berwenang untuk pengadaan energi listrik selalu berusaha merencanakan sedapat mungkin terjadinya keseimbangan dalam jaringan, untuk mengurangi arus netral sampai minimum.

(Tamat)

***mosya2017***