BAB II DASAR TEORI
2.2 SISTEM KELISTRIKAN
Arus listrik disimbolkan dengan huruf I (berasal dari kata
perancis:intensite), di definisikan sebagai perubahan kecepatan muatan terhadap
waktu, atau pengertian lainnya adalah muatan yang mengalir dalam satuan waktu.
Jadi, arus sebenarnya adalah muatan yang bergerak. Selama muatan tersebut
bergerak maka akan muncul arus, tetapi ketika muatan tersebut diam maka arus
pun akan hilang. Muatan akan bergerak jika ada energi luar yang
mempengaruhinya. Muatan adalah satuan terkecil dari atom atau sub bagian dari
atom. Di dalam teori atom modern, dinyatakan bahwa atom terdiri dari partikel
inti ( proton yang bermuatan (+) dan neutron yang bersifat netral) yang dikelilingi
oleh muatan elektron (-). Jadi, normalnya atom bermuatan netral.
Muatan terdiri dari dua jenis yaitu bermuatan positif dan bermuatan
negatif. Arah arus listrik searah dengan arah muatan positif atau berlawanan
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. t I I t 0
kehilangan elektron, dan menjadi negatif apabila menerima elektron dari partikel
lain. Arus listrik terbagi atas dua jenis :
1) Arus Searah DC (Direct Current).
Arus DC adalah arus yang mempunyai nilai polaritas yang tetap atau
konstan terhadap satuan waktu, artinya dimanapun kita meninjau arus
tersebut pada waktu yang berbeda akan mendapatkan nilai polaritas yang
sama. Nilai polaritas bisa selalu bernilai positif ataupun selalu bernilai
negatif.
2) Arus Bolak – Balik AC (Alternating Current).
Arus AC adalah arus yang mempunyai nilai polaritas yang berubah- ubah
terhadap satuan waktu. Pada satu waktu nilai polaritasnya positif, tetapi
pada selang waktu lain nilai polaritasnya negatif.
Gambar 2.2 Arus Searah Gambar 2.3 Arus bolak – balik
2.2.2 Faktor Daya dan Daya Kompleks
Diketahui bahwa daya rata – rata bukan fungsi rms dari arus dan tegangan
saja. Tetapi ada unsur perbedaan sudut Phasa arus dan tegangan. Jika arus dan
tegangan dari persamaan se phasa dan = 00
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
P = V . I . cos = V . I [W]
Untuk = 600
P = V.I cos (600) = 0,3 VI [Watt]
= 900
P = V.I cos (900) = 0
Arus yang mengalir pada sebuah tahanan, akan menimbulkan tegangan
pada tahanan sebesar :
Vr = Ir r
Sehingga
P = Vr . Im . Cos
Karena tidak adanya beda Phasa antara arus dan tegangan pada tahanan, maka
sudut = 00
sehingga :
P = V. I
Untuk induktor dan kapasitor, arus yang mengalir pada elemen – elemen
ini masing – masing akan tertinggal dan terdahulu sebesar 900 terhadap tegangan
VL = IL . jwL
VC = IC (
wc j
− )
Dimana VL ; V c ; IL ; I c adalah besaran – besaran fasor.
Daya rata – rata elemen – elemen ini adalah nol.
Tegangan dikalikan dengan arus disebut daya semu. Daya rata – rata
dibagi dengan daya nyata disebut faktor daya. Untuk arus dan tegangan sinusoid,
faktor daya dapat dihitung dengan rumus
Faktor daya = I V P . = θ cosθ . cos . = I V I V
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
θ dinamakan sudut faktor daya, sudut ini menentukan kondisi terdahulu atau tertinggal tegangan terhadap arus.
Bila sebuah beban diberi tegangan. Impedansi dari beban tersebut akan
menentukan besar arus dan sudut Phasa yang mengalir pada beban tersebut.
Faktor daya merupakan petunjuk yang menyatakan sifat suatu beban.
Misalkan : Faktor daya beban pertama = 1 dan faktor daya beban kedua = 0,5.
Maka beban kedua akan membutuhkan 2 kali lebih besar arus beban yang
pertama. Untuk efisiensi dan operasi, diusahakan faktor daya mendekati satu.
Persamaan bilangan kompleks daya adalah :
S = Va . Ia [ VA ]
Dimana S = bilangan kompleks daya
Va dan Ia = besaran fasor
Ia = konjugasi kompleks dari Ia
Jika Va dan Ia dinyatakan sebagai
Va = V < 1
Ia = I < 2
Persamaan S menjadi :
S = V.I cos ( 1 – 2) + j V.I sin ( 1- 2)
1- 2 adalah sudut yang menyatakan besarnya sudut tegangan yang mendahului
arus. Bilangan nyata dari bilangan kompleks S di definisikan sebagai daya
rata – rata. Oleh karena itu, daya rata – rata ini sering disebut daya nyata atau
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. Vbn Vcn Van Ia Ic Ib n Z n Z Z
Bagian imajiner dari bilangan kompleks S disebut daya reaktif dan diberi
simbol Q dengan satuan VAR. Sebagaimana daya nyata terdapat pada tahanan,
daya reaktif terdapat pada sebuah reaktansi. Daya reaktif positif akan terdapat
pada induktor dengan arus tertinggal terhadap tegangan. Dengan dasar itu pula,
daya reaktif negatif terdapat pada sebuah kapasitor.
2.2.3 Perhitungan Tiga Phasa
Hampir semua listrik yang digunakan oleh industri, dibangkitkan, di
transmisikan dan didistribusikan dalam sistem tiga phasa. Sistem tiga phasa ini
memiliki besar yang sama (untuk tegangan atau arus) tetapi mempunyai
perbedaan sudut sebesar 120 0 antar Phasanya. Sumbu ini disebut juga sumbu
yang seimbang.
Apabila sumber mensuplai sebuah beban seimbang, maka arus – arus yang
mengalir pada masing – masing penghantar akan memiliki besar yang sama dan
berbeda sudut Phasa sebesar 120 0 satu sama lain. Arus – arus ini disebut arus
yang seimbang. Gambar 2.4 memperlihatkan sebuah rangkaian sederhana dan
diagram fasor sebuah sistem seimbang.
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. Vcn Ic Van Ia Vbn Ib b)
Gambar 2.4 Sistem Tiga phasa hubungan Y
Sistem pada gambar 2.4 disebut sistem urutan abc, dimana Phasa b tertinggal
120 0 terhadap Phasa a, dan Phasa c tertinggal 120 0terhadap Phasa b. Hanya satu
kemungkinan urutan lagi selain urutan abc yaitu acb. Beban pada gambar 2.4 a
dihubungkan dengan cara hubungan Y. Dalam hubungan tipe Y ini tegangannya
adalah tegangan kawat netral dan arus yang mengalir pada tiap Phasa beban
adalah arus kawat. Tegangan antara masing – masing kawat (saluran) dapat
dihitung sebagai berikut :
Vab = V an + Vnb = V an - Vbn
Vbc = Vbn - V cn
V ca = V cn - V an
Penulisan secara matematis dari gambar 2.4b untuk urutan Phasa abc dapat
dijelaskan sebagai berikut :
Vab = V an . 3 .< 300
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
V ca = V cn . 3 .< 300
Masing – masing tegangan kawat – kawat terdahulu 300 dan 3 kali
besar terhadap tegangan kawat netral. Untuk urutan Phasa – Phasa acb persamaan
diatas akan menjadi :
Vab = V an . 3 .< - 300
Vbc = Vbn. 3 .< - 300
V ca = V cn . 3 .< - 300
Daya yang digunakan pada masing – masing Phasa pada beban adalah :
P1θ = V an .I1 . cos
Dimana I1 = arus I a
COS = faktor daya
Untuk sistem yang seimbang, daya total yang dipergunakan adalah
PT = P3θ = 3. V an .I1 . cos = 3 . 3 VH . I1. cos = 3 . VH . I1 . cos dimana :
VH = tegangan kawat ke kawat
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. Ia ib Ic Ica Ibc Iab Z Z Z a b c
Gambar 2.5 Sistem tiga phasa hubungan delta
Baban pada gambar 2.4 adalah terhubung secara bintang (Y). Selain hubungan
bintang ini masih terdapat satu buah hubungan lain untuk beban yang seimbang,
yaitu hubungan delta (∆) seperti digambarkan pada gambar 2.5. Tegangan pada
hubungan delta ini adalah tegangan kawat ke kawat. Hubungan antara arus kawat
dengan arus yang mengalir pada beban dapat dijelaskan dengan rumus :
I a = Iab + I ac = Iab- I ca
Ib = Ibc - Iab
I c = I ca - Ibc
Hubungan antara arus kawat pada hubungan delta untuk urutan Phasa abc dan acb
dapat dijelaskan melalui persamaan – persamaan di bawah ini :
I a = Iab. 3 .< 300
Ib = Ibc. 3 .< 300
I c = I ca . 3 .< 300
Untuk arus Phasa abc, arus kawat 3 kali arus Phasa dan tertinggal 300 arus
Phasa.
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
Ib = Ibc. 3 .< - 300
I c = I ca . 3 .< - 300
Untuk urutan Phasa acb, arus terdahulu 300 terhadap arus Phasa.
Daya yang dikonsumsi setiap Phasa pada beban gambar 2.5 adalah
P1θ = VH.Iab . cos
Dimana
VH = Tegangan Vab
Cos = faktor daya
Untuk sistem yang seimbang, daya total yang dikonsumsi ke beban adalah :
PT = 3 . P1θ = 3 VH . Iab. cos = 3 . VH. 3 1 I . Cos = 3. VH. I1. Cos
dimana : I1 = arus kawat
Dengan memperhatikan persamaan diatas, maka tampak kedua persamaan
itu adalah sama. Hal ini berarti, jika tegangan kawat – kawat, arus kawat dan Cos
diketahui maka daya yang dikonsumsi dapat dihitung tanpa perlu mengetahui
bentuk hubungan dari beban tersebut. Dengan persamaan yang sama, dapat
diketahui bahwa
|ST| = 3 . VH. I1
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
2.2.4 Hubungan Seri dan Pembagi Tegangan
Dalam rangkaian listrik arus searah, jika resistor dihubungkan secara seri,
maka kuat arus yang melalui tiap resistor adalah sama, yaitu sama dengan kuat
arus yang melalui resistor penggantinya ( I1= I2= I3=Iek). Beda potensial
(tegangan) tiap resistor dapat dihitung dengan hukum ohm
V = I x R
V1 = R1.I1 dan V2 = R2.I2 dan V3 = R3.I3 maka Vek = Rek.Iek
Jumlah tegangan dapat dihitung : V1 + V2 + V3 = Vek
2.2.8 Hubungan Paralel dan Pembagi Arus
Dalam susunan paralel, tegangan tiap resistor adalah sama, yaitu sama
dengan tegangan resistor penggantinya. V1= V2= V3 = Vek
Jumlah kuat arus : I1 + I2 + I3 = Iek
Yang dimaksud beban DC, bukan hanya beban yang bersifat resistif saja
tetapi suatu beban yang memerlukan input tegangan DC. Adapun untuk
mendapatkan input tegangan DC, dapat dilakukan dengan menyearahkan tegangan
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
2.2.9 Generator
Generator adalah Mesin yang Mengubah Energi Mekanik Menjadi Energi Listrik. Secara praktis generator sinkron selalu merupakan generator tiga Phasa. Jika dua buah kumparan diletakkan pada alur yang berbeda pada stator seperti ditunjukkan pada gambar 2.6, maka tegangan induksi yang dibangkitkan akan
memiliki beda phasa sebesar 120°. Sedang untuk generator 4 kutub ditunjukkan pada
gambar 2.7.
Gambar 2.6 Generator Sinkron Tiga Phasa Dua Kutub
Gambar 2.7 Generator Sinkron Tiga Phasa Empat Kutub
Dimana tiap-tiap fasa memiliki dua buah kumparan yang ditempatkan secara
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
phasa dapat dihubungkan seri atau paralel dan generator tiga fasa
kumparan-kumparannya umumnya dihubungkan bintang seperti ditunjukkan pada gambar
2.8
Gambar 2.8 Hubungan Belitan Stator Generator Tiga phasa
2.2.7 Sistem DC Power
DC Power adalah alat bantu utama yang sangat diperlukan sebagai
penyedia arus searah (direct current) yang digunakan untuk peralatan-peralatan
kontrol, peralatan proteksi dan peralatan lainnya yang menggunakan sumber arus
DC, baik untuk unit pembangkit dalam keadaan normal maupun dalam keadaan
darurat (emergency). Pada beberapa unit pembangkit kecil, khususnya
Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) maupun Pembangkit Listrik Tenaga
Diesel (PLTD), sumber DC Power digunakan sebagai start-up unit. Dalam
instalasi sumber tegangan / arus searah (direct current / DC) meliputi panel-panel
kontrol, instalasi / pengawatan listrik, meter-meter, indikator dan perlengkapan
lainnya seperti : converter (rectifier), baterai dan inverter. Sumber Instalasi DC
Power dipasok oleh converter (rectifier) baik dari sumber 3 (tiga) phasa maupun
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
kebutuhan dan tingkat kepentingannya. Kapasitas baterai biasanya disesuaikan
dengan kebutuhan yang ada pada unit pembangkit itu sendiri baik sebagai back up
power ataupun start up unit cadangan.
2.2.7.1 Instalasi Sistem DC Power
Instalasi sistem DC power berfungsi untuk menyalurkan suplai DC yang
dipasok oleh converter (rectifier) tiga phasa maupun satu phasa yang dihubungkan
dengan baterai. Terdapat 3 (tiga) jenis instalasi atau suplai DC Power yang biasa
digunakan, antara lain:
1)
Instalasi DC power dengan sumber tegangan 220/250 Volt ini dipasok dari
converter (rectifier) yang dihubungkan dengan baterai pada panel DC. Dari panel
DC ini digunakan untuk mensuplai :
Instalasi Sistem DC Power 220 / 250 Volt
• DC Station Board, antara lain untuk motor-motor, indikator, lampu
penerangan dan lain – lain.
• Inverter yang digunakan untuk mensuplai Kontrol dan Instrumentasi pada turbin, boiler, switchgear dll.
2)
Instalasi DC power dengan sumber tegangan 110/125 Volt ini dipasok dari
converter (rectifier) yang dihubungkan dengan baterai pada panel DC. Dari panel
DC ini digunakan untuk mensuplai 125 Volt DC Station Board, untuk mensuplai : Instalasi Sistem DC Power 110 / 125 Volt
• Kontrol dan instrumentasi seperti pada turbin,boiler,ash dan dash handling dll.
• Relay Proteksi.
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. AC 1 Batere 1 Converter 1 3)
Instalasi DC power dengan sumber tegangan 48 volt biasanya digunakan
untuk Telekomunikasi (Telepon / Facsimile) dan Teleproteksi (khusus di Gardu
Induk). Sedangkan instalasi DC power dengan sumber tegangan 24 volt DC biasa
digunakan pada Emergency Diesel Generator untuk Starting Aplications 24 Vdc. Instalasi Sistem DC Power 24 / 48 Volt
2.2.7.2 Pola Instalasi DC Power
Instalasi pada sistem DC power terdiri dari beberapa pola atau model
berdasarkan kondisi peralatan yang terpasang. Hal ini juga dipengaruhi oleh
tingkat keandalan yang dibutuhkan dan kemampuan dari sumber DC itu sendiri .
1) Pola Instalasi DC Power 1
Pola 1 ini terdiri dari 1 (satu) unit trafo, 1 (satu) unit converter (rectifier), 1
(satu) unit baterai dan 1 (satu) unit bus DC. Dalam hal ini pengaman utama dan
pengaman cadangan menggunakan MCB yang berbeda seperti terlihat pada
gambar 2.9
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010. AC 1 Batere 1 Converter 1 AC 2 Batere 2 Interlock System Converter 2 2)
Pola yang kedua ini terdiri dari : 2 (dua) unit trafo, 2 (dua) unit converter
(rectifier), 2 (dua) unit baterai dan 1 (satu) unit bus DC. Dalam hal ini pengaman
utama dan pengaman cadangan menggunakan MCB yang berbeda seperti terlihat
pada gambar di bawah ini. Pola operasinya adalah : Pola Instalasi DC Power 2
• Sistem 1 : sumber listrik 1, converter (rectifier) 1 dan baterai 1, beroperasi memikul beban
• Sistem 2 : sumber listrik 2, converter (rectifier) 2 dan baterai 2, beroperasi tanpa beban
Sistem 1 dan sistem 2 beroperasi secara bergantian yang dilakukan oleh
Interlock System DC Utama
Gambar 2.10 Pola 2 Instalasi Sistem DC Power
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
Converter 1
Batere 2 AC 2 AC 1 Batere 1 KopelConverter 2
Pola 3 ini terdiri dari : 2 (dua) unit trafo, 2 (dua) unit Converter (rectifier),
2 (dua) unit baterai dan 2 (dua) unit bus DC. Pengaman utama dan cadangan
menggunakan MCB yang berbeda. Pola operasinya adalah :
• Sistem 1 : Power supply 1, converter (rectifier) 1 dan baterai 1, beroperasi memikul beban
• Sistem 2 : Power supply 2, converter (rectifier) 2 dan baterai 2, beroperasi tanpa beban
Pada posisi normal sistem 1 dan sistem 2 operasi secara terpisah, posisi
MCB keluar (MCB kopel interlock dengan MCB sistem 1 dan sistem 2). Pada saat
pemeliharaan sistem 1, MCB sistem 1 dilepas maka MCB kopel akan masuk
secara otomatis. Demikian juga sebaliknya. Lihat diagram dibawah ini
Gambar 2.11 Pola 3 Instalasi Sistem DC Power
Pola instalasi diatas adalah hanya contoh dari sekian banyak pola instalasi
yang berkembang saat ini khususnya di unit pembangkit yang memerlukan
keandalan yang tinggi dengan pola pengoperasian yang tinggi juga.
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
Kombinasi panel – panel adalah bentuk dari perlengkapan hubung bagi
pada tempat pelayanannya, terbuat dari konduktif atau tidak konduktif yang di
pasang pada rangka yang dilengkapi dengan perlengkapan listrik seperti sakelar,
kabel dan rel. Perlengkapan hubung bagi yang di batasi dan dibagi – bagi dengan
baik menjadi petak – petak yang tersusun mendatar dan tegak dianggap sebagai
satu panel hubung bagi (PHB).
Terdapat tiga tingkatan (level) pada panel dalam mendistribusikan tenaga
listrik, main distribution level, sub distribution level, dan load level.
•
MDP (main distribution panel) menghubungkan langsung antara sumber
tenaga listrik dengan sub distribution panel (SDP). Digunakan terutama sekali
untuk : Safety disconnection, Coupling busbar section, Proteksi Busbar, Pemilihan
dalam perlengkapan proteksi yang dilengkapi oleh fuse, pemutus sirkit, dan
pemutus sirkit tidak otomatis. Main Distribution Panel (MDP)
•
SDP (sub distribution panel ) digunakan untuk : safety connection,
switching beban listrik, sistem lampu dan motor, proteksi kabel, jaringan listrik
dan beban, proteksi cadangan , proteksi terhadap tegangan lebih, kontrol, metering
dan pengukuran
Sub Distribution Panel (SDP)
2.2.10 ATS dan AMF
ATS adalah singkatan dari automatic Transfer Switch, yaitu proses
pemindahan sumber listrik dari sumber listrik yang satu ke sumber listrik yang
Khairul Amri : Studi Kapasitas Converter Dan Bank Baterai Sebagai Sumber Tenaga Listrik Di Perusahaan Telekomunikasi, 2010.
pengembangan dari COS atau yang biasa disebut secara jelas sebagai charge over
switch , beda keduanya adalah terletak pada sistem kerjanya, untuk ATS kendali
kerjanya dilakukan secara otomatis, sedangkan COS dikendalikan atau
dioperasikan secara manual.
AMF adalah singkatan dari Automatic Main Failure yang maksudnya
menjelaskan cara kerja otomatisasi terhadap sistem kelistrikan cadangan apabila
terjadi gangguan pada sumber listrik / penyulang listrik utama (Main), istilah ini
secara umum sering dijabarkan sebagai sistem kendali.