Kapasitor Bank

5/10/2018 Kapasitor Bank

1/27

UNIT PENGA WAL BANK KAPASITOR

KAMAL ASHRAFF BIN MOHAMAD ASHRA Y

Laporan Ini Dikemukakan Sebagai Memenuhi Sebahagian Daripada SyaratPenganugerahan Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Elektrik (Kuasa Industri)

Fakulti Kejuruteraan ElektrikUniversiti Teknikal Malaysia Melaka

Mei2007

11


2/27

VI

ABSTRAK

Tesis ini membincangkan rekabentuk, pembangunan serta analisa keberkesananunit pengawal bank kapasitor satu fasa (240V,50Hz). Pembetulan faktor kuasamenggunakan bank kapasitor berupaya mengurangkan penggunaan kuasa reaktif yangsecara tidak langsung mengurangkan kehilangan kuasa dan dalarn pada masa yang sarnameningkatkan kecekapan sistem elektrik satu fasa. Dalarn usaha menjimatkan tenaga,kini kapasitor bank bagi litar satu fasa untuk kegunaan domestik dihasilkan.Pembangunan projek ini antara lain bertujuan meningkatkan serta memperbaikipengoperasian bank kapasitor satu fasa yang sedia ada dengan menggunakanmiropengawal. Unit pengawal yang akan dihasilkan ini berupaya mengawal turutanoperasi bank kapasitor bergantung kepada arus yang berubah mengikut beban.Transformer arus digunakan bagi menghasilkan arahan pensuisan untuk menarnbah ataumengurangkan turutan kapasitor. Projek ini akan mengaplikasikan penggunaanmikropengawal PIC (Peripheral Interface Controller) yang akan memproses data danmengawal pengoperasian bank kapasitor. Kawalan pintar menggunakan unit pengawalmembolehkan turutan bank kapasitor dikawal secara teratur, meminimakan operasipensuisan serta mengoptimumkan pembetulan faktor kuasa.


3/27

VB

ABSTRACT

This paper discusses the design, implementation and analysis of a single phase(240V, 50Hz) capacitor bank controller unit. Power factor correction using capacitorbanks reduces reactive power consumption which will lead to minimization of lossesand at the same time increases the electrical system's efficiency. Power saving issuesand reactive power management has brought to the creation of single phase capacitorbanks for domestic applications. The development of this project is to enhance andupgrade the operation of single phase capacitor banks by developing a micro-processorized based control system. The control unit will be able to control capacitorbank operating steps based on the varying load current. Current transformer is used tomeasure the load current for sampling purposes. This project applies the PeripheralInterface Controller ( PIC ) microcontroller to produce switching commands in order tocontrol the capacitor bank steps. Intelligent control using this micro-processorizedcontrol unit ensures even utilization of capacitor steps, minimizes number of switchingoperations and optimizes power factor correction.


4/27

BABI

PENGENALAN

1.0 Pengenalan Projek

Penggunaan tenaga elektrik bertambah dengan mendadak sekali sejajar denganpembangunan negara yang pesat. Secara umumnya, pengguna domestik merupakanpengguna ketiga terbesar selepas sektor perindustrian dan komersial. Dalam kontekspenggunaan tenaga elektrik, faktor kuasa pengguna memainkan peranan sebagai alatpengukur kepada kecekapan penggunaan tenaga elektrik sesuatu sistem. Faktor kuasayang rendah menunjukkan bahawa tenaga yang perlu dibekalkan bertambah. Inimenunjukkan sistem kuasa tidak beroperasi dengan cekap dan berlaku pembazirantenaga.

Faktorkuasa yang rendah menunjukkan pennintaan kuasa ketara (S) yang tinggidan seterusnya menyebabkan peningkatan penggunaan tenaga elektrik. Akibatnya,pengguna terpaksa membayar bil elektrik yang tinggi bagi tenaga yang tidak digunakan.Ini menyebabkan pembaziran dan membebankan pengguna.

Pada masa kini, isu penjimatan tenaga dan pengurusan penjimatan tenagadipandang serius oleh kedua-dua pihak pembekal tenaga elektrik khususnya TenagaNasional Berhad (TNB) dan juga pengguna. Pelbagai pendekatan untuk menguruspenjimatan tenaga telah diperkenalkan bagi menguntungkan kedua-dua pihak, pembekaldan pengguna.


5/27

2

Penggunaan bank kapasitor secara meluas terutamanya di dalam sektorperindustrian merupakan salah satu contoh pendekatan pengurusan penjimatan tenaga.Pembetulan faktor kuasa menggunakan bank kapasitor di sektor industri adalah pentingbagi mencapai had faktor kuasa yang ditetapkan oleh pihak pembekal elektrik sertamengelakkan dikenakan penalti.

Keberkesanan bank kapasitor sebagai alat pembetulan faktor kuasa telahmembawa kepada penghasilan bank kapasitor untuk kegunaan domestik. Juga dikenalisebagai alat penstabil tenaga, ia berupaya membetulkan faktor kuasa berdasarkan konsepkapasitor sebagai pemampas arus reaktif dalam penggunaan elektrik litar satu fasa.Walau bagaimanapun, alat ini kurang cekap berdasarkan operasinya yang statik dantidak dapat dikawal mengikut perubahan arus beban.

Projek berjudul "Unit Pengawal Bank Kapasitor" ini secara keseluruhannyadibangunkan untuk membolehkan operasi bank kapasitor satu fasa dikawal mengikutperubahan beban. Kendalian bank kapasitor satu fasa yang sedia ada tidak berupayauntuk beroperasi berdasarkan arus yang berubah mengikut penambahan ataupengurangan beban. Oleh kerana sistem yang sedia ada tidak dapat mengesan kadaranbeban yang berubah, pengoperasiannya tidak cekap dan pembetulan faktor kuasamenjadi tidak optimum.

1.1 SasarandanObjektif

Dalam usaha meningkatkan kecekapan bank kapasitor satu fasa yang sedia ada,projek berjudul Unit Pengawal Bank kapasitor ini dibangunkan antara lain bertujuan ;

1. Mempelajari serta mengenalpasti kaedah-kaedah mengawal operasi bankkapasitor.

11. Mengenalpasti satu kaedah mengawal pengoperasian bank kapasitor dengan kosyang rendah serta praktikal.


6/27

3m. Merekabentuk satu unit pengawal yang berupaya mengawal pengoperasian bank

kapasitor dengan mengambil kira jumlah beban.

1.2 Skop Projek

Projek yang dibangunkan ini akan berupaya mengawal operasi bank kapasitorsatu fasa (240V,50Hz). Projek inijuga akan mengaplikasikan mikropengawal PeripheralInterface Controller (PIC) jenis 16F877 sebagai pengawal pintar dengan menggunakanbahasa pengaturcaraan C. Transformer arus digunakan untuk mengukur arus yangberubah mengikut beban. Turutan bank kapasitor akan dikawal berdasarkan perubahanarus ini. Projek ini akan membangunkan kawalan tiga turutan bank kapasitor.

1.3 Metodologi Projek

Dalam membangunkan projek Unit Pengawal Bank Kapasitor ini, beberapametodologi atau pendekatan telah dikenalpasti sebagai garis garis panduan bagimelancarkan lagi perjalanan projek. Lima metodologi asas telah dikenalpasti dan projekini dibangunkan berdasarkan metodologi-metodologi ini.

Prosedur 1 : Mempelajari mikropengawal PICMempelajari arahan-araban mikropengawal PIC dan kesesuaiannya dengan projekdengan merujuk bahan-bahan daripada sumber internet, jurnal dan buku.

Prosedur 2 : Mengkaji teknik-teknik mengawal bank kapasitorMengkaji dan memahami teknik-teknik mengawal operasi bank kapasitor bagimengenalpasti teknik yang sesuai untuk diaplikasikan dalam projek selainmemahami sistem asas pengukuran arus dan voltan. Alat-alat pengukuran arus yangsesuai akan dikenalpasti dan dikaji.


7/27

4

Prosedur 3 : Mempelajari operasi bank kapasitorMempelajarl serta memahami cara bekerja bank kapasitor untuk diaplikasikan dalampembangunan perkakasan projek.

Prosedur 4 : Membina perisian dan perkakasanMenggabungkan satu set yang lengkap (perisian dan perkakasan) dalam bentuk yangmudah dan praktikal bagi memudahkan pengujian serta analisis dijalankan.

Prosedur 5 : LaporanMenjalankan analisis serta pengujian terhadap projek. Mendokumentasikan projekdalam bentuk laporan serta membentangkan laporan dan hasil akhir projek.


8/27

5

1.3.1 Carta Alir Metodologi Projek

MempelajariMikronenzawal PIC

Mengkaji Teknik-teknikMengawal Bank Kapasitor

Mempelajari Operasi Bank Kapasitor

Membina Perkakasan danPerisian

Rajah 1 : Carta alir metodologi projek.


9/27

6

1.4 RumusanTesis

Berdasarkan kepada sasaran, objektif serta lingkungan skop yang telahdinyatakan, projek ini merupakan pembangunan unit pengawal bank kapasitor satu fasa.Thesis ini membincangkan secara terperinci konsep, teori serta pembangunan projek unitpengawal bank kapasitor secara keseluruhannya.

Bab yang kedua akan menerangkan ulasan kertas Institution of Electrical andElectronics Engineering (IEEE) yang telah dipilih berdasarkan tajuk penggunaan bankkapasitor dalam pembetulan faktor kuasa. Tiga kertas IEEE akan dibincang dandirumuskan dalam bahagian ini.

Dalam bab yang ketiga, teori dan konsep asas sistem kuasa akan dibincangkan.Kandungan utama bab ini adalah bagi menerangkan faktor kuasa serta perkaitannyadengan kuasa aktif (P), kuasa reaktif (Q) dan kuasa ketara (S). Bahagian ini juga akanmembincangkan isu pembetulan faktor kuasa serta kaedah-kaedah yang digunapakaidalam pembetulan faktor kuasa. Kaedah pembetulan faktor kuasa menggunakankapasitor bank akan dibincangkan secara terperinci dalam bahagian ini.

Akhir sekali, bab yang keempat akan menekankan kepada analisis keseluruhanprojek. Dalam bahagian yang pertama, pembangunan perkakasan dan perisian akandibincangkan dengan jelas. Rekabentuk serta setiap bahagian litar akan diterangkan dandijelaskan. Bahagian ini juga akan menekankan dan membincangkan cara bekerja,komponen-komponen utama serta fungsi setiap bahagian litar. Selain itu, perisian projekini juga akan digambarkan melalui carta alir. Bahagian yang kedua pula akanmenerangkan hasil analisa ujian menggunakan unit pengawal kapasitor tehadapparameter faktor kuasa, arus (A), kuasa reaktif (Q), kuasa ketara (S), kuasa sebenar (P)dan voltan (V). Analisis terhadap setiap parameter ini akan dibincangkan denganterperinci dalam bahagian ini. Selain itu, bahagian ini juga akan membincangkanpemerhatian sepanjang pembangunan projek ini.


10/27

7

Bab terakhir tesis ini akan membincangkan kesimpulan serta cadangan untukprojek ini. Bahagian ini akan merumuskan keseluruhan pembangunan projek ini sertamencadangkan penambahbaikan untuk analisis, penyelidikkan dan pembangunan padamasa hadapan.


11/27

BABII

KAJIAN LITERATUR

2.1 Pengenalan

Dalam bab ini, tiga kertas IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) akan diulas dan dibincangkan. Secara umumnya kertas-kertas IEEE yangdipilih ini adalah berkaitan dengan topik pembetulan faktor kuasa menggunakan kaedahbank kapasitor. Kajian yang dilakukan bertujuan mendapatkan maklumat ilmiah,menganalisis serta mengkaji kelemahan-kelemahan konsep dan kaedah yang sedia adauntuk diperbaiki melalui projek yang akan dibangunkan.

2.2 Kajian Literatur

Dalam [1], menerangkan satu konfigurasi perkakasan dan spesifikasi perisianuntuk dua prototaip yang dibangunkan dan berupaya mengawal voltan , kawalan kuasareaktif (Q) dan sistem perlindungan bank kapasitor. Satu daripada prototaip tersebutmemantau voltan bas, aliran kuasa dan faktor kuasa bagi menentukan samada bankkapasitor patut beroperasi atau tidak. Prototaip yang kedua memantau impedan fasaketara dan arus jujukan sifar bank kapasitor bagi mengesan fius yang terbakar dalamtabung kapasitor. Gabungan perisian kedua-dua prototaip akan menghasilkan satu sistemyang dapat mengawal dan melindungi bank kapasitor daripada tekanan voltan lampauakibat fius kapasitor terbakar.


12/27

9

Dalam [2], menerangkan tentang kawalan bank kapasitor menggunakanmikropengawal traditional dengan menggunakan geganti. Kebanyakkan geganti yangdigunakan kini menggabungkan fungsi sistem perlindungan dan fungsi logik traditionaldalam satu alat. Konsep ini diaplikasikan dalam kertas ini bagi membangunkan satuskim kawalan asas bagi suatu bank kapasitor dengan lima turutan menggunakan satumikropengawal dengan geganti . Satu contoh aplikasi geganti istimewa ialah kawalanturutan bank kapasitor yang boleh diaktifkan mengilrut turutan yang diperlukan untukmenampung voltan. Suatu alat pengawal diperlukan untuk memantau voltan bas danakan mengaktifkan turutan bank kapasitor mengikut kehendak voltan. Kertas numembangunkan prinsip asas kawalan untuk mengawal bank kapasitor berperingkat.

Dalam [31, menerangkan tentang kesan pemasangan bank kapasitor terhadappenambahbaikan faktor kuasa . Kertas ini menerangkan teori asas sistem kuasa danparameter-parameter penting dalam sistem kuasa seperti kuasa aktif (P), kuasa ketara (S)dan kuasa reaktif (Q). Segitiga kuasa dan faktor kuasa juga dibincangkan. Kertas ini jugamembincangkan apabila faktor kuasa rendah, pengguna terpaksa membayar lebihdaripada yang sepatutnya. Faktor kuasa yang rendah juga adalah indikator bahawasistem adalah tidak efisien dan berlaku kehilangan tenaga elektrik. Kelebihan ataukebaikan penambaikan faktor kuasa juga dibincangkan. Melalui proses penambahbaikanfaktor kuasa, permintaan terhadap kuasa ketara (S) dan kuasa reaktif (Q) dapatdikurangkan pada kedua-dua penjana dan pengguna. Kehilangan tenaga elektrik jugadapat dikurangkan dan voltan sistem dapat ditingkatkan. Kaedah-kaedah pembetulanfaktor kuasa yang dibincangkan termasuklah kaedah motor segerak, bank kapasitorstatik dan bank kapasitor automatik. Bank kapasitor, samada statik atau automatikdigunakan secara meluas berdasarkan kos material yang rendah dan penyelenggaraanyang mudah. Kertas ini juga membincangkan kajian kes yang dijalankan bagi mengkajikesan lokasi bank kapasitor, saiz, peningkatan voltan dan resonans harmonik.


13/27

10

2.3 Rumusan

Pemasangan bank kapasitor dalam penambahbaikan faktor kuasa dapatmenguntungkan kedua-dua pihak pengguna dan penjanan elektrik. Kajian jugamenunjukkan bank kapasitor digunakan dengan meluas oleh pengguna kuasa tinggiseperti sektor industri dan komersial. Pemasangan bank kapasitor dapat mengurangkanpenggunaan arus reaktif seterusnya meminimakan kehilangan. Terdapat pelbagai jenissambungan dan perlindungan bagi mengoptimumkan kecekapan dan jangkahayat bankkapasitor. Selain itu, operasi bank kapasitor dalam membetulkan faktor kuasa dapatdikawal dengan pelbagai teknik. Walau bagaimanapun, ketiga-tiga kertas ini lebihmenumpukan kepada sistem bank kapasitor tiga fasa.

Berdasarkan kajian literatur yang dijalankan, pembetulan faktor kuasa sistemelektrik satu fasa menggunakan bank kapasitor adalah masih baru dan kurangdibincangkan. Projek unit pengawal bank kapasitor ini dibangunkan berdasarkan ideadan konsep asas bank kapasitor automatik tiga fasa. Berdasarkan [2], idea dan konsepasas kawalan bank kapasitor automatik menggunakan mikropengawal dan operasipensuisan menggunakan geganti diaplikasikan dalam pembangunan projek ini. Walaubagaimanapun, dalam [2}, kawalan bank kapasitor adalah menggunakan mikropengawaltradisional manakala projek ini akan mengaplikasikan mikropengawal moden yanglebih mudah dan cekap.


14/27

BABIII

TEORI DAN KONSEP ASAS SISTEM KUASA

3.1 Pengenaian

Bab ini akan memperkenalkan konsep dan teori asas sistem kuasa yangberhubungkait dengan projek. Tujuan utama bab ini adalah bagi memberi gambaran asaskepada pembaca mengenai binaan asas sistem kuasa.

Bahagian yang pertama akan menekankan kepada komponen asas sistem kuasadengan memberi penekanan kepada faktor kuasa dengan bantuan beberapa persamaandan gambarajah. Bahagian yang kedua pula akan membincangkan teori pembetulanfaktor kuasa dengan memperkenalkan beberapa kaedah serta teknik pembetulan faktorkuasa. Dalam bahagian yang ketiga, teknik-teknik mengawal bank kapasitor akanditerangkan secara ringkas.

3.1.1 Kuasa Aktif ( P )

Kuasa aktif juga dipanggil kuasa sahih atau kuasa sebenar dan diukurdalam unit kilowatt (kW) . Kuasa aktif adalah kuasa yang sebenamya diubahdalam bentuk tenaga untuk melakukan kerja bagi menghasilkan haba, cahaya danpergerakan. Sebagai contoh dalam litar satu fasa, kuasa aktif ditukarkan dalam


15/27

12

bentuk tenaga bagi menghidupkan lampu kalimantang dan beban yang lain.Persamaan umum bagi kuasa aktif adalah seperti berikut ;

P = V IR = V l kos O (3.1)

Dimana;P =Kuasa Aktif ( Kilowatt )V= Voltan Fasa (Volt)IR = Arus Fasa (Ampere)B =Sudut pemisahan antara voltan dan arus.

3.1.2 Kuasa Reaktif ( Q )

Kuasa reaktif adalah kuasa yang digunakan untuk membekalkan medanelektromagnet di dalam peralatan yang bersifat induktif dan kapasitif contohnyamotor, transformer dan perjana. Kuasa reaktif merupakan satu komponen kuasayang tidak bekerja dan diukur dalam unit kVAR. Persamaan umum kuasa reaktifialah ;

Q = VIx = VIsinB (3.2)

Dimana;Q =Kuasa Reaktif ( kVAR )V= Voltan Fasa (Volt)Ix =Arus Reaktif (Ampere)B = Sudut pemisahan antara voltan dan arus.


16/27

13

3.1.3 Kuasa Ketara ( S )

Kuasa ketara adalah jumlah kuasa yang dibekalkan dalam suatu sistemkuasa, iaitu jumlah kuasa vektor kuasa aktif dan kuasa reaktif seperti yangdigambarkan dalam Rajah 3. Sudut pemisahan antara kuasa aktif dan kuasaketara adalah sudut faktor kuasa. Kuasa ketara diukur dalam unit kilovolt-ampere(kVA).

Kuasa Aktif (kW)

Kuasa Ketara(kVA)

f)Kuasa Reaktif

(kVAR)

Rajah 3 : Segitiga Kuasa

(3.3)Maka;

S= . J P 2 + jQ 2 (kVA) (3.4)

Di mana;S=Kuasa Ketara (kVA)P =Kuasa Aktif (kW)Q =Kuasa Reaktif (kVAR)


17/27

14

3.1.4 FaktorKuasa

Faktor kuasa adalah nisbah antara kuasa aktif (P) dengan kuasa ketara(S). Faktor kuasa juga boleh ditakrifkan sebagai kos (), di mana () adalah sudutpemisahan antara voltan dan arus fasa ataupun antara kuasa aktif dan kuasareaktif dalam segitiga kuasa. Magnitud sudut () berkadar terns dengan magnitudkuasa reaktif. Semakin besar magnitud (), maka magnitud kuasa reaktif jugaadalah besar dan sebaliknya. Persamaan umum bagi parameter faktor kuasa ialah

Pko~ =-S (3.5)

Di mana;S=Kuasa Ketara (kVA)P =Kuasa Aktif (kW)

Dalam sistem kuasa, apabila beban bersifat induktif, arus mengekorvoltan maka faktor kuasa adalah mengekor dan sebaliknya apabila beban dengansifat kapasitif. Rajah 3.1 menunjukkan hubungan faktor kuasa dalam sistemkuasa.

I kos(} Kuasa Aktif (kW)V

Iin e' KuasaKetara(kVA)

KuasaReaktif(kVAR)

Iumlah

(a) Faktor kuasa mengekor


18/27

15

IumlahI sin{}

KuasaKetara(kVA) KuasaReaktif

(kVAR)

I kose' Kuasa Aktif (kW)(b) Faktor kuasa mendulu

Rajah 3.1 : Hubungan faktor kuasa dalam sistem kuasa.

Faktor kuasa merupakan suatu ukuran atau indikator yang menunjukkankecekapan penggunaan tenaga elektrik. Faktor kuasa yang rendah menunjukkanpenggunaan tenaga elektrik yang tidak cekap dan sebaliknya. Faktor kuasamaksimum atau uniti berlaku apabila kuasa reaktif yang dibekalkan adalah sifar.Walau bagaimanapun, secara praktikalnya faktor kuasa uniti atau ideal tidakdapat diperoleh disebabkan kewujudan kuasa reaktif dalam sistem elektrik yangtidak dapat dielakkan.

3.1.5 Kesan-kesan Faktor Kuasa Rendah

Kebanyakan masalah akibat faktor kuasa yang rendah adalahtanggungjawab pihak pembekal tenaga elektrik. Pihak pembekal tenaga elektrikberhak mengenakan denda kepada pengguna-pengguna mengikut fasal dalamperjanjian tarif. Antara beban yang dipasang menyebabkan faktor kuasa menjadirendah seperti motor aruhan, lampu nyahcas, alat pengimpal dan sebagainya.Keadaan ini terjadi kerana beban-beban ini memberi aruhan yang tinggi danseterusnya menyebabkan sudut pisahan antara arus dan voltan bertambah besar.

Kebiasaannya pihak-pihak perusahaan seperti kilang akan memasang satumeter khas untuk mencatatkan purata faktor kuasa bulanan supaya bacaan faktor


19/27

16

kuasa rendah dapat dikenalpasti. Terdapat beberapa keburukan akibat berIakunyafaktor kuasa rendah seperti [6]:1. Perbelanjaan untuk membekalkan tenaga elektrik adalah besar kerana

voltan perIu dinaikkan untuk mendapatkan kuasa yang sarna dengantenaga elektrik yang dikeluarkan pada faktor kuasa tinggi.

11. Jika voltan sukar dinaikkan, maka arus perIu dinaikkan bagi memperolehkuasa yang serupa dengan kuasa ketika faktor kuasa tinggi. lnimelibatkan perbelanjaan yang lebih dalarn penukaran saiz kabel dankadaran arus peraIatan elektrik.

lll. Kecekapan peralatan elektrik akan berkurangan kerana terdapatkehilangan kuprum dan pertambahan nilai susut voltan.

Dalarn sistem elektrik satu fasa, faktor kuasa yang rendah akanmenyebabkan pengguna terpaksa membayar bil elektrik yang lebih bagi tenagayang tidak digunakan.

3.2 Teori PembetulanFaktor Kuasa SistemKuasa

Dalarn sistem kuasa, arus adalah mengekor voltan disebabkan kehadiran sifatinduktif dalarn kabel dan beban. Berdasarkan teori, untuk meneutralkan sifat induktifperanti yang bersifat kapasitif diperIukan contohnya kapasitor. Faktor kuasa yangmaksimum berIaku apabila kuasa reaktif yang dibekalkan adalah sifar. Oleh yangdemikian, kuasa aktif salah sarna dengan kuasa ketara dan faktor kuasa adalah 100%atau uniti. Ini bermakna semua tenaga yang dibekalkan digunakan oleh sistem untukbekerja. Walau bagimanapun, kebanyakan peraIatan yang digunakan oleh penggunadomestik bersifat rintangan dan peraruh ataupun induktans seperti Rajah 3.2.


20/27

17

240 Vac50Hz Z =R+jXL

Rajah 3.2 : Litar asas pengguna domestik satu fasa.

Oleh yang demikian, sistem elektrik satu fasa bersifat kearuhan (inductive) dankerintangan (resistive). Penggunaan peralatan yang bersifat kearuhan seperti peti sejuk,penghawa dingin, lampu pendaflour dan mesin basuh akan menyebabkan sistem elektriksatu fasa memiliki sifat kearuhan yang tinggi. Akibatnya, kuasa reaktif (Q) akanmenunjukkan bacaan yang tinggi dan ini akan menyebabkan faktor kuasa menghampirisifar. Apabila faktor kuasa menghampiri sifar, arus yang mengalir di dalam sesebuahsistem elektrik akan menjadi tinggi. Pembetulan faktor kuasa dengan menggunakanteknik yang betul dapat meningkatkan kecekapan sistem elektrik, mengurangkankehilangan tenaga, mengurangkan kos pembayaran bil serta menjimatkan.

Secara umumnya, terdapat beberapa kaedah pembetulan faktor kuasa. Antaranyatermasuklah kaedah memasang motor segerak, pemaju fasa dan juga bank kapasitor [5].Walau bagaimanapun, hanya kaedah pembetulan menggunakan bank kapasitor akandibincangkan.

3.3 BankKapasitor

Secara umumnya, pembetulan faktor kuasa menggunakan kaedah bank kapasitoradalah paling popular berbanding beberapa kaedah yang lain. Bank kapasitor digunakansecara meluas dalam sistem kuasa dan dipasang pada voltan tinggi, voltan sederhana danvoltan rendah [3]. Sektor industri juga menggunakan bank kapasitor secara meluas bagimendapatkan had faktor kuasa yang ditetapkan oleh pihak pembekal elektrik. Dalam


21/27

18

sistem tiga fasa terdapat dua kaedah pemasangan bank kapasitor, iaitu sambungan deltadan sambungan wye. Walau bagaimanapun, dalam sistem elektrik satu fasa, bankkapasitor dipasang secara selari dengan beban.

Kapasitor merupakan komponen yang paling murah dan mudah digunakan. latidak memerlukan kawasan yang besar, kenaikan suhunya yang rendah dan kehilangankuasanya boleh diabaikan. Gabungan beberapa unit kapasitor dipanggil bank kapasitor.Bank kapasitor terdiri daripada tiga bahagian, iaitu elemen kapasitor, unit kapasitor danbank kapasitor itu sendiri

Pada masa kini, kebanyakkan bank kapasitor yang digunakan adalah jenisautomatik atau dikenali sebagai Automatic Power Factor Controller (APC)menggantikan bank kapasitor statik atau Fixed Capacitor Bank [8]. Konsep dan ideaasas bank kapasitor automatik tiga fasa ini diaplikasikan dalam pembangunan projek ini.

3.3.1 Bank Kapasitor Statik

Bank kapasitor statik adalah kaedah tradisional yang digunakan untukmembetulkan faktor kuasa menggunakan bank kapasitor. Dalam konfigurasibank kapasitor statik, nilai kapasitor adalah tetap dan tidak dapat dikawal. Bankkapasitor jenis ini lebih tertumpu kepada kompensasi individu dimana setiapbeban dibetulkan angkadarnya setempat. Kelamahan bank kapasitor jenis statikadalah operasi bank kapasitor tidak dapat dikawal apabila beban berubahdisebabkan kadaran kapasitor yang digunakan adalah tetap. Akibatnya, setiapbeban perlu dibekalkan dengan bank kapasitor tersendiri dan ini melibatkan kosyang tinggi serta tidak praktikal. Oleh kerana bank kapasitor jenis ini adalahstatik, pengoperasiannya tidak dapat dikawal secara automatik. Akibatnya, bankkapasitor jenis ini perlu dihidupkan dan dimatikan secara manual.

Apabila tiada beban tersambung (connected load) pada sistem elektrik,bank kapasitor jenis ini akan menjadi beban kapasitif kepada sistem. lni akan


22/27

19

menyebabkan sistem elektrik tersebut bersifat kapasitif dan mengakibatkanpeningkatan arus yang ketara. Kesannya, pengguna akan terpaksa menanggungkos bil elektrik yang tinggi. Rajah 3.3 menunjukkan alat penstabil tenaga ataumini bank kapasitor statik satu fasa.

SOKET3 PIN

KAPASITOR

Rajah 3.3 : Alat penstabil tenaga atau mini bank kapasitor statik satu fasa.

3.3.2 Bank Kapasitor Automatik

Bank kapasitor automatik dicipta bagi mengatasi kelemahan-kelemahanbank kapasitor statik. Bank kapasitor jenis automatik dapat dikawal secarakompensasi berpusat. Dengan menggunakan bank kapasitor jenis ini, turutanoperasi bank kapasitor dapat dikawal secara automatik berdasarkan perubahanbeban. Kebiasaannnya, bank kapasitor jenis ini mengaplikasikan penggunaanmikropengawal sebagai pengawal pintar bagi menghasilkan set kawalan yangcekap dan efisen. Operasi turutan bank kapasitor dikawal berdasarkan perubahanarus mengikut permintaan beban yang diukur oleh alat pengukur arus sepertitansformer arus (CT). Bank kapasitor jenis ini adalah lebih praktikal dan


23/27

20

jangkayat kapasitor juga adalah lebih panjang berbanding bank kapasitor jenisstatik. Pensuisan turutan kapasitor dikawal oleh geganti kuasa reaktif (ReactivePower Relay) atau juga dikenali sebagai alatatur angkadar kuasa automatik.Rajah 3.4 menunjukkan contoh konfigurasi litar bank kapasitor automatik tigafasa menggunakan Automatic Power Factor Controller (APe).

Dari Bekalan

Power FactorController

~r-Irl II Ke - - - - - t - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -I I~II tll6f 1 1 _ 1 1 ~ j l ~ 9 . ~ ) ~V ,,~~L!~

/ ! L } - ~ : __ _ _ l Il__.............,__............................._,.,..,....-_-_ . . . l

Beban

Rajah 3.4 : Litar kapasitor bank automatik tiga fasa fasa [11].

3.4 Bank Kapasitor Sebagai Satu Kaedah Pembetulan Faktor Kuasa

Pembetulan faktor kuasa dapat dilakukan dengan menyambungkan kapasitorstatik atau kapasitor pirau secara selari dengan beban yang mempunyai faktor kuasamengekor. Apabila bank kapasitor disambung secara selari dengan beban, komponenkuasa reaktif yang diperlukan oleh beban dari penjana akan berkurang disebabkan olehkehadiran kuasa reaktif (Qc) dari bank kapasitor. Dengan in i magnitud faktor kuasadapat diperbaiki

Konsep asas kepada teknik pembetulan faktor kuasa adalah denganmenyelarikan kapasitor kepada beban sistem elektrik seperti Rajah 3.5. Faktor kuasa


24/27

21

dapat di baiki mengikut kebolehan kapasitor sebagai pemampas nilai kuasa reaktifinduktif (Qd.

240Vac50Hz-'- -"xC-r- J Z =R+jXL

Rajah 3.5: Kapasitor dipasang selari dengan beban satu fasa.

Kapasitor akan menyerap kuasa reaktif mendahulu daripada punca bekalan danmembekalkan kuasa reaktif menyusul kepada beban. Rajah 3.6 menunjukkan ciri-ciriarus reaktif tanpa dan dengan kehadiran kapasitor. Berdasarkan Rajah 3.6, arus reaktifyang bersifat mengekor dapat dikurangkan apabila kapasitor dihidupkan.

KapasitorDihidupkanIIII

Arus Reaktif Tanpa Kapasitor

IKapasito r D imatikanIII Arus Reaktif Dengan Kapasitor

Masa

Rajah 3.6: Ciri-ciri arus reaktiftanpa dan dengan kehadiran kapasitor.


25/27

22

Rajah 3.7: Pengiraan pembetulan faktor kuasa menggunakan segitiga kuasa.

Faktor kuasa;p Pk o s O ) =-=-;===S ) ~p2 +(tp Pk o s f J 2 =-=-;===S 2 ~p2+~

P=-;:::=====~p2 +(Ql _Q:.)2

Di mana;kosO) =Faktor kuasa asalkos02 =Faktor kuasa yang dikehendaki

81=Kuasa ketara (kVA) asal82= Kuasa ketara (kVA) selepas pembetulan faktor kuasaQ 1=Kuasa reaktif ( kVAR ) asalQ2 =Kuasa reaktif ( kVAR ) selepas pembetulan faktor kuasaQ c= Kuasa reaktif ( kVAR ) yang dijana oleh kapasitorP =Kuasa aktif (kW)

(3.5)

(3.6)

(3.7)


26/27

23

Berdasarkan Rajah 3.7 dan persamaan-persamaan di atas, faktor kuasa dapatditingkatkan daripada kos 91 ke kos 92 apabila kapasitor Qc (kVAR) dipasang padapengkalan beban. Pemasangan kapasitor boleh menjana kuasa reaktif Qc dan kuasaketara. Di samping itu, kuasa ketara (S) dapat dikurangkan daripada S) ke S2 dandaripada Ql ke Q2 . Kuasa reaktif (Q) yang kurang bermaksud arus reaktif akan menurundan ini akan menyebabkan pengurangan jumlah arus talian. Oleh yang demikian,kehilangan tenaga dapat dikurangkan.

3.5 Teknik-teknik Mengawal Bank Kapasitor

Secara umumnya, terdapat pelbagai kaedah dan teknik untuk mengawal bankkapasitor. Pemilihan teknik yang terbaik adalah penting agar operasi bank kapasitordapat dikawal dengan cekap dan efisien. Kawalan bank kapasitor dapat dibuat denganmengukur atau mengambil kira parameter-parameter seperti arus, faktor kuasa, voltan,kuasa reaktif, suhu, masa dan sebagainya.

3.5.1 KawalanBerdasarkan Kuasa Reaktif ( kVAR )

Geganti kuasa atau sensor arus akan mengesan magnitud arus dan voltanmengikut masa serta perbezaan fasa antara voltan dan arus. Parameter-parameterini akan dibandingkan dengan satu set rujukan oleh mikropengawal.Mikropengawal seterusnya akan menghantar arahan pensuisan kepada kontaktorgeganti kawalan samada untuk menambah atau mengurangkan turutan bankkapasitor berdasarkan keperluan sistem tersebut. Teknik jenis ini adalah palingsensitif walaupun agak kompleks dan memerlukan kos yang tinggi.


27/27

24

3.5.2 Kawalan Berdasarkan Arus (A)

Anggaran atau kiraan faktor kuasa beban perlu diambil kira dalamkawalan jenis ini. Pengesan atau pengukur arus seperti perintang pirau atautransformer arus digunakan untuk mengesan perubahan arus mengikutpermintaan beban. Arus yang disukat ini akan disampelkan dan mikropengawalakan mengeluarkan arahan pensuisan kepada kontaktor untuk mengawal turutanbank kapasitor. Kaedah ini adalah yang paling ringkas, murah dan dalam padamasa yang sama lebih efisien dalam membetulkan faktor kuasa mengikutperubahan beban.

3.5.3 Kawalan Berdasarkan Faktor Kuasa

Kawalan bank kapasitor berdasarkan faktor kuasa adalah kurang efektifkerana faktor kuasa itu sendiri bukan suatu ukuran kepada arus reaktif. Dalamteknik jenis ini, geganti akan mengesan arus dan voltan dan mengukur perbezaanmasa antara kedua-dua parameter tersebut. Maklumat ini kemudiannyaditukarkan ke dalam bentuk faktor kuasa dan dibandingkan dengan satu setrujukan oleh mikropengawal. Jika terdapat perbezaan, kontaktor geganti kawalanakan beroperasi untuk mengawal turutan bank kapasitor.

3.5.4 Kawalan Berdasarkan Masa

Dalam kaedah ini, nilai kapasitor ditentukan mengikut anggaran jumlahbeban yang digunakan pada selang masa tertentu. Masa pengoperasian kapasitorakan ditetapkan pada geganti pemasa atau timer dan operasi pensuisan kapasitorakan bergantung kepada sela masa tersebut. Kawalan bank kapasitor berdasarkanmasa adalah tidak praktikal dan hanya sesuai untuk sistem dengan beban yangtetap (fixed loads).

Documents

Kapasitor Bank