Wednesday 9 January 2013

Mengapa gelombang AC itu sinus?

Sebetulnya tidak fair kalau saya menggunakan istilah 'gelombang AC' (alternating current), karena yang akan dibicarakan bukan hanya arus (current), tetapi juga tegangan (voltage). Mungkin akan lebih tepat kalau menggunakan istilah 'gelombang bolak-balik'. Namun, istilah 'gelombang AC' dapat mewakili keduanya.

Gelombang AC memiliki banyak macam, berikut adalah beberapa contohnya:
Namun, ada pertanyaan yang muncul. Mengapa gelombang AC yang dipakai untuk sistem daya adalah gelombang sinus (sinusoida)? Bahkan, banyak engineer yang bersusah payah membuat filter agar square wave dapat ditransformasikan menjadi gelombang sinus. Mari kita cari tahu.
=====================================================================
Babak I : kebingungan pertama
Dulu, saat kuliah Rangkaian Listrik I, seorang dosen bertanya: Mengapa gelombang AC itu sinus? Apakah harus sinus? Saat itu kami sekelas hanya tersenyum (senyum bagi Engineer mungkin bisa diartikan sebagai 'tidak mengerti'). Kemudian dosen itu menjelaskan, hanya beberapa patah kata. Butuh beberapa lama untuk mengertinya, maklum kita-kita masih newbie di dunia itu.

Kata dosen tersebut, alasan gelombang AC itu sinus dikarenakan kita menggunakan mesin pembangkit listrik (generator) yang berputar dan bentuk mesinnya silindris. Ini bisa dipahami dengan gambar 1, kita menggambarnya saat SMU.
Gambar 1. Pembuatan Gelombang Sinus (Click untuk animasi)
Dengan menggunakan pendekatan gambar di atas, jelas pertanyaan di awal telah terjawab. Namun, saat saya menginjak semester 7, ada kuliah Penggunaan dan Pengendalian Mesin Elektrik. Di situ dikenalkan bahwa mesin listrik itu tidak hanya bergerak memutar (rotasional) seperti motor atau generator pada umumnya. Ada juga mesin listrik yang bergerak translasional, contohnya adalah kereta mengambang Maglev. Pertanyaan di atas kembali muncul, dan jawaban yang dulu saya yakini mulai goyah.
=====================================================================

Babak II : kebingungan kedua
Jika ada bandul seperti gambar 2 digerakkan secara translasional (naik turun), ini juga menimbulkan gelombang sinusoida. Jika bandul itu diganti magnet dan papan gambar sinus adalah lilitan, maka seharusnya akan muncul tegangan sinus juga. Gerakannya tidak rotasional dan mesinnya juga bukan silindris, namun gelombang yang dihasilkan adalah sinusoida. Pemahaman saya semakin lemah.

Gambar 2. Gelombang Sinusoida Gerakan Bandul

====================================================================

Babak III : Mencari solusi
Gelombang sinus seperti gambar-gambar di atas, biasanya disebut gelombang sinusoida. Tidak pernah dikatakan gelombang kosinusoida, karena gelombang kosinus adalah gelombang sinus yang digeser ke arah kiri sejauh 90 derajat seperti gambar 3.

Gambar 3. Gelombang sinus dan kosinus

 Mengapa gelombang daya (tegangan dan arus) adalah sinus? Jawabannya adalah:
1) Gelombang sinus adalah gelombang periodik
Mesin listrik, baik motor atau generator, baik yang gerakanannya rotasional atau bukan rotasional, selalu melakukan gerakan periodik. Dengan demikian sah-sah saja kalau gelombang daya berbentuk sinusoida.
Namun pertanyaan baru muncul, gelombang kotak dan gergaji itu juga periodik, mengapa gelombang daya tidak berbentuk gelombang kotak atau gergaji?
Jawabannya di point no 2.

2) Gelombang sinus adalah gelombang periodik yang paling dasar
Kalau kita belajar matematika teknik, kita akan mendapatkan materi Deret Fourier. Deret ini menyatakan bahwa semua gelombang periodik, dapat direpresentasikan oleh gelombang sinus dan kosinus yang jumlahnya tak terhingga, lihat gambar 4. Dikarenakan gelombang sinus dan kosinus memiliki karakteristik yang sama seperti gambar 3, maka inilah yang menjadi alasan mengapa gelombang daya berbentuk sinus, karena sinus adalah gelombang periodik yang paling dasar.

Gambar 4. Deret Fourier

Referensi:
http://www.rkm.com.au/ANIMATIONS/animation-sine-wave.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/waves/funhar.html
http://openbookproject.net/electricCircuits/AC/AC_1.html
http://openbookproject.net/electricCircuits/AC/AC_1.html
http://id.wikipedia.org/wiki/Gelombang_sinus
http://www.wikimatematica.org/index.php?title=Serie_de_Fourier_generalizada

Paiton, 9 Januari 2013. 19:11.

Wednesday 2 January 2013

Definisi Beban Listrik dan Beban Komposit

Terlebih dahulu saya ingin mengucapkan minta maaf kepada teman saya yang pernah tersakiti dengan pertanyaan:
Apa sih beban listrik itu?
Sebetulnya inilah yang menjadi pendorong untuk dituliskannya judul ini.
=====================================================================

Beban listrik dalam bahasa Inggris disebut sebagai Electrical Load, atau dalam teks berbahasa Inggris langsung disebut sebagai Load saja, dengan konteks langsung mengacu pada beban listrik.

Saat ditanyakan apakah yang disebut beban listrik?
Biasanya respon pertama adalah bingung, kita seperti tahu namun tidak dapat diungkapkan secara verbal. Tidak masalah kalau yang bertanya adalah teman sekampus, tapi kalau ditanyakan teman dari prguruan tinggi yang lain, saat test masuk menjadi Asisten Laboratorium, Test Beasiswa, Test Kerja, atau ujian akhir di depan dosen, efeknya akan berbeda.

Ada seorang dosen yang mengatakan beban itu mengacu pada arus. Saya menggunakan jawaban itu di forum formal, namun saya kurang sreg dengan definisi ini. Saya belum mendapat point of view nya. Jadi saya mencoba membuat definisi sendiri. Kalau saya ditanya tentang masalah ini, saya akan menjawab "beban listrik adalah suatu komponen yang membutuhkan energi listrik, tidak bisa menghasilkan". Dengan definisi ini maka beban listrik akan langsung mengacu pada motor, mixer, blender, rice cooker, lampu dan lain-lain. 

Perusahaan tempat saya bekerja menjual listrik ke jaringan 500 kV Jawa-Bali. Saat pertama kali masuk kerja, saya dengar banyak orang mengatakan "beban kita 610 MW". Pertanyaannya adalah "Saat kita memproduksi listrik, kenapa kita mengacu pada beban?". Hal ini mulai menggoyangkan pemahaman saya tentang Beban Listrik.

Tanggal 27 Desember 2012, definisi ini langsung rontok. Baru kali ini ada buku yang menjelaskan dengan gamblang arti Beban Listrik. Ternyata, definisi saya selama ini sangat sempit.

Definisi Beban Listrik. adalah:
  1. Suatu peralatan yang terkoneksi dengan sistem daya sehingga mengkonsumsi energi listrik
  2. Total daya aktif dan/atau reaktif yang dikonsumsi oleh suatu peralatan yang terkoneksi ke sistem daya
  3. Daya keluaran suatu sistem pembangkitan (power plant
  4. Bagian dari suatu sistem daya yang secara eksplisit tidak direpresentasikan model sistem, namun berlaku sebagai single power-consuming device.
Definisi 1,2, dan 3 sangat mudah dipahami. Namun definisi ke-4, saya merasa bingung. Butuh lebih dari 5 kali untuk memahaminya, semoga teman-teman tidak. Sialnya, definisi tersebut adalah yang sering digunakan dalam studi sistem daya. Bagi yang familiar dengan software ETAP, mungkin akan mudah memahami definisi ke-4. Bagi yang tidak familiar, termasuk saya, mari kita mendalaminya.

Sistem daya listrik terdiri dari sistem pembangkitan (besar), transmisi, sub transmisi dan distribusi. Sistem distribusi adalah sistem yang paling kompleks, karena selain memiliki jumlah node/bus/nodus/titik yang sangat banyak, sistem ini juga terdiri dari banyak komponen (pembangkit kecil, trafo penstabil tegangan, reaktor dan sebagainya). Untuk keperluan analisis, jelas hal ini sangat tidak efektif. Dengan demikian, biasanya sistem distribusi akan disederhanakan sebagai model beban tunggal.

Sistem distribusi yang terdiri dari banyak komponen, hanya dimodelkan oleh beban tunggal. Kalau dipikir, jelas hal ini mustahil. Pembangkit kecil dimodelkan sebagai beban adalah tidak masuk akal. Namun, pemodelan beban tunggal ini memberikan penyederhanaan dalam sistem analisis. Model beban tunggal ini mungkin dapat memberikan penjelasan tentang definisi beban ke-4. 

Analisis sistem daya biasanya hanya mencakup pembangkitan (besar), transmisi, dan sub transmisi dan pemodelan beban tunggal (dari sistem distribusi). Beban tunggal tersebut sering disebut sebagai beban komposit.

Paiton, 2 Jan 2012. 19:35.