Koreksi Faktor Daya: Apa Itu? (Rumus, Rangkaian, dan Bank Kapasitor)

Bidang: Listrik Dasar

China

apa itu koreksi faktor daya

Apa Itu Koreksi Faktor Daya?

Koreksi faktor daya (juga dikenal sebagai PFC atau Perbaikan Faktor Daya) didefinisikan sebagai teknik yang digunakan untuk meningkatkan faktor daya rangkaian AC dengan mengurangi daya reaktif yang ada dalam rangkaian. Teknik koreksi faktor daya bertujuan untuk meningkatkan efisiensi rangkaian dan mengurangi arus yang diambil oleh beban.

Secara umum, kapasitor dan motor sinkron digunakan dalam rangkaian untuk mengurangi elemen induktif (dan karenanya daya reaktif). Teknik-teknik ini tidak digunakan untuk meningkatkan jumlah daya sejati, hanya untuk mengurangi daya tampak.

Dengan kata lain, teknik ini mengurangi pergeseran fase antara tegangan dan arus. Jadi, teknik ini berusaha menjaga faktor daya mendekati satu. Nilai ekonomis terbaik dari faktor daya adalah antara 0,9 hingga 0,95.

Sekarang muncul pertanyaan, mengapa nilai ekonomis faktor daya adalah 0,95 bukan faktor daya satu? Apakah ada kekurangan dari faktor daya satu?

TIDAK. Tidak ada satupun kekurangan dari faktor daya satu. Namun, sangat sulit dan mahal untuk menginstal peralatan PFC satu.

Oleh karena itu, perusahaan utilitas dan penyedia tenaga listrik mencoba membuat faktor daya dalam rentang 0,9 hingga 0,95 untuk membuat sistem ekonomis. Dan rentang ini cukup baik untuk sistem tenaga listrik.

Jika rangkaian AC memiliki beban induktif tinggi, faktor daya mungkin berada di bawah 0,8. Dan ini akan menarik lebih banyak arus dari sumber.

Peralatan koreksi faktor daya mengurangi elemen induktif dan arus yang diambil dari sumber. Hal ini menghasilkan sistem yang lebih efisien dan mencegah hilangnya energi listrik.

Mengapa Koreksi Faktor Daya Diperlukan?

Dalam rangkaian DC, daya yang diserap oleh beban dihitung dengan mengalikan tegangan dan arus. Dan arus sebanding dengan tegangan yang diterapkan. Oleh karena itu, disipasi daya oleh beban resistif bersifat linear.

Dalam rangkaian AC, tegangan dan arus adalah gelombang sinusoidal. Oleh karena itu, magnitudo dan arahnya berubah secara terus menerus. Pada waktu tertentu, daya yang diserap adalah hasil perkalian tegangan dan arus pada saat itu.

Jika sebuah rangkaian AC memiliki beban induktif seperti; gulungan, kumparan chowk, solenoid, transformer; arus tidak sefase dengan tegangan. Dalam kondisi ini, daya yang sebenarnya diserap lebih kecil dari hasil perkalian tegangan dan arus.

Karena elemen non-linier dalam rangkaian AC, ia mengandung baik resistansi maupun reaktansi. Oleh karena itu, dalam kondisi ini, perbedaan fase antara arus dan tegangan penting dalam menghitung daya.

Untuk beban resistif murni, tegangan dan arus berada dalam fasa yang sama. Tetapi untuk beban induktif, arus tertinggal dibandingkan tegangan. Dan hal ini menciptakan reaktansi induktif.

Dalam kondisi ini, koreksi faktor daya sangat diperlukan untuk mengurangi efek elemen induktif dan meningkatkan faktor daya untuk meningkatkan efisiensi sistem.

Rumus Koreksi Faktor Daya

Pertimbangkan beban induktif yang terhubung dengan sistem dan beroperasi pada faktor daya cosф1. Untuk meningkatkan faktor daya, kita perlu menghubungkan peralatan koreksi faktor daya secara paralel dengan beban.

Diagram rangkaian dari susunan ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

contoh koreksi faktor daya

Kapasitor menyediakan komponen reaktif yang leading dan mengurangi efek dari komponen reaktif yang lagging. Sebelum kapasitor dihubungkan, arus beban adalah IL.

Kapasitor mengambil arus IC yang leading tegangan sebesar 90˚. Dan arus hasil sistem adalah Ir. Sudut antara tegangan V dan IR berkurang dibandingkan dengan sudut antara V dan IL. Oleh karena itu, faktor daya cosф2 ditingkatkan.

power factor correction phasor diagram

Diagram Fasa Koreksi Faktor Daya

Dari diagram fasa di atas, komponen lagging sistem dikurangi. Oleh karena itu, untuk mengubah faktor daya dari ф1 ke ф2, arus beban dikurangi oleh IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

Kapasitansi kapasitor untuk meningkatkan faktor daya adalah;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Sirkuit Koreksi Faktor Daya

Teknik koreksi faktor daya utamanya menggunakan kapasitor atau bank kapasitor dan kondensor sinkron. Berdasarkan peralatan yang digunakan untuk mengoreksi faktor daya, terdapat tiga metode;

Bank Kapasitor
Kondensor Sinkron
Penggeser Fase

Koreksi Faktor Daya Menggunakan Bank Kapasitor

Kapasitor atau bank kapasitor dapat dihubungkan sebagai kapasitansi tetap atau variabel. Ini dihubungkan ke motor induksi, panel distribusi, atau pasokan utama.

Kapasitor nilai tetap terhubung secara terus menerus dengan sistem. Kapasitansi nilai variabel mengubah jumlah KVAR sesuai dengan kebutuhan sistem.

Untuk koreksi faktor daya, bank kapasitor digunakan untuk terhubung dengan beban. Jika beban adalah beban tiga fasa, bank kapasitor dapat dihubungkan sebagai koneksi bintang dan delta.

Bank Kapasitor Terhubung Delta

Diagram rangkaian di bawah ini menunjukkan bank kapasitor terhubung delta dengan beban tiga fasa.

bank kapasitor terhubung delta

Bank Kapasitor Terhubung Delta

Mari kita temukan persamaan kapasitor per fase ketika terhubung dalam koneksi delta. Dalam koneksi delta, tegangan fase (VP) dan tegangan garis (VL) adalah sama.

$V_P = V_L$

Kapasitansi per fase (C∆) diberikan sebagai berikut;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Bank Kapasitor Tertaut Bintang

Diagram rangkaian di bawah ini menunjukkan bank kapasitor tertaut bintang dengan beban tiga fase.

Bank Kapasitor Tertaut Bintang

Dalam koneksi bintang hubungan antara tegangan fasa (VP) dan tegangan garis (VL) adalah;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

Kapasitansi per fasa (CY) diberikan sebagai;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

Dari persamaan di atas;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Artinya, kapasitansi yang dibutuhkan dalam koneksi bintang adalah tiga kali kapasitansi yang dibutuhkan dalam koneksi delta. Dan juga, tegangan fasa operasi adalah 1/√3 kali tegangan garis.

Jadi, bank kapasitor yang terhubung secara delta merupakan desain yang baik dan itulah alasan mengapa, dalam koneksi tiga fasa, bank kapasitor yang terhubung secara delta lebih sering digunakan dalam jaringan.

Koreksi Faktor Daya Menggunakan Kondenser Sinkron

Ketika motor sinkron terlalu bersemangat, ia mengambil arus leading dan bertindak seperti kapasitor. Motor sinkron yang beroperasi pada kondisi beban nol dengan keadaan over-excited disebut kondenser sinkron.

Ketika mesin jenis ini terhubung paralel dengan pasokan, ia mengambil arus yang leading. Dan meningkatkan faktor daya sistem. Diagram koneksi kondensor sinkron dengan pasokan ditunjukkan pada gambar di bawah.

power factor correction using synchronous condenser

Koreksi Faktor Daya Menggunakan Kondensor Sinkron

Ketika beban memiliki komponen reaktif, ia mengambil arus yang lagging dari sistem. Untuk menetralkan arus, perangkat ini digunakan untuk mengambil arus yang leading.

synchronous condenser phasor diagram

Diagram Fasa Kondensor Sinkron

Sebelum kondensor sinkron terhubung, arus yang ditarik oleh beban adalah IL dan faktor dayanya adalah фL.

Ketika kondensor sinkron terhubung, ia mengambil arus Im. Dalam kondisi ini, arus hasilnya adalah I dan faktor dayanya adalah фm.

Dari diagram fasa, kita dapat membandingkan kedua sudut faktor daya (фL dan фm). Dan фm lebih kecil daripada фL. Oleh karena itu, cosфm lebih besar daripada cosфL.

Metode peningkatan faktor daya jenis ini digunakan di stasiun pasokan massal karena keuntungan-keuntungan berikut.

Arus yang ditarik oleh motor diubah dengan mengubah eksitasi medan.
Kerusakan yang terjadi dalam sistem mudah untuk diperbaiki.
Stabilitas termal gulungan motor tinggi. Oleh karena itu, ini adalah sistem yang andal untuk arus pendek sirkuit.

Penyempurna Fase

Motor induksi menarik arus reaktif karena arus eksitasi. Jika sumber lain digunakan untuk menyediakan arus eksitasi, maka gulungan stator bebas dari arus eksitasi. Dan faktor daya motor dapat ditingkatkan.

Susunan ini dapat dilakukan dengan menggunakan penyempurna fase. Penyempurna fase adalah exciter AC sederhana yang dipasang pada poros yang sama dengan motor dan terhubung dengan rangkaian rotor motor.

Ini menyediakan arus eksitasi ke rangkaian rotor pada frekuensi slip. Jika Anda memberikan lebih banyak arus exciter daripada yang diperlukan, motor induksi dapat dioperasikan dengan faktor daya unggulan.

Satu-satunya kelemahan dari penyempurna fase adalah tidak ekonomis untuk motor berukuran kecil, terutama di bawah 200 HP.

Koreksi Faktor Daya Aktif

Koreksi faktor daya aktif memberikan kontrol faktor daya yang lebih efisien. Secara umum, ini digunakan dalam desain sumber daya listrik untuk lebih dari 100W.

Jenis rangkaian koreksi faktor daya ini terdiri dari elemen pemutus frekuensi tinggi seperti dioda, SCR (saklar elektronik daya). Elemen-elemen ini adalah elemen aktif. Oleh karena itu, metode ini disebut sebagai metode koreksi faktor daya aktif.

Dalam koreksi faktor daya pasif, elemen reaktif seperti kapasitor dan induktor yang digunakan dalam rangkaian tidak terkontrol. Sebagai koreksi faktor daya pasif, rangkaian tidak menggunakan unit kontrol dan elemen pemutus.

Karena penggunaan elemen pemutus dan unit kontrol yang tinggi dalam rangkaian, biaya dan kompleksitas rangkaian meningkat dibandingkan dengan rangkaian koreksi faktor daya pasif.

Diagram rangkaian di bawah ini menunjukkan elemen-elemen dasar dari rangkaian koreksi faktor daya aktif.

koreksi faktor daya aktif

Koreksi Faktor Daya Aktif

Untuk mengontrol parameter sirkuit, unit kontrol digunakan dalam sirkuit. Ini mengukur tegangan dan arus input. Dan menyesuaikan waktu penggantian dan siklus tugas pada tegangan dan arus fase.

Induktor L dikendalikan oleh saklar padat Q. Unit kontrol digunakan untuk mengontrol (HIDUP dan MATI) saklar padat Q.

Ketika saklar dinyalakan, arus induktor meningkat sebesar ∆I+. Tegangan di seberang induktor berbalik polaritas dan melepaskan untuk mengumpulkan energi melalui dioda D1 ke beban.

Ketika saklar dimatikan, arus induktor berkurang sebesar ∆I–. Perubahan total selama satu siklus adalah ∆I = ∆I+ – ∆I–. Waktu HIDUP dan MATI saklar dikontrol oleh unit kontrol dengan mengubah siklus tugas.

Dengan pemilihan siklus tugas yang tepat, kita dapat mendapatkan bentuk arus yang diinginkan ke beban.

Bagaimana Menentukan Ukuran Koreksi Faktor Daya?

Untuk menentukan ukuran koreksi faktor daya, kita perlu menghitung kebutuhan daya reaktif (KVAR). Dan kita menghubungkan kapasitansi sebesar itu dengan sistem untuk memenuhi permintaan daya reaktif.

Ada dua cara untuk menemukan kebutuhan KVAR.

Metode Multiplier Tabel
Metode Perhitungan

Seperti namanya, dalam metode multiplier tabel, kita dapat langsung menemukan konstanta multiplier dari tabel. Kita dapat langsung menemukan KVAR yang dibutuhkan dengan mengalikan konstanta dengan daya input.

metode pengganda tabel

Metode Pengganda Tabel

Dalam metode perhitungan, kita perlu menghitung pengganda seperti contoh di bawah ini.

Contoh:

Sebuah motor induksi 10 kW memiliki faktor daya 0,71 lagging. Jika kita perlu menjalankan motor ini dengan faktor daya 0,92, berapakah ukuran kapasitor yang diperlukan?

Daya Input = 10kW
Faktor Daya Aktual (cos фA) = 0,71
Faktor Daya yang Diperlukan (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR yang Diperlukan = Daya Input x Konstanta Pengali

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Oleh karena itu, diperlukan daya reaktif 5.658 KVAR untuk meningkatkan faktor daya dari 0.71 menjadi 0.92. Dan kapasitor yang terhubung dengan sistem memiliki kapasitansi 5.658 KVAR.

Aplikasi Koreksi Faktor Daya

Dalam jaringan sistem tenaga listrik, faktor daya memainkan peran yang sangat penting dalam kualitas dan manajemen sistem. Ini menentukan efisiensi pasokan daya.

Tanpa koreksi faktor daya, beban akan mengambil arus dengan magnitudo tinggi dari sumber. Hal ini meningkatkan kerugian dan biaya energi listrik. Perangkat PFC berusaha membuat gelombang arus dan tegangan sefase. Ini akan meningkatkan efisiensi sistem.
Dalam jaringan transmisi, faktor daya tinggi diperlukan. Karena faktor daya tinggi, kerugian pada garis transmisi berkurang dan perbaikan regulasi tegangan.
Motor induksi adalah peralatan yang banyak digunakan di industri. Untuk menghindari panas berlebih dan meningkatkan efisiensi motor, kapasitor digunakan untuk mengurangi efek daya reaktif.
Perangkat PFC mengurangi pembangkitan panas pada kabel, switchgear, alternator, transformator, dll.
Karena efisiensi jaringan yang tinggi, kita perlu menghasilkan energi yang lebih sedikit. Yang mengurangi emisi karbon ke atmosfer.
Penurunan tegangan secara signifikan berkurang dengan menggunakan perangkat PFC dengan sistem.

Pernyataan: Hormati aslinya, artikel bagus layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk dihapus.

Berikan Tip dan Dorong Penulis

Topik:

Sistem Tenaga Listrik

Transmisi

Tentang para ahli

Electrical4u

China