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
6 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
7 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
8 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
9 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
10 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
11 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
12 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
13 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
14 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
15 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
16 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
17 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
18 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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
19 Design Automatic Control Power Factor Correction For Dynamic Electric Load 1 Phase
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.