Laporan Tugas Akhir - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/97/jbptppolban-gdl-jajangnurj... · Laporan Tugas Akhir 5 ... Hukum ohm menyatakan bahwa tegangan melintasi

Laporan Tugas Akhir

5 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Daya

Daya merupakan kecepatan melakukan kerja atau kecepatan energi berubah dari

satu bentuk ke bentuk lainnya, satuan daya adalah watt atau J/s. (K.G. Jackson,1994).

Daya reaktif merupakan daya yang tidak dapat diubah manjadi tenaga, tetapi

diperlukan untuk menghasilkan medan magnet yang diperoleh dari alat-alat induksi.

Penjumlahan secara vector daya aktif dan daya rekatif menghasilkan daya semu (kVA).

Daya semu merupakan daya yang disuplai oleh PLN. Jika nilai daya semu (kVA)

diperbesar dengan faktor daya konstan maka rugi-rugi daya (kVAR) menjadi besar.

Dengan demikian daya aktif, daya reaktif, dan daya semu merupakan suatu kesatuan yang

dapat digambarkan dalam segitiga siku-siku sebagimana ditunjukkan pada gambar dibawah

ini.

Gambar 2.1 Segitiga Daya

Faktor daya = Cosϕ =

............................................(2.1)

Q (VAR) = S(VA) x Sin ϕ

Dari gambar segitiga di atas, nilai daya reaktif berbanding lurus dengan sin φ dan

berbanding terbalik dengan faktor daya (cosφ). Harga cosφ dapat diperbesar dengan

mengurangi daya reaktif induktif(kVAR). Daya reaktif yang bersifat induktif dikurangi

dengan cara menambahkan suatu sumber daya daya reaktif kapasitif yaitu berupa

kapasitor. Proses pengurangan itu bisa terjadi karena kedua beban (inductor dan kapasitor)

arahnya berlawanan, seperti pada gambar berikut.

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.2 Hubungan Daya pada Beban Kapasitif, Induktif, Dan Resistif

Dengan kecilnya daya rektif dapat menghasilkan beberapa keuntungan antara lain :

1. Harga faktor daya menjadi besar.

2. Mengurangi rugi-rugi daya semu pada sistem.

3. Mengurangi drop tegangan pada jaringan.

2.1.1 Daya pada Beban Resistif, Induktif dan Kapasitif.

Pada beban resistif murni arus mempunyai fasa yang sama dengan tegangan. Nilai

gelombang daya pada beban resistif ini selalu positif yang berarti bahwa daya selalu

diserap oleh beban dan tidak pernah dikembalikan ke sumber. Gelombang daya memiliki

frekuensi yang sama dengan arus dan tegangan dengan nilai dua kali nilai frekuensi

tegangan dan arus.

Gambar 2.3 Bentuk Gelombang pada Beban Resistif Murni

Untuk beban reaktif murni nilai bergantian antara gelombang positif dan negatif.

Ini berarti bahwa daya secara bergantian diserap dari sumber dan dikembalikan lagi

kesumber.

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.4 Bentuk Gelombang pada Beban Induktif Murni

Pada beban yang terdiri dari resistansi dan reaktansi, gelombang daya terdiri dari

nilai positif dan negatif, tetapi jumlah gelombang daya positif akan lebih besar daripada

gelombang daya negatif. Dengan kata lain, kombinasi antar resistansi dan reaktansi akan

mengkonsumsi lebih banyak daya daripada mengembalikannya ke sumber.

Gambar 2.5 Bentuk Gelombang pada Beban Kapasitif Murni

(Herman Filani, Ir.Abdul Nasir , Epyk Sunarno. SST,MT)

2.1.2 Komponen Daya

Gambar 2.6 Komponen Daya

Laporan Tugas Akhir


Keterangan : S = Daya semu = V x I* (VA)

P = Daya Aktif (watt)

Q = Daya Reaktif (VAR)

V = Tegangan (V)

I* = Arus konjugit (Ampere)

ϕ = Sudut fasa antara tegangan dan arus

a. Daya reaktif

Daya reaktif (reactive power) merupakan daya yang terdapat pada beban reaktif

yaitu inductor dan kapasitor. Daya ini diserap oleh beban reaktif dan dikembalikan lagi ke

sumber. Satuan daya reaktif adalah VAR (voltage-ampere-reaktif) dengan simbol

matematik huruf capital Q.

Q = V x I* x Sin φ ..........................................(2.2)

Sin φ =

b. Daya aktif

Daya aktif merupakan daya yang dikonsumsi oleh beban resistif yang digunakan

untuk mengubah bentuk energi listrik ke bentuk energi lain. Satuan daya aktif adalah W

(watt) dengan simbol matematik huruf kapital P. Dengan kata lain, daya aktif adalah

perkalian antara faktor daya dengan daya semu.

P = V x I* x cosφ ..........................................(2.3)

Cosφ =

c. Daya Semu

Daya semu (apparent power) merupakan total daya yang terdapat pada rangkaian

AC atau perkalian secara vector antara tegangan dan arus. Satuan daya semu adalah VA

(Volt- Ampere) dengan simbol kapital S.

S = V x I*

Laporan Tugas Akhir


2.1.3 Faktor Daya (Cosφ)

Bila arus berbentuk sinusoidal maka faktor daya didefinisikan sebagai cosinus

sudut yang dibentuk antara simpangan nol (zero crossing) tegangan dan simpangan nol

arus, dengan tegangan sebagai acuan (K.G. Jackson,1994). Dengan kata lain, faktor daya

merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu.

a. Faktor Daya Mendahului (Leading Power Faktor)

Kondisi ini terjadi jika arus mendahului tegangan dengan tegangan sebagai

referensi. Kondisi ini terjadi pada beban yang bersifat kapasitif.

Gambar 2.7 Arus mendahului 30o dari tegangan

b. Faktor daya tertinggal (lagging power factor)

Kondisi ini terjadi jika arus tertinggal dari tegangan, dengan tegangan referensi.

Kondisi ini terjadi pada beban yang bersifat induktif.

Gambar 2.8 Arus tertinggal 30o dari tegangan

Laporan Tugas Akhir


2.1.4 Koreksi Faktor Daya

Koreksi faktor daya merupakan penggunaan peralatan untuk mengembalikan faktor

daya yang tertinggal sehingga mendekati nilai satu. Hal ini dapat dilakukan dengan

menggunakan kompensator sinkron atau kapasitor statik. Kapasitor yang digunakan untuk

memperbaiki karakteristik sistem disebut kapasitor sistem daya. Kapasitor akan

mengurangi daya semu yang dirasakan sumber, dengan sifat kapasitor dan induktor saling

mengurangi maka daya reaktif menjadi kecil. Bila daya reaktif menjadi kecil sementara

daya aktif tetap maka harga faktor daya menjadi besar akibatnya daya semu menjadi kecil.

Gambar 2.9 Prinsip Koreksi Faktor Daya

Berdasarkan gambar 2.7, misalkan suatu alat (beban) mengkomsumsi daya aktif P

(kW) dengan factor daya awal (cosφ):

Maka S1

...............................................................................(24)

Q1 √ ............................................................................(2.5)

Faktor dayanya di naikan menjadi cosφ2, dengan menaikkan kapasitor yang dipasang

paralel dengan beban:

Maka S2

..................................................................................(2.6)

Q2 √ ...............................................................................(2.7)

Daya aktif yang dibutuhkan adalah : ∆Q(kVAR) = Q1-Q2.........................(2.8)

Laporan Tugas Akhir


besarnya kapasitor yang harus dipasang: C(farad) =

......(2.9)

Besarnya persentase pengurangan kerugian daya reaktif dengan memperbaiki faktor daya

adalah:

[

] x 100%

2.2 Komponen Elektronika

Secara umum komponen elektronoka dapat dibagi kedalam dua kelompok yaitu

elmen aktif dan elemen pasif. Elemen aktif merupakan elemen yang mamapu menyediakan

daya rata-rata lebih besar dari nol selama interval waktu yang tak berhingga, tahanan

temasuk dalam kategoriini. Energi yang diterima tahanan diubah menjadi panas. (Malvino,

1985).

2.2.1 Resistor

Resistor merupakan komponen dasar elektronika yang digunakan untuk membatasi

jumlah arus yang mengalir dalam satu rangkaian dan umumnya terbuat dari bahan karbon.

Hukum ohm menyatakan bahwa tegangan melintasi berbagai jenis bahan penghantar

adalah berbanding lurus dengan arus yang mengalir dengan bahan tersebut.

V = RxI ......................................(2.11)

Keterangan : V = Tegangan (volt)

R = Resistansi (ohm)

I = Arus (ampere)

2.2.2 Kapasitor

Kapasitor merupakan omponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik

dan terbuat dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan-

bahan dielektrik yang umumnya dikenal antara udara vacum, keramik, dan gelas.

Laporan Tugas Akhir


Kapasitansi merupakan kemampuan dari suatu kapasitor untuk dapat menampung muatan

elektron.

...........................................................................(2.12)

Xc =

...................................................................(2.13)

Keterangan : C = Kapasitansi (farad)

V = Tegangan (volt)

I = Arus (ampere)

Xc = Impedansi kapasitif (ohm)

F = Frekwensi (Hz)

2.2.3 Induktor

Induktor merupakan komponen elektronika pasif yang dapat menghasilkan

tegangan listrik yang berbanding lurus dengan perubahan sesaat dari arus listrik yang

mengalir melaluinya. Secara matematik dapat ditulis:

V = -L x

............................(2.14)

XL = 2 x π x f x L ... ... ... ...(2.15)

Keterangan : V = Tegangan (volt)

I = Arus (ampere)

XL = Reaktansi Induktif (ohm)

F = Frekwensi (Hz)

Laporan Tugas Akhir


1.3 Operasional Amplifier (Op-Amp)

Operational amplifier merupakan komponen IC yang memiliki dua tegangan input

dan satu tegangan output dengan tegangan outputnya proporsional terhadap perbedaan

tegangan antara kedua inputnya. Secara sedderhana, op-amp terdiri dari tiga bagian dasar

yaitu penguat differensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan dengan penguatan

tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah.

Gambar 2.10 Diagram Skematik Operational Amplifier

Op-amp mempunyai dua input yaitu input inverting (-) dan input non inverting (+).

Umumnya Op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vcc) namun banyak juga Op-

amp dibuat dengan singgle supply (Vcc – ground). Rin adalah resistansi input yang nilai

idealnya infinit (tak hingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya

nol. Sedangkan Aol adalah nilai penguatan open lup dan nilai idealnya tak hingga. Fungsi

Op-amp yang paling penting adalah sebagai penguat sinyal. Penguatan tersebut tergantung

mode operasi yang digunakan. Tegangan maksimum output Op-amp ± 90% dari tegangan

catu dayanya, karena ada tegangan jatuh internal dan keadaan ini dinyatakan saturasi.

1.4 Kontroler On – Off (Two Position Controller)

Karakteristik kontroler on-off ini hanya bekerja pada 2 posisi, yaitu on dan off.

Kerja kontroler on-off banyak digunakan pada aksi pengontrolan yang sederhana karena

harganya murah. Karena sistem kerja yang digunakan adalah on-off saja, hasil output dari

sistem pengendalian ini akan menyebabkan proses variabel tidak akan pernah konstan.

Laporan Tugas Akhir


Besar kecilnya fluktuasi process variabel ditentukan oleh titik dimana kontroller dalam

keadaaan on dan off. Pengendalian dengan aksi kontrol ini juga menggunakan feedback.

Gambar 2.11 Aksi pengendali On-Off

Gambar 2.12 Aksi respon pengendali On-Off

Respon output dari system pengendali on-off ini merupakan proses variabel yang

bergelombang dan tidak pernah konstan. Perubahan proses variable akan seirama dengan

perubahan posisi final control element. Besar kecilnya fluktuasi proses variable ditentukan

oleh titik dimana controller “on” dan titik dimana controller “off”.

1.5 Saklar Statik Semikonduktor

Saklar yang digunakan dalam sistem elektronika daya adalah komponen-komponen

semikonduktor daya yang secara mikroskopis tidak dapat bagian-bagian yang bergerak.

Oleh karena itu, saklar semacam ini sering disebut dengan saklar statik smikonduktor.

Saklar statik semikonduktor dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok yaitu:

Laporan Tugas Akhir


Saklar tak terkendali, contoh dioda;

Saklar setengah terkendali, contoh SCR (Silicon Controlled Rectifier); dan

Saklar terkendali, contoh Triac, transistor bipolar, MOSFET, GTO (Gate Turn Off

Switch) dan IGBT.

1.5.1 Dioda

Dioda termasuk komponen semikonduktor daya jenis saklar tak terkendali. Dioda

terbuat dari bahan semikonduktor tipe P dan N dengan arah arus hanya dapat mengalir dari

sisi P menuju sisi N.

Gambar 2.13 Simbol, Struktur, dan Kurva Karakteristik Dioda

Dioda baru dapat menghantar ketika tegangan bias maju diatas nol volt, hal ini

disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion layer). Untuk dioda yang terbuat dari

bahan silikon tegangan konduksi diatas 0,7 volt dan 0,2 volt untuk dioda yang terbuat dari

bahan germanium. Untuk tegangan bias negatif, dioda tidak dapat mengalirkan arus sampai

batas beberapa puluh bahkan ratusan volt, jika batas ini dilampaui maka akan terjadi

breakdown, sehingga dioda tidak lagi menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan

deplesi.

1.5.2 TRIAC

TRIAC merupakan komponen semikonduktor daya jenis saklar terkendali. TRIAC

dapat bersifat konduktif dalam dua arah dan biasanya digunakan untuk pengendlian fasa

AC (contoh: kontroller tegangan AC, inverter, dan saklar AC).

Secara sederhana, TRIAC dapat dimodelkan sebagai dua buah thyristor yang

dipasangkan anti paralel dengan gate yang digabungkan. Oleh karena itu, TRIAC dapat

menghantar pada kedua arah sehingga kaki-kakinya dinamakan MT1 dan MT2.

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.14 Karakteristik dan Simbol TRIAC

Jika terminal MT2 positif (bertindak sebagai anoda) terhadap MT1 (bertindak

sebagai katoda), maka triac dapat dihidupkan denga memberikan sinyal positif antara gate

dan terminal MT1. TRIAC dapat menghantar (keadaan konduksi), jila arus pada MT2 lebih

besar dari suatu nilai yang disebut dengan latching current, IL. Latching current, IL adalah

arus anoda minimum yang diperlukan agar dapat membuat triac tetap pada kondisi hidup

(konduksi) jika sinyal gate dihilangkan. TRIAC akan tetap On, ketika arus maju anoda

(MT2) berada diatas satu tingkatan holding current, IH. Holding current IH adalah arus

minimum yang dibutuhkan untuk mempertahankan TRIAC pada kondisi On. Holding

current IH terjadi pada orde miliampere dan lebih kecil dari latching current sehingga IH<IL.

1.6 Power Supply DC

Tegangan yang di butuhkan oleh peralatan elektronik adalah tegangan rendah yaitu

kurang atau sama dengan 24 volt DC. Sehingga diperlukan sebuah alat yang dapat

menurunkan tegangan dan disearahkan sehingga menghasilkan tegangan DC sebesar 24

volt. Pada Gambar dibawah ditunjukkan rangkaian penurun tegangan dan penghasil

tegangan DC. Penurun tegangan ini berupa autotrafo dan penghasil tegangan DC berupa

penyearah jembatan.

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.15 Rangkaian Power Supply

1.7 Sensor Arus

Sensor arus berfungsi untuk mendeteksi dan menghitung arus yag dipakai oleh

konsumen. Mendeteksi arus diperlukan untuk menghitung daya rata-rata yang digunakan

oleh konsumen.Rangkaian sensor ini terdiri dari sensor arus dan tegangan, dimana masing-

masing menggunakan trafo arus dan tegangan. Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksi

sinyal arus dan tegangan. Gambar rangkaiannya ada pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.16 Trafo Arus

1.8 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 2.17 Trafo Tegangan

Laporan Tugas Akhir


1.9 Zero Cross Detector

Zero crossing detector merupakan sirkuit elektronik yang memiliki fungsi untuk

mendeteksi keberadaan zero crossing tegangan, baik perubahan positif atau negatif. Sirkuit

ini berfungsi untuk memberikan informasi ke sistem lain yang memerlukannya, misalnya,

untuk mendeteksi pergeseran fasa antara arus dan tegangan. Rangkaian pada gambar 2.16

adalah rangkaian dari zero crossing detector untuk mendeteksi perubahan yang

positif (output 1) dan untuk mendeteksi perubahan di negatif (output 2). Rangkaian

pada Gambar1 dapat terhubung ke sistem mikrokontroler untuk mengaktifkan

interupsi sistem, yang kemudian dapat digunakan sebagai kebutuhan.

Gambar 2.18 Rangkaian Detector Fasa

Gambar 2.19 Gelombang Input dan Output pada Rangkaian Detektor Fasa

1.10 Rangkaian Integrator

Rangkaian integrator sederhana ini dipergunakan untuk mengubah sinyal pulsa dari

rangkaian zero crossing detector agar menjadi sinyal DC linier agar bisa dibaca oleh ADC

Laporan Tugas Akhir


pada mikrokontroller. Rangkaian integrator ini digunakan karena frekwensi output dari

rangkaian zero crossing detector konstan pada setiap perubahan cosφ walaupun lebar pulsa

pada setiap perubahan cosφ berubah-ubah, sehingga jika menggunakan menggunakan

rangkaian F to V maka tegangan output tidak akan mengalami perubahan. Rangkaian ini

dapat mendeteksi setiap perubahan lebar pulsa yang dikonversi menjadi tegangan linier.

1.11 Mikrokontroler Atmega8535

Mikrokontroler adalah IC yang dapat diprogram berulang kali, baik ditulis atau

dihapus. Biasanya digunakan untuk pengontrolan otomatis dan manual pada perangkat

elektronika. Beberapa tahun terakhir, mikrokontroler sangat banyak digunakan terutama

dalam pengontrolan robot. Seiring perkembangan elektronika, mikrokontroler dibuat

semakin kompak dengan bahasa pemrograman yang juga ikut berubah. Salah satunya

adalah mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) ATmega8535 yang

menggunakan teknologi RISC (Reduce Instruction Set Computing) dimana program

berjalan lebih cepat karena hanya membutuhkan satu siklus clock untuk mengeksekusi satu

instruksi program.

(Anonim : Agus Bejo, 2007)

1.12 Rangkaian Soft Switch dengan thyristor triac

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 2.20 Rangkaian Soft Switch dengan Thyristor Triac.

Documents

Laporan Tugas Akhir - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/97/jbptppolban-gdl-jajangnurj... · Laporan Tugas Akhir 5 ... Hukum ohm menyatakan bahwa tegangan melintasi