Pengertian Beban Resistif, Induktif, dan Kapasitif Pada Jaringan Listrik AC

Sistem rangkaian listrik AC memiliki karakteristik yang berbeda dengan rangkaian DC. Kita mengenal rangkaian listrik AC merupakan jaringan distribusi yang luas yang menghubungkan antara pembangkit tenaga listrik dengan beban-beban listrik seperti rumah-rumah, perindustrian, perkotaan, rumah sakit, dan lain sebagainya. Hal ini tentu sangat berbeda dengan jaringan listrik DC yang kita kenal, yakni yang berukuran kecil-kecil seperti rangkaian elektronik pada televisi, DVD player, atau juga smartphone. Perbedaan penggunaan listrik AC dan DC tersebut karena untuk mendistribusikan listrik dari pembangkit ke daerah yang jauh jaraknya dibutuhkan nilai tegangan listrik yang tinggi untuk mengurangi kerugian distribusi, dan pembangkitan listrik tegangan tinggi lebih mudah dilakukan pada listrik bolak-balik. Sedangkan untuk membangkitkan voltase sangat tinggi pada listrik DC dibutuhkan biaya yang jauh lebih mahal daripada listrik AC. 

 

Sistem Jaringan Listrik AC
(Sumber)

 

Jaringan pada listrik AC memiliki tiga jenis beban listrik yang harus ditopang oleh pembangkit listrik. Ketiga beban tersebut yaitu beban resistif, beban induktif, dan beban kapasitif. Ketiganya memiliki karakteristik yang berbeda satu sama lainnya. 
Beban Resistif

Beban resistif dihasilkan oleh alat-alat listrik yang bersifat murni tahanan (resistor) seperti pada elemen pemanas dan lampu pijar. Beban resistif ini memiliki sifat yang "pasif", dimana ia tidak mampu memproduksi energi listrik, dan justru menjadi konsumen energi listrik. Resistor bersifat menghalangi aliran elektron yang melewatinya (dengan jalan menurunkan tegangan listrik yang mengalir), sehingga mengakibatkan terkonversinya energi listrik menjadi panas. Dengan sifat demikian, resistor tidak akan merubah sifat-sifat listrik AC yang mengalirinya. Gelombang arus dan tegangan listrik yang melewati resistor akan selalu bersamaan membentuk bukit dan lembah. Dengan kata lain, beban resistif tidak akan menggeser posisi gelombang arus maupun tegangan listrik AC.  

  

Gelombang Sinusoidal Beban Resistif Listrik AC

Nampak pada grafik di atas, karena gelombang tegangan dan arus listrik berada pada fase yang sama maka nilai dari daya listrik akan selalu positif. Inilah mengapa beban resistif murni akan selalu ditopang oleh 100% daya nyata. 

Macam-macam Motor Listrik AC

Motor listrik AC berfungsi untuk merubah energi listrik dari arus listrik AC menjadi energi mekanis. Energi mekanis yang terbangkitkan berupa energi putaran poros rotor motor listrik. Fungsi motor listrik ini merupakan kebalikan dari generator AC yang berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi listrik AC.

(null)

Rangkaian Motor dan Generator AC
(Sumber)

Motor listrik AC dapat diklasifikasikan menjadi berbagai jenis dengan cara kerja yang berbeda-beda. Namun pada dasarnya, prinsip kerja motor listrik AC sama seperti generator AC, generator DC, maupun motor listrik DC, yang menggunakan fenomena induksi elektromagnetik. Hukum Faraday mengenai fenomena induksi elektromagnetik menjadi dasar dari prinsip kerja motor listrik AC apapun tipenya. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas satu per satu tipe-tipe dari motor listrik AC.

Macam-Macam Motor Listrik AC Berdasarkan Kecepatan Putaran Rotor

Berdasarkan kecepatan putaran rotor, motor listrik AC dapat diklasifikasikan menjadi dua tipe yakni motor sinkron dan motor tak-sikron atau asinkron. Disebut dengan motor AC sinkron adalah karena kecepatan putaran rotornya sama persis dengan kecepatan gelombang listrik AC jaringan. Sedangkan motor listrik asinkron disebut demikian adalah karena kecepatan putaran rotornya sedikit lebih pelan daripada kecepatan gelombang listrik AC jaringan. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas lebih dalam satu per satu.

  1. Motor AC Sinkron

    Motor sinkron adalah motor listrik AC, yang pada kondisi steady, kecepatan putaran rotor nya tersinkronisasi atau sebanding dengan frekuensi gelombang arus AC. Jika kita kaitkan dengan rumus putaran rotor mesin AC di bawah ini, maka kecepatan rotor akan selalu sebanding dengan frekuensi listrik supply dan berbanding terbalik dengan jumlah kutub magnet.

    N=120 \dfrac {f}{P}

    Dimana N = kecepatan putaran rotor motor (rpm), f = frekuensi sumber listrik AC (Hz), dan P = jumlah kutub magnet untuk setiap fase listrik.

    Prinsip kerja motor listrik AC tipe sinkron adalah terletak pada sistem eksitasi pada rotornya. Rotor motor AC sinkron memiliki kutub magnet dengan posisi yang tetap. Kutub magnet tersebut terkunci dengan medan magnet yang terbangkitkan di stator. Sehingga pada saat medan magnet stator berputar akibat gelombang listrik AC, rotor motor akan ikut berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan gelombang listrik AC.

     photo synchronous-motor_03a.gif

    Animasi Motor AC Sinkron
    (Sumber)

    Gambar animasi di atas adalah ilustrasi sebuah motor listrik AC sinkron dengan sumber listrik AC tiga fasa. Pada gambar tersebut, terlepas dari sumber eksitasinya, rotor motor tersusun atas dua kutub magnet yakni utara (merah) dan selatan (hijau). Sedangkan sisi stator, tersusun atas beberapa kumparan kawat dengan sumber tegangan listrik AC tiga fasa (merah, biru, hijau). Melalui beberapa kumparan yang disusun sedemikian rupa, listrik AC tiga fasa terkonversi menjadi kutub magnet dan medan magnet putar. Kutub magnet stator yang terbangkitkan akan tarik-menarik dengan kutub magnet rotor yang berlawanan. Sehingga jika medan atau kutub magnet stator berputar karena gelombang listrik AC, maka rotor motor akan ikut berputar mengikuti putaran kutub magnet stator. Kutub utara rotor akan selalu mengikuti putaran kutub selatan stator, sedangkan kutub selatan rotor akan mengikuti putaran kutub utara stator. Dengan demikian kecepatan putaran rotor akan selalu sama dengan kecepatan putaran medan magnet stator, dan karena hal inilah motor listrik AC ini disebut dengan motor listrik AC tipe sinkron.


    Video Prinsip Kerja Motor AC Sinkron
    (Sumber)

    Jelas bahwa karakteristik paling utama dari motor listrik AC tipe sinkron adalah komponen rotor yang memiliki kutub magnet tetap. Medan magnet rotor motor tersebut dapat dibangkitkan dari berbagai cara. Sehingga berdasarkan hal ini, motor AC sinkron dapat diklasifikasikan kembali menjadi beberapa tipe.

    • Motor Sinkron dengan Magnet Permanen
      Cara paling mudah untuk mendapatkan medan magnet pada rotor motor listrik sinkron adalah dengan menggunakan magnet permanen. Dengan cara ini akan didapatkan motor listrik yang lebih awet, konsumsi listrik yang relatif hemat karena tidak dibutuhkannya eksitasi pada rotor, serta kerugian panas yang sangat kecil.

      Dibandingkan dengan motor listrik induksi, motor sinkron dengan magnet permanen memiliki beberapa kelebihan serta kekurangan. Tabel di bawah ini akan menjelaskan beberapa poin tersebut.
      image

    • Motor Sinkron Reluktansi
      Motor sinkron reluktansi menggunakan rotor dengan bahan ferromagnetik, yang diinduksi oleh medan magnet stator. Medan magnet stator dibangkitkan dengan menggunakan beberapa kumparan yang dialiri arus listrik AC. Rotor yang menggunakan bahan logam yang dapat ditarik oleh magnet namun bukan magnet permanen, akan berputar mengikuti putaran medan magnet yang terbangkitkan pada stator motor. Kecepatan sinkron motor didapatkan pada motor reluktansi yang memiliki kutub rotor dengan jumlah yang sama dengan kutub stator.


      Animasi Motor Reluktansi

    • Motor Sinkron Histerisis
      Rotor motor sinkron histerisis menggunakan material silinder baja kobalt dengan nilai koersivitas tinggi. Koersivitas adalah sebuah sifat material ferromagnetik untuk menahan medan magnet luar sehingga ia tidak kehilangan sifat kemagnetannya. Sehingga material dengan koersivitas tinggi, sekali ia termagnetisasi oleh medan magnet dengan arah tertentu, akan membutuhkan medan magnet terbalik yang besar untuk melawan magnetisasi tersebut (histerisis yang lebar).

      (null)

      Dengan sifat koersivitas tinggi serta desain rotor yang khusus, pada saat tercipta medan magnet berputar pada stator, akan tercipta pula medan magnet pada rotor dengan kutub yang berlawanan. Selanjutnya akan terjadi gaya tarik-menarik antara kutub rotor dan stator, sehingga rotor akan berputar mengikuti putaran medan magnet stator. Pada awal start motor, kecepatan putaran rotor tidak mampu mengikuti penuh kecepatan putar medan magnet stator. Namun tidak lama kemudian, karena sifat koersivitas rotor tadi, maka akan dicapai kecepatan sinkron putaran rotor.

Macam-macam Generator AC

Generator AC atau biasa dikenal dengan alternator berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi listrik AC. Bagamana prinsip kerja generator listrik AC telah kita bahas di artikel sebelumnya. Alternator memiliki berbagai tipe yang dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa hal. Berikut adalah pengklasifikasian tersebut:

Macam-Macam Alternator Berdasarkan Sumber Eksitasi

Salah satu komponen utama dari generator adalah magnet yang berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada proses elektromagnetik. Magnet yang digunakan tersebut dapat berupa magnet permanen ataupun medan kumparan. Seperti yang kita ketahui bahwa jika sebuah kumparan kawat dialiri arus listrik searah, maka akan timbul medan magnet di sekitarnya. Proses pembangkitan medan magnet dengan menggunakan arus listrik searah inilah yang biasa dikenal dengan proses eksitasi.

IMG_1961.JPG

Skema Medan Magnet yang Terbangkitkan di Sekitar Kumparan Listrik
(Sumber)

Berdasarkan hal di atas maka generator AC dapat dibagi menjadi dua tipe berdasarkan sumber medan magnet, yakni generator yang menggunakan magnet permanen dan generator yang menggunakan magnet buatan. Keduanya memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, dan berikut adalah penjabarannya:

  1. Generator Dengan Magnet Permanen.
    Kelebihan :

    • Desain yang sederhana.
    • Umur generator lebih awet (reliable).
    • Tidak membutuhkan sumber arus listrik DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet.

    IMG_1962.JPG

    Skema Alternator Dengan Magnet Permanen
    (Sumber)

    Kekurangan :

    • Tidak efisien jika menggunakan magnet permanen dengan produksi fluks magnet rendah.
    • Pembangkitan daya listrik terbatas sejauh kemampuan magnet dalam membentuk medan magnet, sehingga tidak cocok digunakan untuk skala besar.
  2. Alternator Dengan Magnet Buatan.
    Kelebihan :

    • Dapat membangkitkan medan magnet dengan fluks besar sehingga lebih efisien jika digunakan untuk menghasilkan power yang besar.
    • Besaran fluks medan magnet dapat diatur sesuai kebutuhan.

    IMG_1963.JPG

    Alternator Dengan Magnet Buatan
    (Sumber)

    Kekurangan :

    • Desain lebih rumit dibandingkan dengan alternator yang menggunakan magnet permanen.
    • Sangat tergantung dengan supply arus DC dari luar untuk membangkitkan medan magnet, jika sumber arus gagal memasok arus DC maka alternator tidak dapat berfungsi sama sekali.