Seperti diketahui bahwa dalam teknik listrik dikenal ada dua jenis arus listrik, yaitu arus searah (Direct Current) yang disingkat dengan DC dan arus bolak-balik (alternating Current) yang disingkat dengan AC. Secara sederhana arus bolak-balik dapat didefinisikan sebagai berikut :
Arus bolak-balik adalah arus listrik yang arah serta besarnya berubah secara berkala seiring dengan perubahan waktu.
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
68 2.1.1 Pembangkitan arus bolak-balik
Prinsip terbangkitnya gaya gerak listrik (ggl) adalah merupakan peristiwa induksi. Dimana apabila sebuah batang penghantar digerak-gerakkan dalam medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya magnet, maka pada penghantar tersebut akan terbangkit ggl induksi. Besarnya ggl yang terbangkit seperti yang ditemukan oleh Tuan Faraday, ditentukan oleh cepatnya perubahan, fluxi magnet yang dilingkupi oleh penghantar tersebut.
Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.18 kumparan dengan panjang 1 (m), lebar 2r (m) yang memotong garis-garis gaya magnet kerapatan fluksi B (T), selanjutnya kumparan tersebut digerakkan (diputarkan) dengan kecepatan sudut (rad/s) maka pada kumparan tersebut pada setiap setengah putaran terjadi perubahan besar dan arah ggl. Sehingga terbangkit ggl induksi.
Gambar 2. 18
Sekarang perhatikan gambar 2.18 bagaimana terbangkitnya ggl induksi e (V). Karena kecepatan sudut w maka sudut rad terhadap sumbu X-X1adalah :
= t (rad)
dimana jari-jari kumparan (m), maka kecepatan sudut v (m/s) adalah :
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
69
Kecepatan sudut v1 (m/s)yang memotong langsung garis-garis gaya magnet adalah :
v1 = v sin t (m/s)
Sehingga ggl induksi ea, eb (v) yang dibangkitkan adalah :
ea = eb = B v1 = B v sin t (v)
Ggl e antara siakt-sikat yang diperlihatkan pada gambar 2.18 adalah :
e = ea + eb = 2B v sin t (v)
dimana nilai maksimum ggl Em = 2B v (v), sehingga :
e = Em sin t (v)
Berdasarkan uraian diatas dapat dimengerti bahwa, jika kumparan pada gambar 2.18 diputar sejauh 2 radian, maka teganagn yang terbangkit akan berbentuk gelombang sinus seperti yang ditunjukan pada gambar 2.19.
Gambar 2. 19.
Dari gambar 2.19 diatas jelas terlihat bahwa tegangan akan mencapai harga maksimum pada saat wt sama dengan /2 rad dan 3/2 rad. Karena pada saat ini harga sinus sama dengan satu. Harga maximum disebut juga harga puncak (peakvalue) atau amplitudo. Sedangkan harga dari maksimum positif ke maksimum negatif disebut harga puncak ke puncak (peak to peak).
2.1.2 Bentuk Gelombang Arus Bolak-Balik
Bertolak dari pengertian arus bolak-balik di atas, kiranya dapat dipahami bahwa, karena besar dan arahnya berubah setiap saat, maka arus bolak-balik tidak akan berbentuk garis lurus, tetapi berbentuk gelombang.
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
70
Bentuk gelombang arus bolak-balik yang lazim dikenal ada tiga jenis, yaitu : a. Bentuk Gelombang Sinusioda
b. Bentuk Gelombang Kotak c. Bentuk Gelombang Segitiga
Penggunaan bentuk gelombang kedua dan ketiga banyak ditemukan pada teknik elektronika. Sedangkan dalam teknik listrik arus kuat yang paling sering digunakan adalah bentuk yang pertama yaitu gelombang sinusioda.
Gambar 2. 20.
2.1.3 Perioda dan Frekuensi
Perioda arus bolak-balik didefinisikan sebagai berikut : “Perioda adalah waktu yang dibutuhkan oleh satu gelombang penuh untuk merambat (perhatikan gambar 2.21 Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.21 arus bolak-balik bentuk gelombangnya berubah-ubah secara priodik, perubahan dari 1 sampai 5 atau dari 2 sampai 6 disebut 1 cycle, perubahan ini bila dihubungkan dengan waktu T (s) disebut periode. Sedangkan frekuensi didefinisikan sebagai berikut :
Frekuensi adalah banyaknya gelombang penuh yang terbangkit dalam satu detik.
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
71 Gambar 2. 21
Dari dua definisi di atas dapat dimengerti bahwa, jika suatu gelombang arus bolak-balik mempunyai periode sebesar T detik maka banyaknya gelombang penuh yang terbangkit setiap detiknya adalah :
f T
1
dimana : f = frekwensi dalam cycle/detik atau Hertz (Hz)
T = periode dalam detik
Karena sudut yang ditempuh oleh suatu gelombang penuh adalah 2 radian, sedangkan waktu menempuh sudut tersebut adalah T, maka secara matematik hubungan ini dapat ditulis sebagai berikut :
T
T
2
2
Karena : T T 1 Maka : = 2f2.1.4 Harga Rata-rata dan Harga Efektif
Seperti diketahui bahwa arus bolak-balik tidak mempunyai harga yang konstan, melainkan berubah berkala seiring dengan perubahan waktu. Sehingga dapat dimengerti bahwa arus bolak-balik tersebut akan berbentuk gelombang. Salah satu
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
72
dari bentuk gelombang arus bolak-balik yang lazim dikenal adalah gelombang sinus, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.21.
Harga tegangan e (v) di atas jelas berubah-ubah tergantung waktu t, sehingga harga ini disebut dengan harga sesaat yaitu harga pada saat t tertentu. Sedangkan harga pada saat tegangan mencapai harga tertinggi disebut harga maximum atau harga puncak (peak value) atau disebut juga dengan amplitudo. Disamping itu dikenal pula harga puncak ke puncak atau harga peak to peak, yaitu harga dari maksimum positip ke maksimum negatif. Namun yang lebih banyak dipergunakan dalam perhitungan-perhitungan adalah harga arus bolak-balik yang dikenal dengan harga rata-rata dan harga efektif.
2.1.5 Harga Rata-rata (Averange Value)
Yang dimaksud dengan harga rata-rata arus bolak-balik adalah seperti definisi berikut ini :
Harga rata-rata arus bolak-balik adalah harga arus bolak-balik yang setara dengan suatu harga arus rata (arus dc) yang dalam waktu yang sama dapat memindahkan sejumlah listrik yang sama.
Seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.22 harga sesaat dari bentuk gelombang sinus selama setengah perioda dirata-ratakan, dengan kata lain nilai sesaat garis lengkung tersebut menjadi nilai rata-rata, dengan notasi Eav atau Iav. Sehingga hubungan antara nilai maksimum Em, Im dan nilai rata-rata Eav, Iav sebagai berikut :
Eav Em Iav Im
2 , 2 PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
73 Gambar 2. 22.
Harga Efektif (Root Mean Square/RMS Value)
Harga arus bolak-balik yang ekivalen dengan harga arus searah yang didasarkan kepada ukuran tenaga dikenal sebagai harga efektif (harga sesungguhnya dari arus bolak-balik). Dengan demikian harga efektif arus bolak-balik dapat didefinisikan sebagai berikut :
Harga efektif arus bolak-balik adalah arus bolak-balik yang ekivalen dengan sebuah harga arus searah yang dalam waktu yang sama
dapat menimbulkan sejumlah tenaga yang sama pada tahanan yang sama
, jika saklar S dihubungkan pada posisi terhubung, sehingga daya P (W) yang ditunjukan oleh watt meter adalah :
W
RI
R
V
VI
p
2 2
Selanjutnya, saklar S dihubungkan pada posisi terhubung, maka daya P (W) yang ditunjukan oleh watt meter merupakan daya yang dibutuhkan oleh tahanan R yang dihubungkan dengan nilai sesaat tegangan v (V) dan dialiri nilai sesaat arus i (A), maka dengan p (W) adalah :
2 2
Ri
R
V
vi
p
PENGELOLAAN PLTMH TEKNIK ENERGI TERBARUKAN – TEKNIK ENERGI HIDRO
74 Gambar 2. 23.
Pada saat itu, daya P yang ditunjukan oleh watt meter adalah nilai rata-rata dengan
p, maka: