Upload
hadianti-perwitasari
View
259
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
MODUL 4MEDAN MAGNET DAN MEDAN LISTRIK
Medan magnet sangat berperan dalam proses konversi energy. Melalui media medan magnet,
bentuk energy mekanik dapat diubah menjadi energy listrik, alat konversinya disebut generator, atau
sebaliknya dari bentuk energy listrik menjadi energy mekanik, alat konversinya disebut motor. Pada
transformator, gandengan medan magnet berfungsi untuk memindahkan dan mengubah energy listrik
dari rangkaian primer ke sekunder melalui prinsip induksi elektromagnet.
Dari sisi pandangan elektris, medan magnet dapat menginduksikan tegangan pada
penghantar, sedangkan dari sisi pandangan mekanis, medan magnet dapat menghasilkan gaya dan
kopel.
Keutamaan medan magnet dalam proses konversi energy disebabkan terdapatnya bahan-
bahan magnetic yang memungkinkan diperolehnya kerapatan energy yang tinggi; kerapatan energy
yang tinggi ini akan menghasilkan kapasitas daya per unit volume mesin yang tinggi. Jelaslah bahwa
pengertian kuantitatif tentang medan magnet dan rangkaian magnet merupakan bagian penting untuk
memahami proses konversi energy listrik.
4.1. MEDAN MAGNET DAN MEDAN LISTRIK
Medan magnet terbentuk dari gerak elektron. Meningkat arus listrik yang melalui suatu
hantaran merupakan aliran electron, maka pada sekitar kawat hantaran listik tersebut akan
ditimbulkan suatu medan magnet. Medan magnet memiliki arah, kerapatan, dan intensitas yang di
gambarkan sebagai “ garis – garis fluks “ dan dinyatakan dengan gambar symbol.
Φ∆ fluks dalam besaran weber
Besaran kerapatan medan magnet dinyatakan dengan banyaknya garis – garis fluks yang
menembus suatu luas bidang tertentu dan mempunyai sinyal.
B∆ kerapatan fluksi dalam weber/m2
Intensitas medan magnet disebut sebagai kuat medan dan dinyatakan dengan besarnya
fluksi sepanjang jarak tertentu, mempunyai symbol
B = μH
dimana
μH∆ permeabilitas dalam henry/meter (H/M)
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘111
Permeabilitas pada ruang bebas (udara), μο , mempunyai nilai 4π x 10 -7 H/m. material seperti besi
dan nikel mempunyai permeabilitas yang relative lebih tinggi dan biasanya disebut sebagai material
yang mempunyai karakteristik feromagnet. Besaran fluks dapat juga dinyatakan dengan
Φ = ∫ B dA
Dimana dA adalah unsur luas.
Gambar 4.1.
apabila, seperti terlihat pada gambar 4.1. suatu sumber tegangan (V) mengalirkan arus listrik
(I) melalui suatu kumparan dengan jumlah lilitan (N), maka pada besi (core) akan di timbulkan suatu
kuat medan (H). hubungan antara arus listrik dan medan magnet dinyatakan oleh hokum ampere, dan
untuk rangkaian sederhana seoerti pada gambar.
Persamaannya adalah : Ni = H l Ampere-turn
Dimana :
N = jumlah lilitan
i = arus listrik (A)
H = kuat medan (A/m)
l = Panjang jalur (m)
4.2. INTENSITAS MEDAN MAGNET HUKUM AMPERE
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘112
Hukum ampere bersama dengan beberapa persamaan lain membentuk persamaan
Maxwell; menyatakan bahwa integral keliling kuat medan magnet berbanding lurus dengan
besar arus listrik yang berkurang oleh integral keliling itu.
Dimana dA = unsure luas
Dalam proses konversi energy listrik yang menyangkut mesin dengan elemen bergerak
(berputar) seperti transduser atau motor, pada inti besinya (core) akan terdapat celah udara.
Melalui celah udara ini dapat berlangsung proses konversi dari energy listrik ke energy
mekanik atau sebaliknya.
Gambar 4.2
Untuk inti yang bercelah udara berlaku hubungan
Dimana adalah gaya gerak magnet (ggm), dan koefisien di sebelah kanan di kenal
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘113
sebagai reluctance R.
Karena
Maka
Oleh karena pada umumnya maka sebagian besar rangkaian magnet hanya di
pengaruhi oleh reluktansi celah udara . Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa
sebagian besar ggm terkonsentrasi pada celah udara, yang merupakan potensi ebergi untuk
proses konversi.
Energy Dalam Medan Magnet
Energy listrik yang diberikan oleh sumber akan digunakan oleh inti besi beserta
belitannya untuk menghasilkan medan magnet. Dengan demikian energy yang di peroleh
akan tersimpan dalam medan magnet yang di timbulkan
Sedangkan
Jadi energy yang tersimpan pada medan magnet adalah
Persamaan integral di atas mengandung arti bahwa besar energy yang tersimpan dalam
medan magnet tersebut merupakan suatu luas daerah tertentu; sedangkan luas daerah tersebut
ditentukan oleh jenis bahan permagnetan inti.
Untuk bahan feromagnet, hubungan antara dan akan tidak linier dan dilukiskan seperti
pada gambar . dari gambar di ketahui bahwa untuk kurva menaik oa, jumlah energy yang dibutuhkan
sama dengan luas daerah oac. Dan apabila harga di kembalikan ke harga nolnya (kurva menurun
ab), sebagian energy yang besarnya sama dengan luas daerah abc di lepaskan ,sedangkan energy
sebesar luas daerah oab hilang sebagi panas (rugi hysteresis). Siklus penuh rugi hysteresis akan
membentuk suatu gelang (lingkar tertutup)seperti pada gambar 4.3
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘114
Gambar 4.3
untuk rangkaian listrik R – L, dengan tegangan jepit V, berlaku
Atau
Artinya
Kerja yang dilakukan = panas yang hilang + energy yang tersimpan dalam medan magnet.
Energy dalam medan magnet adalah
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘115
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘116
4.3. TRANSFORMATOR
Transformator adalah suatu alat listrik yg dapat memindahkan & mengubah energi listrik dari
satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yg lain, melalui suatu gandengan magnet &
berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet.
Transformator utk di sistem tenaga, memungkinkan terpilihnya tegangan yg sesuai, dan
ekonomis untuk tiap2 keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dlm pengiriman daya
listrik jarak jauh.
Dlm bidang elektronika, transformator digunakan al. Sbg gandengan impedansi antara
sumber dan beban, utk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yg lain.
Dlm bid. Tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi :
1. transformator daya
2. transformator distribusi
3. transformator pengukuran; terdiri atas trafo arus & trafo tegangan.
Prinsip kerja
Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan
bolak-balik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung
dengan lilitan sekunder. Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika
efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder.
Gambar 4.4.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘117
Konstruksi transformer terdiri dari sebuah inti besi yg terdiri dari keping keping besi tipis
yang disekat satu sama lain. Satu sisi kumparan sisi tegangan rendah kawatnya tebal dan jumlah
lilitannya sedikit, sisi lain adalah kumparan sisi tegangan tinggi, kawatnya tipis dan jumlah lilitannya
banyak.
Prinsip kerja trafo berdasarkan hukum Ampere dan hukum Faraday, yaitu arus listrik dapat
menimbulkan medan magnit dan sebaliknya medan magnit dapat menimbulkan arus listrik
Jika pada salah satu kumparan trafo diberi arus bolak balik, maka jumlah garis gaya magnet
berubah ubah. Akibatnya pada primer terjadi induksi. Sekunder menerima garis gaya magnet dari
primer yang jumlahnya berubah ubah pula. Maka di sekunder juga timbul induksi, akibatnya antara
dua ujung terdapat beda tegangan. Jumlah garis gaya ( Ø ) yang masuk kumparan sekunder = jumlah
garis gaya (Ø) yg keluar dari kumparan primer.
e1 = -N1(dØ/dt) dan e2 = -N2 (dØ/dt)
e1/e2 = -N1(dØ/dt) / -N2 (dØ/dt) atau
E1/E2 = N1 / N2
Dimana :
e1 : GGL induksi sesaat pada sisi primer
e2 : GGL induksi sesaat pada sisi sekunder
E1 : GGL induksi pada primer efektif (volt)
E2 : GGL induksi pada sekunder (volt)
N1 : jumlah lilitan kumparan primer
N2 : jumlah lilitan kumparan sekunder
Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka bila dianggap tidak ada kerugian daya yg hilang, daya
yang dilepas oleh primer sama dengan daya yang diterima oleh sekunder :
E1 x I1 = E2 x I2
Jadi GGL Induksi di masing masing kumparan berbanding lurus dg jumlah lilitan. Kuat arus di
masing masing kumparan berbanding dengan jumlah lilitan
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘118
Sebuah transformator pd dasarnya terdiri atas dua buah lilitan, masing masing dsb sbg lilitan primer
& sekunder yg terisolasi satu sama lainnya yg dililitkan pada inti yang sama yg umumnya terbuat
dari baja atau besi.
Gambar 4.5.
Dasar Konversi Energi ListrikIr. Isworo Pujotomo, MT.
Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana
‘119