ARUS  PUTAR ( LISTRIK TIGA FASA )

Bagian 1

Bila steker peralatan listrik dipasang pada stopkontak untuk menghubungkannya pada sumber arus bolak-balik yang biasa (misalnya jaringan rangkaian utama), maka hubungan itu terjadi melalui terminal dari satu fasa dan kawat netral atau penghantar nol (Gambar 1).

Jadi rangkaian arus bolak-balik yang biasa pada rumah tangga dapat digambarkan juga sebagai rangkaian fasa-tunggal.

Rangkaian arus bolak-balik = rangkaian fasa-tunggal

Berdasarkan hal yang sama, suatu pemakai arus putar, atau dengan kata lain pemakai daya tiga-fasa, diperlengkapi dengan terminal untuk tiga fasa (Gambar 2).

Oleh sebab itu, istilah yang lebih tepat untuk arus putar ialah arus putar tiga-fasa, atau disingkat menjadi arus tiga-fasa ataupun listrik tiga-fasa. Atas alasan yang sama, jaringan arus putar disebut juga sistem tiga-fasa.

Rangkaian arus putar = rangkaian arus tiga-fasa

Arus putar tiga-fasa dan arus bolak-balik satu-fasa memperlihatkan beberapa ciri atau karakteristik yang sama. Hal itu menjadi nyata oleh cara membangkitkan kedua jenis arus listrik tersebut. Arus bolak-balik atau tegangan bolak-balik dibangkitkan dengan cara berikut ini (Gambar 3). Suatu loop dari kawat diputar pada kecepatan sudut putar yang konstan di dalam medan magnet yang homogen.

Karena perputaran, luas bidang dari loop kawat yang dilalui medan magnet berubah secara kontinyu. Dengan demikian besarnya fluks magnetik yang melalui loop, berubah-ubah secara teratur. Karena tegangan yang diinduksikan pada loop kawat adalah sebanding dengan tingkat perubahan dari fluks magnetik, maka tegangan yang diinduksikan ini merupakan tegangan bolak-balik. Frekuensi f dari tegangan bolak-balik adalah berbanding terbalik terhadap waktu T yang dibutuhkan loop kawat untuk berputar satu kali putaran yang lengkap (360ᵒ), yaitu  f =  1/T .

Tegangan bolak-balik yang dihasilkan dengan cara demikian, berubah-ubah menurut waktu dengan mengikuti pola gelombang sinus (Gambar 4).

Pada setiap momen dari waktu, terdapat nilai tegangan tertentu v. Setiap nilai v tertentu dinamakan nilai sesat dari tegangan. Nilai sesaat dapat merupakan semua nilai antara 0 dan nilai maksimum. 

Nilai maksimum dari tegangan dinamakan nilai puncak, simbolnya Vm. Bagaimanapun dengan suatu alat ukur yang sesuai, misalnya suatu instrumen besi-putar, atau kumparan-putar, baik nilai sesaat maupun nilai puncak tidak terbaca. Yang terbaca oleh alat ukur adalah nilai efektif simbolnya V. 

Nilai efektif ini disebut juga nilai RMS (Root Mean Square value), artinya nilai akar pangkat dua rata-rata. Memang nilai efektif itu sama dengan jumlah rata-rata nilai akar pangkat dua dari tegangan berbentuk sinus tadi, atau dengan istilah lain dari tegangan sinusiodal. 

Nilai efektif adalah sama dengan nilai tegangan searah yang akan dapat menghasilkan pengaruh pemanasan yang sama besar. 

Tegangan puncak dan tegangan efektif mempunyai hubungan yang tetap satu terhadap yang lainnya; pada kenyataannya, Vm  = √2 V. 

Untuk menggambarkan besarnya tegangan bolak-balik , umumnya dipakai nilai efektif. 

Sebagai pelengkap deskripsi tegangan bolak-balik, di samping data mengenai tegangan, perlu dicatat pula frekuensi. 

Frekuensi adalah jumlah siklus yang lengkap (360ᵒ) dari tegangan bolak-balik yang terjadi pada satu detik.

Untuk membangkitkan tegangan tiga-fasa, diterapkan metode yang sama seperti yang digunakan untuk membangkitkan tegangan satu-fasa. 

Namun dalam hal ini ada perbedaan, yaitu terdapatnya tiga loop kawat, L1, L2, dan L3 yang berputar pada kecepatan sudut putar yang konstan pada sumbu yang sama di dalam medan magnet yang homogen. 

L1, L2, dan L3 di atur kedudukan perbedaan sudutnya sebesar 120ᵒ satu terhadap yang lainnya secara tetap (lihat Gambar 5 di bawah ini).

Pada setiap loop kawat, diperoleh hasil yang sama seperti pada pembangkit tegangan bolak-balik. 

Ini berarti bahwa satu tegangan bolak-balik diinduksikan ke dalam setiap loop kawat. 

Akan tetapi, karena loop kawat berbeda sudut sebesar 120ᵒ satu terhadap yang lainnya dan satu putaran yang lengkap (360ᵒ) membutuhkan waktu satu periode, ketiga tegangan bolak-balik yang diinduksikan, berselisih waktu sepertiga dari satu periode satu terhadap yang lainnya. 

Keadaan ini disebut selisih fasa atau beda fasa 120ᵒ. 

Karena perbedaan letak sebesar sudut 120ᵒ di antara ketiga loop kawat, dihasilkan tiga tegangan bolak-balik atau fasa yang berselisih waktu sepertiga dari satu periode T, satu terhadap yang lainnya (lihat Gambar 6 – 8). 

Untuk membedakan antara ketiga fasa, adalah kebiasaan yang umum dalam teknik listrik arus kuat untuk menandakan ketiga fasa tersebut dengan huruf A, B dan C atau di Indonesia biasa dengan huruf  R, S dan T. 

Pada suatu waktu t = 0, A melalui tegangan nol dengan tegangan meningkat secara positif (Gb.6). Kemudian sepertiga periode berikutnya B mulai bangkit tegangannya dari nol (Gb.7) dan keadaan yang sama berlaku juga untuk C bila dibandingkan dengan B (Gb.8).

Tentang ketiga fasa dalam jaringan tiga-fasa dapat dibuat pernyataan sebagai berikut :

1. Ketiga tegangan fasa mempunyai frekuensi yang sama.

2. Ketiga tegangan fasa mempunyai nilai puncak yang sama.

3. Ketiga tegangan fasa berbeda fasa 120ᵒ (1/3 dari satu periode T) satu terhadap yang  lainnya.
 4. Pada setiap momen dari waktu, jumlah nilai sesaat dari ketiga tegangan adalah :

     VA + VB + VC = 0.

Kenyataan bahwa jumlah nilai sesaat dari ketiga tegangan adalah nol digambarkan dalam Gb. 6 - 8. 

Pada waktu t1, A mempunyai nialai sesaat vA1. 

Pada waktu yang sama, vB1 = 0 dan nilai sesaat dari C adalah vC1. 

Karena vA1 dan vC1 mempunyai nilai yang sama tetapi berlawanan tanda, maka berlaku : 

vA1 + vB1 + vC1 = 0.

Adalah ciri khas dari sistem tiga-fasa bahwa jumlah nilai sesaat dari ketiga tegangan adalah nol.

Jaringan tiga-fasa terdiri dari tiga saluran (penghantar kawat) atau fasa. Dalam Gambar 9 keadaan ini ditunjukkan dengan huruf A, B dan C.

Penghantar balik dari setiap fasa terdiri dari sebuah penghantar netral bernama N yang akan dijelaskan lebih lanjut dengan terperinci. Pengukur tegangan dihubungkan antara setiap saluran  A , B dan C dengan saluran netral N. Pengukur tegangan tersebut menunjukkan nilai efektif (RMS) dari tegangan anatara setiap fasa dan penghantar netral.

Tegangan ini dinyatakan sebagai tegangan fasa VAN , VBN , dan VCN.

Ketiga tegangan fasa itu sama besar. Tegangan tersebut hanya berbeda fasa 120ᵒ (sepertiga dari satu periode waktu) lihat Gambar 10.

Masing-masing nilai sesaat, nilai puncak dan nilai efektif adalah sama seperti pada tegangan bolak-balik fasa-tunggal. 

 Gambar 9

Gambar 10

Bila pengukur tegangan dihubung secara langsung antara saluran A dan saluran B (Gambar 11). Maka terukurlah nilai efektif dari tegangan VAB. Nilai ini berbeda dari nilai masing-masing tegangan fasa tersebut.

Akan tetapi besarnya VAB berbanding langsung dengan tegangan fasa. Hubungannya diperlihatkan dalam Gambar 12. 

Bentuk gelombang dari VAB dan tegangan fasa vAN dan vBN yang berubah ubah terhadap waktu, nampak dalam diagram itu.

vAB mempunyai gelombang berbentuk sinus dan frekuensi yang sama seperti tegangan fasa. 

Namun VAB memiliki nilai puncak yang lebih tinggi karena tersusun dari tegangan fasa vAN dan vBN. 

Nilai sesaat positif dan negatif dari VAN dan VBN bila diukur bersamaan pada waktu tertentu menghasilkan nilai sesaat vAB. 

Dengan demikian vAB adalah hasil penjumlahan vektor fasa dari kedua tegangan fasa VAN dan VBN. Resultante atau kombinasi dari tegangan bolak-balik yang berbeda fasa ini dinamakan penjumlahan vektor fasa.

Tegangan fasa terhadap fasa dinamakan tegangan saluran atau tegangan gabungan.  

  

Gambar 11

Gambar 12

Kemungkinan untuk menggabungkan satu fasa dengan fasa lainnya dalam generator merupakan sifat dasar dari listrik tiga-fasa. Pemahaman mengenai hubungan ini akan bertambah melalui contoh yang dilengkapi gambar berikut ini. Tujuannya menjelaskan pengertian tentang beda fasa dengan cara yang sangat sederhana.

Tegangan fasa VAN dan VBN berbeda fasa sepertiga dari satu periode, atau 120ᵒ (Gambar 13a). Tegangan fasa tersebut diperlihatkan oleh vektor fasa VAN dan VBN . Selisih fasa dinyatakan oleh sudut 120ᵒ antara kedua vektor fasa (Gambar 13b).

Jumlah vektor fasa dari dua tegangan fasa VAN dan VBN dapat diperoleh secara geometris dan resultante vektor fasa yang diperoleh dengan cara demikian dinamakan tegangan saluran atau tegangan gabungan  VAB = VAN + VNB.

Perlu diketahui bahwa untuk memperoleh tegangan saluran VAB, pengukuran dilakukan dari terminal A tehadap terminal B melalui titik bersama N, untuk hubungan bintang akan dijelaskan nanti.

Kenyataan ini diperlihatkan pada Gambar 14.

Bertitik tolak dari vektor fasa VAN dan VBN (Gambar 13), vektor fasa  –VBN = VNB diperoleh dari titik N. Diagonal dari jajaran genjang (paralelogram) dengan sisi VAN dan VNB merupakan vektor fasa yang menggambarkan tegangan saluran VAB yang dihasilkan.

Karena itu dapat disimpulkan bahwa dalam generator, tegangan saluran VL berhubungan dengan tegangan fasa VP melalui suatu faktor pengali. Faktor pengali ini dapat ditunjukkan besarnya yaitu √3, jadi    VL=√3 x Vp 

Dalam sistem pembangkit tiga fasa, tegangan gabungan atau tegangan saluran adalah selalu  √3 kali tegangan fasa. 

Faktor pengali yang menghubungkan tegangan saluran dengan tegangan fasa adalah √3. 

           

Dalam uraian terdahulu, dijelaskan bahwa tegangan saluran lebih besar daripada tegangan fasa. 

Di bawah ini diberikan sebuah contoh dengan angka.

Nilai efektif tegangan fasa dalam sebuah sistem tiga-fasa adalah 220 V, karena perbandingan dari tegangan saluran terhadap tegangan fasa adalah √3, nilai efektif tegangan saluran/gabungan tersebut adalah : 

VL=√3 x Vp = 380,6 V  atau dibulatkan  VL = 380 V.

Pada plat nama peralatan listrik tiga-fasa, antara lain Anda dapat menemukan tulisan 380/220 V. 

Ini berarti bahwa tegangan saluran untuk peralatan ini adalah 380 V dan tegangan fasa adalah 220 V.

Dalam hal ini jaringan tiga-fasa dapat ditemukan dengan 415/240 V, 220/127 V dan 190/110 V.

(Bersambung...)                                

** mosya 2017 **