PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

BAB III

PENGUKURAN BESARAN LISTRIK

Alat ukur listrik banyak macamnya, tetapi pada bagian ini hanya dibahas alat ukur yang berkaitan secara langsung dengan listrik arus kuat.

A    Ampermeter

1.    Pengertian ampermeter

Ampermeter adalah alat untuk mengukur besarnya arus yang mengalir pada rangkaian berbeban yang dihubungkan seri dengan beban (lihat Gambar 3.1a).

 

a.     Gambar pengukuran arus dengan amper meter

 

b.    Gambar Pengukuran Arus Dilengkapi Transformator Arus

	Gambar 3.1 Contoh Pengukuran Arus

 

Batas ukur ampermeter masih terbatas di lapangan, khusunya untuk mengukur arus listrik yang besar dan sistem tenaganya menggunakan tegangan tinggi, sehingga harus menggunakan alat bantu berupa transformator arus. Transformator arus tersebut berfungsi untuk menurunkan besarnya arus listrik dan selanjutnya diukur dengan ampermeter.

2.    Transformator arus

Transformator arus harus memiliki tingkat kepresisian yang tinggi sehingga rasio arus primer dan skunder konstan. Transformator arus digunakan untuk mengukur dan memonitor arus line dan juga digunakan untuk mengukur hubungan ke relai dan terhubung pada sisi skunder.

Gambar 3.1 menunjukkan contoh pengukuran arus dilengkapi dengan transformator arus. Arus nominal transformator sebesar   5 A, dan besarnya arus yang terukur bergantung pada besarnya arus primer line. Karena transformator arus hanya digunakan untuk pengukuran dan sistem proteksi, maka dayanya antara 15 VA sampai dengan 200 VA. Pada transformator arus dengan  rasio 150A/5A,  maka  jika pada sisi primer arusnya 150A maka pada sisi lainnya atau sisi skunder sebesar 5A. Transformator arus cukup aman digunakan pengukuran pada line jaringan transmisi tegangan tinggi.

Gambar 3.2 menunjukkan desain transformator arus 500VA,  100A/5A untuk jaringan 230kV dan Gambar XIII.3 menunjukkan transformator arus 50VA, 400A/5A, 60 Hz dengan isolasi untuk tegangan 36 kV.

Gambar 3.2

Desain Transformator Arus 500 VA, 100A/5A

untuk Jaringan 230 kV

Contoh

Transformator dengan 500 VA, 400 A/5 A, 36 kV dihubungkan pada tegangan AC  antara line dan netral tegangannya       14,4kV. Ampermeter relai dan sambungan kabel pada sisi skunder dengan total impedansi     1,2 Ohm dan arus transmisi  280 A.

Hitung:

a.    Arus skunder

b.    Rugi tegangan terminal skunder

c.    Drop tegangan pada primer

Penyelesaian

a.    Perbandingan arus (I₁/I₂)

= 400/5 

= 80 A      

Perbandingan belitan N₁/N₂

= 1:80

Arus  skunder

= 280/80

= 3,5 A

b.    E₂  = I .R

= 3,5 x 1.2

= 4,2 V

Rugi tegangan pada sisi skunder adalah 4,2 V

c.    Tegangan primer  

= 4,2/80

= 52,5 mV

Gambar 3.3

Transformator Arus 50 VA, 400 A/5 A, 60 Hz

dengan Isolasi untuk Tegangan 36 kV

Selain transformator arus seperti yang ditunjukkan pada Gambar III.1, ada jenis lain tentang transformator arus, yaitu transformator arus berbentuk toroida seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4. Pada Gambar 3.4, alat tersebut dipasang pada line dengan arus 100 A pada setiap saat.  Laminasi berbentuk ring poros inti. Posisi konduktor primer panjang berada pada tegangan menengah dengan isolasi dalam ditengah. Toroida memiliki perbandingan transformasi N dan CT memiliki rasio 1000 A/5 A dengan 300 belitan pada belitan skunder. Toroida CT sederhana dan digunakan pada tegangan rendah.

Gambar 3.4

Transformator Toroida 1.000 A/5A untuk

Mengukur Arus Line

Gambar 3.5 menunjukkan Transformator toroida tersambung dengan bushing.

Gambar 3.5

Transformator Toroida Tersambung dengan Bushing

Contoh

Transformator tegangan 14.400V/115V, rating arus transformator 75/5 A digunakan mengukur line transmisi. Jika voltmeter menunjuk 111 V dan ampermeter menunjukkan     3 A, hitung besar tegangan dan arus line.

Penyelesaian

Besarnya tegangan line (E)

= 111 x (14.400/115)

= 13.900 V

Besarnya arus line (I)

= 3 X (75/5)

= 45 A

B    Pengukuran Tegangan Listrik

Cara untuk melakuka pengukuran tegangan listrik adalah menggunakan voltmeter yang dihubungkan paralel dengan sumber listrik atau beban listrik. Contoh cara mengukur teangan listrik ditunjukkan pada Gambar 3.6a.

Untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi tidak dapat dilakukan secara langsung karena keterbatasan skala voltmeter dan demi menjaga keselamatan manusia. Untuk melakukan pengukuran tegangan tinggi digunakan alat bantu transformator tegangan.

Transformator tegangan berfungsi untuk menurunkan tegangan pada sisi tegangan tinggi (primer) menjadi tegangan rendah (skunder), dengan menggunakan perbandingan jumlah belitan. Pada sisi tegangan tinggi, jumlah belitannya lebih banyak jika dibandingkan jumlah belitan pada sisi skunder.

 

a. Cara mengukur tegangan listrik (secara langsung)

Contoh transformator tegangan yang digunakan untuk mengukur tegangan ditunjukkan pada Gambar 3.6b. Jumlah perbandingan belitan primer dan skundernya adalah 60:1

 

b. Cara mengukur tegangan listrik dibantu transformator

         tegangan (pengukuran tidak langsung)

Gambar 3.6

Mengukur  Tegangan

Hubungan antara jumlah belitan primer dan skunder terhadap besarnya tegangan primer dan skunder pada transformator tegangan dirumuskan sebagai berikut:

                                                                                             (3.1)

Keterangan:

N₁ adalah jumlan belitan primer

N₂ adalah jumlan belitan skunder

E₁ adalah jumlan tegangan  primer

E₂ adalah jumlan tegangan skunder

Contoh transformator tegangan ditunjukkan pada Gambar 3.7. Besarnya daya 7.000 VA, 80,5 kV, 50/60 Hz dengan tingkat kepresisian 0,3% dan besarnya BIL 650 kV.

Terminal primer berada pada bushing yang dihubungkan pada tegangan tinggi dan dihubungkan pada ground. Tegangan belitan skunder 115 V dan tegangan pada masing-masing tap 4 V. Tinggi transformator  2.565 mm, tinggi porselin bushing 1.880 mm, oli 250 liter dan beratnya 740 kg.

Gambar 3.7

Contoh Aplikasi Transformator Tegangan pada

Pengukuran Tegangan Tinggi

Contoh bentuk voltmeter dengan range 9.000 V dan  ampermeter dengan range 2. 500 A  produksi General Electric ditunjukkan pada Gambar 3.8

Gambar 3.8

Contoh Bentuk Ampermeter dan Volmeter

C    Pengukuran Daya Listrik

Dalam teori teknik  listrik, untuk menentukan besarnya daya listrik yang dipakai dalam satuan Volt Amper (VA) atau kVA (kilo Volt Amper). Besar daya listrik juga dapat dinyatakan dalam satuan Watt jika faktor daya atau cos φ diperhitungkan. Satuan daya yang lebih besar dapat dinyatakan dalam kW (kilo Watt) atau  bahkan dalam Mega Watt.

Jika dinyatakan dalam rumus, besarnya daya listrik (P) adalah:

                                                      (3.2)

                                                       (3.3)

                                                 (3.4)

                                                 (3.5)

Keterangan:

 untuk daya listrik arus searah atau daya listrik arus

       bolak balik 1 phasa

 untuk  daya  listrik   arus  bolak balik 1 phasa

  untuk  daya  listrik  arus  bolak   balik  3 phasa   

       tanpa memperhitungkan Cos φ 

 untuk  daya  listrik  arus   bolak  balik   3  phasa

       dengan  memperhitungkan Cos φ

Dalam praktiknya kita tinggal melihat hasil yang telah ditnjukkan pada alat ukur, karena akan kelihatan berapa besar daya yang dipakai pada alat pemakai.

Gambar 3.9

Kontruksi Dasar Watt Meter

Keterangan:

L adalah kumparan arus

      P adalah kumparan tegangan

Gambar skema gambar alat pengukur daya listrik ditunjukkan pada       Gambar 3.9. Gambar 3.10  menunjukkan alat pengukur daya atau watmeter   1 phasa.

Gambar 3.10

Alat Pengukur Daya (Watt Meter 1 Phasa)

Ada juga sebuah watt meter yang dapat digunakan untuk mengukur daya listrik 1 phasa maupun untuk mengukur daya listrik 3 phasa. Gambar 3.11 menunjukkan tampak depan sebuah watt meter yang dapat digunakan untuk keperluan tersebut.

Daya listrik juga dapat diukur secara tidak langsung, yaitu dengan menggunakan metode amper-volt Gambar 3.12 atau metode volt-amper. Kedua metode tersebut perbedaannya pada letak amper meter dan volt meter. Source adalah sumber tenaga listrik dan load adalah beban litrik. Pada metode amper-volt (Gambar 3.12), letak amper meter di depan volt meter, dan sebaliknya pada metode volt-amper letak amper meter setelah volt meter.

Gambar 3.11

Pengukur Daya (Watt-Meter 1 Phasa/3 Phasa)

Besar daya yang diukur dapat dihitung dengan mengalikan besar arus yang ditunjukkan amper meter dengan besar tegangan listrik yang ditunjukkan volt meter dalam satuan volt-Amper (VA).

 

Gambar 3.12

Skema Watt-Meter 1 Phasa

Pada gambar tersebut, source adalah sumber listrik. Kumparan tegangan mendapat tegangan listrik (V) karena dihubungkan secara pararel dan kumparan arus dialiri arus yang disebabkan load (beban).

Besar kecilnya ars listrik yang mengalir pada kumparan arus bergantung pada besar kecilnya beban listrik yang diukur. Dengan besar sumber tegangan yang tetap, maka arus listrik yang mengalir semakin besar untuk daya yang besar.

Contoh penggunaan Wattmeter 1 phasa untuk mengukur daya listrik yang diserap lampu sorot ditunjukkan pada Gambar 3.13. Pada metode ini, besar daya yang diukur dapat dibaca pada watt meter, dengan catatan besar arus dan tegangan sesuai dengan besar tegangan yang ada pada pilihan terminal watt meter. Misal jika besar arus yang diukur kurang lebih sebesar 1 amper dan kabel yang dihubungkan pada watt meter pada pilihan 1 amper, jika tidak maka harus diperhatikan faktor pengalinya.

 

Gambar 3.13

Cara Penyambungan Wattmeter 1 Phasa

Skema rangkaian dari watt meter 3 phasa seperti ditunjukkan pada Gambar 3.14. Pada watt meter 3 phasa memiliki kumparan tegangan yang berjumlah 3 buah, demikian jumlah kumparan arusnya ada 3 buah.

Pada gambar yang terdapat pada contoh tersebut, bebannya berupa beban listrik 3 phasa hubungan bintang (star). Misalnya motor listrik 3 phasa yang hubungan belitannya dibuat hubungan bintang dan jenis beban lainnya termasuk lampu pijar 220 V yang dihubungkan bintang dan selanjutnya diberi tegangan input 220/380V.

 

Gambar 3.14

Skema Bagan Watt Meter 3 Phasa Pada

Beban 3 Phasa 4 Kawat

Untuk mengukur besarnya daya listrik 3 phasa 3 kawat juga dapat dilakukan dengan menggunakan watt meter 1 phasa yang jumlahnya ada 2 buah. Gambar Gambar 3.15 menunjukkan cara mengukur besarnya daya listrik 3 phasa 3 kawat menggunakan watt meter 1 phasa yang jumlahnya ada 2 buah.

 

Gambar 3.15

Cara Pengukuran Daya 3 Phasa dengan 2 Watt Meter

Pengukuran daya listrik pada beban 3 phasa 4 kawat dapat dilakukan dengan menggunakan 3 Watt Meter 1 phasa 3 buah seperti ditunjukkan pada Gambar 3.16. Besar daya total pada pengukuran tersebut merupakan penjumlahan dari ketiga wat meter.

 

Gambar 3.16

Rangkaian Pengukuran Daya 3 Phasa 4 Kawat

Pada pengukuran daya listrik yang besar dan pada sistem tegangan tinggi dapat dilakukan dengan menggunakan transformator arus dan transformator tegangan. Gambar 3.17 menunjukkan cara mengukur daya listrik yang besar.

Gambar 3.17

Rangkaian Pengukuran Daya Tinggi

Setelah tegangan tinggi diturunkan menggunakan transformator arus dan arus istrik dalam jumlah besar diturunkan dengan transformator arus baru dihubungkan pada wattmeter.

D. Pengukuran Faktor Daya

Dalam istilah sehari-hari, alat ini disebut disebut pengukur Cosinus Phi (φ). Tujuan dari pengukuran Cosinus phi atau pengukur nilai cosinus sudut phasa adalah mengetahui penunjukan secara langsung dari perbedaan atau selisih phasa antara arus dan tegangan listrik.

Yang ditunjukkan dari hasil pengukuran ini adalah  bukan penunjukan sudut phasa  tetapi  penunjukan nilai Cosinus phi.

Untuk menghitung besar nilai Cosinus phi dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Cos  φ  =                                                                                      (3.6)

Keterangan:

P = daya dalam satuan watt

V = tegangan dalam satuan volt

I  = arus listrik dalam satuan amper

Pengukuran besar nilai Cosinus phi  berdasarkan pada prinsip gaya gerak listrik dengan menggunakan prinsip kerja kumparan  silang. Kumparan  pada Cos phi meter terdiri dari kumparan arus dan kumparan tegangan, prinsipnya sama seperti watt meter.

Dalam  proses pengukuran Cosinus phi, prinsip pengukuran bukanlah dituntut hasil  yang persis. Menurut petunjuk-petunjuk dari pembuat atau yang memproduksi alat ukur, kesalahan yang diizinkan adalah dua derajat sudut skala penunjukan.

Gambar 3.18

Salah Satu Contoh Alat Pengukur φ

Prinsip kerja dari alat ukur Cos meter ditunjukkan pada Gambar 3.19 di bawah ini.

Gambar 3.19

Kopel yang Ditimbulkan

Pada kumparan S₁ bekerja suatu gaya yang besarnya adalah:

                                                                               (3.7)

                                                                                 (3.8)

Besarnya gaya pada kumparan S₂ adalah:

                                                (3.9)

Kopel yang ditimbulkan oleh K₁ adalah:

                                                                  (3.10)

Kopel K₂ adalah:

                                                                       (3.11)

Atau

                                                                                   (3.12)

Dengan timbulnya kopel, maka jarum yang dihubungkan dengan kumparan-kumparan yang bergerak dan arah gerakannya  selalu  sesuai dengan arah gerakan kumparan S₂, akibatnya timbul  penunjukan secara langsung berbanding lurus dengan φ.

Jika arus mendahului tegangan, maka kopel ditimbulkan oleh gaya akibat I₂ dari I₃ sehingga kedua gaya kopel bekerja bersama-sama, kumparan S₂ dengan jarumnya berhenti di muka sudut negatif φ berarti di sebelah kiri dari garis tengah yang tegak.

Gambar 3.20 menunjukkan salah satu prinsip kerja alat pengukur Cosphi meter dengan kumparan tegangan tetap yang berada pada inti besi.

Gambar 3.20

Pengukur Cosphi Meter dengan Kumparan

Tegangan Tetap dan Inti Besi

Diagram vektor dari prinsip kerja alat pengukur Cosphi meter ditunjukkan pada Gambar 3.21.

Gambar 3.21

Diagram Vektor Alat Pengukur Cosphi Meter

Pada Gambar 3.22 menunjukkan alat pengukur Cosphi dengan prinsip kerja elektro dinamis yang digunakan untuk mengukur beban.

Pada alat ukur Cosphi meter dengan prinsip kerja elektro dinamis juga memiliki 2 (dua) buah macam kumparan, yaitu kumparan tegangan dan kumparan arus.

Pada salah satu ujung kumparan dihubungkan tahanan resistor (R) dan salah satu ujung kumparan lainnya dihubungkan kapasitor (R).

 

Gambar 3.22

Prinsip Cosphi Meter Elektro Dinamis

Selain menggunakan prinsip kerja elektrodinamis, pada Cosphi meter juga ada yang didesain dengan menggunakan prinsip kerja kumparan putar.

Gambar III.23 menunjukkan Cosphi meter dengan menggunakan azas atau prinsip kerja kumpran putar.

 

           

Gambar 3.23

Cosphi Meter  dengan Azas Kerja Kumparan Silang

Gambar 3.24

Vektor Diagram Arus dan Tegangan

pada Cosphi Meter

	Gambar 3.25 Skala Cosphi Meter 3 Phasa		Gambar 3.26 Kontruksi Cosphi Meter dengan Garis-Garis

 

      

        

	Gambar 3.27 Sambungan Cosphi Meter 1 Phasa Secara Langsung			Gambar 3.28 Sambungan Cosphi Meter 1 Phasa Secara Tidak Langsung

 

E.  Pengukuran Frekuensi

Tujuan dari keberadaan alat pengukuran frekuensi adalah untuk mengetahui jumlah getaran listrik dari sumber pembangkit tenaga listrik pada setiap detik dengan satuan Herzt (Hz).

Jumlah getaran perlu diketahui darena berkaitan dengan peralatan listrik yang dipergunakan,  karena  alat-alat listrik  sudah memiliki spesifikasi tertentu untuk besarnya frekuensi.

Besar frekuensi peralatan yang dipakai adalah 48 Hz sampai dengan 60 Hz. Kecuali  frekuensi dari komponen elektronika sangat bervariasi.

Perlu  diingat pada teori dasar dari generator dan motor listrik, besarnya frekuensi dapat ditentukan dengan rumus:

                                                                                                     (3.13)

Keterangan:

f   = besar frekuensi pada setiap detik (Hz)

n  = jumlah putaran tiap menit (RPM)

p  = jumlah pasang kutub

60 = konstanta

Frekuensi meter bekerja atas dasar azas getaran listrik atau getaran secara mekanis. Frekunsi dengan azas resonansi (getaran) listrik jarang ditemukan, mengingat pembuatannya  sangat mahal dan rumit dan disebabkan ruang lingkup penunjukkan jarum penunjuk sangat sempit, yaitu antara 48Hz sampai dengan 52Hz, tetapi yang banyak dipakai adalah frekuensimeter dengan azas mekanik mudah merakitnya. Penyambungan frekuensi meter sama dengan  penyambungan alat ukur voltmeter. Jadi disambung secara pararel terhadap jaringan listrik, dan peralatan jenis ini banyak dipakai pada  panel-panel PHB dan pada pusat pembangkit tenaga listrik.

1.    Frekuensi meter lidah bergetar

Gambar 3.31 menunjukkan sistem kerja dari frekuensimeter jenis batang bergetar. Sejumlah kepingan plat baja yang tipis membentuk lidah-lidah yang dapat bergetar.

Masing–masing batang memiliki perbedaan frekuensinya, relatif tidak  berjauhan satu sama lain dan sebaris. Jika mendapat arus medan magnet dari arus bolak-balik, salah satu lidah akan timbul getaran dan beresonansi dan emberikan defleksi yang besar sesuai frekuensi yang ditimbulkan oleh arus bolak-balik. Gambar 3.31 menunjukkan  prinsip kerja frekuensi meter jenis batang bergetar.

Gambar 3.31

Kerja Suatu Frekuensi Meter Jenis Batang Bergetar

Dalam melakukan penyusunan dari lidah-lidah bergetar telah ditetapkan bahwa amplitudo dari  defleksinya akan menurun sampai kira-kira 60%, jika jarak dari perbedaan frekuensinya 0,25 Hz dari frekuensinya. Getaran dapat dilihat pada frekuensi meter pada  tipe lidah bergetar. Gambar 3.32 menunjukkan prinsip kerja frekuensi meter jenis batang bergetar.

 

Gambar 3.32

Prinsip Kerja Frekuensi Meter Jenis Batang Bergetar

Gaya yang  bekerja pada lidah-lidah bergetar berbanding lurus dengan kuadrat dari fruksi magnet yang tetap F yang disebabkan oleh fluksi magnet permanen dan fluksi arus bolak-balik F_m Sin ωt disuperposisikan  (Gambar 3.32), sehingga:

(F+F_m.sin ωt)²=F²+½F_m+2.F.F_m.Sin ωt-

  ½ F_m.cos 2ωt                       (3.14)

2.    Alat pengukur frekuensi dari type rasio

Alat pengukur frekuensi dengan skala penunjukkan, sering disebut sebagai  alat ukur rasio (elektro dinamis), lihat Gambar 3.33. Arus yang mengalir melalui kumparan M₁ dan M₂  adalah I₁ dan I₂.

Konstanta-konstanta dipilih sedemikian rupa, sehingga menyebabkan arus-arus memiliki resonansi pada masing-masing 42 Hz.

Maka rasio dari I₁ dan I₂ akan berubah secara monoton dengan frekuensi-frekuensi yang berubah di atas, atau di bawah 50 Hz.  Maka penunjuk akan bergetar sesuai dengan rasio tersebut dan besar frekuensi yang diukur dapat diketahui pada skala penunjuk.

Seperti halnya pada alat ukur tipe lidah bergetar, alat ukur  frekuensi tipe rasio juga memiliki keterbatasan dalam lebar daerah atau rentang pengukurannya.

 

Gambar 3.33

Prinsip Kerja Frekuensi Meter Tipe Elektro Dinamis

Agar supaya rentang daerah petunjukkan dapat lebih besar, maka cara yang dapat dilakukan adalah menggunakan cara seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.34 dan  besar arus pada ampermeter adalah:

            I = f. C. V                                                                                (3.15)

Karena terdapat suatu hubungan yang linier antara arus (I) dan frekuensi (f), maka alat ukur amper meter tersebut dapat dikalibrasikan dengan frekuensi.

Jika kontak-kontak dari relai terbuka atau menutup pada frekuensi f, maka besar muatan pada kapasitor sebesar perkalian antara kapasitor dan tegangan listrik (C.V) mengalir melalui alat ukur amper meter pada setiap periode, sehingga  arus I yang mengalir melalui alat ukur  amper meter sebesar  I = f.C.V.

Gambar 3.34

Prinsip Kerja Frekuensi Meter Jenis

Pengisian dan Pengosongan Kapasitor

Karena terdapat hubungan yang linier antara I dan  f, maka besar nilai yang ditunjukkan oleh amper meter tersebut dapat dikalibrasikan dengan frekuensi.

Gambar 3.35

Kontruksi Frekuensi Lidah

Gambar 3.35 menunjukkan konstruksi dari frekuensi lidah getar dan bentuk skala pada frekuensi lidah getar ditunjukkan pada Gambar 3.36.

Gambar 3.36

Skala Pada Frekuensimeter Lidah

F.  Alat Pengukuran Energi Listrik Arus Bolak-balik

1.    Prinsip kerja

Untuk mengukur besar energi listrik arus bolak–balik dapat dilakukan dengan mempergunakan alat ukur type induksi, karena alat ukur ini memiliki peralatan yang  prinsip kerjanya berdasarkan adanya induksi.

Gambar  3.37 menunjukkan prinsip kerja  alat ukur penunjuk atau pencatat energi listrik arus bolak-balik jenis induksi.      C_p adalah inti kumparan tegangan, W_p adalah lilitan kumparan tegangan, dan C_c adalah inti kumparan arus, W_c adalah  arus (lilitan arus), arus 1 mengalir  melalui W_c mengakibatkan terjadinya fluksi F₁, W_p memiliki sejumlah kumparan yang banyak dan memiliki penampang kawat spot yang kecil dibandingkan dengan penampang kawat spot arus, dan hasil dari W_p adalah fluksi magnet F₂ antara arus yang melalui W_c dan W_p berbeda 90^o.

Perbedaan ini ditunjukkan oleh Gambar 3.38. Dengan demikian kepingan alumunium D, terjadi momen gerak  T_D  yang berbanding lurus terhadap  daya beban  yang diperlihatkan dalam persamaan. Jika kepingan alumunium berputar dengan kecepatan n, sambil berputar D akan memotong garis-garis fluksi F_m dari magnet permanen, menyebabkan terjadinya arus putar yang berbanding lurus terhadap  n. F_m di dalam kepingan alumunium tersebut.

 

                                             

Gambar 3.37

Prinsip Kerja  Meter Penunjuk Energi Listrik

Arus Bolak-Balik (Jenis Induksi)

Arus putar memotong gari-garis  fluksi F_m. sehingga kepingan D akan mengalami suatu momen  rendaman T_d yang berbanding lurus terhadap n.F_m², Jika momen tersebut yaitu T_D dan T_d ada dalam keadaan seimbang, maka hubungan di bawah berlaku:

K_d.V.I.Cosφ = K_m.N.F_m²                                                                              (3.16)

N =   V.I                                                                              (3.17)

K_d dan K_m sebagai suatu konstanta. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa kecepatan putar n, dari kepingan D adalah berbanding lurus dengan beban V.

Gambar 3.38 menunjukkan eddy current yang terjadi pada piringan kWH meter. Putaran dari piringan tersebut untuk jangka waktu tertentu berbanding dengan energi yang diukur.

Untuk mencapai putaran tertentu, putaran dari  piringan D ditransformasikan melalui sistem mekanis tertentu, kepada alat penunjuk roda-roda angka transformasi  dari kecepatan putar roda angka berputar lebih lambat dibanding dengan kepingan C.

Gambar 3.38

Arus Eddy pada Suatu Piringan

Dengan demikian maka alat penunjuk atau roda angka menunjukkan energi yang diukur dalam kWH (kilo Watt Jam) setelah melalui kalibrasi tertentu.

2.    Kesalahan dan cara mengatasinya

a.    Penyesuaian phasa

Agar supaya piringan dapat diberi suatu momen yang berbanding lurus dengan daya beban, diperlukan muatan Φ₂ agar sudut phasanya tertinggal 90^o terhadap V.

Pada praktiknya, sudut phasa lebih kecil dari 90^o disebabkan karena adanya tahanan-tahanan dan kerugian inti besi pada inti kumparan tegangan W_p.

Untuk mengatasi dapat dilakukan dengan penyesuaian phasa pada kumparan dengan cara melilitkan kumparan F dengan beberapa lilitan pada inti kumparan tegangan dan dihubungkan dengan tahanan R yang dapat di atur (lihat Gambar 3.39).

 

Gambar 3.39

Prinsip Pengatur Phasa

Terlihat bahwa arus I yang mengalir disebabkan oleh fluksi magnetis Φ₂ dan ini membangkit pula fluksi magnetis Φ_s sehingga terjadi fluksi kombinasi Φ₂ dari Φ₂ dan Φ_s memiliki phasa tinggal terhadap V dengan sudut 90^o.

b.    Penyesuaian pada beban  berat

Kepingan D pada saat berputar memotong medan F₁ dan F₂ selain dari q_m akan membangkitkan momen k₁.n .Φ₁² dan k₂.n. Φ₂². Momen tersebut  akan  bekerja berlawanan arah putarannya sehingga akan menimbulkan perlawanan yang dapat menyebabkan kesalahan negatif.

Pada beban berat, kesalahan negatif yang disebabkan oleh K₁. n .Φ₁² akan terjadi. Untuk mengurangi kesalahan tersebut, Φ₁ dibuat kecil, Φ₂ besar dan kecepatan putarannya kecil.

Untuk mengurangi atau mengatasi permasalahan tersebut maka dipasang shunt magnetis pada inti kumparan arus seperti ditunjukkan pada Gambar 3.40.

 

Gambar 3.40

Prinsip Suatu Beban Berat

Pada saat arus I dan Φ₁ kecil, maka shunt magnetis akan memungkinkan fluksi Φ₁ mengalir. Fluksi magnetis yang disebabkan arus tersebut memotong kepingan D berkurang Φ₁ menjadi (Φ₁-Φ₁). Pada saat I besar  maka Φ₁ juga menjadi besar sampai Φ_1m, sampai pada titik jenuh. Dengan demikian momen gerak yang dihasilkan akan bertambah sebanding dengan kenaikan arus listrik dan dampaknya terjadi penambahan kesalahan negatif pada penggunaan untuk beban berat.

Gambar 3.41

Prinsip Suatu Beban Ringan

c.    Penyesuaian beban-beban ringan

Jika  piringan D berputar, maka momen gesekan akan terjadi dan menyebabkan kesalahan-kesalahan negatif. Untuk mengatasi kesalahan negatif ini dapat dilakukan dengan memasang cincin tembaga pendek seperti ditunjukkan pada Gambar 3.41.

Dengan pengaturan fluksi magnetis q₂ yang melalui pemasangan cincin pendek, akan menghasilkan sudut  phasa tertinggal lainnya yang tidak  melalui cincin pendek.

Dengan mengatur posisi dari cincin pendek, ada kemungkinan untuk meniadakan pengaruh dari momen-momen gesekan.

d.    Menghindari putaran pada beban kosong

Dalam posisi beban kosong atau tidak ada beban, kumparan tegangan tersambung pada tegangan yang dapat menimbulkan medan magnet pada medan putar sehingga keping D berputar secara pelan.

Untuk menghindari hal ini, dilakukan dengan membuat lubang kecil pada piringan D dan dan fungsinya menghentikan putaran piringan pada saat bagian yang dilubangi dilewati medan dari kumparan putar.

G    Alat Ukur Digital

Alat ukur digital menunjukkan besaran yang diukur dalam bentuk angka. Alat ukur jenis ini memiliki kepekaanyang tinggi, yaitu sampai pada angka desimal dan kecil walaupun masih perlu dikalibrasi.

Hasil pengukuran yang ditunjukkan dapat dibaca secara langsung, selain itu sinyal digital yang ditunjukkan lebih memungkinkan untuk direkam dan mudah dicetak sehingga lebih ekonomis dalam pengolahan data dan dapat secara langsung dihubungkan pada komputer.

Besaran-besaran listrik yang diukur sebagian besar berubah secara kontinyu (dalam bentuk analog), jika dipergunakan alat ukur digital untuk mengukur gejalagejala tersebut maka perlu diubah menjadi besaran digital.

Alat yang dipergunakan untuk mengubah besaran tersebut disebut pengubah analog digital (A-D converter) dan merupakan bagian yang penting bagi alat ukur digital. Gambar 3.43 menunjukkan voltmeter digital yang menggunakan prinsip kerja metode  perbandingan.

.

Gambar 3.42

Prinsip Kerja Votmeter Gigital Metode Perbandingan

Gambar 3.43 menunjukkan beda antara metoda perbandingan dan metoda integrasi.

 

                                                                                                           

Gambar 3.43

Perbedaan Metode Perbandingan dan Metoda Integrasi

1.    Voltmeter digital

Penggunaan alat ukur listrik yang praktis, akurat  dan canggih selalu dipilih, terutama pengukuran tegangan listrik digunakan  voltmeter digital.

Selain untuk mengukur tegangan (AC dan DC), AVO meter digital juga dapat digunakan untuk mengukur tahanan listrik (posisi ohm meter), dan besaran listrik lainnya.

Metoda yang dipakai secara garis besar dapat dibagi  menjadi 3, yaitu: metoda perbandingan, metoda integrasi dan metoda potensiometer integrasi.

a.    Metode perbandingan

Voltmeter yang menggunakan prinsip kerja berdasarkan metoda perbandingan memiliki tegangan yang berhubungan dengan tegangan yang diukur sesuai hasil perbandingan yang dilakukan  oleh suatu amplifier pembanding.

Tegangan yang dibandingkan oleh suatu amplifier (pembanding) diatur melalui suatu rangkaian pengatur (switching circuit) menggunakan rangkaian logika sehingga tegangan standar dapat berubah secara otomatis sampai menyamai tegangan yang diukur.

Metoda ini membandingkan secara langsung  tegangan yang diukur dengan tegangan standar sehingga ketelitian dan ketepatan pengukuran lebih terjamin.

Perbandingan tegangan luar dengan tegangan yang diukur dapat diukur dengan teliti dan tepat dan  output berkode dapat dipakai untuk perekaman otomatis dari  nilai yang diukur.

b.    Metoda integrasi

Pada  metoda integrasi, tegangan diintegrasikan pada suatu rangkaian integrasi yang linier, hasilnya diubah menjadi pulsa-pulsa dan  kemudian diukur. Karena  tegangan input diintegrasikan melalui  suatu periode yang sebanding dengan periode frekuensi gelombang jala-jala, maka harga rata-rata  “noise” dengan  frekuensi jala-jala yang tercampur dalam tegangan input adalah nol. Demikian juga  noise yang lain, sehingga pengaruh noise pada hasil penunjukkan meter dapat dikurangi.

Metoda integrasi dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu:

1)    Jenis pengubah frekuensi tegangan

Jenis ini merupakan kombinasi dari suatu pengubah frekuensi tegangan dan frekuensimeter jenis penghitung (counter type).

Jika  tegangan yang diukur dipasang pada terminal input, pengubah frekuensi tegangan menghasilkan suatu sederet gelombang atau pulsa yang sebanding dengan tegangan input dan pulsa  atau gelombang dengan periode tertentu.

Karena  dalam pengubah dipakai rangkaian integrasi, maka jenis ini memiliki keunggulan dari metoda integrasi.

2)    Jenis dual slope

Pada jenis ini, tegangan analog diubah menjadi lebar waktu (time-width) dengan menggunakan rangkaian integrasi.

Tegangan yang diukur diperkecil atau diperbesar sampai suatu  nilai tegangan yang sesuai V₁, selanjutnya diintegrasikan pada satu periode waktu tertentu t₁ dan diintegrasikan pada tegangan referensi V₂ dengan polaritas berlawanan dengan V₁. Jika V₁ diintegrasikan, maka output integrator mula mula nol akan mencapai suatu nilai tertentu dan kembali menjadi nilai nol jika V₂ diintegrasikan.

Jika V₂  dipasang sampai output integrator nol dengan waktu t₂, maka berlaku V₂/V₁ = t₂/t₁. Dengan melakukan pengukuran t₂ dan V₂ secara teliti dengan t₁ konstan, maka tegangan yang diukur V₁ dapat ditentukan.

3)    Jenis modulasi lebar gelombang (jenis feedback)

Pada jenis modulasi lebar gelombang (jenis feedback), tegangan input dimodulasikan dengan lebar gelombang  secara teliti  dan dihitung perbedaan  antara lebar gelombang positif dan negatif.

Output  integrator V₁  memiliki slope yang merupakan jumlah slope  dari tegangan yang diukur, Vx1 dan tegangan refernsi +V_s   atau  -V_s.

Selain itu, suatu tegangan berbentuk segitiga V₂ dengan periode antara frekuensi gelombang  jala-jala dilakukan berulang-ulang dan jika V₂ sama dengan V₁, maka terjadi pembalikkan polaritas dari saklar k oleh pembanding (comparator). Jika perioda waktu pada saat saklar k pada posisi -V_s adalah t₁ dan k pada posisi +V_s adalah t₂, maka berlaku hubungan: (V_x/V_s)(R₂/R₁) = (t₁–t₂)(t₁+t₂). Karena (t₁+t₂) sama dengan perioda dari frekuensi gelombang jala-jala, maka V_x dapat ditentukan dengan mengukur beda antara  lebar gelombang (t₁-t₂).

c.    Metoda potensiometer terintegrasi

Metoda potensiometer terintegrasi merupakan  kombinasi dari metoda perbandingan dan metoda integrasi dengan tujuan memperbaiki ketelitian metoda integrasi dengan cara menginterasikan potensiometer.

Sebagai contoh, dikehendaki hasil pengukuran dengan nilai 6 digit, empat  digit pertama didapat dengan jenis pengubah tegangan frekuensi dan besaran digitalnya diubah menjadi  besaran analog dengan diamati, selanjutnya dimasukkan kembali ke input. Dua digit terakhir diperoleh dengan mengukur beda antara input dan besaran analog yang sedang diukur dengan metoda perbandingan.

Gambar 3.44 menunjukkan prinsip sistem penghitung dengan cara modulasi lebar gelombang.

 

Gambar 3.44

Prinsip Sistem Penghitung dengan

 Cara Modulasi Lebar Gelombang

2.    Recorder 

Alat yang dipakai mengukur tegangan, arus atau lainnya dengan cara direkam secara otomatis untuk waktu yang panjang dan untuk gelombang tertentu dinamakan  recorder (perekam).

a.    Perekam jenis langsung (direct writing type recorder) 

Alat penunjuk listrik pada setiap titik pergerakan direkam pada kertas, disebut direct writing type recorder. Penampilan atau penulisan dapat menggunakan pena atau pemetaan.

1)    Penulisan pena

Pekerjaan penulisan dilakukan dengan cara mengikat pena pada titik yang ditunjukkan oleh alat listrik. Contoh bentuk pena yang dipakai ditunjukkan pada Gambar III.45.

Tinta diisap oleh tempat  tinta pada bagian yang diam, melalui pengisap tinta. Karena pergerakan  pena disertai  dengan penggesekan antara pena dan kertas, maka kopel penggerak harus lebih besar dibandingkan dengan meter listrik yang bergerak bebas. Jenis alat ini  tidak memiliki sensitivitas yang tinggi jika dibandingkan dengan mikro amper atau galvanometer.

Perekaman dapat diperoleh dari pena berbentuk busur lingkaran dilengkapi beberapa peralatan mekanis untuk mengubah busur ini ke koordinat orthogonal dengan cara pendekatan.

 

Gambar 3.45

Alat Pencatat Penulis Pena

Gambar 3.46 menunjukkan contoh cara kerja garis lurus alat pencatat penulis langsung.

Gambar 3.46

Contoh Alat Pencatat Penulis Langsung

2)    Jenis pemetaan (plotting)

Titik  defleksi yang ditunjukkan oleh instrumen penunjuk  listrik dipetakan dengan interval 10 s/d 30 skon pada kertas.

Gambar 3.47

Alat Pencatat Penulis Langsung

Salah satu contoh bentuk mekanis plotting ditunjukkan pada Gambar 3.48. Pada metode ini berbeda dengan penulisan pena, tidak ada gesekan antara pena dan kertas kecuali hanya untuk pemetaan. Metode atau jenis pemetaan memiliki sensitivitas lebih tinggi dibandingkan dengan penulisan pena selain terdapat pergantian warna pita pada setiap plotting.

 

a. Tampak depan

 

b. Tampak samping

Gambar 3.48

Konstruksi Alat Pencatat Penulis Langsung

 (Jenis Pemetaan)

3.    Oscilloscope

Pemakaian oscillosgraph elektromagnetis dibatasi sampai frekuensi10 kHz dan untuk frekuensi lebih tinggi menggunakan  tabung katoda ray untuk mendefleksikan sinar cahaya elektron. Gambar 3.49 menunjukkan blok diagram suatu alat pencatat X-Y.

 

Gambar 3.49

Blok Diagram Alat Pencatat X-Y

Dengan elektron yang berpindah  diantara  elektroda penggerak, sinar cahaya elektron bergerak dengan adanya  tegangan pada  elektroda penggerak.

Jika 2 set elektroda penggerak (deflecting electrode) diikatkan pada sudut yang benar satu sama lainya, sinar cahaya elektron  dalam pergerakan sebelum elektrode dan penggerak bergerak vertikal maupun horizontal dan mengenai satu titik pada screen sehingga menyebabkan flourescense pada material  screen dan bintik terang kelihatan pada screen.

Gambar 3.50 menunjukkan penyimpanan sinar elektron dalam pada CRT. Pada elektroda penggerak horizontal dan tegangan v = V. Sin t digunakan pada elektroda penggerak vertikal, bintik pada screen akan menunjukkan gelombang sinus. Gerakan elektromagnet signal arus dipakai dalam sistem kumparan berputar menghasilkan medan magnet yang kemudian digunakan menggerakkan sinar cahaya elektron. Pada oscilloscope gejala yang disebutkan di atas digunakan untuk menggambar bentuk gelombang.  

 

Gambar 3.50

Penyimpanan Sinar Elektron pada CRT

Gambar 3.51 menunjukkan blok diagram dari sebuah  oscilloscope  system repetitive sweep.

 

Gambar 3.51

Blok Diagram Oscilloscope System Repetitive Sweep

Gambar 3.52

Hubungan Antara Bentuk Gelombang yang Berperan dan

Bentuk Gelombang Saw-Tooth pada Sistem Triggered Sweep

 

Gambar 3.54

Prinsip Penyimpanan Storage CRT

 

Gambar 3.55

Contoh Bagan dari Osciloscope

Gambar 3.56

Bentuk Signal Generator1800-4500 MHz Band

 

Gambar 3.57

Blok Diagram Osciloscope

                                                                            

Gambar 3.58

Peredam Reaktansi

H    Megger

Megger adalah alat untuk mengukur besarnya nilai tahanan isolasi. Jenis megger adalah: megger dengan engkol sebagai pembangkit tegangan, Sumber tenaga pada megger jenis ini berasal dari generator pembangkit tenaga listrik yang ada dalam alat ukur ini dan untuk membangkitkannya poros megger harus diputar; dengan alat penunjukan jarum dan  megger dengan sumber tenaga dari baterai dan alat penunjukkanya berupa jarum juga. 

Salah satu contoh penggunaan dari alat ukur ini adalah untuk mengukur kemungkinan gangguan lain adalah terjadinya hubung singkat pada belitan antar phasa, antara phasa dengan bodi dan antar belitan pada phasa yang sama ditunjukkan pada  Gambar  3.59.

Gambar 3.59

 Pengujian Belitan Mesin Listrik 3 Phasa 

Menggunakan Megger

     

Dalam penggunaannya, jika terjadi hubung singkat antar 2 kabel berisolasi maka megger akan bergerak menuju titik nol, demikian juga jika salah satu kabel belitan pada motor lsitrik terjadi hubung singkat maka megger akan bergerak menuju nol. Sebaliknya jika ke dua kabel memiliki isolasi yang baik maka penunjukan megger pada harga beberapa mega ohm.

Penjelasan penggunaan megger pada pengukuran besar nilai tahanan isolasi dibahas pada bagian perbaikan mesin-mesin listrik.

I      Avometer

Avometer atau multi tester berfungsi untuk mengukur besarnya tahan listrik, besar tegangan listrik (AC dan DC), dan mengukur arus listrik (AC dan DC). Salah satu contoh penggunaan AVOmeter ditunjukkan pada Gambar 3.60.

Pada saat mengukur belitan, hubungan bintang atau segitiga pada terminal motor harus dilepas.

 

Gambar 3.60

Cara Mengukur Belitan Kutub dengan Menggunakan Avometer

J.  Pemeliharaan Alat Ukur

Alat-alat yang yang ada di laboratorium dan bengkel listrik banyak jenis, macam dan spesifikasinya, sehingga perlu penanganan khusus terhadap alat-alat. Untuk menunjang pemeliharaan dibutuhkan petugas laboran dan teknisi. Dengan adanya petugas laboran teknisi, diharapkan laboratorium dan bengkel listrik terpelihara dengan baik sehingga umur peralatan menjadi lebih panjang.

Pemeliharaan merupakan salah satu pekerjaan yang harus ada dalam kegiatan dilaboratorium dan bengkel. Pemeliharaan harus dilakukan oleh tenaga khusus yang memahami karakteristik peralatan yang ada. Pemeliharaan harus dilakukan oleh tenaga khusus yang memahami karakteristik peralatan menukang, komponen-komponen, dan peralatan listrik yang ada di laboratorium atau bengkel.

Maksud pemeliharaan adalah agar peralatan menukang, komponen-komponen, mesin-mesin listrik dan peralatan listrik laboratorium atau bengkel tidak mudah cepat rusak dan efisien kerjanya tinggi. Pemeliharaan memiliki tujuan agar supaya alat-alat laboratorium atau bengkel dapat digunakan secara optimal dalam jangka waktu yang relatif lama. Dari uraian ini, dapat disimpulkan bahwa pemeliharaan berarti merawat, memperlakukan dengan benar, menyimpan dengan benar sesuai dengan fungsinya, agar terhindar dari kesalahan-kesalahan yang tidak perlu terjadi.

Jika dicermati, menangani alat-alat laboratorium dan bengkel tidak dapat dilakukan dengan cara serampangan, artinya cara menangani alat laboratorium atau bengkel harus dilakukan dengan cara professional. Laboran harus betul-betul memahami jenis, macam, dan spesifikasi alat laboratorium atau bengkel.

Dengan memahami jenis, macam, dan spesifikasi alat-alat akan membantu mempermudah laboran dalam memeliharanya. Ruang lingkup pemeliharaan atau perawatan lebih kurang adalah meliputi penempatan penyimpanan alat-alat, posisi letak penyimpanan, menejemen penggunaan alat, pembersihan alat, perlindungan peralatan dari pengaruh suhu dan lingkungan, dan pengecekan kondisi peralatan secara berkala (misal pemberian vet secara berkala pada bantalan motor listrik, pembersihan kotoran pada solder, pemberian minyak pelumas pada alat ukur listrik jarum, dan pembersihan disc drive pada komputer).

Penempatan penyimpanan alat merupakan bagian dari pekerjaan pemeliharaan. Penempatan penyimpanan alat disesuaikan dengan jenis, macam dan spesifikasinya. Alat yang peka terhadap terhadap kondisi lingkungan harus ditempatkan sedemikian rupa sehingga terbebas dari sinar matahari langsung, terbebas dari suhu ruangan yang terlalu tinggi, terlalu lembab, dan terbebas dari debu. Misalnya seperangkat komputer, alat ini harus ditempatkan diruangan tertutup yang terbebas dari sinar matahari langsung, suhu udara kurang lebih 30^oC, dan bebas dari debu. Jika pekerjaan seperti ini telah dilakukan, maka pekerjaan pemeliharaan komputer telah dilakukan.

Posisi letak penyimpanan alat juga merupakan bagian dari pekerjaan pemeliharaan. Posisi letak penyimpanan alat harus diperhatikan petunjuk posisi cara meletakkan alat, misalnya alat harus diletakkan tegak lurus, mndatar, atau posisi lain sesuai dengan petunjuk cara meletakkannya.

Sebagai contoh adalah meter-meter listrk (alat pengukuran listrik), alat ini ada yang cara meletakkanya dengan posisi tegak lurus, mendatar, dan miring dengan sudut tertentu. Apabila petunjuk cara meletakkan penyimpanan alat dilanggar, cepat atau lambat akan berpengaruh pada tingkat ketelitian hasil pengukuran.

Ada beberapa alat ukur listrik, misalnya AVO meter, alat ini tidak ada petunjuk khusus posisi meletakkannya. Keadaan ini dapat diatasi dengan meletakkan AVO meter sedemikian rupa sehingga mudah untuk melihat jenis alat ukur dan mudah dibaca (tidak terbalik) jika dibaca secara langsung.

K. Latihan

1.   Lakukan pengukuran arus, tegangan, daya, cosФ, frekuensi, tahanan isolasi dengan bimbingan guru dan atau laboran  dilaboratorium selama 1x50 menit dengan didampingi guru  pembina dan  teknisi

2.   Lakukan observasi terkait dengan proses pemeliharaan alat ukur  dilaboratorium selama 1x50 menit jam dengan didampingi guru  pembina dan  teknisi

L.Tugas

1.    Buat laporan hasil pengukuran yang telah anda lakukan

2.    Buatlah laporan langkah-langkah dan hasil pemeliharaan yang telah dilakukan di Laboratorium atau bengkel dan kendala-kendalanya. Tugas dikumpulkan pada pertemuan berikutnya.