TEKNOLOGI ELEKTRIK

DITERBITKAN, POLITEKNIK SULTAN HAJI AHMAD SHAH, KUANTAN Telefon: 09-5655300, Fax: 095663104

Hak cipta terpelihara. Tidak dibenarkan mengulang cetak mana-mana bahagian dalam buku ini sebelum mendapat izin bertulis daripada Politeknik Sultan Haji Ahmad Shah.

Cetakan Pertama 2022 Teknologi Elektrik

DICETAK OLEH, Pusat Percetakan SZ No 108 Jalan Teluk Sisek 25000 Kuantan, Pahang.

Perpustakaan Negara Malaysia Cataloguing-in-Publication Data Rospi Mat Husin, 1978TEKNOLOGI ELEKTRIK / ROSPI BIN MAT HUSIN, AZLI BIN OMAR. e ISBN 978-967-0778-99-0 1. Electric circuits.

2. Electrical engineering.

3. Government publications--Malaysia.

I. Azli Omar, 1978-.

II. Judul.

621.3192

PRAKATA Setinggi-tinggi syukur ke hadrat Allah SWT kerana dengan izin-Nya, Buku Teknologi Elektrik versi Bahasa melayu ini berjaya diterbitkan.

Buku ini diterbitkan sebagai panduan atau rujukan kepada semua pelajar yang mengambil bidang kejuruteraan peringkat Sijil atau Diploma di Institusi Pendidikan Tinggi Malaysia.

Demi menambah buku rujukan bidang kejuruteraan dalam Bahasa Melayu, maka dengan terbitnya buku ini ia dapat menjadi titik tolak kepada kami dan pensyarah lain untuk terus menulis buku-buku rujukan dalam bahasa kebangsaan ini Bagi pihak penulis, saya ingin merakamkan setinggi-tinggi penghargaan kepada semua pihak yang terlibat dalam menyiapakan buku ini. Semoga buku ini dapat dimanfaatkan dengan sebaik-baiknya oleh semua pelajar dan ahli akademik.

Sekian, terima kasih ROSPI BIN MAT HUSIN Ketua Editor

ii

ISI KANDUNGAN HAK CIPTA PRAKATA ISI KANDUNGAN PERNYATAAN TUJUAN OBJEKTIF AM BUKU RUJUKAN UNIT 1 :

PENGENALAN KEPADA ELEKTRIK

UNIT 2 :

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.0 2.1 2.2 2.3

Pengenalan Kepada Elektrik Kuantiti Asas Elektrik Rintangan Jenis-jenis Litar Elektrik Hukum Ohm Kuasa Elektrik Penggunaan Meter Watt Tenaga Elektrik

Litar Siri Litar Selari Litar Gabungan Hukum Kirchoff

UNIT 3 :

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

UNIT 4 :

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

UNIT 5 :

PRINSIP ASAS PEARUH (INDUCTOR)

UNIT 6 :

PRINSIP ASAS PEMUAT (CAPACITOR)

3.0 3.1 3.2 3.3

4.0 4.1 4.2 5.0 5.1 5.2

6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Pengenalan Kepada Sistem Bekalan Dan Pemasangan Sistem Penjanaan Sistem Penghantaran Sistem Pengagihan Litar Pengguna Aksesori Pemasangan Dan Peralatan Perlindungan Kabel

i ii iii v v v

2 2 4 6 7 12 13 14 22 25 28 29 41 41 49 49 61 63 69

Pearuh Unit Kearuhan Penyusunan Pearuh Dalam Litar Sesiri Dan Selari

81 81 86

Pemuat Kemuatan Tenaga Elektrik Di Dalam Pemuat Jenis-jenis Pemuat Kegunaan Pemuat Dalam Litar Elektrik Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Nilai Kemuatan Regangan Berkemuatan Penyusunan Pemuat Dalam Litar Sesiri Dan Selari

95 96 96 97 97 100 101 102

iii

UNIT 7 :

LITAR ARUS ULANG ALIK

UNIT 8 :

SISTEM TIGA FASA (3 Φ ) 8.0 Sistem Tiga Fasa (3 Φ )

7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11

8.1 8.2 8.3

UNIT 9 :

UNIT 10 :

Arus Ulang Alik (AU) Istilah-istilah Voltan AU Gambar Rajah Gelombang AU Gambar Rajah Vektor / Fasa Rintangan Tulin (R) Aruhan Tulin Dalam Litar AU Kemuatan Tulin Di Dalam Litar AU Litar Rintangan Dan Aruhan (RL) Sesiri Litar Rintangan Dan Kemuatan (RC) Sesiri Litar RLC Sesiri Dalam Litar AU Faktor Kuasa Kuasa Di Dalam Litar Arus Ulang Alik

Penjanaan Voltan Tiga Fasa (3 Φ ) Kegunaan Sistem (3 Φ ) Perbandingan Sistem (3 Φ ) Dengan (1 Φ )

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM (3 Φ ) 9.0 9.1 9.2

Sambungan Bintang Sambungan Delta ( ∆ ) Kuasa Dalam Sistem (3 Φ )

ELEKTROMAGNET

10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

Pengenalan Magnet Kelektromagnetan Kesan Elektromagnetik Kekuatan Elektromagnetik Aruhan Elektromagnetik Kuantiti Magnet

UNIT 11:

PENGUBAH

UNIT 12 :

MOTOR ARUHAN

11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 12.0 12.1 12.2 12.3

Pengenalan Prinsip Asas Pengubah Kadaran Pengubah Kehilangan Dan Kecekapan Binaan Pengubah Persamaan EMF Pengubah Pengenalan Prinsip Kerja Motor Aruhan Laju Segerak, Laju Pemutar & Gelincir Rotor Sangkar Tupai

112 113 114 116 117 119 120 125 128 131 134 134 143 143 146 146 154 158 162 172 172 174 175 176 177 179 185 185 190 190 192 193 199 199 204 205

iv

PERNYATAAN TUJUAN Buku ini disediakan untuk kegunaan pelajar-pelajar yang mengikuti kursus Sijil dan Diploma di Politeknik Kementerian Pengajian Tinggi Malaysia. Ianya bertujuan untuk memberi pendedahan kepada pelajar tentang konsep sesuatu unit kearah pembelajaran kendiri atau dengan bimbingan daripada pensyarah.

OBJEKTIF AM BUKU Di akhir modul ini, pelajar-pelajar akan dapat:• • • • • • •

Memahami konsep asas litar elektrik.

Memahami sistem bekalan elektrik dan pemasangan elektrik.

Memahami pearuh, pemuat dan litar arus ulang alik.

Memahami sistem bekalan tiga fasa.

Memahami konsep asas elektromagnet Memahami prinsip pengubah Memahami motor dan penjana AC

RUJUKAN 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Edward Hughes, Electrical Technology, Longman, 1975 B. L Theraja, Electrical Technology, S. Chand & Co., 1974 J. P. Whitheld, Electrical Craft Principles, Ciy & Guild, 1987 Abd Samad Hanif, Kerja Pemasangan Elektrik, DBP, 1994 T.G. Francis, Electrical Installation Work, Longman,1974 Jaafar Abd Rahman, Nota Teknologi Elektrik (Sistem 3 Fasa), 1998 Adilah Binti Monel, Nota Teknologi Elektrik (Arus Ulang Alik), 1997

v

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

OBJEKTIF AM Memahami konsep-konsep asas litar elektrik, arus, voltan, rintangan, kuasa dan tenaga elektrik.

Unit

1

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Mentakrifkan kuantiti-kuantiti asas elektrik.  Menentukan jenis-jenis litar elektrik.  Menyatakan hubungan di antara arus, voltan dan rintangan .  Mentakrifkan maksud kuasa elektrik  Menerangkan maksud tenaga elektrik

1

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

INPUT

1.0

PENGENALAN KEPADA ELEKTRIK Elektrik adalah merupakan satu tenaga yang tidak dapat dilihat tetapi boleh dirasai dan digunakan oleh manusia pada hari ini dan akan datang. Tenaga elektrik dapat dihasilkan kesan daripada tindakan:a) Geseran b) Haba c) Aruhan elektromagnet Tindakan daripada tenaga elektrik boleh ditukarkan kepada beberapa punca tenaga yang lain yang boleh digunakan seperti: a) Tenaga cahaya - seperti lampu b) Tenaga haba - seperti seterika c) Tenaga bunyi - seperti radio d) Tenaga gerakan - seperti motor Elektrik terdiri daripada dua (2) jenis iaitu elektrik statik dan elektrik dinamik. a) Elektrik Statik – Keadaan di mana tiada pergerakan elektron dalam arah tertentu. b) Elektrik Dinamik – Keadaan di mana terdapat pergerakan elektron dalam arah tertentu.

1.1

KUANTITI ASAS ELEKTRIK 1.1.1

Daya Gerak Elektrik (d.g.e) Daya atau tekanan elektrik yang menyebabkan cas elektrik mengalir. Contoh sumber yang menghasilkan tenaga elektrik adalah bateri dan janakuasa.

Simbol : E Unit : Volt(V)

1.1.2

Cas Elektrik Terdiri daripada cas positif dan cas negatif. Kuantiti cas ini dinamakan Coulomb.

Simbol : Q Unit : Coulomb(C)

2

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.1.3

Arus Pergerakan cas elektrik yang disebabkan oleh pergerakan elektron bebas. Ia mengalir dari terminal positif ke terminal negatif.

Simbol : I Unit : Ampiar (A)

1.1.4 Bezaupaya (voltan) Perbezaan keupayaan di antara dua titik dalam litar elektrik.

Simbol : V Unit : Volt(V) 1.1.5

Rintangan Merupakan penentangan terhadap pengaliran arus.

Simbol : R Unit : Ohm (Ω)

1.1.6

Pengalir Bahan yang membenarkan arus elektrik melaluinya kerana ia mempunyai bilangan elektron bebas yang banyak. Contohnya besi dan kuprum.

1.1.7

Penebat Bahan yang tidak membenarkan arus elektrik mengalir melaluinya. Ia mempunyai banyak elektron valensi tetapi sukar dibebaskan. Contohnya getah, kaca, minyak dan oksigen.

1.1.8

Separa Pengalir (semikonduktor) Bahan yang mempunyai ciri-ciri elektrikal di antara penebat dan pengalir. Ia mempunyai empat(4) elektron valensi dan digunakan untuk membuat komponen elektronik.

Contohnya silikon ,germanium dan karbon.

1.1.9

Kerintangan Merupakan sifat bahan pengalir di mana ianya melawan atau mengurangkan aliran arus elektrik untuk melaluinya, Simbol : ρ (Rho) dan unitnya : Ohm meter ( (Ωm)

3

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.2

RINTANGAN Merupakan satu keadaaan yang menghalang pergerakan arus melaluinya. Terdapat empat (4) faktor yang mempengaruhi nilai rintangan iaitu ; 1.2.1

Panjang pengalir,  Nilai rintangan dawai akan bertambah tinggi jika dawai tersebut bertambah panjang. Ia berkadar terus dengan panjang dawai tersebut,

R∝

1.2.2

Luas Permukaan , A Rintangan berkadar songsang dengan luas muka keratan rentas dawai.

1 R∝ A

1.2.3

Kerintangan Kerintangan adalah berkadar langsung dengan nilai rintangan.

R∝ρ 1.2.4

Suhu Pengalir, T Suhu pengalir juga mempengaruhi nilai rintangan. Semakin tinggi suhu pengalir semakin tinggi nilai rintangan.

R∝T Tahukah Anda ?  Setiap bahan yang mempunyai cas elektrik terdiri daripada cas +ve dan cas-ve.  Bahan yang bercas +ve bermaksud ia mempunyai cas +ve yang lebih daripada cas-ve dan sebaliknya.  Bahan yang mempunyai cas +ve dan cas –ve yang sama banyak dikenali sebagai bahan neutral.  Cas yang sama akan menolak tetapi cas yang berlainan akan menarik.

4

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

Faktor –faktor di sebelah boleh digambarkan dalam bentuk persamaan matematik (1.1);

R =

ρ A

(1.1)

di mana, A = Luas permukaan ( m2) ρ = Kerintangan ( Ωm )  = Panjang (m) R = Rintangan ( Ω ) Contoh 1.1 Kirakan rintangan bagi dawai aluminium yang mempunyai panjang 1.5 km. Diberi garis pusat dawai adalah 10 mm dan kerintangannya ialah 0.025 µΩ.m.

Penyelesaian : Diberi, d = 10 x10−3 m ,  = 1.5 x103 m , ρ = 0.025 x10−6 Ωm ρ diketahui, R = , A d 2 10 x10−3 2 di mana A = π ( ) = π ( ) = 78.54 x10− 6 m 2 2 2

(0.025 x10−6 )(1.5 x103 ) ∴R = = 0.477Ω 78.54 x10− 6

5

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.3

JENIS-JENIS LITAR ELEKTRIK Litar elektrik merupakan suatu susunan pengalir atau kabel untuk membawa arus dari punca bekalan voltan ke komponen-komponen elektrik (beban). Ianya terbahagi kepada dua iaitu: 1.3.1 Litar Lengkap Ia juga dikenali sebagai litar asas atau litar mudah (Rajah 1.1). Ia merupakan suatu penyambungan tertutup yang membolehkan arus mengalir dengan sempurna iaitu arus mengalir dari bekalan dan balik semula ke bekalan tersebut. Litar-litar tersebut mestilah terdiri daripada voltan bekalan (V), arus elektrik (I) dan rintangan (R).

I V

R

Rajah 1.1 : Litar Mudah/Asas

1.3.2 Litar Tidak Lengkap Litar tidak lengkap ialah litar yang mengalami kekurangan salah satu daripada tiga perkara tersebut iaitu samada voltan bekalan atau rintangan beban. Pengaliran arus tidak akan berlaku dengan sempurna pada litar tidak lengkap. Litar tidak lengkap terbahagi kepada dua ; 1.3.2.1 Litar buka - litar dimana punca beban dalam litar tersebut dibuka. Oleh itu tiada pengaliran arus berlaku. Nilai rintangan dalam litar adalah terlalu tinggi. Rajah 1.2 menunjukkan satu contoh litar buka.

V

beban (R) di tanggalkan Rajah 1.2 : Litar Buka

1.3.2.2

Litar pintas - sambungan pada punca bebannya dipintaskan dengan menggunakan satu pengalir yang tiada nilai rintangan. Ia ditunjukkan seperti Rajah 1.3 Arus yang mengalir adalah terlalu besar. Biasanya jika berlaku litar pintas, fius akan terbakar.

I V

R

pintaskan dengan seutas kabel

Rajah 1.3 : Litar Pintas

6

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.4

HUKUM OHM Hukum Ohm menyatakan bahawa arus di dalam litar yang lengkap adalah berkadar terus dengan tekanan atau voltan dan berkadar songsang dengan rintangan bagi litar tersebut.

Jika nilai rintangan pada satu litar dikekalkan dan nilai voltan digandakan, maka nilai arus turut berganda. Hukum ohm boleh ditulis dalam bentuk persamaan matematik (1.2).

V = IR

(1.2)

di mana: I = Arus (A) V = Voltan (V) R = Rintangan ( Ω ) 1.4.1 Rintangan Linear Dan Rintangan Tidak Linear Dari ujikaji yang dijalankan, hubungan di antara arus dan voltan boleh digambarkan dalam bentuk graf seperti Rajah 1.4 di bawah ketika rintangan dan suhu tetap.

V (volt)

R (pemalar)

I (Ampere) Rajah 1.4 : Graf V melawan I pada rintangan tetap

Jika ujikaji menggunakan rintangan tidak tetap (tidak linear), graf yang diperolehi adalah seperti Rajah 1.5.

V

I Rajah 1.5 : Graf V melawan I pada rintangan tidak tetap

7

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

Contoh 1.2 Kirakan nilai arus yang mengalir di dalam litar jika rintangannya ialah 10Ω dan voltan bekalan ialah 15V. Seterusnya, kirakan pula nilai arus jika nilai rintangan di tukarkan kepada 10 kΩ.

Penyelesaian : Diberi , V= 15V i). Untuk R = 10, Daripada Hukum ohm, V= IR

∴I =

V 15 = = 1.5 A R 10

ii). Untuk R = 10k Ω ,

∴I =

V 15 = = 1.5 x10 −3 = 1.5mA 3 R 10 x10

Uji kefahaman anda dengan membuat aktiviti berikut.

Sekiranya masih kabur, sila buat ulang kaji.

8

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

AKTIVITI 1A 1.1 Nyatakan unit dan simbol kuantiti-kuantiti elektrik yang berikut: a) Daya gerak elektrik b) Cas c) Arus d) Voltan e) Kerintangan 1.2 Berikan faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan sesuatu beban.

1.3 Takrifkan litar-litar berikut: a) Litar buka b) Litar pintas c) Litar lengkap 1.4 Kirakan bezaupaya bagi litar Rajah A1.1 di bawah.

I= 5 A

R= 10 Ω

V

Rajah A1.1

1.5 Kirakan arus mengalir melalui dawai aluminium yang mempunyai panjang 2 km dan bergaris pusat 20 mm sekiranya voltan 5V dibekalkan. Kerintangan bagi dawai tersebut adalah 0.28 µΩ.m

9

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 1A 1.1

a. Daya gerak elektrik (D.g.e) Simbol :E Unit : Volt(V) b. Cas elektrik Simbol :Q Unit : Coulomb(C) c

Arus Unit Simbol

: Ampiar (A) :I

d)

Voltan Simbol Unit

:V : Volt(V)

e) kerintangan Simbol : ρ (rho) Unit : ohm-meter (Ω.m) 1.2 Faktor-faktor yang mempengaruhi rintangan adalah seperti berikut: i) Panjang pengalir ii) Luas muka keratan rentas dawai iii) Kerintangan iv) Suhu pengalir 1.3

a) Litar buka - litar dimana punca beban dalam litar tersebut dibuka. Oleh itu tiada pengaliran arus berlaku. Nilai rintangan dalam litar adalah terlalu tinggi b) Litar pintas - litar dimana sambungan pada punca bebannya dipintaskan dengan menggunakan satu pengalir yang tiada nilai rintangan. Arus yang mengalir adalah terlalu besar. Biasanya jika berlaku litar pintas, fius akan terbakar c) Ia juga dikenali sebagai litar asas atau litar mudah. Ia merupakan suatu penyambungan tertutup yang membolehkan arus mengalir dengan sempurna iaitu arus dapat mengalir dari bekalan dan balik semula ke bekalan tersebut.

10

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.4

1.5

V = IR = (5)(10) = 50 A d 2 20 x10−3 2 A = π( ) = π( ) = 3.14 x10− 4 2 2 −6 ρ (0.28 x10 )(2000)

R=

= A 3.14 x10− 4 V 5 ∴I = = = 11.24 A R 0.445

= 0.445Ω

Tahniah sekiranya anda dapat menjawab semuanya dengan betul..

11

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

INPUT

1.5

KUASA ELEKTRIK Kuasa elektrik merupakan kerja yang dapat dilakukan dalam satu unit masa. Persamaan (1.3) menunjukkan perhubungan antara kuasa dengan arus dan voltan. Ia juga boleh dihubungkan dengan rintangan melalui Hukum Ohm seperti persamaan (1.4).

Simbol : Unit :

P Watt (W)

P = IV Daripada Hukum Ohm, V = IR dan I =

P = I 2R

(1.3)

V , R

dan

V2 P= R

(1.4) di mana P = Kuasa (W), I = Arus (A) R = Rintangan (Ω) dan V = Voltan (V)

12

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.6

PENGGUNAAN METER WATT Meter watt digunakan untuk menyukat nilai kuasa yang telah digunakan. Terdapat dua gelung di dalamnya iaitu gelung voltan yang disambungkan secara selari dengan litar dan gelung arus yang disambungkan secara sesiri dengan litar. Simbol meter watt ditunjukkan seperti Rajah 1.6 manakala cara sambungan pula ditunjukkan seperti Rajah 1.7.

W

Rajah 1.6 : Simbol Meter Watt

Gelung arus Gelung voltan Beban (R) VS Rajah 1.7 Sambungan Bagi Meter Watt

Tahukah Anda ?

Kuasa elektrik boleh ditukarkan kepada kuasa kuda (horse power).

1 kuasa kuda = 746 watt

13

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.7

TENAGA ELEKTRIK Tenaga elektrik adalah hasil darab kuasa, daya dan masa. Persamaan (1.5) menunjukkan perhubungan antara tenaga elektrik dengan kuantiti-kuantiti elektrik yang lain.

Simbol : T atau E Unit : Kilowatt jam (kWj) atau Joule

T = Pt T = VIt (1.5)

T = I 2 Rt V2 t T = R

di mana,

T- tenaga elektrik (kWj) P- kuasa (W) t - masa (s) V- voltan (V) I- arus (A) R- rintangan ( Ω )

1.7.1 Penggunaan Meter Kilowatt-Jam Meter kilowatt-jam digunakan untuk mengukur jumlah tenaga yang digunakan oleh pengguna. Simbol meter ini ditunjukkan oleh Rajah 1.8.

kWj Rajah 1.8 : Simbol Meter Kilowatt Jam.

Kenapa naik lagi bil letrik kita ni?

Meter rosak kot.

14

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

1.7.2

Hubungan Antara Tenaga Elektrik Dengan Tenaga Haba Apabila berlaku pengaliran arus, elektron di dalam pengalir akan berlanggar antara satu sama lain dan ini akan menghasilkan haba dan seterusnya menyebabkan kabel yang di gunakan menjadi panas.

1.7.3

Unit Elektrik Untuk Kerja, Kuasa Dan Tenaga.

Unit bagi kerja yang dilakukan dan tenaga yang digunakan ialah Joule. Ini bersamaan dengan tenaga yang dikeluarkan untuk menggerakkan 1 Coulomb cas melalui rintangan 1 ohm. Jumlah tenaga yang digunakan untuk mengalirkan 1 A arus untuk 1 saat melalui rintangan 1 ohm dikira sebagai 1 Joule. Ianya juga boleh dinyatakan sebagai 1 watt saat, iaitu 1 watt kuasa digunakan untuk 1 saat. Dalam bentuk matematik ia boleh ditunjukkan seperti persamaan (1.6).

1 Joule = 1 Watt saat kerja (J) = kuasa (W) x masa (s)

(1.6)

Kerja adalah tenaga yang diserap dengan membekalkan beban sebanyak 1 Kw untuk jangka masa 1 jam. Watt ialah kuasa yang digunakan bila terdapat arus sebanyak 1 A yang mengalir di antara dua titik yang mempunyai keupayaan 1 volt.

Contoh 1.3 Sebuah pembakar roti yang mengambil arus 5A dari bekalan 240 V selama 15 minit. Kirakan , i. Kuasa yang digunakan. ii. Tenaga yang diserap dalam kJ Penyelesaian; Diberi:

I=5A,

V = 240V dan t = 15 x 60 = 900s

i. P = IV = (5)(240) = 1200W . ii. T = Pt = (1200)(900) = 1080000 W = 1080kWj = 1080 kJ

Berapalah agaknya tenaga yang digunakan untuk sampai ke tempat kerja ni?

15

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

AKTIVITI 1B 1.6 Takrifkan berikut: i. Kuasa ii. Tenaga iii. Kerja 1.7 Kirakan kuasa elektrik bagi litar Rajah A1.2.

I= 5 A

R= 10 Ω

V

Rajah A1.2

1.8 Kirakan tenaga elektrik yang digunakan bagi soalan 1.7 di atas sekiranya litar tersebut dibuka (ON) selama 2 jam.

1.9 Sebuah periuk elektrik mempunyai kadaran 3.45 kW, 230 V. Kirakan: i. Arus kadaran ii. Rintangan alat pemanas iii. Tenaga yang digunakan sekiranya ia mangambil masa setengah jam untuk memasak nasi.

16

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 1B 1.6

i. Kuasa merupakan kerja yang dapat dilakukan dalam satu unit masa. ii. Tenaga elektrik adalah hasil darab kuasa, daya dan masa iii.. Kerja adalah tenaga yang diserap dengan membekalkan beban sebanyak 1 kW untuk jangka masa 1 jam

1.7

P = I2 R = 52 (10)= 250 watt

1.8

T=P t = 250 (2) = 500 watt jam

1.9

i.

I=

P 3450 = = 15 A 230 V

V 2 2302 = = 15.33Ω ii. R = P 3450 iii.

T = Pt = 3450(0.5 j ) = 1.725kWj Tahniah sekiranya anda dapat menjawab semuanya dengan betul.. Jika gagal sila buat ulang kaji atau rujuk pensyarah anda.

17

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

Penilaian Kendiri 1. Takrifkan yang berikut: i. Daya gerak elektrik ii. Tenaga elektrik iii. Litar lengkap I= 5 A

2.

V =10V

R

Rajah 1

Diberi seperti Rajah 1, kirakan ; i. Nilai rintangan R ii. Kuasa yang di serap oleh perintang R iii. Tenaga yang digunakan dalam unit Joule dalam masa 30 minit .

3.

Lukiskan yang berikut: i.

Rajah litar buka

ii.

Rajah litar pintas

iii.

Graf voltan melawan arus pada rintangan tetap

4.

Lukiskan litar cara sambungan bagi meter watt

5.

Takrifkan hukum ohm

6.

Kirakan kerintangan bagi dawai aluminium yang mempunyai panjang 3 km. Diberi garis pusat dawai ialah 20 mm dan nilai rintangannya ialah 1 ohm.

18

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

MAKLUM BALAS KENDIRI 1 i. Daya gerak elektrik - daya atau tekanan elektrik yang menyebabkan cas elektrik mengalir. Contoh sumber yang menghasilkan tenaga elektrik adalah bateri dan janakuasa. ii. Tenaga elektrik adalah hasil darab kuasa, daya dan masa iii. L itar lengkap - Ia juga dikenali sebagai litar asas atau litar mudah. Ia merupakan suatu penyambungan tertutup yang membolehkan arus mengalir dengan sempurna iaitu arus dapat mengalir dari bekalan dan balik semula ke bekalan tersebut 2

V 10 = = 2Ω I 2 2 2 ii. P = I R = 5 (2) = 50W i. R =

iii.

3.

T = Pt = (50)(30)(60) = 90kJ i).

V

beban (R) di tanggalkan Litar buka

ii)

I V

R

pintaskan dengan seutas kabel

Litar pintas

19

PENGENALAN KEPADA LITAR ELEKTRIK

iii). Dari ujikaji yang dijalankan, , hubungan di antara arus dan voltan boleh digambarkan dalam bentuk graf seperti Rajah A3 di bawah ketika rintangan dan suhu tetap.

V (volt)

R (pemalar)

I (Ampere) Graf V melawan I pada rintangan tetap 4.

Rajah A4 menunjukkan litar sambungan meter watt, Gelung arus Gelung voltan Beban (R) VS Sambungan bagi meter watt

5.

6.

Hukum ohm menyatakan bahawa arus di dalam litar yang lengkap adalah berkadar terus dengan tekanan atau voltan dan berkadar songsang dengan rintangan bagi litar tersebut. d 2 20 x10−3 A = π( ) = π( ) = 3.14 x10− 4 2 2

Yahoo!!

AR (1)(3.14 x10−4 ) ρ= = = 1.047 x10− 7 Ωm  3000

20

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Unit

2

OBJEKTIF AM Memahami konsep-konsep asas Litar Sesiri , Litar Selari, Litar Gabungan dan Hukum Kirchoff.

OBJEKTIF KHUSUS

Di akhir unit ini anda dapat :  Menerangkan rumus dalam litar siri.  Menerangkan rumus dalam litar selari.  Memahami hukum pembahagian voltan .  Menerangkan hukum pembahagian arus.  Menjelaskan penggunaan Hukum Kirchoff .  Menyelesaikan masalah yang melibatkan Hukum Kirchoff.

21

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

INPUT

2.0

LITAR SESIRI Ia dinamakan litar siri kerana cara sambungan perintang di dalam litar tersebut.

Sambungan sesiri adalah sambungan terhadap perintang yang disambungkan sederet dari hujung ke hujung seperti yang di tunjukkan dalam Rajah 2.1.

Ij

R1

R2

+ V1 -

+ V2 -

R3 + V3 + Vn -

Vj

Rn

Rajah 2.1 Sambungan Litar Sesiri

Kita boleh menerbitkan beberapa formula- formula matematik daripada Rajah 2.1 yang melibatkan rintangan jumlah, arus litar dan voltan jumlah.

2.0.1 Rintangan Jumlah, R j Jumlah rintangan adalah hasil tambah semua rintangan yang ada di dalam litar seperti persamaan (2.1).

RJ = R1 + R2 + R3 + ..... + Rn

(2.1)

2.0.2 Arus Jumlah, I j Arus yang melalui setiap perintang adalah sama dengan arus jumlah atau arus litar dan ditunjukkan dalam persamaan (2.2).

I j = I1 = I 2 = I 2 = ...... = I n

(2.2)

22

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2.0.3

Voltan Jumlah, V j Voltan jumlah adalah hasil tambah semua kejatuhan voltan (voltan susut) pada setiap rintangan seperti persamaan (2.3) di bawah.

V j = V1 + V2 + V3 + ...... + Vn

3)

(2.

Manakala, kejatuhan voltan pada setiap rintangan dikira menggunakan Hukum Ohm seperti yang telah dibincangkan di dalam Unit 1 sebelum ini. Persamaan (2.4) di bawah menunjukkan kaedah untuk mengira kejatuhan voltan pada setiap rintangan.

V1 = I j R1 V2 = I j R2 V3 = I j R3

(2.4)

Vn = I j Rn 2.0.4

Hukum Pembahagi Voltan Kita juga boleh menggunakan Hukum Pembahagi Voltan bagi menentukan nilai voltan yang melintangi setiap rintangan di dalam litar sesiri seperti yang ditunjukkan oleh persamaan (2.5) dan (2.6). i). Bagi litar yang mempunyai 3 perintang :

R1 )V j R1 + R2 + R3 R2 V2 = ( )V j R1 + R2 + R3 R3 V3 = ( )V j R1 + R2 + R3 V1 = (

(2.5)

ii). Bagi litar yang mempunyai 2 perintang :

R1 )V j R1 + R2 R2 V2 = ( )V j R1 + R2 V1 = (

(2.6)

23

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Contoh 2 .1 : Berdasarkan gambar rajah Rajah C2.1 di sebelah tentukan ;

R1 = 15Ω

i). Rintangan jumlah, Rj ii). Arus litar, Ij

V = 120 V

R2 =10Ω

iii). Voltan susut bagi setiap perintang.

Penyelesaian : i).

Rintangan jumlah, Rj Rj = R1 + R2 = (15 + 10) = 25 Ω

ii).

Arus litar, Ij V 120 Ij = = = 4.8 A Rj 25

Rajah C2.1

iii). Voltan susut bagi setiap perintang VR1 = IjR1 = (4.8)(15) = 72 V VR2 = IjR2 = (4.8)(10) = 48 V ,

24

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2.1

LITAR SELARI Sambungan selari adalah sambungan terhadap perintang yang disambung bertentangan di antara satu sama lain seperti Rajah 2.2 di bawah.

Ij Vj

I1 R1

+ -

I2 V1

R2

+ V2 -

I3 R3

+ V3 -

Rajah 2.2 : Litar Selari

Formula- formula matematik yang boleh diterbitkan daripada litar di atas adalah seperti persamaan –persamaan di bawah ; 2.1.1

Voltan Jumlah, Vj

Voltan yang melintangi setiap cabang adalah sama dengan voltan bekalan yang diberikan seperti persamaan (2.7);

V j = V1 = V2 = V2 = ...... = Vn 2.1.2

(2.7)

Arus Jumlah, Ij

Jumlah arus setiap cabang adalah sama dengan arus bekalan litar seperti persamaan (2.8);

I J = I1 + I 2 + I 3 + ..... + I n 2.1.3

(2.8)

Rintangan jumlah, Rj Rintangan jumlah di dalam litar selari boleh dikira dengan menggunakan kaedah berikut seperti persamaan (2.9); a)

Bagi litar yang mempunyai 3 perintang

1 1 1 1 = + + R j R1 R 2 R3

Rj =

atau

R1 R2 R3 R1 R2 + R2 R3 + R1 R3

(2.9)

25

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2.1.4

Hukum Pembahagi Arus Kita juga boleh menggunakan Hukum Pembahagi Arus bagi menentukan nilai arus bagi setiap cabang seperti persamaan (2.10). i). Bagi litar yang mempunyai 2 perintang seperti Rajah 2.3.

Ij Vj

I1 R1

+ -

I2 V1

R2

+ V2 -

Rajah 2.3

I1 = (

R2 )I j R1 + R2

dan I2 = (

(2.10)

R1 )I j R1 + R2

26

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Contoh 2.2: Ij

I1

I2 R1 = 2Ω

R2 = 4Ω

V = 240V

Rajah C2.2

Berdasarkan gambar rajah litar C2.2 di atas kirakan; i). Jumlah rintangan, Rj ii). Jumlah arus, Ij iii). Arus I1 dan I2 Penyelesaian : i). Jumlah rintangan, Rj Rj =

R1 R2 R1 + R2

=

(2)(4) 2+4

= 1.333 Ω

ii). Jumlah arus, Ij

Ij =

V Rj

=

240 1.333

= 180 A

iii). Arus I1 dan I2 ,

I1 =

I2 =

V 240 = = 120 A R1 2

V 240 = = 60 A R2 4

27

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2.2

LITAR GABUNGAN Kebanyakan litar elektrik yang dibina terdiri daripada litar gabungan siri selari.

Kedua-dua formula bagi litar sesiri dan selari akan digunakan untuk tujuan pengiraan bagi menentukan nilai arus, voltan dan rintangan jumlah litar. Rajah 2.4 di bawah menunjukkan contoh sambungan litar gabungan.

R1

R2

I2

R3

I3 I

V

Rajah 2.4 : Litar Gabungan

Contoh 2.3 : Berdasarkan Rajah 3 di atas, jika R1 = 10Ω, R2 = 20Ω , R3 = 15Ω dan bekalan kuasa yang dibekalkan ialah V = 120 V. Kirakan, a). Rintangan Jumlah, Rj b). Arus jumlah, I c). Arus I2 dan I3 Penyelesaian : a). Rintangan jumlah, Rj

R23 =

(20)(15) R2 R3 = 8.57Ω = R2 + R3 20 + 15

Rj = R23 + R1 = 8.57 + 10 = 18.57Ω b). Arus Jumlah , I I=

V 120 = = 6.46 A Rj 18.57

c). Arus , I2 = ( ∴

15 R3 )I = ( )6.46 = 2.79 A R2 + R3 20 + 15

I3 = I – I2 = (6.46 – 2.79) = 3.67 A

28

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2.3

HUKUM KIRCHOFF Untuk menyelesaikan masalah litar elektrik yang lebih rumit. Contohnya, bagi litar yang mempunyai bekalan kuasa lebih dari satu. Terdiri daripada dua (2) hukum, iaitu; a) b)

Hukum Kirchoff Arus Hukum Kirchoff Voltan

2.3.1

Hukum Kirchoff Arus

Hukum Kirchoff Arus juga dikenali sebagai Hukum Kirchoff Pertama. Ia menyatakan bahawa jumlah arus yang menuju pada satu titik adalah sama dengan jumlah arus yang meninggalkan titik tersebut, atau pada sebarang titik persimpangan di dalam litar, jumlah algebra arus yang memasuki titik tersebut adalah sama dengan jumlah arus yang keluar.

Ia boleh dihubungkan dalam persamaan matematik seperti persamaan (2.11) ,

I1 = I 2 + I 3 i1

(2.11)

i2 i3 Rajah 2.5

2.3.2

Hukum Kirchoff Voltan

Ia juga dikenali sebagai Hukum Kirchoff Kedua. Hukum Kirchoff Voltan menyatakann bahawa di dalam satu litar tertutup, hasil tambah nilai kenaikan voltan dan kejatuhan voltan adalah sifar atau dalam sebarang litar elektrik yang lengkap, jumlah algebra bagi kenaikan voltan mestilah sama dengan jumlah kejatuhan voltan.

Secara matematik ia boleh diungkapakan dalam bentuk persamaan (2.12),

V j = V1 + V2 + V3

(2.12)

+ V1 Vj + V3

-

+ V2 -

Rajah 2.6

29

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Contoh 2.4:

A R1 = 1Ω

R2 = 6Ω

5V

10V

R3 = 2Ω

Rajah C2.4 Kirakan nilai arus yang mengalir pada setiap cabang menggunakan Hukum Kirchoff bagi Rajah C2.4 di atas..

Penyelesaian : Hukum Kirchoff Arus : 1. Dapatkan persamaan yang menghubungkan semua arus dalam litar pada titik (nod) A I2 = - (I3 + I1 ) ……………………(1) Hukum Kirchoff Voltan : 1. Binakan gegelung anggapan pada setiap gelung , I1

A I3

R1 = 1Ω 5V

I

I2 R2 = 6Ω

II

10V

R3 = 2Ω

2. Dapatkan satu persamaan daripada setiap gelung .

Gelung I :

− 5 + (1) I1 − 6( I 3 ) + 10 = 0 I1 − 6 I 3 = −5

(2)

Gelung II :

− 10 + (6) I 3 − 2( I 2 ) = 0

(3)

30

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

masukkan (1) ke dalam (3) :

− 10 + 6( I 3 ) − 2(− I 3 − I 1 ) = 0

(4)

2 I 1 + 8I 3 = 10

3. Selesaikan dengan menggunakan Petua Cramer bagi persamaan (2) dan (4). i) Bentukkan persamaan matriks bagi persamaan (2) dan (4) 1 2 

− 6   I 1   − 5 = 8   I 3   10 

1 − 6  ii) Dapatkan nilai penentu, katakan D =   2 8  1 −6 ∴D = = (1)(8) − (−6)(2) = 20 2 8 iii). Dapatkan nilai penentu bagi setiap arus, I1 =

−5

−6

10

8

∴ I1 = I3 =

I1 D

=

= (−5)(8) − (−6)(10) = 20

20 = 1A 20

1 −5 = 20 + 10 = 30 2 10

∴ I3 =

I3 D

=

30 = 1.5 A 20

daripada persamaan (1); I 2 = −( I 3 + I1 ) = −(1.5 + 1) = −3.5 A Nilai negative (-ve) pada arus I 2 menunjukkan arah arus yang sebenarnya ialah menuju ke perintang R2 .

31

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Para pelajar boleh menggunakan kaedah lain untuk menyelesaikan persamaan (2) dan (4) di dalam contoh di atas, tetapi kaedah petua cramer adalah lebih sesuai digunakan jika ia melibatkan banyak persamaan. Kaedah menggunakan petua Cramer ; a). Tuliskan persamaan dalam bentuk am ;

ax + by = c dx + ey = f

b) Tuliskan persamaan tersebut dalam bentuk matriks;

 a b  x   c   a b d e   y  =  f  ⇒ katakan, D = d e        

c) Dapatkan nilai penentu bagi ,

D =

a b = (ae − bd ) d e

d) Dapatkan penentu bagi,

x =

c f

b = ce − bf e

⇒x=

x D

e) Dapatkan penentu bagi,

y =

a d

c y = af − cd ⇒ y = f D

32

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

AKTIVITI 2A I = 1.5A

2.1.

R1 = 8 Ω

R2 = 6 Ω R3 = 4 Ω

Vj

Rajah A2.1 Berdasarkan gambar rajah litarA2.1 di atas, kirakan ; i.

Rintangan jumlah. ii.

Nilai Vj iii. Kejatuhan voltan pada rintangan R3 , menggunakan Hukum Pembahagi voltan.

2.2

Tiga (3) buah perintang yang disambung secara selari masing-masing bernilai R1 = 6Ω , R2 = 5Ω dan R3 = 20Ω dan dibekalkan dengan sumber bekalan 100V. Kirakan i. ii. iii. iv.

2.3

Jumlah rintangan Jumlah arus Voltan melintangi setiap perintang Arus melalui setiap perintang

Berikan takrifan bagi Hukum Kirchoff Pertama dan Hukum Kirchoff Kedua.

33

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 2A 2.1

i). Rintangan jumlah, Rj = R1 + R2 +R3 = 8 + 6 + 4 = 18 Ω ii). Nilai , Vj = IRj = (1.5) (18) = 27 V iii). Kejatuhan voltan pada R3, VR3 = (

2.2

4 R3 ) 27 = 6 V )V j = ( 18 Rj

i) Rintangan jumlah, R j 1 1 1 1 1 1 1 = + + = + + = 0.417 R j R1 R2 R3 6 5 20 Rj =

1 = 2.4Ω 0.417

ii). Jumlah arus, I j Ij =

V 100 = = 41.7 A R j 2.4

iii). Voltan melintangi setiap perintang V1 = V2 = V3 = V = 100V (kerana litar selari) iv). Arus setisp perintang I1 =

2.3

V 100 = = 16.7 A , R1 6

I2 =

V 100 V 100 = = 20 A dan I 3 = = = 5A R2 R3 5 20

Hukum Kirchoff Pertama menyatakan bahawa jumlah arus yang menuju pada satu titik adalah sama dengan jumlah arus yang meninggalkan titik tersebut, atau pada sebarang titik persimpangan di dalam litar, jumlah algebra arus yang memasuki titik tersebut adalah sama dengan jumlah arus yang keluar.

Hukum Kirchoff Kedua pula menyatakann bahawa di dalam satu litar tertutup, hasil tambah nilai kenaikan voltan dan kejatuhan voltan adalah sifar atau dalam sebarang litar elektrik yang lengkap, jumlah algebra bagi kenaikan voltan mestilah sama dengan jumlah kejatuhan voltan.

34

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Penilaian Kendiri 1.

Berpandukan gambar rajah litar K2.1 di bawah, dapatkan ; i).

Rintangan jumlah. ii).

Voltan pada R2 . ii).

Arus pada R2 .dan R3 . iii).

Kuasa yang dilesapkan pada rintangan R1 dan kuasa keseluruhan litar.

R3 = 8Ω Vs = 240V

R1 = 2Ω

R2 = 4Ω

Rajah K2.1 2.

Berdasarkan Rajah K2.2 di bawah, voltan yang melintangi R1 = 72 V. Tentukan nilainilai berikut : i).

Arus yang melalui setiap perintang R1, R2, R3 dan R4 ii).

Voltan yang merintangi setiap perintang R2, , R3 dan R4 iii).

Voltan punca, Vs R1 = 8Ω

Ij

VS

R2 = 6Ω

R3 = 3Ω

R4 = 4Ω Rajah K2.2

35

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

3.

Berpandukan Rajah K2.3, kirakan nilai arus pada setiap cabang dan kejatuhan voltan pada setiap perintang dengan menggunakan Hukum Kirchoff.

12V

R1 = 1Ω

R2 = 4Ω

R3 = 5Ω

4V

6V

Rajah K2.3

36

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

MAKLUM BALAS KENDIRI 1.

i).

Rintangan jumlah, Rj

R 2 R3 (4)(8) = = 2.667 Ω R + R3 (4 + 8)

R23 = ∴

ii).

R1R23 (2)(2.667) = = 1.143 Ω R1 + R23 4.667

Rj =

Voltan pada R2 , V2 = Vs = 240V (kerana litar selari)

iii).

iv).

Arus pada R2 .dan R3,

VS 240 ) = 60 A )=( R2 4

I2 =

(

I3 =

(

VS 240 )=( ) = 30 A R3 8

Kuasa yang dilesapkan pada rintangan R1 dan kuasa keseluruhan litar.

(V ) 2 (240) 2 P1 = S = = 28.8kW R1 2 Pj =

(VS ) 2 ( 240) 2 = 50.4kW R j 1.143

37

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

2)

i). Arus setiap perintang, Ij = IR1 (kerana sesiri) di mana,

I R1 =

V1 72 = 8 = 9A R1

IR4 = IR1 = 9 A (kerana sesiri) IR2 =

(

R3 3 ) I j = ( )9 R2 + R3 9

=3A

∴ IR3 = (Ij – IR2) = (9 – 3) = 6 A

ii). Voltan setiap perintang, VR2 = VR3 = I2 R2 = (3)(6) = 18 V (selari) VR4 = IR4 R4 = (9)(4) = 36 V iii). Voltan jumlah, Vs Vs = VR1 + VR2 + VR4 = 72 + 18 + 36 = 126 V 3.

I1

A I2

12V

I

I3 R2 = 4Ω

4V

R3 = 5Ω II

6V

R1 = 1Ω

Pada nod A :

I1 = I 2 + I 3

(1)

Gelung I :

− 12 + 4 I 2 + 4 + (1) I 1 = 0

(2)

Gelung II : − 4 − 3I 2 + 5 I 3 + 6 = 0 − 3I 2 + 5 I 3 = −2

(3)

38

ANALISIS LITAR ELEKTRIK

Masukkan (1) ke dalam (2)

4I 2 + (I 3 + I 2 ) = 8

(4)

5I 2 + I 3 = 8

selesaikan persamaan (3) dan (4) menggunakan petua Cramer atau kaedah lain yang sesuai; − 3  5 

5  I 2   − 2 − 3 5 =  ⇒ katakan , D =       1  I 3   8   5 1

∴ nilai penentu bagi, D =

I2 =

−2 5 = (−2)(1) − (5)(8) = −42 8 1

∴ I2 =

I3 = I3 =

−3 5 = (−3)(1) − (5)(5) = −28 5 1

I2 D

=

− 42 = 1.5 A − 28

−3 −2 = (−3)(8) − (−2)(5) = −14 5 8 I3 D

=

− 14 = 0.5 A − 28

dari persamaan (1) : I1 = I 2 + I 3 = 1.5 + 0.5 = 2 A Kejatuhan voltan pada setiap perintang ;

VR1 = I1R1 = (2)(1) = 2V VR 2 = I 2 R2 = (1.5)(4) = 6V VR 3 = I 3 R3 = (0.5)(5) = 2.5V

39

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

Unit

3

OBJEKTIF AM Memahami konsep-konsep asas penjanaan, penghantaran dan pengagihan

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Mentakrifkan sistem penjanaan, sistem penghantaran dan sistem pengagihan  Menjelaskan unit kawalan pengguna sistem satu fasa dan tiga fasa  Menyatakan secara ringkas fungsi setiap komponen dalam unit kawalan pengguna  Menerangkan maksud litar kecil akhir ( kuasa dan lampu)

40

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

INPUT

3.0

PENGENALAN KEPADA SISTEM BEKALAN DAN PEMASANGAN Merupakan proses bagi memenuhi keperluan pengguna secara berperingkat-peringkat dan ia mengandungi tiga(3) peringkat utama iaitu; a) Sistem Penjanaan b) Sistem Penghantaran c) Sistem Pengagihan

3.1

SISTEM PENJANAAN Suatu pengeluaran tenaga elektrik dengan kadar yang banyak dan diperolehi daripada stesen janakuasa elektrik hasil daripada pergerakan oleh air, gas, stim dan sebagainya.

Rajah 3.1, adalah contoh proses-proses pertukaran tenaga sesebuah stesen janakuasaelektrik ;

Tenaga Air Tenaga Stim Tenaga Gas

Tenaga Mekanikal

yang berlaku di dalam

Tenaga Elektrik

Rajah 3.1 : Gambar Rajah Blok Proses Penghasilan Dge.

41

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.1.1

Teori Asas Penghasilan Tenaga Elektrik Di dalam penjana (janaelektrik) terdapat pengalir dan kutub magnet seperti Rajah 3.2 di bawah. Apabila pengalir (abcd) berpusing maka pemotongan uratdaya magnet (flux magnet) akan berlaku. Hasil pemotongan uratdaya tersebut oleh pengalir, maka terhasillah daya gerak elektrik (dge).

Kutub

a

U b

a

c

180o

arah pusingan

90o

b

360o 270o

d

d

S

c

Kutub

Rajah 3.2 : Graf Penghasilan Dge.

3.1.2

Jenis-jenis Stesen Janakuasa Elektrik a) b) c) d) e) f)

Stesen Janakuasa Elektrik Hidro Stesen Janakuasa Elektrik Stim Stesen Janakuasa Elektrik Gas Stesen Janakuasa Elektrik Disel Stesen Janakuasa Elektrik Nuklear Stesen Janakuasa Elektrik Solar

Di Malaysia tenaga elektrik dijanakan oleh ; a) Stesen Janakuasa Elektrik Hidro (*14.5%) b) Stesen Janakuasa Elektrik Stim (*24%) c) Stesen Janakuasa Elektrik Gas (*14.2%) d) Stesen Janakuasa Elektrik Disel (*0.1%) e) Lain-lain (*47.2%)

* sumber TNB tahun 2002.

42

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.1.3

Faktor-faktor pemilihan pembinaan sebuah stesen janakuasa ; a). b). c). d). e). f). g).

Kurang penjagaan Ringkas Keluaran tenaga maksimum Murah Saiz kecil Tiada pencemaran Voltan tinggi

Biasanya (Rajah 3.3) , loji stesen kuasa mengandungi ;

Relau

Dandang Stim

Pembantu

Kelengkapan

Suis Gear

Turbin

Transformer

Rajah 3.3 : Carta Alir Proses Di Dalam Loji Janakuasa

Tahukah anda? TNB adalah badan yang bertangungjawab menguruskan bekalan tenaga elektrik di negara kita.

43

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.1.4 STESEN JANAKUASA HIDRO

Janaelektrik Pintu empangan

Kawasan air

Aci Saluran masuk

Empangan keluar

Injap pintu air

Kipas turbin

Saluran

Rajah 3.4 : Gambar Rajah Stesen Janakuasa Hidro Prinsip kendalian : a) Air ditakung pada suatu paras yang tinggi dan luas supaya dapat menghasilkan suatu tenaga yang kuat bagi menggerakkan kipas turbin. b) Air disalurkan menerusi saluran masuk ke turbin dengan suatu tekanan yang kuat dan deras. Injap air berfungsi untuk mengawal kelajuan air. c) Tekanan air yang kuat deras ini akan menggerakkan kipas turbin. d) Apabila kipas turbin berputar maka pengalir rotor dalam penjana akan bergerak dan urat daya akan dipotong, seterusnya daya gerak elektrik (dge) akan terhasil. e) Air yang keluar dari turbin akan disalurkan ke sungai

44

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.1.5

STESEN JANAKUASA STIM

Stim tekanan tinggi

Lawas

Kipas turbin

Aci

Bahan api

Air penyejuk

Pam

Kondenser Air Rajah 3.5 : Gambar Rajah Stesen Janakuasa Stim

Prinsip kendalian : a) b) c) d)

e)

Bahan api seperti arang batu dibakar supaya dapat memanaskan air yang telah disalurkan ke dandang.

Hasil daripada pemanasan air, ia akan mengeluarkan stim yang bertekanan tinggi.

Stim tersebut disalurkan ke turbin dan seterusnya memutarkan kipas turbin.

Pemotongan uratdaya akan berlaku dan menghasilkan dge. Tekanan stim yang keluar daripada turbin akan menjadi rendah dan disalurkan ke kondenser supaya ditukar kepada air. Air tersebut disalurkan ke kawasan takungan air dan akhirnya pam akan mengepam semula air ke dandang.

Proses berulang.

45

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.1.6

SISTEM JANAKUASA GAS

Gas tekanan tinggi

Bahan api Ruang pembakaran

Turbin

Janaelektrik

Pemampat Aci Udara masuk

Aci Lawas

Rajah 3.6 : Gambar Rajah Stesen Janakuasa Gas

Prinsip kendalian : a) Udara disedut dan dimampatkan oleh pemampat dari luar dan disalurkan ke ruang pembakaran. b) Bahan api dimasukkan ke dalam ruang pembakaran dan dibakar bersama aliran udara. c) Hasil daripada pembakaran , gas bertekanan tinggi dihasilkan. d) Gas tersebut disalurkan ke turbin. Sebahagian gas tersebut akan berfungsi untuk menggerakkan kipas turbin dan sebahagian lagi menggerakkan pemampat. e) Oleh kerana kipas turbin berputar, maka pengalir rotor juga berputar dan seterusnya menghasilkan dge. f) Gas yang keluar dari turbin disalurkan keluar melalui saluran gas lawas.

46

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

AKTIVITI 3A

Uji kefahaman dan ingatan anda dengan membuat aktiviti berikut. Sekiranya masih kabur, sila buat ulang kaji.

3.1

Berikan takrifan bagi sistem penjanaan di dalam sistem bekalan .

3.2

Senaraikan lima (5) jenis stesen janakuasa elektrik yang anda ketahui.

3.3

Berikan lima (5) faktor yang diambil kira sebelum sesebuah stesen janakuasa dibina.

3.4

Terangkan secara ringkas teori penghasilan tenaga elektrik.

47

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 3A 3.1

Sistem penjanaan ialah Suatu pengeluaran tenaga elektrik dengan kadar yang banyak dan diperolehi daripada stesen janakuasa elektrik hasil daripada pergerakan oleh air, gas, stim dan sebagainya.

3.2

Jenis-jenis Stesen Janakuasa Elektrik : a. Stesen Janakuasa Elektrik Hidro b. Stesen Janakuasa Elektrik Stim c. Stesen Janakuasa Elektrik Gas d. Stesen Janakuasa Elektrik Disel e. Stesen Janakuasa Elektrik Nuklear

3.3

Faktor-faktor pemilihan pembinaan sebuah stesen janakuasa : a. Kurang penjagaan b. Ringkas c. Keluaran tenaga maksimum d. Murah e. Saiz kecil

3.4

Teori Asas Penghasilan Tenaga Elektrik Di dalam penjana (janaelektrik) terdapat pengalir dan kutub magnet. Apabila pengalir (pemutar) berpusing maka pemotongan uratdaya magnet (flux magnet) akan berlaku. Hasil pemotongan uratdaya tersebut oleh pengalir, maka terhasillah daya gerak elektrik (dge).

48

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

INPUT

3.2

SISTEM PENGHANTARAN Merupakan proses penyebaran tenaga elektrik yang bermula dari janakuasa elektrik hinggalah ke punca pencawang voltan tinggi.Sesebuah stesen janakuasa elektrik akan menghasilkan voltan janaan 11kV. Kemudian voltan janaan ini ditingkatkan dengan menggunakan penggubah peninggi ke nilai 66kV, 132kV, 275kV dan 400kV. Tujuan meninggikan voltan janaan adalah ; a) Untuk mendapatkan nilai voltan bekalan yang stabil kepada pengguna, walaupun telah berlaku susut voltan yang banyak . b) Untuk mengurangkan kos perbelanjaan (saiz pengalir yang kecil).

3.2.1

Kaedah sambungan dalam sistem penghantaran 3.2.1.1 Sistem Jejari Dengan menyambungkan pengubah (Transformer) peninggi secara jejari seperti Rajah 3.7. Lazimnya digunakan pada suatu kawasan yang memerlukan bekalan tenaga elektrik yang rendah.

Ke Pengubah Penurun

JANAKUASA ELEKTRIK

S

S

S

P

P

P

Pengubah

Peninggi

S - Lilitan sekunder P - Lilitan Primer Rajah 3.7 : Gambar Rajah Blok Sistem Jejari

49

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.2.2

Sistem Gelang Dengan menyambungkan semua pengubah peninggi dalam bentuk gelang, seperti Rajah 3.8. Sambungan gelang hanya dibuat pada bahagian lilitan primer pengubah, manakala lilitan sekunder disambungkan ke pengubah penurun.

Ke Pengubah Penurun

S P

S P

S P

Pengubah Peninggi

JANAKUASA ELEKTRIK Pengubah Peninggi

P S

P S

P S

Ke Pengubah Penurun Rajah 3.8 : Gambar Rajah Blok Sistem Gelang

3.2.3

Sistem Bus Ties

Dengan menyambungkan lilitan primer dan sekunder secara gelang Rajah 3.9.

Ke Pengubah Penurun

S P

S P

S P

Pengubah Peninggi

JANAKUASA ELEKTRIK Pengubah Peninggi

P S

P S

P S

Ke Pengubah Penurun Rajah 3.9 : Gambar rajah Blok Sistem Bus Ties

50

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.2.4 Sistem Rangkaian Dengan menyambungkan lilitan primer secara jejari dan lilitan sekunder secara gelang, Rajah 3.10. Kedua-dua lilitan adalah dari pengubah peninggi.

Ke Pengubah Penurun S P

S P

S P

Pengubah Peninggi JANAKUASA ELEKTRIK Pengubah Peninggi P S

P S

P S

Ke Pengubah Penurun

Rajah 3.10 : Gambar Rajah Blok Sistem Rangkaian

Unit ini perlu kepada banyak bacaan dan hafalan, gunakan kaedah yang sesuai untuk

Banyaknya yang kena ingat, macam mana nak hafal ni?

51

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.2.5

Sistem Grid Nasional Digunakan untuk menyambungkan janakuasa-janakuasa elektrik yang besar seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 3.11.

JANAKUASA ELEKTRIK (A) P

JANAKUASA ELEKTRIK (C) P S

S

SS P P

S

S PP

JANAKUASA ELEKTRIK (B)

JANAKUASA ELEKTRIK (D)

Rajah 3.11 : Gambar Rajah Blok Sistem Grid Nasional

3.3.1

Kebaikan dan Keburukan Sistem Grid a). Kebaikan i.

Bekalan sentiasa mencukupi walaupun salah satu janakuasa elektrik yang lain menghadapi masalah. ii.

Perubahan frekuensi sentiasa stabil. iii.

Stesen janakuasa elekrik yang kecil dapat dikurangkan. b). Keburukan i.

Memerlukan kos perbelanjaan yang banyak. ii.

Memerlukan penjagaan yang rapi. iii.

Mengambil masa yang lama untuk menyiapkannya.

Tenaga elektrik dibawa secara pukal melalui kabel-kabel bawah tanah atau melalui taliantalian atas di sepanjang jarak yang jauh. Talian penghantaran ini mempunyai ciri-ciri mekanikal : i.

Kekuatan penyokong ii.

Lendutan iii.

Tegangan Keupayaan penghantaran pada masa kini adalah 66kV, 132kV dan 275kV. Stesen-stesen yang menggunakan sistem grid kebangsaan adalah ; i.

Stesen diesel ii.

Stesen Tempatan iii.

Luar bandar iv.

Stesen Hidro.

52

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

3.4

SISTEM PENGAGIHAN Adalah merupakah proses pengagihan tenaga elektrik yang bermula dari pencawang voltan tinggi hingga ke punca pemasangan pengguna dan ia merupakan peringkat terakhir di dalam sistem bekalan.

Stesen Janakuasa 11kV

11kV / 66kV 132kV / 275kV Sistem Penghantaran

132kV / 11kV

Sistem Pengagihan

Rumah (240V)

Industri kecil / sekolah (415V)

Industri berat (11kV)

Rajah 3.12 : Gambar Rajah Blok Proses Penghantaran dan Pengagihan

Berdasarkan Rajah 3.12 di atas, voltan dari pencawang tinggi diagihkan kepada pengguna mengikut keperluan. Bagi industri berat voltan maksimum ialah 11kV. Industri kecil, sekolah dan pejabat memerlukan voltan bekalan 415V dan bagi rumah kediaman pula, kebiasaannya menggunakan voltan bekalan 240V.

53

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

AKTIVITI 3B

Uji kefahaman dan ingatan anda dengan membuat aktiviti berikut.

Sekiranya masih kabur, sila buat ulang kaji. Semak jawapan anda pada maklum balas di sebelah.

Semoga berjaya.

3.5 Berikan takrifan bagi sistem penghantaran dan sistem pengagihan.

3.6 Nyatakan kaedah sambungan yang terdapat di dalam sistem penghantaran bekalan elektrik.

3.7 Dengan bantuan gambar rajah, berikan definisi bagi kaedah sambungan jejari di dalam sistem penghantaran.

54

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 3B 3.5(a). Sistem penghantaran merupakan proses penyebaran tenaga elektrik yang bermula dari janakuasa elektrik hinggalah ke punca pencawang voltan tinggi.

3.5(b). Sistem pengagihan Adalah merupakah proses pengagihan tenaga elektrik yang bermula dari pencawang voltan tinggi hingga ke punca pemasangan pengguna dan ia merupakan peringkat terakhir di dalam sistem bekalan.

3.6

3.7

i. ii. iii. iv. v.

Sambungan jejari Sambungan gelang Sambungan bus-ties Sambungan rangkaian Sambungan grid nasional

Sistem Jejari ialah dengan menyambungkan pengubah (Transformer) peninggi secara jejari. Lazimnya digunakan pada suatu kawasan yang memerlukan bekalan tenaga elektrik yang rendah.

Ke Pengubah Penurun S

S

S

P

P

P

Pengubah Peninggi

JANAKUASA ELEKTRIK Gambar rajah Blok Sistem Jejari

S – Lilitan sekunder

P- Lilitan Primer

55

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

Penilaian Kendiri

Untuk menilai prestasi anda, sila jawab semua soalan di bawah dan hantar kepada pensyarah anda untuk dinilai...

Jangan cepat give up !!

Semoga Berjaya !!!

1. Berikan tiga(3) peringkat utama yang terdapat di dalam sistem bekalan dan pemasangan elektrik.

2. Di dalam sistem penghantaran, sistem gelang adalah salah satu daripada kaedah sambungan untuk menghantar tenaga elektrik kepada pencawang voltan tinggi. Berikan definisi bagi sistem gelang dengan bantuan gambar rajah.

3. Dengan bantuan gambar rajah, terangkan prinsip kendalian Stesen Janakuasa Stim.

4. Dengan bantuan gambar rajah, terangkan proses penghantaran dan pengagihan bekalan tenaga elektrik kepada pengguna.

Kenapalah pensyarah buat soalan yang very hard.. Ini lah yang menyebabkan aku give up ni.

56

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS KENDIRI 1. Tiga(3) peringkat utama yang terdapat di dalam sistem bekalan dan pemasangan elektrik ialah ; i. Sistem penjanaan ii. Sistem penghantaran iii. Sistem pengagihan

2. Sistem Gelang Dengan menyambungkan semua pengubah peninggi dalam bentuk gelang, seperti Rajah di bawah sambungan gelang hanya dibuat pada bahagian lilitan primer pengubah, manakala lilitan sekunder disambungkan ke pengubah penurun.

Ke Pengubah Penurun

S P

S P

S P

Pengubah Peninggi

JANAKUASA ELEKTRIK Pengubah Peninggi

P S

P S

P S

Ke Pengubah Penurun

Gambar rajah Blok Sistem Gelang 57

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

2. Rajah di bawah, adalah gambar rajah blok bagi stesen janakuasa stim ;

Stim tekanan tinggi Lawas

Kipas turbin

Aci

Bahan api

Air penyejuk

Pam

Kondenser Air Gambar rajah Stesen Janakuasa Stim

Prinsip kendalian : i. ii. iii. iv.

v.

Bahan api seperti arang batu dibakar supaya dapat memanaskan air yang telah disalurkan ke dandang.

Hasil daripada pemanasan air, ia akan mengeluarkan stim yang bertekanan tinggi.

Stim tersebut disalurkan ke turbin dan seterusnya memutarkan kipas turbin.

Pemotongan uratdaya akan berlaku dan menghasilkan dge. Tekanan stim yang keluar daripada turbin akan menjadi rendah dan disalurkan ke kondenser supaya ditukar kepada air. Air tersebut disalurkan ke kawasan takungan air dan akhirnya pam akan mengepam semula air ke dandang.

Proses berulang.

58

SISTEM BEKALAN ELEKTRIK

4. Rajah di bawah menunjukkan proses penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik kepada pengguna.

Stesen Janakuasa 11kV

11kV / 66kV 132kV / 275kV Sistem Penghantaran

132kV / 11kV

Sistem Pengagihan

Rumah (240V)

Industri kecil / sekolah (415V)

Industri berat (11kV)

Gambar rajah Blok Proses Penghantaran dan Pengagihan Berdasarkan Rajah di atas, voltan dari pencawang tinggi diagihkan kepada pengguna mengikut keperluan. Bagi industri berat voltan maksimum ialah 11kV. Industri kecil, sekolah dan pejabat memerlukan voltan bekalan 415V dan bagi rumah kediaman pula, kebiasaannya menggunakan voltan bekalan 240V.

Alhamdulilah, aku berjaya menjawab semua soalan dengan betul. Yahoo...!!!.

59

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

OBJEKTIF AM

Unit

4

Memahami konsep sistem litar pengguna, sistem perlindungan, kabel dan aksesori dalam pemasangan elektrik.

OBJEKTIF KHUSUS

Di akhir unit ini anda dapat :  Menerangkan unit kawalan pengguna 1 fasa dan 3 fasa.  Mentakrifkan maksud litar kecil akhir (kuasa dan lampu).  Menyatakan jenis–jenis aksesori dalam pemasangan  Menerangkan jenis-jenis kabel dalam pemasangan  Menjelaskan sistem penebatan dan perlindungan di dalam kabel

60

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

INPUT

4.0

LITAR PENGGUNA Ianya berada di antara talian pengagihan dengan beban pengguna. Litar utama pemasangan pengguna mengandungi unit kawalan dan perlindungan yang berfungsi melindungi dari arus lebihan seperti litar pintas dan beban lampau dan kebocoran arus ke bumi bagi mengelakkan dari terkena kejutan elektrik.

4.0.1 Litar Kawalan Turutan Pengguna Ia berfungsi sebagai alat pengawalan dan perlindungan yang terdapat pada litar utama pemasangan pengguna. Ia terdiri dari alat-alat pengasingan dan pensuisan, alat perlindungan arus lebihan dan perlindungan arus bocor ke bumi. Komponen-komponen tersebut adalah seperti yang ditunjukan oleh Rajah 4.1 di bawah:

kWj

1

2

3

4

5

Rajah 4.1: Pemasangan Litar Kawalan Turutan

1. Fius pemutus dan perangkai neutral - sebagai pelindung arus lebihan dan menghadkan arus pengguna.

2. Meter kWj - mengukur jumlah tenaga yang telah digunakan untuk menetapkan kadar bayaran tarif.

3. Suis utama - sebagai pengasing litar dan perlindungan arus lebihan 4. Pemutus litar bocor ke bumi kendalian arus - alat pelindung kepada kebocoran arus ke bumi dan sebagai pengasing litar.

5. Papan agihan - pengagih litar kecil akhir dan pelindung arus lebihan.

61

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.0.2 Litar Akhir Litar akhir ialah litar yang keluar dari papan agihan untuk membekalkan tenaga elektrik terus kepada peralatan elektrik.Tujuan pembahagian litar utama ke litar akhir ialah ; a) Untuk mengelakkan bahaya apabila berlaku kerosakan, iaitu dengan memastikan bahawa arus kerosakan yang akan mengendalikan sistem perlindungan itu tidak melebihi daripada sepatutnya. b) Untuk memastikan bahawa bahagian-bahagian dalam pemasangan boleh diputuskan bekalan bagi tujuan pemeriksaan, pengujian atau kerja-kerja membaiki tanpa mengganggu litar lain. c) Untuk mengelakkan kerosakan yang berlaku pada sesuatu litar itu merebak ke litar yang lain.

4.0.3 Permintaan maksima Permintaan maksima ialah arus terbesar yang perlu dialirkan ke dalam litar, suis dan alat perlindungan pada sesuatu masa. Ianya boleh di tentukan daripada permintaan arus keseluruhan bagi semua punca perkakas elektrik dalam litar.

4.0.4

Litar akhir bagi soket alur keluar Ia boleh di bahagikan kepada beberapa jenis iaitu:

a) Litar jejari litar yang di sambungkan kepada soket alur keluar dan berakhir pada soket alur keluar yang di hujung sekali. b) Litar gelang litar yang di sambungkan kepada beberapa soket alur keluar dan berakhir pada punca masukannya di papan fius agihan. c) Sulur merupakan satu cabang kabel yang di sambungkan pada litar jejari dan litar gelang.

4.0.5

Litar akhir lampu Biasanya diagihkan untuk bekalan ke punca lampu filamen atau lampu discas. Beban lain juga disambungkan dari litar lampu seperti kipas siling dengan syarat arus beban penuh kurang daripada yang ditetapkan. Pengalir kabel litar akhir lampu yang diagihkan dari papan fius agihan akan berakhir di terminal siling ros atau pemegang lampu.

4.0.6

Litar akhir alat pegun Litar akhir alat pegun(tetap) yang berkadar lebih daripada 3 kW tidak boleh disambungkan ke soket alur keluar. Ini bermakna litar akhir yang berasingan perlu dipasang untuk beban tersebut.

62

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.1

AKSESORI PEMASANGAN DAN PERALATAN PERLINDUNGAN Terdapat beberapa alat tambah (aksesori) dalam pemasangan elektrik. Antara yang paling banyak digunakan adalah palam 3 pin, soket alur keluar dan suis. Ada juga aksesori digunakan untuk tujuan perlindungan daripada kerosakan yang disebabkan litas pintas atau arus bocor.

4.1.1

Suis Suis adalah suatu alat mekanikal yang digunakan untuk memutus dan menyambung bekalan kepada peralatan elektrik. Terdapat banyak jenis suis diantaranya ialah suis togol, suis satu hala, suis satu kutub dua hala, suis siling dan lain-lain.

Rajah 4.2 : Suis

4.1.2

Soket alur keluar dan palam .

Alat ini diperlukan untuk menyambungkan bekalan kepada peralatan elektrik mudah alih. Soket alur keluar mempuyai dua atau tiga alur terminal manakala palam pula merupakan bahagian yang boleh digerakkan yang mempunyai dua atau tiga pin untuk dimasukkan ke dalam soket alur keluar. Saiz piawai bagi peralatan tersebut adalah 2A, 5A, 15A dan 30A.

Rajah 4.3 : Contoh Soket Alur Keluar Dan Palam

63

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.1.3

Perlindungan Arus Lebihan.

Arus lebihan ialah nilai arus tinggi mengalir dalam sesuatu litar dan lebih daripada kadar maksima yang dibenarkan. Ianya mungkin disebabkan oleh satu daripada perkara berikut ; a) Lebihan arus beban – yang disebabkan oleh beban lampau(penambahan beban lebih daripada yang dibenarkan) atau permulaan beban (arus beban naik secara mengejut pada peringkat permulaan penghidupan) b) Litar pintas - berlaku apabila pengalir fasa dan pengalir neutral bersentuhan. Ini menyebabkan pengalir kabel menjadi panas dan sekiranya alat perlindungan mengambil masa yang lama untuk memutuskan litar, kebakaran akan berlaku.

4.14

Faktor pemilihan jenis-jenis perlindungan arus lebihan a) b) c) d) e)

Jenis beban Keupayaan unit perlindungan Suhu sekeliling Alat khas Harga

4.1.5

Jenis-jenis alat perlindungan a) Fius b) Pemutus litar

4.1.6

Jenis-jenis fius a) Fius boleh dawai semula b) Fius katrij c) Fius kapasiti pemutus tinggi (hrc)

Awas!! Beban lebihan menyebabkan arus litar meningkat.

Jadual 4.1 : Perbezaan antara Talian Atas dan Kabel Bawah Tanah

Talian Atas

Kabel Bawah Tanah

1. Didirikan di kawasan luar bandar

Kawasan bandar dan rumah pangsa

2. Menggunakan tiang kayu, besi dan konkrit 3. Pengalir talian adalah tidak berpenebat

Menggunakan kabel berpenebat yang ditanam dan tahan kerosakan mekanikal Pengalir yang digunakan berpenebat

4. Penyelenggaraannya adalah mudah

Penyelenggaraannya adalah rumit

5. Kos pembinaannya murah

Kos pembinaannya tinggi

64

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.1.7

Fius Boleh Dawai Semula Ia digunakan pada pemasangan pengguna domestik atau untuk arus beban yang rendah di perindustrian ciri-ciri : a) terdiri dari dawai elemen yang disambungkan dalam satu penghubung fius yang boleh dikeluarkan dari tapak fius. b) Dawai elemen fius diperbuat dari aloi iaitu campuran timah dan plumbum atau dari kuprum tulin. c) Ia boleh ditukar ganti sekiranya elemen itu putus. d) Arus nominal bergantung kepada saiz dawai elemen fius. e) Kebaikan dan keburukan fius jenis ini adalah seperti jadual 4.2.

Jadual 4.2 : Kebaikan dan keburukan fius boleh dawai semula.

Kebaikan

Keburukan

1. Dawai elemen fius murah

Menghasilkan arka dan mengeluarkan bunyi yang kuat

2. Senang ditukar ganti

Kemungkinan silap mengganti saiz elemen fius

4.1.8

Fius Katrij Fius Katrij digunakan dalam palam 3 pin bagi perkakasan elektrik. Ia boleh dianggap sebagai fius tambahan kepada fius dalam papan agihan. Ciri-ciri ; a) Terdiri dari satu tiub yang diperbuat dari kaca atau seramik atau tembikar. b) Arus nominal fius adalah 0.15A, 0.25A, 0.5A, 0.75A,1A, 2A, 3 A, 5A dan 13A. c) Faktor fiusan diantara 1.5 hingga 1.75 kali. d) Kebaikan dan keburukan fius jenis ini adalah seperti jadual 4.3 Jadual 4.3 : Kebaikan dan keburukan fius katrij

Kebaikan 1. Kadar arus nominal diketahui dengan tepat 2. Kapasiti pemutus tidak merosot 3. Mempunyai kod warna untuk kadaran saiz yang tertentu.

4. Dapat mengelakkan terjadinya arka dan bunyi yang kuat.

Keburukan 1. Jika elemen fius putus, keseluruhan fius tidak boleh digunakan.

2. Pemegang fius hanya sesuai dengan saiz kartrij yang tertentu.

65

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.1.9

Fius Kapasiti Pemutus Tinggi Fius ini digunakan pada tempat atau beban yang memerlukan kadar kapasiti pemutusan yang tinggi. Ia mempunyai arus nominal yang besar dan mampu menanggung arus beban yang tinggi. Ciri-ciri ; a) Terdiri dari satu tuib seramik dengan penutup hujungnya yang diperbuat dari logam. b) Dawai elemen fius diperbuat dari jenis jalur perak dan disokong oleh silikon serta diselaputi oleh serbuk mineral. c) Mempunyai elemen penunjuk dan serbuk penanda. d) Faktor fiusan diantara 1.0 hingga 1.25 kali. e) Kebaikan dan keburukan fius jenis ini adalah seperti jadual 4.4.

Jadual 4.4 : Kebaikan dan keburukan fius pemutus tinggi

Kebaikan 1. Dapat mengelakkan terjadinya arka dan bunyi yang kuat.

2. Dapat mengawal arus yang tinggi.

3. Kapasiti pemutusan yang tinggi.

4. Mempunyai tanda pemutusan.

Keburukan - Paling mahal.

- Mengambil masa untuk menggantikan fius yang baru.

- Hanya sesuai dengan penghubung fius dan tapak fius yang tertentu.

- Sukar didapati.

4.1.10 Istilah-istilah yang berkaitan dengan fius ; a) Elemen fius- adalah pengalir dengan pelbagai saiz yang akan cair apabila arus yang berlebihan mengalir melaluinya b) Arus nominal - arus maksima yang boleh melalui kabel atau fius pada jangka masa yang tidak terhad dengan tidak memanaskan pengalir kabel atau mencairkan elemen fius. c) Arus fiusan - arus minima yang boleh mencairkan elemen fius. d) Faktor fiusan - nisbah arus fiusan dengan kadaran arus.

4.1.11 Pemutus Litar Ia merupakan peralatan mekanikal yang digunakan untuk membuka dan menutup litar dalam keadaan biasa (untuk tujuan penyelenggaraan) dan juga dalam keadaan litar pintas. Bila berlaku litar pintas ia akan terpelantik secara automatik.

66

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

AKTIVITI 4A 1.1 Takrifkan:a) litar pengguna b) litar kawalan turutan c) litar akhir 1.2 Lukiskan gambar rajah berlabel satu litar kawalan utama 1.3 Nyatakan fungsi peralatan pemasangan yang berikut a) fius pemutus b) meter kWj c) papan agihan 1.4 Senaraikan 2(DUA) kebaikan dan 2(DUA) keburukan fius boleh dawai semula.

4.5 Apakah yang dimaksudkan dengan litar pintas?

Semoga Berjaya !!

67

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 4A 4.1

a. Litar pengguna adalah litar yang berada di antara talian pengagihan dengan beban pengguna b.

litar kawalan turutan adalah berfungsi sebagai alat pengawalan dan perlindungan yang terdapat pada litar utama pemasangan pengguna. Ia terdiri dari alat-alat pengasingan dan penyuisan, alat perlindungan arus lebihan dan perlindungan arus bocor ke bumi

c. Llitar akhir ialah litar yang keluar dari papan agihan untuk membekalkan tenaga elektrik terus kepada peralatan elektrik.

4.2

Rajah litar kawalan turutan

kWj

4.3

4.4

a. Fius pemutus- sebagai pelindung arus lebihan dan menghadkan arus pengguna b. Meter kWj- mengukur jumlah tenaga yang telah digunakan untuk menetapkan kadar c. bayaran tarif. d. Papan agihan- pengagih litar kecil akhir dan pelindung arus lebihan Kebaikan dan keburukan fius boleh dawai semula Kebaikan

4.5

Keburukan

Dawai elemen fius murah

Menghasilkan arka dan mengeluarkan bunyi yang kuat

Senang ditukar ganti

Kemungkinan silap mengganti saiz elemen fius

Litar pintas - berlaku apabila pengalir fasa dan pengalir neutral bersentuhan. Ini menyebabkan pengalir kabel menjadi panas dan sekiranya alat perlindungan mengambil masa yang lama untuk memutuskan litar, kebakaran akan berlaku.

68

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

INPUT

4.2

KABEL Pengalir yang berpenebat dikenali sebagai kabel. Ia adalah suatu bahan yang membentuk suatu litar pada beban dalam sistem pemasangan elektrik. Kabel berupaya : a) mengalirkan arus elektrik dari bekalan kuasa ke dalam peralatan-peralatan elektrik atau mesin elektrik dengan selamat. b) menghalang berlakunya denyutan daya gerak elektrik apabila tersentuh padanya.

4.2.1

Binaan

Pada amnya ia mengandungi beberapa bahagian/lapisan seperti Rajah 4.4 di bawah.

4.2.1.1 Pengalir/Teras a) Semua kabel mempunyai satu atau lebih teras yang diperbuat dari aluminium atau kuprum yang mempunyai nilai pengaliran yang tinggi. b) Pemilihan kuprum sebagai pengalir kerana ia mempunyai nilai rintangan yang rendah, mudah di bentuk dan mudah untuk proses pemetrian. c) Ia berbentuk lembaran dawai supaya mudah dilenturkan.

Contoh ukuran kabel, 7/1.04 mm

6.0 mm2

7= 7 lembar 1.04 mm= garispusat setiap lembar pengalir luas keratan rentas keseluruhan pengalir

4.2.1.2 Penebat.

Penebat mestilah mempunyai rintangan yang tinggi bagi menghalang arus keluar. Jenis-jenis penebat yang digunakan ialah kertas isian minyak, varnish cambric, vulcanised bitumen, PVC dan getah.

69

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.2.1.3 Pelindung mekanikal.

Bahan yang digunakan disekeliling penebat untuk mengelakkan kerosakan mekanikal pada kabel semasa pemasangan atau sepanjang penggunaannya. Di antara bahan yang digunakan ialah, salutan PVC, salutan getah, pita keluli (steel tape) atau galvanizes steel wire, salutan plumbum/kuprum dan konduit atau sesalur.

1

2

3

Rajah 4.4 : Gambar rajah binaan kabel .

4.2.2

Teras Kabel Jenis-jenis teras kabel yang biasa digunakan dalam pemasangan ditunjukkan dalam Rajah 4.5.

1. Teras tunggal

2. Kabel 2 teras

3. Kabel 3 teras

4. Kabel teras berbilang.

Rajah 4.5 : Jenis-jenis teras kabel

70

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.2.3

Syarat-Syarat Pemilihan Kabel Untuk menghantar tenaga elektrik dengan selamat, ekonomikal, beberapa syarat/peraturan perlu diambil kira: a) Mempunyai saiz pengalir yang berpatutan supaya tidak berlaku kepanasan dan susutan voltan dalam had yang ditetapkan. b) Mempunyai penebat yang sempurna dan selamat. c) Kabel mestilah mempunyai kestabilan dari segi fizikal pada keseluruhannya. d) Mempunyai perlindungan mekanikal untuk mengelakkan daripada kerosakan yang teruk e) Penggunaan kabel mestilah mengikut had/kelas tertentu sesuai dengan nilai voltan yang digunakan.

4.2.4

Faktor Pemilihan Jenis Kabel a) b) c) d) e) f) g)

4.2.5

Tempat hendak digunakan/keadaan sekeliling Jenis pendawaian/jenis beban yang digunakan Jangka masa ketahanan yang dikehendaki Kemungkinan kerosakan yang akan dihadapi Perbelanjaan yang dianggarkan Rupabentuk Mampu yang membawa arus maksima tanpa pemanasan yang keterlaluan.

Kord Dan Kabel Boleh Lentur Ia merupakan suatu jenis kabel yang mempunyai lembaran pengalir yang banyak dan halus.

Ia lebih mudah dilenturkan berbanding dengan kabel biasa. Jadual 4.5 adalah perbandingan di antara kord dan kabel boleh lentur.

Jadual 4.5 : Perbandingan kord dan kabel boleh lentur

Kord boleh lentur

Kabel boleh lentur

1. Luas keratan rentas keseluruhan pengalir bagi kord ialah 4.0 mm2 atau kurang

Luas keratan rentas keseluruhan pengalir bagi kabel ialah lebih 4.0 mm2

2. Disambung di antara siling ros dan pemegang lampu anting-anting

Disambungkan untuk kadaran beban yang lebih besar

3. Disambungkan antara plug atau palam dan alat-alat mudah alih

Disambungkan di antara palam dan alat-alat tetap

71

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

Nama kabel adalah bergantung kepada; a) Perlindungan mekanikalnya b) Penebatan yang digunakan c) Teras pengalir kabel tersebut 4.2.6

Jenis-Jenis Kord Dan Kabel Boleh Lentur 1. Penebat PVC kembar selari

penebat

pengalir

2. Penebat PVC kembar berpintal

3. Penebat PVC beranyam i

i. ii. iii. iv.

ii

iii

iv

pengalir salut PVC anyaman benang salut PVC

Rajah 4.6 Jenis-Jenis Kord dan Kabel Boleh Lentur.

72

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.2.7

Fungsi Kabel dan Pengenalan Warna Jadual 4.6 : Pengenalan warna kabel

FUNGSI KABEL Pengalir perlindungan Pengalir litar satu fasa Fasa R bagi litar 3 fasa Fasa Y bagi litar 3 fasa Fasa B bagi litar 3 fasa Positif bagi litar 2, 3 dawai arus terus (a.t) Negatif bagi litar 2 dawai arus terus (a.t) Negatif bagi litar 3 dawai arus terus (a.t) Dawai tengah bagi litar 3 dawai (a.t)

PENGENALAN WARNA Hijau dan kuning Merah atau kuning atau biru Merah Kuning Biru Merah Hitam Biru Hitam

Jadual 4.7 : Kabel Yang Digunakan Oleh TNB

JENIS

VOLTAN

PVC INSULATED -Single core -Twin core -Multicore

LV LV LV

PAPER INSULATED -Single core -Belted -Screened

6.6kV, 11kV, 22kV,33kV LV, 6.6kV, 11kV 22kV, 33kV

OIL FILLED -3 Core self contained -Single core self contained

22kV, 33kV, 132kV 132kV

XLPE -Aerial cable -Single core -XLPE 3 core

11kV, 33kV{SAXKA) 11kV, 22kV,33kV,132kV 11kV

73

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

AKTIVITI 4B

4.6

Berikan takrifan istilah yang berikut :i.

Kabel ii. iii. penebat kabel iv.

4.7

Lakarkan dan labelkan rajah binaan kabel penebatan PVC.

4.8

Pengalir kabel Pelindung mekanikal

Nyatakan DUA faktor utama yang perlu difikirkan sebelum membuat pemilihan saiz kabel.

4.9

Berikan TIGA sebab mengapa pengalir kabel biasanya diperbuat dari kuprum.

4.10

Tukarkan saiz kabel 7/2.14mm dalam bentuk luas keratan rentas. Tunjukkan pengiraan anda.

Semak jawapan anda pada maklum balas di sebelah.

74

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS 4B 4.6 i. Ia adalah suatu bahan yang membentuk suatu litar pada beban dalam sistem pemasangan elektrik ii. Berfugsi membawa bekalan elektrik iii. Penebat adalah bahan yang mempunyai rintangan yang tinggi bagi menghalang arus mengalir keluar iv. Bahan yang digunakan disekeliling penebat untuk mengelakkan kerosakan mekanikal pada kabel semasa pemasangan atau sepanjang penggunaannya

4.7

1

1.

2.

3.

4.

4.8

2

3

4

pengalir salut PVC anyaman benang salut PVC

Faktor pemilihan saiz kabel i. suhu/kepanasan ii. tahap voltan

4.9 Pemilihan kuprum sebagai pengalir kerana ia mempunyai nilai rintangan yang rendah, mudah di bentuk dan mudah untuk proses pematerian(soldering) 4.10

d= 7 x 2.14mm A= π d2 = π(7 x 2.14)2 = 176.24 mm2 4

4

75

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

Penilaian Kendiri Untuk mengukur prestasi, anda mestilah menjawab semua soalan penilaian kendiri ini untuk dinilai oleh pensyarah anda

1. Takrifkan:-

i. ii. iii.

litar pengguna litar akhir kabel

2. Lukiskan gambar rajah satu litar kawalan turutan serta nyatakan fungsi bagi setiap komponen dalam litar tersebut.

1. Berikan sebab-sebab berlakunya arus lebihan 2. Senaraikan kebaikan dan keburukan fius kapasiti pemutus tinggi 3. Lukiskan binaan utama kabel serta nyatakan fungsi bagi setiap binaan tersebut.

4. Nyatakan 2(DUA) kegunaan kord boleh lentur.

5. Nyatakan 4 (EMPAT) faktor pemilihan jenis kabel.

SELAMAT

76

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

MAKLUM BALAS KENDIRI

1 ( i). Litar pengguna adalah litar yang berada di antara talian pengagihan dengan beban pengguna ii. litar akhir ialah litar yang keluar dari papan agihan untuk membekalkan tenaga elektrik terus kepada peralatan elektrik. iii. Pengalir yang berpenebat dikenali sebagai kabel. Ia adalah suatu bahan yang membentuk suatu litar pada beban dalam sistem pemasangan elektrik

2. kWj

1

2

3

4

5

1. fius pemutus dan perangkai neutral- sebagai pelindung arus lebihan dan menghadkan arus pengguna 2. meter kWj- mengukur jumlah tenaga yang telah digunakan untuk menetapkan kadar bayaran tarif.

3 suis utama- sebagai pengasing litar dan perlindungan arus lebihan 4. pemutus litar bocor ke bumi kendalian arus- alat pelindung kepada kebocoran arus ke bumi dan sebagai pengasing litar.

5. papan agihan- pengagih litar kecil akhir dan pelindung arus lebihan.

3.

Sebab-sebab arus lebihan berlaku ialah ; i. lebihan arus beban – yang disebabkan oleh beban lampau(penambahan beban lebih daripada yang dibenarkan) atau permulaan beban (arus beban naik secara mengejut pada peringkat permulaan penghidupan) ii. litar pintas- berlaku apabila pengalir fasa dan pengalir neutral bersentuhan. Ini menyebabkan pengalir kabel menjadi panas dan sekiranya alat perlindungan mengambil masa yang lama untuk memutuskan litar, kebakaran akan berlaku.

77

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

4.

Kebaikan dan keburukan fius kapasiti pemutus tinggi; Kebaikan 1. Dapat mengelakkan terjadinya arka dan bunyi yang kuat

5.

Keburukan Paling mahal

2. Dapat mengawal arus yang tinggi

Mengambil masa untuk menggantikan fius yang baru

3. Kapasiti pemutusan yang tinggi

Hanya sesuai dengan penghubung fius dan tapak fius yang tertentu

4. Mempunyai tanda pemutusan

Sukar didapati

Komponen utama binaan sebuah kabel adalah seperti rajah

1

2

3

1. Pengalir/Teras Semua kabel mempunyai satu atau lebih teras yang diperbuat dari aluminium atau kuprum yang mempunyai nilai pengaliran yang tinggi.

Pemilihan kuprum sebagai pengalir kerana ia mempunyai nilai rintangan yang rendah, mudah di bentuk dan mudah untuk proses pematerian.

Ia berbentuk lembaran dawai supaya mudah dilenturkan.

2. Penebat.

Penebat mestilah mempunyai rintangan yang tinggi bagi menghalang arus mengalir keluar.

Jenis-jenis penebat yang digunakan ialah kertas isian minyak, varnish cambric, vulcanised bitumen, PVC dan getah.

3. Pelindung mekanikal.

Bahan yang digunakan disekeliling penebat untuk mengelakkan kerosakan mekanikal pada kabel semasa pemasangan atau sepanjang penggunaannya. Di antara bahan yang digunakan ialah, salutan PVC, salutan getah, pita keluli (steel tape) atau galvanizes steel wire, salutan plumbum/kuprum dan konduit atau sesalur.

78

SISTEM PEMASANGAN ELEKTRIK

6.

7.

Dua kegunaan kod boleh lentur ; i.

Disambung di antara siling ros dan pemegang lampu anting-anting. ii.

Disambungkan antara plugatau palam dan alat-alat mudah alih Faktor pemilihan jenis kabel i. tempat hendak digunakan/keadaan sekeliling ii. jenis pendawaian/jenis beban yang digunakan iii. jangka masa ketahanan yang dikehendaki iv. kemungkinan kerosakan yang akan dihadapi v. perbelanjaan yang dianggarkan vi. rupabentuk vii. lampu yang membawa arus maksima tanpa pemanasan yang keterlaluan.

BOLEH TERUSKAN KE UNIT 5

79

PRINSIP ASAS PEARUH

PRINSIP ASAS PEARUH (INDUCTOR)

OBJEKTIF AM

Unit

5

Memahami prinsip-prinsip asas pearuh dalam litar elektrik.

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Mentakrifkan pearuh beserta dengan unitnya.  Menerangkan daya gerak elektrik teraruh hasil daripada pemotongan fluk.  Menjelaskan penyusunan pearuh dalam litar siri dan selari.  Memberikan contoh-contoh kesan pearuh dalam litar dan alat elektrik.

80

PRINSIP ASAS PEARUH

INPUT

5.0

PEARUH Penambahan arus di dalam pengalir akan mewujudkan medan magnet berubah-ubah yang akan menghasilkan voltan di dalam pengalir. Voltan yang terhasil ini akan menentang voltan bekalan dan juga arusnya. Litar elekitrik yang mempunyai sifatsifat menentang perubahan arus dipanggil kearuhan. Komponen elektronik yang mempunyai ciri-ciri ini dipanggil pearuh. Kadang-kala pearuh juga dipanggil gegelung atau pencekik. Pearuh dibuat dengan melilitkan gelung pengalir dalam bentuk gegelung. Terdapat dua jenis pearuh yang selalu digunakan dalam litar elektronik iaitu pearuh jenis tetap dan pearuh jenis bolehubah.

5.1

UNIT KEARUHAN Unit bagi kearuhan adalah Henry. 1 Henry menunjukkan jumlah kearuhan yang dipunyai oleh belitan jika arusnya berubah pada kadar 1 ampere saat dan menghasilkan voltan teraruh sebanyak 1 volt.

1 Henry (H) = 1000000 atau 106 mikroHenry (μH) 1 miliHenry (mH) = 1000 atau 103 mikroHenry (μH) 1 1 miliHenry (mH) = atau 10-3 Henry (H) 1000 1 1 mikroHenry ( µ H) = atau 10-6 Henry (H) 1000000 1 1 mikroHenry ( µ H) = atau 10-3 miliHenry (mH) 1000 5.1.1

Aruhan Satu keadaan yang menentang sebarang perubahan arus yang melaluinya.

Terdapat dua jenis aruhan iaitu: a) Aruhan diri (L) b) Aruhan saling (M)

81

PRINSIP ASAS PEARUH

5.1.2

Aruhan Diri (L)

d.g.e

I

V Rajah 5.1: Gambar Rajah Aruhan Diri

Apabila arus mengalir dialirkan di dalam satu gegelung (Rajah 5.1) dan mengalami perubahan maka urat daya yang dihasilkan di dalam gegelung tersebut turut berubah.

Perubahan ini akan menghasilkan d.g.e. dalam geglung tersebut. D.g.e. ini mempunyai arah yang berlawanan dengan arah voltan bekalan. Sifat gelung seperti ini dinamakan sebagai aruhan diri dan gelung ini dikenali sebagai pearuh.

L Unitnya : Henry (H) Simbolnya : 5.1.3

Aruhan Saling (M) fluks, φ

I

beban

A

N1

N2

B d.g.e

ke

Rajah 5.2: Gambar Rajah Aruhan Saling

Arus ulang-alik dialirkan dalam satu gelung (gelung A) dan urat daya yang dihasilkan bertaut dengan gelung yang lain (gelung B) yang diletakkan berhampiran dengannya hingga menghasilkan daya gerak elektrik dalam gelung yang kedua tersebut, maka sifat-sifat ini dikenali sebagai aruhan saling. Contoh aruhan saling ialah pengubah. 1 Henry aruhan saling adalah merupakan perubahan arus 1 ampere sesaat di dalam satu gegelung dan mengaruhkan voltan sebanyak 1 volt di dalam gegelung yang lain.

Unitnya : Henry (H) Simbolnya :

M

M

82

PRINSIP ASAS PEARUH

Aruhan Saling juga boleh ditakrifkan sebagai kebolehan sesuatu gelung (atau litar) untuk menghasilkan satu d.g.e. di dalam sebuah gelung (litar) berhampiran melalui aruhan apabila arus dalam gelung pertama berubah.

5.1.4

Pembuktian Formula Aruhan Diri, L Arah d.g.e. sentiasa berlawanan dengan arah arus elektrik maka: D.G.E. terjana disebabkan oleh perubahan urat daya, dφ e1 = − N dt D.G.E. terjana disebabkan oleh perubahan arus, di e2 = − L dt

(5.1)

(5.2)

Menggunakan Hukum Faraday;

e1 = e2

−N

di dφ = −L dt dt

L=N

dφ dt • dt di

Aruhan diri,

di mana :

(5.3)

L N dφ dt di dt

L=N

dφ di

= aruhan diri = bilangan lilitan gegelung = perubahan fluks berangkai = kadar perubahan arus

5.1.5 Tenaga Di Dalam Pearuh Untuk mencari tenaga yang disimpan di dalam pearuh:

E=

1 2 LI 2

(5.4)

Unit bagi tenaga : Joule (J)

83

PRINSIP ASAS PEARUH

AKTIVITI 5A 5.1

Berikan definisi bagi pearuh, kearuhan dan aruhan.

5.2

Dengan bantuan gambar rajah, terangkan prinsip aruhan diri.

5.3

Nyatakan perbezaan di antara aruhan diri dan aruhan saling.

5.4

Nyatakan jenis-jenis aruhan yang berlaku di dalam litar kearuhan.

84

PRINSIP ASAS PEARUH

MAKLUM BALAS 5A 5.1

Pearuh – Komponen elektronik yang mempunyai sifat menentang perubahan arus.

Kearuhan – Litar elektrik yang mempunyai sifat menentang perubahan arus.

Aruhan – Sifat yang menentang perubahan arus.

5.2

Aruhan Diri (L)

d.g.e

Gambar rajah aruhan diri Apabila arus mengalir dialirkan di dalam satu gegelung (Rajah 5.1) dan mengalami perubahan maka urat daya yang dihasilkan di dalam gegelung tersebut turut berubah. Perubahan ini akan menghasilkan d.g.e. dalam geglung tersebut. D.g.e. ini mempunyai arah yang berlawanan dengan arah voltan bekalan. Sifat gelung seperti ini dinamakan sebagai aruhan diri dan gelung ini dikenali sebagai pearuh.

5.3

Perbezaan yang ketara antara aruhan diri dan aruhan saling ialah aruhan diri melibatkan satu gelung dan aruhan saling pula adalah melibatkan dua gelung.

5.4

Terdapat dua jenis aruhan yang berlaku dalam litar pearuh iaitu aruhan diri dan aruhan saling.

85

PRINSIP ASAS PEARUH

INPUT 5.2

PENYUSUNAN PEARUH DALAM LITAR SESIRI DAN SELARI 5.2.1

Litar Sesiri L1

A

L2

L3

L4

B

Rajah 5.1 : Susunan Pearuh Dalam Litar Sesiri

Kearuhan jumlah bagi litar sesiri (Rajah 5.1) adalah hasil tambah kepada semua nilai kearuhan dalam litar tersebut seperti yang ditunjukkan dalam persamaan (5.5) di bawah.

LJ = L1 + L2 + L3 + L4 5.2.2

(5.5)

Litar Selari Kearuhan jumlah bagi litar selari (Rajah 5.2) boleh dikira menggunakan persamaan (5.6) di bawah.

A

L1

B

L2

L3

Rajah 5.2

1 1 1 1 = + + LJ L1 L2 L3

(5.6)

86

PRINSIP ASAS PEARUH

Contoh 5.1 Berapakah jumlah kearuhan bagi tiga (3) buah gegelung masing-masing dengan nilai 0.02H, 44mH, 400µH jika ia disambung secara : a) Sesiri b) Selari Penyelesaian : L1 = 0.02H L2 = 44mH = 44 x 10-3 = 0.044H L3 = 400µH = 400 x 10-6 = 0.0004H a)

kearuhan jumlah,

LJ = L1 + L2 + L3

b)

kearuhan jumlah,

1 1 1 1 = + + LJ L1 L2 L3

(kerana sesiri) LJ = 0.02 + 0.044 + 0.0004 = 0.0644H

=

(kerana selari)

1 1 1 + + 0.02 0.044 0.0004

= 2572.73 ∴ LJ =

1 = 389 X 10-6 = 389µH 2572.73

Perhatian!!!

Pastikan semua nilai kearuhan ditukar kepada unit yang sama terlebih dahulu sebelum pengiraan dilakukan.

87

PRINSIP ASAS PEARUH

5.2.3

Kesan Pearuh Dalam Litar Dan Alat Elektrik Pearuh yang dipasangkan di dalam litar elektrik mempunyai beberapa kegunaan antaranya; a) Untuk melicinkan riak-riak gelombang dalam litar arus terus. b) Untuk memperbaiki ciri-ciri pemancaran gelombang dalam talian telefon.

5.2.4

Regangan Berkearuhan, X L Dalam litar arus ulang-alik arus sentiasa berubah-ubah secara berterusan yang seterusnya mengaruhkan d.g.e. balikan secara berterusan. D.g.e. ini akan menentang arus secara berterusan juga. Penentangan terhadap aliran arus oleh kearuhan inilah yang dipanggil regangan berkearuhan. Ia disimbolkan sebagai XL dan unitnya Ohm (Ω). Nilai regangan berkearuhan dalam sesuatu litar bergantung kepada kearuhan litar itu dalam kadar perubahan arus litar itu. Kadar perubahan arus bergantung kepada frekuensi voltan bekalan. Secara matematik, regangan berkearuhan boleh dikira daripada formula persamaan (5.7).

X L = 2πfL

(5.7)

dimana : XL = Regangan Berkearuhan (Ω) f = Frekuensi (Hz) L = Pearuh / kearuhan (Henry)

Contoh 5.2 Satu gegelung mempunyai kearuhan 0.2H dan disambungkan dalam litar AU 200V, 50Hz. Kirakan regangan berkearuhan dalam litar tersebut.

Penyelesaian :

X L = 2πfL

= 2π (50)(0.2) = 62.8 Ω.

88

PRINSIP ASAS PEARUH

AKTIVITI 5B 5.5

Kirakan jumlah kearuhan bagi tiga (3) buah gegelung masing-masing dengan nilai 0.05H, 30mH, 755µH jika ia disambung secara : a) sesiri b) selari

5.6

Berikan definisi regangan berkearuhan. Seterusnya nyatakan unit dan simbolnya.

5.7

Berikan dua kegunaan pearuh dalam litar elektrik.

Tahukah Anda ?

Analisis litar pearuh sama dengan analisis litar perintang.

89

PRINSIP ASAS PEARUH

MAKLUM BALAS 5B 5.5

Diberi , L1 = 0.05H L2 = 30mH = 30 x 10-3 = 0.030H L3 = 755µH = 755 x 10-6 = 0.000755H a)

(kerana sesiri) kearuhan jumlah, L J = L1 + L2 + L3 LJ = 0.05 + 0.030 + 0.000755 = 0.080755H = 80.755mH

b)

kearuhan jumlah,

1 1 1 1 = + + LJ L1 L2 L3 =

(kerana selari)

1 1 1 + + 0.05 0.030 0.000755

= 1377.84 ∴ LJ =

1 = 7.25 X 10-4 = 725µH 1377.84

5.6

Penentangan terhadap aliran arus oleh kearuhan inilah yang dipanggil regangan berkearuhan. Ia disimbolkan XL Unit Ohm (Ω).

5.7

i. Untuk melicinkan riak-riak gelombang dalam litar arus terus. ii. Untuk memperbaiki ciri-ciri pemancaran gelombang dalam talian telefon.

90

PRINSIP ASAS PEARUH

Penilaian Kendiri 1.

Dengan bantuan gambar rajah terangkan mengenai aruhan saling.

2.

Dengan menggunakan Hukum Faraday, tunjukkan bahawa,

3.

Dapatkan kearuhan jumlah (LAB) bagi litar-litar Rajah K5.1 di bawah.

L=N

dφ . di

i).

L1 =7mH A

L2 = 2H

L3 =0.4H

3mH

6µH

L4 = 250 µ H

B ii).

A

B 6H

7µH Rajah K5.1

91

PRINSIP ASAS PEARUH

MAKLUM BALAS KENDIRI 1. Prinsip Aruhan Saling (M) fluks, φ I

beban

A

N2

N1

B d.g.e

ke

Gambar rajah aruhan saling Arus ulang-alik dialirkan dalam satu gelung (gelung A) dan urat daya yang dihasilkan bertaut dengan gelung yang lain (gelung B) yang diletakkan berhampiran dengannya hingga menghasilkan daya gerak elektrik dalam gelung yang kedua tersebut, maka sifat-sifat ini dikenali sebagai aruhan saling. Contoh aruhan saling ialah pengubah. 1 Henry aruhan saling adalah merupakan perubahan arus 1 ampere sesaat di dalam satu gegelung dan mengaruhkan voltan sebanyak 1 volt di dalam gegelung yang lain.

2. D.g.e. terjana disebabkan oleh perubahan urat daya, e1 = − N dg.e terjana disebabkan oleh perubahan arus,

e2 = − L

menggunakan Hukum Faraday;

di dt

dφ dt

e1 = e2

−N

di dφ = −L dt dt

L=N

dφ dt dφ • =N (terbukti) di dt di

92

PRINSIP ASAS PEARUH

3(i).

L34 =

L3 L4 (0.4)(250 x10−6 ) = = 2.5 x10− 4 H (selari) −6 L3 + L4 (0.4 + 250 x10 )

LA = L341

∴ LAB

3(ii).

= L34 + L1 = (2.5 x10−4 ) + 7 x10−3 = 7.25 x10−3 H

LA L2 (7.25 x10−3 )(2) = = = 7.22 x10− 3 = 7.22mH −3 LA + L2 (7.25 x10 + 2)

(6)(7 x10−6 ) = 6.98 x10− 6 LA = −6 (6 + 7 x10 )

(selari)

LB = 3 x10−3 + 6 x10−6 = 3006 x10−6 ∴ LAB

(sesiri)

(sesiri)

LA LB (6.98 x10−6 )(3006 x10−6 ) = = = 6.98 x10− 6 = 6.98µH −6 −6 LA + LB (6.98 x10 + 3006 x10 )

Tahniah!! Jika anda dapat menyelesaikan semua soalan di atas. Jika tidak perbanyakkan latihan yang melibatkan analisis litar pearuh

93

PRINSIP ASAS PEMUAT

PRINSIP ASAS PEMUAT (CAPACITOR)

OBJEKTIF AM Memahami prinsip-prinsip asas pemuat dalam litar elektrik.

Unit

6

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Mentakrifkan pemuat beserta dengan unitnya.  Melukis cas-cas di atas plat pemuat.  Menjelaskan penyusunan pemuat dalam litar siri dan selari.  Memberikan contoh-contoh kesan pemuat dalam litar dan alat elektrik.

94

PRINSIP ASAS PEMUAT

INPUT

6.0

PEMUAT Pemuat adalah satu peranti elektrik yang berkemampuan untuk menyimpan tenaga elektrik. Kuantiti dan lamanya tenaga yang boleh disimpan bergantung kepada nilai kemuatan pemuat tersebut. Tenaga elektrik yang disimpan di dalam pemuat berbentuk cas di mana satu plat akan mempunyai cas negatif (-ve) dan plat lain mempunyai cas berlawanan iaitu cas positif (+ve) seperti dalam Rajah 6.1 di bawah.

Arah pengaliran arus

V

++++ ____

++++ ____

C

Rajah 6.1 : Cas Di Atas Plat Pemuat

Pemuat atau juga dinamakan kondenser terbina dengan dua pengalir yang disusun bertentangan antara satu sama lain dan dipisahkan oleh bahan penebat . Pengalir bagi penebat itu dipanggil plat dan penebat pemisah itu dipanggil dielektrik seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.2(a), manakala Rajah 6.2(b) pula menunjukkan simbol bagi pemuat.

Penebat

Pengalir

Simbol : C

(a)

Unit : Farad (F) (b)

Rajah 6.2 : Binaan Asas Pemuat

95

PRINSIP ASAS PEMUAT

6.1

KEMUATAN Kemuatan ialah sifat sesuatu pemuat untuk menyimpan tenaga elektrik . Ia juga boleh ditakrifkan sebagai kuantiti atau jumlah cas elektrik yang diperlukan untuk mengadakan satu perbezaan upaya di antara dua platnya. Unit bagi kemuatan ialah Farad (F), simbolnya C. Kemuatan 1 Farad bermakna suatu pemuat boleh menyimpan 1 coulomb cas elektrik apabila voltan dibekalkan pada pemuat itu ialah 1 volt. Hal ini dapat ditunjukkan secara persamaan (6.1).

Kemuatan, (Farad) =

C=

Cas (Coulomb) Bezaupaya(Volt )

Q V

(6.1)

Dalam penggunaan harian, unit Farad mungkin terlalu besar untuk digunakan.

Kemuatan pemuat biasanya menggunakan unit-unit gabungan yang lebih kecil misalnya mikroFarad (μF) atau pikoFarad (pF).

1 mikroFarad = 10-6 Farad 1 pikoFarad = 10-12 Farad 6.2

TENAGA ELEKTRIK DI DALAM PEMUAT Tenaga elektrik di dalam pemuat boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.2) di bawah.

E =

1 QV 2

(6.2)

Kita juga boleh menerbitkan beberapa formula tenaga eletrik di dalam pemuat dengan memasukkan persamaan (6.1) ke dalam persamaan (6.2).

E=

1 1 Q2 CV 2 dan E = ( ) 2 2 C

(6.3)

96

PRINSIP ASAS PEMUAT

Contoh 6.1 : Sebuah pemuat 8pF di sambungkan ke bekalan kuasa 600V. Kirakan cas dan tenaga yang dapat disimpan oleh pemuat tersebut.

Penyelesaian : Diketahui cas, Q = CV −12 = (8 x10 )(600) = 4.8 x 10-7 C

tenaga elektrik, E =

6.3

JENIS-JENIS PEMUAT a) b) c) d) e) f) g)

6.4

1 QV = (4.8 x10−12 )(600) = 2.88 x 10-9 Joule 2

Pemuat Jenis Dielektrik Udara Boleh Ubah Pemuat Jenis Kertas Pemuat Jenis Poliester Pemuat Jenis Mika Pemuat Jenis Seramik Pemuat Jenis Elektrolitik Pemuat Jenis Tantalum

KEGUNAAN PEMUAT DALAM LITAR ELEKTRIK a) b) c) d) e)

Meninggikan faktor kuasa litar elektrik.

Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar.

Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour.

Menguatkan arus elektrik.

Menyimpan cas elektrik.

Pelajar semua seharusnya faham di dalam pertukaran unit kerana ia mempengaruhi jawapan di dalam sebarang pengiraan.

Jika tidak pasti, gunakan calculator.

97

PRINSIP ASAS PEMUAT

AKTIVITI 6A 6.1. Berikan takrifan bagi pemuat dan kemuatan .

6.2. Lukiskan gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat.

6.3. Sebuah pemuat 50μF di sambungkan ke bekalan kuasa 240V. Kirakan cas dan tenaga yang dapat disimpan oleh pemuat tersebut.

6.4. Nyatakan tiga(3) kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik.

98

PRINSIP ASAS PEMUAT

MAKLUM BALAS 6A 6.1. Pemuat ialah komponen elektronik yang berkemampuan untuk menyimpan cas eletrik.

Kemuatan ialah sifat sesuatu pemuat yang berkemampuan untuk menyimpan cas dan tenaga elektrik.

6.2. Gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat adalah seperti rajah di bawah; Arah pengaliran arus

V

++++ ____

++++ ____

C

Cas di atas plat pemuat 6.3.

Diketahui cas, Q = CV −6 = (50 x10 )(240) = 12 x 10-3 C

tenaga elektrik, E =

1 QV = (12 x10 −12 )(240) = 2.88 Joule 2

6.3. Kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik adalah : a). Meninggikan faktor kuasa litar elektrik. b). Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar. c). Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour. d). Menguatkan arus elektrik. e). Menyimpan cas elektrik.

(Pilih tiga sahaja)

99

PRINSIP ASAS PEMUAT

INPUT

6.5

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI NILAI KEMUATAN Terdapat tiga(3) faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat iaitu, keluasan plat, jarak di antara plat dan ketelapan.

6.5.1

Keluasan Plat, A Di mana kemuatan berkadar terus dengan luas keratan rentas bagi plat. Ini bermakna kemuatan sebuah pemuat berubah mengikut keluasan plat pemuat.

Keluasan plat yang besar dapat menampung banyak elektron dan dapat menyimpan banyak cas.

C ∝ A. 6.5.2

Jarak Di Antara Kedua-Dua Plat, d Di mana kemuatan berkadar songsang dengan jarak di antara plat. Ini bermakna kemuatan bagi satu pemuat berubah apabila jarak di antara platnya berubah.

Kemuatan akan bertambah apabila plat-plat didekatkan bersama dan berkurangan apabila plat-platnya dijauhkan.

C∝ 6.5.3

Ketelapan,

1 d

ε

Di mana kemuatan berkadar terus dengan ketelapan pengalir.

C ∝ε

.

100

PRINSIP ASAS PEMUAT

6.6

REGANGAN BERKEMUATAN, X C Dalam litar AU arus dan voltan bekalan sentiasa berubah-ubah. Oleh itu proses mengecas juga berubah. Pada separuh kitar pertama, ia mengecas pada satu arah arus dan pada separuh kitar kedua ia mengecas pemuat itu pada arah yang bertentangan pula.

Pada masa yang sama wujud satu nilai penentangan arus ketika voltan bekalan mula menurun yang dipanggil regangan. Dalam litar pemuat regangan ini dipanggil regangan berkemuatan,. Nilai regangan berkemuatan ini berkadar songsang dengan nilai frekuensi voltan A.U. Dalam bentuk persamaan matematik ia boleh ditulis seperti persamaan (6.4).

Simbol : X C

XC =

,

Unit : ohm ( Ω )

1 , di mana ω = 2πf . ωC

XC =

1 2πfC

(6.4)

di mana, C = kemuatan (F) f = frekuensi(Hz ) ω = halaju sudut (rads-1) 2π = pemalar Contoh 6.2 Pemuat 8μF disambungkan ke bekalan 240V, 50Hz. Kirakan berapakah nilai regangan berkemuatan.

Penyelesaian :

XC =

1 1 = = 397.9Ω 2πfC 2π (8 x10− 6 )

101

PRINSIP ASAS PEMUAT

6.7

PENYUSUNAN PEMUAT DALAM LITAR SESIRI DAN SELARI Kaedah analisis litar pemuat berbeza sedikit dengan kaedah analisis litar pearuh dan perintang. Dalam bahagian ini para pelajar akan didedahkan mengenai analisis litar sesiri, selari dan gabungan kedua-duanya.

6.7.1

Litar Sesiri C1

C2

C3

V Rajah 6.3 : Litar Sesiri

a). Kemuatan jumlah bagi litar sesiri boleh dikira menggunakan persamaan (6.5).

1 1 1 1 = + + C j C1 C 2 C3

(6.5)

Persamaan (6.5) di atas boleh juga ditulis dalam bentuk persamaan (6.6).

Cj =

C1C2C3 C1C2 + C1C3 + C2C3

(6.6)

b). Cas setiap pemuat adalah sama,

Q1 = Q2 = Q3 = Q j , di mana Q j = C jV

(6.7)

c). Kejatuhan voltan pada setiap pemuat adalah berbeza bergantung kepada nilai kemuatan masing-masing dan boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.8).

VC1 =

Qj C1

, VC 2 =

Qj C2

dan

VC 3 =

Qj C3

(6.8)

102

PRINSIP ASAS PEMUAT

Untuk dua(2) buah pemuat seperti litar Rajah 6.4 di bawah, kemuatan jumlah juga boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.9).

C1

V

Cj =

C1C2 C1 + C2

(6.9)

(6.9)

C2

Rajah 6.4 : Litar Sesiri 2 Pemuat

Kejatuhan voltan pada setiap pemuat boleh dikira dengan menggunakan formula (6.10) di bawah.

C2 )V C1 + C2 C1 =( )V C1 + C 2

VC1 = (

VC 2

(6.10)

Cas yang melalui setiap pemuat juga sama,

Q1 = Q 2 = Q j di mana Q j = C jV .

Begitu juga untuk mengira kemuatan jumlah. Pelajar digalakkan menggunakan pers.(6.5) kerana pelajar selalu cuai apabila menggunakan pers.(6.6)

Pelajar digalakkan menggunakan per. (6.8) untuk mengira kejatuhan voltan pada setiap pemuat. Pers.(6.10) tidak digalakkan kerana ia mengelirukan pelajar.

103

PRINSIP ASAS PEMUAT

6.7.2

Litar Selari a). Kemuatan jumlah, Cj bagi litar pemuat selari adalah hasil tambah semua kemuatan dalam litar. Formula matematiknya adalah seperti persamaan (6.11) di bawah.

V

C1

C2

C3

Rajah 6.5 : Litar Selari

C j = C1 + C2 + C3

(6.11)

b). Kejatuhan voltan pada setiap pemuat adalah sama ;

VC1 = VC 2 = VC 3 = V j

(6.12)

c). Cas yang melalui setiap pemuat adalah berbeza bergantung kepada nilai kemuatan pemuat tersebut dan ia boleh dikira dengan menggunakan persamaan (6.13).

QC1 = C1V j , QC 2 = C 2V J

dan QC 3 = C 3V j

(6.13)

Contoh 6.3 Berapakah nilai kemuatan bagi tiga(3) buah pemuat, masing-masing dengan kemuatan 120μF jika ia disambung secara : a) selari b) sesiri Penyelesaian a) C J = C1 + C2 + C3 = (120+120+120) x 10-6 = 360 x 10-6 = 360 μF b)

1 1 1 1 1 1 1 1 3 = + + = + + = = C j C1 C2 C3 120 120 120 120 40

(selari)

(sesiri)

∴ C j = 40 µF .

104

PRINSIP ASAS PEMUAT

Contoh 6.4 Dua(2) buah pemuat mempunyai kemuatan masing-masing dengan nilai 6 µF dan 10 µF dihubungkan bersiri dengan satu bekalan kuasa 200V. Dapatkan ; a) Jumlah kemuatan b) Cas setiap pemuat c) Bezaupaya merentasi setiap pemuat.

Penyelesaian : a)

Kemuatan jumlah, C j

Cj = b)

c)

(6)(10) C1C2 = 3.75µF = C1 + C2 6 + 10

Cas setiap pemuat adalah sama ,

Q1 = Q2 = Q j = C j V = (3.75 x10 −6 )(200) = 750 x10 −6 = 750 µC Kejatuhan voltan pada setiap pemuat,

Qj

750 x10−6 = = 125V V1 = 6 x10− 6 C1 Qj

750 x10−6 V2 = = = 75V C2 10 x10− 6

Tahukah Anda ? Jika di dalam suatu soalan itu mempunyai nilai yang sama unitnya, semasa penyelesaian dilakukan unit tersebut tidak perlu dimasukkan untuk memudahkan proses pengiraan. Unit hanya perlu dimasukkan pada jawapan akhir sahaja.

105

PRINSIP ASAS PEMUAT

AKTIVITI 6B 6.4. Nyatakan faktor-faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat.

6.5. Apakah yang dimaksudkan dengan regangan berkemuatan.

6.6 Berapakah nilai kemuatan bagi tiga(3) buah pemuat, masing-masing dengan kemuatan 120μF, 240 µF dan 360 µF jika ia disambung secara : a). Selari b). Sesiri

Selesaikan soalan dalam aktiviti ini sebelum anda menjawab soalan dalam Penilaian Kendiri..

Selamat Mencuba.

106

PRINSIP ASAS PEMUAT

MAKLUM BALAS 6B 6.4 Terdapat tiga(3) faktor yang mempengaruhi nilai kemuatan sebuah pemuat ; i). Keluasan plat ii). Jarak antara plat iii). Ketelapan penebat.

6.5 Regangan berkemuatan ialah penentangan pengaliran arus terhadap pemuat apabila bekalan voltan mula menurun.

6.6

a) C J = C1 + C2 + C3 = (120+240+360) x 10-6 = 720 x 10-6 = 720 μF b)

1 1 1 1 1 1 1 = + + = + + = 0.0153 C j C1 C 2 C 3 120 240 360

∴ Cj =

(selari)

(sesiri)

1 = 65.45µF .

0.0153

107

PRINSIP ASAS PEMUAT

Penilaian Kendiri 1.

Berikan definisi bagi regangan berkemuatan berserta persamaan dalam bentuk matematik.

2.

Berikan definisi pemuat, seterusnya lukiskan binaan asas pemuat beserta simbol dan unitnya.

3.

Lukiskan gambar rajah yang menunjukkan cas di atas plat pemuat dan beberapa kegunaannya.

4.

Dapatkan nilai kemuatan jumlah bagi litar-litar dalam Rajah K6.1 di bawah; 120 µF

i).

A

40 µF

60 µF

80 µF

B

20 µF 850pF

ii).

350 µF A

200 µF

400 µF B

500pF Rajah K6.1

108

PRINSIP ASAS PEMUAT

MAKLUM BALAS KENDIRI 1.

Regangan berkemuatan ialah penentangan arus ketika voltan bekalan mula menurun yang dipanggil regangan. Dalam bentuk persamaan matematik ia boleh ditunjukkan dalam persamaan di bawah.

XC =

1 ’ 2πfC

di mana, C = kemuatan (F) f = frekuensi(Hz ) ω = halaju sudut (rads-1) 2π = pemalar

2.

Pemuat adalah satu peranti elektrik yang berkemampuan untuk menyimpan tenaga elektrik, manakala rajah dibawah menunjukkan binaan asas dan simbolnya.

Penebat

Simbol : C

Pengalir (a) 3.

Binaan asas pemuat

(b)

Unit : Farad (F)

Simbol

Gambar rajah cas di atas plat sebuah pemuat adalah seperti rajah di bawah; Arah pengaliran arus

V

++++ ____

++++ ____

C

109

PRINSIP ASAS PEMUAT

Terdapat beberapa kegunaan pemuat di dalam bidang elektrik antaranya ; a). Meninggikan faktor kuasa litar elektrik. b). Mengurangkan bunga api semasa suis dibuka dalam litar. c). Mengurangkan gangguan ulangan radio dalam penghidup litar lampu pendaflour. d). Menguatkan arus elektrik. e). Menyimpan cas elektrik 4. i).

CP = 120 + 60 + 20 = 200 µF (selari)

1 1 1 1 1 1 1 = + + = + + = 0.0425 (sesiri) CS 40 CP 80 40 200 80 1 ∴ CS = = 23.53 µF 0.0425

∴ C AB = CS + 850 x10−12 = 23.53x10−6 + 850 x10−12 = 2.44 x10−5 = 24.4 µF (selari)

ii). C A = 300 + 400 = 750 µF

(selari)

1 1 1 1 = + + (sesiri) C AB 200 µF C A 850 pF

=

1 1 1 9 1 .

19 10 + + = x 200 x10− 6 750 x10− 6 850 x10−12

∴ C AB =

1 = 8.45 x10−10 F 9 1.19 x10

110

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

OBJEKTIF AM

Unit

7

Memahami litar asas arus Ulang alik dan litar sesiri yang mengandungi R, L dan C.

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Menjelaskan bahawa dalam litar berintangan tulin, voltan dan arus adalah sefasa.  Menyatakan bahawa dalam litar beraruhan tulin, arus menyusuli voltan dengan sudut 90o.  Menyatakan bahawa dalam litar berkemuatan tulin, arus mendahului voltan dengan sudut 90o.  Melakarkan gambar rajah fasa / vektor dalam litar sesiri.  Menjelaskan perbezaan di antara rintangan dan regangan serta mentakrifkan galangan.

111

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

INPUT

7.0

ARUS ULANG ALIK (AU) Arus ulang alik merupakan sejenis arus elektrik yang mengalir di dalam dua keadaan sama ada pada nilai negatif ataupun nilai positif. Ia mengalir bermula dari sifar ke maksimum positif, ke sifar dan seterusnya mengalir ke maksimum negatif dan kembali kepada sifar.

7.0.1

Bentuk Gelombang AU Bentuk gelombang AU adalah sama seperti bentuk gelombang sinus dan ia ditunjukkan dalam Rajah 7.1.

Dge Vm

360O 0O

ωt

180o

-Vm Tempoh (T) Rajah 7.1 : Gambar Rajah Gelombang AU Voltan ulang-alik boleh dijanakan dengan dua cara, iaitu: a) Sama ada pengalir bergerak dan fluks magnet di dalam keadaan diam. b) Fluks bergerak dan pengalir dalam keadaan diam.

112

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Berdasarkan gambar rajah gelombang AU Rajah 7.1 di sebelah, kita dapat menerbitkan persamaan gelombang (7.1)tersebut, iaitu:

v(t ) = Vm sin ωt di mana

(7.1)

v(t ) = Voltan seketika (volt) Vm = Voltan maksimum/puncak (volt) ωt = sudut fasa berbanding masa (rad/darjah) 2π (saat).

T =

ω

7.1

ISTILAH – ISTILAH VOLTAN AU Daripada bentuk gelombang AU, terdapat beberapa istilah yang perlu diketahui dan difahami iaitu ; a) VP (Voltan puncak) – merupakan voltan maksimum yang diambil dari rajah gelombang. Bagi gelombang AU voltan puncaknya adalah Vm .

VP = Vm

(7.2)

b) VPP (Voltan puncak ke puncak) – merupakan nilai yang diambil bermula dari maksimum +ve ke nilai maksimum –ve.

V PP = 2Vm

(7.3)

c) Va (Voltan purata) – merupakan nilai purata bagi gelombang sinus di mana nilainya adalah merupakan nilai purata yang diambil bagi keluasan di bawah garis gelombang AU. Nilainya adalah merupakan 63.7% daripada nilai voltan maksimum.

Va = 0.637Vm

(7.4)

d) V pmkd (Voltan punca min kuasa dua) – merupakan nilai yang terpenting di dalam litar elektrik. Kebanyakan meter menunjukkan bacaan di dalam nilai pmkd yang sama dengan 70.7% daripada nilai puncak voltan ulang-alik.

V pmkd = 0.707Vm

(7.5)

113

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.2

GAMBAR RAJAH GELOMBANG AU

Vm

0.707

Vpmkd

0.637

Va

ωt

o

0

Vp-p

-Vm 1 kitar

Rajah 7.2 : Gambar Rajah Gelombang AU Dengan Kedudukan Istilahnya.

Bagi satu kitaran lengkap (tempoh) satu bentuk gelombang bersudut 360o terbentuk seperti Rajah 7.2 di atas.

360o = 2π radian 7.2.1

Gelombang Sefasa A

Vm1 Vm2

0

o

ωt

o

180

B

Rajah 7.3 : Gambar Rajah Gelombang Sefasa

114

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Bagi gambar rajah gelombang 7.3 di sebelah, gelombang A dan gelombang B adalah sefasa kerana tidak terdapat perbezaan sudut di antaranya. Tetapi kedua-duanya mempunyai nilai voltan maksimum yang berbeza . Bagi gelombang A, voltan maksimumnya ialah Vm1 dan gelombang B, voltan maksimumnya Vm2. Oleh itu rangkap bagi kedua-dua gelombang boleh dinyatakan dalam bentuk persamaan trigonometri seperti persamaan (7.6).

7.2.2

A :

v(t ) = Vm1 sin ωt

B :

v(t ) = Vm 2 sin ωt

(7.6)

Gelombang Tidak Sefasa

Vm

A

B

C

ωt

0

α β

Rajah 7.4 : Gambar Rajah Gelombang Yang Mengalami Perbezaan Fasa

Di dalam kes ini nilai d.g.e. teraruh dalam ketiga-tiga gelombang adalah sama (Vm) tetapi ianya tidak sampai ke nilai maksimum atau nilai sifar secara serentak. Oleh itu kita katakan di antaranya ada mengalami perbezaan fasa. Jarak perbezaan di antara ketiga-tiganya adalah bergantung kepada nilai sudut fasa ( α dan β ). Gelombang yang melalui titik sifar (0o) diambil sebagai rujukan.

Oleh itu daripada rajah perbezaan gelombang di atas, dapat disimpulkan bahawa; a) Gelombang B sebagai rujukan bagi ketiga-tiganya. b) Gelombang A mendahului gelombang B dengan α. c) Gelombang C menyusuli gelombang B dengan β.

115

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Rangkap bagi ketiga-tiga gelombang di atas boleh diungkapkan dalam bentuk persamaan trigonometri seperti persamaan (7.7). a) Gelombang B : v(t ) = Vm sin ωt b) Gelombang A : v(t ) = Vm sin(ωt + α ) c) Gelombang C : v(t ) = Vm sin(ωt − β ) 7.3

(7.7)

GAMBAR RAJAH VEKTOR / FASA Gambar rajah vektor merupakan satu kaedah bergambar di dalam menyampaikan maklumat-maklumat yang terkandung di dalam sesuatu gelombang sinus. Caranya adalah dengan melukiskan vektor nilai punca min kuasa dua (pmkd) bagi gelombang tersebut berdasarkan kepada sudut anjakan fasanya.

V2 = Vm2 sin(ωt + θ1 ) V1 = Vm1 sin ωt V3 = Vm3 sin(ωt − θ 2 )

ωt

0o

θ1

θ2

Rajah 7.5 : Gambar Rajah Gelombang

Gambar rajah vektor bagi gelombang dalam Rajah 7.5 di atas adalah seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7.6 di sebelah. Daripada Gambar rajah vektor tersebut, kita dapat menyampaikan maklumat-maklumat yang terkandung dalam Gambar rajah gelombang dalam bentuk yang lebih ringkas dan mudah difahami. Panjang atau pendek anak panah yang dilukis bergantung kepada nilai puncak ( Vm ) setiap gelombang. Nilai voltan, V1 diambil sebagai rujukan kerana ia bermula dari sifar (0o).

116

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

90o

V2

θ1

o

180

V1

0o

θ2 V3 270o Rajah 7.6 : Gambar Rajah Vektor

7.4

RINTANGAN TULIN (R) R

I +

VR

-

V

Rajah 7.7 : Gambar rajah Litar Rintangan Tulin

Apabila voltan ulang alik dikenakan kepada satu litar yang terdiri daripada perintang, arus ulang alik yang mengalir di dalam litar tersebut boleh ditentukan dengan menggunakan Hukum Ohm, seperti persamaan (7.7).

I =

V R

(7.7)

117

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Di dalam litar berintangan tulin AU, arus dan voltan dalah sefasa kerana tidak terdapat anjakan sudut. Dengan itu gambar rajah gelombang dan gambar rajah vektor yang mewakili voltan dan arus bagi litar berintangan tulin ditunjukkan dalam Rajah 7.8.

90o I

VR 0o

180o

(a)

I

180o

VR

270o

0o

(b)

Rajah 7.8 : Gambar Rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) Dalam Rintangan Tulin

7.4.1

Kesan rintangan dalam litar AU a) Jika rintangan bertambah maka arus akan berkurangan. b) Jika rintangan berkurangan maka arus akan bertambah. c) Nilai arus ulang alik yang mengalir pada sebarang titik di dalam litar yang mengandungi rintangan tulin adalah tidak dipengaruhi oleh nilai frekuensi litar tersebut.

Vpmkd juga dikenali sebagai voltan purata ganda dua (Vppgd)

118

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.5

ARUHAN TULIN DALAM LITAR AU a) Aruhan adalah satu hak milik campuran seperti gelung aruhan yang menyimpan tenaga di dalam medan elektromagnet. b) Apabila arus elektrik mengalir dalam gelung aruhan, gelung ini akan menjadi elektromagnet. Elektromagnet ini menghasilkan voltan aruhan yang menentang pengaliran arus yang mengalir di dalam litar gelung tersebut. c) Penentangan voltan aruhan terhadap pengaliran arus elektrik di dalam gelung aruhan ini dinamakan regangan berkearuhan/regangan induktif , X L (Rujuk Unit 5).

L

I +

VL

-

V

Rajah 7.9 : Gambar rajah Litar Aruhan Tulin

Di dalam litar arus Ulang alik AU yang hanya mengandungi aruhan sahaja, arus akan menyusuli (mengekori) voltan bekalan dengan beza fasa sebanyak 90o. Oleh itu, Gambar rajah gelombang dan Gambar rajah vektor bagi litar beraruhan tulin adalah seperti Rajah 7.10.

VL VL I

0o

I

180o 90o

(a)

270o

(b)

Rajah 7.10 : Gambar Rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) dalam AruhanTulin AU.

119

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.5.1

Kesan Aruhan Di Dalam Litar A.U. a) Penentangan bagi pengaliran arus yang digambarkan oleh aruhan dikenali sebagai regangan induktif. Ia adalah senilai dengan rintangan perintang. b) Regangan induktif adalah bergantung kepada frekuensi, di mana apabila frekuensi bertambah, voltan turut bertambah dan seterusnya regangan turut bertambah.

7.6

KEMUATAN TULIN DI DALAM LITAR AU Di dalam litar arus Ulang alik yang mengandungi pemuat sahaja, arus akan mendahului voltan bekalan sebanyak 90o.

C

I +

VC

-

V

Rajah 7.11: Kemuatan Tulin Dalam Litar AU.

900

I

VC 0o

I

180o

90o

(a)

VC

(b)

Rajah 7.12 : Gambar rajah Gelombang (a) dan Rajah Vektor (b) dalam Kemuatan Tulin

120

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.6.1

Kesan Kemuatan Dalam Litar AU a) Penentangan bagi pengaliran arus yang digambarkan oleh pemuat dikenali sebagai regangan kapasitif, X C (Rujuk Unit 6). b) Regangan kapasitif adalah senilai dengan rintangan bagi perintang. c) Regangan kapasitif adalah bergantung kepada nilai frekuensi bekalan, di mana apabila frekuensi bekalan bertambah, maka nilai regangan kapasitif akan turut bertambah.

Tahukah anda bagaimana cara untuk mengingati beza fasa voltan dan arus? Gunakan perkataan CIVIL.

CIVIL C ( KEMUATAN ) – I V (Arus Mendahului Voltan Sebanyak 90o ) L (ARUHAN) – V I (Voltan Mendahului Arus Sebanyak 90o)

121

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

AKTIVITI 7A 7.1

Berikan definisi Gambar rajah vektor/fasa.

7.2

Lakar dan labelkan gelombang arus Ulang alik (AU).

7.3

Nyatakan istilah-istilah voltan yang terdapat di dalam gelombang AU.

7.4

Lakar dan labelkan litar rintangan tulin dalam litar AU. Seterusya, lakarkan juga Gambar rajah vektornya.

122

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

MAKLUM BALAS 6A 7.1

Gambar rajah vektor merupakan satu kaedah bergambar di dalam menyampaikan maklumat-maklumat yang terkandung di dalam sesuatu gelombang sinus.

7.2

Bentuk gelombang AU adalah sama seperti bentuk gelombang sinus Dge Vm

360O 0O

ωt

180o

-Vm Tempoh (T) 7.2

Istilah-istilah voltan yang terdapat di dalam AU seperti voltan purata, voltan puncak, voltan puncak ke puncak dan voltan punca min kuasa.

123

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.4

R

I +

VR

-

V

(a) 90o

180o

270o

I

VR

0o

(b)

Gambar rajah Litar (a) dan Vektor (b) bagi Rintangan Tulin

124

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

INPUT

7.7

LITAR RINTANGAN DAN ARUHAN ( RL ) SESIRI Pearuh dipasang secara sesiri dengan perintang. Dalam litar sesiri nilai arus sama pada setiap beban, maka arus (I) dijadikan faktor rujukan dalam Gambar rajah vektor seperti yang ditunjukkan oleh Rajah 7.14 di sebelah.

R

I +

VR

L -

+

VL

-

V

Rajah 7.13 : Gambar Rajah Litar RL Sesiri a) Dalam litar Rajah 7.13 di atas, arus akan dihadkan nilainya oleh rintangan dan regangan induktif. Ini menjadikan arus yang melalui rintangan R, berada sefasa dengan voltan dan apabila arus mengalir melalui regangan induktif X L , ia akan mengekori voltan sebanyak 90o. b) Kita akan dapat membina Gambar rajah vektor bagi menggambarkan kedudukan voltan susut melintangi rintangan ( VR ) dan aruhan ( VL ) . Seterusnya, menentukan voltan yang dibekalkan ( V ) .

125

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

V

VL

θ

I

VR Rajah 7.14 : Gambar rajah Vektor bagi Litar RL Sesiri

Daripada Gambar rajah vektor 7.14, kita boleh mendapatkan hubungan di antara voltan bekalan (V ) dengan voltan yang melintangi rintangan (VR ) dan voltan yang melintangi aruhan (VL ) dengan menggunakan Teorem Pitaghoras seperti persamaan (7.8).

2

V = VR + VL di mana ; 7.7.1

2

(7.8)

VR = IRL dan VL = IX L .

Segitiga Galangan RL Galangan ditakrifkan sebagai jumlah halangan yang wujud di dalam litar AU. Simbol :

Z

dan unitnya : Ohm

(Ω) .

Daripada Gambar rajah vektor 7.14, kita dapat mengeluarkan satu Gambar rajah segitiga yang menghubungkan rintangan ( R ), regangan berkearuhan ( X L ) dan galangan ( Z ), yang dikenali sebagai Gambar rajah segitiga galangan.

XL

Z θ

R

Rajah 7.15 : Segitiga Galangan R L

126

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Daripada Rajah 7.15, dengan menggunakan Teorem Pithagoras satu formula galangan untuk litar RL sesiri dapat diterbitkan seperti persamaan (7.9).

Z =

R2 + X L

2

(7.9)

v(t ) = Vm sin ωt

di mana, X L = 2πfL ( Ω ) 7.7.2

Arus Dan Voltan Dalam Litar RL Sesiri Daripada analisi litar RL kita dapat menerbitkan beberapa formula antaranya ; a) b) c) d)

V Z Voltan susut setiap komponen VR = IR dan VL = IX L , X Sudut fasa θ = tan −1 ( L ) R R Faktor kuasa , cosθ = .

Z

Arus litar, I =

(7.10)

Contoh 7.1: Satu litar RL yang sesiri berintangan 10 Ω dan berkearuhan 0.2H dibekalkan dengan bekalan AU 250V ,50 Hz . Kirakan ; i) Galangan litar ii) Arus litar iii) Sudut fasa Penyelesaian : Diberi R = 10Ω , L = 0.2 H , V = 250V dan f = 50 Hz . di mana, X L = 2πfL = 2π (50)(0.2) = 62.83Ω . i) ii) iii)

2

Galangan, Z = R 2 + X L = 102 + 62.832 = 63.62Ω .

V 250 Arus litar, I = = = 3.93 A Z 63.62 63.62 X Sudut fasa, θ = tan −1 ( L ) = tan −1 ( ) = tan −1 (6.362) = 81.1o 10 R

127

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.8

LITAR RINTANGAN DAN KEMUATAN ( RC ) SESIRI Pemuat dipasang sesiri dengan rintangan. Dalam litar sesiri nilai arus sama pada setiap beban, maka arus (I) dijadikan faktor rujukan dalam Gambar rajah vektor.

R

I +

VR

C -

+

VC

-

V

Rajah 7.16 : Gambar rajah Litar RC Sesiri

a) Dalam litar Rajah 7.16 di atas, arus akan dihadkan nilainya oleh rintangan (R) dan regangan kapasitif ( X C ) . Ini menjadikan arus yang melalui rintangan R, berada sefasa dengan voltan dan apabila arus mengalir melalui regangan kapasitif, ia akan mendahului voltan sebanyak 90o. b) Kita akan dapat membina Gambar rajah vektor bagi menggambarkan kedudukan voltan susut melintangi rintangan ( VR ) dan kemuatan ( VC ) menentukan nilai voltan bekalan ( V ) seperti Rajah 7.17.

VR

I

θ VC

V

Rajah 7.17 : Gambar rajah Vektor bagi Litar RC Sesiri

128

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.8.1

Segitiga Galangan RC Daripada Gambar rajah vektor 7.17, kita dapat mengeluarkan satu Gambar rajah segitiga galangan RC seperti Rajah 7.18 di bawah.

XL

Z

R

θ

Rajah 7.18 : Segitiga Galangan R L

Daripada Rajah 7.18, dengan menggunakan Teorem Pithagoras satu formula galangan untul litar RC sesiri dapat diterbitkan seperti persamaan (7.10).

Z =

R2 + X C

2

(7.11)

v(t ) = Vm sin ωt

Formula –formula lain yang boleh diterbitkan adalah seperti persamaan (7.12) di bawah. a) b) c) d)

V Z Voltan susut setiap komponen VR = IR dan VC = IX C , X Sudut fasa θ = − tan −1 ( C ) R R Faktor kuasa , cosθ = .

Z

Arus litar, I =

(7.12)

Formula yang terdapat di dalam litar RL hampir sama dengan formula yang ada di dalam litar RC. Cuma terdapat sedikit perbezaan pada sudut fasa dan yang melibatkan pembolehubah X C sahaja.

129

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Contoh 7.2: Satu litar RL yang sesiri berintangan 10 Ω dan berkearuhan 200 µF dibekalkan dengan

bekalan AU 75V ,50 Hz . Kirakan ; i) Galangan litar ii) Jumlah arus iii) Faktor kuasa Penyelesaian :

Diberi R = 10Ω , C = 200 µF , V = 75V dan f = 50 Hz .

1 1 di mana, X C = = = 15.92Ω .

2πfC 2π (50)(200 x10− 6 ) 2

i)

Galangan, Z = R 2 + X C = 102 + 15.922 = 18.8Ω .

ii)

Jumlah arus, I =

V 75 = = 4.71A Z 15.92 R 10 Faktor kuasa, cosθ = = = 0.628 Z 15.92

iii)

Perhatian !!!!

Kesilapan yang selalu dilakukan oleh pelajar ialah tidak menukarkan nilai kemuatan (C) dan aruhan (L) kepada nilai regangan X L dan X C terlebih dahulu.

.

Untuk pengetahuan pelajar, Galangan (Z), boleh juga diungkapkan dalam bentuk nombor kompleks iaitu Z = R − jX C dan Z = R + jX L . Untuk maklumat lanjut, jumpa pensyarah anda.

130

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.9

LITAR RLC SESIRI DALAM LITAR AU Dalam litar RLC sesiri pearuh (L) dan pemuat (C) disambung sesiri dengan perintang (R) dan dibekalakan dengan voltan AU. Arus (I) dijadikan faktor rujukan dalam Gambar rajah vektor kerana ia adalah sama pada setiap beban atau komponen.

R

I +

VR

L -

+ VL -

C +

VC

-

V

Rajah 7.19 : Gambar Rajah Litar RLC Sesiri

7.9.1

Gambar Rajah Vektor dan Segitiga Galangan Sebelum gambar rajah vektor dilukis di dalam litar RLC sesiri, terdapat dua (2) syarat yang mesti diberi perhatian iaitu ; a)

Regangan berkearuhan lebih besar daripada regangan berkemuatan,

XL b)

>

XC

>

XL

Regangan berkemuatan lebih besar daripada regangan berkearuhan,

XC

Tahukah Anda ?

Rintangan dan regangan ( X L atau X L ) adalah berbeza walaupun unitnya sama ( Ω) .  Rintangan menentang arah aliran arus di dalam litar AT dan AU.  Regangan ( X L atau X L ) menentang arah aliran arus di dalam litar AU sahaja. Begitu juga dengan galangan (Z), di mana ia hanya menentang arah aliran arus di dalam AU sahaja.

131

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.9.1.1 Gambar Rajah Vektor Untuk X L > X C

XL Z

(X L − XC ) (X L − XC )

θ

I R

Z θ

R

XC (a).

(b).

Rajah 7.20 : Gambar Rajah Vektor (a) Dan Segitiga Galangan (b) X L > X C

Oleh itu, formula-formula yang diperolehi daripada Rajah 7.20 di atas, lebih kurang sama dengan formula-formula di dalam persamaan (7.10) dan (7.12). Perbezaan hanya wujud pada formula yang melibatkan pembolehubah X L dan X C sahaja.

a)

Galangan litar, Z = R 2 + ( X L − X C ) 2

b)

Arus litar, I =

c) c) d)

V Z Voltan susut setiap komponen VR = IR , VC = IX C dan VL = IX L X − XC Sudut fasa θ = tan −1 ( L ) R R Faktor kuasa , cosθ = .

Z

(7.12)

132

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.9.2.2 Gambar Rajah Vektor Untuk X C > X L

XL

R θ I

R θ

- (XC − X L)

(X L − XC )

Z

Z

XC (a).

(b).

Rajah 7.20 : Gambar Rajah Vektor (a) Dan Segitiga Galangan (b) Untuk X C > X L

Formula-formula yang terhasil sama dengan persamaan (7.12). Perbezaan hanya terdapat pada sudut fasa sahaja iaitu yang melibatkan tanda –ve yang menunjukkan arah sudut. a)

Sudut fasa, θ = − tan −1 (

X L − XC ) R

Untuk pengetahuan pelajar, apabila nilai X C > X L ia dinamakan litar berkemuatan dan nilai X L > X C ia dinamakan litar berkearuhan.

133

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.10

FAKTOR KUASA, Cosθ Faktor kuasa boleh diungkapkan di dalam bentuk peratus (%) atau nombor pecahan. Ia dikenali sebagai Cosθ dan disebut sebagai mendahulu (lead) atau mengekor (lag), di mana θ ialah sudut fasa di antara voltan dan arus. a) c)

c) d) e)

7.11

Faktor kuasa ialah nisbah di antara kuasa sebenar terhadap kuasa ketara.

P (7.13) Cosθ = S Faktor kuasa juga ditakrifkan sebagai nisbah di antara rintangan terhadap galangan.

R (7.14) Cosθ = Z Faktor kuasa mendahulu apabila arus mendahului voltan jika voltan diambil sebagai faktor rujukan dan nilainya ialah positif (+ve).

Faktor kuasa mengekor apabila arus mengekori voltan jika voltan diambil sebagai faktor rujukan dan nilainya ialah negatif (-ve).

Faktor kuasa yang paling baik ialah satu ( Cosθ = 1) dan yang menghampiri satu.

KUASA DI DALAM LITAR ARUS ULANG ALIK Terdapat tiga (3) kuasa yang wujud di dalam litar AU iaitu; a) Kuasa ketara, S b) Kuasa Sebenar, P c) Kuasa reganagan 7.11.1 Kuasa Ketara, S Kuasa yang berkurang kerana kewujudan regangan yang menyebebkan arus dan voltan terpisah iaitu tidak sefasa. Pemisahan arus dan voltan ini menyebabkan kuasa dalam litar akan berkurang.

Simbol : S , Unit : Voltan –Ampere (VA) Kuasa Ketara = Voltan x Arus

S = VI

(7.15)

134

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

7.11.2 Kuasa Sebenar, P Kuasa sebenar juga dikenali sebagai kuasa aktif dan merupakan kuasa yang digunakan atau diserap oleh komponen perintang dalam litar AU. Simbol : P , Unit : Watt (W) Kuasa Sebenar = Voltan x Arus x Faktor kuasa

P = VI cosθ

(7.15)

7.11.3 Kuasa Regangan, Q Kuasa regangan juga dikenali sebagai kuasa reaktif dan merupakan kuasa yang digunakan atau diserap oleh komponen pemuat atau pearuh di dalam litar AU. Simbol : Q , Unit : Voltan Ampere Regangan (VAR) Kuasa Regangan = Voltan x Arus x Sin θ

Q = VI sin θ

(7.16)

7.11.4 Segitiga Kuasa Perhubungan di antara kuasa ketara, kuasa sebenar dan kuasa regangan boleh digambarkan melalui gambar rajah segitiga yang dikenali sebagai Segitiga Kuasa.

S = VI

Q

P

θ

Rajah 7.21 : Gambar Rajah Segitiga Kuasa

135

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Contoh 7.3 : Sebuah litar sesiri RLC berintangan 100Ω , berkearuhan 100mH dan berkemuatan 200 µF dibekalkan dengan bekalan kuasa AU 240V, 50Hz. Kirakan; i) Galangan litar ii) Arus litar iii) Faktor kuasa dan sudut fasa iv) Kuasa kVA, kuasa kW dan kuasa kVAR. Penyelesaian : Di mana, X L = 2πfL = 2π (50)(100 x10−3 ) = 31.42Ω , XC =

1 1 = = 15.91Ω .

2πfC 2π (50)(200 x10− 6 )

i)

Galangan, Z = R 2 + ( X L − X C ) 2 = 1002 + (31.42 − 15.91) 2 = 101.2Ω

ii)

Arus litar, I =

iii)

Faktor kuasa, Cosθ =

V 240 = = 2.37 A Z 101.2 100 R = = 0.988 (mengekor) Z 101.2

R ∴ Sudut fasa, θ = cos −1 ( ) = cos −1 (0.988) = 8.9o Z

iv)

Kuasa kVA, S = VI = (240)(2.37) = 568.8 = 0.57 kVA Kuasa kW, P = VI cosθ = (568.8)(0.988) = 562 = 0.562kW Kuasa kVAR, Q = VI sin θ = (568.8)(sin 8.9o ) = 88 = 0.09kVAR

136

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

AKTIVITI 7B 7.5

Berikan takrifan bagi galangan

7.6

Nyatakan satu (1) definisi bagi faktor kuasa

7.7

Lukis dan labelkan litar RL sesiri dalam litar AU

7.8

Sebuah pemuat berkemuatan 200 µF disambung ke bekalan 75V, 50Hz. Berapakah nilai regangan berkemuatan dan arus yang mengalir dalam litar tersebut?

7.9

Lukis dan labelkan gambar rajah vektor bagi litar RLC sesiri untuk X C > X L .

137

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

MAKLUM BALAS 7B 7.5 7.6 7.7

Galangan ialah jumlah halangan yang wujud di dalam litar AU .

Faktor kuasa ialah nisbah di antara rintangan terhadap galangan.

Gambar rajah litar RL sesiri di dalam litar AU; R

I +

L

VR

-

+

VL

-

V

7.8

Regangan berkemuatan, X C =

1 1 = 15.91Ω = 2πfC 2π (50)(200 x10− 6 )

V 75 = = 4.71A X C 15.91 Gambar Rajah Vektor Untuk X C > X L

Arus litar, I = 7.9

XL

I

R

θ - (XC − X L)

Z

XC

138

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

Penilaian Kendiri 1.

Lukis dan labelkan gambar rajah litar RLC sesiri di dalam litar AU

2.

Sebuah pearuh berkearuhan 0.09H disambungkan ke bekalan AU 220V yang berfrekuensi 80Hz. Tentukan; i)

Arus litar

ii)

Sekiranya, frekuensi litar diubah kepada nilai 10Hz, apakah kesannya kepada arus litar ?

3.

Sebuah litar sesiri RLC berintangan 10Ω , berkearuhan 20Ω dan berkemuatan 35.5Ω dibekalkan dengan bekalan kuasa AU 220V, 60Hz. Kirakan; i) Galangan litar ii) Arus litar iii) Faktor kuasa dan sudut fasa iv) Kejatuhan voltan pada setiap komponen

4.

Lukis dan labelkan gambar rajah segitiga kuasa dan seterusnya terbitkan formulaformula kuasa daripada segitiga tersebut.

139

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

MAKLUM BALAS KENDIRI 1.

Gambar Rajah Litar RLC Sesiri R

I +

VR

L

-

+ VL -

C +

VC

-

V

2.

f = 80 Hz : X L = 2πfL = 2π (80)(0.09) = 45.24Ω 220 V Arus litar, I = = = 4.86 A X L 45.24 f = 10 Hz : X L = 2πfL = 2π (10)(0.09) = 5.66Ω V 220 Arus litar, I = = 38.9 A = X L 5.66 ∴ Apabila nilai frekuensi berkurang, nilai arus litar semakin bertambah.

3.

i)

Galangan, Z = R 2 + ( X L − X C ) 2 = 102 + (20 − 35.5) 2 = 18.45Ω

ii)

Arus litar, I =

iii)

Faktor kuasa, Cosθ =

V 220 = = 11.93 A Z 18.45

∴ Sudut fasa, θ = − tan −1 (

10 R = = 0.542 (mendahulu) Z 18.45

XC − X L 35.5 − 20 ) = − tan −1 (1.55) = −57 o ) = − tan −1 ( R 10

140

LITAR ARUS ULANG ALIK (AU)

iv)

Kejatuhan voltan setiap komponen, VR = IR = (11.93)(10) = 119.3V VC = IX C = (11.93)(35.5) = 423.5V VL = IX L = (11.93)(20) = 238.6V

4.

Gambar Rajah Segitiga Kuasa

S = VI

Q

P

θ

Formula kuasa yang boleh diperolehi daripada segiriga ini ialah ; i)

Kuasa ketara, S = VI (VA)

ii)

Kuasa sebenar, P = VI cosθ (W)

iii)

Kuasa regangan, Q = VI sin θ (VAR)

141

SISTEM TIGA FASA

SISTEM TIGA FASA (3 Φ )

Unit

8

OBJEKTIF AM Memahami konsep-konsep asas sistem tiga fasa (3 Φ )

OBJEKTIF KHUSUS

Di akhir unit ini anda dapat :  Menjelaskan prinsip asas sistem tiga fasa  Membezakan sistem tiga (3 Φ ) dan satu fasa (1 Φ ).  Menerangkan proses penjanaan sistem tiga fasa.  Menyatakan maksud beban seimbang dalam sistem 3 Φ .  Menyatakan bekalan tiga fasa mempunyai tiga dawai hidup.

142

SISTEM TIGA FASA

INPUT

8.0

SISTEM TIGA FASA ( 3 Φ ) Sistem banyak fasa adalah sistem yang mempunyai dua atau lebih punca voltan dengan perbezaan sudut fasa yang tetap. Sistem tiga fasa ialah sistem yang mempunyai tiga (3) sumber voltan yang sama magnitudnya yang dihasilkan oleh tiga gegelung pengalir yang disusun dengan perbezaan sudut fasa 120o elektrik.

8.1

PENJANAAN VOLTAN TIGA FASA (3 Φ ) Penjana satu fasa (1 Φ ) mengeluarkan daya gerak elektrik (dge) menggunakan satu gegelung pengalir yang diputarkan memotong fluks dalam medan magnet di antara kutub utara dan kutub selatan stator. Jika gegelung pengalir ditambah pada rotor (pemutar) sesebuah penjana, maka dge gelombang sinus akan bertambah dan sistem banyak fasa akan terbentuk.

Bagi penjana 3 Φ , dge dijanakan menggunakan tiga gegelung pengalir yang disusun supaya memberi tiga dge yang sama amplitudnya dan mempunyai anjakan fasa 120o elektrik. Disebabkan ketiga-tiga gegelung pengalir mempunyai lilitan gegelung yang sama dan berputar pada kelajuan tetap, tiga (3) dge yang mempunyai bentuk, nilai puncak dan frekuensi yang sama terjana (Rujuk Rajah 8.1).

Sila baca dan faham bahagian (8.1) dan (8.2) kerana ia adalah komponen penting dalam unit ini.

Jika perlu jumpa pensyarah anda !!!

143

SISTEM TIGA FASA

Kutub Utara

Y

120o

B”

R”

Oo

240o

R

B

Y”

Kutub Selatan

Rajah 8.1 : Tiga (3) Gegelung Pengalir Dalam Fluks Magnet

Dge Em

ER

EY

EB

360O 0O

120o

θ

240o

Rajah 8.2 : Gambar Rajah Gelombang Sistem 3 Φ

144

SISTEM TIGA FASA

Pada kedudukan gegelung pada Rajah 8.1 di atas; Dge terjana dalam gegelung RR” ialah

Em sin 0 iaitu sifar.

Dge terjana dalam gegelung YY” ialah

E m sin 120 o iaitu 0.866 Em volt.

Dge terjana dalam gegelung BB” ialah

E m sin 240 o iaitu –0.866 Em volt.

Dari gambar rajah gelombang pula (Rajah 8.2) ; Voltan Talian Merah, E R = E m sin θ .

Voltan Talian Kuning,

EY = Em sin(θ − 120o )

Voltan Talian Biru,

EB = Em sin(θ − 240o )

(8.1)

Persamaan dge di atas boleh diungkapkan dalam bentuk perwakilan fasa seperti berikut ;

Em ∠0o 2 E EY = m ∠ − 120o 2 E EB = m ∠ − 240o 2 ER =

(8.2)

di mana nilai ER , EY dan EB adalah nilai punca min kuasa dua dge,

E pmkd .

Tahukah anda ?

Bagaimana pers. (8.1) boleh diungkapkan menjadi pers. (8.2) !!!.

Tanya pensyarah anda.

145

SISTEM TIGA FASA

8.2

KEGUNAAN SISTEM 3 Φ Di antara kegunaan sistem tiga fasa adalah ; a) Untuk menghidupkan mesin-mesin 3 Φ . b) Untuk membekalkan kuasa ke kilang-kilang yang besar. c) Sebagai sistem penghantaran dan penagihan kepada pengguna.

8.3

PERBANDINGAN SISTEM 3 Φ DENGAN 1 Φ Pada hari ini, sistem tiga fasa lebih banyak digunakan di dalam industri ynag memerlukan kuasa yang tingi berbanding dengan sistem satu fasa. Di antara kelebihan sistem tiga fasa berbanding satu fasa adalah ; a) Lebih ekonomi kerana kurang kos pembinaan dan penyelengaraan.

Bagi membekalkan sejumlah kuasa ketara yang sama dengan sistem satu fasa, pengalir yang digunakan lebih kecil dan seterusnya keperluan kuprum dapat dikurangkan. b) Mudah dipasang kerana talian atau kabel lebih kecil dan ringan. Ini menyebabkan struktur penyokong yang kecil boleh didirikan pada jarak yang agak jauh di antara penyokong. c) Peralatan 3 Φ seperti motor aruhan 3 Φ mempunyai ciriciri permulaan yang dan kendalian yang lebih baik kerana kuasa seketikanya lebih stabil dan tetap. d) Tenaga elektrik yang dibekalkan oleh sistem 3 Φ lebih tinggi berbanding 1 Φ . e) Kebanyakan motor yang besar menggunakan motor aruhan 3 Φ kerana boleh hidup sendiri tanpa memerlukan peralatan tambahan seperti pemuat, suis empar atau litar tambahan yang lain f) Produksi (keluaran) dan kualiti kerja peralatan 3 Φ lebih baik berbanding 1 Φ kerana mempunyai kecekapan dan faktor kuasa yang lebih tinggi.

Kebiasaannya bekalan tiga fasa mempunyai tiga (3) dawai hidup atau pengalir fasa iaitu ; a) Fasa Merah, R b) Fasa Kuning, Y c) Fasa Biru, B Biasanya beban yang digunakan di setiap fasa adalah seimbang. Iaitu nilai beban (galangan) pada setiap fasa adalah sama.

Ehhh !!! Rumah aku guna sistem satu fasa atau tiga fasa? Hee.. heee

146

SISTEM TIGA FASA

Jadual 8.1 : Perbezaan Antara Sistem Satu Fasa Dan Tiga Fasa

SISTEM 1 Φ

SISTEM 3 Φ

Definisi : Sistem yang mempunyai dua(2) kabel/dawai penyambung dari bekalan ke beban iaitu, kabel hidup (L) dan kabel neutral (N).

Definisi : Sistem yang mempunyai tiga(3) kabel dari bekalan ke beban iaitu fasa merah (R), fasa kuning (Y) dan Fasa biru (B).

Sambungan Talian :

Sambungan Talian :

Kabel hidup 240V

R beban

Kabel neutral

240V

B

Bentuk gelombang :

Voltan

Voltan

240V

415V 360o 180

415V

N

Bentuk gelombang :

0

Y

θ

0

R

Y

B 360

120o

2400

θ

147

SISTEM TIGA FASA

AKTIVITI 8

Uji kefahaman dan ingatan anda dengan membuat aktiviti berikut. Sekiranya masih kabur, sila buat ulangkaji.

8.1

Berikan definisi bagi sistem tiga fasa (3 Φ ).

8.2

Nyatakan tiga (3) kegunaan sistem 3 Φ yang anda ketahui.

8.3

Apakah yang di maksudkan dengan beban seimbang dalam sistem 3 Φ .

8.4

Senaraikan tiga pengalir fasa yang ada dalam sistem 3 Φ .

148

SISTEM TIGA FASA

MAKLUM BALAS 8 8.1

Sistem tiga fasa ialah sistem yang mempunyai tiga (3) sumber voltan yang sama magnitudnya yang dihasilkan oleh tiga gegelung pengalir yang disusun dengan perbezaan sudut fasa 120o elektrik.

8.2

Di antara kegunaan sistem tiga fasa adalah ; i.

Untuk menghidupkan mesin-mesin 3 Φ . ii. Untuk membekalkan kuasa ke kilang-kilang yang besar. iii. Sebagai sistem penghantaran dan penagihan kepada pengguna.

8.3

Beban seimbang ialah nilai beban (galangan) pada setiap fasa adalah sama.

8.4

Kebiasaannya bekalan tiga fasa mempunyai tiga (3) dawai hidup atau pengalir fasa iaitu i. Fasa Merah, R ii.Fasa Kuning, Y iii. Fasa Biru, B

Untuk perhatian pelajar. Unit 8, keseluruhannya melibatkan teori dan ianya memerlukan banyak kepada bacaan dan hafalan ..!!!

Tahniah jika anda berjaya menjawab semua soalan di atas.

149

SISTEM TIGA FASA

Penilaian Kendiri

Untuk menilai prestasi anda, sila jawab semua soalan di bawah dan hantar kepada pensyarah anda untuk dinilai...

Semoga Berjaya !!!

1.

Dengan bantuan gambar rajah, terangkan proses penjanaan voltan tiga fasa (3Φ ) .

2.

Salah satu perbezaan antara sistem satu fasa (1Φ ) dengan sistem tiga fasa (3Φ ) adalah bentuk gelombang sinus. Lukis dan labelkan gambar rajah gelombang sistem (3Φ ) .

3.

Jelaskan tiga (3) kelebihan sistem (3Φ ) berbanding dengan sistem satu fasa (1Φ ) .

150

SISTEM TIGA FASA

MAKLUM BALAS KENDIRI 1.

Proses penjanaan voltan tiga fasa : Kutub Utara

Y

120o

B”

R”

Oo B 240o

R

Y”

Kutub Selatan

Tiga (3) gegelung pengalir dalam fluks magnet Penjana satu fasa (1 Φ ) mengeluarkan daya gerak elektrik (dge) menggunakan satu gegelung pengalir yang diputarkan memotong fluks dalam medan magnet di antara kutub utara dan kutub selatan stator. Jika gegelung pengalir ditambah pada rotor (pemutar) sesebuah penjana, maka dge gelombang sinus akan bertambah dan sistem banyak fasa akan terbentuk.Bagi penjana 3 Φ , dge dijanakan menggunakan tiga gegelung pengalir yang disusun supaya memberi tiga dge yang sama amplitudnya dan mempunyai anjakan fasa 120o elektrik. Disebabkan ketiga-tiga gegelung pengalir mempunyai lilitan gegelung yang sama dan berputar pada kelajuan tetap, tiga (3) dge yang mempunyai bentuk, nilai puncak dan frekuensi yang sama terjana

151

SISTEM TIGA FASA

2.

Rajah A2, adalah gambar rajah gelombang bagi sistem tiga fasa ; Dge Em

ER

EY

EB

θ

360O 0O

120o

240o

Gambar rajah gelombang sistem 3 Φ 3.

Tiga (3) kelebihan sistem tiga fasa berbanding dengan satu fasa ; i.

ii. iii. iv. v. vi.

Lebih ekonomi kerana kurang kos pembinaan dan penyelengaraan. Bagi membekalkan sejumlah kuasa ketara yang sama dengan sistem satu fasa, pengalir yang digunakan lebih kecil dan seterusnya keperluan kuprum dapat dikurangkan.

Mudah dipasang kerana talian atau kabel lebih kecil dan ringan. Ini menyebabkan struktur penyokong yang kecil boleh didirikan pada jarak yang agak jauh di antara penyokong.

Peralatan 3 Φ seperti motor aruhan 3 Φ mempunyai ciriciri permulaan yang dan kendalian yang lebih baik kerana kuasa seketikanya lebih stabil dan tetap.

Tenaga elektrik yang dibekalkan oleh sistem 3 Φ lebih tinggi berbanding 1 Φ .

Kebanyakan motor yang besar menggunakan motor aruhan 3 Φ kerana boleh hidup sendiri tanpa memerlukan peralatan tambahan seperti pemuat, suis empar atau litar tambahan yang lain Produksi (keluaran) dan kualiti kerja peralatan 3 Φ lebih baik berbanding 1 Φ kerana mempunyai kecekapan dan faktor kuasa yang lebih tinggi.

(Pilih tiga (3) sahaja)

152

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3 Φ OBJEKTIF AM

Unit

9

Memahami konsep-konsep asas sistem sambungan bintang dan sambungan delta

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Menerangkan bahawa beban tiga fasa boleh disambung secara Bintang yang mempunyai empat (4) pengalir.  Menyatakan bahawa beban tiga fasa boleh disambung secara Delta yang mempunyai tiga (3) dawai hidup.  Membuktikan bahawa dalam sambungan Bintang ; Arus talian = Arus fasa Voltan talian = 3 Voltan fasa  Membuktikan bahawa dalam sambungan Delta; Arus talian = 3 Arus fasa Voltan talian = Voltan fasa  Mengirakan nilai kuasa di dalam sistem 3 Φ  Menyelesaikan masalah pengiraan yang melibatkan sambungan Bintang dan Delta.

153

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

INPUT

9.0

SAMBUNGAN BINTANG Sambungan Bintang juga dikenali sebagai sambungan Wai (Y) atau STAR. Beban pada setiap fasa kebiasaannya adalah seimbang . Sambungan jenis ini mempunyai empat dawai pengalir iaitu tiga (3) dawai hidup dan satu (1) talian neutral; a) b) c) d)

Talian Merah, R Talian Kuning, Y Talian Biru, B Talian Neutral, N

R (Talian Merah)

Beban

N (Talian Neutral)

Beban

Beban

Y (Talian Kuning) B

(Talian Biru)

Rajah 9.1 : Sambungan Bintang

154

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.0.1

Voltan Talian, VL Voltan talian ( VL ) ialah nilai voltan yang diukur di antara dua talian hidup.

Manakala, voltan fasa ( VP ) ialah nilai voltan yang diukur di antara talian hidup dengan talian neutral (Rajah 9.2).

R

A VP = ERN

VL N

VL

VP = EYN

E

VP = EBN Y

VL

B

C

B Rajah 9.2 : Voltan Dalam Sambungan Bintang

Nilai dge dianggap positif apabila bertindak keluar dari titik neutral. ERN , EYN dan EBN dinamakan Voltan fasa ( VP ). Beza fasa di antara voltan-voltan fasa adalah sama iaitu 120o. Bagi sambungan bintang, hubungan matematik di antara voltan talian dengan voltan fasa adalah seperti persamaan (9.1) di bawah ;

Vol tan Talian =

3 Vol tan Fasa

VL = 3 VP

( 9.1 )

Ingat !!!

155

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.0.2

Arus Talian , I L Arus talian ialah arus yang mengalir di dalam talian, manakala arus fasa pula ditakrifkan sebagai arus yang mengalir di dalam fasa.

R

I R = I L (Arus talian merah) I PR = I P (Arus fasa merah)

N

I N = I L (Arus talian neutral)

I PB = I P (Arus fasa biru)

Y B

IY = I L (Arus talian kuning)

I PY = I P (Arus fasa kuning)

I B = I L (Arus talian biru) Rajah 9.3 : Arus Dalam Sambungan Bintang

Merujuk kepada Rajah 9.3 di atas, bagi sambungan bintang, arus fasa ( I P ) iaitu I PR , I PY dan I PB adalah sama nilainya dengan arus talian ( I L ) iaitu I R , IY dan I B . Dalam bentuk persamaan matematik, hubungan di antara arus talian dan arus fasa boleh ditulis seperti persamaan (9.2).

Arus Talian = Arus Fasa

IL = IP

(9.2)

Ini pun kena ingat!!!

156

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

Contoh 9.1 : Tiga galangan yang seragam setiap satunya berintangan 10Ω dan berkearuhan 0.019H, diberikan bekalan 415V, 50Hz. Kirakan nilai arus talian, arus fasa, voltan fasa dan voltan talian jika ketiga –tiga galangan tersebut disambung secara bintang.

Penyelesaian : Voltan talian , VL = 415 V (Voltan bekalan 3Φ = Voltan talian) V 415 Voltan fasa , VP = L = = 239.6 V (kerana sambungan bintang) 3 3 2

Dapatkan nilai galangan , Z P = R 2 + X L ............................... pers. 1 di mana, X L = 2πfL = 2π (50)(0.019) = 5.97 Ω . ∴ Z P = 102 + 5.97 2 = 11.65Ω

Arus fasa, I P =

VP 239.6 = 20.57 A = Z p 11.65

Arus talian, I L = I P = 20.57 A

(kerana sambungan bintang)

Jika voltan bekalan yang diberikan di dalam soalan tidak dinyatakan voltan talian atau voltan fasa, maka itu adalah Voltan talian , VL

157

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.1

SAMBUNGAN DELTA (

∆)

Di dalam sambungan delta hanya ada tiga(3) dawai pengalir sahaja iaitu talian merah (R), talian kuning (Y) dan talian biru (B). Titik AB, BC dan AC adalah titik –titik yang berada dalam bahagian fasa. Beban–beban yang terdapat di setiap fasa selalunya seimbang iaitu sama magnitudnya.

R

A

Talian merah

Beban

Y

B

Beban

Beban

Talian kuning

B

C

Talian biru

Rajah 9.4 : Sambungan Delta

Sambungan delta juga dikenali sebagai sambungan Jaring

158

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.1.1

Arus dan Voltan Dalam Sambungan Delta

R

IR = IL

I1 = I P

I2 = I P

VL = VP

IY = I L

I3 = I P

Y

IB = IL

VL = VP

B Rajah 9.5 : Arus Dan Voltan Dalam Sambungan Delta

Daripada Rajah 9.5 di atas, arus I1 , I 2 dan I 3 adalah arus setiap fasa dan dikenali sebagai arus fasa ( I P ). Arus I R , IY dan I B adalah arus setiap talian dan dikenali sebagai arus talian ( I L ). Oleh kerana beban dalam keadaan seimbang, maka arus setiap fasa dan arus setiap talian adalah sama (persamaan 9.3) dan berbeza fasa sebanyak 120o antara satu sama lain.

I1 = I 2 = I 3 = I P I R = IY = I B = I L

(9.3)

159

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

Dalam sambungan delta, hubungan di antara arus talian dan arus fasa boleh ditulis dalam bentuk ungkapan matematik seperti persamaan (9.4).

Arus Talian =

IL =

3

Arus Fasa

3I P

(9.4)

Di dalam sambungan delta, nilai voltan talian dan voltan fasa adalah sama kerana keduaduanya diukur di antara dua(2) dawai hidup. Dan ia boleh diungkapkan dalam persamaan (9.5) di bawah.

Vol tan Talian = Vol tan Fasa

VL = VP

(9.5)

Untuk perhatian pelajar.

Takrifan bagi arus talian, arus fasa dan voltan talian bagi sambungan bintang dan delta adalah sama.

160

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

Contoh 9.2 : Tiga galangan yang seragam setiap satunya berintangan 10Ω dan berkearuhan 0.019H, diberikan bekalan 415V, 50Hz. Kirakan nilai arus talian, arus fasa, voltan fasa dan voltan talian jika ketiga –tiga galangan tersebut disambung secara delta.

Penyelesaian : Voltan talian , VL = 415 V Voltan fasa , VP = 415V

(Voltan bekalan 3Φ = Voltan talian) (kerana sambungan delta)

Dapatkan nilai galangan , Z P = R 2 + X L

2

di mana, X L = 2πfL = 2π (50)(0.019) = 5.97 Ω . ∴ Z P = 102 + 5.97 2 = 11.65Ω

Arus fasa, I P =

415 VP = 35.9 A = Z p 11.65

Arus talian, I L =

3I P = 3 (35.9) = 62.18 A

(kerana sambungan delta)

Bandingkan jawapan anda dengan contoh 9.1

161

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.2

KUASA DALAM SISTEM 3 Φ Kuasa dalam sistem tiga fasa adalah sama dengan kuasa yang ada di dalam sistem satu fasa iaitu kuasa ketara, kuasa aktif (kuasa sebenar) dan kuasa regangan (reaktif).

9.2.1

Kuasa Ketara (VA) Dalam sistem 3 fasa yang mempunyai beban seimbang, jika ; = Arus fasa, = Voltan fasa,

IP Vp

I L = Arus talian VL = Voltan talian

Kuasa ketara setiap fasa :

S P = VP I P

(9.6)

Jumlah kuasa ketara dalam sistem 3 Φ :

S3Φ = 3 xS P = 3VP I P =

9.2.2

3VL I L

(9.7)

Kuasa Aktif (W) Kuasa aktif juga dipanggil kuasa purata atau kuasa sebenar.

Kuasa aktif setiap fasa :

PP = VP I P cosθ

(9.8)

Jumlah kuasa aktif dalam sistem tiga fasa :

P3Φ = 3 xPP =

3VP I P cosθ

bagi sambungan DELTA : I VL = VP dan I P = L 3 P3Φ = 3VP I P = 3VL x

dari pers. (9.8) : =

3VL I L cosθ

IL x cosθ 3 (9.9)

162

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

P3Φ =

3VL I L cos θ

formula ini sama juga bagi sambungan BINTANG. 9.2.3

KUASA REAKTIF (VAR) Kuasa reaktif juga di panggil kuasa regangan atau kuasa khayal.

Kuasa reaktif setiap fasa :

QP = VP I P sin θ

Jumlah kuasa reaktif dalam sistem tiga fasa :

Q3Φ = 3 xQP

(9.10)

= 3VP I P sin θ bagi sambungan DELTA :

VL = VP dan dari pers. (9.8) :

IP =

IL 3

Q3Φ = 3VP I P sin θ =

= 3VL x

IL x cosθ 3

3VL I L sin θ

(9.11)

Q3Φ = 3VL I L sin θ formula ini sama juga bagi sambungan BINTANG. Formula-formula kuasa sistem 3 Φ bagi sambungan bintang dan delta adalah sama.

163

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

9.2.4

Gambar rajah Segitiga Kuasa Ketiga –tiga kuasa dalam sistem tiga fasa yang diterangkan di atas boleh digambarkan dengan menggunakan gambar rajah segitiga dalam Rajah 9.6. Segitiga ini dipanggil segitiga kuasa (Rujuk 7.11.4) .

S = VI

Q

θ

P

Rajah 9.6 : Gambar Rajah Segitiga Kuasa

Contoh 9.3 Daripada soalan Contoh 9.2, kirakan jumlah kuasa ketara, kuasa aktif dan kuasa regangan. i).

Jumlah kuasa ketara, S3Φ =

3VL I L =

ii).

Jumlah kuasa aktif, P3Φ =

3VL I L cosθ = 3 (415)(62.18)( )

= 44695.1(

iii).

Jumlah kuasa regangan , Q3Φ =

3 (415)(62.18) = 44.7 kVA

10 ) = 38.4 kW 11.65

R Z

3V L I L sin θ = 3 (415)(62.18) sin 30.9o

= 22.9 kVAR

Nota : R 10 Cosθ = = = 0.8584 Z 11.65 θ = cos −1 (0.8584) = 30.9 o

164

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

AKTIVITI 9

Uji kefahaman dan ingatan anda dengan membuat aktiviti berikut. Sekiranya masih kabur, sila jumpa pensyarah

9.1

Berikan definisi bagi arus talian, arus fasa dan voltan talian di dalam sistem tiga fasa.

9.2

Buktikan formula jumlah kuasa ketara, S3Φ = 3VL I L di dalam sistem tiga fasa.

9.3

Senaraikan kuasa-kuasa yang ada di dalam sistem satu fasa dan tiga fasa.

9.4

Satu motor tiga fasa beban seimbang sambungan delta diberikan bekalan kuasa 400V. Arus talian 20A dan kuasa diambil oleh motor ialah 10kW. Kirakan ; i.

Voltan fasa ii.

Arus fasa iii.

Galangan iv.

Faktor kuasa

165

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

MAKLUM BALAS 9 9.1

Arus talian – arus yang mengalir di dalam talian Arus fasa – arus yang mengalir di dalam fasa Voltan talian – Voltan yang diukur di antara dua wayar hidup.

9.2

Diketahui kuasa ketara setiap fasa, S P = VP I P Jumlah kuasa ketara dalam sistem 3 Φ : S3Φ = 3 xS P = 3 VP I P I bagi sambungan delta, VL = VP dan I P = L 3 masukkan (2) ke dalam (1) : S3Φ = 3 xVL x

(1) (2)

IL = 3VL I L (terbukti).

3

(Nota : Jawapan akan sama jika anda menggunakan sambungan bintang) 9.3

Kuasa-kuasa yang wujud di dalam sistem satu fasa sama dengan kuasa yang ada di dalam sistem tiga fasa iaitu ; i.

Kuasa ketara, S ii.

Kuasa aktif / sebenar, P iii.

Kuasa reaktif, Q.

166

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

Penilaian Kendiri 1. Lukiskan dan labelkan bahagian-bahagian penting bagi sistem 3 fasa sambungan delta.

2. Dalam sistem penjanaan, penghantaran dan pengagihan tenaga elektrik terdapat dua sistem yang biasa digunakan iaitu sistem satu fasa dan sistem tiga. Terangkan perbezaan kedua-dua sistem dari segi definisi, sambungan talian dan bentuk gelombang.

3. Tiga(3) gegelung seimbang mempunyai pemuat 9.8 µF , pearuh 0.8H dan perintang 20 Ω bagi setiap fasa. Jika voltan bekalan 415V, 50Hz disambung secara delta, kirakan ; i.

Arus fasa dan arus talian ii.

Faktor kuasa iii.

Kuasa sebenar 4. Satu motor tiga fasa beban seimbang sambungan Bintang diberikan bekalan kuasa 400V. Arus talian yang mengalir ialah 20A, kirakan kuasa yang dilesapkan jika faktor kuasa litar ialah 0.78.

Selamat Mencuba !

Jumpa pensyarah untuk mengetahui jawapannya.

167

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

MAKLUM BALAS KENDIRI 1. Bahagian-bahagian utama sambungan Delta

R

Talian merah

VL = VP

Y

B

A

Arus talian, I L

Beban

Beban

Beban

Talian kuning

B

C

Talian biru

Dalam sambungan delta, hubungan di antara arus talian dan arus fasa, voltan talian dan voltan fasa boleh ditulis dalam bentuk ungkapan matematik seperti persamaan di bawah ;

Arus Talian =

IL =

3

Arus Fasa 3I P

Vol tan Talian = Vol tan Fasa

VL = VP 168

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

2.

Perbezaan antara sistem tiga fasa dan sistem satu fasa adalah : SISTEM 1 Φ

SISTEM 3 Φ

Definisi : Sistem yang mempunyai dua(2) kabel/dawai penyambung dari bekalan ke beban iaitu, kabel hidup (L) dan kabel neutral (N).

Definisi : Sistem yang mempunyai tiga(3) kabel dari bekalan ke beban iaitu fasa merah (R), fasa kuning (Y) dan Fasa biru (B).

Sambungan Talian :

Sambungan Talian :

Kabel hidup 240V

R beban

Kabel neutral

Y

240V

B N

Bentuk gelombang :

Bentuk gelombang :

Voltan

Voltan

240V

415V

0

0

π

415V

2π

θ

R

Y

B 360

120

240

θ

169

KAEDAH SAMBUNGAN SISTEM 3Φ

3.

Diberi, C = 9.8 µ F, L = 0.8H, R = 20 Ω , VL = 415V dab f = 50Hz. XC =

1 1 = 324.81 Ω = 2πfC 2π (50)(9.8 x10− 6 )

X L = 2πfL = 2π (50)(0.8) = 251.33 Ω Z P = R 2 + ( X C − X L ) 2 = 202 + (324.81 − 251.33) 2 = 76.15 Ω

VP = VL = 415V (kerana sambungan delta) i. Arus fasa , I P =

VP 415 = = 5.45 A Z P 76.15

Arus talian , I L = 3I P = 3 (5.45) = 9.44 A (sambungan delta) R 20 = = 0.263 Z 76.15 iii. Kuasa sebenar, P3Φ = 3 (415)(9.44) = 6785.5 W

ii. Faktor kuasa, cos θ =

4. Diberi, VL = 400V dan I L = 20 A Kuasa yang dilesapkan = kuasa sebenar

P3Φ = 3VL I L cosθ = 3 (400)(20)(0.78) = 10.81kW

Yahoo!!!

Aku berjaya menjawab semua soalan dengan betul.

170

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

ELEKTROMAGNET

Unit

10

OBJEKTIF AM Memahami konsep-konsep asas elektromagnet.

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Menerangkan hubunga di antara aliran arus dengan magnet  Menjelaskan penggunaan kuantiti magnet di dalam elekromagnet

171

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

INPUT

10.0

PENGENALAN Bab ini menjelaskan tentang hubungan antara aliran arus dalam konduktor, faktor-faktor yang memberi kesan kepada kekuatan elektromagnet dan memahami ciri-ciri kuantiti magnet dalam elektromagnet. Hasil pembelajaran bagi bab ini ialah pelajar seharusnya dapat menerangkan dengan jelas hubungan antara aliran arus dan daya pemagnetan.

10.1.1 MAGNET Magnet boleh ditakrifkan sebagai bahan yang boleh menarik kepingan besi atau logam.

Magnet mempunyai dua kutub (utara dan selatan). Bahan yang menarik magnet adalah dikenali sebagai bahan magnet. Keupayaan untuk menarik bahan-bahan magnet dikenali sebagai kemagnetan.

10.1.2 PRINSIP MAGNET Magnet mempunyai medan magnet di sekeliling magnet itu sendiri. Medan magnet ialah daya di sekeliling magnet yang boleh menarik mana-mana bahan magnet di sekelilingnya.

Fluks magnet adalah garis di sekitar magnet bar yang membentuk magnet lapangan.

Rajah 10.1

Medan Magnet

172

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

10.1.3 PRINSIP ASAS MAGNET Garis fluks magnet mempunyai arah dan kutub. Arah pergerakan di luar garisan medan magnet adalah dari utara ke selatan. Kawasan yang paling kuat daya pemagnetan adalah pada kutub magnet. Kutub yang berbeza menarik antara satu sama lain dan kutub magnet yang sama akan menolak antara satu sama lain. Fluks membentuk gelung lengkap dan tidak pernah bersilang antara satu sama lain. Fluks akan cuba membentuk gelung sekecil mungkin.

Rajah 10.2

Fluks Magnet

10.1.4 JENIS MAGNET Terdapat dua jenis magnet yang dikenali sebagai magnet tulen dan magnet buatan I.

Magnet Tulen Magnet tulen adalah sejenis batu magnet yang asal. Ia mempunyai daya pemagnetan semulajadi. Pada dasarnya batu magnet dijumpai dalam bentuk bijih besi.

II.

Magnet Buatan Terdapat dua jenis magnet buatan iaitu magnet kekal dan magnet sementara. a) Magnet kekal Keupayaan magnet untuk mengekalkan kemagnetannya. Terdapat lima bentuk asas magnet kekal seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.3. Pada asasnya magnet kekal digunakan dalam peranti kecil seperti pembesar suara, meter dan kompas. Magnet kekal boleh diperolehi secara semula jadi atau aruhan magnet dan meletakkan magnet ke dalam gegelung kemudian dibekalkan dengan arus elektrik yang tinggi. Jenis asas magnet kekal ialah U Shape, Horseshoe, Rod, Cylinder dan Bar. 173

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

b) Magnet sementara Arus elektrik boleh digunakan untuk membuat magnet sementara yang dikenali sebagai elektromagnet. Ia mempunyai sifat magnetik apabila tertakluk kepada daya magnet dan ia akan hilang apabila kuasa dikeluarkan. Biasanya magnet sementara digunakan dalam komponen elektrik seperti geganti dan peranti kecil seperti loceng elektrik.

10.2

KEELEKTROMAGNETAN Keelektromagnetan ialah teras besi magnet yang dihasilkan apabila arus mengalir melalui gegelung. Oleh itu, medan magnet boleh dihasilkan apabila terdapat aliran arus melalui konduktor. Arah medan magnet yang dihasilkan oleh arus dalam solenoid boleh ditentukan menggunakan dua kaedah: i) ii)

Hukum Genggaman Tangan Kanan Hukum Skru Maxwell

10.2.1 HUKUM GENGGAMAN TANGAN KANAN Hukum Genggaman Tangan Kanan ialah prinsip fizik yang digunakan untuk arus elektrik yang melalui solenoid, menghasilkan medan magnet. Dengan melilit tangan kanan di sekeliling solenoid, ibu jari menghala ke arah kutub utara magnet dan jari-jari yang lain ke arah arus konvensional. Peraturan ini juga boleh digunakan untuk elektrik yang melalui wayar lurus. Ibu jari menghala ke arah arus konvensional dari positif ke negatif. Sementara jari-jari yang lain menunjukkan garis magnet fluks.

Rajah 10.3

Peraturan Genggaman Tangan Kanan

10.2.2 HUKUM SKRU MAXWELL Satu lagi cara untuk menentukan arah fluks dan arus dalam konduktor adalah dengan menggunakan Hukum Skru Maxwell. Skru tangan kanan dipusingkan supaya ia bergerak ke hadapan dalam arah yang sama seperti arus, arah putarannya akan memberikan arah medan magnet dari selatan ke utara.

174

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

Rajah 10.4 10.3

Hukum Skru Maxwell

KESAN ELEKTROMAGNETIK Pengaliran arus melalui wayar menghasilkan medan magnet dalam laluan bulat di sekeliling wayar. Corak medan aliran arus dalam konduktor boleh menentukan menggunakan keduadua peraturan Genggaman Tangan Kanan atau Skru Maxwell. Ambil perhatian bahawa, aliran arus konvensional ke arah atau di dalam konduktor ditandakan dengan silang (X) dan aliran arus keluar atau di luar konduktor ditandakan sebagai titik (·).

10.3.1 KONDUKTOR TUNGGAL Arah corak medan keluar dan masuk yang dihasilkan oleh arus yang mengalir melalui satu konduktor boleh ditentukan dengan menggunakan kedua-dua peraturan seperti yang digambarkan dalam Rajah 10.5

(a) Rajah 10.5

Aliran arus

(a) keluar

(b) (b) masuk

10.3.2 DUA KONDUKTOR Jika kedua-dua konduktor di mana arus mengalir dalam arah yang sama, corak fluks magnet akan menghasilkan di sekeliling kedua-dua konduktor dan bergabung untuk mewujudkan tarikan antara mereka seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.6 (a). Jika arus dalam 175

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

konduktor mengalir dalam arah yang bertentangan, corak medan akan menolak antara satu sama lain. Kesannya ditunjukkan dalam Rajah 10.6(b),

(a) Rajah 10.6

10.4

(b)

Dua pengalir pembawa arus tertutup mengalir (a) dalam arah yang sama (b) dalam arah yang bertentangan

KEKUATAN ELEKTROMAGNETIK Terdapat 4 faktor yang mempengaruhi kekuatan elektromagnet: 1.

Bilangan lilitan Kekuatan elektromagnet adalah berkadar terus dengan bilangan pusingan dalam gegelung. Dengan menambah bilangan lilitan dalam gegelungnya boleh menghasilkan medan magnet yang lebih tinggi kekuatannya.

2.

Kekuatan arus Kekuatan elektromagnet adalah berkadar terus dengan arus yang mengalir dalam gegelung. Lebih tinggi aliran arus melalui gegelung, lebih tinggi medan magnet yang dihasilkan.

3.

Panjang gegelung Kekuatan elektromagnet adalah berkadar terus dengan panjang gegelung. Dengan gegelung ke atas wayar boleh meningkatkan panjang dan meningkatkan daya medan magnet.

4.

Jenis konduktor Bergantung pada sifat bahan teras. Penggunaan teras lembut boleh menghasilkan kemagnetan yang paling kuat.

176

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

10.5

ARUHAN ELEKTROMAGNETIK Apabila konduktor bergerak merentasi medan magnet, daya elektromagnet (emf) dihasilkan dalam konduktor. Kesan ini dikenali sebagai aruhan elektromagnet. Kesan aruhan elektromagnet akan menyebabkan arus teraruh. Terdapat dua hukum aruhan elektromagnet: i. Hukum Faraday ii. Hukum Lenz'z 10.5.1 Hukum Faraday Hukum Faraday adalah hubungan asas yang berasal dari persamaan Maxwell. Ia adalah pergerakan relatif fluks magnet dan konduktor kemudian menyebabkan emf wujud dan dengan itu arus teraruh dalam konduktor. Emf teraruh pada konduktor boleh dihasilkan melalui dua kaedah iaitu fluks memotong konduktor atau konduktor memotong fluks. a. Fluks memotong konduktor Fluks memotong konduktor ialah apabila magnet bergerak ke arah gegelung seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.7, pesongan dicatatkan pada galvanometer menunjukkan bahawa arus telah dihasilkan dalam gegelung.

Rajah 10.7

Fluks memotong konduktor

b. Konduktor memotong fluks Konduktor memotong fluks ialah apabila konduktor digerakkan melalui medan magnet seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.8. Emf teraruh dalam konduktor dan dengan itu sumber emf dicipta di antara hujung konduktor. Ini adalah konsep yang mudah penjana AC. Medan elektromagnet teraruh ini diberikan oleh Di mana B l

v

E = Blv volt

[10.1]

= ketumpatan fluks, T = panjang konduktor dalam medan magnet, m = halaju konduktor, m/s 177

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

Jika konduktor bergerak pada sudut θ° ke medan magnet, maka

𝐸𝐸 = 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 sin 𝜃𝜃

Rajah 10.8

[10.2]

Konduktor memotong fluks

Contoh 10.1 Sebuah konduktor sepanjang 300mm bergerak pada kelajuan seragam 4m/s pada sudut tegak ke medan magnet seragam ketumpatan fluks 1.25T. Tentukan arus yang mengalir dalam konduktor apabila (a) hujungnya adalah litar terbuka (b) hujungnya disambungkan kepada beban 20 Ω rintangan.

Penyelesaian 10.1 Apabila konduktor bergerak dalam medan magnet ia akan mempunyai emf teraruh di dalamnya tetapi emf ini hanya boleh menghasilkan arus jika terdapat litar tertutup. Emf teraruh

𝐸𝐸 = 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 = 1.25𝑥𝑥0.3𝑥𝑥4 = 1.5𝑉𝑉

(a)

Jika hujung konduktor adalah litar terbuka, tiada arus akan mengalir walaupun 1.5V telah teraruh.

(b)

Daripada hukum Ohm

𝑉𝑉

𝐼𝐼 = 𝑅𝑅 =

1.5 20

= 75𝑚𝑚𝑚𝑚

178

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

10.5.2 HUKUM LENZ’Z Arah EMF teraruh sentiasa cenderung untuk menetapkan arus menentang daya gerakan (magnet masuk dan keluar) atau perubahan fluks yang wujud untuk mempengaruhi EMF itu sendiri. Kesan ini ditunjukkan dalam Rajah 10.9.

Rajah 10.9 10.6

Magnet bar bergerak masuk dan keluar dari solenoid

KUANTITI MAGNET Terdapat banyak kuantiti magnet dalam unit Standard Antarabangsa (SI). Bab ini hanya akan membincangkan tentang daya pergerakan magnet, kekuatan medan magnet, fluks magnet, ketumpatan fluks, kebolehtelapan dan keengganan.

10.6.1 DAYA GERAK MAGNET, FM Daya Gerak Magnet adalah punca kewujudan fluks magnet dalam litar magnet. Jumlah fluks yang dihasilkan adalah bergantung kepada bilangan pusingan (N) yang dibuat dalam litar. Ia juga berkadar dengan arus (I) yang melalui gegelung. Kemudian, daya gerak magnet ialah hasil darab arus dan bilangan lilitan.

[10.3]

Fm = NI Unit : At 10.6.2 KEKUATAN MEDAN MAGNET, H

Kekuatan medan magnet atau daya pemagnetan ditakrifkan sebagai daya gerak magnet, Fm per meter panjang,unit ialah At/m.

𝐻𝐻 =

𝐹𝐹𝑚𝑚 ℓ

=

𝑁𝑁𝑁𝑁 ℓ

[10.4] 179

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

di mana -

Fm N I l

daya gerak magnet bilangan lilitan arus elektrik purata panjang litar magnet

Contoh 4.2 Arus 500mA dialirkan melalui luka gegelung 600 pusingan toroid berdiameter min 10cm.

Kira kekuatan medan magnet.

Penyelesaian 4.2 I N l H =

= = = NI l

0.5A 600 π x 10 x 10-2m

ampereturn / meter =

600 × 0.5 0.3142

= 954.81 AT/m

10.6.3 FLUKS MAGNET DAN KETUMPATAN FLUKS Fluks magnet ialah jumlah pemfailan magnet yang dihasilkan oleh sumber magnet. Simbol bagi fluks magnet ialah phi (Φ). Unit bagi fluks magnet ialah weber, Wb. Ketumpatan fluks magnet ialah jumlah fluks yang melalui kawasan tertentu yang berserenjang dengan arah fluks: Ketumpatan fluks magnet = Fluks Magnet Luas (area) B = Φ Tesla A

[10.5]

Simbol untuk ketumpatan fluks magnet ialah B. Unit ketumpatan fluks magnet ialah Tesla, T, dan unit untuk Luas A ialah m2 di mana 1 T = 1 Wb/m2.

Contoh 10.3 Muka kutub magnet mempunyai bahagian segi empat tepat yang mempunyai dimensi 200mm kali 100mm. Jika jumlah fluks yang keluar dari kutub ialah 150µWb, hitung ketumpatan fluks.

180

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

Penyelesaian 10.3 Fluks magnet, Φ = 150 µWb = 150 x 10-6 Wb Luas keratan rentas, A = 200mm x 100mm = 20 000 x 10-6 m2 Ketumpatan fluks, B =

Φ A

=

150 ×10−6 20000 ×10-6

= 7.5 mT 10.6.4 KEBOLEHTELAPAN Kebolehtelapan ialah ukuran keupayaan bahan membenarkan medan magnet wujud di dalamnya. Kebolehtelapan mutlak, µ bahan ialah nisbah ketumpatan fluks kepada kekuatan medan magnet.

𝜇𝜇 = 𝜇𝜇0 𝜇𝜇𝑟𝑟

[10.6]

Jika medan magnet wujud dalam vakum, nisbah ketumpatan fluks kepada kekuatan medan magnet ialah pemalar yang dipanggil kebolehtelapan ruang bebas. Untuk udara atau manamana medium bukan magnet lain, nisbah ketumpatan fluks magnet kepada kekuatan medan magnet adalah malar, B = pemalar. Persamaan untuk kebolehtelapan H ruang bebas dalam medium bukan magnet adalah seperti yang ditunjukkan dalam persamaan 10.7 di bawah. 𝐵𝐵

𝐻𝐻

= 𝜇𝜇0

[10.7]

Kebolehtelapan ruang bebas, µ0 adalah sama dengan 4π x 10-7 H/m. Di udara atau sebarang sifat sebagai bahan bukan magnet µr = 1, ini adalah magnet yang sama dalam vakum seperti ditunjukkan dalam persamaan 10.7. µr ialah kebolehtelapan relatif dan ia adalah dipertimbangkan apabila jenis bahan yang berbeza digunakan. µr ditakrifkan sebagai nisbah ketumpatan fluks yang dihasilkan dalam bahan yang dihasilkan dalam udara atau seperti yang ditakrifkan dalam persamaan 10.8.

𝜇𝜇𝑟𝑟 =

ketumpatan fluks dalam bahan ketumpatan fluks dalam vakum

[10.8]

µr berbeza mengikut jenis bahan magnet. Julat anggaran kebolehtelapan relatif untuk beberapa bahan magnet biasa adalah seperti berikut: Besi tuang : µr = 100 – 250 Keluli lembut : µr = 200 – 800 Keluli tuang : µr = 300 – 900 181

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

Oleh itu kebolehtelapan untuk semua media selain daripada ruang bebas dalam medium atau bahan magnet adalah seperti yang ditunjukkan dalam persamaan dalam 10.9 di bawah. 𝐵𝐵

Contoh 10.4

𝐻𝐻

= 𝜇𝜇𝑦𝑦 𝜇𝜇𝑥𝑥

[10.9]

Ketumpatan fluks 1.2 T dihasilkan dalam sekeping keluli tuang dengan daya pemagnetan 1250 At/m. Cari kebolehtelapan relatif keluli di bawah keadaan ini.

Penyelesaian 10.4

𝐵𝐵 = 𝜇𝜇0 𝜇𝜇𝑟𝑟 𝐻𝐻 𝜇𝜇𝑟𝑟 =

𝐵𝐵 1.2 = = 764 𝜇𝜇0 𝐻𝐻 (4𝜋𝜋𝜋𝜋10−7 )(1250)

10.6.5 KEENGGANAN Keengganan, S ialah rintangan bagi litar magnet kepada kehadiran fluks magnet. Persamaan bagi keengganan adalah seperti persamaan 10.10 di bawah S = Fm = Hl = l = l Φ BA (B / H )A µ0 µr A

[10.10]

Unit untuk keengganan ialah 1/H atau H-1 atau At/Wb. Bahan feromagnetik mempunyai keengganan yang rendah dan boleh digunakan sebagai skrin magnet untuk mengelakkan medan magnet menjejaskan bahan dalam skrin.

Contoh 10.5 Tentukan keengganan sekeping logam dengan panjang 150mm dan luas logam 1800mm2, apabila kebolehtelapan relatif ialah 4000.

Penyelesaian 10.5 Keengganan,

𝑆𝑆 = 𝜇𝜇

𝜄𝜄

0 𝜇𝜇𝑟𝑟 𝐴𝐴

=

150𝑥𝑥10−3 (4𝜋𝜋𝜋𝜋10−7 )(4000)(1800𝑥𝑥10−6 )

= 16580 H-1 182

KEMAGNETAN DAN KEELEKTROMAGNETAN

LATIHAN 1. Cari kekuatan medan magnet yang digunakan pada litar magnet dengan min panjang 50 cm apabila gegelung sebanyak 400 lilitan dikenakan padanya yang membawa arus 1.2 A. (960AT/m) 2. Arus 2.5A apabila mengalir melalui gegelung menghasilkan daya pemagnetan 675 At. Kira bilangan lilitan pada gegelung.

(270 pusingan) 3. Daya pemagnetan 8000 At/m dikenakan pada litar magnet bulat dengan diameter min 30 cm dengan menghantar arus melalui lilitan gegelung pada litar itu. Jika gegelung dililit secara seragam di sekeliling litar dan mempunyai 750 lilitan, cari arus dalam gegelung.

(10.05 A) 4. Ketumpatan fluks maksimum bagi elektromagnet pengangkat ialah 1.8 T dan kawasan magnet berkesan pada kutub adalah bulat dalam keratan rentas. Jika jumlah fluks magnet yang dihasilkan ialah 353 mWb, tentukan jejari kutub itu.

(0.25m) 5. Satu gegelung sebanyak 300 lilitan dililit secara seragam pada gelang bahan bukan magnet.

Gelang itu mempunyai purata lilitan 40 cm dan luas keratan rentas seragam 4cm2. Jika arus dalam gegelung ialah 5 A, hitung (a) kekuatan medan magnet, (b) ketumpatan fluks dan (c) jumlah fluks magnet dalam gelang.

(3750AT/m, 4.712mT, 1.885µWb)

183

PENGUBAH

PENGUBAH

Unit

11

OBJEKTIF AM Memahami prinsip asas pengubah

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Menjelaskan Huraikan prinsip operasi pengubah dengan mengaplikasikan konsep aruhan elektromagnet.  Namakan pelbagai jenis pengubah dan fungsinya.  Menerangkan pengubah langkah naik dan pengubah langkah turun.  Menyelesaikan pengubah.

masalah

yang

berkaitan

dengan

184

PENGUBAH

INPUT

11.0

PENGENALAN Pengubah merupakan peranti elektrik yang paling ringkas binaannya. Pengubah boleh didapati didalam berbagai saiz dan bentuk – daripada yang berteraskan besi (untuk kegunaan frekuensi kuasa 50 Hz) hinggalah yang berteraskan udara (untuk kegunaan frekuensi sehingga beberapa kHz). Walaupun begitu perbincangan di dalam bab ini lebih tertumpu kepada pengubah kuasa kerana pengubah jenis ini paling banyak digunakan.

Fungsi sebuah pengubah adalah untuk mengubah aras voltan (arus) AC. Tanpa pengubah, kuasa elektrik tidak mungkin dapat dihantar dari stesen penjana ke tempat-tempat yang jauhnya sehingga beribu batu.

11.1

PRINSIP ASAS PENGUBAH 11.1.1 STRUKTUR ASAS Rajah 11.1 menunjukkan susunan am sebuah pengubah. Teras terdiri daripada kepingan keluli berlapis dengan setiap satunya mempunyai ketebalan lebih kurang 0.35 mm dan ditebatkan diantara satu sama lain dengan lapisan tipis varnis. Teras ini kemudiannya dililitkan dengan 2 set belitan utama dan belitan sekunder. Belitan utama disambungkan ke bekalan sementara belitan sekunder pula disambungkan ke beban.

Rajah 11.1

Susunan am pengubah 185

PENGUBAH

11.1.2 NISBAH PENGUBAHAN Apabila voltan AC dikenakan ke belitan utama, fluks ulangalik akan terbentuk didalam teras keluli. Jika kesemua fluks yang dihasilkan oleh belitan utama dapat melintasi belitan sekunder, daya gerak elektrik yang teraruh di dalam setiap lilit belitan utama dan belitan sekunder adalah sama. Jika N₁ dan N₂ masing-masingnya mewakili bilangan lilit belitan utama dan belitan sekunder, maka Jumlah d.g.e. teraruh di dalam belitan sekunder = N₂ x d.g.e. / lilit = N₂ Jumlah d.g.e. teraruh di dalam belitan utama N₁ x d.g.e. / lilit N₁ Apabila bahagian sekunder pengubah berkeadaan litar buka, voltan sekunder V₂ sama dengan d.g.e. teraruh dalam belitan sekunder. Dengan itu arus utama akan menjadi terlalu kecil supaya voltan kenaan V₁ mempunyai magnitud yang sama dengan d.g.e. teraruh di dalam belitan utama tetapi dengan kekutuban yang bertentangan. Oleh itu:

(11.1) Dengan menganggapkan pengubah mempunyai kecekapan 100% (unggul), I₁ V₁ x faktor kuasa belitan utama = I₂ V₂ x faktor kuasa belitan sekunder Tetapi oleh kerana faktor kuasa belitan utama dan faktor kuasa belitan sekunder lebih kurang sama pada beban penuh, maka

Dari persamaan 11.1 dan 11.2 dapat dirumuskan bahawa nisbah belitan, votlan dan arus boleh ditulis sebagai (11.3) Persamaan 11.3 biasanya dirujuk sebagai nisbah pengubahan pengubah. Perhatikan bahawa apabila voltan meningkat, arus akan mengurang dan apabila voltan mengurang, arus akan meningkat.

186

PENGUBAH

Jika N₂ ˂ N₁ maka V₂ ˂ V₁. Pengubah yang memiliki ciri ini dikenali sebagai pengubah langkah turun (Rajah 11.2a). Disebaliknya, jika N₂ ˃ N₁ maka V₂ ˃ V₁ dan pengubah yang memiliki ciri ini dikenali sebagai pengubah langkah naik (Rajah 11.2b).

(a)

(b) Rajah 11.2

(a) Pengubah langkah turun (N₂ ˂ N₁) (b) Pengubah langkah naik (N₂ ˃ N₁)

Contoh 11.1 Sebuah pengubah dengan 725 lilit dawai pada belitan utamanya disambungkan ke bekalan 15 V. Berapakah bilangan lilit yang diperlukan pada belitan sekunder untuk menghasilkan: a) 10 V b) 230 V Penyelesaian 11.1 a) Pengubah langkah turun: Bilangan lilit belitan sekunder, N₂ = (V₂ / V₁) N₁ = (10/115)(725) = 63 lilit. b) Pengubah langkah naik: Bilangan lilit belitan sekunder, N₂ = (V₂/V₁) N₁ = (230/115)(725) = 1450 lilit

187

PENGUBAH

11.1.3 ARUS BELITAN UTAMA DAN SEKUNDER Aliran arus di dalam belitan utama akan terlaras secara automatik untuk memenuhi keperluan keluaran (arus beban). Oleh itu apabila tiada sebarang arus digunakan daripada belitan sekunder (tanpa beban), belitan utama juga tidak akan mengalirkan arus kecuali arus ujaan. Nilai arus ujaan adalah sangat rendah iaitu setakat cukup untuk mengekalkan kewujudan litar magnet. Di sepanjang perbincangan di dalam buku ini (melainkan apabila dinyatakan sebaliknya), arus ujaan akan dianggap sebagai terlalu kecil dan boleh diabaikan.

Dalam keadaan berbeban, aliran arus di dalam belitan utama adalah berkadaran dengan beban pada bahagian sekunder. Untuk memahami konsep ujaan-diri ini, timbangkan pengubah berbeban yang ditunjukkan dalam Rajah 11.3. Untuk memudahkan perbincangan, anggapkan pengubah ini mempunyai nilai pengubahan 1:1 supaya voltan dan arus di dalam setiap belitan sama.

Rajah 11.3

Prinsip pengaturan pengubah

Apabila bekalan disambung ke belitan utama dengan kesemua suis beban terbuka (off), tiada sebarang arus yang mengalir di dalam belitan utama (kecuali arus ujaan yang boleh diabaikan). Apabila suis beban S1 ditutup (on), arus beban 5 A akan mengalir di dalam belitan sekunder. Dengan menganggapkan pengubah tidak mempunyai sebarang kehilangan, arus yang mengalir di dalam litar utama juga adalah 5 A. Apabila S2 ditutup (dengan S1 masih berkeadaan tertutup) arus yang mengalir di dalam litar sekunder bertambah menjadi 10 A pada belitan sekunder. Seterusnya jika S3 ditutup, proses yang sama akan turut berlaku iaitu belitan utama akan mengalirkan arus sebesar 15 A untuk membolehkan arus 15 A mengalir di dalam litar sekunder.

188

PENGUBAH

11.1.4 TERMINOLOGI BELITAN UTAMA DAN SEKUNDER Pengubah adalah sejenis peranti yang memindahkan tenaga elektrik dari belitan utama ke belitan sekunder. Walaupun begitu, tidak wujud satu sambungan pun yang menghubungkan belitan sekunder dengan belitan utama. Kedua-dua belitan ini terpencil di segi eletrik tetapi terangkai atau terganding melalui fluks magnet yang berulang alik di dalam teras. Pengubah adalah peranti dua hala. Ini bermakna pengubah boleh dikendalikan pada mana-mana arah. Timbangkan pengubah pada Rajah 11.4. Perhatikan bahawa pengubah sekarang sedang mengendali sebagai pengubah langkah turun iaitu dengan menurunkan bekalan AC 120 V kepada 20 V seperti yang diperlukan oleh beban. Katakan pada suatu keadaan tertentu wujud keadaan yang sebaliknya iaitu bekalan AC 20 V hendak digunakan untuk membekalkan beban 120 V. Untuk menyelesaikan masalah ini pengubah langkah turun yang digunakan tadi boleh digunakan sebagai pengubah langkah naik dengan menterbalikkan kaedah sambungan (Rajah 11.5). Ini bermakna belitan ‘utama’ telah bertukar menjadi belitan sekunder sementera belitan ‘sekunder’ pula bertukar menjadi belitan utama.

Rajah 11.4

Rajah 11.5

Terminologi belitan utama dan sekunder

Belitan utama dan sekunder dalam keadaan terbalik

189

PENGUBAH

11.2

KADARAN PENGUBAH Kadaran pengubah perlu diketahui dengan tepat supaya sesuatu pengubah itu sesuai dengan penggunaannya. Ini untuk mengelakkan pengubah tersebut menjadi terlalu panas yang akhirnya akan merosakkan pengubah itu sendiri. Bergantung kepada saiznya, sesuatu pengubah hanya boleh membawa sejumlah arus yang tertentu (dikenali sebagai arus beban penuh) tanpa mengakibatkan kesan pemanasan lebih. Kadaran pengubah biasanya dinyatakan dalam sebutan kuasa ketara, iaitu (11.4) Di samping itu kadaran pengubah boleh juga dinyatakan dalam sebutan VA untuk pengubah bersaiz kecil dan MVA untuk pengubah bersaiz besar.

Panduan yang mudah diikuti untuk mengelakkan keadaan beban lebih berlaku pada sesuatu pengubah ialah dengan mematuhi dua peraturan berikut: 1. Jangan sekali-sekali mengenakan voltan melebihi voltan terkadar pada bahagian utama pengubah ; 2. Jangan sekali-sekali mengambil arus melebihi arus terkadar pada bahagian sekunder pengubah.

11.3

KEHILANGAN DAN KECEKAPAN Tidak semua kuasa yang dibekalkan ke pengubah disalurkan ke beban. Sebahagian daripada kuasa ini akan ‘hilang’ pada teras dan belitan-belitan pengubah. Para pengilang sedaya upaya akan memastikan kehilangan ini sentiasa pada tahap yang minimum.

Bergantung kepada penggunaan, kehilangan pada pengubah biasanya dalam lingkungan 1% hingga 15%. Pengubah yang digunakan untuk memindahkan jumlah kuasa yang besar di reka bentuk supaya sekurang-kurangnya mempunyai kecekapan 98%. Pengubah bersaiz kecil, seperti yang digunakan pada loceng pintu dan litar isyarat selalunya tidak menitikberatkan sangat soal kecekapan (ada kalanya kurang dari 85%). Ini kerana pengubah sebegini hanya memindahkan sejumlah kuasa yang kecil dalam tempoh yang sangat singkat sahaja.

11.3.1 KEHILANGAN KUPRUM Belitan utama dan sekunder pengubah dililit menggunakan dawai kuprum yang mempunyai rintangan yang rendah. Kehilangan kuprum adalah kehilangan kuasa yang berlaku di dalam kedua-dua belitan ini. Kehilangan kuasa ini mendapat nama sempena bahan kuprum yang digunakan. Kehilangan kuprum boleh dikira menggunakan formula: (11.5) Apabila pengubah tidak disambung ke sebarang beban, tiada sebarang arus yang akan mengalir di dalam belitan sekunder. Pada ketika ini jumlah arus yang mengalir di dalam belitan utama adalah sangat kecil dan dengan demikian kehilangan kuprum (I₂R) akan menjadi terlalu kecil dan boleh diabaikan.

190

PENGUBAH

11.3.2 KEHILANGAN ARUS PUSAR Fluks magnet yang berubah di dalam terus pengubah akan mengaruh voltan pada sebarang pengalir yang berada di kawasan medan tersebut. Oleh kerana teras itu sendiri merupakan bahan pengalir, fluks magnet berubah bukan sahaja mengaruh voltan di dalam belitan pengubah malah di dalam teras pengubah itu sendiri. Voltan yang teraruh di dalam teras pengubah akan menyebabkan wujudnya arus yang berpusar di dalam teras. Arus ini dikenali sebagai kehilangan arus pusar. Kehilangan arus pusar boleh dikurangkan dengan meninggalkan rintangan laluan yang diambil oleh arus pusar. Ini boleh dilakukan dengan membina teras yang berlapis-lapis dengan setiap lapisan teras ditebatkan menggunakan lapisan tipis varnis (Rajah 11.6).

(a)

(b)

Rajah 11.6 : Arus pusar; (a) berpusar mengelilingi bongkah logam padu; (b) binaan berlapis-lapis dapat mengurangkan kesan arus pusar.

11.3.3 KEHILANGAN HISTERESIS Kehilangan histeresis berlaku akibat dari kesan kemagnetan baki. Kemagnetan baki adalah satu fenomena di mana kemagnetan sesuatu bahan itu akan terus kekal walaupun sesudah daya kemagnetan dikeluarkan. Kekutuban teras pengubah akan menyongsang setiap kali arus utama bertukar arah. Setiap kali kekutuban teras pengubah penyongsang, sedikit tenaga akan digunakan untuk ‘memadam’ kemagnetan baki dari kekutuban teras pada kitar yang sebelumnya. Kesan daripada itu, teras akan menjadi panas. Kehilangan histeresis berlaku setiap setengah kitar iaitu beberapa ketika sebelum teras memagnet semula dalam arah yang bertentangan. Kehilangan histeresis boleh dikurangkan dengan mengambil bahan yang mempunyai kesan histeresis yang rendah sebagai teras. Di antara bahan yang sesuai adalah keluli silikon. Keluli silikon adalah sejenis aloi yang mempunyai kesan histeresis yang rendah tetapi mempunyai kebolehtelapan yang tinggi.

191

PENGUBAH

11.3.4 KECEKAPAN Teras besi dan belitan kuprum pengubah akan menukar sedikit tenaga elektrik menjadi tenaga haba (kehilangan kuprum, arus pusar dan histeresis). Itulah sebabnya mengapa pengubah menjadi panas semasa mengendali. Oleh kerana fungsi pengubah adalah untuk memindahkan tenanga daripada belitan utama ke belitan kedua, maka sedikit haba yang terbentuk itu sebenarnya menunjukkan ketidakcekapan pengubah. Walaupun terdapat sedikit kehilangan kuasa, namun pada umumnya kecekapan pengubah adalah tinggi (boleh mencapai sehingga 99%). Kecekapan pengubah boleh ditentukan melalui formula berikut: (11.5) 11.4

BINAAN PENGUBAH Terdapat dua jenis binaan pengubah teras besi. Kelainan diantara keduanya hanyalah di segi kaedah menempatkan belitan utama dan belitan sekunder. Pengubah jenis teras terdiri daripada dua gegelung dengan setiap satunya dililitkan pada lengan teras segi empat tepat yang bertentangan (Rajah 11.7a). Reka bentuk ini jarang di pakai kerana mempunyai kebocoran fluks yang tinggi dan akan menyebabkan pengaturan voltan tidak memuaskan.

Untuk mengurangkan kebocoran fluks yang merangkai belitan utama dengan belitan sekunder, reka bentuk pengubah jenis kelompang adalah lebih sesuai. Pengubah jenis kelompang terdiri daripada teras yang mempunyai tiga lengan dengan kedua-dua belitan dililit sepusat pada lengan tengah (Rajah 11.7b). Belitan yang mempunyai voltan yang lebih rendah dililit dahulu pada lengan tengah dan belitan yang mempunyai voltan yang lebih tinggi pula dililitkan diatasnya.

(a)

(b) Rajah 11.7

Binaan pengubah; (a) jenis teras; (b) jenis kelompang.

192

PENGUBAH

11.5

PERSAMAAN EMF PENGUBAH

Sumber: Teknologi Elektronik Elektrik oleh Edward Hughes

Rajah 11.8

Bentuk Gelombang Variasi Fluks

nilai maksimum fluks ialah Φm , webers dan kekerapan menjadi f , hertz. fluks perlu berubah daripada +Φm kepada -Φm dalam separuh kitaran iaitu dalam 1 detik.

2.f Kadar purata perubahan fluks = 2 Φm ÷ 1 2.f = 4 f Φm webers sesaat dan purata emf teraruh setiap giliran ialah = 4 f Φm volt

(11.6)

Untuk gelombang sinusoidal nilai rms atau kesan efektif ialah 1.11 kali ganda nilai purata, oleh itu nilai rms bagi emf teraruh setiap giliran adalah seperti ditunjukkan dalam persamaan 11.7 E = 1.11 × 4 f Φm

(11.7)

Oleh itu nilai rms bagi emf teraruh dalam primer ialah E1 = 4.44 N1 f Φm volt

(11.8)

dan nilai rms bagi emf teraruh dalam sekunder ialah E2 = 4.44 N2 f Φm volt

(11.9)

193

PENGUBAH

Contoh 11.2 Sebuah pengubah fasa tunggal 250 kVA, 1100 V / 400 V, 50 Hz mempunyai 80 lilitan pada sekunder. Kira: a) nilai anggaran arus primer dan sekunder. b) anggaran bilangan lilitan primer. c) nilai maksimum fluks.

Penyelesaian 11.2 a. Arus primer beban penuh I1 = 250 × 1000 = 22.7 A 1100

Penuh - arus sekunder yang dimuatkan, I2 = 250 × 1000 = 625 A 400 b. Bilangan pusingan utama, N1 = 80 × 11000 = 2200 pusingan 400 c. Nilai maksimum fluks,

E2 = 4.44 N2 f Φm volt 400 = 4.44 × 80 × 50 × Φm Φm = 22.5 mWb

Contoh 11.3 Transformer 25 kVA yang ideal mempunyai 500 lilitan pada belitan primer dan 40 lilitan pada belitan sekunder. Utama disambungkan kepada bekalan 3000 V, 50 Hz. Kira a) arus primer dan sekunder pada beban penuh b) EMF sekunder dan c) fluks teras maksimum Penyelesaian 11.3 a. I1 = S = 25x103 = 8.33A V1 3000 I2 = I1 N2 = [8.33] 40 = 0.67 A N1 500 b. E2 = E1 N2 = [3000] 40 = 240V N1 500 E1 = 4.44 fNpΦm 194

PENGUBAH

c. Φm =

3000

= 27 x 10-3 wb = 27mWb

4.44 x 50 x 500

Contoh 11.4 Belitan primer dan sekunder bagi pengubah 500 kVA mempunyai rintangan sebanyak 0.42 Ω dan 0.0019 Ω masing-masing. Voltan primer dan sekunder ialah 11 000 V dan 400 V masing-masing dan kehilangan teras ialah 2.9 kW, dengan mengandaikan faktor kuasa beban ialah 0.8. Kira kecekapan pada: (a) beban penuh (b) separuh beban Penyelesaian 11.4 (a) Beban penuh: Arus primer, I1

=S

Arus sekunder, I2

=S

Jumlah kehilangan

= Pc + I 1 2 R 1 + I 2 R2 = 2.9 k + (45.5)2 × 0.42 + (1250)2 × 0.0019 = 2.9 k + 870 + 2969 = 6.74 kW

V1 = 500 ×1000 = 45.5 A 11000 V2 = 500000 = 1250 A 400

Kuasa keluaran = 500 k × 0.8 = 400 kW Kuasa input = Kuasa output + kehilangan = 400 k + 6.74 k = 406.74 kW ∴ Kecekapan,

𝑛𝑛 = �1 −

𝑘𝑘𝑘𝑘ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

𝑛𝑛 = �1 −

6.74

406.74

𝑛𝑛 = 98.3%

�

� = 0.983 195

PENGUBAH

(b) Separuh Beban: Oleh kerana kehilangan berbeza mengikut kuasa dua arus Jumlah kehilangan

Kuasa input

= Pc + (I1/2) 2 R1 + (I2/2) 2 R2 = 2.9 k + (45.5 / 2)2 × 0.42 + (1250 / 2)2 × 0.0019 = 2.9 k + 217 + 742 = 3.85 kW

= 406.74 k / 2 = 203. 37 kW

𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾, 𝑛𝑛 = �1 −

3.85

� = 0.981 = 98.1%

203.37

Contoh 11.5 Dalam pengubah 50 kVA, kehilangan besi ialah 500 W dan kehilangan tembaga beban penuh ialah 800W. Cari kecekapan pada beban penuh dan separuh beban pada 0.8 p.f. ketinggalan.

Penyelesaian 11.5 Muatan penuh, 0.8 p.f Kuasa Output

= 50 k × 0.8 = 40 kW

Jumlah Kehilangan

= kehilangan besi + kehilangan kuprum = 500 + 800 = 1300 W = 1.3 kW

Kuasa Input

= Kuasa keluaran + Kehilangan= 40 k + 1.3 k = 41.3 kW

Kecekapan ,η

= kuasa output × 100 kuasa input = 40 × 100 41.3 = 96.85%

196

PENGUBAH

Separuh beban, 0.8 p.f Kuasa Keluaran

= (50 k /2) × 0.8 = 20 kW

Jumlah Kehilangan

= 500 + (1/2)2 × 800 = 700 W = 0.7 kW

Kuasa Input

= 20 k + 0.7 k = 20.7 kW

Kecekapan ,η

= 20 × 100 = 96.6 % 20.7

LATIHAN 1. Sebuah pengubah ideal mempunyai nisbah lilitan 8 : 1 dan arus primer ialah 3 A apabila ia dibekalkan pada 240 V. Hitung voltan dan arus sekunder.

(V2 = 30 volt, I2 = 24 A) 2. Berapakah lilitan yang diperlukan untuk sekunder 36 V jika primer 240 V mempunyai 600 N. (90 pusingan) 3. Luas keratan rentas bersih teras 400/3000V, pengubah 50Hz ialah 600cm2. Jika ketumpatan fluks maksimum dalam teras ialah 1.3 wb/m2, cari bilangan lilitan primer dan sekunder.

(24 pusingan; 198 pusingan) 4. A 60 kVA, 1600 V/100 V, 50 Hz, pengubah fasa tunggal mempunyai 50 belitan sekunder. Kira: (i) arus primer dan sekunder (ii) bilangan lilitan primer (iii) nilai maksimum fluks

(37.5 A, 600 A, 800 pusingan, 9.0 mWb)

5. Satu fasa, pengubah 50 Hz mempunyai 40 lilitan primer dan 520 lilitan sekunder. Luas keratan rentas teras ialah 270 cm2. Apabila belitan primer disambungkan kepada bekalan 300 V, tentukan: (i) nilai maksimum ketumpatan fluks dalam teras (ii) voltan teraruh dalam belitan sekunder

(1.25 T, 3.90 kV)

197

MOTOR ARUHAN

MOTOR ARUHAN

Unit

12

OBJEKTIF AM Memahami prinsip asas motor elektrik AC

OBJEKTIF KHUSUS Di akhir unit ini anda dapat :  Menerangkan prinsip operasi penjana AC dan motor.  Jelaskan bahawa komutator dan gelang gelincir adalah ciri-ciri yang utama yang membezakan antara penjana DC dan AC  Menyatakan perbezaan antara motor DC dan AC dari segi prinsip operasi.  Mentakrifkan voltan yang dijana dan voltan terminal.  Mentakrifkan kelajuan segerak, kelajuan rotor dan gelinciran.

198

MOTOR ARUHAN

INPUT

12.0

PENGENALAN Motor aruhan merupakan motor AC yang paling banyak digunakan sama ada pada perkakas rumah tangga mahupun perkakasan industri. Penggunaannya yang meluas adalah disebabkan oleh struktur binaannya yang ringkas, berharga rendah dan boleh dikatakan tidak memerlukan sebarang senggaraan. Selain daripada itu motor aruhan mempunyai ciri tahan lasak dan boleh digunakan secara berterusan tanpa menimbulkan sebarang masalah. Walaupun demikian, motor aruhan tidak mempunyai kilas permulaan dan ciri kawalan halaju yang memuaskan dan dengan demikian penggunaannya banyak tertumpu kepada penggunaan yang berterusan dan tidak memerlukan kilas permulaan yang tinggi seperti kipas angin, pam empar dan pemampat. Bab ini akan membincangkan dengan terperinci prinsip kerja motor aruhan. Perbincangan akan difokuskan kepada beberapa jenis motor aruhan yang biasa digunakan. Kebaikan dan keburukan setiap jenis motor aruhan juga akan turut disentuh.

12.1

PRINSIP KERJA MOTOR ARUHAN 12.1.1 PEMUTARAN ROTOR Rajah 12.1a menunjukkan lakaran sebuah magnet kekal dengan kutub utara dan selatan.

Magnet ini boleh diputar menggunakan engkol yang disambungkan kepadanya. Rotor berbentuk silinder yang diperbuat daripada bahan magnet yang disokong oleh braket B dan bebas berpusing pada paksinya diletakkan di tengah-tengah sela udara magnet kekal.

Rotor ini dilengkapi dengan pengalir kuprum yang diletakkan selari dengan paksinya dan membentuk satu laluan tertutup. Jika magnet diputarkan pada laju ns, arus akan teraruh di dalam pengalir dan arah pengaliran arus ini boleh ditentukan melalui Aturan Tangan Kiri Fleming (aruhan dinamik). Oleh kerana arus yang teraruh ini berada di dalam kawasan medan magnet, daya akan terhasil. Arah daya boleh ditentukan melalui Aturan Tangan Kanan Fleming. Dapat diperhatikan bahawa arah putaran rotor adalah sama dengan arah putaran medan magnet (Rajah 12.1b). Ini menunjukkan bahawa apabila rotor yang mempunyai pengalir diletakkan di dalam medan magnet yang berputar, rotor tersebut akan berputar ‘mengikut’ putaran medan magnet.

199

MOTOR ARUHAN

12.1.2 PEMBENTUKAN FLUKS BERPUTAR MOTOR ARUHAN 1-ϕ Fluks berputar boleh dibentuk melalui paduan dua fluks. Rajah 12.2 menunjukkan pemegun motor aruhan 1-ϕ yang terdiri daripada dua belitan-belitan utama dan belitan bantu – dengan masing-masingnya dibekalkan oleh arusnya sendiri. Belitan utama digunakan untuk melilit pasangan kutub menegak sementara belitan bantu digunakan untuk melilit pasangan kutub mendatar. Penghalaan ini menyebabkan kedua-dua pasang kutub berkedudukan 90º diantara satu sama lain.

Jika arus belitan bantu mendahului arus belitan utama sebanyak 90º maka fluks belitan bantu mempunyai nilai maksimum dikala belitan utama tidak menghasilkan fluks dan begitu juga sebaliknya (Rajah 12.3a)

Rajah 12.1: Magnet berputar mengaruhkan arus di dalam pengalir pemutar menyebabkan pemutar berputar di dalam arah yang sama dengan arah putaran magnet 200

MOTOR ARUHAN

Pada ketika t1, belitan bantu sahaja yang menghasilkan fluks sementara belitan utama tidak.

Oleh itu fluks paduan pada ketika t1 adalah dari kiri ke kanan (Rajah 12.3b). Pada ketika t2, kedua-dua belitan menghasilkan fluks dengan kekuatan yang sama. Dengan demikian fluks paduannya telah berubah sebanyak 45º pada arah putaran jam. Pada ketika t3, belitan utama menghasilkan fluks maksimum sementara belitan bantu tidak menghasilkan sebarang fluks. Ini menyebabkan kutub fluks paduan berputar lagi sebanyak 45º. Perkara yang sama akan terus berulang selagi mana kedua-dua belitan menerima bekalan masing-masing dan dengan itu terbentuklah satu fluks magnet yang berputar.

Rajah 12.2:

Rajah 12.3:

Pemegun motor aruhan satu fasa

Kendalian motor aruhan satu fasa; (a) Fluks belitan utama dan bantu; (b) Fluks berputar 201

MOTOR ARUHAN

MOTOR ARUHAN 3-ϕ Rajah 12.4 menunjukkan pemegun motor aruhan yang terdiri daripada elektromagnet.

Pemegun ini mempunyai enam kutub menonjol yang mengandungi enam gegelung yang serba sama. Gegelung-gegelung ini disusun secara berpasangan – r1, r2; y1, y2; dan b1, b2 – dan terjarak 120º diantara satu sama lain. Gegelung yang berkedudukan setentang (seperti r1 dan r2) disambungkan secara siri supaya kedua-duanya sentiasa membentuk kutub yang berlawanan. Tiga daripada enam hujung gegelung disambungkan sekali membentuk titik neutral sepunya N sementara hujung yang selebihnya (R, Y dan B) disambungkan ke bekalan 3-ϕ.

Rajah 12.4:

Pemegun motor aruhan tiga fasa

Bekalan 3-ϕ terdiri daripada tiga arus IR, IY dan IB yang berbeza fasa 120º diantara satu sama lain (Rajah 12.5a). Dengan demikian, fluks yang terhasil pada pemegun sebenarnya merupakan paduan fluks yang dihasilkan oleh ketiga-tiga arus ini. Perhatikan bahawa fluks paduan ini sebenarnya satu fluks yang sentiasa bertukar kekutubannya lalu membentuk fluks berputar (Rajah 12.5b).

202

MOTOR ARUHAN

I

A

B

C

D

E

F

G

(a)

A

E

B

C

F

D

G (b)

Rajah 12.5:

Kendalian motor aruhan tiga fasa; (a) Arus tiga fasa; (b) Fluks berputar

203

MOTOR ARUHAN

12.2

LAJU SEGERAK, LAJU PEMUTAR DAN GELINCIR 12.2.1 LAJU SEGERAK Fluks berputar pada motor aruhan dua kutub yang dibekalkan dengan bekalan AC 50 Hz akan melengkapkan 50 pusingan sesaat atau 3000 pusingan per minit (r.p.m.). Laju putaran ini dikenali sebagai laju segerak. Laju ini boleh dikurangkan dengan menambah bilangan kutub pada pemegun. Laju segerak untuk motor empat kutub ialah 1800 p.p.m. sementara untuk enam kutub pula ialah 1200 r.p.m. Secara umumnya, laju segerak boleh ditentukan melalui Persamaan 12.1. (p.p.m) Laju segerak, ns = 120f/p Dengan f = frekuensi bekalan (Hz) p = bilangan kutub

(12.1)

Contoh: Tentukan laju segerak motor aruhan enam kutub yang dikendalikan dari bekalan 220 V, 50 Hz. Penyelesaian: Laju segerak, ns = 120f/p = (120)(50)/6 = 1000 r.p.m.

12.2.2 LAJU PEMUTAR Laju pemutar motor aruhan bergantung kepada laju segerak dan beban yang mesti dipacunya. Pemutar tidak akan berputar pada laju segerak tetapi sebaliknya cenderung untuk tergelincir kebelakang. Laju pemutar tidak boleh melebihi laju segerak kerana sebaik sahaja laju pemutar sama dengan laju segerak, tiada sebarang arus akan teraruh di dalam batang-batang pengalir pemutar. Pemutar tidak mendapat daya baharu dan ini menyebabkan lajunya akan mengurang.

12.2.3 GELINCIR Gelincir ditakrifkan sebagai perbezaan di antara laju fluks pemegun (laju segerak) dengan laju pemutar. Nilainya selalunya dinyatakan dalam sebutan peratus. Nilai gelincir pada keadaan tanpa beban selalunya di sekitar 1% tetapi boleh mencapai sehingga 5% pada keadaan beban penuh.

Gelincir, s = (ns – nr)/nr x 100% Dengan ns = laju segerak (r.p.m.) nr = laju rotor (r.p.m.)

(12.2)

204

MOTOR ARUHAN

Contoh: Tentukan peratusan gelincir sebuah motor aruhan 1-ϕ, 4 kutub, 60 Hz yang mempunyai laju terkadar 1725 p.p.m.

Penyelesaian: Laju segerak, ns = 120f/p = (120)(60)/4 = 1800 r.p.m.

Oleh itu, Gelincir, s = (ns – nr )/ns x 100% = (1800 – 1725)/1800 x 100% = 4.2% 12.3

ROTOR SANGKAR TUPAI Binaan rotor motor aruhan secara umumnya berbentuk silinder yang dilengkapi dengan pengalir-pengalir selari di sekelilingnya. Struktur pengalir ini dibentuk melalui belitan dawai kuprum yang biasanya mencapai sehingga beberapa ratus lilit. Walaupun demikian reka bentuk ini kurang digunakan kerana proses pembuatannya yang agak rumit. Sebagai pilihan, kebanyakan pengilang cenderung untuk menggunakan rotor sangkar tupai kerana sifatnya yang lasak dan binaannya yang ringkas.

Rotor sangkar tupai asas (Rajah 12.6a) terdiri daripada beberapa batang pengalir dan dua gelang hujung yang diperbuat daripada aluminium atau kuprum. Hujung-hujung pengalir dikimpal ke gelang hujung sehingga terbentuk struktur seperti ‘sangkar tupai’. Ronggarongga di antara batang-batang pengalir dan gelang-gelang hujung diisi dengan bahan magnet berlapis untuk mendapatkan fluks yang lebih padat di samping bertindak sebagai ‘roda tenaga’. Setengah-setengah pengilang menggunakan proses tuangan untuk membina pemutar terutamanya untuk pemutar bersaiz kecil. Batang-batang pengalir, gelang-gelang hujung dan bilah-bilah kipas dituang menjadi satu (Rajah 12.6b).

Aluminium selalunya digunakan untuk tujuan ini.

Rajah 12.6: Pemutar sangkar tupai; (a) Binaan asas; (b) Binaan sebenar (lapisan-lapisan teras tidak ditunjukkan)

205

MOTOR ARUHAN

LATIHAN 1.

Penjana AC juga dipanggil ……………

2. Penjana menukarkan …………tenaga kepada tenaga.

3.

Hujung gelung angker dipanggil ………………………………

4. Apakah perbezaan antara pemutar (rotor) dan pemegun (stator)?

5. Nyatakan perbezaan antara penjana AC dan penjana DC.?

6. Apakah tiga jenis asas motor AC? 7. Motor aruhan AC mempunyai tiga bahagian asas: ……….. yang merupakan bahagian pegun motor; ……………, yang merupakan bahagian berputar motor dan .................. , yang menempatkan galas yang membolehkan rotor berputar dengan bebas.

8. Apakah keperluan yang perlu dipenuhi oleh motor segerak?

9. Mengapakah motor aruhan AC digunakan lebih kerap berbanding jenis lain?

10. Kelajuan pemutar sentiasa agak kurang daripada kelajuan medan berputar. Apakah perbezaan yang dipanggil?

11. Apakah yang menentukan jumlah gelinciran dalam motor aruhan?

12. Apakah jenis motor AC yang paling banyak digunakan?

206

e ISBN 978-967-0778-99-0

9 7 8 9 6 7 0 7 7 8 9 9 0