MODUL III
MENGHITUNG FAKTOR DAYA
MEMAHAMI SIFAT BEBAN LISTRIK (RESISTIF,INDUKTIF,KAPASITIF) MENGHITUNG KEBUTUHAN PEMAKAIAN LISTRIK
ِميِح ّرلا ِنمْح ّرلا ِهللا ِمْسِب
1.1
Kegiatan Belajar 1 (Waktu Belajar 120 menit) A. Tujuan Kegiatan PembelajaranSetelah menyelesaikan kegiatan belajar ini, peserta pelatihan diharapkan dapat:
1. Memahami Daya listrik dan faktor daya listrik
2. Memahami sifat beban listrik (resistif, induktif dan kapasitif) 3. Menghitung kebutuhan pemakaian daya listrik
B. Teori Dasar 1. Daya listrik Pengertian Daya
Daya adalah energi yang dikeluarkan untuk melakukan usaha.
Dalam sistem tenaga listrik, daya merupakan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Daya listrik biasanya dinyatakan dalam satuan Watt atau Horsepower (HP), Horsepower merupakan satuan daya listrik dimana 1 HP setara 746 Watt atau lbft/second. Sedangkan Watt merupakan unit daya listrik dimana 1 Watt memiliki daya setara dengan daya yang dihasilkan oleh perkalian arus 1 Ampere dan tegangan 1 Volt.
Daya dinyatakan dalam P, Tegangan dinyatakan dalam V dan Arus dinyatakan dalam I, sehingga besarnya daya dinyatakan :
P = V x I
P = Volt x Ampere x Cos φ P = Watt
Gambar 1. Arah aliran arus listrik
Daya Aktif
Daya aktif (Active Power) adalah daya yang terpakai untuk melakukan energi sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. Misalnya energi panas, cahaya, mekanik dan lain – lain.
P = V. I . Cos φ P = 3 . VL. IL . Cos φ
Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja.
Daya Reaktif
Daya reaktif adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet. Dari pembentukan medan magnet maka akan terbentuk fluks medan magnet. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor, lampu pijar dan lain – lain. Satuan daya reaktif adalah Var.
Q = V.I.Sin φ Q = 3 . VL. IL. Sin φ Daya Nyata
Daya nyata (Apparent Power) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan rms dan arus rms dalam suatu jaringan atau daya yang merupakan hasil penjumlahan trigonometri daya aktif dan daya reaktif. Satuan daya nyata adalah VA
Gambar 2. Penjumlahan trigonometri daya aktif, reaktif dan semu S = P + jQ, mempunyai nilai/ besar dan sudut
S = S φ
S = √P2 + √Q2 φ
Untuk mendapatkan daya satu phasa, maka dapat diturunkan persamaannya seperti dibawah ini :
S = P + jQ P = V.I Cos φ Q = V. I Sin φ Maka :
S1φ = V. I. Cos φ + j V. I Sin φ S1φ = V. I. (Cos φ + j Sin φ) S1φ = V. I. ej φ S1 φ = V. I φ
S1 φ = V. I *
Sedangkan untuk rangkaian tiga phasa mempunyai 2 bentuk hubungan yaitu :
Hubungan Wye (Y)
Gamba r 3.
Hubung an bintang Dimana
:
VRS = VRT = VST = VL ; Tegangan antar phasa VRN = VSN =VTN = VP ; Tegangan phasa IR = IS = IT = IL (IP) ; Arus phasa /Arus saluran
Bila IL adalah arus saluran dan IP adalah arus phasa, maka akan berlaku hubungan : IL = IP
VL = 3 VP
Hubungan Delta (∆)
Gambar 4. Hubungan delta Dimana :
Bila VL adalah tegangan antar phasa dan VP adalah tegangan phasa maka berlaku hubungan :
VL = VP IL = 3 . IP
Dari kedua macam rangkaian di atas, untuk mendapatkan daya tiga phasanya maka dapat digunakan rumus :
S(3) = 3 . VL. IL Segitiga Daya
Segitiga daya merupakan segitiga yang menggambarkan hubungan matematika antara tipe- tipe daya yang berbeda (Apparent Power, Active Power dan Reactive Power) berdasarkan prinsip trigonometri.
Gambar 5. Diagram faktor daya
S = √P2 + √Q2 φ P = S / Cos φ Q = S / Sin φ 2. Faktor Daya
Faktor daya (Cos φ ) dapat didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya aktif (Watt) dan daya nyata (VA) yang digunakan dalam sirkuit AC atau beda sudut fasa antara V dan I yang biasanya dinyatakan dalam cos φ .
Faktor Daya = Daya Aktif (P) / Daya Nyata (S)
= kW / kVA
= V.I Cos φ / V.I
= Cos φ
Faktor daya mempunyai nilai range antara 0 – 1 dan dapat juga dinyatakan dalam persen. Faktor daya yang bagus apabila bernilai mendekati satu.
Tan φ = Daya Reaktif (Q) / Daya Aktif (P)
= kVAR / kW
karena komponen daya aktif umumnya konstan (komponen kVA dan kVAR berubah sesuai dengan faktor daya), maka dapat ditulis seperti berikut :
Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) x Tan φ
sebuah contoh, rating kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya sebagai berikut :
Daya reaktif pada pf awal = Daya Aktif (P) x Tan φ1 Daya reaktif pada pf diperbaiki = Daya Aktif (P) x Tan φ2
sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah
Daya reaktif (kVAR) = Daya Aktif (kW) x (Tan φ1 - Tan φ2)
Faktor daya terdiri dari dua sifat yaitu faktor daya “leading” dan faktor daya
“lagging”. Faktor daya ini memiliki karakteristik seperti berikut : Faktor Daya “leading”
Apabila arus mendahului tegangan, maka faktor daya ini dikatakan “leading”.
Faktor daya leading ini terjadi apabila bebannya kapasitif, seperti capacitor, synchronocus generators, synchronocus motors dan synchronocus condensor.
Gambar 6. Faktor daya “leading”
Gambar 7.
Segitiga daya untuk beban kapasitif
Faktor Daya “lagging”
Apabila tegangan mendahului arus, maka faktor daya ini dikatakan “lagging”.
Faktor daya lagging ini terjadi apabila bebannya induktif, seperti motor induksi, AC dan transformator.
Gambar 8. Faktor daya “lagging”
Gambar 9. Segitiga daya untuk beban induktif 3. Sifat Bebab Listrik
Dalam suatu rangkaian listrik selalu dijumpai suatu sumber dan beban.
Bila sumber listrik DC, maka sifat beban hanya bersifat resistif murni, karena frekuensi sumber DC adalah nol.
Reaktansi induktif (XL) akan menjadi nol yang berarti bahwa induktor tersebut akan short circuit. Reaktansi kapasitif (XC) akan menjadi tak berhingga yang berarti bahwa kapasitif tersebut akan open circuit. Jadi sumber DC akan mengakibatkan beban beban induktif dan beban kapasitif tidak akan berpengaruh pada rangkaian. Bila sumber listrik AC maka beban dibedakan menjadi 3 sebagai berikut :
Beban resistif yang merupakan suatu resistor murni, contoh : lampu pijar, pemanas. Beban ini hanya menyerap daya aktif dan tidak menyerap daya reaktif sama sekali. Tegangan dan arus se-fasa. Secara matematis dinyatakan :
R = V / I
Gambar 10. Arus dan tegangan pada beban resistif 3.2 Beban induktif
Beban induktif adalah beban yang mengandung kumparan kawat yang dililitkan pada sebuah inti biasanya inti besi, contoh : motor – motor listrik, induktor dan transformator. Beban ini mempunyai faktor daya antara 0 – 1 “lagging”. Beban ini menyerap daya aktif (kW) dan daya reaktif (kVAR). Tegangan mendahului arus sebesar φ°. Secara matematis dinyatakan :
XL = 2πf.L
Gambar 11. Arus, tegangan dan GGL induksi-diri pada beban induktif 3.3 Beban Kapasitif
Beban kapasitif adalah beban yang mengandung suatu rangakaian kapasitor. Beban ini mempunyai faktor daya antara 0 – 1 “leading”. Beban ini menyerap daya aktif (kW) dan mengeluarkan daya reaktif (kVAR). Arus mendahului tegangan sebesar φ°. Secara matematis dinyatakan :
XC = 1 / 2πfC
Gambar 12 Arus, tegangan dan GGL induksi-diri pada beban kapasitif 4. Meningkatkan Faktor Daya
Beberapa keuntungan meningkatkan faktor daya :
Tagihan listrik akan menjadi kecil (PLN akan memberikan denda jika pf lebih kecil dari 0,85)
Kapasitas distribusi sistem tenaga listrik akan meningkat
Mengurangi rugi – rugi daya pada sistem
Adanya peningkatan tegangan karena daya meningkat.
Jika pf lebih kecil dari 0,85 maka kapasitas daya aktif (kW) yang digunakan akan berkurang. Kapasitas itu akan terus menurun seiring dengan menurunnya pf sistem kelistrikan. Akibat menurunnya pf maka akan timbul beberapa persoalan diantaranya :
Membesarnya penggunaan daya listrik kWH karena rugi – rugi
Membesarnya penggunaan daya listrik kVAR
Mutu listrik menjadi rendah karena jatuh tegangan (voltage drops)
Denda atau biaya kelebihan daya reaktif dikenakan apabila jumlah pemakaian kVARH yang tercatat dalam sebulan lebih tinggi dari 0,62 jumlah kWH pada bulan yang bersangkutan sehingga pf rata – rata kurang dari 0,85.
sedangkan perhitungan kelebihan pemakaian kVARH dalam rupiah menggunakan rumus sebagi berikut :
Kelebihan pemakaian kVARH = [ B – 0,62 ( A1 + A2 )] Hk dimana :
B = pemakaian kVARH A1 = pemakaian kWH WPB A2 = pemakaian kWH LWBP
Hk = harga kelebihan pemakaian kVARH
Gambar 13. Hubungan daya aktif, reaktif dan kapasitansi
Seperti terlihat pada gambar 13, daya reaktif yang dibutuhkan oleh induktansi selalu mempunyai beda fasa 90° dengan daya aktif. Kapasitor menyuplai kVAR dan melepaskan energi reaktif yang dibutuhkan oleh induktor. Ini menunjukan induktansi dan kapasitansi mempunyai beda fasa 180°.
Beberapa strategi untuk koreksi faktor daya adalah :
Meminimalkan operasi dari beban motor yang ringan atau tidak bekerja
Menghindari operasi dari peralatan listrik diatas tegangan rata – ratanya
Mengganti motor – motor yang sudah tua dengan energi efisien motor.
Meskipun dengan energi efisien motor, bagaimanapun faktor daya diperngaruhi oleh beban yang variasi. Motor ini harus dioperasikan sesuai dengan kapasitas rat – ratanya untuk memperoleh faktor daya tinggi.
Memasang kapasitor pada jaringan AC untuk menurunkan medan dari daya reaktif. Selain itu, pemasangan kapasitor dapat menghindari :
Trafo kelebihan beban (overload), sehingga memberikan tambahan daya yang tersedia
Voltage drops pada line ends
Kenaikan arus / suhu pada kabel, sehingga mengurangi rugi – rugi.
Untuk pemasangan Capasitor Bank diperlukan :
Kapasitor, dengan jenis yang cocok dengan kondisi jaringan
Regulator, dengan pengaturan daya tumpuk kapasitor (Capasitor
Kontaktor, untuk switching kapasitor
Pemutus tenaga, untuk proteksi tumpuk kapasitor.
Pada gambar 14, segitiga daya menunjukan faktor daya 0,70 untuk 100 kW (daya aktif) beban induktif. Daya reaktif yang dibutuhkan oleh beban adalah 100 kVAR. Dengan memasang 67 kVAR kapasitor, daya nyata akan berkurang dari 142 menjadi 105 kVA. Hasilnya terjadi penurunan arus 6%
dan faktor daya meningkat menjadi 0,95.
Energi listrik digunakan berbanding lurus dengan biaya produksi yang dikeluarkan. Semakin besar energi listrik yang digunakan maka semakin besar biaya produksi yang dibutuhkan. Dengan menggunakan power monitoring system dapat diketahui pemakaian energi listrik dan kondisi energi listrik dari peralatan listrik sehingga menigkatkan efisiensi dari energi listrik yang digunakan dalam pekerjaan dan meminimalkan rugi – rugi pada sistem untuk penyaluran energi listrik yang lebih efisien dari sumber listrik ke beban.
Gambar 14. Kompensasi daya reaktif 5. Kompensasi Daya
cara yang biasa digunakan adalah sebagai berikut : 5.1 Metoda Perhitungan Biasa
Data yang diperlukan antara lain adalah daya aktif (kW). Power factor lama (Cos θ1) dan Power factor baru (Cos θ2). Daya yang diperoleh dari persamaan : S = P / Cos θ1
keterangan : S = Daya nyata (kVA) P = Daya aktif (kW)
Daya reaktif dari pf lama dan pf baru diperoleh dari persamaan : QL = P Tan θ1
QB = P Tan θ2 keterangan :
QL = Daya reaktif pf lama (kVAR) QB = Daya reaktif pf baru (kVAR)
Daya reaktif yang dikompensasi oleh capacitor bank adalah : QC = QL - QB
keterangan : QC = Daya yang dikompensasi kapasitor (kVAR) contoh perhitungan :
Data yang diketahui :
Daya nyata 22 MVA, Tegangan 20 kV, 3 Phasa, 50 Hz, Cos θ1 = 0.5 lag, Cos θ2 = 0.95 lag Perhitungan :
Cos θ1 = 0.5 --- Tan θ1 = 1,732 Cos θ2 = 0.95 --- Tan θ2 = 0,3287 P = S Cos θ1
P = 22 x 106 x Cos 0,5 P = 11 MVA
maka : QC = QL - QB
QC = P [ Tan θ1 - Tan θ2 ]
QC = 11 x 106 [ 1,732 – 0,3287 ] QC = 15, 4363 MVAR
5.1 Metoda Tabel Kompensasi
Untuk menghitung besarnya daya reaktif dapat dilakukan melalui tabel
mula sebesar Cos θ1 dan faktor daya yang diinginkan Cos θ2 maka besarnya faktor pengali dapat dilihat melalui tabel kompensasi. D engan kasus yang sama tetapi diselesaikan dengan Tabel Cos θ Untuk Kompensasi. Data semula adalah :
Daya nyata 22 MVA, Tegangan 20 kV, 3 Phasa, 50 Hz, Cos θ1 = 0.5 lag, Cos θ2 = 0.95 lag
perhitungan :
Dari nilai Cos θ1 = 0.5 lag sebelum dan Cos θ2 = 0.95 lag yang diinginkan maka dilihat dalam Tabel Cos θ Untuk Kompensasi
Cos θ nilainya adalah 1,4.(lihat tabel dibawah) Kemudian tentukan nilai beban daya aktif : P = S Cos θ1
P = 22 x 106 x Cos 0,5 P = 11 MVA
setelah nilai beban aktif diketahui maka tinggal dikalikan dengan hasil pengali yang diperoleh dari Tabel Cos θ, yaitu :
P = 11 MVA x faktor pengali P = 11 MVA x 1,4
P = 15,4 MVAR
Dari hasil perhitungan yang berbeda didapat diperoleh hasi yang sama.
Berikut data tabel kompensasi :
Tabel 1. Tabel Cos θ Untuk Kompensasi
6. Menghitung Kebutuhan Pemakaian Daya Listik Yang Terdapat Dirumah Rumus yang digunakan ialah :
S = V x I , hasilnya menggunakan satuan VA (Volt Ampere).
Misalkan :
Listrik dirumah anda menggunakan arus 1 phase (220 volt) dengan MCB 10 A maka untuk menghitung daya listriknya menggunakan rumus dibawah ini.
S = 220 V x 10 Amp = 2200 VA.
Seharusnya, untuk 1 Phase :
P = V x I x Cos φ (phi), untuk cos φ (power factor) bisa bernilai 0,8 atau 1. P = 220 V x 10 Amp x 0,8 = 1760 watt.
P = 220 V x 10 Amp x 1 = 2200 watt.
Jadi kalau dirumah, beban pemakaian mempunyai Cos Q (Power factor) 0.8, maka dengan berlangganan 2200 VA (Limiter 10 Amp), kita hanya bisa memakai 1760 watt saja. Sedangkan jika Cos φ (power factor) 1, maka anda bisa memakai 2200 watt.
Untuk 3 Phase:
P = V x I x V3 (akar tiga) x Cos φ.
Contoh : : 1. P = 380 V x 10 Amp x 1,73 x 0,8 = 5259.2 watt.
2. P = 380 V x 10 Amp x 1,73 x 1 = 6574 watt.
Catatan :
1. Dalam perhitungan 3 phase harus selalu disertakan V3 (akar tiga).
2. Cos φ adalah Power Factor.
3. Satuan VA untuk daya semu sedangkan untuk watt adalah daya nyata.
1.2
Praktikum (Waktu 120 menit) Cara Hitung Kwh Perbulanberapa rupiah biayanya, tergantung dari daya langganan listrik di tempat kita. tiap langganan daya mempunyai tarif yang berbeda-beda satu sama lain. dengan daya 1000 watt/jam ( = 1 KWH) dan misal lama pemakaian 1 jam/hari, maka bisa dihitung sebagai berikut:
1 KWH x 1 jam x 30 hari = 30 KWH/bulan
Apabila kita berlangganan daya listrik dengan daya 1.300 VA sesuai dengan ketentuan tarif dasar listrik baru tahun 2019, biaya per KWH yaitu Rp 1.400
Kurang lebih biaya yang dikeluarkan adalah:
Biaya listrik/Bulan = Total KWH/Bulan x Tarif/KWH
= 30 kwh x Rp 1.400 = Rp 42.000
Mungkin kurang lebih biaya yang dikeluarkan sebesar Rp 42.000,-
