Mesin AC ( ac-machine )

Standard Tegangan dan Frekuensinya

Voltage and Frequency Standards

Penggunaan suatu standard diatur dan dikendalikan oleh sekelompok profesional di bidangnya masing-masing, di mana diharapkan dari penerapan suatu spesifikasi standard tersebut para perancang atau pun pembuat peralatan mengetahui bahwa alatnya nanti dapat bekerja dan sesuai spesifikasi dengan peralatan lain yang dibuat kapan atau di mana saja.

Edison sebagai pembuat pertama lampu filamen dari platinum mengoperasikannya secara seri pada tegangan 10 V. Kemudian dia menyadari bahwa jika dioperasikan secara paralel akan mempermudah pengendalian untuk masing-masing lampu tersebut. Untuk mengurangi rugi-rugi transmisi, dia menaikkan tegangan hingga 100 V dan mengembangkan filamen bambu berkarbonasi untuk digunakan pada tegangan tersebut. Merasa tingkat cahaya lampu masih belum memuaskan, Edison kemudian menaikkan tegangan 10%. Edison kemudian memperkenalkan temuannya pada berbagai event sehingga menjadi standard tegangan sampai saat ini dengan sistem distribusi tiga kabel, di mana setiap kabel netral yang dihubungkan ke pentanahan (ground) bertegangan 110 V, sedangkan hubungan antara kabel utama (live-wire) dengan kabel netral bertegangan 220 V.

Berbagai penemuan peralatan listrik yang baru seperti transformator yang efisien dan motor AC yang bertenaga besar menyebabkan arus bolak-balik (AC) tersebut menjadi standard dalam pembangkit tenaga listrik, tetapi pada frekuensi berapa? Awalnya frekuensi rendah 25 siklus per detik digunakan kemudian dengan membuat alternator 32 kutub yang digerakkan turbin air 250 rpm sebagai pembangkit tenaga dua fasa menghasilkan frekuensi 133,33 Hz sempat digunakan. Frekuensi ini memang baik untuk digunakan pada lampu pijar (incandescent) karena cahayanya bebas berkedip (flicker-free) tetapi sangat buruk jika digunakan untuk motor induksi karena tingginya rugi-rugi pada bagian inti (core). Tesla kemudian merekomendasikan untuk menggunakan frekuensi 60 Hz, di mana pada frekuensi tersebut cahaya lampu masih bebas kedipan dan motor listriknya juga masih bekerja dengan baik. Rekomendasi dari Tesla tersebut kemudian menjadi standard frekuensi sampai saat ini di berbagai penjuru dunia, walaupun masih ada negara yang menggunakan standard dengan frekuensi 50 Hz.

Dalam membangkitkan tenaga dibutuhkan gerak relatif suatu konduktor yang aktif terhadap medan magnetnya. Pada motor DC, besi yang bermedan magnet kuat diposisikan stasioner sehingga arus listrik menyebabkan armature berputar bersama dengan komutator. Pada generator AC juga memiliki konstruksi dengan armature yang berputar, tetapi untuk komponen yang membawa tenaga listrik yang besar harus diposisikan stasioner untuk mencegah pindahnya tenaga yang tinggi tersebut akibat kontak terhadap gerakan. Konsultan proyek dari Eropa untuk air terjun Niagara merancang medan yang berputar tersebut dan menyarankan untuk menempatkan magnet yang berputar (yang digerakkan langsung oleh turbin air) di bagian sisi luar armature. Tetapi, berdasarkan banyak pengalaman perancang diperoleh bahwa dengan menempatkan medan magnet yang berputar di sisi dalam armature yang stasioner selain konstruksinya lebih mudah juga pendinginannya lebih baik, sehingga susunan tersebut menjadi standard sampai saat ini.

Motor induksi polyphase yang dialiri arus listrik pada rotornya diinduksikan sebagai mana aksi transformator saat ini menjadi penggerak yang banyak dipakai industri. Motor induksi (motor AC) banyak juga digunakan untuk aplikasi dengan kecepatan konstan dan dibuat dengan berbagai ukuran kecepatan dan tegangan. Contoh lain pemanfaatan generator AC adalah altenator pada kendaraan yang berfungsi menyediakan tenaga listrik AC sebagai sumber energi listrik untuk menyalakan peralatan listrik dalam mobil dan sumber tenaga listrik DC (setelah melewati rectifier) untuk sistem pengisian baterai pada mobil tersebut. Suatu saat nanti generator AC pada mobil akan terus berkembang dan berkapasitas semakin besar (bisa lebih dari 100 A), karena selain untuk pengisian baterai juga digunakan untuk tata udara (air-conditioning), sistem audio video dengan skema stereo 100 watt, antena, pengereman elektronik, power-steering, suspensi, transmisi, komputer, dan peralatan yang lain sebagainya yang memanfaatkan sumber energi listrik tersebut.

         Karena hal tersebut di atas, perlu kiranya untuk mempelajari mesin AC terutama yang berkaitan dengan generator dan motor induksi dan mesin sinkron. Pada motor induksi, arus bolak-balik (arus AC) diberikan pada stator kemudian diinduksikan ke rotor dengan aksi transformator. Pada mesin sinkron (synchronous machine), arus DC diberikan ke rotor sedangkan arus AC dialirkan ke stator. Dengan mesin yang sama dapat difungsikan sebagai generator atau motor karena yang membedakannya hanyalah arah aliran energinya tersebut. Prinsip dasar mengenai mesin listrik (electromechanic) dapat diunduh pada link ini. Sedangkan materi pembelajaran mengenai mesin AC dapat diunduh pada link MESIN AC ini.

Download Materi MESIN AC.
Download Materi Prinsip Mesin Listrik.

Mesin DC

Mobil Listrik

Electric Cars

Karakteristik motor DC sesuai untuk digunakan pada kendaraan listrik, di mana memiliki torsi awal yang tinggi dan mudah di atur kecepatannya. Karena dioperasikan oleh baterai maka kendaraan listrik ini akan menjadi tidak bermanfaat jika digunakan untuk perjalanan jauh dan jalan yang berliku tanpa dilengkapi alat atau pun stasiun pengisi baterai. Dengan cara pandang terkini di mana alat yang dibuat harus melaksanakan prinsip konservasi energi dan ikut serta mengurangi polusi, maka perkembangan mobil listrik akan semakin menarik untuk dicermati terutama bila kendaraan listrik (electric vehicle) tersebut bisa digunakan sebagai kendaraan berpenumpang banyak.

Walaupun banyak produsen mobil ikut serta dalam mengembangkan mobil listrik ini, tetapi sampai saat ini masih belum bisa diproduksi massal untuk menggantikan peran mobil konvensional dikarenakan masalah yang sangat kritis yaitu jarak tempuh dan masa hidup baterai. Perusahaan mobil yang ikut serta dalam pameran pertunjukkan mobil sudah memperlihatkan rancangan kendaraan listrik yang memenuhi konsep mobil yang ringan, aerodinamis, dan berkinerja tinggi. Ringan berkaitan dengan material dan jumlah penumpang, aerodinamis berkaitan dengan percepatan (drag-coefficient), dan berkinerja tinggi berkaitan dengan jangkauan atau jarak tempuh kendaraan yang mampu dicapai dibanding dengan konsumsi bahan bakar dari kendaraan konvensional.

Untuk mengeliminir ketidaktersediaan stasiun pengisi baterai, mobil listrik memanfaatkan panel surya sebagai sumber energinya. Selain itu, sumber energi terbarukan pada mobil listrik yang sedang hangat saat ini adalah fuel-cell yang memanfaatkan hidrogen dan udara. Motor penggeraknya (traction motor)  memanfaatkan listrik DC dari sistem penyimpan energi (energy storage system) yang dilengkapi converter (penyesuai tegangan) dan inverter (arah gerakan dan banyaknya tenaga). Motor yang digunakan umumnya adalah motor DC, motor induksi, atau pun motor magnet permanen. Mobil listrik umumnya tidak memerlukan sistem transmisi yang kompleks dan hanya menggunakan gear untuk menggerakkan roda-roda yang berfungsi sebagai speed reduction.

Dikarenakan konfigurasi mobil listrik tersebut menggunakan listrik DC, maka sudah saatnya mulai mempelajari mesin DC. Mesin listrik mencakup generator dan motor, yaitu mesin yang bekerjanya berputar di mana konduktor bergerak secara aksial akibat medan magnet yang terbentuk pada celah silinder antara dua inti besi. Basis kerjanya cukup sederhana di mana arus mengalir hanya melalui kumparan stator dan rotor. Untuk memprediksi kinerja mesin listrik ini diperlukan pemahaman mendalam mengenai karakteristik operasinya. Sebagai bahan pembelajaran mesin DC bisa dimanfaatkan materi pada link download ini.

Download materi1 PRINSIP MESINLISTRIK .

Download materi2 MESIN DC (link: dropbox).

Transformator

Transmisi Tenaga Listrik
Power Transmission

       Kebutuhan listrik saat ini sangat vital keberadaannya. Listrik digunakan setiap hari oleh masyarakat di dunia ini pada berbagai bidang kehidupan. Listrik membawa energi untuk dimanfaatkan oleh penggunanya. Sumber energi ini tersedia dalam bentuk bahan bakar fosil atau pun bahan bakar nuklir kemudian dikonversi menjadi bentuk energi listrik di suatu pembangkit daya/tenaga yang selanjutnya didistribusikan ke pemakainya. Energi listrik ini ditransmisikan dan didistribusikan dengan memanfaatkan jalur transmisi yang sengaja dibuat agar sampai ke rumah-rumah, industri, dan bangunan komersial yang berada di daerah cakupan jalur transmisi tersebut.

       Seiring kemajuan teknologi dan ekonomi masyarakat mengakibatkan beban transmisi daya semakin besar dan juga jarak transmisi semakin jauh hingga ke pelosok-pelosok daerah. Kapasitas setiap jalur transmisi bervariasi nilai tegangannya (voltage) dan akan terus turun seiring jarak yang ditempuhnya. Semakin meningkatnya beban, tegangan pada jalur transmisi harus terus dinaikkan terutama untuk menghindari terjadinya kelebihan beban yang akan mengakibatkan terputusnya aliran listrik ke pemakai. Menggandakan tegangan pada jalur transmisi untuk jarak distribusi tertentu akan menaikkan kapasitasnya sampai empat kalinya sehingga meningkatkan efisiensi transmisinya.

       Transformator memegang peranan penting dalam transmisi listrik ini. Rugi-rugi transmisi daya bisa ditekan dengan menaikkan tegangan transmisi menggunakan transformator. Misalnya, suatu daerah perkotaan rata-rata kebutuhan dayanya adalah 240 kW kemudian didistribusikan melalui jalur transmisi yang memiliki hambatan 0,5 Ω dengan tegangan transmisi yang akan dibandingkan yaitu antara 240 V dan 24 kV.

               Untuk tegangan transmisi 240 V diperoleh arus sebesar,

                        I = ^P/_V = (240 x 10³ W) / (240 V) = 1000 A = 1 kA

               rugi-rugi transmisi daya,

                        P_L = I² R = (1000 A)² . (0, 5 Ω) = 500 kW

               sedangkan untuk tegangan transmisi 24 kV diperoleh arus sebesar,

                        I = ^P/_V = (240 x 10³ W) / (24 x 10³  V) = 10 A

               rugi-rugi transmisi daya,

                        P_L = I² R = (10 A)^{2 .} (0, 5 Ω) = 50 W

               dengan demikian, rugi-rugi transmisi daya untuk tegangan tinggi lebih rendah.

       Tegangan keluaran pada pembangkit tenaga dinaikkan untuk keperluan transmisi menggunakan transformator, sesampainya di sub-stasiun listrik di area perkotaan kemudian tegangan diturunkan dengan menggunakan transformator juga, sepanjang jalan di area perkotaan umumnya tegangan berkisar 2400 V dan diturunkan lagi di gardu lokal dengan menggunakan transformator sampai tegangan 240 V untuk didistribusikan ke rumah-rumah atau pun perkantoran.

       Transformator memindahkan energi listrik dari satu sirkuit kumparan ke sirkuit kumparan lain dengan memanfaatkan medan magnet yang terhubung di antara kedua sirkuit tersebut. Ada tiga tujuan utama yang diharapkan dapat dicapai dalam mempelajari transformator ini. Pertama, transformator mengilustrasikan pemanfaatan prinsip kemagnetan untuk konversi energinya sehingga bisa menjadi dasar dalam memahami aplikasi induksi tegangan akibat perubahan medan magnet dan juga bisa menjadi dasar untuk operasional motor induksi, di mana menyangkut variasi fluks sinusoidal kemagnetan dan hubungan antara tegangan dan arus pada kumparan yang terhubung pada sirkuit kemagnetan yang sama. Kedua, mempelajari transformator lebih lanjut sebagai peralatan dua kumparan dan membuat turunan model persamaan sirkuitnya. Ketiga, memanfaatkan hasil penurunan model tersebut untuk prediksi kinerja transformator dalam aplikasi di lapangan.

Sebagai bahan ajar silahkan di-download-1 materinya pada link download-2 ini.

Download-1 materi prinsip kemagnetan.

Download-2 materi transformator.

Jika mengalami permasalahan mari kita diskusikan bersama.