RANCANG BANGUN MODUL POWER FACTOR CONTROL UNIT

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN MODUL POWER FACTOR CONTROL UNIT BUILD DESIGN MODUL POWER FACTOR CONTROL UNIT Tri Agus Budiyanto ( ) Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kotak pos 6468 BDCD, Bandung (022) 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 industriindustri, 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

2 yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Daya ini digunakan secara umum oleh konsumen dan dikonversikan dalam bentuk kerja. elektromagnetik. Sehingga daya ini merupakan beban pada sistem tenaga listrik. Contoh daya yang menimbulkan daya reaktif adalah transformator, motor dll. 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. V L. 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 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. V L. I L. 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 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. V L. I L. 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 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 = a. Faktor Daya Leading P P S = V.I...(2.7) 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

3 dan sudut arus negatif atau lagging akan menghasilkan sudut fasa positif. I I Ib Ic S Kapasitor Kapasitor adalah suatu komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan arus listrik dalam bentuk muatan. M M C Gambar 7 Rangkaian Sebelum dan Sesudah perbaikan III. PERENCANAAN DAN REALISASI Deskripsi Kerja Sistem 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. Jenis perbaikan yang dilakukan dengan modul power factor controller yaitu secara terpusat dengan menggunakan 12 buah capasitor bank dengan kapasitas daya reaktif masingmasing 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,

4 tegangan dan cos φ, kemudian power factor controller Diagram Control 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 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. terhubung dengan capasitor bank maka faktor daya L A cos? A mulai diperbaiki. 4. Setelah beban dimatikan maka power factor controller akan secara otomatis melepas step-step, kemudian power factor controller akan mengendalikan kontaktor S0 K L PFC (POWER FACTOR CONTROLLER) K1M STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 K3M 220V 0 K4M untuk melepas setiap kontaknya sehingga capasitor A M bank akan terputus. K2M K2M K2M K2M K2M K2M K2M K2M Wiring Diagram Wiring Diagram digunakan untuk mengenal cara kerja K1M K2M K3M K3M K4M K5M K6M K7M alat power factor controller serta menjelaskan cara pemasangannya ke rangkaian. 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 Gambar 8 Wiring Diagram Power Factor Controller Diagram Daya Rangkaian ini berisi kontak-kontak utama dimana fungsi tersebut menurut sistem kontrolnya. Temperatur Kerja Penggunaan Daya Arus yang digunakan = 0 0 C to C = 10VA = <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 Gambar 9 Diagram Daya Pada Power Factor Control Unit

5 digunakan dengan tujuan mengurangi atau menghilangkan beban listrik yang bersifat induktif (lagging). Step 1 Nilai kapasitor = 3 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 2 Nilai kapasitor = 4 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 3 Nilai kapasitor = 5 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = Hz Toleransi kapasitor = ± 5% Step 4 Nilai kapasitor = 6 μf Tegangan = 400 Vac Frekuensi = Hz Toleransi kapasitor = ± 5% c. MCB Pemilihan MCB menurut PUIL 2000 pasal rating pada kapasitor tidak boleh kurang dari 135% dari arus nominal kapasitor. Berikut perhitungan rating MCB, yaitu : In (capasitor) = 1022,73/ V L x 3 = 1022,73/ 220 x 3 = 2,68 A Rating MCB = 135% X I n = 135% X 2,68 A = 3,618 A Penulis menggunakan MCB dengan perhitungan kapasitor terbesar sebagai tolak ukur penggunaan MCB. d. Kontaktor Kontaktor standard IEC untuk switching capasitor bank dapat dihitung dengan perhitungan : In 1022,73/ V L 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 , ditentukan bahwa KHA penghantar sirkit kapasitor yaitu : In = 1022,73/ V L x 3 = 1022,73/ 220 x 3 = 2,68 A KHA = 135% X I n = 135% X 2,68 A = 3,618 A Dikarenakan nilai arus yang mengalir kecil (< 5 Ampere) maka dipilih kabel dengan luas penampang 1,5 mm 2. Tabel 1 Pemilihan Warna Selubung Kabel NO KODE FUNGSI WARNA 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

6 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 V kerja =220 V I kontak = < 5A 2 Selector Switch Vkerja = 220 V Vmax = 380 V Marking = A Off -M 3 Casing Panjang = 50 cm Lebar = 20 cm Tinggi = 60 cm Berat = 24 kg 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 2,5mm 2 16 buah 7 Kabel NYAF D = 1,5 mm 2 25 meter 8 Ampere-meter Merk = GAE Merk = Bisson 9 Cos φ-meter Merk = Otto Arus = 5 ampere Tegangan = 400V 10 MCB Merk = Merlin Gerin In = 10 A 11 Kontaktor Merk = siemens Tegangan = 220/380V Arus = 10 A 2 buah 8 buah

7 IV. ANALISA PENGUJIAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA Spesifikasi Beban Pada tahapan pengujian, beban yang digunakan adalah beban induktor dengan spesifikasi, yaitu : Jenis : beban induktor Jumlah : 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 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 V LL I L1 I L2 P 3ϕ Cos φ (Volt) (A) (A) (Watt) ,5 0,5 85,73 0, ,2 1,2 169,18 0, ,9 1,9 238,91 0, ,5 2,5 276,26 0,29 Tabel 4 Pengujian Sesudah Dipasang Kapasitor Tabel 2 Perhitungan kapasitor TAP Kapasitor (μf) Hubung Δ Hubung Y 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. T A P Kapasitor (μf) V LL (Volt) I L1 (A) I L2 (A) P 3ϕ (Watt) Qc (VAR) ,5 0,2 85,73 128, ,2 0,3 169, ,9 0,4 238, ,5 0,4 276, , , ,8 7 Cos φ 0,9 3 0,8 4 0,8 6 0,8 4 Langkah Kerja Pengujian Tahapan langkah pengujian yang dilakukan diantaranya: 1. Mempersiapkan beban induktor dengan pemasangan hubung delta (Δ) sebagai beban. 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

8 pada saat kapasitor masuk pada jaringan perubahan arus sangat signifikan di source. Sehingga bisa dilihat pada tabel percobaan 3 dan 4, I L1 merupakan parameter arus pada beban, sedangkan I L2 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 V L-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.