METODE PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN KAPASITOR BANK UNTUK MENGURANGI DAYA REAKTIF UNTUK PENINGKATAN KUALITAS DAYA LISTRIK PADA INDUSTRI M. Khairil Anwar - 23211007 email : anwardz12@gmail.com Sekolah Pasca Sarjana Teknik Elektro-STEI, Institut Teknologi Bandung Kampus ITB, Jl.Ganesha No.10 - Bandung 40132 Abstrak Beban industri sebagian besar bersifat induktif sehingga pemakaian daya reaktif meningkat. Peningkatan pemakaian daya reaktif inilah yang menyebabkan faktor daya dari pelanggan turun. Faktor daya (cos ϕ) adalah perbandingan daya aktif dan daya nyata. Untuk itu perlu dipasang suatu alat yang berfungsi untuk mengkompensasi daya reaktif tersebut agar faktor daya tidak kurang dari standar yang telah ditetapkan oleh penyedia layanan jaringan listrik. Dalam hal ini PLN menetapkan batas minimum faktor daya sebesar 0.85. Jika factor daya kurang dari standar PLN, maka pelanggan wajib membayar denda sebanyak daya reaktif yang digunakan. Oleh karena itu, diperlukan pengurangan konsumsi daya reaktif dengan memperbaiki factor daya. Untuk memperbaiki faktor daya secara umum digunakan kapasitor bank. Kapasitor bank memberikan sumbangan arus mendahului (leading), sehingga juga akan memberikan faktor daya leading. Dengan demikian kapasitor bank disebut juga KVar generator. Pemasangan kapasitor bank akan berpengaruh terhadap perbaikan faktor daya. Kata kunci : faktor daya, daya reaktif, kapasitor bank. 1. PENDAHULUAN 1.1 Faktor Daya Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif. Faktor daya disimbolkan sebagai cos, dimana: cos = pf = (1) Daya aktif adalah daya yang digunakan sistem untuk bekerja. Sedang daya reaktif adalah daya yang digunakan sistem untuk membangkitkan medan. Pada suatu tegangan V, daya aktif, daya reaktif dan daya total adalah sebanding dengan arus dan akan sesuai dengan persamaan 2, yaitu: = (2) Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank dengan rating kvar sebagai berikut: Penambahan daya reaktif tersebut dibatasi pada nilai faktor daya maksimal 100% dan tidak merubah keadaan leading atau lagging sistem sehingga tidak merusak beban terpasang. Total Power Apparent Power (S) = Volt Amperes = I²Z Real Power (P) = Watts = I²R Gambar 1. Hubungan Daya Pada Sistem AC (3) Reactive Power (Q) = Vars = (XL-Xc) I² 1.2 Kapasitor Bank Fungsi dari kapasitor bank yang tersediadalam bentuk tunggal unit maupun dalam bentuk group adalah sebagai penyuply kilovars dengan faktor daya tertinggal (lagging) kepada suatu sistem dimana kapasitor tersebut dihubungkan. Kapasitor bank yang dipasang pada ujung beban dari sirkuit mensuplai beban dengan faktor daya tertinggal (lagging), mempunyai beberapa efek, yaitu : Kapasitor bank memperbaiki faktor daya (cos phi) Menghilangkan denda / kelebihan biaya (kvarh) yang timbul di tagihan PLN, sehingga pembayaran PLN akan turun (reduce cost) Page 1 of 9
Menghindari kelebihan beban transformer Memberikan tambahan daya tersedia Menghindari kenaikan arus/suhu pada kabel Memaksimalkan pemakaian daya (kva) Menghemat daya / efesiensi Menghindari Drop Line Voltage Mengawetkan instalasi & peralatan listrik Kapasitor bank juga mengurangi rugi rugi lainnya pada instalasi listrik Sebaliknya untuk arus beban yang bersifat kapasitif, persilangan nol gelombang arus akan muncul beberapa saat sebelum persilangan nol gelombang tegangan. Hal ini biasa dikatakan sebagai arus mendahului. Gambar 5. Beban Kapasitif Gambar 2. Panel Kapasitor Bank 1.3 Perbaikan Faktor Daya Dalam sebuah sumber arus bolak-balik, bila beban yang diaplikasikan bersifat resistif murni, maka gelombang tegangan dan arus adalah sefasa seperti diperlihatkan pada Gambar 3. Sebuah kapasitor daya atau yang dikenal dengan nama kapasitor bank harus mempunyai daya Qc yang sama dengan daya reaktif dari sistem yang akan diperbaiki factor dayanya. Jika keadaan ini dipenuhi, kapasitor bank akan memperbaiki faktor daya menjadi bernilai maksimum (faktor daya = 1). Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari cos 1 menjadi cos 2 dapat ditentukan dengan : (4) Gambar 3. Beban Resistif Beban yang bersifat induktif atau kapasitif dapat menggeser titik persilangan nol antara tegangan dan arus. Bila bebannya merupakan beban induktif persilangan nol gelombang arus muncul beberapa saat setelah persilangan nol gelombang tegangan muncul. Hal ini biasa dikatakan sebagai arus tertinggal. Gambar 6. Prinsip Perbaikan Faktor Daya 2. Pemasangan Kapasitor Bank Pada Industri 2.1 Penentuan Kapasitas Kapasitor Bank Untuk menentukan ukuran kapasitor yang akan digunakan, dapat menggunakan power factor improvement table yang merupakan metode yang paling mudah, cepat dan juga mempunyai keuntungan dari sisi koreksi. Berikut disajikan power factor improvement table untuk menentukan ukuran kapasitor yang akan digunakan. Gambar 4. Beban Induktif Page 2 of 9
Page 3 of 9
Sumber : http://www.electricneutron.com Untuk melakukan estimasi terhadap kapasitas kapasitor bank yang akan digunakan, maka harus diketahui terlebih dahulu : kw (daya yang digunakan) Eksisting faktor daya Faktor daya yang diinginkan Perhitungan dapat dilakukan dengan rumus : Qc = Faktor pada tabel 1 x kw (5) Contoh perhitungan : Sebuah mesin pada pabrik dalam operasinya membutuhkan daya 100 kw dengan power faktor 80%. Untuk memperbaiki faktor daya ke level 95%, maka pabrik tersebut berencana memasang kapasitor bank pada mesin tersebut. Maka kapasitas kapasitor yang akan digunakan adalah : 0.421 x 100 kw = 42 kvar Jika kw dan faktor daya (PF) peralatan belum diketahui, maka dapat dilakukan perhitungan sebagai berikut : kw = atau kw = (6) kva = (7) PF = (8) Dimana : I = arus beban kondisi full load E = tegangan motor HP = rating horsepower motor eff = rating efisiensi motor dalam decimal 2.2. Komponen-Komponen Utama Yang Terdapat Pada Panel Kapasitor 2.2.1 Main switch / load break switch Main switch ini sebagai peralatan kontrol dan isolasi jika ada pemeliharaan panel. Sedangkan untuk pengaman kabel / instalasi sudah tersedia disisi atasnya (dari) MDP.Mains switch atau lebih dikenal load break switch adalah peralatan pemutus dan penyambung yang sifatnya on load yakni dapat diputus dan disambung dalam keadaan berbeban, berbeda dengan on-off switch model knife yang hanya dioperasikan pada saat tidak berbeban. Untuk menentukan kapasitas yang dipakai dengan perhitungan minimal 25 % lebih besar dari perhitungan KVAR terpasang. Sebagai contoh : Jika daya kvar terpasang 400 KVAR dengan arus 600 Ampere, maka pilihan kita berdasarkan 600 A + 25 % = 757 Ampere, yang dipakai size 800 Ampere. 2.2.2 Kapasitor Breaker. Kapasitor Breaker digunakan untuk mengamankan instalasi kabel dari breaker ke kapasitor bank dan juga kapasitor itu sendiri. Kapasitas breaker yang digunakan sebesar 1,5 kali dari arus nominal dengan Im = 10 x Ir. Untuk menghitung besarnya arus dapat digunakan rumus : I n = Qc / 3. VL (9) Sebagai contoh : masing masing step dari 10 step besarnya 20 kvar maka dengan menggunakan rumus diatas didapat besarnya arus sebesar 29 ampere, maka pemilihan kapasitas breaker sebesar 29 + 50 % = 43 A atau yang dipakai 40 Ampere. Selain breaker dapat pula digunakan Fuse, Pemakaian Fuse ini sebenarnya lebih baik karena respon dari kondisi over current dan Short circuit lebih baik namun tidak efisien dalam pengoperasian jika dalam kondisi putus harus selalu ada penggantian fuse. Jika memakai fuse perhitungannya juga sama dengan pemakaian breaker. 2.2.3 Magnetic Contactor Magnetic contactor diperlukan sebagai Peralatan kontrol.beban kapasitor mempunyai arus puncak yang tinggi, lebih tinggi dari beban motor. Untuk pemilihan magnetic contactor minimal 10 % lebih tinggi dari arus nominal ( pada AC 3 dengan beban induktif/kapasitif). Pemilihan magnetic dengan range ampere lebih tinggi akan lebih baik sehingga umur pemakaian magnetic contactor lebih lama. 2.2.4 Kapasitor Bank Kapasitor bank adalah peralatan listrik yang mempunyai sifat kapasitif..yang akan berfungsi sebagai penyeimbang sifat induktif. Kapasitas Page 4 of 9
kapasitor dari ukuran 5 KVar sampai 60 Kvar. Dari tegangan kerja 230 V sampai 525 Volt atau Kapasitor Bank adalah sekumpulan beberapa kapasitor yang disambung secara parallel untuk mendapatkan kapasitas kapasitif tertentu. Besaran yang sering dipakai adalah Kvar (Kilovolt ampere reaktif) meskipun didalamnya terkandung / tercantum besaran kapasitansi yaitu Farad atau microfarad. Kapasitor ini mempunyai sifat listrik yang kapasitif (leading). Sehingga mempunyai sifat mengurangi / menghilangkan terhadap sifat induktif (leaging) 2.2.5 Reactive Power Regulator Peralatan ini berfungsi untuk mengatur kerja kontaktor agar daya reaktif yang akan disupply ke jaringan/ system dapat bekerja sesuai kapasitas yang dibutuhkan. Dengan acuan pembacaan besaran arus dan tegangan pada sisi utama Breaker maka daya reaktif yang dibutuhkan dapat terbaca dan regulator inilah yang akan mengatur kapan dan berapa daya reaktif yang diperlukan. Peralatan ini mempunyai bermacam macam steps dari 6 steps, 12 steps sampai 18 steps. 2.2.6 Peralatan Tambahan Push button on dan push button off yang berfungsi mengoperasikan magnetic contactor secara manual. Selektor auto off manual yang berfungsi memilih sistem operasional auto dari modul atau manual dari push button. Exhaust fan + thermostat yang berfungsi mengatur ambeint temperature (suhu udara sekitar) dalam ruang panel kapasitor. Karena kapasitor, kontaktor dan kabel penghantar mempunyai disipasi daya panas yang besar maka temperatur ruang panel meningkat.setelah setting dari thermostat terlampaui maka exhust fan akan otomatis berhenti. 2.3 Instalasi Kapasitor Bank Setelah kapasitas kapasitor ditentukan, maka langkah selanjutnya adalah penempatan atau instalasi kapasitor bank tersebut pada sistem kelistrikan di industri. Terdapat beberapa alternatif instalasi kapasitor bank dengan kelebihan dan kekurangan masing-masing. a.instalasi langsung pada terminal motor induksi dengan single speed (pada relay overload sekunder). Keuntungan : Dapat di-switch on/off bersama motor, mengurangi kebutuhan peralatan switching atau proteksi arus lebih. Juga, hanya memberi daya saat motor beroperasi saja. Dengan pemasangan kvar, loses jaringan dan tegangan jatuh dapat diminimalisasi sehingga kapasitas sistem maksimal. Kekurangan : Biaya instalasi lebih tinggi jika banyak motor yang akan dikoreksi. Setting relay overload harus diubah untuk menurunkan arus motor yang diterima. b. Instalasi antara contactor dan overload relay Dengan cara ini, relay overload dapat di set pada arus full load motor. Selebihnya sama dengan instalasi pada opsi a diatas. c. Instalasi antara circuit breaker upstream dan contactor Keuntungan : Lebih besar, lebih banyak biaya pembelian kapasitor bank yang dapat diinstal untuk menyuplai kvar ke beberapa motor. Instalasi jenis ini direkomendasikan untuk motor-motor yang serempak, multispeed motor dan aplikasi pembalik. Kekurangan : Karena kapasitor tidak di-switch dengan motor, kesalahan koreksi dapat terjadi jika semua motor tidak dijalankan. Karena arus reaktif harus disalurkan pada jarak yang jauh, banyak losses jaringan dan tegangan jatuh lebih tinggi. d. Instalasi pada bus distribusi utama Keuntungan : Biaya instalasi yang lebih rendah, karena lebih sedikit kapasitor bank yang dipasang pada blok kvar yang besar. Kekurangan : Kesalahan koreksi dapat terjadi saat kondisi beban yang rendah Membutuhkan switch pemisah dan proteksi arus lebih. 2.4 Keuntungan Pemasangan Kapasitor Bank Di Industri Pemasangan kapasitor bank di Industri, memberikan beberapa keuntungan untuk industry tersebut. Berikut beberapa keuntungan dari pemasangan kapasitor bank di industri. a. Mengurangi Biaya Listrik Page 5 of 9
Pemasangan kapasitor bank akan berdampak pada berkurangnya konsumsi daya reaktif sehingga didapatkan faktor daya diatas standar yang ditetapkan oleh PLN. Berdasarkan Perpres no.8 tahun 2011 tentang penetapan tarif dasar listrik, ditetapkan bahwa untuk industri yang memiliki factor daya dibawah 0.85 akan dikenai tarif tambahan penggunaan daya rektif yang besarnya diatur sebagai berikut : Tabel 2. Perpres no.8 Tahun 2011 Tentang Tarif Dasar Listrik Page 6 of 9
Sumber : http://portal.mahkamahkonstitusi.go.id Rating Kapasitor Bank (kvar) Contoh Perhitungan Penghematan : Tabel 3. Price List 480 Volt Automatic Capacitor Banks Step x kvar Model Harga (USD) 150 3 x 50 150LVA480F2B 7,526 200 4 x 50 200LVA480F2B 8,389 250 5 x 50 250LVA480F2B 8,864 300 6 x 50 300LVA480F2B 9,727 350 7 x 50 350LVA480F2B 10,202 400 4 x 100 400LVA480F2B100 10,580 400 8 x 50 400LVA480F2B 11,065 450 9 x 50 450LVA480F2B 11,540 500 5 x 100 500LVA480F2B100 11,918 500 10 x 50 500LVA480F2B 12,404 550 11 x 50 550LVA480F2B 12,830 600 6 x 100 600LVA480F2B100 13,256 600 12 x 50 600LVA480F2B 13,742 650 13 x 50 650LVA480F2B 12,280 700 7 x 100 700LVA480F2B100 14,594 700 14 x 50 700LVA480F2B 15,080 750 15 x 50 750LVA480F2B 15,506 800 8 x 100 800LVA480F2B100 15,933 800 16 x 50 800LVA480F2B 16,418 900 9 x 100 900LVA480F2B100 17,174 1000 10 x 100 1000LVA480F2B100 18,414 Sumber : http://www.nepsi.com/lvacbpricesheet.htm Daya beban x tan phi = 500 x 1.17 = 585 kvar Pemakaian Daya Reaktif perbulan: Sebuah pabrik memiliki data instalasi sebagai berikut: Trafo : 1.000 kva Waktu operasi : 07.00 17.00 Faktor daya : 0,65 Daya beban : 500 kw Untuk alasan teknis, kepala pabrik akan meningkatkan faktor dayanya menjadi 0,95 Perhitungan pemakaian: Pemakaian perbulan: 10 jam/hari x 30 hari x 500 kw = 150.000 kwh Batas kvarh yang dibebaskan oleh PLN: 0,62 x 150.000 = 93.000 kvarh Perhitungan sebelum kompensasi: (cos phi = 0,65 maka tan phi = 1,17) Daya reaktif terpakai: 585 kvar x 10 jam/hari x 30 hari = 175.500 kvarh Denda Kelebihan Daya Reaktif: (175.500 93.000) x Rp. 735,- = Rp.60.637.500,- (per bulan) Perhitungan setelah kompensasi: (cos phi = 0,95 maka tan phi = 0,33) Daya reaktif terpakai: Daya beban x tan phi 500 x 0,33 = 165 kvar ( menggunakan kapasitor bank rating 200 kvar) Pemakaian daya reaktif perbulan: 165 kvar x 10 jam/hari x 30 hari = 49.500 kvarh Denda kelebihan daya reaktif: Page 7 of 9
(49.500 93.000) x Rp. 735,- = Negatif (tidak membayar denda) Biaya Penghematan Setelah Menggunakan Kapasitor Bank (1 USD = Rp. 9500,-) : Investasi Kapasitor Bank = USD 8,864 x 9500 = Rp. 84.208.000,- Investasi kapasitor bank akan terlunasi dalam 2 bulan pemakaian dan selanjutnya perusahaan akan menghemat biaya sebesar : Rp.60.637.500,-/bulan atau Rp. 727.650.000,-/tahun b. Menambah Kapasitas Sistem Dalam peralatan yang terbatas panas, seperti transformator atau kabel, kapasitor melepaskan kapasitas sehingga memungkinkan muatan lebih besar. Dengan komponen yang diperlukan magnetisasi saat induksi motor dan trafo, kapasitor mengurangi arus yang ditarik dari catu daya. Dikurangi berarti kurang beban transformator dan sirkit pengumpan. Jika sistem mengalami overload, kapasitor dapat menghilangkannya. Jika sistem tidak overload, kapasitor dapat melepaskan kapasitas dan menunda atau menghindari investasi pada transformator yang lebih mahal, switchgear dan kabel, jika tidak dibutuhkan untuk melayani beban tambahan. c. Memperbaiki Kondisi Tegangan Jatuh tegangan yang berlebihan bisa membuat motor lamban, dan menyebabkan motor terlalu panas. Tegangan rendah juga mengganggu penerangan, aplikasi yang tepat dari control motor dan instrumen listrik dan elektronik. Kapasitor akan menaikkan tingkat tegangan, dan tetap bekerja bersama feeder, langsung ke motor terakhir. Kinerja motor meningkat dan begitu juga produksi.perkiraan kenaikan tegangan dari instalasi kapasitor daya untuk sistem kelistrikan industri yaitu : % kenaikan volt = (7) d. Mengurangi Losses Jaringan Dengan menyuplai daya reaktif langsung ke titik beban yang membutuhkan, kapasitor juga mengurangi daya reaktif pada saluran transmisi. Karena arus di saluran berkurang, maka losses I²R juga berkurang. Oleh karena itu, lebih sedikit kwh yang harus dibeli dari PLN. % losses berkurang = 100-100 (8) 3. PENUTUP 3.1 KESIMPULAN Dari pembahasan diatas, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan tentang penggunaan kapasitor bank di industri : 1. Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif. Faktor daya disimbolkan sebagai cos, dimana: cos = pf = 2. Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank. 3. Untuk menentukan ukuran kapasitor yang akan digunakan, dapat menggunakan power factor improvement table yang merupakan metode yang paling mudah, cepat dan juga mempunyai keuntungan dari sisi koreksi. 4. Kapasitor bank yang dipasang pada ujung beban dari sirkuit mensuplai beban dengan faktor daya tertinggal (lagging), mempunyai beberapa efek, yaitu : Kapasitor bank memperbaiki faktor daya (cos phi) Menghilangkan denda / kelebihan biaya (kvarh) yang timbul di tagihan PLN, sehingga pembayaran PLN akan turun (reduce cost) Menghindari kelebihan beban transformer Memberikan tambahan daya tersedia Menghindari kenaikan arus/suhu pada kabel Memaksimalkan pemakaian daya (kva) Menghemat daya / efesiensi Menghindari Drop Line Voltage Mengawetkan instalasi & peralatan listrik Kapasitor bank juga mengurangi rugi rugi lainnya pada instalasi listrik. Page 8 of 9
3.2 SARAN Pemakaian kapasitor bank di industri-industri memberikan banyak keuntungan baik dari sisi kualitas daya maupun dari sisi ekonomis lebih menghemat biaya pemakaian daya listrik akibat penggunaan daya reaktif yang berlebih. Oleh sebab itu maka setiap industri sebaiknya mempertimbangkan penggunaan metode ini. Namun disamping itu, penggunaan kapasitor bank juga menghasilkan harmonisa sehingga lebih efektif bila digunakan bersama komponen pereduksi harmonisa. Referensi Riwayat Hidup Penulis [1]. Marlar Thein Oo & Ei Ei Cho, Improvement of Power Factor for Industrial Plant with Automatic Capacitor Bank, Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology Volume 32 August 2008 Issn 2070-3740 [2]. Khin Trar Trar Soe, Design and Economics of Reactive Power Control in Distribution Substation, World Academy of Science, Engineering and Technology 48, 2008. [3]. Oodo Ogidi Stephen, Liu Yanli and Sun Hui, Application of Switched Capacitor banks for Power Factor Improvement and Harmonics Reduction on the Nigerian Distribution Electric Network, International Journal of Electrical & Computer Sciences IJECS-IJENS Vol: 11 No: 06 [4]. M.H. Shwehdi & M.R. Sultan, Power Factor Correction Capacitors; Essentials and Cautions, Dhahran, Saudi Arabia, IEEE, 2000. [5]. Tejo Wihardiyono, Switching Kapasitor untuk Perbaikan Power Faktor dengan Menggunakan Mikrokontroller M68HC11, Makalah Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang, 2001. [6]. Dede Kaladri S., Studi Pemasangan Kapasitor Bank Untuk Memperbaiki Faktor Daya Dalam Rangka Menekan Biaya Operasional Pada Jaringan Distribusi 20 kv, Proceeding Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya, 2010. [7]. Ngakan Putu Satriya Utama, Memperbaiki Profil Tegangan di Sistem Distribusi Primer Dengan Kapasitor Shunt, Staff Pengajar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Udayana Bali, 2008. [8]. www.fairchildsemi.com : Application Note 42047 Power Factor Correction (PFC) Basics [9]. http://dunia-listrik.blogspot.com/2008/12/ perbaikan-faktor-daya-menggunakan.html Penulis dilahirkan di Sampang, Jawa Timur pada tanggal 6 Oktober 1987, dilahirkan sebagai putra ketiga dari empat bersaudara dari pasangan Munawi dan Haryati Ningsih yang bertempat tinggal di Sampang, Jawa Timur. Penulis saat ini terdaftar sebagai mahasiswa Magister Jurusan Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Tenaga Elektrik, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung dengan NIM : 232 11 007. Jenjang pendidikan yang telah ditempuh oleh penulis adalah sebagai berikut : SDN Banyuanyar II Sampang, lulus tahun 2000 SLTPN 1 Sampang, lulus tahun 2003 SMAN 1 Sampang, lulus tahun 2006 Sarjana Teknik Institut Teknologi Surabaya, lulus tahun 2011 Mahasiswa Magister Jurusan Teknik Elektro, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung angkatan 2011. Page 9 of 9