PENGARUH PEMASANGAN KAPASITOR SHUNT TERHADAP KONSUMSI DAYA AKTIF INSTALASI LISTRIK Oleh : Winasis, Azis Wisnu Widhi Nugraha Program Sarjana Teknik Unsoed Purwokerto Abstract The application of shunt capacitor is an alternative solution in improving power factor on electrical installations, so the use of electric energy become more efficient. Here we hope that capacitor will give both technical and economical benefit from decreasing power consumption and electric bill. Contributions of installing shunt capacitor to active power consumption on residential installation, which one of electrical bill has been studied. Based on experimental using 2-14 F capacitors on installation model with inductive load show that shunt capacitors decrease total apparent power (VA) up to 58% dependent of its original power factor, but increase active power consumption (up to10 W). From this, installing shunt capacitors will increase cost of kWh that consumer must paid. Application of shunt capacitors will give any benefits to residential consumer in case releasing power capacity installed. Key word: capacitor, shunt, active power, consumption PENDAHULUAN Energi listrik mempunyai peranan yang sangat penting dalam kehidupan sehari-hari. Berbagai peralatan dengan energi listrik memberi kemudahan melaksanakan
kepada
manusia
aktivitasnya.
Beban
dalam listrik
umumnya merupakan beban induktif (misal trafo, AC dan lampu TL) yang membutuhkan daya reaktif disamping daya aktif. Daya reaktif itu merupakan daya tidak berguna sehingga tidak dapat
dirubah
menjadi
tenaga
akan
tetapi
diperlukan untuk proses transmisi energi listrik pada beban. Penjumlahan kedua daya aktif dan reaktif akan menghasilkan daya nyata yang merupakan daya yang disuplai oleh PLN.
tentunya akan menyebabkan arus yang dibutuhkan dari pensuplai menjadi besar (Almanda. 2000). Oleh karena itu PLN mensyaratkan pelanggan agar PF minimal adalah 0,86. Jika PF kurang dari angka tersebut, maka PLN akan menagih biaya KVAR yang dipakai konsumen (Roem, 2007). Pemasangan kapasitor secara shunt merupakan salah satu alternatif untuk mengkompensasi rugi daya reaktif yang disebabkan oleh beban-beban induktif. Kapasitor menyediakan daya reaktif yang diperlukan oleh induktor. Penggunaan kapasitor selain memperbaiki faktor daya sistem juga juga dapat mengurangi rugi-rugi daya pada hantaran, sebagai akibat penurunan nilai arus yang mengalir. Dalam kenyataannya kapasitor sebagai elemen rangkaian listrik pada ada yang ideal (tanpa resistansi). Oleh karena itu pemasangan
kapasitor
dapat
menambah
konsumsi daya aktif instalasi listrik. Beberapa pengukuran/audit yang yang dilakukan di beberapa industri, antara lain textile, pabrik kabel, pabrik panci/sink, komponen mobil (work shop), gedung perkantoran >20 lantai, hotel bintang 4 dan lain lain menunjukkan pemakaian kapasitor Gambar 1. Segitiga daya Faktor daya yang rendah pada suatu instalasi listrik merugikan sistem tenaga. Secara teoritis sistem dengan faktor daya yang rendah
Dinamika Rekayasa Vol. 3 No.1 Februari 2007 ISSN 1858-3075
waktu
kWh
konsumen
pada
saat
“on” adalah lebih besar daripada
kapasitor
“off”
(Roem,2007).
Pada
penelitian ini, dikaji pengaruh pemasangan kapasitor shunt pada instalasi listrik terhadap
Winasis, Aziz Wisnu Widhi Nugraha Pengaruh Pemasangan Kapasitor Shunt Terhadap Konsumsi Daya Aktif Instalasi Listrik : 43 - 49
konsumsi daya aktif dengan menggunakan model
perubahan daya beban akibat perubahan nilai
instalasi listrik.
tegangan. Toleransi perubahan nilai tegangan setelah pemasangan kapasitor sebesar 1 Volt
METODOLOGI
dari nilai tegangan sebelum pemasangan
Peralatan Pengujian
kapasitor.
1.
2.
Regulator tegangan untuk mengatur nilai
Beban listrik berupa beban listrik
tegangan instalasi listrik pada kisaran nilai
induktif menggunakan lampu TL dan lampu
konstan
pijar dengan variasi nilai daya serta faktor daya
Power Analizer DW 6030 untuk mengukur
beban. Besar daya beban ditentukan dengan
besaran tegangan, arus, daya aktif, daya
memperhatikan kapasitas maksimum sumber,
nyata dan faktor daya pada instalasi listrik
pada pengujian digunakan lampu TL dengan
Hantaran
nominal daya TL dan balast sebesar 20W –
Bahan pengujian
80W. Sementara desain nilai faktor daya
1.
Beban induktif (kombinasi lampu TL dan
beban
lampu pijar)
dianggap rendah (berkisar antara 0.4 – 0.8
Kapasitor dipasang secara paralel dengan
tertinggal).
beban.
sebelum pemasangan kapasitor didapatkan
3.
2.
Model Pengujian
sebelum
pemasangan
Variasi
faktor
kapasitor
daya
instalasi
dengan merubah daya beban lampu pijar yang merupakan beban resistif.
V Reg
PA
C
load
PA
Kapasitor dipasang secara paralel (shunt) terhadap beban. Ukuran kapasitor yang digunakan ditentukan berdasarkan kebutuhan
Gambar 2. Model pengujian
kompensasi daya reaktif yang diperlukan oleh
Keterangan Gambar V reg
: Regulator tegangan
PA
: Power Analyzer
C
: Kapasitor
Load
: Beban induktif
beban. Pada pengujian, digunakan kapasitor dengan faktor kompensasi 0.5, 0.7 dan 0.9 dari daya reaktif beban induktif. Faktor kompensasi adalah perbandingan antara reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif.
fC
XC
Langkah Pengujian Pengujian
dilakukan
dengan
model
instalasi listrik satu fasa 220 V diperlihatkan pada gambar
1.
dihubungkan
Sumber ke
tegangan
regulator
PLN
tegangan
220
V
yang
berfungsi mengatur tegangan pada pengujian dijaga konstan. Tegangan instalasi dipertahankan pada kisaran tetap guna menghindari faktor
44
XL
atau
fC
VAR cap VAR ind
Sehingga ukuran kapasitor yang digunakan adalah:
VARcap fC VARind Besaran daya (nyata dan aktif), faktor daya, tegangan dan arus listrik pada instalasi diukur sebelum dan setelah pemasangan kapasitor.
Dinamika Rekayasa Vol.3 No.1 Februari 2007 ISSN 1858-3075
No Baban 1 1 TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast 2 TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast 3 TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast 4 TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast TL Balast
Beban Beban 2 20 W 20W L Pijar 10W 20W L Pijar 25W 20W L Pijar 40W 20W L Pijar 60W 40W 40W L Pijar 15W 40W L Pijar 40W 40W L Pijar 75W 40W L Pijar 115W 60W 60W L Pijar 70W 60W L Pijar 115W 60W L Pijar 175W 80W 80W L Pijar 40W 80W L Pijar 90W 80W L Pijar 140W 80W L Pijar 225W
P 29 45 53 68 85 55 70 93 126 163 80 148 188 244 103 138 187 235 314
Data Pengukuran S Q cos φ 77.00 71.33 0.38 83.41 70.23 0.54 87.88 70.10 0.60 95.92 67.65 0.70 109.50 69.03 0.76 145.30 134.49 0.38 147.30 129.60 0.47 160.30 130.56 0.58 182.20 131.61 0.70 207.60 128.56 0.79 211.90 196.22 0.37 240.60 189.70 0.62 264.10 185.49 0.71 307.50 187.14 0.79 278.00 258.22 0.37 281.50 245.35 0.49 314.40 252.74 0.61 344.10 251.36 0.68 392.40 235.33 0.79
i 0.35 0.38 0.40 0.44 0.51 0.66 0.68 0.73 0.83 0.95 0.97 1.09 1.22 1.41 1.27 1.30 1.41 1.57 1.93
V 219.8 219.5 219.4 219.9 218.8 220.0 219.8 219.8 219.4 218.2 220.7 218.2 218.6 218.1 219.4 218.3 218.3 219.2 218.2
Tabel 1 Data beban lampu TL dan lampu pijar No Baban 1 TL Balast 20 W
2 TL Balast 40W
3 TL Balast 60W
4 TL Balast 80W
QL 71.33 71.33 71.33 134.49 134.49 134.49 196.22 196.22 196.22 258.22 258.22 258.22
fc 0.50 0.70 0.90 0.50 0.70 0.90 0.50 0.70 0.90 0.50 0.70 0.90
C (VAR) 35.67 49.93 64.20 67.24 94.14 121.04 98.11 137.35 176.60 129.11 180.75 232.39
C (μF)
nilai C Pengujian 2 3 4 4 6 8 6 8 11 8 11 14
2.35 3.29 4.22 4.42 6.19 7.96 6.46 9.04 11.62 8.50 11.89 15.29
Tabel 2 Ukuran kapasitor yang digunakan HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Daya Nyata (VA) yang Dibebaskan dan Perbaikan Faktor Daya Faktor daya rendah menyebabkan beban akan menarik daya reaktif yang cukup tinggi dan
diberikan dan faktor daya awal beban sebelum pemasangan kapasitor.
daya nyata secara keseluruhan
Kapasitor menyuplai daya reaktif yang
yang ditarik dari instalasi menjadi besar.
dibutuhkan beban, sehingga mengurangi daya
Pemasangan
reaktif
kapasitor shunt
menurunkan
yang
diperlukan
dari
sumber.
daya nyata (VA) yang diserap dari sumber.
Pengurangan daya ini sebanding dengan nilai
Penurunan nilai VA ini merupakan selisih
kompensasi kapasitor. Pada pengujian dengan
antara daya nyata terukur sebelum dan
faktor
sesudah pemasangan kapasitor shunt
kapasitor
S S1 S 2 besar
kompensasi
awal
memberi
beban
sebesar
kontribusi
0.38,
terhadap
penurunan daya nyata hingga 40% (fc = 0.5),
Besar penurunan daya nyata ini tergantung dari
daya
kapasitor
52 % (fc = 0.7) dan 59% (fc = 0.9) dari daya
yang
45
Winasis, Aziz Wisnu Widhi Nugraha Pengaruh Pemasangan Kapasitor Shunt Terhadap Konsumsi Daya Aktif Instalasi Listrik : 43 - 49
nyata awal instalasi sebelum pemasangan
0.38), sementara pada faktor daya tinggi
kapasitor.
prosentase penurunan daya nyata relatif lebih
Besar pengurangan daya nyata yang
kecil (hanya 18% pada faktor daya awal 0.79).
ditarik dari sumber juga tergantung dari nilai
Penurunan nilai daya nyata ini juga
faktor daya beban sebelum pemasangan
menyebabkan faktor daya instalasi meningkat,
kapasitor.
dengan
Pada
faktor
daya
rendah
nilai
perbaikan
sebanding
faktor
pemasangan kapasitor shunt menyebabkan
kompensasi kapasitor dan tergantung dari
penurunan nilai daya nyata yang cukup
faktor
signifikan (hingga 58% pada faktor daya awal
pemasangan kapasitor.
daya
awal
instalasi
65% 60% penurunan daya nyata (S1 - S2)/S1 (%)
55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
faktor daya beban sebelum kompensasi fc = 0.5
fc = 0.7
fc = 0.9
Gambar 3. Penurunan daya nyata instalasi setelah pemasangan kapasitor
faktor daya setelah dikompensasi
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4 0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
faktor daya beban sebelum dikompensasi fc = 0.5
fc = 0.7
fc = 0.9
Gambar 4. Perbaikan faktor daya instalasi Pengujian Konsumsi Daya Aktif
46
0.90
sebelum
Dinamika Rekayasa Vol.3 No.1 Februari 2007 ISSN 1858-3075
Sebelum pemasangan kapasitor daya
Daya aktif beban nilainya adalah tetap sejauh
aktif yang dikonsumsi oleh instalasi merupakan
tidak ada perubahan pada tegangan yang
jumlah dari daya aktif beban dan daya rugi-rugi
diterapkan. Sedangkan rugi daya saluran
saluran.
besarnya tergantung pada arus yang mengalir
P1 Ploan Ploss
dan resistansi saluran. Nilai daya aktif yang terbaca setelah
Ploss i 2 Rsaluran
pemasangan kapasitor merupakan jumlahan
Dimana :
dari daya aktif beban, rugi saluran dan
P1
konsumsi daya aktif kapasitor (Pcap).
= daya aktif total instalasi (Watt) sebelum
P2 Ploan Ploss Pcap
pemasangan kapasitor Pload = daya aktif beban (Watt)
P2
Ploss = rugi daya pada saluran (Watt) i Rload
= daya aktif total instalasi (Watt) setelah
pemasangan kapasitor
= arus saluran (A)
Pcap = kontribusi daya aktif kapasitor (Watt)
= Resistansi beban
Rsaluran = Resistansi saluran (Ohm) 12
Perubahan daya aktif (Watt)
10
8 fc = 0.5
6
fc = 0.7 fc = 0.9
4
2
0 0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
Nilai kapasitor (uF)
Gambar 5. perubahan daya aktif Gambar 5 menunjukkan perubahan daya yang
terbaca
yang
merupakan
kontribusi
(rata-rata antara 1 – 4 W), sehingga sulit dadapatkan
hubungan
antara
ukuran
kapasitor terhadap konsumsi daya aktif yang
kapasitor, faktor kompensasi kapasitor ataupun
merupakan selisih antara nilai daya yang terukur
nilai
sebelum (P1) dan sesudah pemasangan kapasitor
perubahan nilai daya aktif yang diserap dari
(P2).
instalasi.
P P2 P1 daya
aktif
daya
awal
beban
dengan
Variasi nilai daya yang terbaca sangat
Dari hasil pengujian didapatkan besar perubahan
faktor
setelah
pemasangan
kapasitor yang nilainya bervariasi antara 0 – 10 W
dimungkinkan.
Hal
ini
disebabkan
oleh
beberapa faktor diantaranya nilai tegangan jala-jala PLN yang berubah-ubah besarnya. Perubahan nilai tegangan menyebabkan daya
47
Winasis, Aziz Wisnu Widhi Nugraha Pengaruh Pemasangan Kapasitor Shunt Terhadap Konsumsi Daya Aktif Instalasi Listrik : 43-49
aktif yang diserap oleh beban juga berubah.
pentarifan untuk konsumen industri dan daya
Tingkat ketelitian pembacaan alat ukur yang
besar. Konsumen instalasi rumah tangga tidak
digunakan juga masih belum memadai, terutama
dibebani biaya untuk pemakaian daya reaktif
untuk mengetahui perubahan daya aktif yang
(VAr) berapapun faktor dayanya. Konsumen
relatif kecil.
rumah tangga hanya membayar biaya beban dan biaya pemakaian daya aktif. Besar biaya
Aspek Ekonomi Pemasangan Kapasitor
beban adalah tetap tergantung dari daya (VA
Keuntungan yang dapat diperoleh dari
atau kVA) yang terpasang. Sementara biaya
pemasangan kapasitor antara lain dapat dilihat
pemakaian daya aktif (dalam kWh) besarnya
dari beberapa aspek:
tergantung dari pemakaian beban.
1.
Kapasitas daya yang dibebaskan akibat
Keuntungan yang bisa diperoleh oleh
penurunan arus yang ditarik dari sumber
konsumen rumah tangga adalah dari kapasitas
2.
Perbaikan nilai faktor daya
yang dibebaskan dan pengurangan rugi daya
3.
Penurunan rugi-rugi daya saluran
saluran.
Keuntungan
ekonomi
dari
Sedangkan aspek lain yang perlu diperhatikan
pembebasan kapasitas daya bisa didapatkan
adalah tambahan biaya investasi pemasangan
pada kasus beban berlebih sementara faktor
kapasitor, konsumsi daya aktif kapasitor dan
daya
sistem pentarifan listrik yang berlaku.
kapasitas
Pemasangan
sangat
daya
rendah.
yang
Manakala
terpasang
masih
untuk
mencukupi kebutuhan beban dan atau faktor
mengkompensasi daya reaktif beban dengan
daya beban secara keseluruhan cukup baik,
faktor
maka pemasangan kapasitor tidak diperlukan.
daya
kapasitor
beban
rendah
adalah
sangat
menguntungkan. Adanya kapasitas daya yang dibebaskan
memungkinkan
untuk
sebanding dengan kuadrat arus yang mengalir
memilih daya (kVA) terpasang yang lebih rendah,
dan resistansi. Akan tetapi penurunan rugi
atau dengan kata lain daya riil yang terpakai (kW)
daya saluran yang dihasilkan masih cukup
akan mendekati daya listrik yang terpasang (kVA).
rendah jika dibandingkan dengan penambahan
Keuntungan ekonomi yang bisa didapat berupa
konsumsi daya aktif kapasitor. Dengan total
penurunan tagihan listrik akibat berkurangnya
daya
biaya
dibayar.
merupakan jumlah daya aktif beban, rugi daya
didapatkan
saluran dan kontribusi daya aktif kapasitor
beban
Penurunan
(kVA)
tagihan
konsumen
Pengurangan rugi daya pada saluran
yang listrik
harus juga
konsumen industri dari terhindarnya konsumen
( P2
aktif
yang
diserap
Ploan Ploss Pcap ),
dari
maka
instalasi
secara
dari penalti jika faktor dayanya rendah. PLN dalam hal ini mensyaratkan pelanggan agar faktor daya minimal adalah 0,86. Jika faktor daya kurang dari angka tersebut, maka PLN akan menagih biaya KVAR yang dipakai konsumen. Sistem
pentarifan
yang
instalasi demikian
justru biaya
dapat
meningkat.
pemakaian
(kWh)
Dengan bukan
menjadi berkurang bahkan justru bertambah.
diberlakukan
untuk konsumen rumah tangga berbeda dengan
48
keseluruhan daya aktif yang diserap dari
KESIMPULAN
Dinamika Rekayasa Vol.3 No.1 Februari 2007 ISSN 1858-3075
1.
Pemasangan kapasitor shunt mengurangi
rugi daya saluran adalah relatif kecil.
konsumsi daya nyata (VA) dan memperbaiki
Pemasangan kapasitor untuk instalasi
faktor
besarnya
rumah tangga dapat menguntungkan jika
sebanding dengan faktor kompensasi yang
ditujukan untuk membebaskan kapasitas
diberikan oleh kapasitor dan dipengaruhi oleh
daya instalasi (menurunkan nilai VA)
faktor daya beban sebelum pemasangan
sehingga
kapasitor.
menjadi lebih kecil.
daya
instalasi
Pada
pemasangan
yang
faktor kapasitor
daya
rendah
berpengaruh
signifikan terhadap penurunan daya nyata
2.
3.
daya
VA
yang
terpasang
Saran Konsumen listrik dalam melakukan
dan faktor daya instalasi, akan tetapi pada
Pemasangan
faktor daya yang sudah baik penurunan daya
mengkompensasi
nyata yang dihasilkan relatif kecil.
memperhatikan
Pemasangan kapasitor dapat menambah
kerugian yang bisa didapatkan. Pemasangan
konsumsi daya aktif (watt) instalasi listrik.
kapasitor shunt tidak dianjurkan untuk instalasi
Pemasangan kapasitor shunt ukuran 2 – 14
dengan faktor daya yang sudah cukup baik.
F (30 – 212 VAr pada tegangan nominal 220
Untuk instalasi dengan faktor daya yang
V) memberikan kontribusi kenaikan konsumsi
rendah, pemasangan kapasitor dapat menjadi
daya aktif hingga 10 Watt.
alternatif untuk mengurangi daya nyata yang
Terkait
dengan
biaya
pemakaian
listrik,
terpasang
kapasitor
dan
daya aspek
untuk
reaktif
hendaknya
keuntungan
memperbaiki
faktor
dan
daya
pemasangan kapasitor pada instalasi rumah
instalasi. Akan tetapi yang perlu digaris bawahi
tangga tidak menguntungkan. Besar kWh per
adalah bahwa kapasitor tidaklah mengurangi
bulan yang harus dibayarkan justru dapat
daya aktif, bahkan menambah besar kWh yang
lebih besar karena penambahan konsumsi
harus dibayarkan setiap bulannya.
daya aktif kapasitor, sementara penurunan
DAFTAR PUSTAKA Almanda, Deni. 2000. Peranan Kapasitor dalam Penggunaan Energi Listrik. Elektro Indonesia no. 20,
pada Pemantapan Teknis Manajemen Energi Depdiknas, Banjarmasin 12 Mei 2007 U.S. Departement of Energy. 1992. DOE
April 2000. didownload dari
Fundamentals Handbook
http://www.elektroindonesia.com/
Electrical Science
elektro/ener30a.html tanggal 30 Desember 2006 Roem, Prasetyo. 2007. Capacitor Bank, Antara
Winasis; Nugraha, Azis W. 2008. Laporan Penelitian: Analisis Pengaruh Pemasangan Kapasitor Shunt
Mitos/Asumsi dengan Kenyataan.
Terhadap Konsumsi Daya Aktif
Makalah seminar disampaikan
Instalasi Listrik
.
49
