BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Rangkaian Listrik Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Berbicara mengenai Rangkaian Listrik, tentu tidak dapat dilepaskan dari pengertian dari rangkaian itu sendiri, dimana rangkaian adalah interkoneksi dari sekumpulan elemen atau komponen penyusunnya ditambah dengan rangkaian penghubungnya dimana disusun dengan cara-cara tertentu dan minimal memiliki satu lintasan tertutup. Dengan kata lain hanya dengan satu lintasan tertutup saja kita dapat menganalisis suatu rangkaian. Yang dimaksud dengan satu lintasan tertutup adalah satu lintasan saat kita mulai dari titik yang dimaksud akan kembali lagi ketitik tersebut tanpa terputus dan tidak memandang seberapa jauh atau dekat lintasan yang kita tempuh. Rangkaian listrik merupakan dasar dari teori rangkaian pada teknik elektro yang menjadi dasar atas fundamental bagi ilmu-ilmu lainnya seperti elektronika, sistem daya, sistem komputer, putaran mesin, dan teori control. Rangkaian Listrik tidak dapat dipisahkan dari penyusunnya sendiri, yaitu berupa elemen atau komponen.

2.1.1. Elemen Aktif Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi, pada mata kuliah Rangkaian Listrik yang akan dibahas pada elemen aktif adalah sumber tegangan 7

8

dan sumber arus. Pada pembahasan selanjutnya kita akan membicarakan semua yang berkaitan dengan elemen atau komponen ideal. Yang dimaksud dengan kondisi ideal disini adalah bahwa sesuatunya berdasarkan dari sifat karakteristik dari elemen atau komponen tersebut dan tidak terpengaruh oleh lingkungan luar. Jadi untuk elemen listrik seperti sumber tegangan, sumber arus, kompone R, L, dan C pada mata kuliah ini diasumsikan semuanya dalam kondisi ideal.

1. Sumber Tegangan (Voltage Source) Sumber tegangan ideal adalah suatu sumber yang menghasilkan tegangan yang tetap, tidak tergantung pada arus yang mengalir pada sumber tersebut, meskipun tegangan tersebut merupakan fungsi dari t. Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi dalam Rd= 0 (sumber tegangan ideal) a. Sumber Tegangan Bebas / Independent Voltage Source Sumber yang menghasilkan tegangan tetap tetapi mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangannya tidak bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya, artinya nilai tersebut berasal dari sumbet tegangan dia sendiri. Simbol :

Gambar 2.1 Sumber Tegangan Bebas/Independent Voltage Source

9

b. Sumber Tegangan Tidak Bebas / Dependent Voltage Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga tegangan bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya. Simbol :

Gambar 2.2 Sumber Tegangan Tidak Bebas/Dependent Voltage Source

2. Sumber Arus (Current Source) Sumber arus ideal adalah sumber yang menghasilkan arus yang tetap, tidak bergantung pada tegangan dari sumber arus tersebut. Sifat lain : Mempunyai nilai resistansi dalam Rd= ∞ (sumber arus ideal) a. Sumber Arus Bebas / Independent Current Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus tidak bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya. Simbol :

Gambar 2.3 Sumber Arus Bebas/Independent Current Source

10

b. Sumber Arus Tidak Bebas / Dependent Current Source Mempunyai sifat khusus yaitu harga arus bergantung pada harga tegangan atau arus lainnya. Simbol :

Gambar 2.4 Sumber Arus Tidak Bebas/Dependent Current Source

2.1.2 Elemen Pasif 1. Resistor (R) Sering juga disebut dengan tahanan, hambatan, penghantar, atau resistansi dimana resistor mempunyai fungsi sebagai penghambat arus, pembagi arus dan pembagi tegangan. Nilai resistor tergantung dari hambatan jenis bahan resistor itu sendiri (tergantung dari bahan pembuatnya), panjang dari resistor itu sendiri dan luas penampang dari resistor itu sendiri. Secara matematis :

= dimana :

ρ = hambatan jenis l = panjang dari resistor A = luas penampang Satuan dari resistor : Ohm (Ω)

11

2. Kapasitor (C) Sering juga disebut dengan kondensator atau kapasitansi. Mempunyai fungsi untuk membatasi arus DC yang mengalir pada kapasitor tersebut, dan dapat menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Nilai suatu kapasitor tergantung dari nilai permitivitas bahan pembuat kapasitor, luas penampang dari kapsitor tersebut dan jarak antara dua keping penyusun dari kapasitor tersebut. Secara matematis :

= Dimana :

ε = permitivitas bahan A = luas penampang bahan d = jarak dua keping

Satuan dari kapasitor : Farad (F) kapasitor mengijinkan arus untuk melewatinya berbanding lurus dengan laju perubahan tegangan. Hubungan tersebut dinyatakan sebagai:

= Ket : i = Arus mengalir pada kapasitor C = Kapasitas kapasitor dv = Laju perubahan tegangan dt = Perubahan waktu Arus yang melalui kapasitor merupakan reaksi dari perubahan tegangan pada kapasitor tersebut. Karena kapasitor menghantarkan arus berbanding lurus

12

dengan laju perubahan tegangan maka juga berbanding lurus dengan frekwensi. Oleh karena itu reaktansinya akan berbanding terbalik dengan frekwensi alternating current. Formulanya adalah :

=

1 2

2.1.3 Rangkaian RLC Pada rangkaian RLC, hukum Ohm tetap memenuhi untuk digunakan dalam perhitungan. Akan tetapi operasi aritmatiknya tetap mengikuti kaidah dalam perhitungan vektor kompleks. Dan berikut ini adalah jenis rangkaiannya : 1. Rangkaian Resistansi Murni Karena tegangan dan arus pada satu fase (selalu sama tanda) sehingga daya sesaat yang dihasilkan adalah selalu positif. Hal ini berarti resistansi R mengkonsumsi energi.

Gambar 2.5 Resistansi Murni

13

2. Rangkaian Induktansi Murni Karena tegangan dan arus pada fase yang berbeda sehingga daya sesaat yang dihasilkan adalah bernilai positif dan negatif secara bergantian. Daya yang bernilai negatif menunjukkan bahwa daya dilepas kembali oleh induktor ke rangkaian. Karena perbedaan positip dan negatip besarnya sama dan dalam waktu yang sama maka resultannya adalah nol. Oleh karena itu kalau sumbernya adalah generator maka daya akan dikembalikan ke sumber sehingga tidak perlu energi mekanis untuk menggerakkan generator dan induktor tidak menjadi panas (sebagaimana yang terjadi pada beban resistif).

Gambar 2.6 Induktansi Murni

3. Induktor/ Induktansi/ Lilitan/ Kumparan (L) Seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau belitan. Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Induktor melawan arus yang melaluinya dengan cara menurunkan tegangan

14

berbanding lurus dengan laju perubahan arus. Menurut hukum Lenz tegangan terinduksi akan selalu dalam polaritas yang sedemikian rupa menjaga nilai arus seperti pada sebelumnya. Dengan demikian ketika arus meningkat, tegangan terinduksi akan melawan aliran elektron, sedangkan ketika arus menurun polaritas akan berbalik dan mendorong aliran elektron. Oposisi terhadap aliran ini disebut sebagai reaktansi. Hubungan antara tegangan yang diturunkan dengan laju perubahan arus melalui induktor, satuan dari induktor : Henry (H) Jadi tegangan yang diturunkan pada induktor merupakan reaksi terhadap perubahan arus yang melaluinya. Karena sebuah induktor menurunkan tegangan berbanding lurus dengan laju perubahan arus maka reaktansinya juga akan bergantung pada frekwensi alternating current. Formulanya adalah:

=2

( ) =

2.2 Daya Listrik Daya listrik adalah energi yang dibutuhkan peralatan listrik untuk bekerja secara normal. Daya listrik ada 3 macam yaitu daya aktif, daya reaktif dan daya nyata. 

Daya Aktif Satuan daya aktif dinyatakan dalam Watt (W). Daya aktif ini adalah daya yang digunakan secara umum oleh konsumen. Daya aktif inilah yang biasanya dapat dikonversikan dalam bentuk kerja. Adapun rumus dari daya aktif adalah : P = V x I x cos θ

15



Daya Reaktif Daya reaktif adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet. Dari pembentukan medan magnet, maka akan terbentuk fluks magnetik. Satuan daya reaktif dinyatakan dalam VAR. Sedangkan rumus dari daya reaktif adalah sebagai berikut. Q = V x I x sin θ



Daya nyata Daya nyata adalah penjumlahan geometris dari daya aktif dan daya reaktif. Daya nyata merupakan daya yang diproduksi oleh perusahaan sumber listirk untuk didistribusikan ke konsumen. Daya nyata ini dinyatakan dalam VA. Rumus dari daya nyata adalah sebagai berikut. S=VxI

Korelasi dari ketiga macam daya diatas bisa digambarkan sebagai segitiga daya, Dimana : P = Daya aktif (true power), sisi x atau mendatar pada segitiga daya Q = Daya reaktif (reactive power), sisi y atau mendatar pada segitiga daya S = Daya nyata (apparent power), penjumlahan geometris dari P dan Q

S (VA) Q (VAR)

P (W)

Gambar 2.7 Segitiga Daya

16

2.2.1 Jenis-Jenis Beban Listrik a. Beban Linier Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan, sehingga gelombangnya bersih, tidak terdistorsi dan tidak menimbulkan harmonisa. Beban ini berupa elemen pasif seperti resistor, komputer & kapasitor. Beberapa contoh beban linier ini adalah lampu pijar, pemanas, resistor dan lainlain. Gambar 2.2 berikut adalah contoh bentuk gelombang arus & tegangan dengan beban linier.

Gambar 2.8 Bentuk Gelombang Arus & Tegangan dengan Beban Linier

b. Beban Non Linier Beban non linier adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam setiap periode tegangan masukan. Dengan impedansinya yang tidak konstan, maka arus yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan, sehingga beban non linier tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding lurus dengan tegangan.

17

Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban non linier tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi).

Dengan meluasnya

pemakaian beban non linier, gelombang sinusoidal ini dapat mengalami distorsi.

Gambar 2.9 Jenis Beban Non Linier

Gambar 2.10 Gelombang Tegangan & Arus dengan Beban Non Linier

18

2.2.2

Pengertian Faktor Daya

Faktor daya atau biasa disebut dengan cos θ merupakan pergeseran sudut antara tegangan dan arus. Besar dari cos θ yang sempurna adalah 1, meskipun pada kenyataan dilapangan sangatlah sulit mendapatkan nilai 1. Cos θ ini akan menetukan nilai dari daya aktif. Apabila nilai dari cos ini mendekati 1 maka besar dari daya reaktif (VAR) akan semakin kecil dan nilai daya aktif (W) akan mendekati daya nyatanya (VA). Seperti telah kita ketahui gambar dari segitiga daya, maka besar dari cos θ bisa dicari seperti gambar berikut ini.

PF : DAYA REAKTIF (Q)

DAYA NYATA (S)

(QQQQQ

θ

P S W VA

PF : Cosinus θ

DAYA AKTIF (P)

Gambar 2.11 Faktor Daya

Penurunan faktor daya akan memerlukan arus yang lebih besar untuk memenuhi daya yang dibutuhkan oleh beban. Pada waktunya hal ini menyebabkan penurunan tegangan dan kerugian arus dalam transmisi bertambah besar. Untuk alasan ini, perusahaan sumber listrik memberikan denda untuk faktor daya yang lebih rendah dari 0,85. Selain itu pula daya nyata yang didistribusikan dari perusahaan sumber listrik yang bisa dimanfaatkan akan semakin berkurang.

19

Faktor daya yang rendah bisa disebabkan oleh peralatan seperti motor induksi dan unit-unit balas (ballast) dari lampu TL yang memerlukan arus magnetisasi reaktif untuk geraknya. Peralatan seperti ini tidak memerlukan arus untuk melakukan kerja yang bermanfaat, melainkan hanya untuk membangkitkan medan magnet.

2.2.3

Konsep Perbaikan Faktor Daya

Daya dalam rangkaian DC sama dengan perkalian antara arus dan tegangan. Daya dalam rangkaian AC pada setiap saat sama dengan perkalian dari harga daya rata – rata dalan satu periode sama dengan perkalian antara arus dan tegangan efektif. Tetapi jika ada reaktansi dalam rangkaian, arus dan tegangan tidak sephase selama siklusnya seperti halnya arus bernilai negatif seraya tegangan bernilai positif. Hal ini menghasilkan besarnya daya kurang dari perkalian I dan V. Perkalian arus dan tegangan efektif dalam rangkaian AC dinyatakan dalam voltampere (VA) atau kilovoltampere (KVA). Satu KVA sama dengan 1.000 VA. Daya yang berguna atau daya nyata diukur dalam watt dan diperoleh jika voltampere dari rangkaian dikalikan dengan faktor yang disebut dengan faktor daya. Maka dalam rangkaian AC satu phase adalah: P(dalam watt) = V x I x faktor daya P = V × I Cos θ P = V × Iaktif Iaktif = I Cos θ Oleh karena daya adalah VI dikalikan dengan faktor daya, maka faktor daya suatu rangakaian AC sama dengan kosinus dari sudut phase. Hubungan

20

antara daya dalam watt (P), voltampere (VA) dan voltampere reaktif (VAR) dapat dinyatakan dengan segitiga seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.7 sudut θ adalah sudut phase rangkaian. Alas segitiga menyatakan daya nyata (VA), tingginya menyatakan daya reaktif (VAR), dan hipotunosa menyatakan daya aktif (W). Harga faktor daya tergantung dari beda phase antara arus dan tegangan. Kapasitor daya AC sebagai kompensator yang dihubungkan jaringan maka akan mengakibatkan arus beban mendahului 90 derajat, Ic = Im sin (wt+90°). Sehingga akan mengakibatkan arus beban menjadi sephase dengan tegangan. Dimana arus beban yang tertinggal 90 derajat akan terkompensasi arus capasitor mendahului sebesar 90 derajat, Ib = Ib sin (ωt-90°+90°) = Ib sin ωt. Hal tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.7 Ket :

Ib = Arus Beban Im = Arus Maksimum Ic = Arus Kapasitif IL = Arus Induktif

Gambar 2.12 Diagram Phasor Konsep Kompensator Daya Nyata (VIcos θ)

21

Gambar 2.13 Hubungan antara Daya Aktif, Daya Nyata & Daya Reaktif

Oleh karena daya aktif sama dengan VI daya nyatanya adalah VI Cos θ, dan daya reaktifnya VI Sin θ. Juga terjadi hubungan sebagai berikut.

=

(



) +(



)

Ada tiga kemungkinan hubungan phase antara arus dan tegangan dalam satuan rangkaian. 1. Arus dan tegangan sephase seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.14 2. Tegangan dapat melalui harga nol dan naik ke harga tertinggi pada waktu yang lebih dahulu dari arus seperti dalam Gambar 2.15 Dalam hal ini arus dikatakan tertinggal dari tegangan. 3. Tegangan dapat melalui harga nol dan harga tertingginya pada beberapa saat kemudian dari pada arus seperti dalam gambar 2.16 Dalam hal ini arus dikatakan mendahului tegangan. Lamanya waktu dimana arus mendahului atau tertinggal dari tegangan bervariasi dalam rangkaian yang berbeda dari kondisi sephase sampai mendahului atau tertinggal ¼ siklus atau 90˚. Oleh karena itu waktu dapat diukur dalam derajat listrik, beda waktu atau beda phase dari arus dan tegangan biasanya dinyatakan dalam derajat listrik dan disebut sudut phase.

22

Gambar 2.14 Arus & Tegangan (Beban Resistif)

Gambar 2.15 Arus Tertinggal 30o dari Tegangan (Beban Induktif)

Gambar 2.16 Arus mendahului 30o dari Tegangan (Beban Kapasitif)

Dan untuk konsep perbaikan faktor daya maka dapat digunakan penggunaan Segitiga Daya dan Tabel Cos θ untuk analisa perbaikan faktor daya.

Gambar 2.17 Segitiga Daya

23

Dimana : P = Daya Aktif (kW) S = Daya Nyata (kVA) Q = Daya Reaktif (kVAR) Qc = P ( tan ϕ1 – tan ϕ2 )

Faktor daya dapat diperbaiki dengan memasang kapasitor pengkoreksi faktor daya atau sering disebut capasitor bank (lihat Gambar 2.7) pada sistim distribusi daya pabrik. Kapasitor bertindak sebagai pembangkit daya reaktif dan oleh karenanya akan mengurangi jumlah daya reaktif yang harus dihasilkan dihasilkan oleh produsen penyuplai energi listrik.

Gambar 2.18 Kapasitor Sebagai Arus KVAR

Capasitor bank adalah suatu unit komponen elctric yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya. Sebelum pemasangan capasitor bank, daya aktif dan daya reaktif yang dibutuhkan oleh beban seluruhnya disuplai oleh perusahaan sumber listrik, sehingga daya nyata dari sentral harus besar. Sesudah pemasangan

24

capasitor bank, seluruh atau sebagian daya reaktif yang diperlukan oleh beban akan disuplai oleh capasitor bank, sehingga tugas dari perusahaan sumber listrik akan menjadi ringan karena hanya menyuplai daya aktif saja (apabila seluruh daya reaktif disuplay oleh capasitor bank) dan dengan demikian daya nyatanya lebih kecil. Selain meningkatkan faktor daya, pemasangan capasitor bank juga dapat menghindarkan dari dampak negatif rendahnya faktor daya yaitu trafo kelebihan beban, tegangan menurun, kenaikan suhu dan arus pada kabel, rugi-rugi listrik. Untuk pemasangan capasitor bank diperlukan penghitungan daya reaktif yang diperlukan dengan tetap mempertimbangkan pengaruh harmonisa.

A. Keuntungan perbaikan faktor daya dengan penambahan kapasitor bank : 1. Bagi konsumen, khususnya perusahaan atau industri : a. Menghilangkan denda kVARh yang ditetapkan oleh PLN, dimana PLN telah menetapkan cos phi terendah adalah 0.85 atau pemakaian total kVARh tidak lebih dari 62% dari total kWh per bulan (menghemat tagihan listrik PLN akibat dihilangkan denda kVARh) b. Mengurangi besarnya arus listrik yang mengalir ke beban c. Mengurangi rugi-rugi pada trafo, kabel & busbar (menambah umur peralatan) d. Mengurangi jatuh tegangan e. Meningkatkan efisiensi daya listrik (penambahan beban listrik (kW) dalam batas-batas kemampuan daya yang tersedia.

25

2. Bagi utilitas pemasok listrik : a. Komponen reaktif pada jaringan dan arus total pada sistim ujung akhir berkurang b. Kehilangan daya I2 R dalam sistim berkurang karena penurunan arus c. Kemampuan kapasitas jaringan distribusi listrik meningkat, mengurangi kebutuhan untuk memasang kapasitas tambahan

2.3 Kapasitor Bank Dengan perkembangan teknologi pada saat ini, banyak sekali industri-industri yang menciptakan barang-barang elektronik yang bisa meringankan manusia dalam pekerjaannya, seperti memasak, mencuci dan lain-lain sebagainya. Barangbarang yang diciptakan mempengaruhi daya yang terpasang pada kWh meter seperti dengan mencuci dengan mesin cuci, untuk memperkecil pengaruh pada kWh meter maka sebaiknya dipasang kapasitor bank. Karena fungsi kapasitor bank memaksimalkan daya yang terpasang tanpa mencuri aliran listrik. Keunggulan dari kapasitor bank ini dapat dipasang dengan mudah dan tanpa mengubah rangkaian instalasi listrik di rumah, kantor dan gedung dan sebagainya. Penghematan dengan memasang kapasitor bank bukan berarti kita mengurangi pemakaian daya atau mematikan beberapa peralatan listrik elektronik yang kita pakai, akan tetapi dengan cara meredam bahkan menghilangkan daya semu, listrik induksi, atau induksi yang banyak kita temui pada peralatan listrik atau elektronik yang komponennya berupa kumparan atau lilitan tembaga. Kapasitor bukan alat untuk menghemat energi tetapi alat untuk menurunkan arus listrik dari arus yang

26

lebih besar dengan pamakain yang sedikit sehingga menurunkan arus yang lebih kecil dengan pemakaian listrik yang lebih banyak yang mengalir pada daya yang terpasang pada kWh meter, dengan memperbaiki faktor daya, maka kita bisa memakai energi listrik lebih banyak lagi tanpa mengurangi pemakaian atau mematikan peralatan listrik. Kapasitor bank menstabilkan tegangan yang masuk ke dalam sistem jaringan listrik. Selain itu juga kapasitor bank berfungsi seperti untuk menyimpan listrik seperti pada aki. Kelebihannya dibanding dengan aki kapasitor bank bisa menyimpan energi lebih cepat, juga bisa mengeluarkan energi yang tersimpan dalam kapasitor dapat dikeluarkan dengan cepat.

Gambar 2.19 Kapasitor Bank

2.3.1 Pengertian Kapasitor Bank Kapasitor bank adalah peralatan listrik yang mempunyai sifat kapasitif yang berfungsi untuk mengimbangi sifat induktif. Kapasitas kapasitor untuk ukuran 5 KVar sampai 60 Kvar. Dari tegangan kerja 230 V sampai 525 Volt. Pengertian lain dari kapasitor Bank yaitu sekumpulan beberapa kapasitor yang dihubungkan

27

secara paralel untuk mendapatkan kapasitas kapasitif yang akan digunakan. Untuk suatu besaran kapasitor yang sering dipakai adalah Kvar (Kilo volt ampere reaktif) meskipun didalam Kvar terkandung atau tercantum besaran kapasitas yaitu Farad atau microfarad (μF). Kapasitor bank mempunyai sifat listrik yang kapasitif (leading). Sehingga mempunyai sifat mengurangi atau menghilangkan terhadap sifat induktif (leaging)

2.3.2 Prinsip Kerja Kapasitor Bank Prinsip Kerja Karja Kapasitor Bank Berdasarkan dari cara kerjanya, kapasitor bank dibedakan menjadi 2 :

1) Fixed type, yaitu dengan memberikan sebuah beban kapasitif yang tetap ataupun berubah-rubah pada beban. Biasanya digunakan pada beban langsung seperti pada motor induksi. Pada tipe ini harus dipertimbangkan adalah pada saat pemasangan kapasitor bank tanpa beban.

Gambar 2.20 Fixed Type

28

2) Automatic type, yaitu memberikan beban kapasitif yang bervariasi sesuai dengan kebutuhan kapasitor bank yang terpasang. Pada tipe ini jenis panel dilengkapi dengan sebuah Power Factor Controller (PFC) sebagai pengaman. PFC akan menjaga cos phi pada jaringan listrik yang sesuai dengan target yang ditentukan. Apabila pada tipe ini terjadi perubahan beban, maka PFC secara otamatis akan memperbaiki cos phi.

Gambar 2.21 Automatic Compensation

2.3.2 Manfaat Pemasangan Kapasitor Bank Adapun manfaat dan kelebihan dengan menggunakan kapasitor bank yaitu: 1) Memaksimalkan daya terpasang 2) Menghemat biaya pemakaian 3) Menghilangkan hambatan pada kabel penghantar 4) Menstabilkan arus tegangan listrik (frekuensi) 5) Memperpanjang usia peralatan elektronik 6) Menurunkan ampere, mengurangi panas berlebihan pada jaringan

29

7) Mengurangi arus start (awal) 8) Tidak merugikan PLN karena dapat mengurangi daya watt semu 9) Bebas biaya perawatan 10) Sangat mudah pemasangannya dan dipasang setelah meteran (kWh meter)

2.3.4 Metoda Pemasangan Kapasitor Di dalam metoda pemasangan Kapasitor Bank dibedakan menjadi 2 hal, yaitu : a. Lokasi Pemasangan b. Cara Pemasangan a. Berdasarkan Lokasi Pemasangan : 1. Global Compensation Dengan metode ini kapasitor dipasang di induk panel Mine Distribution Panel (MDP) Arus yang turun dari pemasangan model ini hanya di penghantar antara panel MDP dan transformator. Sedangkan arus yang lewat setelah MDP tidak turun dengan demikian rugi akibat disipasi panas pada penghantar setelah MDP tidak terpengaruh. Terlebih instalasi tenaga dengan penghantar yang cukup panjang Delta Voltagenya masih cukup besar.

Gambar 2.22 Global Compensation

30

2. Sectoral Compensation Dengan metoda ini kapasitor yang terdiri dari beberapa panel kapasitor dipasang dipanel Sub Distribution Panel (SDP). Cara ini cocok diterapkan pada industri dengan kapasitas beban terpasang besar sampai ribuan kva dan terlebih jarak antara panel MDP dan SDP cukup berjauhan.

Gambar 2.23 Sectoral Compensation

2. Individual Compensation. Dengan metoda ini kapasitor langsung dipasang pada masing masing beban khususnya yang mempunyai daya yang besar. Cara ini sebenarnya lebih efektif dan lebih baik dari segi teknisnya. Namun ada kekurangannya yaitu harus menyediakan ruang atau tempat khusus untuk meletakkan kapasitor tersebut sehingga mengurangi nilai estetika. Disamping itu jika mesin yang dipasang sampai ratusan buah berarti total cost yang di perlukan lebih besar dari metode diatas.

Gambar 2.24 Individual Compensation

31

b. Berdasarkan Cara Pemasangan 1. Hubung Bintang (Star)

Gambar 2.25 Kapasitor Hub Bintang Dimana : VL = Tegangan antar phasa VP = Tegangan phasa IP = IL = Arus phasa / Arus saluran Bila IL adalah arus saluran dan IP adalah arus phasa,maka akan berlaku hubungan : IL = IP VL = √3 VP

Qc = P ( tan ϕ1 – tan ϕ2 ) = 3

=

√3





=

=

2





32

- Keuntungan Pemasangan Kapasitor Hubung Bintang 1. Tegangan yang mengalir pada tiap kapasitor lebih kecil karena Vp =

√

- Kerugian Pemasangan Kapasitor Hubung Bintang 1. Kapasitas kapasitor harus lebih besar 3 kali dari hubung segitiga, dan harga yang dikeluarkan untuk pembelian kapasitornya lebih mahal

2. Hubung Segitiga (Delta)

Gambar 2.26 Kapasitor Hub Segitiga Dimana : IL = Arus saluran IP = Arus phasa VL = VP = Tegangan antar phasa Bila VL adalah tegangan antar phasa dan VP adalah tegangan phasa maka berlaku hubungan : VL = VP IL = √3 VP

33

Qc = P ( tan ϕ1 – tan ϕ2 ) = 3 =

=



3



=

3

2

3

- Keuntungan Pemasangan Kapasitor Hubung Segitiga 1. Kebutuhan kapasitas kapasitor lebih kecil atau 1/3 dari kapasitas kapasitor hubung bintang - Kerugian Pemasangan Kapasitor Hubung Segitiga 1. Tegangan yang mengalir pada kapasitor lebih besar dibandingkan hubung bintang karena Vp = VL

2.3.5 Komponen-komponen Utama Panel Kapasitor 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.Main 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 dari sebagai contoh :

34

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. Kapasitor Breaker Kapasitor Breaker digunkakan 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 :. In = Qc / 3 . VL Sebagai contoh : masing masing steps dari 10 steps 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.

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

35

AC 3 dengan beban induktif/kapasitif). Pemilihan magnetic dengan range ampere lebih tinggi akan lebih baik sehingga umur pemakaian magnetic contactor lebih lama.

4. Kapasitor Bank Kapasitor bank adalah peralatan listrik yang mempunyai sifat kapasitif yang akan berfungsi sebagai penyeimbang sifat induktif. Kapasitas 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).

5. Reactive Power Regulator Peralatan ini berfungsi untuk mengatur kerja kontaktor agar daya reaktif yang akan disupply ke jaringan/sistem 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.

36

6. Peralatan tambahan - Push button on dan push button off yang berfungsi mengoperasikan magnetic contactor secara manual. - Selektor auto – off – manual yang berfungsi memilih system 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 temperature ruang panel meningkat.setelah setting dari thermostat terlampaui maka exhust fan akan otomatis berhenti.

2.3.6 Perawatan & Perlindungan Kapasitor Bank Kapasitor bank yang digunakan untuk perbaikan faktor daya supaya tahan lama, maka harus dirawat secara rutin dan teratur. Dalam perawatannya, kapasitor bank harus ditempatkan pada tempat yang lembab dan tidak basah yang tidak terlindungi dari debu dan kotoran. Sebelum melakukan pemeriksaan, maka kapasitor bank tidak terhubung lagi dengan sumber listrik. Adapun jenis pemeriksaan yang harus dilakukan yaitu : 1) Pemeriksaan kebocoran. 2) Pemeriksaan kabel dan penyangga kapasitor. 3) Pemeriksaan isolator. Untuk meminimalkan kemungkinan kegagalan sekering pemegang pembuangan atau pecahnya kasus kapasitor bank, atau keduanya, standar memaksakan batasan

37

ke energi maksimum total yang tersimpan dalam sebuah kelompok yang terhubung paralel ke 4659 kvar. Agar tidak melanggar batas ini, kelompok yang lebih kapasitor bank dari rating tegangan rendah dihubungkan secara seri dengan lebih sedikit unit secara paralel setiap kelompok dapat menjadi solusi yang cocok. Namun, hal ini dapat mengurangi sensitivitas skema deteksi ketidakseimbangan. Memisahkan kapasitor bank menjadi 2 bagian yaitu hubungan seri, solusi ini dapat digunakan untuk skema ketidakseimbangan yang lebih baik untuk dideteksi. Kemungkinan lain adalah penggunaan sekering pembatas arus. Koneksi optimal untuk SCB tergantung pada pemanfaatan terbaik dari peringkat tegangan yang tersedia unit kapasitor, sekering, dan menyampaikan pelindung. Hampir semua kapasitor bank gardu yang terhubung seri. Maka setiap pemakaian kapasitor bank bagaimanapun harus dihubungkan secara seri atau paralel. Contoh kasus : 1. Satu buah TL dengan daya = 15 W, tegangan = 220 V, Faktor daya = 0,35, jika faktor daya ingin diperbaiki menjadi = 0.9, maka berapa penghematan yang terjadi dan nilai C yang harus dipakai ?  Menghitung arus ( I ) pf = 0.35 P = V.I. Cos φ I = P/V. Cos φ = 15/220 x 0,35 = 15/77 = 0,1948 A » 194,8 mA pf = 0.90 I = P/V. Cos φ = 15/220x0,90 = 0,0757 A » 75,7 mA % penghematan : 194,8 – 75,7 = 119,05 » ±61%

38

Menentukan nilai kapasitor : Cos φ1 = 0,35 maka φ1 = Cos-1 (0,35) = 69,50o Cos φ2 = 0,90 maka φ2 = Cos-1 (0,90) = 25,840o Daya Aktif, P1 = 15W

Daya Nyata S1 = V.I = 42,856 VA S1 = P/Cos φ = 15/0,35 = 42,857 VA

Daya Reaktif Q1 = S.Sin φ = 42,857.Sin 69,5 = 40,143 VAR P2 = P1 = 15 W S2 = V.I = 220 x 75,7mA = 16,665VA

2.4 Simulasi Ketika data pengukuran telah didapatkan, maka dilakukan simulasi rangkaian sesuai beban yang ada. dan untuk mengetahui seberapa perlukah dalam sebuah sistem berjalan memerlukan kapasitor bank dalam pengkompensai nilai daya reaktif yang disebabkan oleh banyaknya beban non linear. Dan untuk membuktikan bahwa data yang didapatkan sesuai dengan simulasi dengan dasar

39

hasil pengukuran & pengambilan data. Dalam simulasi ini digunakan software Multisim 11.0.

2.4.1 Simulasi Multisim 11.0 Dalam kegiatan simulasi ini digunakan software seperti di bawah ini : a. Multisim 11.0 Multisim adalah program simulasi yang digunakan untuk melakukan simulasi cara kerja sebuah rangkaian elektronika. Program Multisim 11.0 pertama kali dibuat oleh perusahaan yang bernama Electronics Workbench yang merupakan bagian dari perusahaan National Instruments dan pertama kali dikenalkan dengan nama Electronics Instruments yang pada saat itu ditujukan sebagai alat bantu pengajaran dalam bidang elektronika. Dan di bawah ini adalah gambar workspace pada Multisim 11.0 :

40

Component Toolbar

Simulation Toolbar

Standar Toolbar Instrument Toolbar

Design Toolbox

Workspace pada Multisim 11.0

Runtime

Gambar 2.27 Layout Multisim 11.0

41

b. Membuat lembar kerja (Workspace) Untuk membuat lembar kerja baru pada Multisim 11.0 dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu : 1. Ketika Multisim 11.0 pertama kali dijalankan maka akan langsung membuka lembar kerja baru. 2. Menggunakan tombol New yang terdapat pada tampilan workspace Multisim 11.0

c. Penggunaan Komponen Komponen elektronika yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi rangkaian elektronika telah disediakan pada library yang terdapat pada Multisim 11.0. Komponen yang disediakan ada 2 jenis yaitu : 1. Komponen yang bersifat virtual Komponen virtual yang disediakan oleh Multisim 11.0 ini mempunyai nilai yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan dan dianggap mempunyai nilai yang ideal. 2. Komponen yang bersifat realKomponen real yang disediakan oleh Multisim 11.0 ini mempunyai nilai yang tidak dapat diubah dan memiliki sifat praktis seperti yang dimiliki oleh komponen elektronika yang digunakan pada dunia nyata. Komponen yang akan digunakan untuk membentuk rangkaian telah digabung ke dalam satu grup. Grup komponen tersebut dapat dilihat pada component toolbar

42

seperti yang tertera pada tabel di atas. Cara penggunaan komponen pada Multisim 11.0 dapat dilakukan dengan beberapa cara :  Buka folder View pada Menu bar kemudian klik Component toolbar sampai dengan pada lembaran kerja terdapat menu Component toolbar atau tekan Ctrl+w pada keyboard.  Letakkan kursor ke component toolbar kemudian klik open

kemudian

pilih Group open. Setiap group terdiri dari beberap komponen yang sejenis yang telah digabungkan. Dibawah ini merupakan tampilan dari component toolbar.

Gambar 2.28 Component d. Meletakkan komponen Pada bagian ini akan dibahas mengenai bagaimana meletakkan komponen dengan menggunakan Component toolbar. DC_POWER 1. Klik source button pada component toolbar. Kemudian akan tampil Select a Component kemudian akan terlihat bahwa daftar komponen yang telah digabung menjadi satu. 2. Pilih group Sources dengan family POWER_SOURCES dan akan terlihat daftar komponen yang tersedia seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini:

43

Gambar 2.29 Select a Component

3. Pilih DC Power dari daftar diatas kemudian klik OK. Kursor akan membawa bagian tersebut untuk diletakkan pada lembar kerja. Seperti yang tertera pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.30 DC Power

4. Kemudian pindahkan komponen sumber tegangan ke tempat yang ingin diletakan pada lembar kerja. Agar lebih tepat disarankan menggunakan bantuan page border, grid dan ruler bars sebagai pemandu yang dapat di atur di menu bar pilih view kemudian klik show grid, show borders, dan show ruler

44

bars. Gambar dibawah ini merupakan gambar peletakkan komponen pada lembar kerja multisim:

Gambar 2.31 Place on Workplace

5. Untuk mengubah nilai komponen DC_POWER dapat dilakukan dengan klik ganda pada komponen tersebut sampai muncul kotak dialog.

Gambar 2.32 Value DC Power

45

 Untuk mengubah nilai DC_POWER dapat dilakukan dengan mengubah nilai yang terdapat pada kotak Voltage (V) misalkan dari tegangan 12 V ingin diganti menjadi tegangan 5 V. Tetapi yang perlu diingat pergantian nilai tersebut hanya berlaku untuk komponen yang bersifat virtual.  Untuk menggunakan komponen virtual dapat dilakukan dengan cara masuk ke Group Basic kemudian pilih Family BASIC_VIRTUAL. Semua komponen yang terdapat di group tersebut sifatnya virtual dan dapat diubah sesuai dengan yang dibutuhkan untuk simulasi.

e. Wiring Komponen yang telah diletakkan di lembar kerja multisim agar dapat bekerja harus dihubungkan menjadi satu. Semua komponen memiliki node yang dapat digunakan untuk menghubungkan semua komponen yang ada pada lembar kerja. Jadi wiring adalah cara menghubungkan node yang satu dengan node yang lain agar simulasi dapat dilakukan. Wiring dapat dilakukan dengan dua cara yaitu 1. Automatic wiring 2. Manual wiring

f. Automatic Wiring  Untuk memulai automatic wiring dapat dilakukan dengan cara klik pin node yang terdapat pada komponen. Kursor akan berganti simbol menjadi tanda lingkaran hitam.

46

 Kemudian hubungkan pin node yang satu dengan yang lain sehingga wiring akan dilakukan secara otomatis dari komponen yang satu dengan komponen yang lain seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.33 Automatic Wiring

Untuk menghapus wiring tersebut dapat dilakukan dengan dua cara yaitu klik wiring tersebut kemudian gunakan tombol delete atau dengan klik kanan pada wiring tersebut kemudian pilih menu delete.Untuk menghapus wiring tersebut dapat dilakukan dengan dua cara yaitu klik wiring tersebut kemudian gunakan tombol delete atau dengan klik kanan pada wiring tersebut kemudian pilih menu delete.

g. Manual Wiring  Untuk memulai manual wiring dapat dilakukan dengan cara pilih meu Place pada menu bar kemudian pilih Junction atau tekan Ctrl + j pada keyboard sehingga akan muncul tanda lingkaran kecil yang sebagai tanda memulai wiring.  Agar wiring dapat dilakukan dengan lebih mudah maka dapat menggunakan bantuan grid yang tersedia pada multisim.

47

 Klik junction maka akan terlihat pada lembar kerja multisim terdapat tanda lingkaran kecil kemudian taruh ke lembar kerja.

Klik sekali lagi

junction kemudian taruh lingkaran kecil tersebut ketempat yang ingin dihubungkan seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.34 Manual Wiring I

Setelah kedua node diletakan sekarang arahkan kursor ke salah satu node kemudian di klik dan hubungkan dengan node yang lain seperti yang tertera pada gambar dibawah ini:

Gambar 2.35 Manual Wiring II

h. Teks Untuk menambahkan teks pada lembar kerja multisim dapat dilakukan dengan cara Pilih menu Place pada menu bar kemudian pilih text atau tekan Ctrl+t pada keyboard.

48

1. Klik rangkaian tempat kita ingin menaruh teks tersebut sampai muncul text box. 2. Ketik tulisan yang diinginkan contohnya ”LED Merah” 3. Setelah selesai menuliskan teks tersebut klik di mana saja pada lembar kerja untuk keluar dari teks box.  Untuk menghapus teks tersebut dapat dilakukan dengan klik kanan kemudian pilih menu Delete.  Untuk mengubah warna teks dapat dilakukan dengan cara klik kanan kemudian pilih menu Color.  Untuk mengedit teks dapat dilakukan dengan cara klik ganda teks tersebut sampai muncul teks dan ubah teks kemudian klik dimana saja pada lembar kerja multisim untuk keluar dari text box tersebut.

i. Penggunaan Alat Ukur Multisim menyediaka berbagai jenis alat ukur virtual yang dapat digunakan untuk melakukan simulasi. Alat ukur yang disediakan di multisim menyerupai alat ukur yang asli. Alat ukur tersebut dapat dilihat di View/Toolbars/Instrument Toolbar pada menu bar. Dibawah ini merupakan gambar tampilan instrument toolbar pada multisim:

49

Gambar 2.36 Instruments

Dibawah ini akan membahas penggunaan beberapa jenis alat ukur yang sering digunakan seperti penggunaan multimeter.  Multimeter Gambar dibawah ini merupakan gambar dari sebuah virtual multimeter yang terdapat pada multisim 11.0

Gambar 2.37 Multimeter Ketika alat ukur tersebut di klik maka akan mempunyai tampilan seperti dibawah ini:

Gambar 2.38 Multimeter Display

50

j. Simulasi Simulasi digunakan untuk menggambarkan kinerja sebuah rangkaian elektronika yang terdapat pada lembar kerja multisim. Simulasi dilakukan ketika rangkaian elektronika yang terdiri dari komponen-komponen telah terhubung dengan menggunakan teknik wiring kemudian dijalankan untuk mengetahui hasil dari rangkaian elektronika tersebut. Pastikan rangkaian elektronika yang akan disimulasi telah terhubung dengan Ground karena simulasi tidak dapat berjalan apabila belum terhubung dengan ground. Dibawah ini terdapat beberapa cara yang dapat digunakan untuk melakukan simulasi:  Klik menu Simulate/Run pada menu bar  Klik tombol Simulate button seperti yang terlihat pada gambar disamping  Tekan tombol F5 pada keyboard untuk menjalankan simulasi. Untuk menghenntikan simulasi yang sedang berjalan dapat dilakukan beberapa cara yaitu:  klik menu Simulate/pause atau tekan F6 pada keyboard maka simulasi akan diberhentikan sementara.  klik menu Simulate/run maka simulasi akan dihentikan.  Dengan klik gambar ikon simulasi maka simulasi akan dihentikan.

51

2.4.2 Model Rangkaian Sistem kelistrikan yang berjalan di PT. ADM VLC adalah 3 phase, untuk melakukan simulasi maka digunakan model 1 phase berupa rangkaian RLC sebagai berikut :

Gambar 2.39 Model Rangkaian

2.5 Tarif Dasar Listrik Tarif dasar listrik atau biasa disingkat TDL, adalah tarif yang boleh dikenakan oleh pemerintah untuk para pelanggan PLN. PLN adalah satu-satunya perusahaan yang boleh menjual listrik secara langsung kepada masyarakat Indonesia, maka TDL bisa dibilang adalah tarif untuk penggunaan listrik di Indonesia. Pada dasarnya, PLN menagih biaya listrik dengan pengukur kWH (kiloWatthour) atau kilo Watt jam. kWH ini akan mengukur konsumsi listrik kita dalam Watt x jam (hour), artinya konsumsi listrik dalam 1 bulan akan menghabiskan berapa kilo

52

Watt ( 1 kW= 1000 Watt). Dan pada dasarnya semua produk yg diklaim dapat menghemat listrik dengan salah satu komponen utamanya adalah kapasitor, dimana penggunaan kapasitor dalam hal ini dapat menurunkan arus daya dan juga cos phi . Cos phi adalah faktor efisiensi listrik. Dalam arus listrik, Watt adalah produk perkalian dari tegangan x arus x cos phi (volt x ampere x cos phi ). Tentu saja dengan pemakaian kapasitor ini arus akan turun dan cos phi juga naik / tinggi ( cos phi ini tidak akan ditampilkan ), tetapi jangan lupa, bahwa kita membayar listrik ke PLN besar kWH ( dalam hal ini Watt) yaitu perkalian tegangan , arus dan cos phi, bukan arus saja. Jadi dalam hal ini pemakaian kapasitor pemakaian Watt listrik adalah sama, dengan atau tanpa pemakaian kapasitor tsb. Tetapi dalam teknik listrik, pemakaian kapasitor terutama digunakan dalam hal EFISIENSI daya , bukan penghematan biaya kWH. Dan di bawah ini adalah range yang bebas denda kVAR adalah cos phi induktif di atas 0.85 sampai dengan kapasitif 0.85.

Gambar 2.40 Batas Denda kVAR