KONVERSI DAYA

Ada empat tipe konversi daya, atau dengan kata lain ada empat jenis pemanfatan energi listrik yang berbeda-beda, lihat gambar 1. Pertama dari listrik PLN 220 VAC melalui penyearah yang mengubah listrik AC menjadi listrik DC yang dibebani motor DC. Kedua mobil dengan sumber akumulator 12 V dengan inverter yang mengubah listrik DC menjadi listrik AC dengan tegangan AC 220 V dan dibebani PC. Ketiga dari sumber PLN 220 V dengan AC konverter diubah tegangannya menjadi 180 V untuk menyalakan lampu. Keempat dari sumber Akumulator truk 24 V dengan DC konverter diubah tegangannya menjadi 12 V untuk pesawat CB Transmitter.


Gambar 1. Pemanfaatan energi listrik.

Pada gambar 1 dijelaskan ada empat konverter daya yang terbagi dalam empat kuadran.

1. Kuadrant 1 disebut penyearah fungsinya menyearahkan listrik arus bolak-balik menjadi listrik arus searah. Energi mengalir dari sistem listrik AC satu arah ke sistem DC.
Contoh: Listrik AC 220 V/50 Hz diturunkan melewati trafo menjadi 12VAC dan kemudian disearahkan oleh Diode menjadi tegangan DC 12V.

2. Kuadran 2 disebut DC chopper atau dikenal juga dengan istilah DC-DC konverter. Listrik arus searah diubah menjadi arus searah juga namun dengan besaran yang berbeda.
Contoh: Listrik DC 15V dengan komponen elektronika diubah menjadi listrik DC 5V.

3. Kuadran 3 disebut inverter yaitu mengubah listrik arus searah menjadi listrik arus bolak-balik pada tegangan dan frekuensi yang dapat diatur.
Contoh: Listrik DC 12 V dari akumulator dengan perangkat inverter diubah menjadi listrik tegangan AC 220V, frekuensi 50 Hz.

4. Kuadran 4 disebut AC-AC konverter yaitu mengubah energi listrik arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi tertentu menjadi arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi yang lain. Ada dua jenis konverter AC, yaitu:
• pengatur tegangan AC (tegangan berubah, frekuensi konstan)
• cycloconverter (tegangan dan frekuensi dapat diatur).

Contoh: tegangan AC 220 V dan frekuensi 50 Hz menjadi tegangan AC 110 V dan frekuensi yang baru 100 Hz.


Rancangan konverter daya paling sedikit mengandung lima elemen, lihat gambar 2, yaitu:
(1) sumber energi,
(2) komponen daya,
(3) piranti pengaman dan monitoring,
(4) sistem kontrol lop tertutup dan
(5) beban.

Gambar 2. Diagram blok konverter daya.

HUKUM-HUKUM DASAR LISTRIK

Dalam dunia listrik dikenal beberapa hukum-hukum dasar listrik, yaitu:
1. Hukum Faraday
2. Hukum Ampere-Biot-Savart
3. Hukum Lenz
4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik
Kesemua hukum diatas, bersama dengan hukum kekekalan energi akan menjelaskan mengenai prinsip kerja dasar dari suatu mesin listrik dinamis.
Artikel kali ini akan menjelaskan secara sederhana hubungan kesemua hukum tersebut. Selamat membaca dan semoga bermanfaat.

Hukum Faraday

Michael faraday (1791-1867), seorang ilmuwan jenius dari inggris menyatakan bahwa:
1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik (flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi.
2. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar, akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.
Kedua pernyataan beliau diatas menjadi hukum dasar listrik yang menjelaskan mengenai fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian, aplikasi dari hukum ini adalah pada generator. Gambar 1 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 1. Hukum Faraday, Induksi Elektromagnetik.

Hukum Ampere-Biot-Savart

3 orang ilmuwan jenius dari perancis, Andre Marie Ampere (1775-1863), Jean Baptista Biot (1774-1862) dan Victor Savart (1803-1862) menyatakan bahwa:
“Gaya akan dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang berada diantara medan magnetik”
Hal ini juga merupakan kebalikan dari hukum faraday, dimana faraday memprediksikan bahwa tegangan induksi akan timbul pada penghantar yang bergerak dan memotong medan magnetik. Hukum ini diaplikasikan pada mesin-mesin listrik, dan gambar 2 akan menjelaskan mengenai fenomena tersebut.


Gambar 2. Hukum Ampere-Biot-Savart, Gaya induksi Elektromagnetik.

Hukum Lenz
Pada tahun 1835 seorang ilmuwan jenius yang dilahirkan di Estonia, Heinrich Lenz (1804-1865) menyatakan bahwa:
“arus induksi elektromagnetik dan gaya akan selalu berusaha untuk saling meniadakan (gaya aksi dan reaksi)”
Sebagai contoh, jika suatu penghantar diberikan gaya untuk berputar dan memotong garis-garis gaya magnetik, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan induksi (hukum faraday). Kemudian jika pada ujung-ujung penghantar tersebut saling dihubungkan maka akan mengalir arus induksi, dan arus induksi ini akan menghasilkan gaya pada penghantar tersebut (hukum ampere-biot-savart). Yang akan diungkapkan oleh Lenz adalah gaya yang dihasilkan tersebut berlawanan arah dengan arah gerakan penghantar tersebut, sehingga akan saling meniadakan.
Hukum Lenz inilah yang menjelaskan mengenai prinsip kerja dari mesin listrik dinamis (mesin listrik putar) yaitu generator dan motor.


Gambar 3. Hukum Lenz- gaya aksi dan reaksi.

Konversi Energi Elektromekanik

Ketiga hukum dasar listrik diatas terjadi pada proses kerja dari suatu mesin listrik dan hal ini merupakan prinsip dasar dari konversi energi. Secara garis besar, elektromekanik dari mesin listrik dinamis dinyatakan:
“Semua energi listrik dan energi mekanik mengalir kedalam mesin, dan hanya sebagian kecil saja dari energi listrik dan energi mekanik yang mengalir keluar mesin (terbuang) ataupun disimpan didalam mesin itu sendiri, sedangkan energi yang terbuang tersebut dalam bentuk panas”
Sedangkan hukum kekelan energi pertama menyatakan bahwa:
“energi tidak dapat diciptakan, namun dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya”
Aplikasi dari 4 dasar prinsip kerja mesin listrik dinamis dan hukum kekalan energi digambarkan sebagai berikut:


Gambar 4. Prinsip Konversi Energi Elektromekanik.

Tanda positif (+) menunjukkan energi masuk, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan energi keluar. Panas yang dihasilkan dari suatu mesin yang sedang melakukan proses selalu dalam tanda negatif (-).
Sedangkan untuk energi yang tersimpan, tanda positif (+) menujukkan peningkatan energi yang tersimpan, sedangkan tanda negatif (-) menunjukkan pengurangan energi yang tersimpan.
Keseimbangan dari bentuk-bentuk energi diatas tergantung dari nilai efisiensi mesin dan sistem pendinginannya.

Fluksi Medan Magnet

Medan magnet tidak bisa kasat mata namun buktinya bisa diamati dengan kompas atau serbuk halus besi. Daerah sekitar yang ditembus oleh garis gaya magnet disebut gaya medan magnetik atau medan magnetik. Jumlah garis gaya dalam medan magnet disebut fluksi magnetik.

Gambar 1. Belitan kawat berinti udara dan garis-garis gaya magnet.

Menurut satuan internasional besaran fluksi magnetik (Φ) diukur dalam Weber, disingkat Wb dan didefinisikan dengan:

”Suatu medan magnet serba sama mempunyai fluksi magnetik sebesar 1 weber bila sebatang penghantar dipotongkan pada garis-garis gaya magnet tsb selama satu detik akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) sebesar satu volt”

Weber = Volt x detik

[Φ] = 1 Voltdetik = 1 Wb

Belitan kawat yang dialiri arus listrik DC maka didalam inti belitan akan timbul
medan magnet yang mengalir dari kutub utara menuju kutub selatan, seperti diperlihatkan pada gambar 2.

Gambar 2. Daerah Pengaruh medan magnet.

Pengaruh gaya gerak magnetik akan melingkupi daerah sekitar belitan yang diberikan warna arsir. Gaya gerak magnetik (θ) sebanding lurus dengan jumlah belitan (N) dan besarnya arus yang mengalir (I), secara singkat kuat medan magnet sebanding dengan amper-lilit.

θ = I . N

[θ] = Amper-turn

dimana;

θ = Gaya gerak magnetik
I = Arus mengalir ke belitan
N = Jumlah belitan kawat

Contoh : Belitan kawat sebanyak 500 lilit, dialiri arus 2 A.
Hitunglah a) gaya gerak magnetiknya b) jika kasus a) dipakai 1000 lilit berapa besarnya arus ?
Jawaban :
a) θ = I . N = 500 lilit x 2 A = 1.000 Ampere-lilit
b) I = θ /N = 1.000 Amper-lilit/1000 lilit = 1 Ampere.


Kuat Medan Magnet 

Dua belitan berbentuk toroida dengan ukuran yang berbeda diameternya. Belitan toroida yang besar memiliki diameter lebih besar, sehingga keliling lingkarannya lebih besar. Belitan toroida yang kecil tentunya memiliki keliling lebih kecil. Jika keduanya memiliki belitan (N) yang sama, dan dialirkan arus (I) yang sama maka gaya gerak magnet (Θ = N.I) juga sama. Yang akan berbeda adalah kuat medan magnet (H) dari kedua belitan diatas.

Persamaan kuat medan magnet adalah:



Dimana:
H = Kuat medan magnet
lm = Panjang lintasan
θ = Gaya gerak magnetik
I = Arus mengalir ke belitan
N= Jumlah belitan kawat

Contoh : Kumparan toroida dengan 6.000 belitan kawat, panjang lintasan magnet 30cm, arus yang mengalir sebesar 200 mA. Hitung besarnya kuat medan magnetiknya
Jawaban :
H = I.N/Im = 0,2 A. 6.000 / 0,3 = 4000 A/m

Kerapatan Fluksi Magnet 

Efektivitas medan magnetik dalam pemakaian sering ditentukan oleh besarnya “kerapatan fluksi magnet”, artinya fluksi magnet yang berada pada permukaan yang lebih luas kerapatannya rendah dan intensitas medannya lebih lemah, sedangkan pada permukaan yang lebih sempit kerapatan fluksi magnet akan kuat dan intensitas medannya lebih tinggi.

Kerapatan fluksi magnet (B) atau induksi magnetik didefinisikan sebagai:

“fluksi persatuan luas penampang”

Satuan fluksi magnet adalah Tesla. Persamaan fluksi magnet adalah:



Dimana;
B = Kerapatan medan magnet
Φ = Fluksi magnet
A = Penampang inti

Contoh : Belitan kawat bentuk inti persegi 50mm x 30 mm, menghasilkan kerapatan fluksi magnet sebesar 0,8 Tesla. Hitung besar fluksi magnetnya.

Jawaban: B = Φ/ A, maka Φ = B.A = 0,08T x (0,05 m x 0,03 m) = 1,2 mWb


Elektromagnet

Elektromagnet adalah prinsip pembangkitan magnet dengan menggunakan arus listrik. Aplikasi praktisnya kita temukan pada motor listrik, speaker, relay dsb. Sebatang kawat yang diberikan listrik DC arahnya meninggalkan kita (tanda silang), maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet melingkar, lihat gambar 1. Sedangkan gambar visual garis gaya magnet didapatkan dari serbuk besi yang ditaburkan disekeliling kawat beraliran listrik, seperti dijelaskan pada Prinsip-prinsip kemagnetan pokok bahasan selanjutnya.


Gambar 1. Prinsip elektromagnetik.

Sebatang kawat pada posisi vertikal diberikan arus listrik DC searah panah, maka arus menuju keatas arah pandang (tanda titik). Garis gaya magnet yang membentuk selubung berlapis lapis terbentuk sepanjang kawat. Garis gaya magnet ini tidak tampak oleh mata kita, cara melihatnya dengan serbuk halus besi atau kompas yang didekatkan dengan kawat penghantar tsb. Kompas menunjukkan bahwa arah garis gaya sekitar kawat melingkar. Arah medan magnet disekitar penghantar sesuai arah putaran sekrup (James Clerk Maxwell, 1831-1879). arah arus kedepan (meninggalkan kita) maka arah medan magnet searah putaran sekrup kekanan. Sedangkan bila arah arus kebelakang (menuju kita) maka arah medan magnet adalah kekiri.

Gambar 2. Garis magnet membentuk selubung seputar kawat berarus.

Gambar 3. Prinsip putaran sekrup

Aturan sekrup mirip dengan hukum tangan kanan yang menggenggam, dimana arah ibu jari menyatakan arah arus listrik mengalir pada kawat. Maka keempat arah jari menyatakan arah dari garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan.

Arah aliran arus listrik DC pada kawat penghantar menentukan arah garis gaya elektromagnet. Arah arus listrik DC menuju kita (tanda titik pada penampang kawat), arah garis gaya elektromagnet melingkar berlawanan arah jarum jam. Ketika arah arus listrik DC meninggalkan kita (tanda silang penampang kawat), garis gaya elektromagnet yang ditimbulkan melingkar searah dengan jarum jam (sesuai dengan model mengencangkan sekrup). Makin besar intensitas arus yang mengalir semakin kuat medan elektro-magnet yang mengelilingi sepanjang kawat tersebut.

Gambar 4. Elektromagnetik sekeliling kawat.

Elektromagnet pada Belitan Kawat
Jika sebuah kawat penghantar berbentuk bulat dialiri arus listrik I sesuai arah panah, maka disekeliling kawat timbul garis gaya magnet yang arahnya secara gabungan membentuk kutub utara dan kutub selatan. Makin besar arus listrik yang melewati kawat, maka akan semakin kuat medan elektromagnetik yang ditimbulkannya.

Gambar 5. Kawat melingkar berarus membentuk kutub magnet

Jika beberapa belitan kawat digulungkan membentuk sebuah coil atau lilitan, dan kemudian dipotong secara melintang maka arah arus ada dua jenis. Kawat bagian atas bertanda silang (meninggalkan kita) dan kawat bagian bawah bertanda titik (menuju kita).

Gambar 6. Belitan kawat membentuk kutub magnet.

Hukum Tangan Kanan

Hukum tangan kanan untuk menjelas kan terbentuknya garis gaya elektromagnet pada sebuah gulungan atau coil dapat dilihat pada gambar 7. Dimana sebuah
gulungan kawat coil dialiri arus listrik, maka arah arusnya ditunjukkan sesuai dengan empat jari tangan kanan, sedangkan kutub magnet yang dihasilkan ditunjukkan dengan ibu jari untuk arah kutub utara dan kutub selatan arah lainnya.

Gambar 7. Hukum tangan kanan.

Untuk menguatkan medan magnet yang dihasilkan pada gulungan dipasangkan inti besi dari bahan ferromagnet, sehingga garis gaya elektromagnet menyatu. Aplikasinya dipakai pada coil kontaktor atau relay.

Prinsip-Prinsip Kemagnetan 
 
Garis Gaya Magnet - Pada sebuah magnet sebenarnya merupakan kumpulan jutaan magnet ukuran mikroskopik yang teratur satu dan lainnya. Kutub utara dan kutub selatan magnet posisinya teratur (lihat gambar 3). Secara keseluruhan kekuatan magnetnya menjadi besar. Logam besi bisa menjadi magnet secara permanen (tetap) atau bersifat megnet sementara dengan cara induksi elektromagnetik. Tetapi ada beberapa logam yang tidak bisa menjadi magnet, misalnya tembaga dan aluminium, dan logam tersebut dinamakan diamagnetik.

Bumi merupakan magnet alam raksasa, dapat dibuktikan dengan alat yang dinamakan kompas, dimana jarum penunjuk pada kompas akan menunjukkan arah utara dan selatan bumi kita, seperti diperlihatkan pada gambar 1. Karena sekeliling bumi sebenarnya dilingkupi garis gaya magnet yang tidak tampak oleh mata kita tapi bisa diamati dengan kompas keberadaannya.

Gambar 1. Pola garis medan magnet permanen.

Batang magnet memancarkan garis gaya magnet yang melingkupi dengan arah dari utara ke selatan. Pembuktian sederhana dilakukan dengan menempatkan batang magnet diatas selembar kertas, kemudian diatas kertas tersebut ditaburkan serbuk halus besi secara merata, yang terjadi adalah bentuk garis-garis dengan pola melengkung oval diujung-ujung kutub. Ujung kutub utara-selatan muncul pola garis gaya yang kuat. Daerah netral pola garis gaya magnetnya lemah.

Bagian netral magnet artinya tidak memiliki kekuatan magnet. Untuk membuktikan bahwa daerah netral tidak memiliki kekuatan magnet. Ambil beberapa sekrup besi, amatilah tampak sekrup besi akan menempel baik diujung kutub utara maupun ujung kutub selatan. Daerah netral dibagian tengah sekrup tidak akan menempel sama sekali, dan sekrup akan terjatuh.

Gambar 2. Daerah netral pada magnet permanen.

Mengapa besi biasa berbeda logam magnet ? Pada besi biasa sebenarnya terdapat kumpulan magnet-magnet dalam ukuran mikroskopik, tetapi posisi masing-masing magnet tidak beraturan satu dengan lainnya sehingga saling menghilangkan sifat kemagnetannya, lihat gambar 3.

Gambar 3. Perbedaan besi biasa dan magnet permanen.

Arah garis gaya magnet dengan pola garis melengkung mengalir dari arah kutub utara menuju kutub selatan. Didalam batang magnet sendiri garis gaya mengalir sebaliknya, yaitu dari kutub selatan ke kutub utara. Didaerah netral tidak ada garis gaya diluar batang magnet. Pembuktian secara visual garis gaya magnet untuk sifat tarik menarik pada kutub berbeda dan sifat tolak-menolak pada kutub sejenis dengan menggunakan magnet dan serbuk halus besi, gambar 4. Tampak jelas kutub sejenis utara-utara garis gaya saling menolak satu dan lainnya. Pada kutub yang berbeda utara-selatan, garis gaya magnet memiliki pola tarik menarik. Sifat saling tarik menarik dan tolak menolak magnet menjadi dasar bekerjanya motor listrik.

Gambar 4a. Pola garis medan magnet tolak-menolak dan 4b. pola garis medan magnet tarik-menarik.

Gambar 5. Garis medan magnet Utara-Selatan.

Untuk mendapatkan garis gaya magnet yang merata disetiap titik permukaan maka ada dua bentuk yang mendasari rancangan mesin listrik. Bentuk datar (flat) akan menghasilkan garis gaya merata setiap titik permukaannya. Bentuk melingkar (radial), juga menghasilkan garis gaya yang merata setiap titik permukaannya.

Gmbar 6. Garis gaya magnet pada permukaan rata dan silinder.