ALIRAN DAYA

&

RUGI-RUGI DAYA

Aliran Daya Reaktif :- mengakibatkan rugi-rugi padasaluran dan transformator

- menurunkan kapasitas jaringandistribusi

- faktor daya menunjukkan besaraliran daya reaktif

Faktor daya daerah perumahan (Rabu)

Faktor daya daerah perumahan (Minggu)

0,7 – 0,9

0,7 – 0,9

No Industry Power Factor Process Power Factor

1 Auto parts 0.75÷0.8 Air Compressing 0.75÷0.8

2 Brewery 0.76÷0.8 Welding 0.35÷0.6

3 Clothing 0.35÷0.6 Machining 0.4÷0.65

4 Hospital 0.75÷0.8 Stamping 0.6÷0.7

5 Commercial Building 0.8÷0.9 Spraying 0.6÷65

Faktor Daya “typical” berdasarkan jenis industri dan jenis proses

(motor industri menyerap energi listrik > 50%)

Faktor Daya motor induksi sangat tergantung pada beban

Peralatan/Beban yang menyerap Daya Reaktif

1. Motor Induksi

Power Ml M2 M3 M4 M5 M7

HP 1 5 25 50 100 200

kW - 0.746 3.7 18.65 37.3 74.6 149.2

Output[W] 746 3,730 18,560 37,300 74,600 149,200

Input [W] 1,020 4,491 20,946 41,217 81,530 160,432

Efficiency [%] 73 83 89 90.5 91.5 93

Distribusi Rugi-Rugi “typical”

Power Ml M2 M3 M4 M5 M7HP 1 5 25 50 100 200kW 0.746 3.7 18.6 37.3 74.6 149.2

MagnetiC Core Loss [W] 76 225 351 765 906 1,650Total Loss [W] 274 761 2,296 3,917 6,930 11,232

. Magnetic Loss [%] 27 29 15 19 13 15Magnetic Loss current [A] 0.1 0.31 0.5 1.06 1.2 2.3

Rugi-Rugi Magnetik

Motor Component Loss Loss [%]Standard power loss 37Rotor power loss 18Magnetic core loss 20Friction and windings 9Stray load loss 10

Komposisi Rugi-Rugi

Efisiensi motor induksi tergantung pada besar/size dari

motor (makin besar motor makin tinggi efisiensinya)

Rata-rata rugi magnetik 20 % dari rugi-rugi total (cukup

significant)

2. Alat Pengatur Kecepatan (Variable Speed Drive)

Untuk aplikasi industri, motor induksi membutuhkan

pengaturan kecepatan

Digunakan variable speed drive system yang

menghasilkan variable frequency dan variable voltage

Faktor daya dari three phase diode bridge rectifiers

sangat tinggi (teoritis : 0.955)

Bila digunakan thyristor bridge rectifiers, faktor daya

menjadi fungsi dari firing angle dan overlap angle yang

akan meningkatkan konsumsi daya reaktif

3. Discharge LampsRangkaian lampu yang menggunakan choke/leakage transformer ballast mempunyai faktor daya lagging yang rendah

Faktor daya dikoreksi dengan kapasitor menjadi 0,85 atau lebih (rangkaian < 30 watt biasanya tidak dikoreksi)

Koreksi faktor daya dari 0,5 menjadi 0,85 akan menghasilkan penurunan arus sebesar 40 %

Keuntungan Electronic Ballast :

Improved circuit efficiency i.e. reduced ballast loss Reduction in weight, particularly for larger lamp sizes. Improved luminous efficacy for many lamp types Absence of flicker. Elimination of audible ballast noise. Elimination of supply current harmonics and provision of unity power

factor without the use of a correction capacitor. Facility for accurate control of lamp power or current. Reduced run-up time and restart time for high-pressure lamps. Controlled starting and operating conditions leading to improved

lamp life.

4. Transformator

Rugi-rugi trafo tergantung pada besar arus beban dan tahanan belitan primer & sekunder trafo

Bila mengalir arus nominal, rugi-rugi trafo :

Atau,

Rugi-rugi total :

Contoh 1 :Diketahui transformer dng data Sn : 500 kVA, V:11/0.4 kV, ΔPo : 2100 W and ΔPn = 9 450 W, hitung dan plot rugi-rugi sebagai fungsi beban.

Load [%] 10 25 50 75 100Load [kVA] 50 125 250 375 500

No-load Losses [W] 2100 2100 2100 2100 2100

Load Losses [W] 94.5 590 2362 5315 9450Total Losses [W] 2194.5 2690 4462 7415 11550Losses [%] 95.6 78 47 28 18

Transformer load and no-load losses as a function of load

Rugi-rugi no-load constant tidak tergantung pada beban

No load losses (in % of total losses) as a function of transformer load

Rugi-rugi per kVA

Beban optimal (ekonomis) trafo :

Secon : pembebanan ekonomistrafo

Transformer losses per KVA as a function of transformer load

CATATAN :

1. Minimum losses per kVA terjadi pada beban trafo kira-kira 50% rated capacity

2. Hanya rugi-rugi trafo yang diperhitungkan (tidak termasuk rugi-rugi saluran/supply lines)

Daya reaktif trafo tanpa beban :

i0 = arus tanpa beban (%)

Daya reactif yang diserap trafo :

Daya reactif beban penuh

atau

Daya reaktif beban penuh juga dapat ditentukan sbb.:

Untuk trafo besar, S n > 1 MVA

Daya reaktif total trafo :

Aliran daya reaktif menghasilkan rugi-rugi pada jaringan distribusi :

kq : 0.1 ÷ 0.2

Rugi-rugi total : Rugi-rugi trafo dan rugi-rugi jaringan distribusi

Rugi-rugi tanpa beban

Rugi-rugi berbeban

Rugi-rugi per kVA dari daya VA :

Beban optimal (ekonomis) trafo :

Contoh 2 :Diketahui trafo dng data 1000 kVA, u% = 5%, io = 4.5%, ΔPo= 4000kW , ΔPn = 14000W

Rugi-rugi tanpa beban :

Rugi-rugi beban nominal (rated load) :

Untuk kq = 0.15, beban ekonomis trafo :

When total losses appearing in both transformers and distribution lines are taken into account, the optimal

transformer load is about 70% of full load.

25

TUGAS-2• Siapkan sistem jaringan distribusi (1 feeder)• Run Load Flow• Check rugi-rugi trafo-nya• Cari data typical dari rugi-rugi trafo untuk

pembebanan nominal (ΔPn), dan beban nol (ΔP0)

• Hitung rugi-rugi total (ΔPt) dari trafo.• Note: S ditentukan dari hasil run Load Flow.

Perhitungan Rugi-Rugi akibat Aliran Daya Reaktif

ΔP : rugi-rugi akibat aliran daya reactif

φ : sudut fasa antar tegangan dan arus supply

R : tahanan saluran supply

Rugi-rugi transmission dan distribusi (dikompensasi oleh capacitor banks)

Q : P tan φQc : kapasitas dari

compensating devices

Losses in distribution lines depend on the location of customers, and they should be calculated for each customer individually

To obtain losses of electrical energy, power losses should be multiplied by the number of hours of demand. This is a relatively easy task when demand is constant. Unfortunately, in practice, demand varies during the day, so there is a need for the introduction of a measure allowing the determination of energy losses for varying demand.

TUGAS :

RUMUS UTK MENENTUKAN RUGI-RUGI ENERGI DNG MENGGUNAKAN LOSS FACTOR

Kompensasi Daya ReaktifPembangkitan Daya Reaktif KapasitifDaya reaktif induktif yang dibutuhkan peralatan listrik dapat dng mudah diperoleh secara lokal dari kapasitor yang terhubung paralel (shunt capacitors). Dengan demikian aliran daya reaktif dari sumber/pembangkit yang jauh bisa dihindari, sehingga dapat mengurangi rugi-rugi akibat aliran daya reaktif.

Flow of active and reactive power without compensation

Flow of active and reactive power with compensation

Synchronous generators at power stations that produce and supply reactive power. Such generators can be used to supply reactive power to local customers. Transmission of reactive power to distant customers is associated with network losses and is not cost effective. Synchronous generators are designed in such a way that the optimal operating point requires some reactive power generation, so a very high power factor is not feasible.Synchronous condensers that consist at unloaded generators connected in various places within the supply network. Their primary role is to supply only reactive power. Due to high initial cost and significant losses, synchronous compensators are only used in applications where their voltage regulating and stabilizing effects are necessary.Synchronous motors can produce reactive power when overexcited. Since small synchronous motors are expensive, this method is rarely used.

Capacitors are the best solution to producing reactive power, due to their low initial cost and inexpensive maintenance

Reactive power may be generated by rotating compensators or capacitors

mutual interaction of inductive and capacitive currents, by their arithmetic summation, leads to high values for a power factor, calculated as cos φ, and reduction of supply current magnitude

Kapasitor pada sistem 3 fasa dapat dihubungkan delta atau star.Hubungan delta memberikan daya reaktif lebih besar

dari hubungan star dengan harga kapasitor (μF) yangsama. Ini diakibatkan oleh tegangan antar fasa yang lebih

besar pada capacitor bank dengan hubungan delta

Daya reaktif yang dibangkitkan oleh kapasitor :

Arus kapasitor :

(sin φ = 1.0)

HUBUNGAN DELTA

HUBUNGAN STAR

Tegangan pada kapasitor :

V : Tegangan antar fasa

Daya reaktif yang dibangkitkan :

Although a delta configuration provides three times more reactive power than a star arrangement, capacitors connected in delta are subjected to higher voltages; therefore, this arrangement is not recommended for HV installations.

Lokasi KapasitorCentral compensation capacitor bank terhubung pada HV incoming

feeder.Group compensation capacitor bank terhubung pada MV/LV buses. Individual compensation unit capacitor terhubung pada motor2.

KeuntunganUtilization of reactive power compensating banks,

since all motors do not operate at the same time.Low maintenance cost.

KerugianSwitching the protection equipment may cause explosionsTransients caused by energizing of a large capacitor groupSpace requirementsProvides only upstream compensation

Central compensation mengakibatkan penurunan rugi2 pada sisi supply, rugi2 pada jaringan industri tidak terkompensasi. Kompensasi ini hanya untuk memenuhi persyaratan perusahaan listrik agar mempunyai faktor daya diatas yang ditentukan (PLN menentukan faktor daya minimal 0.85 lag)

Group compensation

Keuntungan :

Low installation costAbility to utilize installed capacitanceLow maintenance cost

Aspek negatif :

Necessity to install capacitor banks on each MV/LV bus Only upstream compensation Space requirements

Individual capacitor unitsKeuntungan :

increased capacity of the supply linesprovide direct voltage supportcapacitor and load are switched ON/OFF together, which does not

require expensive switching equipment easy selection and installation of capacitor units

Aspek negatif :

high installation cost, since price per kVAr is higher for small unitsrequires lengthy calculationsinstallation is not fully utilizedover-excitation of a motorlarge transients generated in frequently switching the installation

(ON/OFF) longer running off periods for some loads

The best solution is usually a combination of individual and group compensation. Although this solution involves lengthy calculations, it can be cost effective in many installations.

1. Release Line Capacity

The flow of reactive power causes not only energy losses due to resistance of distribution lines, but it also reduces the capacity of transmission lines, in particular in peak demand periods.

Contoh 3:

Diketahui beban yang menyerap daya aktif yang dinyatakan dengan arus aktif sebesar 50A. Harga awal cos φ nya adalah 0.5 lagging, yang menghasilkan arus total sebesar 100A.

Hitung peningkatan kapasitas saluran, bila faktor daya diperbaiki dengan compensating devices. Hasil perhitungan diberikan pada tabel2 berikut.

Ia

ItIr

φP (kW)

S (kVA)Q (kvar)

φ

cos φ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.98

sin φ 0.866 0.8 0.71 0.6 0.43 0.2

Reactive current [A] 86 66.4 50.7 37.5 23.8 10.2

Total current [A] 100 83 71.4 62.5 55.5 51

Active current [A] 50 50 50 50 50 50

Line Capacity Increase (%) 0 17 28,6 37.5 44.5 49

Increase of supply line capacity due to power factor improvement

It is very difficult to evaluate the exact increase of line capacity, in particular when many distribution lines are not fully loaded, even in peak periods

Increase of supply line capacity due to power factor

improvement

2. Jaringan Industri

Untuk menekan biaya peralatan kompensasi daya reaktif adalah dengan menentukan lokasi yang tepat untuk pemasangan kapasitor, yang tidak hanya mengurangi kebutuhan daya reaktif tetapi juga biaya peralatan dan pemasangan yang minimal.

Jaringan industri umumnya mempunyai konfigurasi radial. Kompensasi daya reaktif di industri bertujuan untuk mencapai faktor daya tertinggi di gardu indukyang menghubungkan sistem kelistrikan industri tsb dengan jaringan distribusi/transmisi, dan mengurangi rugi-rugi pada sistem kelistrikan industri

Metode paling efektif adalah individual compensation karena memberikan kompensasi daya reaktif langsung ke beban. Pada kondisi-kondisi tertentu metode ini sangat mahal, dan bisa mengakibatkan kenaikan tegangan yang cukup besar pada belitan/kumparan motor induksi.

Central compensation adalah metode kompensasi yang paling sederhana, karena kompensasi dipasang pada main substation. Tetapi metode ini tidak mengurangi rugi-rugi didalam sistem kelistrikan.

Pada Group compensation, peralatan kompensasidipasang pada substation yang mensupply kelompok2 beban. Kompensasi ini bertujuan untuk mengurangi rugi-rugi energi pada semua saluran supply.

Fungsi objective untuk memperoleh total rugi2 minimal pada semua saluran supply (group compensation) diformulasikan sbb.:

Qi = reactive power consumed in each substation,

Qci = reactive capacitance to beinstalled in each substation

Ri = resistance of supply linesV = supply voltage

Constraint dari permasalahan ini adalah harga dari faktor daya pada main bus (yang telah ditentukan), dan kapasitas kapasitor harus sama dengan besar daya reaktif yang harus dikompensasi untuk faktor daya tertentu.

Qctotal = the total value of capacitance to be installed.

Permasalahan ini dapat diselesaikan dengan menggunakan 2 metode :

by application of Lagrange multiplierby application of Dynamic Programming

Line P [kW] Q[kV A] R [Ω]

1 150 60 4.02 110 60 2.03 100 130 0.54 150 250 0.2

Total 510 500 -

Sebagai contoh perhitungan praktis, perhatikan saluran ke 4 dari sistem dibawah ini (lihat tabel)

Faktor daya pada main bus ditentukan, yaitu 0.96, maka kapasitas kapasitor yang dibutuhkan adalah 350 kVAr. Hasil optimasi diberikan pada tabel dibawah ini. Untuk memberikan gambaran dari metode optimasi ini, lokasi kapasitor dan rugi-rugi ditentukan dengan menggunakan "classical approach" dimana kompensasi faktor daya dilakukan pada setiap substation untuk mencapai 0.96.

Optimal Calculation Classical Approach

Substation QC[kVAr] Losses QC[kVAr] Losses

[kW] [kW]

1 50 0.77 20 12.3

2 50 0.43. 30 3.5

3 100 0.87 100 0.87

4 150 3.87 200 0.967

Total 350 5.94 350 17.64

50

TUGAS

• Dengan metode “trial and error”, tentukan nilai kapasitor yang menghasilkan total rugi2 antara 5,94 kW dan 17,64 kW

• Buat 2 (dua) scenario

3. Penyulang (Feeders) DistribusiPada jaringan supply distribusi, optimisasi aliran daya reaktifbertujuan untuk menentukan lokasi kapasitor pada suatu feeder sehingga rugi-rugi yang disebabkan oleh aliran daya reaktif minimal, untuk mempertahankan tegangan (maximum) sepanjang feeder tsb, dan untuk meminimisasi biaya pemasangan.

check

Untuk menghindari over kompensasi pada saluran supply, capacitor banks should be split into two parts: fixed capacitors and switched capacitors.

When demand is not known, it is assumed, as a rule of thumb, that 1/3 of the units are fixed on line year around, while 2/3 of the units are switched due to the variable demand-

Bila capacitor banks akan dipasang pada satu titik di saluran supply, maka circuit load centre ditentukan sbb.:

wherePi : loads in a particular section of the

supply line li : distances between nodes

Contoh 4:

2.2 x 500 + 1.5 x 1000 + 0.5 x 2000 2.2

Lcenter = = 1636 m

Load centre mendekati node 2, sehingga capacitor bank dipasang pada node 2.

This simple rule-of-thumb does not take into account either varying demand or differences in line resistance between feeder nodes. It is estimated that this method provides the optimal solution in less than 40% of cases.

Side Effects1. Overcompensation

Bila terjadi overcompensation, tegangan saluran supply menjadi lebih tinggi dari nominalnya, yang akan mempengaruhi beban-beban lain yang terhubung pada saluran tsb. Hal ini mengakibatkan berkurangnya umur isolasi, dan mempunyai dampak negatif pada beban-beban sensitif, misalnya lampu pijar.

Automatic capacitor controlIn order to avoid overcompensation, equipment for group or central compensation is often provided with automatic regulation, switching capacitors in and out in step with the load. When large load fluctuations exist, it is recommended to use an automatic bank with several steps. Switching of the capacitors isregulated by a power factor relay, keeping the power factor at the setting value

2. Induction Motor Excitation

Kompensasi individual dari motor-motor induksi dengan ratings sampai dengan 8 kW bisa digunakan besaran standard dari kapasitor tegangan rendah.

However, capacitors used for individual compensation should not be too large. This limitation results from possible motor excitation. When an induction motor is disconnected from the supply and continues to rotate, the capacitor feeds excitation current to the motor that starts operating as an induction generator. If the capacitor is too large, the self-excitation voltage is higher than the rated voltage. This can damage both the motor and capacitor.

Untuk menghindari masalah ini, individual compensation should never have an output higher than the output corresponding to the no-load current of the motor,

where Io = no-load current

Bila data Io tidak ada, Io dapat ditentukan sbb.:

When a capacitor is to be connected to a motor with a star/delta switch, it is important to check that there is no switching position in which the capacitor is either directly short-circuited or in series with the motor windings

Capacitors reduce motor supply currents, so the setting of the motor protection switch should be adjusted to give the same protection to the motor as it was before compensation

Case StudyReactive Power Compensation in Industrial Networks

An industrial customer intends to increase production by the installation of new machines. The new installation comprises seven induction motors of 22 kW. A new supply line of 185 mm2 (copper) is proposed. An initial calculation showed that the new installation would cause the transformer to be overloaded. Consider compensation of reactive power to reduce energy demand.

No Load PkW cosφ Q

kVArS

kVAIA

IactiveA

IreactiveA

1 Metal Halide Lamp220*400W 88 0.85 54.5 103.5 144 122 76.4

2 Induction Motors5.5 kW*16 88 0.7 90 125 174 122 124

3 Induction Motors11kW*9 99 0.6 132 165 230 138 184

4 Induction Motors22kW*7 154 0.7 157 220 306 214 218

Total 429 - 433.5 610 847 596 602.4

No Load PkW cosφ Qnew

kVArQC

kVArS

kVAIA

IactiveA

IreactiveA

1 Metal Halide Lamp220*400W 88 0.96 25.6 28.9 91.6 127 122 35.6

2 Induction Motors5.5 kW*16 88 0.96 25.6 64.4 91.6 127 122 35.6

3 Induction Motors11kW*9 99 0.96 28.6 103.2 103.1 143 138 40.25

4 Induction Motors22kW*7 154 0.96 44.9 112.1 160.4 223 214 62.4

Total 429 - 125 308.6 446.8 620 596 173.8

Parameters OPTION 1Uncompensated

OPTION 1Compensated

S [kV A] 610 447

Transformer load [%] maximum 122(*) 89Total current [A] 847 620Total active current [A] 596 596Total reactive current [A] 602 174Average cos φ 0.7 . 0.96Active power [kW] 429 429Reactive power [kVAr] . 433 125Compensation devices [kVAr] - 308.6

Tugas UTS

SIAPKAN SISTEM KELISTRIKAN PLN (JTM)

1. RUN LOAD FLOW (BASE CASE) PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JARINGAN, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO

2. PEMBEBANAN DIUBAH SHG TERJADI MASALAH POWER QUALITY PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JARINGAN, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO

66

Tugas UTS

3. BERIKAN KOMPENSASI DAYA REAKTIF YANG MENGHASILKAN PENGURANGAN LOSSES (C DI PASANG PADA 2/3 PANJANG FEEDER, PADA LOAD CENTER, DLL) PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JTM, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO (GI & DISTRIBUSI)

4. UTK NO 3, HITUNG PENINGKATAN AVAILABLE POWER, RELEASE CAPACITY & PENGURANGAN LOSSES, FAKTOR DAYA

67

Tambahan Kuliah

• Tgl 03 – 04 – 08 , Kamis, jam 18.30, di Lab SSTL (reg)

• Tgl 03 – 04 – 08 , Kamis jam 16.00, ruangC103 (ext)

68

Tugas UTS

SIAPKAN SISTEM KELISTRIKAN INDUSTRI

1. RUN LOAD FLOW (BASE CASE) PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JARINGAN, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO

2. PEMBEBANAN DIUBAH SHG TERJADI MASALAH POWER QUALITY PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JARINGAN, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO

Tugas UTS

3. BERIKAN KOMPENSASI DAYA REAKTIF YANG MENGHASILKAN PENGURANGAN LOSSES (BESAR DAN LOKASI C DITENTUKAN SECARA TRIAL AND ERROR) PROFILTEGANGAN, DAYA INPUT, FAKTOR DAYA, LOSSES JARINGAN, LOSSES TRAFO, PEMBEBANAN TRAFO

4. UTK NO 3, HITUNG PENINGKATAN AVAILABLE POWER, RELEASE CAPACITY & PENGURANGAN LOSSES, PENINGKATAN FAKTOR DAYA