RANCANG BANGUN MODUL POWER FACTOR
CONTROL UNIT
BUILD DESIGN MODUL POWER FACTOR CONTROL UNIT
Tri Agus Budiyanto (091321063)
Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Listrik
Politeknik Negeri Bandung
Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kotak pos 6468 BDCD, Bandung
(022) 2012045
e-mail:
[email protected]
ABSTRAK
Energi listrik sekarang ini digunakan di berbagai aspek kehidupan. Baik di industri, rumah sakit, bahkan perkantoran. Peralatan yang digunakan pun kebanyakan bersifat induktif seperti motor listrik. Beban yang bersifat induktif tersebut berakibat menurunkan faktor daya. Untuk menaikan faktor daya pada nilai yang sebenarnya (0,85 dari PLN) dibutuhkan pemasangan kompensator pada jaringan.
Penggunaan kompensator yaitu agar menaikan faktor daya yang dibantu dengan sistem kontrol untuk mengatur kerja kompensator tersebut. Tujuan Proyek Akhir ini adalah mengidentifikasi, menganalisis dan membuat modul praktikum perbaikan faktor daya untuk beban motor induksi 3 fasa menggunakan kompensator. Dan membuktikan hasil analisa dari nilai cos φ yang dihasilkan sebelum dan sesudah pemasangan kapasitor dengan beban motor induksi 3 fasa 1,5 KW.
Kata kunci: Motor Induksi 3 Fasa, Kapasitor bank, Power
Factor Controller, Perbaikan Faktor Daya
I. PENDAHULUAN
Pada ruang lingkup konsumen besar, seperti industri-industri, faktor daya merupakan peranan yang cukup penting. Faktor daya yang tinggi sangat diinginkan, agar operasi mesin lebih efisien dan menjaga biaya rendah untuk seluruh sistem kelistrikan pabrik. Disamping dalam segi ekonomis pada
biayanya faktor daya akan memberikan keuntungan penghematan energi listrik dan pengurangan kerugian daya sehingga konsumsi energi yang diterima konsumen lebih maksimal.
Besarnya pemakaian energi listrik itu disebabkan karena banyak beban listrik yang digunakan dan beban listrik yang digunakan tersebut umumnya bersifat induktif dan kapasitif. Contoh penggunaan beban induktif adalah pada motor induksi. Dimana beban induktif tersebut membutuhkan daya reaktif, sedangkan beban kapasitif sebagai kompensator yang nantinya diatur untuk menentukan faktor daya maksimum.
Tujuan pembuatan alat ini adalah sebagai pembelajaran bagi mahasiswa Politeknik Negeri Bandung dalam memahami tentang ketenagalistrikan. Salah satunya dengan modul power factor control unit sehingga mahasiswa mampu mengetahui faktor daya yang berubah-ubah akibat sifat beban induktif.
Tujuan
Merancang modul power factor control unit dengan beban yang bersifat induktif dengan sistem kerja 4 step menggunakan capasitor bank yang dihubung delta (Δ) pada perbaikannya dari besaran cos φ <0,90 menjadi cos φ 0,90.
II. LANDASAN TEORI Daya Pada Beban
a. Daya Semu
Daya semu (Apparent Power) merupakan daya listrik yang melalui suatu penghantar transmisi atau distribusi seperti
yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja.
Gambar 1 Rangkaian Beban Kapasitif
Daya semu merupakan hasil perkalian antara tegangan dan arus yang melalui penghantar dan dinyatakan dalam satuan Volt-Ampere (VA).
S = V. I ...(2.1) Rumusan daya semu pada 3 fasa sebagai berikut:
S = √3 . VL. I L...(2.2)
b. Daya Aktif (P)
Daya aktif (active power) dikenal juga sebagai daya nyata. Daya ini sebenarnya adalah daya yang dipakai oleh komponen pasif resistor yang merupakan daya terserap atau terpakai untuk melakukan energi sebenarnya, misalnya energi panas.
Gambar 2 Rangakaian Beban Resistif
Secara matematis, daya aktif dinyatakan sebagai berikut P = V. I . Cos φ ...(2.3) Sedangkan unutk daya aktif pada 3 fasa, yaitu
P = √3 . VL. IL . Cos φ ...(2.4)
Daya aktif diukur dalam satuan Watt,daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu, dan dapat diukur dengan kWh meter.
c. Daya Reaktif (Q)
Daya reaktif adalah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet. Dari pembentukan medan magnet maka terbentuk fluks medan magnet kemudian daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi
elektromagnetik. Sehingga daya ini merupakan beban pada sistem tenaga listrik. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor dll.
Gambar 3 Rangkaian Beban Induktif
Satuan daya reaktif adalah VAR. Secara matematis, daya reaktif dapat dirumuskan sebagai berikut:
Q = V.I.Sin φ ...(2.3) Rumusan daya reaktif pada 3 fasa, yaitu:
Q = √3 . VL. IL. Sin φ ...(2.4)
Hubungan antara daya aktif, daya reaktif dan daya semu, dinyatakan dengan merepresentasikan daya-daya tersebut sebagai vektor dan disebut juga sebagai segitiga daya.
Gambar 4 Segitiga Daya Faktor Daya
Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S) atau cosinus sudut antara daya aktif dan daya semu. Sehingga, nilai cos φ dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:
Cos φ =
𝑃
𝑆
=𝑃
𝑉.𝐼
...(2.7)a. Faktor Daya Leading
Faktor daya leading terjadi apabila beban kapasitif, seperti kapasitor, synchronocus generators dan
synchronocus motors. Sudut tegangan dan sudut arus positif atau leading akan menghasilkan sudut fasa negatif.
b. Faktor Daya Lagging
Faktor daya lagging terjadi apabila beban induktif, seperti motor induksi, dan transformator. Sudut tegangan
dan sudut arus negatif atau lagging akan menghasilkan sudut fasa positif.
Kapasitor
Kapasitor adalah suatu komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan arus listrik dalam bentuk muatan.
Gambar 5 Kapasitor
Fungsi kapasitor dalam suatu rangkaian diantaranya:
1. Sebagai kopling antara yang satu dengan rangkaian yang lain pada power supply.
2. Sebagai komponen timming (pengosongan& pengisian)
3. Untuk menghemat daya listrik pada lampu TL.
4. Menghilangkan bouncing (loncatan api) apabila memasang saklar.
Perbaikan Faktor Daya
Perbaikan faktor daya dapat diartikan sebagai usaha membuat faktor daya atau cos φ mendekati 1.
Gambar 6 Segitiga Perbaikan Faktor Daya
Keterangan :
- Q1, S1, P dan φ1 (sebelum perbaikan faktor daya) - Q2, S2, P dan φ2 (sesudah perbaikan faktor daya) - Qc kompensasi perbaikan faktor daya
Salah satu cara dalam memperbaiki faktor daya adalah dengan menggunakan capasitor bank.
Gambar 7 Rangkaian Sebelum dan Sesudah perbaikan III. PERENCANAAN DAN REALISASI Deskripsi Kerja Sistem
Jenis perbaikan yang dilakukan dengan modul power factor controller yaitu secara terpusat dengan menggunakan 12 buah capasitor bank dengan kapasitas daya reaktif masing-masing capasitor bank tersebut adalah 3 μf , 4 μf , 5 μf , 6 μf, pada frekuensi 50 Hz dengan tegangan kerja 220V. Pengaturan kerja sistem terbagi menjadi dua pengoperasian yaitu manual dengan menggunakan push lock dan otomatis menggunakan power factor controller
Untuk pengaturan power factor controller dilakukan langkah-langkah sebgai berikut:
1. Mengaktifkan Power Factor Controller (tidak dalam posisi dibebani).
2. Menekan tombol “+” dan “set” pada Power Factor Controller kemudian akan muncul tulisan seperti berikut:
a. PFC: cos φ yang diinginkan
b. CAP: jumlah penggunaan step yang akan digunakan
c. ACT: kerja step pada power factor controller yang diinginkan
d.O.U.T: pengamanan otomatis (non-fuse) pada power factor controller apabila terjadi over voltage
e. O.U.R: pemberitahuan informasi terhadap error yang terjadi pada jaringan
Berikut ini proses kerja perbaikan faktor daya:
1. Selector switch diubah pada posisi otomatis dan power factor controller akan aktif atau menyala.
2. Pada saat beban (induktor) beroperasi parameter yang terukur, yaitu: arus pada source, arus pada beban,
M I M S C I Ib Ic
tegangan dan cos φ, kemudian power factor controller
akan mulai melakukan pengukuran.
3. Pada saat daya reaktif terukur besar maka nilai cos φ akan menjadi kecil, sehingga power factor controller
akan mengaktifkan step-step yang terhubung pada kontaktor, kemudian kontaktor akan bekerja dengan memberikan tegangan pada koil sehingga kontak akan terhubung dengan capasitor bank maka faktor daya mulai diperbaiki.
4. Setelah beban dimatikan maka power factor controller
akan secara otomatis melepas step-step, kemudian
power factor controller akan mengendalikan kontaktor untuk melepas setiap kontaknya sehingga capasitor bank akan terputus.
Wiring Diagram
Wiring Diagram digunakan untuk mengenal cara kerja alat power factor controller serta menjelaskan cara pemasangannya ke rangkaian.
Gambar 8 Wiring Diagram Power Factor Controller
Diagram Daya
Rangkaian ini berisi kontak-kontak utama dimana fungsi tersebut menurut sistem kontrolnya.
Gambar 9 Diagram Daya Pada Power Factor Control Unit
Diagram Control
Diagram ini dirancang agar dapat memenuhi dua fungsi kerja yaitu kerja secara otomatis dan manual dengan menggunakan selector switch (S0). Dimana pada sistem kerja otomatis alat power factor controller yang akan mengoperasikan kontaktor-kontaktor sebagai switching.
Gambar 10 Diagram Kontrol Pada Sistem Modul Power Factor Control Unit
Pemilihan Komponen
a. Power Factor Controller
Spesifikasi power factor controller yang digunakan: Tegangan Kerja = AC 220 V ~ 380 V
Temperatur Kerja = 0 0C to - 60 0C Penggunaan Daya = 10VA
Arus yang digunakan = <4,5 VA
Waktu Kerja Kapasitor = 15detik; 1menit; 3menit; 5menit Setting kerja Power Factor = 0.80 lag – 0.90 lead
Setting C/k = otomatis
Berat = 0,8 kg
b. Capasitor Bank
Capasitor bank mempunyai sifat kapasitif dimana fungsi tersebut sebagai penyeimbang sifat induktif. Besaran yang sering digunakan adalah kVAR (Kilo Volt Ampere Reaktif) walapun dilapangan akan tercantum nilai besaran suatu kapasitansi yaitu Farad atau microFarad. Sifat listrik yang ada pada kapasitor adalah kapasitif (leading), sehingga kapasitor
STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4
PFC (POWER FACTOR CONTROLLER) K L A M S0 K1M K2M 220V 0 K1M K3M A cos ? A M 3~ L K6M K7M K5M K4M K3M K3M K4M K5M K6M K2M K2M K2M K2M K2M K2M K2M K2M
digunakan dengan tujuan mengurangi atau menghilangkan beban listrik yang bersifat induktif (lagging).
Step 1 Nilai kapasitor = 3 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = 50-60 Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 2 Nilai kapasitor = 4 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = 50-60 Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 3 Nilai kapasitor = 5 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = 50-60 Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 4 Nilai kapasitor = 6 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = 50-60 Hz Toleransi kapasitor = ± 5% c. MCB
Pemilihan MCB menurut PUIL 2000 pasal 5.10.2.3.4 rating pada kapasitor tidak boleh kurang dari 135% dari arus nominal kapasitor. Berikut perhitungan rating MCB, yaitu : In (capasitor) = 1022,73/ VL x
3
= 1022,73/ 220 x3
= 2,68 A Rating MCB = 135% X In = 135% X 2,68 A = 3,618 APenulis menggunakan MCB dengan perhitungan kapasitor terbesar sebagai tolak ukur penggunaan MCB.
d. Kontaktor
Kontaktor standard IEC 60947-4-1 untuk switching capasitor bank dapat dihitung dengan perhitungan :
In ≥ 1022,73/ VL x
3
In ≥ 1022,73/ 220 x
3
In ≥ 2,68 A e. Kabel Penghantar
Jenis kabel yang digunakan yaitu kabel NYAF pada kontrol dan kabel daya pada kapasitor. Berdasarkan PUIL 2000 pasal 5.10.2.1, ditentukan bahwa KHA penghantar sirkit kapasitor yaitu : In = 1022,73/ VL x
3
= 1022,73/ 220 x3
= 2,68 A KHA = 135% X In = 135% X 2,68 A = 3,618 ADikarenakan nilai arus yang mengalir kecil (< 5 Ampere) maka dipilih kabel dengan luas penampang 1,5 mm2.
Tabel 1 Pemilihan Warna Selubung Kabel
NO KODE
WARNA
FUNGSI 1 Merah Penghantar fasa R 2 Kuning Penghantar fasa S 3 Hitam Penghantar fasa T 4 Biru Penghantar netral 5 Hijau Penghantar sistem kerja
f. Trafo Arus (CT)
Sesuai dengan ketentuan, terdapat beberapa range standar arus CT yang digunakan yaitu :
1. Arus Primer CT
Berdasarkan data name plate beban induktor yaitu 6,6A pada hubungan Δ
2. Arus Sekunder pengenal CT
Berdasarkan spesifikasi arus maksimum yang terdapat pada power factor controller maka pemilihan arus sekunder pengenal CT yaitu 5A maka Ratio CT = 30/5A
3. Burden Capacity
Nilai beban pengenal yang digunakan yaitu 5 VA, sesuai spesifikasi CT yang digunakan.
4. Kelas Ketelitian
CT pada perbaikan faktor daya digunakan pengukuran referensi arus fasa untuk menentukan nilai faktor daya. Sehingga dipilh CT dengan kelas ketelitian yaitu kelas
Bill of Quantity
Bill of Quantity
No Nama Barang Spesifikasi Jumlah
1 Power factor Controller Merek = Malabo Electric Tipe = S5-60D ∑ step = 6 step Vkerja =220 V Ikontak = < 5A 1 buah
2 Selector Switch Vkerja = 220 V
Vmax = 380 V Marking = A– Off -M
1 buah 3 Casing Panjang = 50 cm Lebar = 20 cm Tinggi = 60 cm Berat = 24 kg 1 buah 4 Trafo Arus (Current Transformer) Ratio = 30/5 A Kelas 1 F = 50 Hz 3 buah
5 Spiral Kabel Diameter = 15mm 3 meter 6 Sepatu Kabel Tipe = ring 2,5mm2 16 buah
7 Kabel NYAF D = 1,5 mm2 25 meter
8 Ampere-meter Merk = GAE Merk = Bisson
2 buah
9 Cos φ-meter Merk = Otto Arus = 5 ampere Tegangan = 400V
1 buah
10 MCB Merk = Merlin Gerin
In = 10 A
1 buah
11 Kontaktor Merk = siemens Tegangan = 220/380V Arus = 10 A 8 buah
IV. ANALISA PENGUJIAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA
Spesifikasi Beban
Pada tahapan pengujian, beban yang digunakan adalah beban induktor dengan spesifikasi, yaitu :
Jenis : beban induktor
Jumlah : 1 buah
Spesifikasi :
1. V Δ/Y : 220/ 220 Volt 2. I : 6,6-15/ 0,6-6,6 A 3. F : 50 Hz
Sedangkan untuk alat pengujian simulator modul
power factor control unit, dengan spesifikasi:
Jenis : Simulator Spesifikasi : 1. Tegangan : 220 V 2. Arus : 5 Ampere 3. Frekuensi : 50 Hz 4. Cos φ : 0,90 5. Kapasitor hubung Δ
6. Sistem operasi Automatic dan Manual
Perhitungan Perbaikan faktor daya menjadi cos φ 0,90 Tabel 2 Perhitungan kapasitor
TAP Kapasitor (μf) Hubung Δ Hubung Y 1 3 8 2 7 22 3 12 37 4 16 50
Berdasarkan hasil perhitungan, nilai kapasitor yang digunakan lebih kecil dibandingkan dengan hubung bintang. Maka, dalam hal ini penulis menggunakan kapasitor tipe
electrostatic (Mylar) dengan hubung delta.
Langkah Kerja Pengujian
Tahapan langkah pengujian yang dilakukan diantaranya: 1. Mempersiapkan beban induktor dengan pemasangan
hubung delta (Δ) sebagai beban.
2. Memberi sumber arus AC 3 fasa dan menyambungkan dengan beban induktor dari power factor control unit.
3. Mengoperasikan modul power factor control unit ke posisi otomatis.
4. Mencatat hasil pengukuran dan parameter Cos φ, yang terbaca dan terukur pada power factor control unit. 5. Menghentikan pembebanan secara bertahap dan
memastikan bahwa indikator step pada power factor controller terlepas.
6. Membandingkan data hasil pengujian dan data perhitungan.
Tabel Pengambilan Data
Tabel 3 Pengujian Sebelum Dipasang Kapasitor TAP VLL (Volt) IL1 (A) IL2 (A) P 3ϕ (Watt) Cos φ 1 220 0,5 0,5 85,73 0,45 2 220 1,2 1,2 169,18 0,37 3 220 1,9 1,9 238,91 0,33 4 220 2,5 2,5 276,26 0,29
Tabel 4 Pengujian Sesudah Dipasang Kapasitor T A P Kapasitor (μf) VLL (Volt) IL1 (A) IL2 (A) P 3ϕ (Watt) Qc (VAR) Cos φ 1 3 220 0,5 0,2 85,73 128,5 95 0,9 3 2 7 220 1,2 0,3 169,1 8 342,7 5 0,8 4 3 12 220 1,9 0,4 238,9 1 568,3 6 0,8 6 4 16 220 2,5 0,4 276,2 6 771,8 7 0,8 4 Analisis Pengujian
Dari data analisa didapat bahwa pada saat pengujian sebelum dipasang kapasitor arus beban pada induktor dan arus beban pada source mempunyai nilai yang sama. Tetapi
pada saat kapasitor masuk pada jaringan perubahan arus sangat signifikan di source. Sehingga bisa dilihat pada tabel percobaan 3 dan 4, IL1 merupakan parameter arus pada beban,
sedangkan IL2 merupakan parameter arus pada source. V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Dari pengujian yang telah dilaksanakan dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Dalam hasil pengujian tersebut didapat hasil perubahan nilai cos φ. Dengan nilai cos φ rata-rata sebelum pengujian yaitu 0.45, 0.37, 0.33, 0.29 dan setelah dilakukan perbaikan dengan alat ini berdasarkan perhitungan yaitu 0,9.
2. Sistem kerja pada power factor controller ini adalah menambah penggunaan kapasitor dalam perbaikannya. 3. Power factor controller ini bekerja otomatis dengan indikasi arus yang mengalir pada CT(Current Transformer).
4. Dengan dipasangnya kapasitor arus yang pada sisi sumber berkurang sehingga cos φ menjadi naik. 5. Kapasitas maksimum perbaikan faktor daya daya yang
dapat diperbaiki dengan menggunakan Capasitor Bank
mencapai 0,9 dengan pengujian beban induktif dengan jumlah konfigurasi 4 step.
Saran
Agar alat ini dapat digunakan lebih baik perlu dilakukan penyempurnaan. Adapun beberapa hal yang perlu diperbaiki diantaranya:
1. Dilakukan pengaturan terlebih dahulu sebelum menggunakan alat teresbut dengan beban yang berbeda. 2. Memastikan sumber VL-L = 220 V untuk tegangan
masukan pada Power Factor Controller
3. Mengikuti petunjuk manual book pada saat mensetting ulang Power Factor Controller.
4. Penggunaan CT(current transformer) diperhitungkan secara benar agar power factor controller dapat melakukan pengukuran secara akurat.
