BAB II LANDASAN TEORI

6 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Umum Untuk menjaga agar faktor daya sebisa mungkin mendekati 100 %, umumnya perusahaan menempatkan kapasitor shunt pada tempat yang bervariasi seperti pada rel rel baik tingkat transmisi maupun distribusi, disepanjang saluran atau pada beban sehingga dapat mengkompensasi beban induktif pada peralatan. Idealnya, faktor daya adalah 100 %, tetaapi pada kenyataannya hal ini jarang dicapai karena beban hidup (on) dan mati (off) secara acak. Kapasitor shunt mungkin dioperasikan berdasarkan jadwal yang telah ditentukan lebih dahulu menurut jangka waktu tertentu dalam sehari, tetapi mungkin juga dikerjakan secara manual. Kontaktor itu sendiri diatur oleh relay arus reaktif yang sensitive terhadap komponen reaktif pada rangkaian dan menghubungkan atau memutuskan kapasitor pada rangkaian pada saat diperlukan. Beberapa alasan yang membuat kapasitor tertarik untuk digunakan adalah: 1. Harganya lebih murah sehingga memiliki daya tarik dari segi ekonomi 2. Massa dan volume kapasitor telahh mengalami penurunan sebesar 20 % dari sebelumnya yaitu pada tahun 1924 6

7 3. Karena telah mengalami perbaikan design, material, dan pembuatannya, maka kapasitor saat ini hanya membutuhkan sedikit pemeliharaan sehingga mengurangi biaya. 2.1.1 Prinsip Dasar Kapasitor Kapasitor adalah suatu alat yang terdiri dari dua konduktor yang memiliki jumlah muatan yang sama tetapi berbeda polaritas. Kapasitor juga dapat didefinisikan sebagai alat yang dapat menyimpan energi listrik ( electro static ) di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Bila terminal kapasitor dihubungkan dengan arus bolak balik (AC), maka akan menyebabkan arus yang melalui kapasitor tersebut menjadi terdahulu (leading) terhadap tegangan, arus inilah yang disebut dengan arus kapasitif. Kapasitor digunakan untuk meminimalisir arus induktif ( lagging ) yang sering digunakan oleh peralatan peralatan dalam sistem tenaga listrik. Kapasitor keping (pelat) parallel adalah kapasitor yang paling sering kita temui dilapangan. Kapasitas dari kapasitor ditentukan oleh jarak lempengan / konduktor yang terpasang secara paralel (d), dan luas dari lempengannya (A). Gambar 2.1 Kapasitor keping paralel

8 Satuan dari kapasitas kapasitor adalah farad. Namun farad adalah satuan yang terlalu besar, sehingga digunakan : Pikofarad (pf) = Nanofarad (nf) = Microfarad ( ) = Jika antara lempengan tersebut hampa udara sebagai bahan dielektriknya, maka besar kapasitansi dari kapasitor tersebut adalah : Dimana : = ε ( Farad). (2.1) ε o d = 8,85 x 10-12 (Coulomb/Nm) = Jarak antara plat (meter) A = Luas masing masing plat (m 2 ) Co = Kapasitas kapasitor bila antara platnya berupa hampa udara Umumnya kapasitor kapasitor menggunakan suatu bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik (isolator) atau sering disebut dengan bahan dielektrik antara plat platnya, seperti pada gambar dibawah ini : Gambar 2.2 Kapasitor keping dengan dielektrik

9 Dielektrik padat yang digunakan antara plat plat konduktor dari suatu kapasitor antara lain berfungsi sebagai : 1. Karena kekuatan dielektriknya lebih besar dari pada kuat dielektrik udara, kapasitansi dari kapasitor beberapa kali lebih besar jika menggunakan suatu dielektrik antara plat plat tersebut. 2. Memecahkan masalah teknis, untuk membuat dua lembar plat ( umumnya terbuat dari logam) yang besar dan berdekatan agar tidak terjadi persentuhan antar plat. Kapasitas dari sebuah kapasitor yang menggunakan bahan dielektrik antara plat platnya dapat dihitung dengan rumus : A Co = ε o d Dimana : C=.Co (2.2) C = Kapasitansi kapasitor bila antara plat platnya menggunakan dielektrik (Farad) K = Koefisien dielektrik dimana harga ditentukan oleh bahan yang digunakan ε = k.ε o = Permitivitas dari dielektrik Besarnya harga K tergantung pada bahan dielektrik yang digunakan. Keuntungan bahan dielektrik padat adalah kapasitansi kapasitor menjadi lebih besar bila dibandingkan dengan hampa udara. Kuantitas dalam Coulomb yang akan disimpan oleh kapasitor berbanding lurus dengan tegangan pengisian. Misalkan sebuah kapasitor memiliki kapasitansi

10 sebesar 1 farad, jika beda potensial (tegangan) terpasang sebesar 1 volt, maka antara kedua platnya mampu menyimpan 1 coulomb : C=.(2.3) Dimana : C Q V = Kapasitansi (farad) = Muatan (coulomb) = Tegangan (volt) 2.2 Kapasitor Sebagai Sumber Daya Reaktif Dilihat dari cara pemasangannya kapasitor dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu kapasitor seri dan kapasitor shunt (paralel). Kedua cara pemasangan kapasitor tersebut memiliki fungsi utama yang sama yaitu mengatur tegangan dan aliran daya reaktif pada titik dimana kapasitor tersebut dipasang. Pemasangan kapasitor seri langsung mengurangi reaktansi induktif, sedangkan kapasitor shunt (paralel) akan merubah faktor daya beban. Penggunaan kapasitor seri sebagai koreksi daya pada jaringan tegangan rendah kurang begitu efektif dibandingkan dengan kapasitor shunt. Dalam penulisan tugas akhir ini akan lebih menjelaskan tentang kapasitor shunt sebagai sumber daya reaktif yang utama. Daya reaktif yang dihasilkan oleh kapasitor dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : =. (2.4) = =

11 Dimana = =.2... (Var) = 2...10 (K var) untuk sistem satu fasa =3....10 (K var) untuk sistem tiga fasa. (2.5) Dimana : Q V C F I Xc = Daya reaktif yang dihasilkan oleh kapasitor (Kvar) = Tegangan nominal (volt) = Kapasitansi dari kapasitor (farad) = Frekuensi jala jala (Hz) = Arus yang melewati kapasitor (ampere) = Reaktansi kapasitif Untuk sistem 3 fasa besarnya daya reaktif adalah : = 3.. (2.6) 2.3 Jenis Jenis Rangkaian Kapasitor Fungsi utama dari pemakaian kapasitor seri maupun kapasitor shunt adalah untuk mengatur tegangan dan aliran daya reaktif pada titik dimana kapasitor tersebut dipasang. Berikut ini adalah jenis pemasangan kapasitor shunt : 2.3.1 Kapasitor Hubung Delta Impedansi dan kapasitansi dari kapasitor shunt hubung delta dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : =

12 = 3. =2. Gambar 2.3 Kapasitor shunt hubung delta Atau : = 3.2.. (2.7) = 3. 3....2 =6 =.. (2.8)

13 Dimana : Z Ic Qc = Impendansi kapasitor = Arus kapasitor = Daya reaktif kapasitor = Kapasitansi kapasitor hubung delta 2.3.2 Kapasitor Hubung Bintang Gambar 2.4 Kapasitor hubung bintang Jika kapasitor tersebut dihubung delta maka tegangan dari kapasitor tersebut adalah : Tegangan jala jala = Tegangan phasa 3 V = 3.

14 Untuk hubung bintang : = Maka kapasitansi kapasitor untuk hubung delta dapat diturunkan dengan rumus sebagai berikut : = 3.. = dimana = = = Sehingga : =.. =2 (2.9) = (2.10) Dimana : V PH = Tegangan perphasa = Kapasitansi kapasitor hubung bintang 2.4 Pengertian Daya Dalam Sistem Tenaga Listrik 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), Horespower merupakan satuan daya listrik, dimana 1 HP setara dengan 746 watt atau lbft/second. Sedangkan watt merupakan unit daya

15 listrik dimana 1 watt memiliki daya setara dengan 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 dapat dinyatakan : P = V x I P = volt x ampere x Cos φ P = watt Gambar 2.5 Arah arus aliran listrik 2.4.1 Daya Aktif (P, watt) Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk keperluan menggerakkan mesin-mesin listrik atau peralatan lainnya, yang mana dapat ditulis dalam rumusnya yaitu : = untuk 1 fasa

16 = 3 untuk 3 fasa... (2.11) Dimana : = Daya aktif (Watt) = Tegangan stator (fasa-netral) (Volt) = Arus stator (fasa-netral)(ampere) = Faktor daya Untuk sistem tiga fasa empat kawat (,,, dan ) besarnya arus dapat diketahui dengan rumus berikut ini : = ( )... (2.12) 2.4.2 Daya Semu Daya semu merupakan daya listrik yang melalui suatu penghantar transmisi atau distribusi. Daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Daya ini merupakan hasil perkalian antara tegangan dan arus yang melalui penghantar, dimana dapat dilihat rumusnya berikut ini: Untuk 1 fasa : = Untuk 3 fasa : = 3... (2.13) Dimana : = Daya semu (VA) = Tegangan medan stator (fasa-netral) (Volt) = Arus medan stator (fasa-netral)(ampere)

17 2.4.3 Daya Reaktif Daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan fluks magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik. Untuk 1 fasa = Untuk 3 fasa = 3... (2.14) Dimana: = Daya reaktif (VAR) = Tegangan medan stator (fasa-netral) (Volt) = Arus medan stator (fasa-netral)(ampere) = Faktor daya 2.4.4 Segitiga Daya Segitiga daya merupakan segitiga yang menggambarkan hubungan matematika antara tipe - tipe daya yang berbeda (daya aktif, daya semu dan daya reaktif ) berdasarkan prinsip trigonometri. Pengurangan vektor daya semu dengan daya aktif merupakan daya reaktif yang diukur dalam VAR. Seperti pada gambar 2.6 sehingga secara matematis hal ini dapat dinyatakan sebagai berikut :

18 Gambar 2.6 Segitiga daya = (2.15) =() () = = = (2.16) 2.5 Sifat Beban Listrik Dalam suatu rangkaian listrik selalu dijumpai suatu sumber dan beban. Bila sumber listrik DC, maka sifat bebannya hanya bersifat resistif murni, karena frekuensi sumber DC sama dengan nol. Reaktansi induktif (XL) akan menjadi nol yang berarti bahwa induktor tersebut akan short circuit. Reaktansi kapasitif (XC) akan menjadi tak terhingga yang berarti bahwa kapasitif tersebut akan open circuit. Jadi sumber DC akan mengakibatkan beban induktif dan beban kapasitif tidak akan berpengaruh pada rangkaian. Bila sumber listrik AC maka beban dibedakan menjadi 3 sebagai berikut :

19 2.5.1 Beban Resistif Beban resistif yang merupakan suatu resistor murni (R), contoh : lampu pijar, pemanas. Beban ini hanya menyerap daya aktif dan tidak menyerap daya reaktif sama sekali. Tegangan dan arus se-fasa. Bila dihubungkan dengan tegangan bolak balik, secara matematis dapat dinyatakan : =.cos. =. Maka arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut adalah : = cos. Diamana : = Dikatakan arus dan tegangan sefasa (mempunyai fasa yang sama) (a) (b) Gambar 2.7 (a) Gambar rangkaian resistansi (b) Diagram vektor resistansi

20 Gambar 2.8 Grafik sinusoidal resistansi 2.5.2 Beban Induktif Beban induktif adalah beban yang mengandung kumparan kawat yang dililitkan pada sebuah inti biasanya inti besi. Contoh beban induktif adalah : motor motor listrik, induktor dan transformator. Beban ini mempunyai faktor daya antara 0 1 lagging. Beban induktif menyerap daya aktif (w) dan juga daya reaktif (VAR). Tegangan mendahului arus sebesar φ 0. Secara matematis dapat dinyatakan : =2. (a) (b) Gambar 2.9 (a) Gambar rangkaian induktif (b) Diagram vector induktif

21 Gambar 2.10 Arus, tegangan dan GGL induksi-diri pada beban induktif 2.5.3 Beban Kapasitif Beban kapasitif adalah beban yang mengandung suatu rangkaiann kapasitif. Beban ini mempunyai faktor daya antara 0 1 leading. Beban ini menyerap daya aktif (w) dan mengeluarkan daya reaktif (VAR). Arus mendahului tegangan sebesar φ 0. Secara matematis dapat dinyatakan : = (a) (b) Gambar 2.11 (a) Gambar rangkaian kapasitif (b) Diagram vektor kapasitif

22 Gambar 2.12 Arus, tegangan dan Ggl induksi-diri pada beban kapasitif 2.6 Keuntungan Dan Kerugian Penggunaan Kapasitor Shunt 2.6.1 Keuntungan Seacara Teknis Dari Pemasangan kapasitor Shunt Kapasitor shunt digunakan sebagai sumber daya reaktif tambahan karena kelebihannya dari beberapa segi teknis, diantaranya : a. Rating kapasitor (kvar) dapat dinaikan dan diturunkan sesuai kebutuhan daya. b. Pemasangan kapasitor yang mudah dalam sistem, dapat dipindah pindahkan dari satu titik ke titik yang lain sesuai kebutuhan. c. Masa pakai (life time) kapasitor yang cukup lama dan mempunyai rugi rugi yang sangan kecil. d. Pemeliharaan yang mudah, sehingga mengurangi biaya perawatan.

23 2.6.2 Keuntungan Pemakaian Kapasitor Shunt Dilihat Dari Segi Ekonomi Keuntungan dari pemakaian kapasitor shunt pada sistem antara lain: a. Pengurangan rugi rugi hantar/kabel, sehingga mengurangi biaya pemasangan kabel. b. Kelebihan daya aktif kw, apabila kva dianggap tidak berubah. c. Pengurangan daya semu kva, apabila kw dianggap tidak berubah. 2.6.3 Kerugian kerugian Dari Pemasangan kapasitor Shunt Pemasangan kapasitor shunt dapat mengakibatkan kerugian kerugian diantaranya adalah : a. Bila mengalami kerusakan, kapasitor tidak dapat diperbaiki. b. Kapasitor memiliki nilai rating standar tertentu, sehingga sedikit sulit untuk menentukan daya reaktif yang dibutuhkan. 2.7 Pentingnya Perbaikan Faktor Daya Rendahnya faktor daya berarti rendahnya efisiensi sistem tenaga listrik yang dipergunakan, dimana daya nyata yang diserap dari jaringan distribusi lebih besar. Besar kecilnya faktor daya juga sangat berpengaruh terhadap peralatan ataupun beban itu sendiri. Jika faktor daya ini sendiri dibiarkan pada kondisi minimum, biaya operasional akan sangat tinggi. Karena itu sangatlah penting perbaikan faktor daya dalam suatu industry. Banyaknya cara yang digunakan kalangan industri untuk meningkatkan faktor daya ini adalah antara lain : Memasang Generator

24 Memasang Kapasitor pada jaringan Memasang Kapasitor Shunt pada tiap tiap beban dan lain lain Namun dari berbagai cara yang digunakan, umumnya para industriawan lebih suka menggunakan kapasitor shunt. Selain mudah dalam pemasangan, untuk pemeliharaan hampir tidak diperlukan sama sekali.