Tegangan tiga fasa sering kali dihasilkan oleh generator AC tiga fasa (atau alternator) dengan konfigurasi yang ditunjukkan di bawah ini. Generator ini memiliki bagian yang berputar yang terbuat dari magnet sebagai rotor, dan belitan yang diam sebagai stator.
Bentuk gelombang yang dihasilkan oleh generator ini kemungkinan besar akan
Di era industri modern saat ini, mesin-mesin yang lebih besar sudah tidak asing lagi digunakan secara massal. Motor tiga fasa banyak digunakan karena efisiensi dan kesederhanaan pemindahan dayanya dibandingkan dengan tiga motor satu fasa yang digabungkan menjadi satu.
Namun karena kita mengintegrasikan tiga motor satu fasa menjadi satu motor tiga fasa, penggerak motor, rangkaian listrik, dan stabilitasnya perlu ditingkatkan. Untuk stabilitas, kita memerlukan tegangan dan arus tiga fasa yang stabil untuk menghasilkan daya tiga fasa yang seimbang. Kali ini kita akan mempelajari tentang tegangan tiga fasa yang seimbang.
Sistem Tiga Fasa Seimbang
Sistem tiga fasa yang seimbang merupakan keharusan bagi peralatan kita untuk menyalurkan energi yang efisien dan memiliki masa pakai yang panjang. Sistem tiga fasa yang tidak seimbang (bersama dengan gangguan harmonik) kemungkinan akan mengurangi efisiensi dan masa pakainya.
Seperti yang telah kita pelajari tentang koreksi faktor daya, banyak negara mengenakan biaya kepada kita dengan daya semu (VA) alih-alih daya aktif (W) karena peralatan kita juga menghasilkan daya reaktif yang meningkatkan energi yang terbuang. Daya reaktif ini bukanlah energi yang dapat dikonsumsi atau tersedia untuk digunakan, hanya pemborosan dan mengganggu keandalan peralatan kita.
Dalam sistem tiga fasa yang seimbang, pasokan tiga fasa sama satu sama lain, dan arus yang ditarik oleh setiap fasa sama. Ini menunjukkan bahwa tidak hanya pasokan yang seimbang, bebannya juga seimbang.
Sekarang kita akan mempelajari yang termudah terlebih dahulu, beban tiga fasa yang seimbang.
Kita akan menggunakan beban induktif penuh karena fokus kita di sini adalah tegangan tiga fasa yang memasok motor tiga fasa. Motor listrik dibangun dengan belitan yang mewakili induktor.
Di bawah ini adalah beban tiga fasa yang seimbang.
Dalam sistem tiga fasa yang seimbang, baik tegangan listrik total maupun arus dalam rangkaian listrik hanyalah jumlah dari tegangan listrik dan arus setiap fasa. Hal ini memenuhi Hukum Tegangan Kirchhoff dan Hukum Arus Kirchhoff.
Jumlah arus listrik yang masuk dan keluar pada setiap simpul adalah nol.
Jumlah tegangan listrik dalam loop tertutup adalah nol.
Baik tegangan listrik netral maupun arus adalah nol dalam rangkaian tiga fasa yang seimbang.
Tegangan Tiga fasa Seimbang
Tegangan tiga fasa seimbang adalah rangkaian AC tiga fasa yang memiliki tiga bentuk gelombang sinusoidal fasa tunggal yang memiliki besaran dan frekuensi yang sama tetapi bergeser 120° dari satu sama lain. Dengan fasa A sebagai referensi, tegangan tersebut dapat mendahului atau tertinggal dari tegangan lainnya (B dan C).
Sama seperti generator tiga fasa yang ditunjukkan di atas, lilitannya dipisahkan pada sudut 120° dari satu sama lain. Dengan cara ini, menghasilkan tegangan tiga fasa adalah hal yang masuk akal.
Pasangan a-a’, b-b’, dan c-c’ ditempatkan secara mekanis terpisah satu sama lain sejauh 120° di sekitar stator.
Saat rotor berputar, medan magnetnya “memotong” fluks dari tiga kumparan dan menginduksi tegangan pada kumparan.
Karena kumparan ditempatkan terpisah sejauh 120°, tegangan induksi pada kumparan sama besarnya tetapi berbeda fasa sejauh 120°.
Rangkaian tiga fasa selalu memiliki tegangan masing-masing fasa yang bergeser 120° dari satu sama lain. Asumsikan bahwa beban sudah seimbang, arus listrik di setiap fasa juga seimbang.
Di bawah ini adalah tegangan tiga fasa yang seimbang di mana besarnya dan frekuensinya sama, bergeser 120° dari satu sama lain.
Untuk membuktikan Hukum Tegangan Kirchhoff terpenuhi pada tegangan tiga fasa yang seimbang, perhatikan grafik di bawah ini.
Kita dapat mengatakan bahwa pada titik mana pun, jumlah tegangan tiga fasa selalu nol. Misalnya, Va sama dengan jumlah Vb dan Vc.
Sistem tiga fasa setara dengan tiga sirkuit satu fasa. Sumber tegangan dapat berupa hubungan wye (kiri) atau hubungan delta (kanan) seperti yang ditunjukkan di bawah ini
Mari kita analisis secara singkat sumber tegangan yang terhubung dengan sumbu Y terlebih dahulu. Tegangan dalam rangkaian tersebut adalah Van, Vbn, dan Vcn yang masing-masing berada di antara garis a, b, dan c, serta garis netral n.
Tegangan-tegangan fasa ini memiliki amplitudo dan frekuensi yang sama dengan pergeseran fasa sebesar 120° dari satu sama lain. Asumsikan bahwa tegangan-tegangan tersebut seimbang, maka
Kesimpulannya adalah
Tegangan fasa seimbang memiliki besaran yang sama dan berbeda fasa sebesar 120°.
Bagaimana cara mendefinisikan suplai seimbang 3 fasa dengan diagram fasor?
Karena kita memiliki tegangan tiga fasa yang bergeser 120° dari satu sama lain, kita tidak dapat menentukan urutannya. Urutannya bisa Van, Vbn, Vcn, atau Van, Vcn, Vbn. Kedua urutan tersebut masih benar seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Kita akan menggunakan urutan abc atau urutan positif, di mana urutannya adalah Van mengarah Vbn, lalu Vbn mengarah Vcn
Van → Vbn → Vcn
Urutan ini dihasilkan ketika rotor pada ilustrasi di atas berputar berlawanan arah jarum jam. Persamaan matematikanya adalah:
Di mana Vp adalah tegangan efektif atau rms.
Jika rotor berputar searah jarum jam, kita akan mendapatkan urutan acb atau urutan negatif. Kita akan mendapatkan Van mengarah ke Vcn, lalu Vcn mengarah ke Vbn.
Van → Vcn → Vbn
Ekspresi matematikanya adalah:
Untuk membuktikan bahwa Hukum Tegangan Kirchhoff valid
Kami menyimpulkan bahwa:
Urutan fasa adalah urutan waktu di mana tegangan melewati nilai maksimumnya masing-masing.
Perlu diingat bahwa untuk memperoleh daya tiga fasa yang seimbang, kita perlu memperoleh arus tiga fasa yang seimbang. Arus tiga fasa dapat diperoleh jika rangkaian tiga fasa kita memiliki tegangan tiga fasa yang seimbang dan beban tiga fasa yang seimbang.
Karena sumber tiga fasa dan beban tiga fasa dapat dihubungkan secara wye atau delta, kita memiliki empat kemungkinan koneksi:
- Koneksi wye-wye seimbang
- Koneksi wye-delta seimbang
- Koneksi delta-delta seimbang
- Koneksi delta-wye seimbang
Contoh Tegangan Tiga Fasa Seimbang
Tentukan urutan fasa dari rangkaian tegangan
Jawaban :
Tegangan dapat dinyatakan dalam bentuk phasor sebagai berikut:
Kita perhatikan bahwa Van mendahului Vcn sejauh 120° dan Vcn, pada gilirannya, mendahului Vbn sejauh 120°. Oleh karena itu, kita memiliki deret acb.
Kesimpulan
Tegangan tiga fasa yang seimbang secara harfiah adalah tiga tegangan fasa tunggal dengan besaran dan frekuensi yang sama yang bergeser sejauh 120° dari satu sama lain.
Besaran yang sama berarti tegangan puncak dan rms dari setiap fasa memiliki nilai yang sama di titik mana pun.
Frekuensi yang sama berarti mereka berosilasi dengan frekuensi yang sama. Lebar pulsa mereka sama.
Pergeseran fasa 120° berarti titik awal mereka berbeda sejauh 120°, ada lead dan lag antara fasa.
Beban seimbang berarti impedansi beban setiap fasa yang terhubung ke sumber tegangan tiga fasa identik satu sama lain.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa itu tegangan tiga fasa yang seimbang?
Tegangan tiga fasa yang seimbang adalah rangkaian AC tiga fasa yang memiliki tiga bentuk gelombang sinus fasa tunggal yang memiliki besaran dan frekuensi yang sama tetapi bergeser 120° dari satu sama lain. Dengan fasa A sebagai referensi, tegangan tersebut dapat mendahului atau tertinggal dari tegangan lainnya (B dan C).
Apa itu tegangan tiga fasa yang seimbang dan tidak seimbang?
Berlawanan dengan tegangan tiga fasa yang seimbang, tegangan tiga fasa yang tidak seimbang adalah rangkaian tiga fasa yang tegangan, arus, atau bebannya memiliki amplitudo atau frekuensi yang tidak sama satu sama lain.
Mengapa tegangan tiga fasa harus seimbang?
Sistem tiga fasa yang seimbang mempertahankan arus yang stabil dan meningkatkan transfer daya dari suplai ke beban. Peringkat daya yang lebih baik berarti lebih sedikit pemborosan daya dan meningkatkan masa pakai peralatan kita.
Apa yang menyebabkan ketidakseimbangan tegangan tiga fasa?
Ketidakseimbangan tegangan tiga fasa dalam rangkaian AC tiga fasa dapat terjadi jika beban tidak seimbang satu sama lain. Hal ini membuat amplitudo tegangan dari setiap fasa mungkin memiliki amplitudo yang berbeda satu sama lain.