01_IKIP Penerapan Static Var Compensator

SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
Sistem Monitoring Hasil Penerapan Static Var Compensator
Pada Motor Induksi 3 Phase
1
2
Sutedjo , Indhana Sudiharto
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS)
Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya, Indonesia
1
Email: [email protected]
2
Indhana [email protected]
1,2
ABSTRAK Sebagian besar beban di industri menggunakan beban yang bersifat induktif, seperti
motor dan trafo. Beban yang bersifat induktif menyebabkan nilai daya reaktif yang tinggi sehingga
menghasilkan nilai faktor daya yang rendah. Nilai faktor daya yang rendah, menunjukkan bahwa
kualitas daya yang dihasilkan masih belum baik, karena kualitas daya yang baik adalah jika nilai
faktor daya mendekati unity dan nilai daya reaktif yang tinggi menyebabkan biaya pemakaian
semakin tinggi. Oleh karena itu, untuk memperbaiki kualitas daya dan mengurangi biaya
pemakaian, digunakan peralatan Static Var Compensator (SVC) yang berfungsi untuk
mengkompensasi daya reaktif agar nilai faktor daya mendekati unity. Peralatan SVC
menggunakan kapasitor bank yang dirangkai secara paralel terhadap beban, agar proses on dan
off kapasitor bank dapat bekerja secara otomatis maka digunakan rangkaian mikrokontroller dan
sistem dilengkapi dengan sensor arus, sensor frekuensi, sensor tegangan dan zero crossing
detector. Zero crossing detector digunakan untuk mendeteksi beda fasa pada beban, karena nilai
faktor daya tergantung dari beda phase antara arus dan tegangan pada beban.
Data yang diambil oleh sensor-sensor yang bekerja akan dibaca oleh mikrokontroler AVR. Data
akan dikirim oleh media RF modul untuk dikirimkan ke mikrokontroler yang sudah dilengkapi
dengan receiver (penerima) untuk membaca data yang telah terkirim.Proses selanjutnya yaitu data
pada mikrokontroler AVR satunya akan dibaca datanya oleh PC menggunakan hubungan serial .
Kata kunci
:Sensor, mikrokontroller, kompensator
1. Pendahuluan
Dengan perkembangan dunia industri yang
pesat dan bertambah kompleks jenis-jenis beban,
maka dibutuhkan kontinyuitas dalam penyaluran
kualitas daya.
Penelitian ini dikerjakan untuk membangun
dan mengimplementasikan suatu perkembangan
dan kemajuan dalam bidang kontrol industri untuk
mendapatkan suatu efisiensi dan efektifitas dalam
industri. Efisiensi dan efektifitas ini sangat penting
dan berpengaruh dalam kinerja suatu perusahaan
atau
industri
karena
akan
dapat
lebih
mengoptimalkan hasil yang akan diperoleh..
Efisiensi energi listrik dapat ditingkatkan
dengan memperbaiki kualitas daya. Kualitas daya
listrik dikatakan baik apabila power factor (cos θ) >
0.85.
Sebagian besar beban industri bersifat
induktif. Sehingga menyebabkan power factor (cos
θ) rendah.
Suatu desain monitoring pada penerapan
static var compensator. SVC dikontrol oleh
mikrokontroller dalam mengaktifkan tiap stepnya.
Untuk mengetahui nilai power faktor digunakan LCD
serta memanfaatkan ADC yang ada pada
mikrokontroller untuk menampilkan nilai – nilai
sensor arus, sensor tegangan, sensor frekuensi
serta daya yang dipakai. Mikrokontroller yang
digunakan adalah AVR Atmega16. Sistem
monitoring berfungsi untuk memonitor data hasil
sensor dan ditampilkan pada komputer. Pada
penelitian ini sistem monitoring dilengkapi oleh
transceiver yang berfungsi untuk mengirimkan data
pada jarak jauh dan dapat memonitor melalui PC
(Personal Komputer). Sistem monitoring berfungsi
untuk memonitor hasil yang telah ditampilkan pada
LCD.
2. Dasar Teori
2.1.Daya Pada Rangkaian 3 Fase Seimbang
Total daya diserap suatu beban 3 fase
dapat diperoleh dengan menjumlahkan daya pada
ketiga fasenya.
S
Gambar 2.1 Segitiga daya untuk suatu
beban induktif
Gambar 2.1 adalah gambar segitiga daya
pada suatu beban induktif dimana terdapat
komponen P(daya aktif), S(daya nyata) dan Q (daya
reaktif). Persamaan 2.1 merupakan persamaan
yang digunakan untuk mencari nilai daya nyata
yaitu dengan penjumlahan daya aktif dan daya
reaktif dalam bentuk bilangan kompleks.
S = P + jQ ..............................................(2.1)
A1-1
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
-Vtn
Vrs
30’
Vrn
60’
Besar nilai Vrs jika dilihat pada Gambar 2.2
yang merupakan hubungan tegangan saluran
terhadap tegangan netral maka;
Vrs = 2 Vrn cos 30 = 3 Vrn ................(2.2)
0
suatu
fasor,
VL
dan
3
I P = I L …….....……............…...…........(2.7)
dengan mensubstitusikan ke persamaan diperoleh;
Gambar 2.2 Hubungan antara suatu tegangan
saluran dengan tegangan-tegangan ke netral
Pada
VP =
A1-2
Vrs
mendahului
30 0 terhadap Vrn maka dapat ditunjukkan pada
P = 3VL I L cos ϕ ………….....…...……(2.8)
maka total VAR adalah
Q = 3V p I P sin ϕ …….......……...……....(2.9)
Q = 3V L I L sin ϕ ……......…....………(2.10)
dan VA dari beban adalah
Gambar 2.3.
Vrs = 3Vrn∠30 0 ....................................(2.3)
S = P 2 + Q 2 = 3VL I L …...….....….(2.11)
Persamaan 2.11 adalah persamaan biasa dipakai
Vtr
untuk menghitung
Vtn
Vrs
Vrn
P,Q, dan S pada jaringan 3
fasa yang seimbang,karena kuantitas yang biasanya
diketahui adalah tegangan antar saluran ,arus kawat
dan faktor daya atau cos ϕ .
2.1.1 Daya Aktif
Nilai besaran daya masukan diubah menjadi
daya keluaran dan P dalam Watt(W) dan
dirumuskan sebagai berikut.
Vsn
Vst
Gambar 2.3 Diagram fasor dari tegangantegangan pada rangkaian tiga fasa yang
seimbang
Jika besarnya tegangan ke netral Vp untuk suatu
beban
yang
terhubung
-Y
adalah
pada
persamaan(2.3)
Vp = Van = Vbn = Vcn …….........……(2.4)
Dan jika besarnya arus fasa Ip untuk suatu beban
yang terhubung Y adalah pada persamaan (2.5)
Ip = Ian = Ibn = Icn …......….....…….(2.5)
maka daya 3 fasa total didapatkan,
P = 3VP I P cos ϕ ……....…………...…...(2.6)
dimana ϕ adalah suatu sudut dimana arus tertinggal
terhadap tegangan fasa ,jadi sama dengan sudut
dari impedansi dimasing-masing fasa.Jika VL dan
I L berturut-turut adalah besarnya tegangan antar
saluran dan arus saluran,maka,
P = 3VL I L cos ϕ ………………...(2.12)
Pada keseluruhan daya masukan daya
semu dikonversikan menjadi daya keluaran sebagai
daya aktif pada daya keluaran pada motor yang
sebenarnya.Kualitas
dari
konversi
daya
diindikasikan sebagai cos ϕ yaitu factor daya.
2.1.2Daya Reaktif
Mesin Listrik bekerja berdasarkan konversi
dari
energi
elektromagnet
(motor
listrik
,tranformator).Bagian dari energi masukan diserap
dan menghasilkan medan megnet.Beban induktif
menggeser sudut fasa antara tegangan dan arus
Daya dihasilkan dari gelombang tegangan dan arus
yang mempunyai polaritas yang berkebalikan.ini
disebut daya reaktif.Bagian dari energi ini disebut
sebagai daya reaktif Q dalam VAR(volt ampere
reaktif). Var tidak dapat dirubah menjadi daya aktif
dan kembali ke sumber jaringan selama terjadi
perubahan medan megnetik.Tetapi energi yang
sama akan digunakan pada jaringan apabila
dibutuhkan pada perubahan medan megnetik yang
selanjutnya.
Q = 3V L I L sin ϕ ….......……………(2.13)
2.1.3.Daya Semu
Daya listrik yang diserap pada peralatan
dari sebuah sumber listrik
disebut
daya
semu,dinotasikan sebagai S VA(volt ampere),dan
mengandung daya aktif dan daya reaktif.
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
A1-3
S = 3V L I L ……….........……..………(2.14)
2.1.4.Faktor Daya
Secara ilmu kelistrikan faktor daya
diindikasikan sebagai pf, pada sebuah rangkaian
listrik yang didefinisikan sebagai cosinus dari sedut
fase antara gelombang fundamental tegangan dan
arus.Definisi lain dari faktor daya adalah
perbandingan antara daya aktif dan daya semu.
powerfaktor =
dayaaktif P
= .............(2.15)
dayasemu S
2.2. Kompensasi daya reaktif
Pembalikan energi magnetik yang sebagai
suplai pada rangkaian yaitu daya reaktif tanpa
kompensasi dapat disimpan sementara di kapasitor
dan dapat digunakan pada saat perubahan
magnetik.Untuk
menghitung
kapasitor
yang
dibutuhkan untuk daya reaktif yaitu QC pada VAR
dirumuskan.
QC = P * (tan ϕ1 − tan ϕ 2)[var ] …......(2.16)
Kapasitor
QC akan mengkompensasi
induksi Q dan mengkompensasi cos ϕ menjadi 1.
Hubungan dan Rating Kapasitor
QC = VC I C [var].................................................(2.17)
V V (V )
QC = C* C = C ........................................(2.18)
XC
XC
2
XC =
1
1
=
.................................(2.19)
ω *C 2π * f *C
QC = (Vc) 2 *ϖ *C = (Vc) 2 * 2π * f *C............(2.20)
2.3. Hubungan Delta
Qtot= 3*(VL ) *ω*C..........
..........
..........
..........
......(2.18)
2
Cdelta=
Qtot
Qtot
=
..........
......(2.19)
2
2
3*(VL ) *ω 3*(VL ) *2π * f
3. Perancangan Dan Pembuatan
Pada Sistem Monitoring Hasil Penerapan Static Var
Compensator
Pada Motor Induksi 3 Phase, membahas
permasalahan sensor, sistem komunikasi dan
sistem perangkat lunak.
Berikut ini merupaka
bentuk diagram blok secara keseluruhan
Gambar 3.1 Blok Diagram perangkat Keras
3.1 Pengambilan Data Motor
Pengambilan data motor yaitu saat ketiga
motor dijalankan bersamaan dan data-data
parameternya diukur menggunakan fluke.
Tabel 3.1 Pengukuran Parameter Motor
Menggunakan Fluke
Parameter
Tegangan
Arus
Frekuensi
P
S
Q
Cos pi
Nilai
379,2 V
5,99 A
50,4 Hz
0,83 KW
3,98 KVA
3,88 KVAR
0,21
3.2 Data Perhitungan
Pada penelitian membandingkan data hasil
pengkuran
yang
dilakuakan
oleh
fluke,
menggunakan aplikasi visual Basic dan data
perhitungan
menggunakan
perhitungan
manual.Sehingga data yang diperoleh bisa
dibandingkan.
Perhitungan daya reaktif didapat;
P = 3V L − N I L − N cos ϕ
P = 3 * 220 * 5,99 * 0,21
P = 830,214W
Pada hubungan bintang tegangan Line to line
didapatkan yaitu;
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
VL− N =
VL− N =
VL− N
A1-4
VL− L
3
380
3
= 223,5V
Vout=
R2
xVin ............................(4.1)
R1 + R 2
dimana,
Vout=Tegangan output dari resistor (V)
Vin=Tegangan sumber (V)
R1 dan R2=Resistor (Ω)
Perhitungan Daya reaktif yaitu;
Q = 3V L − L I L − L sin ϕ
Q = 3 * 380 * 5,99 * 0,97
Q = 3753,45 var
Perhitungan daya semu yaitu;
S = 3V L − L I L − L
S = 3 * 380 * 5,99
S = 3869,54VA
Perhitungan factor daya yaitu;
dayaaktif
P
=
dayasemu S
830,21
powerfaktor cos ϕ =
3869,54
powerfaktor cos ϕ = 0,21
powerfaktor cos ϕ =
Target untuk memperbaiki factor daya hingga 0,99
Cosϕ1 = 0,21
Cosϕ 2 = 0,99
Tanϕ1 = 4,33
Tanϕ 2 = 0,14
Tabel 4.1 Data Sampling
Pengukuran Sensor Tegangan
Tegangan
Tegangan
Pada
Output
(Vdc)
phasa
R-N
0.35-0,94
S-N
0,35-0,95
T-N
0,33-094
4.2 Pengujian Sensor Frekuensi
Sensor frekuensi menggunakan typical
application dari IC LM2917. Sensor mendeteksi
frekuensi pada motor. Frekuensi yang masuk ke
sensor dikonversikan ke dalam bentuk tegangan dc,
yang kemudian masuk ke ADC.
Sesuai dengan datasheet, sensor frekuensi
menghasilkan output tegangan sebesar 1 Vdc
apabila diberi input frekuensi sebesar 66 Hz
(Vout=66Hz/V). Apabila frekuensi pada generator
sebesar 50 Hz, maka output tegangan pada sensor
frekuensi dapat dihitung dengan menggunakan
perbandingan :
66 1
= ....................................... ..(4.2)
50 x
dimana,
x = output tegangan pada saat frekuensi 50 Hz
Untuk medapatkan daya reaktif pada kapasitor
untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan
perumusan sebagai berikut.
QC = P * (tan ϕ1 − tan ϕ 2)[var]
QC = 830,21 * (4,33 − 0,14)[var ]
QC = 3478,5 var
4. Pengujian
4.1 Pengujian Sensor Tegangan
Pengujian tegangan digunakan voltage divider
sebagai sensor tegangan.
Gambar 4.2 Rangkaian sensor frekuensi
Tabel 4.2 Data Sampling Pengukuran Sensor
Frekuensi
Frekuensi Input
(Hz)
Gambar 4.1 Sensor Tegangan
48
49
50
51
Tegangan
Output
(Vdc)
0.750
0.766
0,785
0.803
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
4.3 Pengujian Sensor Arus
Sensor hall effect digunakan untuk mensensor kuat
medan magnet dengan sensitifitas 13mV/G. Jadi
setiap terjadi perubahan 1 Gauss maka Output dari
sensor hall effect mengalami kenaikan sebesar
13mV. Sensor hall effect memiliki default keluaran
sebesar -+ 2,5V pada saat 0 Gauss.
A1-5
Tabel 4.4 Prosentase Error antara cos φ meter
dengan output rangkaian x-or
Gambar 4.3 Letak sensor
Gambar4.4 Rangkaian simulasi penyearah
Tabel 4.3 Data Sampling Pengukuran Sensor
Arus1
Arus Pada
Phasa
R
S
T
Vout sensor
(Vdc)
2,551-2,723
2,521-2,718
2,560-2,724
4.4 Pengujian Zero Crossing
Untuk mengubah tegangan yang masuk dari
sensor tegangan dan sensor arus berupa
gelombang sinus menjadi gelombang kotak maka
diperlukan rangkaian zero crossing detector dengan
mengggunakan IC LM358.
Gambar 4.6 Integrasi keypad, LCD pada
mikrokontroller
4.5. Data Sistim Monitoring
Tabel 4.5 Hasil simulasi menggunakan PSIM
Step
Pf
P (W)
S (VA)
0
1
2
0,22
0,40
0,99
872,18
879,5
887,26
3858
2134,22
896,66
Q
(VAR)
3760,3
1945,6
131,11
Tabel 4.6 Data hasil perhitungan secara teori
Step Pf
W
VA
VAR
0
0,21
830,21 3869,54 3753,45
1
0,99
830
8368,35 10,15
Gambar 4.5 Rangkaian zero crossing detector
Tabel 4.7 Hasil perbaikan faktor daya
yang ditampilkan pada visual basic
Step
Pf
W
VA
VAR
0
0,22 867,11 3941,40 3823,16
1
0,40 878,61 2196,54 1998,85
2
0,99 876,09 884,84
88,49
SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009
4.5. Tampilan Hasil Perbaikan Factor Daya
Menggunakan Visual Basic (VB)
Gambar 4.7 Tampilan pada VB factor daya
pada saat tanpa kompensasi kapasitor
A1-6
5. Kesimpulan
Setelah melakukan perencanaan dan pembuatan
sistem kemudian dilakukan pengujian dan analisa,
maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai
berikut :
1.Tegangan masukan pada sensor frekuensi
tidak boleh melebihi dari 1.5 Vac.Sensor
frekuensi memiliki
prosentase error
antara 0.15% – 4.2%.
2. Sensor arus mengalami kenaikan sekitar
10 mV setiap terjadi perubahan arus
sebesar 0,1 Ampere.
Sensor
arus
memiliki prosentase error antara 0.2% 2.2 %.
3. Sensor tegangan mengalami kenaikan
sekitar 0.06 V setiap terjadi perubahan
tegangan sebesar 10 V. Sensor tegangan
memiliki prosentase error 8% - 26 %.
4. Zero crossing detector mempunyai ratarata error pembacaan beda fasa sebesar
12.02%.
5. Sistem dapat memperbaiki faktor daya
beban. Dari factor daya awal 0.22, dapat
diperbaiki menjadi 0.99.
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 4.17 Tampilan pada VB hasil perbaikan
factor daya saat menggunakan kompensasi
kapasitor step 1
Gambar 4.17 Tampilan pada VB hasil perbaikan
factor daya saat menggunakan kompensasi
kapasitor step 2
1. Power Factor Regulator (PFR) menggunakan
PLC, EEPIS Jurnal 2001, volume 6, Yahya
Chusna Asrif, Indhana Sudiharto
2. Seimen journal, Malaga seminar, Spanyol,
2003
3. Scheneider journal, King Mongkut University
seminar, Bangkok, 2004
4. Jinn-Chang Wu, Hurng-Liahng Jou, Kuen-Der
Wu, and Nan-Tsun Shen,” Hybrid Switch to
Suppress the Inrush Current of AC Power
Capacitor”, IEEE Transactions On Power
Delivery, Vol. 20, No. 1, January 2005
5. J. H. Tovar-Hernández, C. R. Fuerte-Esquivel,
dan V. M. Chavéz-Ornelas, ‘’ Modeling of
Static
VAR’s
Compensators
in
Fast
Decoupled Load Flow “IEEE Transactions On
Power Systems, Vol. 20, No. 1, February
2005.
6. Theodora R.Bosela, “Introduction Electrical
Power Sytem Tecnology, Printice Hall, unitet
State of America, 1997
7. Indhana Sudiarto, Mochamad Ashari “Desain
Soft Switch Static Var Compensator untuk
mengurangi Inrush Current pada Kapasitor
Bank”, Seminar Nasional Pasca Sarjana VI,
2006, Volume 1 hal 6-19
8. Yahya Chusna Arif, buku diktat kualitas daya
PENS,