Memperbaiki Power Factor Menggunakan Motor Sinkron

 

Motor sinkron

Motor sinkron (synchronous motor) adalah mesin listrik sinkron yang berfungsi mengonversi energi listrik ac (alternating current) menjadi energi mekanik berupa gerak rotasi. Pemakaian istilah sinkron di sini bermakna bahwa kecepatan rotasi mekanik (shaft rotor) mesin akan selalu bernilai sama dengan kecepatan rotasi medan magnetnya dalam kondisi steady state. Hal ini menjadi pembeda utama antara motor sinkron dan motor induksi (induction motor atau asynchronous motor), dimana pada motor induksi terdapat faktor slip, sehingga kecepatan rotasi mekanik selalu sedikit lebih rendah dibandingkan kecepatan rotasi medan magnetnya, dan semakin besar beban motornya, kecepatan rotasi shaft rotor motor induksi akan cenderung berkurang, sedangkan pada motor sinkron, kecepatan rotasi mesin selalu sama dengan kecepatan medan magnetnya (sinkron).

 

Komponen utama motor sinkron terdiri dari rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar dan terhubung secara langsung dengan shaft motor (output energi mekanik). Di dalam rotor terdapat suatu lilitan atau kumparan yang disebut field coil. Pada field coil ini diberikan arus listrik dc (direct current) yang umumnya disebut sebagai arus eksitasi atau field current, fungsinya untuk menghasilkan medan magnet statis di sekitar field coil atau rotor.

 

Sedangkan bagian kedua yaitu stator adalah bagian motor yang diam, dimana sejatinya stator merupakan suatu lilitan atau kumparan yang umum disebut armature coil. Pada armature coil ini diberikan suplai listrik ac (alternating current), sehingga akan menghasilkan medan magnet yang berotasi. Rotasi medan magnet dari stator inilah yang akan menggerakkan medan magnet statis pada rotor, sehingga rotor akan berputar menghasilkan energi mekanik. Suplai daya listrik pada bagian stator ini merupakan daya listrik input pada motor sinkron, sedangkan daya mekanik pada shaft rotor merupakan daya output pada motor sinkron.

 

Selain sebagai motor listrik yang dapat diaplikasikan dalam banyak kebutuhan mesin industri, dalam teknik electrical power system, motor sinkron kerap di manfaatkan juga untuk memperbaiki power factor (selanjutnya akan kami sebut PF) pada sebuah sistem daya listrik. Hal ini dikarenakan kemampuan motor sinkron yang dapat menyerap daya reaktif maupun menyuplai daya reaktif terhadapat sistem daya listrik. Bagaimana caranya memeperbaiki power factor (PF) menggunakan motor sinkron? Berikut penjelasannya.

 

Pengaruh Field Current Pada Motor Sinkron

 

Seperti sudah kami singgung, field current adalah arus dc yang dieksitasikan pada kumparan field coil dalam rotor. Semakin besar nilai arus eksitasi ini, maka akan semakin besar pula flux magnet yang muncul disekitar field coil, dan akan semakin besar pula tegangan induksi yang dihasilkan pada internal armature coil ketika rotor sudah berputar (ingat bahwa tegangan induksi ini berbeda dengan tegangan suplai), hal tersebut sesuai dengan persamaan berikut.

 

E          = K x Φ x ω

 

Dimana E adalah tegangan induksi (V) pada internal armature coil (stator) akibat medan magnet yang dihasilkan field coil, K adalah konstanta mesin yang dipengaruhi konstruksi mesin sinkron, Φ adalah besarnya flux magnet rotor (Wb), dan ω adalah kecepatan angular rotasi mesin (rad/s). Perubahan nilai E akibat pengaruh nilai field current ini, sementara tegangan input daya pada stator bernilai konstan (disuplai suatu power system), menyebabkan 3 kemungkinan sebagai berikut.

 

1. Bila arus eksitasi diperbesar pada nilai tertentu yang cukup besar (over excited), maka motor sinkron seolah menjadi beban capasitif (mirip capasitor), sehinggan akan memiliki PF leading. Dampaknya bagi power system adalah motor sinkron akan akan menyuplai daya reaktif (+Q) ke sistem. Disisi lain berarti sistem daya menyerap daya reaktif dari motor sinkron tersebut (-Q).

 

2. Bila arus eksitasi bernilai tertentu, tidak terlalu besar dan tidak terlalu kecil, maka motor sinkron seolah akan menjadi beban resistif murni (mirip resistor), sehingga akan memiliki PF unity (PF = 1). Pada kondisi ini motor sinkron tidak menghasilkan juga tidak menyerap daya reaktif (Q = 0).

 

3. Bila arus eksitasi diperkecil pada nilai tertentu yang cukup kecil (under excited), maka motor sinkron seolah menjadi beban induktif (mirip induktor), sehinggan akan memiliki PF lagging. Dampaknya bagi power system adalah motor sinkron akan akan menyerap atau mengonsumsi daya reaktif (-Q). Disisi lain berarti sistem daya harus menyuplai daya reaktif kepada motor sinkron tersebut (+Q).

 

Jadi, sebagai kesimpulannya, motor sinkron dapat diatur nilai PF nya melalui pengaturan arus eksitasi atau field current. Pada umumnya, mayoritas beban listrik adalah bersifat induktif (trafo, motor induksi, dan lain-lain), sehingga ditinjau dari sisi power system, beban akan memiliki PF lagging. Kemampuan motor sinkron untuk bekerja pada PF leading (dengan kondisi over excited), membuatnya dapat memberikan daya reaktif pada sistem, sehingga dapat memperbaiki PF sistem kelistrikan (karena daya reaktif yang harus disuplai oleh sistem ke beban-beban induktif akan berkurang).

 

Pengaruh PF Motor Sinkron Pada Sistem Daya

 

Untuk lebih mudah memahami penjelasan di atas, perhatikan contoh kasus dan gambar ilustrasi berikut ini.

 

Memperbaiki PF dengan motor sinkron

Gambar diatas menunjukan sebuah power system menyuplai daya listrik pada 3 buah beban. Beban pertama adalah motor induksi (M1) 100 kW dengan PF 0,78 lagging. Beban kedua adalah motor induksi (M2) 200 kW dengan PF 0,8 lagging. Beban ketiga adalah motor sinkron (M3) 150 kW dengan PF yang dapat di diatur nilainya. Kita akan membahas 2 kasus sebagai berikut.

 

Kasus 1 : Bila motor sinkron (M3) tidak terpasang ke sistem (tidak dioperasikan), jadi hanya M1 dan M2 yang disuplai sistem, berapakah PF total yang dirasakan oleh power system?

 

Kasus 2 : Bila motor sinkron (M3) terpasang ke sistem, dan di operasikan dengan PF 0,85 leading, berapakah PF total yang dirasakan oleh power system?

 

#Review rumus daya listrik

 

Sebelum kita membahas kedua kasus di atas, mari kita review terlebih dahulu rumus rumus daya listrik berikut ini, karena akan kita gunakan dalam pembahasan berikutnya.

 

P          = S x Cos θ                …..(rumus 1)

S          = P / Cos θ

 

* Cos θ = Power factor (PF)

*P adalah daya aktif (kW), S adalah daya tampak (kVA), θ adalah beda sudut fasa arus terhadapa tegangan (derajat).

*Dalam sistem listrik 1 phase, S = V x I

*Dalam sistem listrik 3 phase, S = √3 x V x I

 

Q         = S x Sin θ                 …..(rumus 2)

Q         = (P/Cos θ) x Sin θ

Q         = P x (Sin θ / Cos θ)

Q         = P x Tan θ                …..(rumus 3)

θ          = Tan^-1 (Q/P)

 

*Q adalah daya reaktif (kVAR)

 

PF       = Cos θ

PF       = Cos (Tan^-1 (Q/P))  …..(rumus 4)

 

#Pembahasan kasus 1

 

Diketehui

P₁ = 100 kW, PF₁ = 0,78 lagging

P₂ = 200 kW, PF₂ = 0,8 lagging

 

Menghitung Q₁

Q₁        = P₁ x Tan θ₁

Q₁        = (100 kW) x Tan (Cos^-1 0,78)

Q₁        = (100 kW) x Tan 38,7^O

Q₁        = 80,2 kVAR

 

Menghitung Q₂

Q₂        = P₂ x Tan θ₂

Q₂        = (200 kW) x Tan (Cos^-1 0,8)

Q₂        = (200 kW) x Tan 36,87^O

Q₂        = 150 kVAR

 

Menghitung P_tot (Daya aktif power system)

P_tot       = P₁ + P₂

P_tot       = 100 kW + 200 kW

P_tot       = 300 kW

 

Menghitung Q_tot (Daya reaktif power system)

Q_tot      = Q₁ + Q₂

Q_tot      = 80,2 kVAR + 150 kVAR

Q_tot      = 230,2 kVAR

 

Menghitung PF_tot (PF total beban yang dirasakan power system)

PF_tot     = Cos θ

PF_tot     = Cos (Tan^-1 (Q_tot/P_tot))

PF_tot     = Cos (Tan^-1 (230,2 kVAR/300 kW))

PF_tot     = Cos (Tan^-1 0,767)

PF_tot     = Cos (22,5^O)

PF_tot     = 0,798 lagging

 

*PF Lagging karena Q_tot bernilai positif, berarti power system menyuplai daya reaktif (+Q).

 

#Pembahasan kasus 2

 

Diketahui (juga dari pembahasan kasus 1)

P₁ = 100 kW, Q₁ = 80,2 kVAR

P₂ = 200 kW, Q₂ = 150 kVAR

P₃ = 150 kW, PF₃ = 0,85 leading

 

Menghitung Q₃

Q₃        = P₃ x Tan θ₃

Q₃        = (150 kW) x Tan ( - Cos^-1 0,85)

 

*Ingat bahwa pada kondisi motor sinkron memiliki PF leading, motor akan menghasilkan atau menyuplai daya reaktif, dilihat dari sisi power system, power system menyerap daya reaktif tersebut, sehingga nilai Q₃ harus lah bernilai negative. Maka muncul tanda negative didepan Cos^-1 0,85 tersebut. Hal ini juga untuk menunjukkan bahwa arah aliran Q₃ berlawanan dengan arah panah pada gambar ilustrasi di atas.

 

Q₃        = (150 kW) x Tan (– 31,8^O)

Q₃        = – 93 kVAR

 

Menghitung P_tot (Daya aktif power system)

P_tot       = P₁ + P₂ + P₃

P_tot       = 100 kW + 200 kW + 150 kW

P_tot       = 450 kW

 

Menghitung Q_tot (Daya reaktif power system)

Q_tot      = Q₁ + Q₂ + Q₃

Q_tot      = 80,2 kVAR + 150 kVAR – 93 kVAR

Q_tot      = 137,2 kVAR

 

Menghitung PF_tot (PF total beban yang dirasakan power system)

PF_tot     = Cos θ

PF_tot     = Cos (Tan^-1 (Q_tot/P_tot))

PF_tot     = Cos (Tan^-1 (137,2 kVAR/450 kW))

PF_tot     = Cos (16,96^O)

PF_tot     = 0,957 lagging

 

*PF Lagging karena Q_tot bernilai positif, berarti power system menyuplai daya reaktif (+Q).

 

Sebagai kesimpulannya, dapat kita lihat bahwa pada kondisi kasus 1, sebelum dioperasikan motor sinkron, power system melihat total beban memiliki PF = 0,798. Setelah dioperasikan motor sinkron dengan kondisi over excited atau pada PF leading dengan nilai 0,85, terjadi perbaikan nilai PF menjadi lebih tinggi, yaitu 0,957. Tentu saja nilai PF yang lebih tinggi menunjukan kualitas daya sistem yang lebih baik.

 

Synchronous Capasitor / Synchronous Condeser

 

Pada aplikasi tertentu, terkadang motor sinkron dipasang pada sebuah sistem daya listrik tanpa ada kebutuhan daya mekanik dari output motor tersebut. Artinya, motor dioperasikan tanpa beban mekanik dan secara fungsi mesin, menjadi tidak berguna. Akan tetapi, hal tersebut di lakukan untuk melakukan perbaikan power factor pada sistem daya listrik tersebut, dimana motor sinkron beroperasi hanya berfungsi untuk menyuplai daya reaktif kepada sistem daya listrik, untuk meningkatkan nilai PF pada kondisi mayoritas beban bersifat lagging.

 

Pada operasi motor sinkron over excited, dan tanpa beban, bagi sistem daya listrik yang menyuplai daya, motor tersebut persis layaknya sebuah capasitor, sehingga konsep power factor correction ini dinamakan synchronous capasitor atau synchronous condenser. Sebagai catatan, condenser adalah nama lama dari capasitor, di masa kini, para engineer lebih umum menyebutnya sebagai capasitor.

 

Pada contoh sebelumnya, sistem menggunakan motor sinkron berkapasitas 150 kW untuk memperbaiki nilai PF. Apabila motor sinkron tersebut tidak dibebani, daya aktif yang dikonsumsi oleh motor sinkron sangat kecil, yaitu hanya untuk losses daya di dalam mesin tersebut. Sementara, fungsinya dalam menyuplai daya reaktif dan memperbaiki PF tetap dapat digunakan sebagaimana pada contoh perhitungan di atas, bedanya, nilai P₃ pada perhitungan diatas akan bernilai kecil, mungkin sekitar 2 – 5% dari nilai 150 kW, tergantung efisiensi motor sinkron itu sendiri.

 

Demikian penjelasan yang dapat kami sampaikan mengenai cara memperbaiki power factor menggunakan motor sinkron. Metoda lain untuk memperbaiki nilai PF selain dengan memanfaatkan motor sinkron adalah menggunakan capasitor bank. Apabila kalian tertarik mempelajari bagaimana capasitor bank dapat memperbaiki nilai PF, maka kalian dapat membaca artikel kami sebelumnya yang berjudul “Menghitung Kebutuhan KVAR Capasitor Bank”. Pada umumnya, penggunaan capasitor bank lebih banyak digunakan untuk perbaikan kualitas daya, hal ini dikarenakan biayanya yang lebih murah, lebih low maintenance, dan operasi yang lebih mudah.

 

Penulis : ER

 

Share this post