Rangkaian listrik arus bolak-balik yang merupakan beban generator pada dasarnya terdiri dari tiga komponen, yaitu:
- Resistif (R)
- Induktif (L)
- Kapasitif (C)
Di dalam kenyataannya beban generator atau sistem tenaga listrik tidak pernah hanya terdiri dari beban resistif murni saja, atau bebas induktif murni saja atau beban kapasitif murni saja, tetapi merupakan gabungan dari dua atau tiga jenis beban tersebut.
A. Beban Resistif (R)
Rangkaian listrik yang hanya terdiri dari tahanan (resistor) disebut rangkaian tahanan murni. Peralatan listrik yang mempunyai tahanan murni contohnya resistor elemen pemanas dan lampu pijar. Pada peralatan ini nilai induktansi dan kapasitansinya dapat diabaikan.
Bila suatu rangkaian arus bolak-balik hanya terdiri dari tahanan murni, maka berlaku hukum ohm dan formula lain sebagaimana yang diterapkan pada rangkaian arus searah. Pada rangkaian tahanan murni arus sefasa dengan tegangan.
Pengaruh beban resistif pada generator akan menimbulkan reaksi jangkar pada stator sehingga timbul medan magnit yang arahnya melawan medan magnit rotor, akibatnya putaran rotor turun, Karena putaran turun maka frekuensi dan tegangan juga akan turun. Untuk memulihkannya ke kondisi normal, maka putaran (aliran uap) harus di tambah.
Akibat timbulnya medan magnit pada stator, maka pada inti kumparan stator terjadi pemanasan (kenaikan temperatur) atau biasanya di sebut core end heating.
 |
| Gambar oleh Frauke Feind dari Pixabay |
B. Beban Induktif (L)
Arus listrik yang mengalir didalam penghantar akan menimbulkan medan magnet disekitarnya dengan arah garis gaya magnetnya mengelilingi penghantar tersebut. Kuat medan magnet tergantung pada besarnya arus yang mengalir. Jika arus yang mengalir naik, kuat medan magnetnya juga naik melebar keluar dari pusat penghantar, demikianlah sebaliknya. Melebar dan mengecilnya medan magnet akibat variasi arus bolak-balik yang mengalir menyebabkan garis gaya magnet memotong penghantar dan membangkitkan gaya gerak listrik didalam penghantar.
Arah dari ggl induksi ini sedemikian rupa, sehingga melawan gerakan arus yang membangkitkannya (lihat hukum Lenz). Oleh karena itu ggl ini disebut ggl lawan. Bila arus dalam suatu rangkaian listrik berubah, rangkaian ini mencoba melawan perubahan itu. Sifat dari rangkaian yang melawan perubahan disebut "induktansi" dan rangkaiannya disebut induktif. Simbol untuk induktansi adalah L dan satuannya adalah Henry.
Didalam rangkaian induktif, jika arus naik rangkaian menyimpan energi didalam medan magnet. Jika arus berkurang rangkaian mengeluarkan energi dari medan magnet tadi. Rangkaian yang terdiri dari kumparan dengan inti besi mempunyai induktif yang lebih tingggi dibanding yang hanya terdiri dari rangkaian penghantar saja. Oleh karena itu induktansi membangkitkan ggl lawan yang melawan atau menunda perubahan arus, karena sifat ini maka suatu rangkaian arus bolak-balik yang berisi induktansi tinggi (murni), menyebabkan arus tidak naik dan turun secara bersamaan dengan tegangan. Arus tertinggal seperempat siklus atau 90º di belakang tegangan sepanjang siklus atau dikatakan arus tidak sefasa lagi dengan tegangan dengan sudut 90º, seperti pada gambar 25. Tetapi didalam penerapannya tidak ada rangkaian listrik induktif murni.
Dalam rangkaian induktif selalu terdapat tahanan R, sehingga didalam rangkaian induktif arus tertinggal dari tegangan dengan sudut kurang dari 90º. Besarnya sudut ini tergantung pada seberapa besar kandungan tahanan induktansi.
Karena induktansi menyebabkan perlawanan terhadap aliran arus, maka disebut "Reaktansi induktif" dan diberi simbol XL dengan satuan Ohm. Reaktansi induktif tidak hanya tergantung pada induktansi, tetapi juga pada frekuensi. Hal ini karena makin tinggi frekuensi makin besar laju perubahan arus dan medan magnetnya, sehingga makin besar ggl lawan yang dinduksikan.
Pengaruh beban induktif terhadap generator adalah pemanasan pada kumparan rotor. Beban induktif menyebabkan tegangan turun dan faktor daya rendah, sementara arus generator naik akibat reaksi jangkar di stator. Akibat selanjutnya tegangan cenderung turun sehingga untuk mengembalikan ke harga normal arus eksitasi harus ditambah. Penambahan arus eksitasi ini akan menyebabkan pemanasan pada rotor.
C. Beban Kapasitif (C)
Apabila induktansi bersifat selalu melawan perubahan arus, maka kapasitansi bersifat menahan perubahan tegangan. Kapasitansi timbul dalam rangkaian listrik karena terdapat bagian yang dapat menyimpan muatan listrik. Untuk melihat pengaruh kapasitansi terhadap tegangan, lihat gambar di bawah ini. Sebelum switch ditutup tegangan antara plat adalah nol dan tidak ada arus mengalir. Ketika switch ditutup, satu sisi plat terhubung ke terminal positif baterai dan plat yang lain keterminal negatif. Akibatnya elektron (arus listrik) akan mengalir dan memuati plat. Pada mulanya arusnya besar, tapi makin lama makin kecil dan akhirnya arus berhenti mengalir ketika muatan listrik di plat sudah penuh dan tegangan diantara plat sama dengan tegangan baterai (sumber).
Kejadian memuati listrik ke dalam kedua plat hingga bertegangan disebut kapasitansi dan rangkaian kedua plat disebut kapasitor atau kondensor. Jadi kapasitansi melawan perubahan tegangan dan menunda timbulnya tegangan. Bila switch dibuka muatan listrik tetap berada di dalam kedua plat atau kapasitor tetap menyimpan energi listrik. Muatan ini akan berkurang dan bahkan habis (discharge), apabila diantara kedua plat dihubungkan kesuatu beban (rangkaian). Proses pengisian (charging) dan pembuangan muatan (discharging) pada kapasitor akan terjadi berulang-ulang, apabila kapasitor dihubungkan ke sumber arus bolak-balik. Oleh karena kapasitansi memyebabkan penundaan timbulnya tegangan, maka arus dan tegangan menjadi tidak sefasa. Didalam rangkaian kapasitif arus mendahului tegangan dengan sudut 90°.
Tetapi karena tidak ada rangkaian listrik, yang hanya terdiri dari kapasitansi murni, melainkan selalu dibarengi adanya tahanan (resistansi), maka besarnya sudut fasa antara arus dan tegangan tidak sampai 90°. Karena kapasitansi menyebabkan perlawanan terhadap perubahan tegangan, maka disebut reaktansi kapasitif, dan diberi simbul XC dengan satuan Ohm. Besarnya reaktansi kapasitif tidak hanya tergantung pada kapasitansi tetapi juga pada frekuensi. Bila frekuensi atau kapasitansi naik, reaktansi kapasitif turun.
Pengaruh beban kapasitif terhadap generator adalah meningkatnya suhu stator, karena adanya penguatan medan magnet dari luar (sistem). Beban kapasitif menyebabkan tegangan cenderung naik karena adanya penambahan eksitasi dari luar, akibatnya kumparan stator menjadi lebih panas sedang arus eksitasi ke rotor menjadi kecil sehingga generator cenderung beroperasi ke daerah tidak stabil.
sumber : Materi Diklat Teori Dasar Listrik - PLN Coorporate University