1

PERBAIKAN FAKTOR DAYA UNTUK BEBAN RUMAH TANGGA SECARA OTOMATIS

Ir.Yahya Chusna A, MT.1 , Indhana Sudiharto ST.MT.2 , Tantrapraja Ardikusuma3

1 Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri ² Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri

3Mahasiswa D4 Lintas Jalur Jurusan Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS

Kampus ITS Sukolilo,Surabaya 60111 Email: tantrapraja@live.com

ABSTRACT

The need for provision of electric power with good quality power is absolute. In general, electric power is good quality if the power factor of 0.85 to 1. Because the burden of PLN customers is inductive, it can cause the value of low power factor that can lead to high power consumption reactif. To avoid the cost of reactive power consumption penalty that is charged by PLN to the customer, it is necessary to install capacitor banks that work automatically. Installation of capacitor banks with a switch contactor inrush current causing 150 to 250 nominal current. If there is continues, it will cause damage to the contactor and the capacitor itself.

To reduce the inrush current, thyristors are used as switches to adjust the angle of ignition of the thyristor through the program in the microcontroller. Power factor improvement consists of a series of phase detector, zero crossing detector, drivers thyristor and capacitor banks. From the test results showed that the power factor can be fixed. Keyword: capacitor bank, thyristor, microcontroller I PENDAHULUAN

Effisiensi energi listrik dapat ditingkatkan dengan cara memperbaiki kualitas daya. Kualitas daya yang baik akan memperbaiki: drop tegangan, faktor daya, rugi-rugi daya, kapasitas daya dan effisiensi energi listrik.

Untuk memperbaiki power faktor (Cos θ) pada sistem tenaga listrik dengan beban induktif diperlukan suatu kompensator daya reaktif dengan mikrokontroler sebagai kontroller soft switch otomatis. Kompensator daya reaktif konvensional pada umumnya terdiri dari capasitor bank yang dihubungkan paralel dengan beban melalui switch kontaktor. Kompensator daya reaktif dengan switch kontaktor menyebabkan arus inrush yang sangat besar. Pada beban dinamis, maka power faktor selalu berfluktuasi dan arus inrush akan terjadi berulang-ulang, sehingga mengakibatkan kerusakan pada switch kontaktor dan capasitor.

Oleh karena itu diperlukan adanya metode soft switching dalam pengompensasian daya reaktif. Dalam hal ini thyristor berupa triac dan optocoupler mempunyai peran yang sangat penting.

II DASAR TEORI Teori yang digunakan sebagai dasar pelaksanaan tugas

akhir ini adalah: A. Kualitas 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

Faktor daya =P(dalam watt)

V x I Oleh karena daya adalah EI dikalikan dengan faktor daya, maka faktor daya suatu rangakaian AC sama dengan kosinus dari sudut phase. Hubungan antara daya dalam watt (P), voltampere (VA) dan voltampere reaktif (VAR) dapat dinyatakan dengan segitiga seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.1. 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. Capasitor 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 (wt-90°+90°)=Ib sint. Hal tersebut ditunjukkan pada Gambar 1.

daya nyata ( VI cos θ )

θ daya reaktif ( VI sin θ )

daya aktif (VI )

Gambar 1 Hubungan antara daya, voltampere dan voltampere

reaktif

2

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

푑푎푦푎 푎푘푡푖푓 = (푑푎푦푎 푛푦푎푡푎) + (푑푎푦푎 푟푒푎푘푡푖푓) B. Penggunaan Segitiga Daya dan Tabel Cos θ Untuk

Analisa Perbaikan Faktor Daya

Gambar 2 Segitiga Daya

Penjumlahan dari daya aktif dan daya reaktif menghasilkan daya nyata.

S = P + Q Dimana: Pload = daya aktif (kW)

Sload = daya nyata (kVA) Qload = daya reaktif (kVAR)

Faktor daya: daya aktifdaya nyata =

PS = cos θ

C. Sensor tegangan

Untuk mengambil sinyal tegangan agar bisa dibaca oleh rangkaian phasa detector digunakan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel antara phasa dengan netral seperti pada gambar 3. Fungsi resistor ini adalah untuk menurunkan tegangan dari tegangan sumber menjadi tegangan yang dikehendaki. Selain itu juga penggunaan resistor tidak merubah harga beda phasa yang terjadi pada beban induktif yang terpasang.

Gambar 3 Rangkaian resistor pembagi tegangan

Vout = × 푉푖푛

D. Sensor arus ACS712

Pada gambar 4 dibawah merupakan contoh aplikasi dari ACS712. Pin 1&2 merupakan inputan dari sumber (fasa), sedangkan pin 3&4 merupakan output (fasa) yang tersambung ke beban. Vcc 5V dan ground berasal dari catu daya dan Vout pada pin 7 menjadi masukan berupa sinyal analog dari rangkaian deteksi beda fase.

Gambar 4 Contoh aplikasi dari rangkaian sensor arus ACS712

E. Zero Crossing dan Phase Detector (Detektor Phasa) Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksi perbedaan

sudut phasa yang mengalir ke beban. Detektor Phasa dibuat menggunakan komparator dan gerbang logika XOR. Komparator digunakan untuk mendapatkan informasi saat nilai tegangan dan nilai arus tepat melewati titik nol. Gerbang logika XOR digunakan untuk mengetahui nilai beda sudut phasa. Nilai perbedaan sudut phasa didapat dengan menghitung selang waktu antara tegangan naik dan tegangan turun pada keluaran gerbang logika XOR. Rangkaian detektor phasa ini ditunjukkan pada Gambar 5, serta sinyal input dan output pada rangkaian zero crossing detector dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 5 Rangkaian Detektor Phasa

Gambar 6 Input dan output pada rangkaian phasa detector

III PERENCANAAN Pada perencanaan dan pembuatan perangkat keras rancang bangun rangkaian perbaikan faktor daya untuk beban rumah tangga secara otomatis mengacu pada blok diagram yang ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Gambar 7 Blok diagram rangkaian Perbaikan Faktor Daya Untuk Beban Rumah Tangga Secara Otomatis.

A. Zero Crossing Detector (Detektor Phasa) Menggunakan IC Op-Amp LM 339 untuk mengubah

sinyal tegangan sinusoidal dari sensor tegangan dan sensor arus menjadi sinyal step. Sinyal step dari sensor tegangan dan sensor arus kemudian dimasukkan gerbang logika XOR untuk menghasilkan sinyal step yang menunjukkan nilai beda phasa.

Display LCD

SVC/ Kapasitor

bank

Mikrokontroler Rangkaian Zero

Crossing Detector

BEBAN

3

Gambar 8 Zero Crossing Detector (Detektor Phasa) Diketahui :

I = 1mA ; V = 10V Maka, V = I.R

R1 = R2 =VI→ R1 = R2 =

10V1 mA

= 10kΩ Diketahui : I = 0,017mA V = 5V R3 = R4 =10 K Maka, V = I.R

5V = 0,017mA ×R5

10kΩ + R5

50k + 5R5 = 17,85 R5

R5 = R6 =50k

12,85= 3900Ω = 3k9Ω

B. Deteksi Leading Leaging

Gambar 9 menunjukkan bahwa sinyal step keluaran dari komparator langsung dijadikan inputan dari D flip-flop, parallel dengan inputan dari XOR yang juga berasal dari sinyal keluaran komparator. Sinyal keluaran dari dari D flip-flop langsung dijadikan inputan mikrokontroler.

Gambar 9 Deteksi Leading atau Lagging (D flip flop) C. Soft switch dengan Thyristor

Pada gambar dibawah dapat dilihat bahwa pin 2 pada optocoupler diberi inputan aktif low dari mikrokontroller sebagai trigger agar gate terbuka, sehingga tegangan dari pin 6 dapat melewati pin 4. Tegangan tersebut digunakan untuk mentrigger gate pada thyristor agar kapasitor bank yang dipasang secara parallel dapat bekerja atau mengkompensasi.

Gambar 10 Soft switch dengan thyristor triac BTA12

D. Kapasitor Bank Kapasitor Bank yang dipakai untuk perbaikan factor daya

ini adalah Kapasitor AC yang tegangan kerjanya 400V karena kami menguunakan motor induksi satu fase sebagai beban dengan tegangan 220 Volt. kapasitor ini terbagi dalam 12 step dimana nilai perstepnya dapat dihitung sebagai berikut:

Data percobaan motor Induksi satu fase: Diketahui : Cos 1 = 0,6 Cos 2 (yang diinginkan) = 0,92 P = 1300 Qc = P x tan(cos-1 θ1 – cos-1 θ2) = 1300 x tan (cos-1 0,6 - cos-1 0,92) = 1300 (tan 53,13 – tan 23,07) = 1300 (1,33-0,43) = 1170 var

Mencari nilai per step capacitor jika menggunakan 12 step : 1170 : 12 = 97,5 var 100 var

푋푐 =푉푆 =

(220)100 = 484 Ω

퐶 =.

=,

= 6,58휇퐹 7μF per step

E. Flowchart Sistem

Flowchart difungsikan untuk mempermudah dalam pemrograman. Secara konsep flowchart yang diambil dalam alat ini adalah seperti pada gambar 11.

Gambar 11 Flowchart Sistem

10kΩ

10kΩ

4

5

6

7

11

10

9

8

3 12

2 13

1 14LM 339

_

+

_

+

Vout acSensor arus

Vout acSensor tegangan

-Vcc 12 V

10kΩ

10kΩ

3k9Ω

3k9Ω

+Vcc 12 V

4

5

6

7Gnd

11

10

9

8

3 12

2 13

1 Vcc5V

1474HC86

+Vcc 5 V

Vout phase detektor

MIKROKONTROLER

4

IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS Pengujian dilakukan dengan cara pengukuran dan

pengambilan bentuk gelombang output dari setiap rangkaian yang dibutuhkan.

A. Sensor Tegangan

Hasil dari sensor tegangan menggunakan rangkaian pembagi tegangan sesuai dengan harapan. Hasil rangkaian sensor tegangan tidak menimbulkan pergeseran fasa yang biasa terjadi pada sensor tegangan dengan rangkaian perbandingan trafo. Hasil sensor tegangan akan digunakan untuk mendeteksi beda phase di rangkaian zero crossing

Gambar 12 Sinyal keluaran sensor tegangan

B. Sensor Arus

Dari rangkaian aplikasi IC ACS 712 diatas, didapatkan hasil output berupa tegangan AC tanpa komponen DC. Setiap perubahan 1 ampere arus input maka hasil output berupa tegangan AC akan berubah tiap 100 mV. Sinyal output yang dihasilkan IC ACS 712 merupakan inverting dari sinyal input. Sehingga diperlukan inverting amplifier agar sinyal output sama dengan sinyal input IC ACS 712.

Tabel 1 Data percobaan ACS

C. Pengujian Output ex-or 74ls86 dengan Power

Harmonic Analyzer (PHA) Pengujian kali ini yaitu membandingkan keluaran sinyal

XOR melalui pembacaan osiloskop dengan menggunakan power harmonic analyzer. Menggunakan beban motor 1phasa

Gambar 13 Gelombang output LM339 antara tegangan dan

arus

Gambar 14 Gelombang output EX-OR 74ls86 (phase

detektor parameter)

Perhitungan cos θ :

푡 =푡표푛(푑푖푣)

12푝푒푟푖표푑푒(푑푖푣)

×12푝푒푟푖표푑푒(푚푠)

푡 =1.15 × 10

푡 = 2.2

휃 =푡표푛(푚푠)

푝푒푟푖표푑푒(푚푠) × 푝푒푟푖표푑푒(푠푢푑푢푡)

휃 =2.220 × 360

휃 = 39.6 푐표푠휃 = 0.77

Gambar 15 Pembacaan cos pi menggunakan Power Harmonic Analyzer (PHA)

Dari pengambilan data sensor beda phasa dibandingkan dengan pembacaan cos θ melalui power harmonic analyzer didapatkan error yang dapat dilihat pada perhitungan dibawah ini.

%푒푟푟표푟 푐표푠휃 =푃푒푚푏푎푐푎푎푛 푃퐻퐴− 표푠푖푙표푠푘표푝

푃푒푚푏푎푐푎푎푛 푃퐻퐴 × 100%

%푒푟푟표푟 푐표푠휃 =0.73− 0.77

0.73 × 100%

%푒푟푟표푟 푐표푠휃 = 5.5% 4.3.1 Menggunakan beban 2buah motor 1phasa

Gambar 16 Gelombang output LM339 antara tegangan dan

arus

No. Arus AC (Ammeter) Tegangan Sensing Out

ACS (Vac)

1 1 A 91 mV 2 2 A 195 mV 3 3 A 293 mV 4 4 A 394 mV 5 5 A 495 mV

5

Gambar 17 Gelombang output EX-OR 74ls86 (phase detektor parameter)

Perhitungan cos θ :

푡 =푡표푛(푑푖푣)

12푝푒푟푖표푑푒(푑푖푣)

×12푝푒푟푖표푑푒(푚푠)

푡 =1.25 × 10

푡 = 2.4

휃 =푡표푛(푚푠)

푝푒푟푖표푑푒(푚푠) × 푝푒푟푖표푑푒(푠푢푑푢푡)

휃 =2.420 × 360

휃 = 43.2 푐표푠휃 = 0.72

Gambar 18 Pembacaan cos pi menggunakan Power

Harmonic Analyzer (PHA)

Dari pengambilan data sensor beda phasa dibandingkan dengan pembacaan cos θ melalui power harmonic analyzer tidak didapatkan error D. Pengujian Tampilan LCD

Percobaan kali ini didasarkan pada tampilan LCD dimana disini ditampilkan data berupa power factor (cos phi) dan banyaknya kapasitor yang digunakan.

Gambar 19 Tampilan LCD dengan pembebanan lampu pijar

60w Pada gambar diatas ditunjukkan bahwa cospi

menunjukkan angka 1 leading dikarenakan beban merupakan beban resistif sehingga tidak menimbulkan beda fasa.

Gambar 20 Tampilan LCD dengan pembebanan lampu

pijar 60w ditambah motor satu fasa ¼ pk.

Pada gambar diatas ditunjukkan bahwa cospi menunjukkan angka 0,79 lagging dikarenakan beban merupakan beban induktif sehingga menimbulkan beda fasa. Kapasitor yang aktif mula-mula hanya 1buah sehingga belum ada perubahan (kapasitor aktif = 1 dianggap belum ada kapasitor yang aktif). Setelah sistem membaca bahwa cos phi berada dibawah set point, maka kapasitor yang aktif mulai ditambahkan (kapasitor aktif = 2). Sehingga cos phi naik menjadi 1 leading/lagging. E. Pengujian dengan Beban Bervariasi

Pengujian kali ini dititikberatkan pada pemberian beban yang lebih bervariasi. Beban yang digunakan antara lain lampu pijar, motor pompa dan AC (Air Conditioner). Pada table 4.2 perbandingan dilakukan antara cosphi yang ditampilkan oleh LCD dengan cosphi yang ditampilkan oleh alat ukur berupa Power Harmonic Analizer.

Tabel 2 Perbandingan Cosphi dengan Beban Bervariasi

Beban Cos phi LCD

Cos phi PHA

Lampu pijar 1 1

Lampu+motor pompa 1buah

0,77 0,73

Lampu+motor pompa 2buah

0,72 0,72

Lampu+AC 0,9 0,92

Lampu+AC+motor 1buah

0,9 0,89

Lampu+motor single phase ¼ pk

0,79

6

V. Kesimpulan Setelah dilakukan proses perencanaan, pembuatan dan

pengujian alat serta dengan membandingkan dengan teori-teori penunjang, dan dari data yang didapat maka dapat kami simpulkan bahwa

1. Rancang bangun alat perbaikan faktor daya untuk beban rumah tangga secara otomatis sudah dapat bekerja secara otomatis dalam pengkompensasian daya reaktif.

2. Bank kapasitor dikendalikan oleh penyulutan triac dan terhubung paralel dengan beban serta telah dilengkapi dengan deteksi fasa yang diatur saat penyalaan kompensator daya reaktif.

3. Pada rangkaian switching digunakan optoisolator MOC3041 sebagai driver triac BTA12 dan sebagai isolator antara rangkaian DC dengan AC.

4. Kontrol otomatis dengan mikrokontroler dapat memberikan informasi tentang banyaknya kompensasi serta besarnya faktor daya sebelum dan sesudah dikompensasi.

5. Kapasitor yang digunakan berjumlah 12 dengan ukuran 8µF per stepnya.

6. Tiap step pengompensasian kapasitor dapat menaikkan daya reaktif sebanyak 100VAR dengan daya aktif (P) sebesar 1300W dan daya nyata (S) sebesar 18VA.

7. Cos phi terendah yang dapat terdeteksi adalah sebesar 0,72 dengan beban dua buah motor pompa air dan sebuah lampu pijar 65Watt.

8. Prosentase kesalahan alat ini jika dibandingkan dengan PHA (Power Harmonics Analyzer) meter rata-rata sebesar 5% tergantung dari beban yang digunakan.

VI. DAFTAR PUSTAKA

1. Abdul Hadi Ir,1994,”Sistim Distribusi Daya Listrik”, Penerbit Erlangga, Jakarta.

2. Indhana Sudiharto,2006,”Desain Soft Switched Static Var Compensator Untuk Mengurangi Inrush Current Pada Capacitor Bank”, Jurusan Teknik Elektro, ITS, Surabaya.

3. Malvino Albert Paul,1996,”Prinsip–Prinsip Elektronika Edisi ketiga Jilid 2”, Penerbit Erlangga, Jakarta.

4. Coughlin Roberet F,1987,”Operational Amplifiers And Integrated Circuit Third Edition”.

5. Grob Bernard,1985,” Basic Electronic Fifth Edition”. 6. Epcos,2003,”Power Quality”. 7. Epcos,2005,”Power Factor Correction”. 8. Indhana Sudiharto dan Yahya Chusna Arif,2001,”Power

Factor Regulator (PFR) menggunakan PLC”,EEPIS Journal,Volume 6,Surabaya.