WATTMETER.docx

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”  Nama : Siti Masitoh  NPM : 140310100033 140310100033 WATTMETER

Wattmeter adalah instrumen pengukur daya listrik yang pembacaannya dalam satuan watt di mana merupakan kombinasi voltmeter dan amperemeter. Wattmeter digunakan untuk mengukur daya listrik searah (DC) maupun bolak-balik (AC). Ada 3 tipe Wattmeter yaitu Elektrodinamometer, Induksi dan Thermokopel. Namun yang paling banyak digunakan adalah wattmeter elektrodinamik atau elektrodinamometer, karena sesuai dengan karakteristiknya. 1. Tipe-tipe Wattmeter, Wattmeter, antara lain :

1.1 Wattmeter Elektrodinamometer Wattmeter tipe elektrodinamometer terdiri dari satu pasang kumparan yaitu kumparan yang tetap disebut kumparan arus dan kumparan yang berputar disebut dengan kumparan tegangan, sedangkan alat penunjuknya akan berputar melalui suatu sudut, yang berbanding lurus dengan hasil perkalian pada arus-arus yang melalui kumparan-kumparan tersebut. 1.2 Wattmeter Induksi Alat ukur tipe induksi mempunyai pula sepasang kumparan-kumparan yang  bebas satu dan lainnya, seperti s eperti alat ukur wattmeter elektrodinamometer. Susunan ini menghasilkan momen yang berbanding lurus dengan hasil kali dari arus-arus yang melalui kumparan-kumparan tersebut, dengan demikian dapat pula dipergunakan sebagai alat pengukur watt. Untuk memungkinkan hal ini F1 dalam gambar ini didapat dari arus beban I dan F2 dari tegangan beban V. Perlu diperhatikan bahwa F2 akan mempunyai sudut fasa sebesar 90° terlambat terhadap V. Hubungan antara fasa-fasa diperlihatkan dalam gambar 4-8, dan menurut persamaan di dapat :

Gambar 1.1 Diagram vektor wattmeter jenis elektrodinamometer dan Diagram vektor wattmeter  jenis induksi

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” 1.3 Wattmeter Thermokopel Alat pengukur watt tipe thermokopel merupakan contoh dari suatu alat  pengukur yang dilengkapi dengan sirkuit perkalian yang khusus. Konfigurasi alat ukur ini diperlihatkan dalam gambar 4-9. Bila arus-arus berbanding lurus terhadap tegangannya, dan arus beban dinyatakan sebagai maka akan didapatkan :

Gambar 1.2 Prinsip wattmeter jenis thermokopel

2. Prinsip Dasar Wattmeter Eletrodinamik atau Elektrodinamometer

Instrumen ini cukup familiar dalam desain dan konstruksi elektrodinamometer tipe ammeter dan voltmeter analog. Kedua koilnya dihubungkan dengan sirkuit yang  berbeda dalam pengukuran power. Koil yang tetap atau field coil dihubungkan secara seri dengan rangkaian, koil bergerak dihubungkan paralel dengan tegangan dan membawa arus yang proporsional dengan tegangan. Sebuah tahanan non-induktif dihubungkan secara seri dengan koil bergerak supaya dapat membatasi arus menuju nilai yang kecil. Karena koil bergerak membawa arus proposional dengan tegangan maka disebut pressure coil atau voltage coil dari wattmeter.

Gambar 2.1 rangkaian Wattmeter

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”

Gambar 2.2 Konektivitas wattmeter

Pada wattmeter dapat terjadi error, antara lain : 1. Error pada akibat hubungan berbeda. 2. Error akibat induktansi kumparan tegangan. 3. Error akibat kapasistansi pada rangkain kumparan tegangan. 4. Error karena medan liar. 5. Error karena arus Eddy.

2.1 Wattmeter Satu Fasa

Elektrodinamometer dipakai secara luas dalam pengukuran daya, dan dapat dipakai untuk menunjukkan daya searah (DC) maupun daya bolak-balik (AC) untuk setiap bentuk gelombang tegangan dan arus dan tidak terbatas pada gelombang sinus saja. Elektrodinamometer yang digunakan sebagai voltmeter atau kumparankumparan yang diam dihubungkan seri dengan tahanan penbatas arus dan membawa arus kecil (IP). Arus sesaat didalam kumparan yang berputar adalah IP = e/RP dimana e adalah tegangan sesaat pada jala-jala dan RP adalah tahanan total, kumparan berputar beserta tahanan serinya.

Gambar 2.3 Wattmeter satu fasa

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” Defleksi kumparan putar sebanding dengan perkalian IC dan IP dan untuk defleksi rata-rata selama satu perioda dapat dituliskan :

Dimana : rata-rata = defleksi sudut rata-rata kumparan K

= konstanta instrumen

IC

= arus seasaat dalam kumparan medan

IP

= arus sesaat di dalam kumparan-kumparan potensial

Dengan menganggap sementara Ic sama dengan arus beban I (secara aktual : Ic = Ip + I); dan menggunakan nilai Ip = e/Rp; maka didapatkan :

Menurut definisi, daya rata-rata didalam suatu rangkaian adalah :

Elektrodinamometer yang dihubungkan dalam konfigurasi gambar 2.3 mempunyai defleksi yang sebanding dengan daya rata-rata. Jika f dan I adalah besaran sinus dengan bentuk e = Em sin (wt) dan I = Im sin (wt + f ) maka persamaan (*) berubah menjadi :

dimana E dan I menyatakan nilai - nilai rms tegangan dan arus f menyatakan sudut fasa antara tegangan dan arus. Wattmeter

elektrodinamometer

membutuhkan

sejumlah

daya

untuk

mempertahankan medan magnetnya, tetapi ini biasanya begitu kecil dibandingkan daya beban sehingga dapat diabaikan, Jika diperlukan pembacaan daya yang tepat, kumparan arus harus persis membawa arus beban, dan kumparan potensial harus dihubungkan diantara terminal beban. Dengan menghubungkan kumparan potensial ke titik A, tegangan beban terukur dengan tepat. Tetapi arus yang melalui kumparan-kumparan medan lebih besar sebanyak IP. Berarti wattneter membaca lebih tinggi sebesar kehilangan daya daya tambahan didalam rangkaian potensial. Tetapi, jika rangkaian potensial dihubungkan ke titik B, kumparan medan mencatat arus yang tepat, tetapi tegangan pada kumparan potensial akan lebih besar sebanyak penurunan tegangan pada kumparan-

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” kumparan medan. Juga wattmeter akan mencatat lebih tinggi, tetapi dengan kehilangan sebesar I.R di dalam kumparan medan. Cara penyambungan yang tepat tergantung pada situasi. Umumnya, sambungan kumparan potensial pada titik A lebih diinginkan untuk beban-beban arus tinggi, tegangan rendah, sedang sambungan kumparan potensial pada titik B lebih diinginkan untuk beban-beban arus rendah, dan te gangan tinggi. Kesulitan dalam menempatkan sambungan kumparan potensi diatasi dengan wattmeter yang terkompensasi. Kumparan arus terdiri dari dua kumparan, masingmasing mempunyai jumlah lilitan yang sama. Salah satu kumparan menggunakan kawat besaran yang membawa arus beban ditambah arus untuk kumparan potensial. Gulungan lain menggunakan kawat kecil (tipis) dan hanya membawa arus ke kumparan tegangan. Tetapi arus ini berlawanan dengan arus didalam gulungan besar, menyebabkan fluks yang berlawanan dengan fluks utama. Berarti efek I dihilangkan dan wattmeter menunjukkan daya yang sesuai. 2.2 Wattmeter Banyak Fasa

Pengukuran daya dalam suatu sistem fasa banyak, memerlukan pemakaian dua atau lebih wattmeter. Kemudian daya nyata total diperoleh dengan menjumlahkan  pembacaan masing-masing wattmeter secara aljabar. Teorema Blondel menyatakan  bahwa daya nyata dapat diukur dengan mengurangi satu elemen wattmeter dan sejumlah kawat-kawat dalam setiap fasa banyak, dengan persyaratan bahwa satu kawat dapat dibuat common terhadap semua rangkaian potensial. Gambar 4-4 menunjukkan sambungan dua wattmeter untuk pengukuran konsumsi daya oleh sebuah beban tiga fasa yang setimbang yang dihubungkan secara delta. Kumparan arus wattmeter 1 dihubungkan dalam jaringan A, dan kumparan tegangan dihubungkan antara (jala-jala, line) A dan C. Kumparan arus wattmeter 2 dihubungkan dalam jaringan B , dan kumparan tegangannya antara jaringan B dan C. Daya total yang dipakai oleh beban setimbang tiga fasa sama dengan penjumlahan aljabar dari kedua pembacaan wattmeter. Diagram fasor gambar 4-5 menunjukkan tegangan tiga fasa VAC, VCB, VBA dan arus tiga fasa IAC, ICB dan IBA. Beban yang dihubungkan secara delta dan dihubungkan secara induktif dan arus fasa ketinggalan dari tegangan fasa sebesar sudut.

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”

Gambar 2.4 Konfigurasi Wattmeter

Kumparan arus wattmeter 1 membawa arus antara IA’A yang merupakan  penjumlahan vector dan arus-arus fasa IAC dan IAB. Kumparan potensial wattmeter 1 dihubungkan ke tegangan antara VAC. Dengan cara sama kumparan arus wattmeter 2 membawa arus antara I B’B yang merupakan penjumlahan vektor dari arus-arus fasa IBA dan IAC, sedang tegangan pada kumparan tegangannya adalah tegangan antara VBC. Karena beban adalah setimbang, tegangan fasa dan arus-arus fasa sama besarnya dan dituliskan :

Daya dinyatakan oleh arus dan tegangan masing-masing wattmeter adalah: W1 = VAC. IAA Cos (30°- θ) = V I Cos (30°- θ) W2 = VBC. IBB Cos (30° + θ) = V I Cos (30° + θ) Dan W1 + W2 = V I Cos (30°- θ) + V I Cos (30° + θ) = V I[(Cos 30°.Cos θ + Sin 30°.Sin θ) + (Cos 30°.Cos θ - Sin 30°.Sin θ)] = 3 V I Cos θ Persamaan diatas merupakan besarnya daya total dalam sebuah rangkaian tiga fasa, dan karena itu kedua wattmeter pada gambar secara tepat mengukur daya total tersebut. Dapat ditunjukkan bahwa penjumlahan aljabar dari pembacaan kedua wattmeter akan memberikan nilai daya yang benar untuk setiap kondisi yang tidak setimbang. Jika kawat netral dari system tiga fasa juga tersedia seperti halnya pada  beban yang tersambung dalam hubungan bintang 4 kawat, sesuai dengan teorema Blondel, diperlukan tiga wattmeter untuk melakukan daya nyata total.

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”

Gambar 2.5 Diagram fasor tegangan tiga fasa VAC, VCB, VBA dan arus tiga fasa IAC, ICB dan IBA.

3. Cara Pengukuran 3.1 Wattmeter Satu Fasa

Ada beberapa cara Pengukuran Daya Satu Fasa, antara lain : 3.1.1 Dengan menggunakan Wattmeter Suatu Wattmeter satu fasa dapat langsung mengukur daya yang diserap  beban, karena semua besaran arus dan Cos

 

sydah tercakup di dalamnya.

Rangkaian pengkuran dengan Wattmeter satu fasa dapat dilihat pada gambar dengan daya yang diukur adalah : P = E I Cos



Gambar 3.1 Rangkaian pengukuran daya bolak-balik satu fasa dengan watt meter.

Kesalahan pada Wattmeter satu fasa antara lain adalah disebabkan oleh sifat induktif kumparan tegangan. Hal ini menyebabkan arus yang mengalir pada kumparan tegangan tidak sefasa dengan tegangan yang diukur.

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” 3.1.2 Metoda 3 Voltmeter dan 3 Amperemeter Pengukuran satu fasa dapat dilakukan memakai 3 Voltmeter (lihat gambar 8) dari diagram vector didapat : V1 = V2 + V3 + 2V2 + V3 Cos  Karena itu daya pada beban dapat dihitung dengan rumus : 2

PL =

V 3

 V 22  V 12 2 R

Gambar3.2 Pengukuran daya 1 fasa dengan 3 voltmeter dan diagram vektor metoda 3 amperemeter.

3.1.3 Pengukuran daya satu fasa dapat juga dilakukan dengan menggunakan 3 Amperemeter.

Gambar 3.3 Pengukuran daya 1 fasa dengan 3 amperemeter dan diagram vektor.

Dari diagram vector didapat : I 1 = I2 +I3 + 2 I2 + I3 Cos  Dan daya yang dapat dihitung dengan rumus : PL =

 R

2

( I  23 I 22  I 12 )

3.2 Wattmeter Tiga Fasa Pengukuran daya listrik AC tiga phasa adalah pengukuran daya yang dilakukan untuk rangkaian listrik AC tiga phasa. Pengukuran daya listrik 3 phasa dapat dilakukan dengan berbagai macam cara atau metoda sesuai dengan alat ukur yang digunakan diantaranya :

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” 1. Menggunakan satu wattmeter satu phasa Suatu metode pengukuran daya yang hanya menggunkan 1 wattmeter satu  pasa, pengukuran hanya dilakukan pada salah satu pasanya. Kedua pasa yang lainnya tidak diukur. Diagram rangkaiannya seperti pada di gambar di bawah ini :

Gambar 3.4 Pengukuran daya menggunakan satu Wattmeter satu fasa

Metode ini digunakan untuk pengukuran daya beban 3 pasa seimbang, seperti motor listrik tiga pasa. Pengukuran tidak harus pada seluruh pasanya. Besar daya pasa sama dengan besar penunjukkan wattmeter. Sedang besar daya total beban tiga kali besar penunjukkan wattmeter. 2. Menggunakan dua wattmeter satu phasa Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 2 wattmeter satu pasa,  pengukurannya dilakukan pada jaringan. Kedua pasa yang lainnya tidiukur. Diagram rangkaiannya seperti gambar dibawah ini:

Gambar 3.5 Pengukuran daya menggunakan dua Wattmeter satu fasa

Metode dengan menggunakan dua wattmeter satu pasa digunakan untuk mengukur daya total dari beban, daya setiap pasanya tidak diketahui. Disamping itu arus dan tegangan yang terukur adalah arusa dan tegangan jaringan. Besar daya total merupakan penjumlahan kedua wattmeter. Metode ini digunakan

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” untuk pengukuran daya beban 3 pasa secara umum. Besar daya setiap pasa tidak terbaca. 3. Menggunakan tiga wattmeter satu phasa Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 3 wattmeter satu pasa. Pengukuran dilakuakan pada setiap pasa. Diagram rangkaiannya seperti gambar di bawah ini:

Gambar 3.6 Pengukuran daya menggunakan tiga Wattmeter satu fasa

Metode ini digunakan untuk pengukuran daya beban tiga pasa secara umum. Besar daya setiap pasa dapat diketahui yaitu sebesar penunjukkan masing  –   masing wattmeter. Dapat diketahui perbedaan pembebanan setiap  pasanya. Metode pengukuran daya yang menggunakan 3 wattmeter satu pasa,  juga dapat dilakukan seperti gambar dibawah ini. Besar daya setiap pasa dapat diketahui yaitu sebesar penunjukkan masing  –   masing wattmeter. Dapat diketahui perbedaan pembebanan setiap pasanya. 4. Menggunakan satu wattmeter tiga phasa Suatu metode pengukuran daya yang menggunakan 1 wattmeter tiga pasa,  pengukuran dilakukan sekaligus ketiga pasanya. Kedua pasa yang lainnya tidak diukur. Diagram rangkaiannya seperti gambar berikut ini.

Gambar 3.7 Pengukuran daya menggunakan satu Wattmeter tiga fasa

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” 4. Aplikasi Wattmeter pada alat KWh

Elemen alat ukur watt jam satu fasa ditunjukkan pada gambar dibawah dalam  bentuk skema. Kumparan arus dihubungkan seri dengan jala-jala, dan kumparan tegangan dihubungkan paralel. Kedua kumparan yang dililitkan pada sebuah kerangka logam dengan desain khusus melengkapi dua rangkaian maghnit. Sebuah piringan aluminium ringan digantung di dalam senjang udara medan kumparan arus yang menyebabkan arus pusar mengalir di dalam piringan. Reaksi arus pusar dan medan kumparan tegangan membangkitkan sebuah torsi (aksi motor) terhadap piringan dan menyebabkannya berputar.

Gambar 4.1 Konstruksi Watt Jam (KWH) Meter

Torsi yang dibangkitkan sebanding dengan kuat medan kumparan tegangan dan arus pusar di dalam piringan yang berturut-turut adalah fungsi kuat medan kumparan arus. Berarti jumlah putaran piringan sebanding dengan energi yang telah dipakai oleh  beban dalam selang waktu tertentu, dan diukur dalam kilowatt-jam (kWh, kilowatt jam). Poros yang menopang piringan aluminium dihubungkan melalui susunan roda gigi ke mekanisme jam dipanel alat ukur, melengkapi suatu pembacaan kWh yang terkalibrasi dalam desimal. Redaman piringan diberikan oleh dua maghnit permanen kecil yang ditempatkan saling berhadapan pada sisi piringan. Bila piringan berputar, maghnitmaghnit permanen mengindusir arus pusar di dalamnya. Arus-arus pusar ini bereaksi dengan medan maghnit dari maghnit-maghnit permanen kecil dan meredam gerakan  piringan. Kalibrasi alat ukur watt jam dilakukan pada kondisi beban penuh yang diijinkan dan pada kondisi 10% dari beban yang diijinkan. Pada beban penuh, kalibrasi terdiri dari pengaturan posisi maghnit-maghnit  permanent kecil agar alat ukur membaca dengan tepat. Pada beban-beban yang sangat ringan, komponen tegangan dari medan menghasilkan suatu torsi yang tidak berbanding langsung dengan beban. Kompensasi kesalahan diperoleh dengan menyisipkan sebuah

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” kumparan pelindung atau pelat diatas sebagian kumparan tegangan dengan membuat alat ukur bekerja pada 10% beban yang diijinkan. Kalibrasi alat ukur pada kedua posisi ini  biasanya menghasilkan pembacaan yang memuaskan untuk semua bebanbeban lainnya. Sebuah alat ukur watt jam satu fasa ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4.2 Bagian Mekanik KWH Meter Tipe Induksi Dan Elektromekanik

Keterangan : Kumparan tegangan, yang dihubungkan paralel dengan beban Kumparan arus, dihubungkan seri dengan beban Stator Piringan Aluminium Rotor Rotor brake magnets Spindle dengan worm gear Display dial : 1/10, 10 dan 1000 , 1, 100 dan 10000.dials berputar searah jarum jam. Meter induksi elektromekanik beroperasi dengan menghitung putaran dari cakram aluminium yang dibuat berputar dengan kecepatan proporsional dengan power yang digunakan. Alat ini mengkonsumsi power yang kecil sekitar 2 watts. Cakram metalik  bekerja dengan dua kumparan. Kumparan satu disambungkan dengan sebuah benda yang menghasilkan flux magnetik yang proporsional dengan tegangan dan kumparan kedua disambungkan dengan benda yang menghasilkan flux magnetik yang proporsional dengan arus. Keadaan ini menghasilkan eddy currents di cakram dan efeknya adalah gaya yang digunakan dalam cakram proporsional dengan hasil arus dan tegangan. Magnet  permanen menggunakan gaya berlawanan yang proporsional dengan kecepatan rotasi cakram, hal ini menyebabkan sebuah pengereman yang menyebabkan cakram berhenti  berputar. Tipe meter yg didiskripsikan di atas digunakan pada AC fasa tunggal. Perbedaan konfigurasi antara fasa tunggal dan tiga fasa adalah terletak adanya tambahan kumparan tegangan dan arus.

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran”

Gambar 4.3 Meter induksi elektromekanik, 100 A 230/400 V. Cakram baling-baling aluminium horisontal merupakan pusat meter

Pengukuran energi dalam sistem tiga fasa dilakukan oleh alat ukur watt jam fasa  banyak. Kumparan arus dan kumparan tegangan dihubungkan dengan cara yang sama seperti wattmeter tiga fasa. Masing-masing fasa alat ukur watt jam mempunyai rangkaian maghnetik dan piringan tersendiri, tetapi semua piringan dijumlahkan secara mekanis dan  putaran total permenit dari poros sebanding dengan energi total tiga fasa yang dipakai.

Paper Mata Kuliah “Instrumentasi dan Pengukuran” DAFTAR PUSTAKA

http://elektronika-dasar.com/instrument/prinsip-kerja-wattmeter-elektrodinamometer/ http://elektronika-dasar.com/instrument/wattmeter-1-satu-fasa/ http://dc312.4shared.com/doc/XDTA_ebm/preview.html http://indriezone.blogspot.com/2009/06/bab-iv-wattmeter.html