Sistem Tenaga Satu Fasa

Diagram skema sistem daya satu fasa menunjukkan sedikit tentang pengkabelan sirkuit daya praktis.

Digambarkan di atas, adalah rangkaian AC yang sangat sederhana. Jika disipasi daya resistor beban cukup besar, kita dapat menyebutnya sebagai "rangkaian daya" atau "sistem daya" daripada menganggapnya sebagai rangkaian biasa.

Perbedaan antara "sirkuit daya" dan "sirkuit biasa" mungkin tampak sewenang-wenang, tetapi masalah praktisnya jelas tidak.

Analisis Rangkaian Praktis

Salah satu perhatian tersebut adalah ukuran dan biaya pemasangan kabel yang diperlukan untuk menyalurkan daya dari sumber AC ke beban. Biasanya, kita tidak terlalu memikirkan masalah seperti ini jika kita hanya menganalisis rangkaian demi mempelajari hukum kelistrikan.

Namun, di dunia nyata, itu bisa menjadi perhatian utama. Jika kita memberikan sumber pada rangkaian di atas nilai tegangan dan juga memberikan nilai disipasi daya ke dua resistor beban, kita dapat menentukan kebutuhan pengkabelan untuk rangkaian khusus ini:

Secara praktis, pengkabelan untuk beban 20 kW pada 120 Vac cukup besar (167 A).

83,33 amp untuk setiap resistor beban pada gambar di atas menambahkan hingga 166,66 amp arus rangkaian total. Ini bukan jumlah arus yang kecil dan akan membutuhkan konduktor kawat tembaga dengan ukuran minimal 1/0 gauge.

Kawat tersebut berdiameter lebih dari 1/4 inci (6 mm), dengan berat lebih dari 300 pon per seribu kaki. Ingatlah bahwa tembaga juga tidak murah! Akan menjadi kepentingan terbaik kami untuk menemukan cara untuk meminimalkan biaya tersebut jika kami merancang sistem tenaga dengan panjang konduktor yang panjang.

Salah satu cara untuk melakukannya adalah dengan meningkatkan tegangan sumber daya dan menggunakan beban yang dibuat untuk menghilangkan masing-masing 10 kW pada tegangan yang lebih tinggi ini.

Beban, tentu saja, harus memiliki nilai resistansi yang lebih besar untuk menghilangkan daya yang sama seperti sebelumnya (masing-masing 10 kW) pada tegangan yang lebih besar dari sebelumnya.

Keuntungannya adalah arus yang dibutuhkan lebih sedikit, memungkinkan penggunaan kabel yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih murah:

Beban 10 kW yang sama pada 240 Vac membutuhkan kabel yang lebih sedikit daripada pada 120 Vac (83 A).

Sekarang total . kami arus sirkuit adalah 83,33 amp, setengah dari sebelumnya.

Kita sekarang dapat menggunakan kawat pengukur nomor 4, yang beratnya kurang dari setengah dari apa yang dilakukan kawat pengukur 1/0 per satuan panjang. Ini adalah pengurangan yang cukup besar dalam biaya sistem tanpa penurunan kinerja.

Inilah sebabnya mengapa perancang sistem distribusi daya memilih untuk mentransmisikan daya listrik menggunakan voltase sangat tinggi (ribuan volt):untuk memanfaatkan penghematan yang diwujudkan dengan penggunaan kabel yang lebih kecil, lebih ringan, dan lebih murah.

Bahaya Meningkatkan Tegangan Sumber

Namun, solusi ini bukan tanpa kerugian. Masalah praktis lainnya dengan sirkuit daya adalah bahaya sengatan listrik dari tegangan tinggi.

Sekali lagi, ini biasanya bukan hal yang kita fokuskan saat belajar tentang hukum kelistrikan, tetapi ini adalah masalah yang sangat valid di dunia nyata, terutama ketika sejumlah besar daya sedang ditangani.

Peningkatan efisiensi yang diwujudkan dengan meningkatkan tegangan rangkaian memberi kita peningkatan bahaya sengatan listrik. Perusahaan distribusi tenaga listrik mengatasi masalah ini dengan memasang kabel listrik mereka di sepanjang tiang atau menara tinggi dan mengisolasi saluran dari struktur pendukung dengan isolator porselen besar.

Pada titik penggunaan (pelanggan tenaga listrik), masih ada masalah voltase apa yang digunakan untuk memberi daya pada beban.

Tegangan tinggi memberikan efisiensi sistem yang lebih besar melalui pengurangan arus konduktor, tetapi mungkin tidak selalu praktis untuk menjauhkan kabel listrik dari jangkauan pada titik penggunaan dengan cara menaikkannya di luar jangkauan dalam sistem distribusi.

Pertukaran antara efisiensi dan bahaya ini adalah salah satu yang telah diputuskan oleh perancang sistem tenaga Eropa, semua rumah tangga dan peralatan mereka beroperasi pada tegangan nominal 240 volt, bukan 120 volt seperti di Amerika Utara.

Itulah sebabnya wisatawan dari Amerika yang mengunjungi Eropa harus membawa trafo step-down kecil untuk peralatan portabel mereka, untuk menurunkan daya 240 VAC (volt AC) ke 120 VAC yang lebih sesuai.

Solusi untuk Pengiriman Tegangan ke Konsumen

Transformator Step-down di Titik Akhir penggunaan Daya

Apakah ada cara untuk menyadari keuntungan dari peningkatan efisiensi dan pengurangan bahaya keselamatan secara bersamaan?

Salah satu solusinya adalah memasang trafo step-down di titik akhir penggunaan daya, seperti yang harus dilakukan turis Amerika saat berada di Eropa.

Namun, ini akan mahal dan tidak nyaman untuk apa pun kecuali beban yang sangat kecil (di mana transformator dapat dibangun dengan murah) atau beban yang sangat besar (di mana biaya kabel tembaga tebal akan melebihi biaya transformator).

Dua Beban Tegangan Rendah dalam Seri

Solusi alternatif adalah dengan menggunakan suplai tegangan tinggi untuk menyediakan daya ke dua beban bertegangan lebih rendah secara seri. Pendekatan ini menggabungkan efisiensi sistem tegangan tinggi dengan keamanan sistem tegangan rendah:

Seri terhubung beban 120 Vac, digerakkan oleh sumber 240 Vac pada arus total 83,3 A.

Perhatikan tanda polaritas (+ dan -) untuk setiap tegangan yang ditampilkan, serta panah searah untuk arus.

Untuk sebagian besar, saya menghindari pelabelan "polaritas" di sirkuit AC yang telah kami analisis, meskipun notasi tersebut valid untuk memberikan kerangka acuan untuk fase.

Di bagian selanjutnya dari bab ini, hubungan fase akan menjadi sangat penting, jadi saya memperkenalkan notasi ini di awal bab agar Anda terbiasa.

Arus yang melalui setiap beban sama seperti pada rangkaian sederhana 120 volt, tetapi arusnya tidak aditif karena beban-bebannya seri dan bukan paralel.

Tegangan pada setiap beban hanya 120 volt, bukan 240, jadi faktor keamanannya lebih baik. Ingat, kami masih memiliki 240 volt penuh di seluruh kabel sistem daya, tetapi setiap beban beroperasi pada tegangan yang dikurangi.

Jika ada orang yang akan tersengat, kemungkinan besar akan terjadi karena kontak dengan konduktor beban tertentu, bukan dari kontak di kabel utama sistem tenaga.

Modifikasi pada Desain Seri Dua Beban

Hanya ada satu kelemahan dari desain ini:konsekuensi dari satu beban gagal terbuka, atau dimatikan (dengan asumsi setiap beban memiliki sakelar hidup/mati seri untuk menghentikan arus) tidak baik.

Menjadi rangkaian seri, jika salah satu beban dibuka, arus akan berhenti di beban lain juga. Untuk alasan ini, kita perlu sedikit memodifikasi desain:(Gambar di bawah)

Penambahan konduktor netral memungkinkan beban digerakkan secara individual.

Sistem Tenaga Fase Terpisah

Alih-alih catu daya 240 volt tunggal, kami menggunakan dua catu daya 120 volt (dalam fase satu sama lain!) secara seri untuk menghasilkan 240 volt, kemudian jalankan kabel ketiga ke titik koneksi antara beban untuk menangani kemungkinan satu beban pembukaan.

Ini disebut fase-terpisah sistem tenaga. Tiga kabel yang lebih kecil masih lebih murah daripada dua kabel yang dibutuhkan dengan desain paralel yang sederhana, jadi kami masih unggul dalam hal efisiensi.

Pengamat yang cerdik akan memperhatikan bahwa kabel netral hanya membawa perbedaan arus antara dua beban kembali ke sumbernya.

Dalam kasus di atas, dengan beban “seimbang” sempurna yang mengonsumsi daya dalam jumlah yang sama, kabel netral membawa arus nol.

Perhatikan bagaimana kabel netral terhubung ke arde di ujung catu daya. Ini adalah fitur umum dalam sistem daya yang berisi kabel "netral", karena mengardekan kabel netral memastikan tegangan seminimal mungkin pada waktu tertentu antara kabel "panas" dan pembumian.

Komponen penting dari sistem tenaga split-fase adalah sumber tegangan AC ganda. Untungnya, merancang dan membangunnya tidaklah sulit.

Karena sebagian besar sistem AC menerima daya dari transformator penurun tegangan (menaikkan tegangan dari tingkat distribusi tinggi ke tegangan tingkat pengguna seperti 120 atau 240), transformator tersebut dapat dibangun dengan belitan sekunder yang disadap di tengah:

Daya 120/240 Vac Amerika berasal dari transformator utilitas yang disadap di tengah.

Jika daya AC datang langsung dari generator (alternator), kumparan dapat disadap tengah untuk efek yang sama. Biaya tambahan untuk menyertakan koneksi center-tap pada belitan transformator atau alternator minimal.

Di sinilah tanda polaritas (+) dan (-) benar-benar menjadi penting. Notasi ini sering digunakan untuk merujuk pentahapan banyak Sumber tegangan AC, jadi jelas apakah keduanya saling membantu ("meningkatkan") atau berlawanan ("mengguncang") satu sama lain.

Jika bukan karena tanda polaritas ini, hubungan fase antara beberapa sumber AC mungkin sangat membingungkan. Perhatikan bahwa sumber fase-split dalam skema (masing-masing 120 volt 0°), dengan tanda polaritas (+) hingga (-) seperti baterai bantu seri dapat direpresentasikan sebagai berikut:(Gambar di bawah)

Sumber Vac fase terpisah 120/240 setara dengan dua seri yang membantu sumber 120 Vac.

Untuk menghitung tegangan antara kabel "panas" secara matematis, kita harus mengurangi tegangan, karena tanda polaritasnya menunjukkan bahwa mereka berlawanan satu sama lain:

Jika kita menandai titik sambungan umum dua sumber (kabel netral) dengan tanda polaritas yang sama (-), kita harus menyatakan pergeseran fasa relatifnya sebagai jarak 180°. Jika tidak, kita akan menunjukkan dua sumber tegangan yang berlawanan satu sama lain, yang akan memberikan 0 volt di antara dua konduktor "panas".

Mengapa saya meluangkan waktu untuk menguraikan tanda polaritas dan sudut fase? Ini akan lebih masuk akal di bagian selanjutnya!

Sistem tenaga di rumah tangga Amerika dan industri ringan paling sering dari berbagai fase split, menyediakan apa yang disebut daya 120/240 VAC. Istilah "fase-terpisah" hanya mengacu pada suplai tegangan-terpisah dalam sistem seperti itu.

Dalam pengertian yang lebih umum, catu daya AC semacam ini disebut fase tunggal karena kedua bentuk gelombang tegangan sefase, atau selangkah, satu sama lain.

Istilah "fase tunggal" adalah kebalikan dari jenis sistem tenaga lain yang disebut "polifase" yang akan kita selidiki secara rinci. Mohon maaf atas pengantar panjang yang mengarah ke judul-topik bab ini.

Keuntungan dari sistem tenaga polifase lebih jelas jika yang pertama memiliki pemahaman yang baik tentang sistem satu fasa.

TINJAUAN:

• Satu fase sistem tenaga ditentukan dengan memiliki sumber AC dengan hanya satu bentuk gelombang tegangan.
• Sebuah fase-terpisah sistem tenaga adalah satu dengan beberapa sumber tegangan AC (dalam fase) yang dihubungkan secara seri, memberikan daya ke beban pada lebih dari satu tegangan, dengan lebih dari dua kabel. Mereka digunakan terutama untuk mencapai keseimbangan antara efisiensi sistem (arus konduktor rendah) dan keselamatan (tegangan beban rendah).
• Sumber AC fase-terpisah dapat dengan mudah dibuat dengan menekan-tengah belitan kumparan transformator atau alternator.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sistem Tenaga Polifase