Efisiensi Daya Pada Kapasitor Bank [PDF]

Citation preview

PRAKTIKUM KUALITAS DAYA



EFISIENSI DAYA PADA BANK KAPASITOR



I Mohammad Agung Dirmawan 4 D4 ELIN A 1310161024 Renny Rakhmawati, S.T., M.T. Luluk Badriyah, S.ST. 25 Februari 2020



PRAKTIKUM KUALITAS DAYA PERCOBAAN I EFISIENSI DAYA PADA KAPASITOR BANK I.



TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami cara kerja kapsitor bank. 2. Mahasiswa dapat menentukan nilai kapasitansi kapasitor untuk memperbaiki faktor daya. 3. Mahasiswa dapat menganalisa efisiensi daya pada saat menggunakan kapasitor bank.



II. DASAR TEORI Kapasitor merupakan komponen yang hanya dapat menyimpan dan memberikan energi yang terbatas sesuai dengan kapsitasnya. Pada dasarnya kapasitor tersusun oleh dua keping sejajar yang disebut electrodes yang dipisahkan oleh suatu ruangan yang disebut dielectric yang pada saat diberi tegangan akan menyimpan energi. Dalam sistem tenaga listrik kapasitor sering digunakan untuk memperbaiki tegangan jaringan dan untuk menyuplai daya reaktif ke beban yang berfungsi untuk memperbaiki nilai faktor daya dari sistem. Dalam perbaikan faktor daya kapasitor-kapasitor dirangkai dalam suatu panel yang disebut capacitor bank.



Gambar 1 Kapasitor – kapasitor yang dihubungkan bintang dan delta. Kapasitor-kapasitor untuk perbaikan faktor daya dapat dihubungkan bintang atau delta dengan jaringan (gambar 1). Tahanan-tahanan dalam diagram gambar dimaksudkan untuk menekan arus-arus yang timbul pada saat kapasitor tersebut dihubungkan atau diputuskan.



Kapasitansi kapasitor yang diperlukan untuk hubungan delta tiga kali lebih kecil, karena itu kapasitor untuk perbaikan faktor daya hampir selalu dihubungkan delta. Kapasitor itu sendiri merupakan komponen yang penting karena mempunyai sifat-sifat : -



Dapat menyimpan muatan listrik dalam waktu yang tidak tertentu.



-



Dapat menahan arus searah (DC)



-



Dapat melewatkan arus bolak-balik (AC)



c



Gambar 2 Simbol kapasitor Kapasitor terdiri dari dua buah pelat konduktor yang sejajar dan dipisahkan oleh suatu bahan dielektrika. Muatan didalam kedua pelat tersebut didistribusikan secara merata keseluruh permukaan pelat. Fungsi dari bahan dielektrika itu adalah : -



Untuk memisahkan kedua pelat secara mekanis sehingga walaupun jaraknya sangat dekat tetapi satu sama lain tidak saling berhubungan.



-



Untuk memperbesar kemampuan kedua pelat didalam menerima tegangan.



-



Untuk memperbesar nilai kapasitansi.



Dua kapasitor dapat dihubungkan secara paralel atau dan secara seri seperti gambar berikut ini :



c (a)



c



c



c (b)



Gambar 2 Hubungan kapasitor (a) paralel, (b) seri



Ada dua hal yang harus diperhatikan pada kapasitor, yaitu pada saat pengisisan dan pengosongan muatan pada kapasitor. Untuk menyelidiki pengaruh yang terjadi pada saat-saat tersebut dapat kita gunakan rangkaian sebagai berikut : i + Vc R



1 e



-



3



2



+ C



VR



E



Gambar 3 Rangkaian pengisian dan pengosongan kapasitor Dalam pengisian (saklar pada posisi 1) elektron ditarik dari pelat atas oleh baterai sehingga menghasilkan sejumlah muatan positif pada pelat atas dan muatan negatif pada pelat bawah. Transfer elektron berlanjut sampai potensial pada kapasitor sama dengan ggl (E) terpasang. Arus dalam rangkaian ditentukan oleh banyaknya muatan yang melalui luas penampang kawat dalam periode waktu. Tegangan vc dapat ditentukan dengan : Vc(t) = E (1 – e-1/RC) dan VR(1) = E.e-t/T Tegangan VR dan arus Ic akan mencapai nol pada saat yang sama dan Vc mencapai E. Sesudah tegangan kapasitor mencapai tegangan input E, kapasitor telah terisi penuh. Seperti yang diperlihatkan pada gambar 4 kapasitor akan menahan muatannya selama periode waktu yang ditentukan oleh kebocoran arusnya. Kemudian jika saklar dipindah ke posisi 2, i +



Vc



-



R



1 2 e



3 + C



E



Gambar 4 Pengisian kapasitor



VR



Untuk kapasitor elektrolit, arus bocornya sangat tinggi, kapasitor ini akan mengosongkan muatannya lebih cepat seperti yang diperlihatkan pada gambar 5 Apabila saklar dipindah pada posisi 3, kapasitor memasuki fase pengosongan seperti yang diperlihatkan pada gambar 6



+



Vc



-



+



R



Vc



-



R



3



ic



3 + C



++++ C



VR -



----



VR = E



c



Gambar 5 Pengosongan kapasitor Elektron pada pelat negatif menuju pelat positif saat saklar ditutup. Kapasitor bekerja sebagai sumber ggl sampai kosong (nol). Pernyataan matematik untuk arus Ic dan tegangan Vc dan VR yaitu : Vc(t) = E.e-t/T



E −1 /T .e Ic(t) = R = Vc(t) VR(t) = E.e-t T = Vc(t) Pengosongan lengkap terjadi pada lima konstanta waktu. Jika saklar gambar 6 dipindah posisinya setiap lima konstanta waktu, bentuk gelombang untuk arus Ic dan tegangan Vc dan VR seperti yang diperlihatkan pada gambar 7 berikut :



Gambar 6 Pengisian, penyimpanan, pengosongan dan seterusnya.



Dengan pemberian suatu bahan dielektrika maka besarnya kapasitansi akan beberapa kali lebih besar daripada kedua pelat tersebut hanya dipisahkan oleh ruang hampa udara. Menurut SI, satuan untuk kapasitansi sering dinyatakan dalam mikrofarad (1 μ F = 10 -6 F) atau dalam pikofarad (1 pF = 10-12 F), besarnya kapasitansi :



Q C= , V Dimana : Q = Muatan (Coloumb) V = Tegangan (Volt) C = Kapasitansi kapasitor (Farad) Maka dengan menurunnya tegangan antara kedua pelat, kapasitansi akan bertambah besar. Nilai kapasitansi dari suatu kapasitor adalah berbanding lurus dengan permitivitas dari bahan dielektrika yang digunakan untuk memisahkan kedua pelat itu. Faktor-faktor lain yang mempengaruhi besarnya nilai kapasitansi suatu kapasitor adalah jarak antara kedua pelat dan luas penampang pelat tersebut. Makin besar luas penampang pelat, berarti makin besar kemampuan untuk menyimpan muatan listrik yang berarti pula makin besar kapasitansinya. Tetapi sebaiknya bila jarak antara kedua pelat semakin jauh maka kapasitansinya akan semakin kecil dari rumus kapasitansi dapat dituliskan sebagai berikut : C=



ε0 . εr .



A d



Dimana :



ε 0 = Permitivitas ruang hampa 8,854 x 10-12 (F/m) ε r = Permitivitas relatif dari bahan dielektrika A = Luas penampang pelat (m2) d = jarak antara kedua pelat (m) Dalam rangkaian-rangkaian listrik, daya merupakan suatu besaran yang penting. Pada umumnya, kegunaan suatu peralatan listrik berhubungan dengan day keluaran yang dihasilkan. Hampir setiap daya listrik yang dibangkitkan bentuk gelombangnya adalah gelombang sinusoida atau gabungan sinusoida. Ukuran daya yang sangat penting, terutama untuk arus dan tegangan berulang adalah daya rata-rata. Daya rata-rata ini sama dengan kecepatan rata-rata tenaga yang diserap oleh suatu unsur tidak bergantung pada waktu. Dalam suatu motor listrik, daya rata-rata yang diberikan



kepada motor menentukan keluarannya karena pengaruh roda gila pada motor tersebut memperhalus variasi torsi yang berhubungan dengan daya sesaat yang diberikan pada katubkatubnya. i



+ Z  R  jK



AC



-



Gambar 7 Rangkaian arus bolak-balik Dengan arus dan tegangan yang berubah arah dua kali setiap daur, daya yang diperoleh juga berubah menurut waktu. Lihat gambar rangkaian diatas dengan tegangan bolak-balik.



v=√2VSin( ωl +ϕ ) V sama dengan nilai efektif tegangan, dikenakan pada suatu rangkaian dengan impedansi setara sebesar : Z < θ = R + jX Jika arus yang mengalir dalam rangkaian ini adalah :



i=√ 2 /Sinωt Maka daya sesaat yang diberikan sumber tegangan pada rangkaian ini adalah : P=vi =



√ 2VSin(ωt+φ). √2 ISinφ



Gelombang tegangan arus dan daya diperlihatkan pada gambar berikut :



Gambar 8 Gelombang tegangan, arus dan daya yang dilukis terhadap sumbu waktu. Daya rata-rata P yang diberikan pada rangkaian adalah : P = V I Cos φ



Bila daya diberikan pada suatu resistor, maka semuanya akan diubah menjadi panas. Daya sesaat yang diserap resistor adalah : PR = I VR = I (iR) Bila arus/ mengalir seperti yang diberikan maka : PR = 212R Sin2ωt Hubungan antara fungsi waktu tegangan, arus dan daya dalam resistor diberikan dalam gambar berikut :



Gambar 9 Tegangan, arus yang sefasa dan daya hasilnya Karena persamaan akan sama dengan nol jika diambil rata-ratanya, maka daya rata-rata rangkaian tersebut adalah : P = I2R Dua unsur rangkaian lainnya, induktor dan kapasitor berpengaruh terhadap daya sesaat tetapi tidak mempunyai andil dalam daya rata-ratanya. Jika arus yang melalui sebuah inductor meningkat, maka tenaga yang diterima itu dipindahkan dari angkaian tersebut menjadi medan magnet, tetapi tenaga itu akan dikembalikan lagi ke rangkaiannya jika arus dalam rangkaian tersebut berkurang. Demikian pula halnya, jika tegangan antara suatu kapasitor meningkat, maka tenaganya akan dipindahkan dari rangkaian menjadi medan listrik dan akan dikembalikan lagi ke rangkaian tersebut jika tegangannya berkurang. Hubungan antara tegangan, arus dalam inductor diperlihatkan dalam gambar 11 dan hubungan antara tegangan, arus dan daya dalam kapasitor diperlihatkan dalam gambar 12 berikut ini :



Gambar 10 Grafik fungsi terhadap waktu dari tegangan, arus yang tertinggal dari tegangan 900 dan daya yang dihasilkannya.



Gambar 11 Grafik fungsi terhadap waktu dari tegangan, arus yang mendahului tegangan 900 dan daya yang dihasilkannya. Daya rata-rata yang mengalir dalam kedua unsur reaktif ini sama dengan nol. Daya dalam unsur reaktif menentukan kapasitas generator dan ukuran komponen rangkaian lain yang menerima tenaga keluar masuk tersebut. Nilai maksimum daya keluar masuk dalam unsur rangkaian reaktif yang didefenisikan sebagai Q : Q = I2X Daya tersebut juga disebut sebagai daya tanpa watt dan diukur dalam Volt Ampere Reaktif. III. PERALATAN YANG DIGUNAKAN 1) BR6000 2) Kabel Power IV. RANGKAIAN PERCOBAAN 1. Rangkaian Praktikum



2. Rangkaian Simulasi



V.



LANGKAH – LANGKAH PERCOBAAN 1) Siapkan peralatan dan rangkai seperti gambar percobaan. 2) Gunakan simulator BR6000 untuk percobaan. 3) Nyalakan 1 motor pada simulator BR6000. 4) Lakukan pengukuran parameter Pf, VLN, I, Q, P dan S untuk kondisi tanpa kompensasi kapasitor bank. 5) Setting target perbaikan cosp menjadi 0,9 pada menu programming 6) Atur penyalaan otomatis poda kapasitor di menu manual made. 7) Amati parameter Pf, VLN, I, Q, P dan S setelah dileri kapasitor bank. 8) Ulangi langkah 3-6 dengan mengubah perbai kan cosp menjadi 4.



9) Hitung efisiensi kapasitor bank menggunakan rumus : a. ƞ=



kVAsebelum−kVAsesudah × 100 % kVAsebelum



10) Ulangi langkah 3-9 dengan mengganti beban menjadi 2 motor.



VI.



DATA HASIL  PRAKTIKUM Tabel 1 (sebelum perbaikan cos φ) Beban 1 motor 2 motor



pf 0,6 ind 0,63 ind



VL-N (Volt) 197,6 196,4



I (A) 106,1 199



S (kVA) 62,78 78,56



Q (kVAR) 51,53 116,54



P (kW) 39,19 94,54



Tabel 2 (setelah perbaikan cos φ) pf BEBAN



Targe t 0,9



1 motor 1 0,9 2 motor 1



Hasil 0,9 ind 0,99 cap 0,89 ind 0,94 cap



PERHITUNGAN A. Beban 1 motor  Target  cos φ = 0,9



I (A)



S (kVA)



Q (kVAR )



P (kW)



Efisiensi (%)



196,7



72,2



42,65



16,35



38,47



32,06



196,6



64,4



37,96



8,18



38,02



39,53



196,6



145,8



86,31



39,28



76,92



25,93



197,2



139,2



82,49



26,79



76,88



29,217



VL-N (Volt)



Efisiensi=



62,78−42,65 ×100 %=32,064 % 62,78



 Target  cos φ = 1 Efisiensi=



6 2,78−37,96 × 100 %=39,534 % 6 2,78



B. Beban 2 motor  Target  cos φ = 0,9 Efisiensi=



116,54−86,31 ×100 %=25,939 % 116,54



 Target  cos φ = 1 Efisiensi=



11 6,54−82,49 ×100 %=29,217 % 11 6,54



 SIMULASI Tanpa Kapasitor Bank (Pf=0.565, S= 1322.5735VA, P= 747.59288 Watt)



Setelah Ditambahkan Kapasitor Bank (Pf=0.952, S= 784.48096VA, P= 784.48096watt)



VII.



ANALISA DATA Percobaan berjudul efisiensi daya pada kapasitor bank. Efisiensi daya dalam hal ini



bukanlah mengenai rugi-rugi daya melainkan penghematan daya ketika tanpa menggunakan kapasitor dengan setelah dipasang kapasitor. Dalam perbaikan faktor daya kapasitor-kapasitor dirangkai dalam suatu panel yang disebut capacitor bank. Praktikum ini dilakukan dengan menggunakan modul BR6000 yang merupakan sebuah alat untuk mensimulasikan banyak kapasitor yang harus terpasang agar sesuai target power faktor dengan beban yang berbedabeda. Setting yang dipilih adalah auto, yaitu pensaklaran kapasitor berjalan secara otomatis sesuai dengan target yang diharapkan. Namun alat ini memiliki beberapa kekurangan yakni tidak ditampilkannya nilai kapasitansi dari kapasitor hanya ada indikator lampu yang menyala mewakili banyaknya kapasitor yang terpasang serta beban yang digunakan hanya bisa memilih dari yang disediakan pada alat tersebut.Daya yang diamati adalah daya semu (S) yang terdiri dari daya aktif (P) dan daya reaktif (Q). Praktikum dilakukan dengan dua tahap yakni pengecekan nilai cos phi sebelum dan setelah diberi kapasitor dengan beban yang berbeda yakni beban 1 motor dan beban 2 motor. Berdasarkan tampilan pada BR6000 ketika sistem diberi beban 1 motor, cos phi akan turun menjadi 0,6 induktif dengan konsumsi daya reaktif sebesar 51,53 kVAR sedangkan pada saat menggunakan beban 2 motor cos phi berubah menjadi 0,63 induktif dengan konsumsi daya rektif yang semakin besar yaitu 116,54 kVAR. Pada saat beban 1 motor nilai power faktor cenderung lebih kecil daripada menggunakan 2 motor hal ini dapat terjadi karena beberapa susunan dapat membuat nilai cos phi semakin baik, namun karena



keterbatasan alat tidak dapat diketahui susunan yang terpasang pada alat hanya ada indikator lampu sebagai penanda beban yang terpasang. Pada tabel 2 menunjukan hasil setelah dilakukan perbaikan cos phi dengan target yang berbeda pada masing-masing beban yakni target cos phi 0,9 dan cos phi 1. Arus yang mengalir ke beban menjadi lebih kecil dibandingkan tanpa menggunakan kapasitor bank. Selain itu, konsumsi daya reaktif yang awalnya cukup tinggi menjadi turun. Sehingga dari penurunan daya semu (S) yang terjadi dapat dihitung efisisensi daya dan penggunaan kapasitor bank sebagai PFC yaitu dengan rumus berikut : Efisiensi=



KVA tnpa C−KVA dgnC ×100 % KVA tanpa C



Dapat diketahui bahwa ketika beban yang terpasang hanya 1 motor target cos phi dapat terpenuhi namun ketika beban diubah menjadi 2 motor target cos phi tidak terpenuhi dengan baik. Misal target cos phi 1 hanya bisa tercapai 0,94. Selanjutnya hasil percobaan dikonfirmasi dengan simulasi PSIM dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh dari penambahan kapasitor pada rangkaian dengan lebih rinci disertai nilai kapasitansi dan beban yang terpasang. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa setelah ditambah dengan komponen kapasitor, power factor pada sistem meningkat yang semula Pf=0.565, menjadi Pf=0.952 setelah dipasang kapasitor bank. Selain itu kebutuhan daya juga berkurang yang mulanya S= 1322.5735 VA dan P= 747.59288 Watt, setelah dipasang kapasitor bank menjadi S= 784.48096 VA dan P= 784.48096 Watt.



VIII. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi dan juga analisa hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa 1. Kapasitor bank berfungsi untuk memperbaiki power faktor dari sebuah sistem kelistrikan. 2. Kapasitor bank mampu mensupply daya (Q) beban dan mengurangi arus yang mengalir ke beban. 3. Pemasangan kapasitor bank meningkatkan power faktor sehingga konsumsi daya dapat lebih kecil dibanding sebelum dipasang kapasitor bank. 4. Nilai kapsitansi kapasitor yang dipasang harus sesuai dengan kebutuhan daya beban yang terpasang apabila tidak sesuai justru akan merugikan.