Sistem Tiga Fase Tidak Seimbang

Teknik khusus untuk menangani sistem tiga fase yang tidak seimbang adalah metode komponen simetris, yang berada di luar cakupan teks ini. Kita akan mempelajarinya dalam waktu dekat.

Pastikan untuk membaca “apa itu rangkaian tiga fase” terlebih dahulu.

Setelah kita mempelajari tentang rangkaian tiga fase, kita akan mempelajari:

1. Tegangan tiga fase seimbang
2. Daya tiga fase seimbang
3. Daya tiga fase tidak seimbang
4. Pengukuran daya tiga fase

Sistem Tiga Fase Tidak Seimbang

Mempelajari dan memahami sistem tiga fase tidak akan lengkap tanpa mempelajari dan menganalisis sistem tiga fase yang tidak seimbang.

Sistem tiga fase yang tidak seimbang terjadi ketika rangkaian AC tiga fase kita memiliki bentuk gelombang sinusoidal dari tegangan atau arusnya yang tidak sama atau/dan tidak bergeser tepat 120^o dari satu sama lain.

Sistem tiga fase yang tidak seimbang bukanlah hal yang langka dalam transmisi dan distribusi daya.

Ketika kita berhadapan dengan:

1. Sistem tiga fase seimbang
2. Sistem tiga fase tidak seimbang

Kita perlu mengetahui apa yang menyebabkan sistem menjadi “seimbang” atau “tidak seimbang”.

Ada beberapa penyebab sistem tiga fase tidak seimbang:

1. Sumber tegangan tidak sama besarnya dan/atau memiliki perbedaan sudut fasa dari masing-masing fasa.
2. Beban tidak sama satu sama lain.
3. Impedansi tidak sama satu sama lain, disebabkan oleh ukuran kawat, panjang kawat, impedansi sumber yang berbeda.
4. Ada kesalahan sistem yang terjadi di rangkaian listrik kita, seperti komponen yang rusak, sekring putus, atau kehilangan daya yang berlebihan yang disebabkan oleh ketidakseimbangan.
5. Distorsi harmonik yang disebabkan oleh komponen nonlinier seperti induktor dan kapasitor. Komponen-komponen ini dapat mendistorsi bentuk gelombang sinusoidal kita baik tegangan maupun arus.

Dalam sistem seimbang, kita selalu memiliki:

1. Sumber tegangan yang sama dalam besaran dan sudut fasa. Misalnya, sistem tiga fasa dengan sumber tegangan pada 120V dan frekuensi 50Hz untuk setiap fasa.
2. Impedansi beban yang sama. Misalnya, sistem tiga fasa dengan hanya beban resistansi atau beban induktif atau beban kapasitif dengan nilai yang sama untuk semua jalur.

Dengan demikian,

Sistem yang tidak seimbang disebabkan oleh sumber tegangan yang tidak seimbang atau beban yang tidak seimbang.

Ada satu hal yang perlu diingat bahwa sumber tegangan tiga fasa yang tidak seimbang merupakan fenomena yang sangat langka.

Menganalisis sistem tiga fasa yang tidak seimbang akan membutuhkan banyak waktu. Oleh karena itu, dalam artikel ini kita akan mengasumsikan bahwa setiap rangkaian yang kita gunakan memiliki sumber tegangan yang seimbang dan impedansi beban yang tidak seimbang.

Beban Tidak Seimbang pada Sistem Tiga Fasa

Sistem tiga fase dikatakan seimbang jika semua beban jalur sama satu sama lain. Jika salah satu beban dinaikkan, maka sistem tersebut akan menjadi tidak seimbang.

Mengapa?

Karena jalur tersebut akan menarik lebih banyak arus daripada dua jalur lainnya.

Apa saja dampak dari sistem tiga fase yang tidak seimbang? Akan ada:

• Peningkatan panas oleh motor tiga fase.
• Mengurangi masa pakai mesin karena peningkatan panas dan tekanan.
• Meningkatnya biaya operasional karena daya reaktif yang dihasilkan lebih banyak.
• Kerugian daya I²R meningkat karena daya aktif lebih kecil daripada daya reaktif.
• Penggerak motor menjadi tidak dapat diandalkan dan mengurangi efisiensi karena torsi yang dihasilkan lebih rendah.
• Aliran arus netral yang signifikan di rangkaian yang tidak akan terjadi di rangkaian seimbang.

Apa saja sifat-sifat sistem tiga fase yang tidak seimbang? Sifat-sifat tersebut adalah:

• Bentuk gelombang tiga fase terganggu.
• Arus jalur tidak sama satu sama lain.
• Kabel netral diperlukan.
• Kerugian daya lebih tinggi.

Cara Mengatasi Sistem Tiga Fasa Tidak Seimbang

Apakah ada cara untuk memperbaiki sistem tiga fase yang tidak seimbang? Sebelum kita membahas cara mengubah rangkaian tidak seimbang menjadi rangkaian seimbang, ada beberapa hal yang dapat kita lakukan untuk mengubah sistem tiga fase yang tidak seimbang menjadi sistem tiga fase yang seimbang:

• Penyeimbangan beban dengan mendistribusikan beban secara merata ke setiap fase.
• Detektor kesalahan dapat membantu kita mengatasi kesalahan dan memperbaikinya sesegera mungkin.
• Koreksi faktor daya akan meningkatkan faktor daya kita untuk menghasilkan dan mengkonsumsi daya yang lebih efisien.
• Terapkan filter untuk mengurangi distorsi harmonik yang ada di rangkaian kita.
• Pencocokan impedansi untuk memastikan setiap impedansi di setiap fase disesuaikan.

Bahkan jika kita berhadapan dengan sistem tiga fase, kita masih dapat menggunakan analisis mesh dan nodal. Tentu saja KCL dan KVL juga berguna.

Perhatikan rangkaian di bawah ini. Di sini kita memiliki sistem tiga fase tak seimbang empat kawat yang terhubung bintang yang terdiri dari:

• Sumber tegangan tiga fase seimbang (tidak tergambar dalam rangkaian)
• Impedansi beban terhubung bintang yang tidak seimbang (Z₁, Z₂, dan Z₃).

Karena kita sudah menetapkan impedansi beban tidak seimbang, maka semua Z_A, Z_B, dan Z_C tidak sama.

Dengan menggunakan hukum Ohm, kita memperoleh arus jalur sebagai berikut:

Dalam sistem tiga fase yang seimbang, arus yang dihasilkan pada rangkaian netral seharusnya nol. Namun, di sini, arus pada rangkaian netral tidak nol.

Penerapan KCL pada simpul N menghasilkan arus rangkaian netral sebagai

Jika kita berhadapan dengan sistem tiga fase yang tidak memiliki jalur netral, kita masih dapat menggunakan analisis mesh untuk menemukan arus jalur Ia, Ib, dan Ic. Ini termasuk sistem tiga fase (dan tiga kawat) delta-bintang, bintang-delta, dan delta-delta.

Jika kita berbicara tentang distribusi dan transmisi daya jarak jauh, kita berhadapan dengan beberapa sistem tiga kawat dengan bumi sebagai konduktor netral.

Untuk menghitung daya dalam sistem tiga fase yang tidak seimbang, kita harus menemukan daya di setiap fase.

Daya total tidak hanya tiga kali daya dalam satu fase tetapi jumlah daya dalam tiga fase.

Contoh Soal Sistem Tiga Fasa Tidak Seimbang

1. Beban bintang tak seimbang pada rangkaian sebelumnya memiliki sumber tegangan seimbang 100 V dan urutan a c b. Hitung arus rangkaian dan arus netral, jika diketahui

ZA = 15 Ω

ZB = 10 + j5 Ω

ZC = 6 − j8 Ω.

Jawaban:

Dengan menggunakan Persamaan (1), arus rangkaian adalah

Dengan menggunakan Persamaan (2), arus pada rangkaian netral adalah

2. Perhatikan rangkaian di bawah ini. Di sini kita memiliki rangkaian tak seimbang dengan koneksi bintang-bintang tiga kawat. Carilah:

(a) arus jalur

(b) daya kompleks total yang diserap oleh beban

(c) daya kompleks total yang disuplai oleh sumber.

Jawaban:

(a) Kami menggunakan analisis mesh untuk menemukan arus yang dibutuhkan. Untuk mesh 1,

Atau

Untuk mesh 2,

Atau

Persamaan (2.1) dan (2.2) membentuk persamaan matriks:

Determinan adalah

Arus mesh adalah

Arus jalur adalah

(b) Kita sekarang dapat menghitung daya kompleks yang diserap oleh beban.

Untuk fase A,

Untuk fase B,

Untuk fase C,

Total daya kompleks yang diserap oleh beban adalah

(c) Kita periksa hasil di atas dengan mencari daya yang disuplai oleh sumber. Untuk sumber tegangan dalam fase a,

Untuk sumber dalam fase b,

Untuk sumber dalam fase c,

Total daya kompleks yang disuplai oleh sumber tiga fase adalah

menunjukkan bahwa S_s + S_L = 0 dan mengonfirmasi prinsip kekekalan daya ac.

Pertanyaan yang Sering Diajukan