## Rancang Bangun Simulator Perbaikan Faktor Daya Listrik 3 Fasa dengan Sistem Kendali Otomatis

## Bambang Gunari
bambang@ppi.ac.id Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun

## Abstrak
Dalam  suatu  system  tenaga  listrik  permasalahan  yang umum terjadi adalah fluktuasi beban yang tidak menentu. Hal ini akan menyebabkan faktor daya system berubah – ubah  sesuai  dengan  perubahan  jumlah  beban  listrik  dan variasi beban listrik. Solusi untuk mengatasi permasalahan  faktor  daya  listrik  adalah  kapasitor  bank. Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  memperbaiki faktor  daya  system  3  fasa  yang  dapat  bekerja  secara adaptif  dalam  merespon  perubahan  beban  dan  variasi beban lstrik. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah  dengan  membuat  rancang  bangun  simulator perbaikan  faktor  daya  3  fasa  yang  dilengkapi  dengan system  kendali  otomatis  untuk  dapat  mencapai  nilai faktor  daya  yang  baik.  System  kendali  otomatis  ini  akan bekerja berdasarkan hasil pengukuran faktor daya system yang  selanjutnya  akan  digunakan  untuk  mencari  nilai kapasitas  kapasitor  bank  yang  dibutuhkan.  Hasil  dari penelitian  ini  menunjukkan  nilai  faktor  daya  system secara  bertahap  berhasil  diperbaiki.  Nilai  faktor  daya mencapai 0.73 dan mendekati nilai set poin sebesar 0.85.
Kata Kunci — fluktuasi beban, system 3 fasa, power faktor, sistem kendali otomatis.
Abstract In  an  electric  power  system,  a  common  problem  is  an unstable load fluctuation. This will cause the system power factor  to  change  according  to  changes  in  the  amount  of electrical  load  and  variations  in  electrical  load.  The solution to overcome the problem of electric power factor is  a  capacitor  bank.  The  purpose  of  this  study  is  to improve  the  power  factor  of  a  3-phase  system  that  can work  adaptively  in  response  to  changes  in  load  and variations  in  electrical  loads.  The  method  used  in  this research is to design a 3-phase power factor improvement that  is  equipped  with  an  automatic  control  system  to achieve a good power factor value. This automatic control
system will work based on the results of the system power factor  measurement  which  will  then  be  used  to  find  the required capacitor bank capacity value. The results of this study indicate that the system power factor value has been gradually  improved.  The  power  factor  shown  at  0.73 which is close to the set point at 0.85.
Keywords — load fluctuation, 3-phase system, power factor, automatic control system.

## I. PENDAHULUAN
Kualitas  daya  listrik  merupakan  salah  satu  permasalahan penting  yang  harus  diperhatian  pada  zaman  ini  dimana penggunaan  listrik  menjadi  kebutuhan  primer  masyarakat. Beberapa hasil reviu dari para ahli dan pakar dibidang kualitas daya  listrik  menunjukkan  bahwa  banyak  sekali  faktor penyebab  gangguan  kualitas  daya  listrik  [1] – [4].  Salah  satu parameter  kelistrikan  dalam  jaringan  listrik  selain  fluktuasi tegangan  adalah  faktor  daya.  Nilai  dari  faktor  daya  listrik berkisar  antara  0  sampai  dengan  1.  Sedangkan  faktor  daya listrik  dinilai  baik  jika  nilainya  adalah  mendekati  1.  Nilai faktor  daya  listrik  dapat  dipengaruhi  oleh  perbandingan jumlah  daya  reaktif  pada  beban.  faktor  daya  mempengaruhi banyak  hal  dalam  penerapan  ketenagalistrikan  pada  jaringan distribusi  [5],  [6],  pemakaian  daya  aktif  [7],  terkait  efisiensi energi,  pengaturan  beban  listrik,  pemerataan  penggunaan energi  listrik  secara  optimal  bagi  masyarakat,  dan  masalah pembiayaan  rutin  yang  harus  dikeluarkan  [6].  Bagi  seorang teknisi  atau  praktisi  di  bidang  kelistrikan  wajib  memahami parameter  kualitas  daya  listrik  dikatakan  baik  dan  cara melakukan perbaikan kualitas daya listrik.
Upaya  untuk  memperbaiki  masalah  faktor  daya  listrik dapat  dilakukan  dengan  pemasangan  kapasitor  bank. Kapasitor  bank  dapat  mensuplai  daya  reaktif  pada  system karena sifat dari kapasitor adalah bersifat kapasitif. Beberapa penelitian  sebelumnya  telah  dilakukan  pemasangan  kapasitor bank pada  industri semen  [7]  hasilnya  mampu meningkatkan

## Akhwan
akhwan@ppi.ac.id Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun
Andri Pradipta
andri@ppi.ac.id Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun
78
pemakaian daya aktif, selain itu sebuah studi melalui simulasi juga  dilakukan  pemasangan  kapasitor  bank  pada  jaringan distribusi  untuk  meminimalkan  rugi – rugi  saluran  [6].  Pada eksperiman  skala  lab  juga  pernah dibuat  simulator  perbaikan faktor  daya  listrik  berbasis  mikrokontroller  pada  jaringan listrik 1 fasa [8].
Pada  penelitian  ini  dilakukan  perancangan  simulator perbaikan  faktor  daya  listrik  pada  system  tiga  fasa  dengan power  factor  correction.  Hasil  eksperimen  dari  rangkaian kompensator  faktor  daya  listrik  telah  diuji  untuk  dapat memperbaiki nilai  faktor daya  pada  system.  Diharapkan  bisa memberi pembelajaran dalam hal perbaikan faktor daya listrik dan menjadi referensi penelitian perbaikan faktor daya listrik berikutnya.

## II. TEORI PENDUKUNG
Untuk  dapat  memahami  konsep  perbaikan  faktor  daya dibutuhkan pemahaman teori mengenai macam – macam daya listrik melalui segitiga daya dan faktor daya.
A. Daya listrik 3 fasa Dalam  listrik  arus  bolak-balik  (AC)  terdapat  tiga  jenis daya yaitu daya aktif, daya reaktif dan daya semu. Pemakaian dari daya listrik dipengaruhi oleh sifat beban listrik terpasang. Beban  listrik  terbagi  menjadi  beban  aktif,  beban  pasif  dan beban  campuran.  Beban  aktif  merupakan  beban  yang mengandung  bahan  semikonduktor.  Sedangkan  beban  pasif terdiri  dari  3  jenis  sifat  beban  yaitu  resistif,  induktif  dan kapasitif.  Daya  aktif  dibutuhkan  oleh  beban  yang  bersifat resistif  untuk  dapat  dikonversi  menjadi  bentuk  energy  yang lain  yaitu  dalam  bentuk  panas  dan  cahaya.  Sedangkan  daya reaktif  dibutuhkan  oleh  beban  yang  bersifat  induktif  untuk dapat  menghasilkan  medan  elektromagnet.    Representasi rumus  daya  listrik  tiga  fasa  seimbang  dapat  dinyatakan menjadi  3  kali  daya  satu  fasa.  Untuk  dapat  memahami hubungan dari daya listrik dapat digambarkan melalui segitiga daya.  Pengertian  umum  dari  segitiga  daya  adalah  suatu hubungan  antara  daya  nyata,  daya  semu,  dan  daya  reaktif, yang  dapat  digambarkan  dalam  bentuk  vektor  segitiga  yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Daya  Listrik 3 fasa  jika  dilihat  dari parameter tegangan fasa  ke  netral  dapat  dinyatakan  menggunakan  persamaan berikut :
𝑆 = 3 × V L-N × I L (1)
𝑃 3 φ = 3 × V L-N × I L × cos φ (2)
𝑄 3 φ = 3 × V L-N × I L × sin φ (3)
Gbr 1. Segitiga daya
S  merupakan  daya  semu  (Volt  Ampere),  V L-N merupakan tegangan  fasa  ke  netral  (Volt),  sedangkan  I  merupakan  Arus fasa  (Ampere),  P  merupakan  daya  aktif  (Watt),  sedangkan ∅ merupakan  sudut  fasa,  dan  Q  merupakan  daya  reaktif  (Volt Ampere  Reaktif)  [9].  Jika  dilihat  dari  parameter  tegangan antar fasa (L-L) maka persamaan daya menjadi :
𝑆 = × V L-L × I L (4) P 3 φ = × V L-L × I L × Cos φ (5)
Q 3 φ = × V L-L × I L × Sin φ (6)
Dengan V L-L merupakan tegangan antar fasa  (Volt)
B. Faktor Daya
Faktor daya adalah rasio perbandingan antara daya aktif (kW)  dan  daya  semu  (kVA)  dari  beban  listrik.  Rumus matematis  dari  faktor  daya  adalah  cos ∅ .  kW  adalah  satuan pengukuran  daya  aktif  dalam  kilowatt.  kVA  adalah  satuan pengukuran  daya  semu  dalam  kilovolt-ampere.  Sedangkan kVAR adalah satuan pengukuran daya reaktif dalam kilovolt- ampere-reaktif.  Konsep  nilai  Faktor  daya  adalah  ukuran  dari efisiensi  dari  pemakaian  energi  listrik  yang  dikonversi kedalam  bentuk  energi  yang lain.  Bentuk  energy  listrik  yang digunakan  untuk  menghasilkan  medan  electromagnet  dalam proses inilah faktor daya mengambil nilai antara nol dan satu. Beban  induktif  dimanapun  akan  menyebabkan  pengurangan faktor  daya.  Alasan  utama  faktor  daya  rendah  adalah  beban induktif  seperti  motor  induktif  dan  transformator  yang membutuhkan arus untuk menghasilkan medan magnet untuk beroperasi.  Ketika  faktor  daya  kurang  dari  satu,  daya  semu yang  disuplai  ke  beban  lebih  besar  dari  kekuatan  yang sebenarnya  [3].  Pada  rangkaian  ac  umumnya  terdapat  beda fasa  antara  tegangan  dan  arus.  Istilah  ini  dikenal  sebagai faktor  daya  dari  sirkuit.  Jika  rangkaiannya  induktif,  arusnya tertinggal di belakang tegangan dan faktor daya disebut faktor daya  lagging,    dan  jika  rangkaian  kapasitif  maka  arus mendahului tegangan dan faktor daya dikatakan sebagai faktor daya leading [10].
Peningkatkan  nilai  faktor  daya  dapat  dilakukan  dengan pemasangan  sebuah  atau  beberapa  rangkaian  kapasitor.  Pada konsumen  rumah  tinggal,  sudah  mulai  terdapat  pemasangan rangkaian  kapasitor,  walau  hanya  beberapa  rumah.  Namun pemasangan  rangkaian  kapasitor  ini  juga  mempunyai keterbatasan,  karena  rangkaian  kapasitor  yang  dipasang memiliki  nilai  kapasitansi  yang  cenderung  tetap  sedangkan konsumen  rumah  tinggal  tidak  selalu  menggunakan  beban induktif yang sama pada waktu yang sama pula. Dalam hal ini, rangkaian  kapasitor  hanya  mampu  bekerja  maksimum  sesuai dengan  nilai  kapasitansinya.  Pada  saat  beban  induktif bertambah,  maka  kemampuan  perbaikan  faktor  daya  oleh rangkaian  kapasitor  juga  berkurang.  [11].  Cara  untuk menganalisis  menggunakan  konsep  segitiga  daya  yang ditunjukkan pada Gambar 2.
79
(a)

## (b)
Gbr 2. Analisis kompensasi daya reaktif, (a) Kondisi segitiga daya saat Pf = 0,7 legging, (b) Kondisi segitiga daya saat Pf = 0,9 legging
Keterangan : S :daya Semu sebelum penggunaan kapasitor Sakhir :daya semu setelah penggunaan kapasitor φawal :sudut sebelum penggunaan kapasitor φ akhir
:sudut setelah penggunaan kapasitor
Q
:daya Reaktif sebelum pemasangan kapasitor Qkompensasi :pengurangan  daya  reaktif  akibat  pemasangan kapasitor Qakhir
:daya reaktif setelah pemasangan kapasitor.

## III. METODE DAN PERANCANGAN
Pada  dasarnya  sistem  ini  berupa  switching  kapasitor yang dipasang paralel pada jaringan listrik. Untuk sistem tiga fasa, kapasitor bank yang digunakan juga kapasitor tiga fasa. Pemberian  nilai  kapasitor  ini  didasarkan  pada  pengukuran sudut  fasa  antara  arus  dan  tegangan  yang  diambil  dari  CT (Current  Transformer)  untuk  pengukuran    arus  dan  alat pengukur  tegangan  untuk  mengukur  tegangan.  Kemudian akan  dibandingkan  dengan  set  poin  yang disetting  pada  PFC (Power  Faktor  Controller).  Sehingga  nantinya  akan didapatkan beberapa parameter pengukuran pada PFC   yaitu tegangan  line  (Volt),  Arus  terukur  (Ampere),  daya  reaktif (kVAR),  daya  aktif  (kW),  daya  semu  (kVA),  selisih  daya reaktif  dengan  setting  (kVAR),  frekuensi  (Hz),  Suhu  ( ᵒ C), Harmonisa V dan I, THD ( Total Harmonic Distortion ) V dan I (%) sebagai parameter berapa nilai kapasitor yang dipasang. Blok  diagram    dari  simulator  perbaikan  faktor  daya  3  fasa
ditunjukkan pada Gambar 1. Sedangkan Konsep pengendalian dari PFC ditunjukkan pada Gambar 3.
Simulator ini didesain dengan input terminal 3 fasa yang dilengkapi dengan proteksinya, 1 terminal untuk beban 3 fasa, 3 step kapasitor yang dirangkai segitiga atau hubungan delta, 3  buah  tombol  untuk  mode  operasi  manual  dan  dilengkapi dengan  controller power  factor  yang  diagram perkawatannya ditunjukkan  pada  Gambar  4  sedangkan  tampilan  desain simulatornya  ditunjukkan  pada  Gambar  5.  Desain  simulator ini  dibuat  berdasarkan  spesifikasi  komponen  seperti  tertera pada tabel 1 dan spesifikasi beban pada Tabel 2.
Gbr 3. Blok Diagram sistem power factor controller
Gbr 4. Diagram perkawatan simulator perbaikan faktor daya 3 fasa
Gbr 5. Rancangan desain simulator perbaikan faktor daya 3 fasa
80
Prinsip  perbaikan  faktor  daya  pada  rangkaian  1  phase dengan  3  phase  adalah  sama,  yaitu  penggunaan  variasi kapasitor,  namun  pada  rancangan    simulator  3  phase  ini dilengkapi  dengan    PF  (power  Faktor)  controller,    artinya bahwa pemilihan kapasitor yang paling sesuai dapat dilakukan secara otomatis dengan bantuan mikrokontroler. Peneliti tetap dapat  memilih  2  mode  yang  disediakan,  yaitu  mode  manual atau  mode  otomatis.  Pilihan  ini  dilakukan  dengan  mengatur saklar  selektor.  Kontroller  ini  disuplai  dengan  tegangan standart  yaitu  230  VAC  (L-N),  tegangan  ukur  30-300  VAC (L-N)  50/60  Hz  dan  arus  ukurnya  sesuai  perencanaan. simulator  ini  dapat  diatur  settingnya  menjadi  Automatic, Programming dan Manual Operation.
TABEL 1. SPESIFIKASI KOMPONEN Nama komponen spesifikasi Kapasitor 3 Fasa Merk SYC; 3 x 9,3 uF; 1,5Kvar; 415V; 2,1A MCB 3 Fasa Merk : CHNT ; 6 A; 3 fasa Relay Kontaktor CHNT, NXB-63, C40 Relay multi kontak 11 terminal Kontak 250VAC/28VDC 10A MCCB 3 Fasa Merk : CHNT; 25 A; 3 fasa Selector Switch Manual / Auto Push Button On/off CT 50/5 A PFC Mikro, PFR60
TABEL 2. SPESIFIKASI BEBAN Nama komponen spesifikasi Motor 3 Fasa 7,5 kW; 380/660V; 15,6/9A; 50 Hz; cos φ 0,84; merk Lampu Bolam 3 x 100 W

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  implementasi  pembuatan  simulator  ditunjukkan pada  Gambar  6.  Simulator  ini  diuji  dengan  2  mode  operasi yaitu mode operasi manual dan mode operasi otomatis. Dalam pengujian ini simulator dihubungkan dengan sumber jala jala 3 fasa sebagai catu dayanya. Dalam pengujian ini digunakan 2 tipe beban yaitu beban resistif menggunakan lampu bolam dan beban induktif menggunakan motor induksi 3 fasa.
Pada  pengujian  mode  operasi  manual  didapatkan  data sebagaimana  ditunjukkan  pada  Tabel  3.  hasilnya  pada pengujian  dengan  beban  lampu  bolam,  nilai  power  faktor
system adalah 1. ini menunjukkan bahwa power faktor system dalam kondisi baik. pada beban motor tanpa beban didapatkan nilai  power  faktor  system  berada  di  level  0,22.  ini menunjukkan  power  faktor  beban  motor  sangat  rendah  dan dikarenakan tidak terbebani. hal ini akan dibandingkan dengan setelah  pemasangan  kapasitor  bank  pada  pengujian  operasi manual. hasil setelah pemasangan 1 unit kapasitor didapatkan nilai  faktor  dayanya  naik  menjadi  0,26,  kemudian  dengan  2 unit  kapasitor  nilai  faktor  dayanya  naik  menjadi  0,37.  dan pada  penambahan  3  unit  kapasitor  didapatkan  nilai  faktor dayanya  naik  menjadi  0,71.  hasil  dari  penambahan  unit kapasitor  ini  berdampak  pada  nilai  daya  yang  dikonsumsi menjadi  turun  yang  dapat  juga  dilihat  dari  nilai  arusnya.  hal ini dapat mengurangi biaya operasional motor induksi 3 fasa.
Pengujian  mode  otomatis  ditunjukkan  pada  Tabel  4. Hasil dari pengujian dengan mode operasi auto menunjukkan nilai  faktor  daya  system  secara  bertahap  mendekati  nilai  set poin  yang  ditentukan  yaitu  0,85,  namun  dalam  eksperimen nilai akhir yang didapatkan berkisar 0,73, hal ini dikarenakan variasi  jumlah  kapasitor  bank  sedikit  dan  step  kapasitas kapasitor  bank  yang  besar  sedangkan  beban  motor  yang digunakan  daya  reaktifnya  melebihi  kapasitas  kapasitor  yang digunakan dalam penerapan.

## Gbr 6. Implementasi pembuatan simulator

## TABEL 3
Hasil Pengujian Alat Saat Mode Operasi Manual No.  Beban
V(volt)  I (A)  Cosq  P (W)  Ket 1 Motor tanpa beban 394 0,69  0,22 103,5  Tanpa kapasitor 2 Motor tanpa beban 394 0,49  0,26 86,94  + Kapasitor 3x9,3uF 3 Motor tanpa beban 394 0,31  0,37 78,2 + Kapasitor 2x3x9,3uF 4 Motor tanpa beban 394 0,12  0,71 58,14  + Kapasitor 3x3x9,3uF 5 Lampu  394 0,26  1 312 Tanpa kapasitor
81
TABEL 4 hasil pengujian alat saat mode operasi auto No.  Beban V(volt)  I (A)  Cosq  P (W)  Ket 1 Motor 394 0,12  0,71 58,1  Posisi Kapasitor di 3x3x9,3uF 2 Lampu bolam 3 394 0,26  1 312  Kapasitor tdk ada yang tersambung

## V. K ESIMPULAN
Dari perancangan dan implementasi simulator perbaikan faktor  daya  3  fasa  didapatkan  hasil  bahwa  dengan penambahan  kapasitor  bank  akan  menyebabkan  faktor  daya menjadi naik. Hal ini berdampak pada daya yang dikonsumsi oleh beban induktif berupa motor induksi 3 fasa menjadi turun dengan performa yang sama. Dengan demikian jika dipasang pada system dengan beban induktif motor yang banyak, akan dapat  menurunkan  biaya  operasi  pemakaian  motor  induksi  3 fasa.

## R EFERENSI
[1] S. Khan, B. Singh, and P. Makhija, “A review on power quality problems and  its  improvement  techniques,”  in 2017  Innovations  in  Power  and Advanced  Computing  Technologies  (i-PACT) ,  Apr.  2017,  pp.  1 – 7.  doi: 10.1109/IPACT.2017.8244882.
[2]  A.  Arranz-Gimon,  A.  Zorita-Lamadrid,  D.  Morinigo-Sotelo,  and  O. Duque- Perez,  “A  Review  of  Total  Harmonic  Distortion  Factors  for  the Measurement of Harmonic and Interharmonic Pollution in Modern Power Systems,” Energies ,  vol.  14,  no.  20,  Art.  no.  20,  Jan.  2021,  doi:
10.3390/en14206467.
[3] I.  Introduction,  “Power  Factor  In  Electrical  Networks  Eng :  Fhaid Basheer  Aldousari,”  vol.  8,  no.  2,  pp.  41– 44,  2018,  doi:  10.9790/9622- 0802034144.
[4] A.  Ojo,  K.  Awodele,  and  A.  Sebitosi,  “Power  Quality  Monitoring  and Assessment of a Typical Commercia l Building,” in 2019 IEEE AFRICON , Sep. 2019, pp. 1 – 6. doi: 10.1109/AFRICON46755.2019.9133970.
[5] A.  B.  Setyarso,  O.  Penangsang,  and  R.  S.  Wibowo,  “Penentuan  Daya Reaktif  Untuk  Perbaikan  Kualitas  Daya  Berdasarkan  Voltage  State Estimation Pada Jaringan Dis tribusi Radial 20 KV Di Surabaya,” J. Tek. ITS , vol. 2, no. 2, Art. no. 2, Sep. 2013, doi:
10.12962/j23373539.v2i2.3378.
[6]  A.  H.  Rahman,  A.  Hidayahtullah,  A.  N.  Ulfa,  R.  Z.  Ahmad,  and  J.  T. Putra,  “Improvement of the power  factor on  the distribution line feeder Sutami  23  Lampung  using  capacitor  bank  and  SVC  with  ETAP  12.6 simulation,” Tek.  J.  Sains  Dan  Teknol. ,  vol.  17,  no.  2,  Art.  no.  2,  Oct. 2021, doi: 10.36055/tjst.v17i2.11729.
[7] H.  Umran,  “STUDY  AND  ANALYSIS  FOR  THE  EFFECTS  OF POWER FACTOR CORRECTION IN AL- NAJAF CEMENT PLANT,” vol. 8, pp. 59 – 72, Jan. 2015.
[8] A.  Aripriharta,  N.  Mardianto,  H.  Amri,  and  M.  Muharnis,  “Rancang Bangun  Simulator  Perbaikan  Faktor  Daya  Listrik  Sebagai  Modul Praktikum di Laboratorium Elektronika Daya,” INOVTEK - Seri Elektro , vol. 2, p. 56, May 2020, doi: 10.35314/ise.v2i1.1274.
[9] M. Butarbutar and M. Riyanto, “Manajemen Sisi Beban dan Optimalisasi Tingkat Konsumsi Energi Di SMK Negeri 2 Pontianak,” Elkha , vol. 10, no. 1, p. 41, 2019, doi: 10.26418/elkha.v10i1.25331.
[10] V .  K.  G.  Sapna  Khanchi#1,  “On  line  power  factor  improvement  of induction motors,” Int. J. Eng. Trends Technol. IJETT – Vol. 4 Issue 7- July  2013  Power ,  vol.  35  n  6,  no.  7,  pp.  1509 – 1513,  1988,  doi:
10.1109/ias.1988.25257.
[11] H.  Hatma  and  T.  Bini,  “ALAT  KO REKSI  FAKTOR  DAYA  PADA INSTALASI  LISTRIK  RUMAH  TINGGAL  3  PHASA  BERBASIS MIKROKONTROLER ATMega 8535,” J. Teknol. Elekterika , vol. 16, no. 1, p. 29, 2019, doi: 10.31963/elekterika.v16i1.2011.