Bagaimana panas dapat terbentuk pada generator dan motor listrik?

Dapat dikatakan semua peralatan mesin ciptaan manusia tidak mampu menghasilkan efisiensi 100%, alias sempurna. Alat konversi energi apapun tidak ada yang mampu mencapai efisiensi sempurna tersebut. Mesin bensin mobil misalnya hanya mampu menyentuh efisiensi  25-30% saja, sedangkan mesin diesel dengan sistem turbocharger juga hanya mampu mencapai efisiensi maksimal 50%. Kerugian terbesar dari mesin mobil adalah terbuangnya sebagian besar panas hasil pembakaran ke sistem pembuangan (knalpot/exhaust), oleh karena itulah penggunaan sistem turbocharger sangat membantu mengurangi kerugian panas tersebut (baca artikel berikut mengenai turbocharger).

Mesin konversi energi lainnya seperti motor dan generator listrik, juga dapat dipastikan tidak pernah efisien sempurna. Motor dan generator listrik juga memiliki kerugian panas yang terbuang sia-sia ke ruang sekitar. Satu pertanyaan menarik muncul di sini, yakni bagaimana bisa sebuah mesin yang tidak melibatkan energi panas dalam proses konversi energinya, dapat menghasilkan kerugian berupa panas? Jika sebuah motor bakar membuang panas ke knalpot, ya wajar saja, karena motor bakar bertugas merubah energi panas menjadi gerak. Lalu bagaimana dengan motor maupun generator?

Diketahui ada beberapa fenomena yang saling mangaitkan antara arus listrik, tahanan kawat, kumparan, medan magnet, dan panas. Fenomena-fenomena tersebut antara lain adalah Copper Loss (kerugian tembaga), Hysterisis Loss, dan Eddy Current Loss. Bagaimana proses terjadinya kerugian-kerugian tersebut akan kita bahas lebih detail pada kesempatan kali ini.

Copper Loss

Semua kawat konduktor yang teraliri arus listrik akan selalu menghasilkan panas. Nilai energi panas tersebut berbanding lurus dengan arus yang melalui konduktor, dan juga dengan nilai tahanan konduktor tersebut. Semakin besar arus listrik ataupun tahanan kawat, maka akan semakin besar pula kerugian panas yang dihasilkan. Tidak terkecuali kawat konduktor yang membentuk lilitan seperti pada kumparan generator ataupun rotor, selama ada arus listrik yang mengaliri kumparan tersebut, maka panas juga pasti akan terbentuk.

Rumusan dari copper loss adalah:

copper loss (watt) = I2 . R . t

Dimana:

I = arus listrik yang melewati kawat (A)

R = tahanan kawat konduktor (Ω)

t = lama arus listrik melintasi konduktor (s)

 

Hysterisis Loss

Jika copper loss adalah kerugian pada kumparan kawat yang berkaitan dengan arus listrik yang mengalir padanya, lain halnya dengan hysterisis loss. Hysterisis loss adalah kerugian panas yang diakibatkan oleh karakteristik dari logam inti kumparan kawat (armature/angker). Membahas sedikit mengenai angker kumparan, komponen ini merupakan logam inti yang dililiti oleh kawat kumparan. Sehingga jika ada arus listrik yang mengalir pada kumparan kawat, maka logam angker yang berada di dalam lilitan kawat akan berubah menjadi magnet. Pada saat generator ataupun motor listrik bekerja, partikel-partikel magnet di dalam logam inti akan berusaha terus-menerus mengikuti (atau diikuti) medan magnet putar (baca artikel prinsip kerja motor listrik berikut). Gerakan partikel logam inti secara terus-menerus tersebut mengakibatkan gesekan molekular. Sehingga tentu hal ini mengakibatkan panas, secara spesifik menjadi kerugian panas. Fenomena inilah yang disebut sebagai hysterisis loss pada generator.

 photo chargingg.jpg

Satu metode umum yang digunakan untuk meminimalisir panas yang terbentuk pada logam angker akibat dari hysterises loss, adalah dengan membagi logam inti menjadi beberapa lembaran. Lembaran-lembaran logam inti tersebut didesain sedemikian rupa sehingga jika disatukan akan menjadi satu logam inti utuh. Metode ini secara signifikan meminimalisir gesekan molekular yang terjadi pada logam inti karena bentuk lembaran ini seakan-akan menghalangi partikel inti logam untuk tidak dengan mudah "berpindah tempat" dari lembaran satu ke yang lainnya.

Eddy Current Loss

Sesuai dengan Hukum Faraday, setiap bahan konduktor yang memmotong garis gaya medan magnet, akan timbul arus listrik di dalam konduktor tersebut. Tidak terkecuali logam angker di dalam kumparan motor ataupun generator listrik, di dalam logam inti tersebut juga akan terinduksi arus listrik yang mengikuti medan magnet penyebabnya. Arus listrik inilah yang dinamakan dengan arus eddy (Eddy Current). Arus eddy ini akan terdisipasi menjadi kerugian panas (Eddy Current Loss) dan keluar ke ruang sekitarnya. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan ilustrasi berikut.

 photo Eddy current.jpg
Credit: Wikipedia: Eddy Current

Gambar di atas adalah sebuah lempengan logam yang sedang bergerak dengan kecepatan V ke arah kanan, serta sedang melewati sebuah medan magnet B. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan Fleming, maka dengan amat mudah kita dapat menentukan arah arus listrik yang terbentuk pada lempengan logam tersebut adalah mengarah menjauhi kita dan berada tepat di tengah-tengah medan magnet (garis-garis merah pada lempengan yang saling sejajar, tegak lurus dengan arah medan magnet dan kecepatan). Namun kenyataan yang terjadi adalah belum lengkap, sebab sebenarnya arus listrik yang terbentuk di awal pertemuan antara medan magnet dan lempengan logam, membentuk arus melingkar dengan arah yang berlawanan dengan putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kiri). Sedangkan di ujung akhir pertemuan antara medan magnet dengan lempengan logam terbentuk arus listrik yang melingkar yang searah dengan arah putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kanan). Jika dua lingkaran arus ini digabungkan, maka arah arus listrik di area perpotongan antara medan magnet dengan lempengan logam adalah tetap menjauhi kita. Inilah yang dinamakan dengan Eddy Current.

Arus Eddy, seperti halnya dengan copper loss, akan menimbulkan kerugian panas. Nilai kerugian panas akibat arus Eddy ini dapat dihitung menggunakan rumusan berikut:

P=\dfrac {\pi ^{2}B_{p}^{2}d^{2}f^{2}}{6k\rho D}

Dimana P adalah kerugian per unit massa (W/kg), Bp adalah nilai maksimum medan magnet (T), d adalah ketebalan lempengan logam atau diameter kawat (m), adalah frekuensi (Hz), k adalah nilai konstanta 1 jika lempengan besi dan 2 jika kawat tipis, ρ adalah nilai resistifitas material (Ω m), dan adalah massa jenis material (kg/m3).

Referensi: Power Electric BlogWikipedia: Copper LossWikipedia: Eddy Current.

Pengertian Daya Semu, Daya Nyata, dan Daya Reaktif

Daya semu, daya nyata, dan daya reaktif dianggap sebagian engineer sebagai sesuatu yang sulit untuk dipahami. Terutama karena sulitnya untuk mengimajinasikan daya-daya tersebut. Namun sebenarnya cukup mudah untuk memahami apa itu daya semu, daya nyata, dan daya reaktif. Hanya dibutuhkan sebuah pandangan yang lebih luas mengenai sistem jaringan listrik AC.

Memahami daya semu, daya nyata, dan daya reaktif tidak mungkin dapat kita lakukan jika kita tidak terlebih dahulu memahami tiga macam beban listrik AC yaitu beban resistif, induktif, dan kapasitif. Jika Anda belum memahami ketiga jenis beban tersebut, silahkan Anda baca pembahasan kami di artikel Pengertian Beban Resistif, Induktif, dan Kapasitif Pada Jaringan Listrik AC.

Daya listrik didefinisikan sebagai kecepatan aliran energi listrik pada satu titik jaringan listrik tiap satu satuan waktu. Dengan satuan watt atau Joule per detik dalam SI, daya listrik menjadi besaran terukur adanya produksi energi listrik oleh pembangkit, maupun adanya penyerapan energi listrik oleh beban listrik. 

Daya listrik menjadi pembeda antara beban dengan pembangkit listrik, dimana beban listrik bersifat menyerap daya sedangkan pembangkit listrik bersifat mengeluarkan daya. Berdasarkan kesepakatan universal, daya listrik yang mengalir dari rangkaian masuk ke komponen listrik bernilai positif. Sedangkan daya listrik yang masuk ke rangkaian listrik dan berasal dari komponen listrik, maka daya tersebut bernilai negatif.

Daya Nyata

Secara sederhana, daya nyata adalah daya yang dibutuhkan oleh beban resistif. Daya nyata menunjukkan adanya aliran energi listrik dari pembangkit listrik ke jaringan beban untuk dapat dikonversikan menjadi energi lain. Sebagai contoh, daya nyata yang digunakan untuk menyalakan kompor listrik. Energi listrik yang mengalir dari jaringan dan masuk ke kompor listrik, dikonversikan menjadi energi panas oleh elemen pemanas kompor tersebut. 

Daya listrik pada arus listrik DC, dirumuskan sebagai perkalian arus listrik dengan tegangan.

P = I x V

Namun pada listrik AC perhitungan daya menjadi sedikit berbeda karena melibatkan faktor daya (cos ∅). 

P = I x V x cos 

Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan grafik sinusoidal berikut. 



  

Gelombang Arus, Tegangan, dan Daya Listrik AC

Grafik di atas adalah grafik gelombang listrik AC dengan beban murni resistif. Nampak bahwa gelombang arus dan tegangan berada pada fase yang sama (0°) dan tidak ada yang saling mendahului seperti pada beban induktif dan kapasitif. Dengan kata lain nilai dari faktor daya (cos ∅) adalah 1. Sehingga dengan menggunakan rumus daya di atas maka nilai dari daya listrik pada satu titik posisi jaringan tertentu memiliki nilai yang selalu positif serta membentuk gelombang seperti pada gambar tersebut. 

Nilai daya yang selalu positif ini menunjukkan bahwa 100% daya mengalir ke arah beban listrik dan tidak ada aliran balik ke arah pembangkit. Inilah daya nyata, daya yang murni diserap oleh beban resistif, daya yang menandai adanya energi listrik terkonversi menjadi energi lain pada beban resistif. Daya nyata secara efektif menghasilkan kerja yang nyata di sisi beban listrik. 

Daya Reaktif

Daya reaktif menjadi tema bahasan yang dianggap cukup sulit bagi sebagian orang. Berbagai bentuk ilustrasi dan pengandaian digunakan untuk memudahkan kita memahami daya reaktif. Kali ini kita akan membahas daya reaktif menggunakan dua pendekatan, yakni pendekatan sederhana dan pendekatan ilmiah. Kita akan cukup dalam membahas daya reaktif secara ilmiah agar kita memahaminya dengan lebih total dan 'menancap' di kepala kita. 



Secara sederhana, daya reaktif adalah daya yang dibutuhkan untuk membangkitkan medan magnet di kumparan-kumparan beban induktif. Seperti pada motor listrik induksi misalnya, medan magnet yang dibangkitkan oleh daya reaktif di kumparan stator berfungsi untuk menginduksi rotor sehingga tercipta medan magnet induksi pada komponen rotor. Pada trafo, daya reaktif berfungsi untuk membangkitkan medan magnet pada kumparan primer, sehingga medan magnet primer tersebut menginduksi kumparan sekunder. 

 

Ilustrasi Daya Reaktif
(Sumber)

Daya reaktif diserap oleh beban-beban induktif, namun justru dihasilkan oleh beban kapasitif. Peralatan-peralatan kapasitif seperti lampu neon, bank kapasitor, bersifat menghasilkan daya reaktif ini. Daya reaktif juga ditanggung oleh pembangkit listrik. Nampak pada ilustrasi di atas bahwa pada gambar pertama daya reaktif yang dibutuhkan oleh motor listrik disupply oleh sistem pembangkit (utility). Sedangkan pada gambar kedua, kebutuhan daya reaktif dicukupi oleh kapasitor, sehingga daya total yang ditanggung oleh jaringan listrik berkurang. 

Satuan daya reaktif adalah volt-ampere reactive dan disingkat dengan var. Mengapa satuan daya reaktif adalah var dan bukannya watt, disinilah bahasan mendalam mengenai daya reaktif kita butuhkan. Daya reaktif, sebenarnya bukanlah sebuah daya yang sesungguhnya. Sesuai dengan definisi dari daya listrik yang telah kita singgung di atas, bahwa daya listrik merupakan bilangan yang menunjukkan adanya perpindahan energi listrik dari sumber energi listrik (pembangkit) ke komponen beban listrik. Daya reaktif tidak menunjukkan adanya perpindahan energi listrik, daya nyata-lah yang menjadi bilangan penunjuk adanya perpindahan energi listrik. Lalu, apa sebenarnya yang dimaksud dengan daya reaktif?



Daya reaktif adalah daya imajiner yang menunjukkan adanya pergeseran grafik sinusoidal arus dan tegangan listrik AC akibat adanya beban reaktif. Daya reaktif memiliki fungsi yang sama dengan faktor daya atau juga bilangan cos Ø. Daya reaktif ataupun faktor daya akan memiliki nilai (≠0) jika terjadi pergeseran grafik sinusoidal tegangan ataupun arus listrik AC, yakni pada saat beban listrik AC bersifat induktif ataupun kapasitif. Sedangkan jika beban listrik AC bersifat murni resistif, maka nilai dari daya reaktif akan nol (=0).

Sekalipun daya reaktif hanya merupakan daya 'khayalan', pengendalian daya reaktif pada sistem jaringan distribusi listrik AC sangat penting untuk diperhatikan. Hal ini tidak lepas dari pengaruh beban reaktif terhadap kondisi jaringan listrik AC. Beban kapasitif yang bersifat menyimpan tegangan sementara, cenderung mengakibatkan nilai tegangan jaringan menjadi lebih tinggi daripada yang seharusnya. Sedangkan beban induktif yang bersifat menyerap arus listrik, cenderung membuat tegangan listrik jaringan turun. Berubah-ubahnya tegangan listrik jaringan tersebut sangat mengganggu proses distribusi energi listrik dari pembangkit ke konsumen. Perubahan tegangan jaringan berkaitan langsung dengan kerugian-kerugian distribusi listrik seperti kerugian panas dan emisi elektromagnetik yang terbentuk sepanjang jaringan distribusi. Semakin jauh nilai tegangan jaringan dari angka yang seharusnya, akan semakin besar kerugian distribusi listriknya dan akan semakin mengganggu proses distribusi daya nyata listrik. Di sinilah peran kontrol daya reaktif jaringan listrik sangat perlu diperhatikan. 

 

Capacitor Bank Jaringan Listrik
(Sumber)

Beban induktif, yang dominan terjadi di siang hari, dapat dikompensasi dengan dua cara. Cara pertama adalah digunakannya bank kapasitor sehingga penurunan tegangan listrik jaringan akibat beban induktif dapat dikompensasi oleh kapasitor. Cara kedua adalah dengan menaikkan tegangan listrik keluaran generator pembangkit dengan jalan menaikkan arus eksitasi generator, sehingga tegangan keluaran generator naik. 

Contoh Rangkaian Pengkompensasi Beban AC Jaringan
(Sumber

Kompensasi juga dilakukan jika beban jaringan bersifat kapasitif sehingga menyebabkan tegangan jaringan melebihi nilai normalnya. Generator akan menurunkan tegangan keluarannya dengan jalan mengurangi arus eksitasi. Penggunaan inductor bank juga digunakan untuk meredam kenaikan tegangan jaringan agar tidak melampaui batas. 



Daya Semu

Daya semu atau daya total (S), ataupun juga dikenal dalam Bahasa Inggris Apparent Power, adalah hasil perkalian antara tegangan efektif (root-mean-square) dengan arus efektif (root-mean-square).
    S = VRMS x IRMS

Tegangan RMS (VRMS) adalah nilai tegangan listrik AC yang akan menghasilkan daya yang sama dengan daya listrik DC ekuivalen pada suatu beban resistif yang sama. Pengertian tersebut juga berlaku pada arus RMS. 220 volt tegangan listrik rumah kita adalah tegangan RMS (tegangan efektif). Secara sederhana, 220 volt tersebut adalah 0,707 bagian dari tegangan maksimum sinusoidal AC. Berikut adalah rumus sederhana perhitungan tegangan RMS:
    V_{RMS}=\dfrac {V_{max}}{\sqrt {2}}
Demikian pula dengan rumus perhitungan arus RMS:
    I_{RMS}=\dfrac {I_{max}}{\sqrt {2}}
Dimana Vmax dan Imax adalah nilai tegangan maupun arus listrik pada titik tertinggi di grafik gelombang sinusoidal listrik AC.

  

Nilai Tegangan RMS pada Grafik Sinusoidal Tegangan Listrik AC
(Sumber)



Pada kondisi beban resistif dimana tidak terjadi pergeseran grafik sinusoidal arus maupun tegangan, keseluruhan daya total akan tersalurkan ke beban listrik sebagai daya nyata. Dapat dikatakan jika beban listrik bersifat resistif, maka nilai daya semu (S) adalah sama dengan daya nyata (P). Lain halnya jika beban jaringan bersifat induktif ataupun kapasitif (beban reaktif), nilai dari daya nyata akan menjadi sebesar cos Ø dari daya total.
    P = S cos Ø
    P = VRMS IRMS cos Ø

Ø adalah besar sudut pergeseran nilai arus maupun tegangan pada grafik sinusoidal listrik AC. Ø bernilai positif jika grafik arus tertinggal tegangan (beban induktif), dan akan bernilai negatif jika arus mendahului tegangan (beban kapasitif).

Pada kondisi beban reaktif, sebagian daya nyata juga terkonversi sebagai daya reaktif untuk mengkompensasi adanya beban reaktif tersebut. Nilai dari dari daya reaktif (Q) adalah sebesar sin Ø dari daya total.
    Q = S sin Ø
    Q = VRMS IRMS sin Ø

Hubungan antara daya nyata, daya reaktif dan daya semu dapat diilustrasikan ke dalam sebuah segitiga siku-siku dengan sisi miring sebagai daya semu, salah satu sisi siku sebagai daya nyata, dan sisi siku lainnya sebagai daya reaktif.

 

Segitiga Daya
(Sumber)

Sesuai dengan hubungan segitiga di atas maka hubungan antara daya nyata, daya reaktif dan daya semu dapat diekspresikan ke dalam sebuah persamaan pitagoras.
     S = \sqrt {P^{2}+Q^{2}}

Referensi:

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.