ANALIS
DENGAN
40
SIS KESE
N TYPE-C
0 kVA PO
ANALISIS KESESUAIAN ANTARA DOUBLE TUNED FILTER DENGAN
TYPE-C FILTER PADA BEBAN TRANSFORMATOR 400 KVA
POLITEKNIK NEGERI LHOKSEUMAWE
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
RADHIAH 197034008/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Judul Tesis : ANALISIS KESESUAIAN ANTARA DOUBLE TUNED FILTER DENGAN TYPE-C FILTER PADA BEBAN TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI LHOKSEUMAWE
Nama Mahasiswa : Radhiah
Nomor Induk : 197034008
Program Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing:
(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai) (Dr. Marwan Ramli, M.Si) Ketua Anggota
Sekretaris Program Studi, Dekan,
(Drs. Hasdari Helmi, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Telah diuji pada
Tanggal : 11 februari 2013
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Usman Baafai
Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si
ABSTRAK
Harmonisa yang ditimbulkan oleh beban-beban industri maupun rumah tangga semakin meningkat pada masa ke masa. Hal ini disebabkan oleh penggunaan beban non linier seperti peralatan elektronika untuk meningkatkan efisiensi. Tesis ini membahas harmonisa yang terjadi pada suatu sistim kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe dan merancang filter pasif jenis Double Tuned Filter dan Type-C Filter untuk mereduksi harmonisa. Filter yang sudah dirancang kemudian disimulasikan dengan menggunakan MATLAB SIMULINK. Dari hasil simulasi diperoleh nilai THDi sebesar 19,9% dengan menggunakan Double Tuned Filter dengan parameter C1 = 650 µF, C2 = 2600 µF, L1 = 0,92 mH, L2 = 0,28 mH, R1 = 2,9
mΩ, R2 = 0,3 mΩ, R3 = 0,3 mΩ nilai THDi turun menjadi 4,59%, nilai ini sudah di bawah standar IEEE 519-1992. Dengan menggunakan dua buah Type-C Filter, untuk filter orde ke-3 dengan parameter C1 = 350 µF, C2 = 2600 µF, L = 3,6 mH, R = 340
mΩ, dan untuk filter orde ke-5 dengan parameter C1 = 300 µF, C2 = 7200 µF, L = 1,4
mH, R = 220 mΩ THDi juga turun menjadi 5%, nilai ini sudah sesuai dengan standar IEEE 519-1992. Hal ini menunjukkan bahwa pada sistim kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe khususnya pada panel gedung utama lebih sesuai menggunakan Double Tuned Filter.
ABSTRACT
Harmonics caused by industrial and house hold load is increasing from time to time. This is caused by the used of non-linier loads such as electronic equipment to increase efficiency. In this thesis, the researcher discussed the harmonics which occurred in the electric system at Politeknik Negeri Lhokseumawe, and designed passive filter of Double Tuned Filter type and Type-C Filter to reduce harmonics. The designed filters were simulated by using MATLAB SIMULINK. The result of the simulation showed that THDi value was 19,9%. By using Double Tuned Filter with the parameter of C1 = 650 µF, C2 = 2600 µF, L1= 0,92 mH, L2 = 0,28 mH, R1 = 2,9 mΩ, R2 = 0,3 mΩ, R3 = 0,3 mΩ, THDi value decreased to 4,59%, This value were already under the standard of IEEE 519-1992. By using to two Type-C Filter, for the third order with the perameters of C1 = 350 µF, C2 = 2600 µF, L = 3,6 mH, R = 340 mΩ, and for the fifth order with the parameters of C1 = 300 µF, C2 = 7200 µF, L= 1,4 mH, R = 220 mΩ, THDi value also decreased to 5%, and this value was in line with the standard of IEEE 519-1992. This indicates that Double Tuned Filter is more suitably used in the electric system at Politeknik Negeri Lhokseumawe, especially in the panel of the main building.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT atas rahmat dan hidayahnya sehingga penulis dapat menyiapkan penelitian thesis ini dengan baik. Penelitian ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian tesis ini berjudul
“Analisis Kesesuaian Antara Double Tuned Filter Dengan Type-C Filter Pada
Beban Transformator 400 kVA Politeknik Negeri Lhokseumawe”.
Penulis terutama mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada Orang tua tercinta Ayahanda serta Ibunda, serta yang tercinta Suami beserta Anak-anak, kakak atas doa dan semangat yang diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang tak terhingga dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr. Marwan. Ramli, M.Si. sebagai pembimbing atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penulisan tesis ini. Terima kasih juga penulis ucapakan kepada institusi Politeknik Negeri Lhokseumawe yang telah memberi kesempatan berupa bantuan dan dorongan moril untuk dapat melakukan penelitian ini.
Studi Megister Teknik Elektro, Buk Nur dan Bapak Hasdari Helmi juga Bapak Martin serta seluruh staf pengajar Program Studi Magister Teknik Elektro. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas konstribusi dan bantuannya, dan terima kasih buat kawan-kawan semua yang telah banyak membantu.
Mudah-mudahan penelitian tesis ini nantinya dapat bermanfaat bagi Institusi Politeknik Negeri Lhokseumawe dan kepada pembaca. Kritik dan saran dari pembaca yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan.
Medan, 10 April 2012 Penulis,
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama : Radhiah
Tempat/ Tanggal Lahir : Lhoksukon, 12 juli 1973 Jenis Kelamin : Perempuan
Agama : Islam Bangsa : Indonesia
Alamat : Jalan Lhoksukon Matangkuli gampong Nga Lhoksukon Aceh Utara.
Telepon : 085260801727
PENDIDIKAN :
1. Tamatan SD Negeri Arakeumudi : Tahun 1985. 2. Tamatan SMP Negeri 1 Lhoksukon : Tahun 1988 3. Tamatan SMA Negeri Peusangan : Tahun 1991 4. Tamatan Politeknik Universitas Syiah Kuala : Tahun 1994 5. Tamatan S1 USU Medan : Tahun 1999
PEKERJAAN :
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
DAFTAR ISI ... ii
DAFTAR TABEL ... iv
DAFTAR GAMBAR ... v
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 5
1.3 Tujuan Penelitian ... 6
1.4 Batasan Masalah ... 6
1.5 Manfaat Penelitian ... 7
1.6 Sistematika Penulisan ... 7
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 8
2.1 Sumber Harmonisa ... 8
2.2 Pengaruh Harmonisa ... 11
2.3 Standard Batas Harmonisa ... 13
2.4 Penyebaran Harmonisa pada Sistim Rel Lima Daya ... 14
2.5 Perhitungan Harmonisa ... 16
2.6 Perhitungan Faktor Daya ... 18
2.8. Filter Pasif ... 20
2.9. Proses Eliminasi Harmonisa ... 23
2.10 Filter Double Tuned ... 24
2.11 Perhitungan Filter Double Tuned ... 27
2.12 Type-C Filter ... 29
2.13 Perhitungan Type-C Filter ... 32
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ... 34
3.1Data Pemakaian Beban di Politeknik Negeri Lhokseumawe ... 34
3.2Teknik Pengukuran yang Dilakukan ... 37
3.3 Teknik Pengumpulan Data ... 39
3.3.1 Data Spesifik Transformator dan Kabel ... 40
3.3.2 Data Pengukuran pada Panel Gedung Utama dengan METREL ... 42
3.4 Perhitungan Hubung Singkat dan Batas Harmonisa ... 49
3.5 Perhitungan Double Tuned Filter ... 51
3.5.1 Menentukan Kebutuhan Kapasitor ... 51
3.5.2 Menentukan Parameter Induktor L ... 53
3.5.3 Menentukan Nilai Tahanan R ... 54
3.6 Perhitungan Type-C Filter ... 56
3.7 Simulasi Matlab Menggunakan Double Tuned Filter ... 59
BAB IV. HASIL DAN ANALISIS ... 64
4.1 Hasil Simulasi Matlab Setelah menggunakan Double Tuned Filter 64
4.2 Hasil Simulasi Matlab Setelah Menggunakan Type-C Filter ... 4.3 Analisis ... 71
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 76
5.1 Kesimpulan ... 76
5.2 Saran ... 76
DAFTAR PUSTAKA ... 77
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. 1.2.. 2.1. 2.2. 2.3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 4.1. 4.2. 4.3.
Jenis peralatan terhadap THDi yang dibangkitkan... Model filter harmonisa yang telah dilakukan... Orde harmonisa terhadap persentase tegangan... Batas THDv sesuai standar IEEE 519-1992... Batas arus Harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992... Rekapitulasi beban terpasang di Politeknik Negeri
Lhokseumawe... Impedansi kabel saluran... Data hasil pengukuran arus fasa, tegangan fasa, daya, faktor daya, besar THD tegangan dan arus... Data hasil pengukuran tegangan dan arus harmonisa orde ke-n.. Impedansi dan parameter filter... Data hasil pengujian Matlab/Simulink tegangan dan arus
harmonisa orde ke-n setelah menggunakan double tuned
filter... Data hasil pengujian Matlab/Simulink tegangan dan arus
harmonisa orde ke-n setelah menggunakan type-C filter... Harmonisa kondisi sebelum dan setelah menggunakan double tuned filter dan type-C filter untuk
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. 2.2 . 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 3.1.
Bentuk gelombang tegangan dan arus akibat beban non linier
1 fasa... Bentuk gelombang tegangan dan arus akibat beban non linier
3 fasa... (a) Rangkaian sumber tegangan (b) Bentuk tegangan distorsi...
Harmonisa urutan nol... Model penyebaran distorsi tegangan dan arus pada sistem tenaga...
(a) Sudut fasa gelombang tegangan dan arus (b) Vetor segitiga daya...
Model filter pasif... Kompensasi gelombang filter... Grafik K-means ditunjukkan dengan metode sillahoutte...
Double tuned passive filter...
Karakteristik impedansi double tuned passive filter... Rangkaian type-C filter... Kurva impedansi terhadap frekuensi type-C filter... Blok diagram sistem kelistrikan di Politeknik Negeri
3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. Lhokseumawe... Titik pengukuran pada rel daya gedung utama... Rangkaian ekivalen perhitungan hubung singkat... Hasil pengukuran bentuk gelombang arus fasa L2... Spektrum tegangan dan arus fasa L2... Hasil pengukuran bentuk gelombang tegangan fasa L2... Bentuk spektrum arus pada fasa L2... Bentuk spektrum tegangan pada fasa L2... (a) Rangkaian paralel dua buah single tuned (b) Rangkaian
ekivalen double tuned... Rancangan model matlab/simulink double tuned filter... Rancangan model matlab/simulink Type-C filter... Bentuk gelombang arus setelah menggunakan double tuned filter... Bentuk spektrum harmonisa arus setelah menggunakan double tuned filter... Bentuk gelombang tegangan setelah menggunakan double tuned filter... Bentuk spektrum harmonisa tegangan setelah menggunakan
double tuned filter... Faktor daya setelah menggunakan double tuned filter...
4.6. 4.7.
4.8.
4.9.
4.10. 4.11
Bentuk gelombang arus setelah menggunakan Type-C filter... Bentuk spektrum harmonisa arus setelah menggunakan Type-C filter... Bentuk gelombang tegangan setelah menggunakan Type-C filter... Bentuk spektrum harmonisa tegangan setelah menggunakan
Type-C filter... Faktor daya setelah menggunakan Type-C filter... Perbandingan bentuk gelombang dan spektrum hasil pengukuran langsung dengan hasil simulasi matlab/simulink untuk arus...
67
67
68
68 69
ABSTRAK
Harmonisa yang ditimbulkan oleh beban-beban industri maupun rumah tangga semakin meningkat pada masa ke masa. Hal ini disebabkan oleh penggunaan beban non linier seperti peralatan elektronika untuk meningkatkan efisiensi. Tesis ini membahas harmonisa yang terjadi pada suatu sistim kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe dan merancang filter pasif jenis Double Tuned Filter dan Type-C Filter untuk mereduksi harmonisa. Filter yang sudah dirancang kemudian disimulasikan dengan menggunakan MATLAB SIMULINK. Dari hasil simulasi diperoleh nilai THDi sebesar 19,9% dengan menggunakan Double Tuned Filter dengan parameter C1 = 650 µF, C2 = 2600 µF, L1 = 0,92 mH, L2 = 0,28 mH, R1 = 2,9
mΩ, R2 = 0,3 mΩ, R3 = 0,3 mΩ nilai THDi turun menjadi 4,59%, nilai ini sudah di bawah standar IEEE 519-1992. Dengan menggunakan dua buah Type-C Filter, untuk filter orde ke-3 dengan parameter C1 = 350 µF, C2 = 2600 µF, L = 3,6 mH, R = 340
mΩ, dan untuk filter orde ke-5 dengan parameter C1 = 300 µF, C2 = 7200 µF, L = 1,4
mH, R = 220 mΩ THDi juga turun menjadi 5%, nilai ini sudah sesuai dengan standar IEEE 519-1992. Hal ini menunjukkan bahwa pada sistim kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe khususnya pada panel gedung utama lebih sesuai menggunakan Double Tuned Filter.
ABSTRACT
Harmonics caused by industrial and house hold load is increasing from time to time. This is caused by the used of non-linier loads such as electronic equipment to increase efficiency. In this thesis, the researcher discussed the harmonics which occurred in the electric system at Politeknik Negeri Lhokseumawe, and designed passive filter of Double Tuned Filter type and Type-C Filter to reduce harmonics. The designed filters were simulated by using MATLAB SIMULINK. The result of the simulation showed that THDi value was 19,9%. By using Double Tuned Filter with the parameter of C1 = 650 µF, C2 = 2600 µF, L1= 0,92 mH, L2 = 0,28 mH, R1 = 2,9 mΩ, R2 = 0,3 mΩ, R3 = 0,3 mΩ, THDi value decreased to 4,59%, This value were already under the standard of IEEE 519-1992. By using to two Type-C Filter, for the third order with the perameters of C1 = 350 µF, C2 = 2600 µF, L = 3,6 mH, R = 340 mΩ, and for the fifth order with the parameters of C1 = 300 µF, C2 = 7200 µF, L= 1,4 mH, R = 220 mΩ, THDi value also decreased to 5%, and this value was in line with the standard of IEEE 519-1992. This indicates that Double Tuned Filter is more suitably used in the electric system at Politeknik Negeri Lhokseumawe, especially in the panel of the main building.
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Harmonisa dan faktor daya merupakan acuan utama dalam menilai sebuah sistem mempunyai kualitas daya listrik baik atau buruk. Masalah yang ditimbulkan oleh pengaruh tingginya harmonisa dan faktor daya rendah secara umum adalah efisien sistem menjadi rendah dan biaya operasi pemakaian energi listrik menjadi tinggi. Beban non linier adalah komponen pembangkit harmonisa. Pada dokumen
IEEE menggambarkan bentuk gelombang yang terdistorsi, dimana jumlah harmonisa dan besar harmonisa setiap komponennya yang disebabkan oleh peralatan elektronika daya (beban non linier) [1].
Keberadaan Total Harmonic Distortion (THD) yang tinggi dan faktor daya yang rendah tentunya dapat menambah pembebanan transformator, bahkan dapat mempengaruhi kinerja peralatan lain dengan sumber listrik tersebut. Keberadaan harmonisa pada kualitas daya sudah ditentukan batas yang diizinkan sesuai standar internasional yaitu IEEE-519-1992 dan besar batasan THD yang diizinkan untuk harmonisa tegangan yaitu sebesar 5%.
Tabel 1.1. Jenis peralatan terhadap THDi yang dibangkitkan [2]
Jenis Peralatan Tegangan (Volt) THDi(%) Keterangan
Fluorescent Lamp (with
Magnetic Ballast) 277 18.5
Dominan harmonisa ke 3
Fluorescent Lamp (with
Electronic Ballast) 277 11.6
Computer
240 134 91% Dominan
harmonisa ke 3
Laser printer
240 134 91% Dominan
harmonisa ke 3
Refrigerator 120 6.3
Residential Air
Conditioner 240 10,5
Dominan harmonisa ke 3
Charger battery UPS 240 91 Dominan harmonisa ke 3
udara dengan pengaturan kecepatan menggunakan inverter yang saat ini sudah banyak digunakan oleh masyarakat karena hemat energi, tetapi pengkondisi udara jenis ini merupakan pembangkit harmonisa yang paling besar yaitu 114,14 % dengan faktor daya 0,59 [3]. Sementara belum ada filter harmonisa dan perbaikan faktor daya yang dipasang, dan belum pernah dilakukan audit energi listrik sehingga dapat mengkhawatirkan kinerja tranformator 400 kVA tersebut.
Dari data pengukuran awal yang dilakukan pada panel gedung utama dengan menggunakan Power Q link (matrel). Besar THD dan faktor daya yang terukur yaitu, THD arus sebesar 19,9 %, dan faktor daya 0,78. Apabila dilihat dari data awal tersebut, THD arus telah menggambarkan nilai THD yang terjadi dan melebihi standar IEEE-519-1992.
Hasil yang diharapkan dari kenyataan yang ada tersebut yaitu dapat meredam harmonisa yang terjadi sesuai standar IEEE-519-1992, minimal THDi di bawah 5 %. Dengan demikian kualitas daya akan lebih baik, pembebanan transformator lebih maksimal dan pengaruh kerugian teknis lebih diminimalkan serta kinerja sistem peralatan lain tidak terganggu.
Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan dengan filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai teknologi yaitu:
Tabel 1.2. Model filter harmonisa yang telah dilakukan [4-10]
No Nama Judul Penelitian
Metode Identifikasi Harmonisa
Jenis Filter yang Dirancang
Hasil yang Diperoleh
1 Chih-ju chou, dkk IEEE february 2000[4] Optimal Planning Of Large Passive-Harmonisa-Filters Set At High Voltage Level Simulasi program membanding kan dua single tuned dengan single tuned dan Type-C filter
Menggunakan dua buah filter single tuned
THDI awal 6.55% menjadi 4,8% THDV awal 4,11% menajdi 3,11% Menggunakan single tuned dan Type-C filter
THDI awal 7,04% menjadi 4,82% THDV awal 6,86% mejadi 3,2%
2 Adel M. Sharaff, Michael E. Fisher January 1994[5] An optimization based technique for power sistem harmonisa filter design
Simulasi program
Optimal nilai C1 dan C2 pada Type-C filter damped
pada sudut δ = 10-4 dan untuk α1 = 1,
α2 = 0,2, dan α3 = 0,0005, dengan
nilai parameter filter yaitu C1 = 15 uF, C2 40 uF, dengan tahanan R = 700 ohm, dan L = 0,15 H
3 L.I.Koverni kova March,2010 [6] Centralized normalization of harmonisa voltages by the third-orde passive filter
Simulasi program
filter pasif
orde tiga dan membanding kan dengan Type-C filter
Effisiensi dari peredaman harmonisa tegangan orde ke n (3, 5, 7) oleh filter orde ke tiga dan Type-C filter . Ternyata kinerja kedua filter tersebut mampu mengurangi harmonisa tegangan pada level yang hampir sama.
4 Marco Liserre, dkk IEEE, 2008[7]
Design and Control of an LCL Filter Based Three Phase Active Rectifier Simulasi dan Percobaan dilakukan di Laborato-rium
Filter LCL
pada Voltage Source Converter (VSC)
Dari hasil percobaan didapatkan THD arus sebesar 3%, dan THD tegangan 1,4%
5 T. Messikh, S. Mekhilef, and N. A. Rahim[8]
Adaptive Notch
Filter for
Harmonisa current Mitigation
Simulasi program
filter pasif
dan filter
aktif
Sebelumnya THDI 24,33%Dengan filter THDI 4,57%
6 Darwin Rivas,dkk IEEE, 2003[9]
Improving Passive Filter Compenstion Performance with Active Techniques
Simulasi MATLAB/ Simulink.
Filter Pasif
dan Filter
Aktif
Sebelum dipasang filter THDv sebesar 7,51%. Sedangkan setelah dipasang filter pasif dan filter akif THDv menjadi 4,7%.
7 AKAGI. H[10]
Modern active
filters and
traditional passive filters
Simulasi program
Filter pasif
dan aktif
Dari Tabel 1.2 terlihat bahwa penelitian yang dilakukan dengan berbagai teknologi
dan menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam mengurangi harmonisa. .
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah di atas, masalah yang akan dibahas mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan
double tuned filter dan Type-C filter khususnya di panel gedung utama Politeknik Negeri Lhokseumawe yaitu:
1. Bagaimana menentukan nilai parameter komponen resistansi, induktansi dan kapasitansi pada double tuned filter dan type-C filter yang akan digunakan.
2. Bagaimana cara mendesain double tuned filter dan type-C filter untuk mereduksi harmonisa pada rel daya gedung utama sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe.
3. Bagaimana mensimulasikan dengan software MATLAB SIMULINK untuk pemasangan double tuned filter dan type-C filter yang akan digunakanagar dapat mereduksi harmonisa.
4. Bagaimana kesesuaian pemakaian double tuned filter dan Type-C filter
5. Bagaimana kesesuaian penggunaan kedua filter, terhadap standar IEEE 519-1992 yang diizinkan.
1.3. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan yang diharapkan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan kesesuaian penggunaan antara double tuned filter dan Type-C filter dengan menentukan parameter yang tepat, untuk meredam harmonisa yang terjadi. Kemudian dianalisa keseuaian antara double tuned filter dengan Type-C filter dalam meredam harmonisa tersebut. Hasil peredaman harmonisa THDi minimal di bawah standar
IEEE 519-1992.
1.4. Batasan Masalah
Mengingat luasnya permasalahan mengenai peredaman harmonisa dengan menggunakan double tuned filter dengan Type-C filter, maka permasalahan ini dibatasi sebagai berikut:
1. Penelitian hanya difokuskan pada masalah peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya pada sistem tersebut dengan menggunakan double tunedfilter dan Type-C filter.
3. Beban dianggap seimbang pada pembebanan setiap fasanya sehingga masalah beban tak seimbang tidak dibahas.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah mendapatkan kualitas daya listrik yang lebih baik. Dengan harmonisa yang rendah dan faktor daya yang tinggi, maka akan mengurangi kerugian biaya operasi, serta pengaruh kerja peralatan lain tidak terganggu.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan sebagai berikut:
Bab 1: Berisikan pendahuluan yang mengemukakan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, dan manfaat penelitian.
Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan prinsip harmonisa, perbaikan faktor daya, karakteristik dan prinsip kerja Double Tuned Filter dan Type-C filter.
Bab 3: Berupa metodologi penelitian, berisikan sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe, teknik pengumpulan data, pengukuran harmonisa dan faktor daya, perhitungan komponen Double Tuned Filter dan Type-C filter. Bab 4: Berisikan hasil dan analisis, simulasi matlab/simulink saat menggunakan
Double Tuned Filter dan Type-C filter.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sumber Harmonisa
Beban non linier pada peralatan rumah tangga umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat penggunaan komponen semi konduktor pada sistem penyearah seperti Switching Power Supplies, UPS, komputer, printer, LHE, TV, battery charger. Proses kerja peralatan atau beban non linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal [11]. Secara simulasi MATLAB / SIMULINK untuk beban non linier dapat dilihat seperti Gambar 2.1.
Beban non linier pada peralatan industri, dimana IEEE 519-1992
mengidentifikasi sumber utama dari harmonisa pada sistem tenaga adalah meliputi konverter daya, busur peleburan, statik VAR kompensator, inverters, kendali fasa elektronika daya, cycloconverters, power supply DC PWM, DC drive, AC drive, dan
welding arc. Berikut ini secara simulasi MATLAB SIMULINK untuk beban non linier untuk industri dapat dilihat seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Bentuk gelombang tegangan dan arus akibat beban non linier 3 fasa
harmonisa adalah suatu gelombang arus atau tegangan sinusoidal yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Untuk menjelaskan harmonisa orde (h) untuk sebuah penyearah tiga fasa dari Gambar 2.2 dapat dirumuskan sebagai berikut:
h = k.q ± 1 Dimana: h = Orde Harmonisa
k = Urutan bilangan (0, 1, 2 ...) q = Jumlah pulsa penyearah
Besar harmonisa untuk penyearah terkendali 6 pulsa seperti Tabel 2.1. Tabel 2.1. Orde harmonisa terhadap persentase tegangan
Orde harmonisa % Tegangan Sudut phasa
1 100 -75
5 33.6 -156
7 1.6 -151
11 8.7 -131
13 1.2 54
17 4.5 -57
18 1.3 -226
23 2.7 17
25 1.2 149
ke 1, 3, 5, 7, 9, dan 11 secara simulasi MATLAB SIMULINK dapat dilihat seperti Gambar 2.3.
Gambar 2.3. (a) Rangkaian sumber tegangan (b) Bentuk tegangan distorsi
2.2. Pengaruh Harmonisa
ini dapat menyebabkan kerugian keuangan karena biaya tambahan untuk pemeliharaan. Setiap komponen peralatan sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonisa walaupun dengan akibat yang berbeda. Dengan demikian komponen peralatan tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan harmonisa ganjil yang disebut triplen harmonic (harmonisa ke-3, 9, 15, 21, 27 dan seterusnya) yang sering disebut harmonisa urutan nol (zero sequence)[12].
[image:30.612.165.479.505.676.2]Dapat dilihat hasil simulasi MATLAB SIMULINK pada Gambar 2.3 untuk menjelaskan secara visual agar lebih memahami terjadinya harmonisa urutan nol. Makin besar amplitudo harmonisa triplen, maka makin besar harmonisa urutan nol, sehingga akan memperbesar arus netral sistem. Bentuk gelombang urutan nol secara program MATLAB SIMULINK dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Harmonisa urutan nol
0 5 10 15 20 25 30
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 t A m p litu d o A ru s ( A )
Harmonisa urutan nol yang tinggi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasa pada sistem. Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonisa antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 fasa 4 kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol.
2.3. Standar Batas Hamonisa
Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semikonduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan bentuk gelombang ini tidak terkait dengan sumber tegangannya. Keberadaan harmonisa pada kualitas daya sudah ditentukan batas yang diizinkan sesuai standar internasional yaitu IEEE-519-1992 [13]. Standar harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai seperti Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Batas THDV sesuai standar IEEE 519-1992
Tegangan
rel daya pada PCC
Distorsi Tegangan
individu(IHDv)
Total Harmonisa Distorsi
Tegangan (THDv)
69 KV 3,0 5,0
69 KV<V 161KV 1,5 2,5
Untuk menentukan batas harmonisa arus sesuai standar IEEE 519-1992 sesuai nilai Short Circuit Ratio (SCR). Dimana SCR adalah perbandingan antara arus hubung singkat dengan arus beban nominal(Isc/IL) seperti Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Batas arus harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992
Isc/IL
Orde harmonisa (dalam %) Total Demand
Distortion
(TDD)
< 11 11 - 17 17 - 23 23 - 35 >35
<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20<50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50<100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
100<1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Dimana:
Isc : Arus hubung singkat pada Point of Common Coupling (PCC) (Ampere) IL : Arus beban fundamental nominal (Ampere)
TDD : Total Demand Distortion (%)
2.4. Penyebaran Harmonisa pada Sistem Lima Rel Daya
Gambar 2.5. Model penyebaran distorsi tegangan dan arus pada sistem tenaga
Beban non linier berupa penyearah semi terkendali dan penyearah tak terkendali pada rel daya 5 dan rel daya 4. Pada rel daya tersebut terlihat jelas gelombang tegangan dan arus yang terdistorsi akibat yang ditimbulkan oleh beban
mengalami distorsi akibat beban non linier di rel daya 4 dan 5. Besar pengaruh distorsi tegangan dan arus akibat beban non linier pada sistem tergantung dari daya beban non linier tersebut dan impedansi sistem yang dilaluinya.
2.5. Perhitungan Harmonisa
Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linear atau alat yang mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [14]:
∑ cos …………..…... (2.1) Dan
∑
cos
….………...(2.2)Dimana:
Vo = Komponen DC dari gelombang tegangan (Volt) io = Komponen DC dari gelombang arus (Ampere)
Pada umumnya untuk mengukur besar distorsi harmonisa baik individual ataupun total yang disebut dengan IHD dan THD. Untuk THD tegangan dan arus didefinisikan sebagai nilai RMS harmonisa diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS fundamentalnya, dengan tegangan DC nya diabaikan.
….………... (2.3)
Dan
………...…. (2.4)
Dengan mengabaikan tegangan dc (Vo) dan nilai Vrms digantikan dengan /√ ,
sehingga THD tegangan dapat dituliskan dalam Persamaan (2.5).
... (2.5)
THD arus dapat dihitung sebagai berikut:
……...… (2.6)
2.6. Perhitungan Faktor Daya
Kondisi gelombang arus sinusoidal (tanpa harmonisa) terdapat sudut fasa antara tegangan dan arus. Pada frekuensi fundamental nilai faktor daya dapat juga dihitung dengan menentukan nilai cosinus dari sudut fasanya atau perbandingan antara daya
√
∞
√
∞
∑ √
√
∑
∑ √
√
aktif (P) dan daya semu (S), faktor daya kondisi ini umumnya disebut dengan
Displacement Power Factor(DPF) [15,16,17] seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. (a) Sudut fasa gelombang tegangan (b) arus dan vektor segitiga daya
DPF dari vektor segitiga daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu pada frekuensi fundamental yaitu:
.
dimana:
P1 avg = . .
maka:
……….….… (2.7)
2.7. Filter Harmonisa
Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter
harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil
(a) (b)
. .
mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban non linier [18] diantaranya:
a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b. Penggunaan filter aktif.
c. Kombinasi filter aktif dan pasif.
d. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.
Disamping sistem diatas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar, proses ini mengakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan induktor sistem [19].
2.8. Filter Pasif
Untuk meredam harmonisa dalam sistem tenaga, maka kita perlu menggunakan
kapasitansi, dan unsur-unsur tahanan untuk mengendalikan harmonisa [20] lihat Gambar 2.7. Teknik filter pasif yang menggunakan double tuned filter atau Type-C filter yang memiliki impedansi yang rendah untuk arus harmonisa pada frekuensi tertentu atau frekuensi tinggi atau band-pass filters (damped filters) dapat memfilter
harmonisa di atas frekuensi tertentu (frequency bandwidth).
L C
R
R
R L
L C2
C C1
Filter Single-tuned
Filt er Orde dua
Filt er Orde t iga
Filter Type C C1
C2
Gambar 2.7. Model filter pasif
Filter pasif secara ekonomi relatif murah dibandingkan dengan metoda lain untuk meredam distorsi harmonisa. Bagaimanapun, mereka mempunyai kelemahan atau kerugian karena berpotensi saling berinteraksi dengan sistem tenaga, dan penting sekali untuk menganalisa semua interaksi sistem yang mungkin terjadi saat mereka dirancang. Filter pasif bekerja sangat efisien bila filter tersebut dipasang dilokasi pembangkit harmonisa (beban non linier). Frekuensi resonansi harus dihindari dari setiap harmonisa atau pada frekuensi harmonisa lain yang dihasilkan oleh beban.
Filter umumnya di tuning lebih rendah dari frekuensi harmonisa untuk keamanan sistem. Rancangan filter fasif harus mempertimbangkan perkembangan sumber arus harmonisa atau konfigurasi dari beban sebab akan menyebabkan beban lebih yang
dapat berkembang menjadi panas yang berlebihan. Perancangan filter pasif memerlukan suatu pengetahuan yang tepat dari beban pembangkit harmonisa pada sistem tenaga. Banyak simulasi yang dilakukan untuk menguji kriteria di bawah kondisi beban yang berubah sesuai topologi jaringan tersebut.
1. Double tuned filter adalah filter harmonisa yang terdiri 2 buah single tuned
filter yang digunakan untuk mengurangi harmonisa 2 buah orde harmonisa diantara orde harmonisa yang ada. Didalam perhitungan penentuan nilai L dan C mengacu pada 2 buah orde harmonisa tersebut.
2. Third-orde filter adalah jenis filter high pass yang digunakan hanya melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off juga. Third-orde high-pass filter adalah filter frekuensi tinggi yang lebih efektif dalam mem-filter, tetapi memiliki rugi-rugi daya yang lebih besar dibanding second-orde high-pass filter.
Filter pasif selalu menyediakan kompensasi daya reaktif sampai batas tertentu sesuai besar Volt-Ampere dan tegangan dari bank kapasitor yang digunakan, mereka dapat dirancang untuk dua tujuan yaitu sebagai filter dan kompensasi faktor daya yang diinginkan. Jika saringan lebih dari satu digunakan sebagai contoh, sebuah
double tuned filter untuk harmonisa ke 5 dan sebuah lagi untuk harmonisa ke 7, atau harmonisa ke 11 dan ke 13. yang terpenting yang perlu diingat bahwa filter pasif menyediakan kompensasi daya reaktif.
dipasang, tapi dalam perhitungan resistor selalu ada dalam rangkaian seri, tahanan dalam dari reaktor yang terhubung secara seri terkadang menimbulkan panas yang berlebih pada filter. Semua arus harmonisa pada frekuensi bersamaan dengan tuned filter akan didapat impedansi rendah yang melalui filter tersebut.
2.9. Proses Eliminasi Harmonisa
Perlu dijelaskan bagaimana sebuah filter harmonisa mengubah sebuah gelombang terdistorsi menjadi berkurang distorsinya, seperti terlihat pada Gambar 2.8 dengan bantuan simulasi MATLAB SIMULINK. Hasil simulasi MATLAB SIMULINK
dapat menjelaskan proses eliminasi gelombang arus terdistorsi dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban non linier seperti yang ditunjukan pada gelombang warna biru. Setelah kapasitor dan induktor yang digunakan sebagai filter
untuk memperbaiki gelombang warna biru dengan sinyal gelombang warna hijau, sehingga menghasilkan gelombang yang terperbaiki seperti yang ditunjukan gelombang warna merah dengan tingkat distorsi gelombangnya mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat diperbaiki oleh filter
induktor dan kapasitor.
2.10. Double Tuned Filter
Double tuned passive filter mempunyai nilai impedamsi yang kecil jika frekuensinya besar. Sehingga Filter ini harus mempertimbangkan parameter kaitannya dengan frekuensi harmonisa. Bebarapa aspek berkaitan dengan faktor kualitas pada single tunedfilter yaitu:
1. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai tahanan dari kumparan reaktor.
2. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang diinginkan yang melaluinya.
[image:41.612.234.394.500.662.2]3. Besar nilai Q menyiratkan mengenai frekuensi resonansi filter dan oleh karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa. Gambar 2.9 menunjukkan gambar rangkaian ekivalen Double tuned filter yang terdiri dari dua buah single tunedfilter dihubung paralel.
Single tunedfilter yang terdiri dari kapasitor (C) dihubung seri dengan induktor (L) dan tahanan (R). Penggunaan double tuned filter [21] yaitu:
1. Biasanya digunakan pada High Voltage Direct Current (HVDC) stasiun modern pada sistem tegangan tinggi dimana kapasitor utama C1 lebih besar agar lebih mudah untuk mengoptimalkan biaya /kVAR.
2. Menurunkan pembangkitan daya reaktif di cabang transmisi tenaga yang lebih rendah.
3. Masing-Masing filter pada dua harmonisa untuk mengurangi filter cabang dan rugi-rugi filter.
[image:42.612.166.479.419.671.2]Karakteristik impedansi terhadap frekuensi harmonisa dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10. Karakteristik impedansi double tuned passive filter
Dari Gambar 2.10 terlihat impedansi paling rendah kondisi sekitar harmonisa orde ke 11 dan 13 yaitu pada frekuensi 550 dan 650 Hz. Jika Pada frekuensi tersebut parameter filter tidak diperhatikan maka akan mengakibatkan sistem mengalami beban besar atau hubung singkat.
Setiap filter memiliki kelebihan dan kelemahan dalam melakukan peredaman harmonisa pada sistem.
Kelebihan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Terjadi resonansi pada impedansi yang sangat rendah. 2. Sangat effisien pada daerah frekuensi yang sempit.
3. Single tuned filter secara normal mampu mengeliminasi frekuensi harmonisa yang paling besar yaitu harmonisa ke 11 dan 13.
4. Lebih sensitif terhadap tuning yang tidak tepat.
5. Dengan memberikan kapasitor utama yang besar maka kerja filter lebih optimal dan menurunkan biaya kVAR.
6. Double tuned filter merupakan model filter yang sederhana, dengan kriteria yang baik.
Kelemahan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Membutuhkan kVAR yang tinggi untuk mencapai performance yang sama seperti single tuned filter.
2.11. Perhitungan Double tuned filter [22]
Langkah merancang double tuned passive filter yaitu:
a. Menentukan nilai kapasitansi ΔQ untuk memperbaiki faktor daya, perbaikan faktor daya umumnya sekitaran 0,95 atau lebih tinggi lagi.
ΔQ = P(tan φawal – tan φtarget) ...(2.8)
b. Menghitung reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental yaitu:
Sehingga C1 diperoleh:
Selanjutnya daya reaktif Qc dibagi untuk orde 3 dan 5 yaitu Qa dan Qb dengan demikian nilai reaktansi masing-masing orde harmonisa menjadi:
Nilai kapasitor yaitu:
Sehingga
c. Menghitung nilai reaktor yang digunakan untuk meredam harmonisa ke-n ... (2.9)
πfx
...(2.10)
...(2.11)
Dengan demikian nilai XL untuk orde 3 (XLa) dan orde 5 (XLb)
masing-masing yaitu:
Nilai induktansi masing-masing orde harmonisa yaitu:
.
Sehingga diperoleh nilai L1 pada rangkaian ekivalen double tuned yaitu:
... (2.16)
d. Menghitung tahanan reaktor untuk menentukan nilai faktor kualitas Q, dimana:
atau
.
Menentukan nilai tahanan R1 yaitu:
...(2.13)
...(2.14)
...(2.15)
.
dan nilai Q diambil sebesar 100
untuk menentukan nilai R2 dari rangkaian ekivalen double tuned yaitu:
e. Menentukan kapasitas C2 yaitu:
f. Besar L2 yaitu:
g. Menentukan R3 yaitu:
g. Menentukan R3 yaitu:
Dimana nilai a dan nilai x yaitu:
...(2.19)
... (2.20)
... (2.21)
....(2.22) ...(2.18)
2.12. Type-CFilter
Untuk meredam harmonisa frekuensi rendah, Type C filter tepat untuk digunakan karena tidak ada rugi-rugi daya fundamental, derating VAR dan juga tepat untuk memfilter pada harmonisa yang tinggi. Type C filter mempunyai dua kapasitor dengan sebuah kapasitor dihubung secara seri dengan resistor dan induktor seperti Gambar 2.11. Dua kapasitor pada Type C filter mempunyai kapasitansi dalam (µF). Di dalam perencanaan untuk menentukan sebuah high-pass filter sebagai peredam harmonisa, maka ada berapa aspek yang harus dipertimbangkan [23] yaitu:
a. Dari Karakteristik yang terbentuk antara impedansi terhadap frekuensi, maka
Type C filter akan memerlukan suatu perhatian yang sangat khusus dibandingkan dengan single tuned filter.
b. Peredaman arus harmonisa yang menggunakan Type-C filter memerlukan ukuran yang berbeda terhadap komponen filter, terutama sekali bank kapasitor, bandingkan dengan single tuned filter. Sebagai contoh, sebuah kapasitor bank sebesar 3-MVAR yang digunakan untuk filter harmonisa ke lima dari 50Hz dalam aplikasinya boleh tidak mencapai nilai frekuensi 300 Hz.
c. Double tuned filter merupakan filter yang sederhana dalam aplikasinya, filter
tersebut dapat mengurangi rugi-rugi daya pada frekuensi dasarnya.
Untuk menyederhanakan rancangan filter, Kapasitor (C) dan induktor (L) dari Type-C filter terjadi resonans seri pada frekuensi dasar untuk mengurangi kerugian daya pada frekuensi fundamental. Type-C passive filtersecara rangkaian dapat dilihat pada Gambar 2.11, dimana kapasitor (C1) dihubung seri dengan kapasitor (C2) dan induktor (L), kemudian induktor (L) dan kapasitor (C2) diparalel dengan resistor (R) yang tujuannya untuk damping filter.
Gambar 2.11. Rangkaian Type-C filter
Gambar 2.12. Kurva impedansi terhadap frekuensi Type-C filter
Type-C filter secara luas digunakan untuk harmonisa low pass orde. Type-C filter merupakan pengembangan dari high-pass filter orde ke-3. Faktor utama untuk menentukan parameter komponen yaitu:
1. Daya reaktif pada frekuensi fundamental. 2. Kondisi resonansi.
Kelebihan dari Type-C passive filteryaitu:
1. Type-C filter dengan tahanan (R) sebagai damping menghasilkan kriteria yang baik dan tidak terjadi resonansi pada sembarang frekuensi.
2. Rugi-rugi daya pada resistor rendah.
3. Kinerja lebih baik di banding third order filter.
Kelemahan dari Type-C passive filter yaitu terjadi penambahan biaya terhadap kapasitor. Karena menggunakan dua buah kapasitor . Kemudian dalam pengaturannya kemungkinan membutuhkan rangkaian pemutus.
2.13. Perhitungan Type-C Filter [24,25] Langkah merancang Type-C filter yaitu:
a. Menentukan nilai kapasitansi Qc untuk memperbaiki faktor daya, perbaikan faktor daya umumnya sekitaran 0,95 atau lebih tinggi lagi.
ΔQ = P(tan φawal – tan φtarget)
b. Menghitung reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental yaitu:
... (2.24)
c. Besar nilai C terhadap daya reaktif Qc dengan tegangan V pada orde harmonisa ke n yaitu:
...………... (2.26)
d. Besar nilai L terhadap daya reaktif Qc dengan tegangan V pada orde harmonisa ke n yaitu:
...…………...(2.27)
d. Besar nilai faktor kualitas yaitu:
... (2.28)
Dimana :
V = tegangan sistem = kebutuhan daya reaktif
Q = faktor kualitas
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi yang dimulai dari pengumpulan data pemakaian beban, data transformator, data impedansi kabel dan perhitungan kapasitas hubung singkat pada panel utama. Kemudian melakukan pengukuran harmonisa dan faktor daya dengan menggunakan alat ukur
Power Q link (METREL). Pengukuran harmonisa dan faktor daya dilakukan untuk mendapatkan besar harmonisa dan faktor daya yang terjadi pada sistem khususnya di panel gedung utama. Setelah diketahui nilai faktor daya dan besar urutan hamonisa, maka nilai tersebut menjadi data dalam menentukan parameter double tunedfilter dan
Type-Cfilter dan pemodelan simulasi dengan Matlab/Simulink.
3.1. Data Pemakaian Beban di Politeknik Negeri Lhokseumawe
kabel NYY 2 240 mm2 dengan jarak 20 meter dan selanjutnya dibagi ke panel
[image:53.612.91.561.289.657.2]bus cabang beban antara lain ke: Bengkel Listrik, Lab. T. Elektro, G. Elektro, G. Utama, Lab. Kimia, Gedung Kimia, G. Pusat ADM, Gedung Mesin, Lab. CNC, Bengkel las, Bengkel mesin, Gedung sipil, Lab. Sipil, Bengkel sipil, Pompa, dan Perpustakaan dengan sistem kelistrikannya dapat dilihat pada Gambar 3.1. Single line keseluruhan sistem dapat dilihat pada Lampiran 1.
Gambar 3.1. Blok diagram sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe
Bus PCC cabang Bus PCC cabang Beban Perpusta kaan Beban Gedung Utama Beban Lab. Kimia Beban G. Pusat ADM Beban Bengkel Las Beban Bengkel T. Elekt Beban Gedung T. Elekt Beban Pompa air 30KW Beban Lab. T.E lekt Beban Bengkel Mesin Beban Lab. CNC Beban Lab. T. Sipil Beban Bengkel T. Sipil Beban Gedung Kimia Beban Gedung Sipil Beban Gedung T. Mesin
400 KVA-20 KV/400 V Z = 4%
Bus PCC Utama 400 V
Beban pada masing-masing panel bus cabang berupa lampu ballast magnet 2 36 watt dengan faktor daya 0,45, komputer, pengkondisian udara dan peralatan laboratorium. Data pemakaian beban di Politeknik Negeri Lhokseumawe dapat dilihat pada Tabel 3.1 dengan rekapitulasi daya sebagai berikut:
Tabel 3.1 Rekapitulasi beban terpasang di Politeknik Negeri Lhokseumawe
Nama Gedung Bengkel Listrik Lab. T. Elektro G.
Elektro G. Utama
Lab. Kimia Gedung. Kimia Beban Jumlah beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W)
TL 25920 34560 34560 57024 17280 17280
Komputer 35100 23400 11700 70200 11700 11700
AC 14920 8952 2984 29840 14920 7460
jumlah 75940 66912 49244 157064 43900 36440
Tabel 3.1. (sambungan)
Nama Gedung G. Pusat ADM Gedung Mesin Lab. CNC Bengkel las Bengkel mesin Gedung sipil Beban Jumlah beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W)
TL 11664 20736 10368 4752 10368 20736
Komputer 9450 2700 29700 Mesin las = 45600
1350 2700
AC 22380 7460 14920 2984 7460
Tabel 3.1. (sambungan)
Nama
Gedung Lab. Sipil
Bengkel sipil
Rumah
Pompa Perpustakaan Total Jumlah
beban Beban Jumlah beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W) Jumlah Beban (W)
TL 10368 10368 288 10368 296.640
Komputer 11700 1350 Pompa = 30000 W
9000 277.350
AC 4476 2984 35808 177.548
jumlah 26544 14702 30288 55176 836526
3.1. Teknik Pengukuran yang Dilakukan
Sebelum pemasangan filter yang akan digunakan tentunya ada mekanisme yang harus dilakukan diantaranya mengetahui besar nilai harmonisa pada sistem tenaga listrik tersebut. Untuk mengetahui karakteristik harmonisa melalui pengukuran pada sistem distribusi di Politeknik Negeri Lhokseumawe seperti Gambar 3.2. Pengukuran dan pengambilan data dilakukan langsung ke lapangan dengan menggunakan alat ukur bernama Power Q plus MI 2492 (merk METREL) komunikasi data dari Power Q plus MI 2492 ke komputer dilakukan melalui
[image:56.612.132.511.114.668.2]
Panel Gedung Utama
Gambar 3.2. Titik pengukuran pada Rel Daya Gedung Utama Beban non linier
Z Z Z
20 m NYY 2 4 240 mm2
400 KVA, 20 KV/400 V Z = 4%
Bus PCC Utama
Beban lain Titik pengukuran
pada rel daya gedung utama
Beban lain Z kabel
Dari pengukuran tersebut akan terlihat nilai setiap orde harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang nantinya digunakan untuk menghitung besar kapasitas kapasitor yang harus digunakan sebagai kompensasi faktor daya sistem.
Kapasitas hubung singkat pada gardu distribusi dibutuhkan untuk menghitung impedansi sumber pada PCC utama dan impedansi saluran. Data impedansi transformator daya 400 KVA diambil dari plat nama (name plate) dan data impedansi kabel dari transformator ke bus panel utama dengan kabel jenis NYY 2 240 mm2 sesuai ukuran penggunaan diperoleh dari standar kabel.
3.3. Teknik Pengumpulan Data
Data hasil pengukuran Power Q plus MI 2492 yang tersimpan di komputer selama satu minggu diambil dan dipilih untuk data input simulasi matlab. Data yang dipilih dalam rentang satu minggu tersebut adalah data pengukuran harmonisa yang terbesar sebagai acuan perhitungan pada kondisi terburuk.
Dalam waktu rentang seminggu data yang terpilih tersebut diperlihatkan: a. Bentuk gelombang tegangan dan arus terdistorsi akibat harmonisa. b. Spektrum harmonisa untuk tiga fasa.
kapasitas hubung singkat. Hasil perhitungan hubung singkat ini untuk mendapatkan rangkaian ekivalen satu fasa dengan sistem sumbernya seperti Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Rangkaian ekivalen perhitungan hubung singkat
Dari hasil perhitungan hubung singkat akan dipergunakan untuk menentukan nilai ratio arus hubung singkat dengan arus beban I
IL atau Short Circuit Ratio (SCR).
Dimana SCR adalah perbandingan antara arus hubung singkat dengan arus beban maksimum sebagai batas arus harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992.
3.3.1. Data spesifikasi transformator dan kabel
Sesuai dengan diagram alir untuk menentukan parameter double tuned filter dan Type-C filter pelaksanaan penelitian dimulai dengan mendapatkan data transformator dan impedansi saluran.
Bus PCC utama
X kabel pu
X trafo pu
Vpu
a. Data spesifikasi transformator distribusi Transformator distribusi buatan PT. Unindo
Kapasitas Transformator 3 fase 400kVA, 20 kV/400 V Hubungan Dyn5
Impedansi Zsc : 4% Arus eksitasi Io : 1,9 % Io = 0,019x11,547= 0.2194 A Rugi-rugi tanpa beban Po : 930 W Rugi-rugi berbeban Pr : 4600W Pendingin minyak : Diala B Kenaikan suhu minyak: 55oC Arus primer : 11,5A
Arus Skunder : 577 A b. Data spesifikasi kabel
Kabel yg digunakan jenis NYY 2 240 mm2 dari trafo ke panel utama dengan panjang 20 meter. Data kabel dapat dilihat pada Lampiran 2.
Dimana: R = 0,093 Ω / Km
L = 0,307 mH / Km, XL = 0,096 Ω/ Km Maka Z kabel = (0,093+j0,096) mΩ / m
Karena 2 kabel terhubung paralel maka:
, , , ,
, , , ,
, ,
, ,
, ,
, ,
, ,
, ,
, ,
,
, , Ω/m
Karena kabel yang digunakan 20 meter, maka:
m , , Ω/m
, , Ω
Data impendansi kabel saluran dan perhitungan impendansi total kabel saluran ditunjukkan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2. Impedansi kabel saluran
Jenis kabel Luas
penampang (mm2)
Resistasi (r) (m /m)
Reaktansi (x) (m /m)
Impedansi kabel (z) ( )
NYY 2 4 240 0,093 0,096 0.00093+j0.00096
3.3.2. Data pengukuran pada panel gedung utama degan METREL
bentuk gelombang tegangan dan arus masing-masing fasa, spektrum tegangan dan arus harmonisa yang diperlihatkan pada Gambar 3.4 s/d 3.8.
Gambar 3.4. Hasil pengukuran bentuk gelombang arus fasa L2
Gambar 3.5. Spektrum tegangan dan arus pada fasa L2
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.690
-302.58 -272.32 -242.06 -211.80 -181.55 -151.29 -121.03 -90.77 -60.52 -30.26 28.42f 30.26 60.52 90.77 121.03 151.29 181.55 211.80 242.06 272.32 302.58 I(A) (ms) UIf screen Started at 31.05.2011. 20:00:13
[ph2] Current 0 12.10 24.19 36.29 48.38 60.48 72.57 84.67 96.76 108.86 120.95
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 THD
(A ) 0 2.39 4.78 7.16 9.55 11.94 14.33 16.71 19.10 21.49 23.88 T H D Cu rre n t ( % )
Harmonics graph - Current
0 25.81 51.62 77.43 103.24 129.05 154.86 180.67 206.49 232.30 258.11
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 THD
(V ) 0 0.27 0.54 0.80 1.07 1.34 1.61 1.88 2.14 2.41 2.68 T H D V ol tage ( % )
Gambar 3.6. Hasil pengukuran bentuk gelombang tegangan pada fasa L2
[image:62.612.114.526.319.654.2]Gambar 3.7. Spektrum arus pada fasa L2
Gambar 3.8. Bentuk spektrum tegangan fasa L2
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.690
-482.52 -434.15 -385.78 -337.41 -289.04 -240.67 -192.30 -143.93 -95.56 -47.19 1.18 49.55 97.93 146.30 194.67 243.04 291.41 339.78 388.15 436.52 484.89 U(V) (ms) UIf screen Started at 31.05.2011. 20:00:13
[ph2] Voltage 0 20 40 60 80 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Arus harmonisa orde ke n(Ampere) Harmonisa orde ke n 0 50 100 150 200 250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Data pengukuran dalam bentuk tabel yaitu tegangan fasa, arus fasa, daya, faktor daya, besar THD tegangan dan arus harmonisa, arus netral, dan frekuensi dapat dilihat pada Tabel 3.3 yang diambil dari data hasil pengukuran dengan alat ukur
[image:63.612.152.486.287.606.2]METREL.
Tabel 3.3. Data hasil pengukuran tegangan fasa, arus fasa, daya, faktor daya, besar THD tegangan dan arus
Symbol Name Unit L2
U Phase voltage V 215.1
I Phase current A 91.679
S Apparent power kVA 19.7
P Active power kW -15.4
Q Reactive power kVAr -12.3
PF PF -0.78
cosPhi cosinus Phi
THD v Total harmonic distortion % 2.2
THD i Total harmonic distortion % 19.9
Inductive, Capacitive i
Uxx Phase to phase voltage V (U23)
378.0
Data hasil pengukuran dengan menggunakan alat ukur METREL dalam bentuk tabel yaitu tegangan dan arus harmonisa orde n dapat dilihat pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4. Data hasil pengukuran tegangan dan arus harmonisa orde ke n
Harmonisa orde ke (n) V2(Volt) I2( Ampere)
0 0.2 0.035
1 215.1 89.926
2 0.0 0.341
3 1.5 17.078
4 0.1 0.101
5 3.9 4.103
6 0.1 0.095
7 1.7 1.040
8 0.0 0.125
9 0.8 2.124
10 0.0 0.036
11 0.8 0.914
12 0.1 0.055
13 0.6 0.202
14 0.0 0.106
15 0.5 0.414
16 0.1 0.028
17 0.3 0.319
18 0.0 0.085
19 0.1 0.052
20 0.1 0.283
21 0.1 0.085
22 0.1 0.199
23 0.2 0.260
24 0.3 0.412
Dari tabel 3.4 terlihat hasil pengukuran dilapangan dengan menggunakan alat ukur Power Q plus MI 2492 (merk METREL) pada sistem di Politeknik Negeri Lhokseumawe dapat dilihat bentuk gelombang dan spektrum arus dan tegangan untuk fasa S (L2) saja terhadap Total Distortion Harmonic (THD) sebelum pemasangan
double tuned filter dan Type-C filter seperti Gambar 3.4; 3.5; 3.6; 3.7 dan 3.8. Dari Tabel 3.4 terlihat harmonisa tegangan orde ke 3, 5, 7 dan 9 dengan nilai yang paling besar yaitu 17,078 A, 4,103 A, 1,040 A dan 2,124 A. Harmonisa orde ke 3 dan ke 5 yang masih melebihi standar IEEE 519-1992 yaitu sebesar 17,078 A dan 4,103 A dari arus fundamental sebesar 89,926 A atau harmonisa orde ke 3 sebesar 18,99% dan orde ke 5 sebesar 4,56%. Sementara harmonisa orde lainnya masih dibawah kondisi yang diizinkan. Jika merujuk ke Tabel 2.2 yang menyatakan untuk arus dengan SCR
<20, dimana orde harmonisa individu dengan TDD total tidak boleh melebihi 5%. Faktor daya total kondisi pengukuran seperti ditunjuk pada Tabel 3.3 sebesar 0,78.
3.4. Perhitungan Hubung Singkat dan Batas Harmonisa
Rangkaian ekivalen analisa satu fasa menurut Gambar 3.3 untuk nilai X1 (reaktansi hubung singkat) merupakan jumlah reaktansi transformator dengan reaktansi saluran. Dari data Spesifikasi Transformator Distribusi dengan kapasitas transformator 3 fase 400kVA, 20kV/400V, dengan impedansi hubung singkat Zsc = 4% (0.04 pu).
Dimana:
MVA base = 0,4 MVA kV base sekunder = 0,4 kV
Untuk menentukan arus dasar dari persamaan (2.33) yaitu:
, , A
Untuk menentukan MVA hubung singkat yaitu:
,
, MVA atau . KVA
KV MVA
,
, , Ω
Sehingga nilai impedansi transformator yaitu:
, , j , Ω
P
I , Ω
L ,, , , mH
Besar impedansi kabel antara transformator ke panel utama sejarak 20 meter seperti yang ditunjukkan dalam Table 3.2 yaitu sebesar 0,00093+j0,00096 ohm
Sehingga Arus hubung singkat pada busPCC utama yaitu:
Dimana jumlah impedansi total sistem dari transformator ke bus PCC utama (ZS) yaitu:
ZS sistem = impedansi transformator + impedansi saluran NYY 20 m
ZS sistem = (0,0138+j0,016)+(0,00093+j0,00096) = 0,0225 Ω
, , A
Arus beban dari pengukuran terbesar diantara tiga fasa pada bus PCC utama sebesar
IL = 505,72 A. Maka SCR (Short Circuit Ratio) untuk menentukan batas arus
harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992 pada sistem kelistrikan di PoliteknikNegeri Lhokseumawe yaitu:
, A
√ , A
, A
, ,
Nilai SCR masih dibawah nilai 20, maka sesuai Tabel 2.2 batas arus harmonisa standar IEEE 519-1992 yaitu THDI sebesar 5%. Dari nilai ini sudah jelas bahwa sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe dengan SCR tidak boleh melebihi standar yaitu THD arus sebesar 5% . Dalam hal ini double tuned filter dan
129,2Kva. Penempatan double tuned filter dan Type-C filter pada rel daya tersebut untuk mengurangi harmonisa.
Pengukuran dilakukan di bus PCC utama dengan menggunakan alat ukur METREL. Pengukuran di bus PCC utama dilakukan untuk mengetahui besar arus beban maksimum rata-rata untuk perhitungan SCR sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Lhokseumawe. Pengukuran di Rel Daya Gedung Utama dilakukan untuk mengetahui karakteristik hamonisa untuk dipasang double tuned filter dan Type-C filter yang sesuai. Karakteristik harmonisa pada Rel Daya gedung Utama merupakan data input simulasi. Rangkaian simulasi MATLAB SIMULINK harus merujuk sesuai diagram satu garis Gambar 3.2, mulai dari transformator sampai ke Rel Daya Gedung Utama.
3.5. Perhitungan Double Tuned Filter
3.5.1. Menentukan kebutuhan kapasitor
Berdasarkan pengukuran pada Tabel 3.3 dapat dilihat nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif dan nilai faktor daya. Untuk memperbaiki faktor daya dari 0,78 menjadi 0,98 dan sekaligus sebagai filter harmonisa dibutuhkan kompensasi kapasitor.
Berdasarkan Tabel 3.3 dapat dilihat bahwa daya aktif P = 15,4 kW dengan factor daya 0,78 akan dinaikan menjadi 0,98 laging, maka kebutuhan daya Reaktif
ΔQ sesuai Gambar 3.9 dapat dihitung menggunakan persamaan (2.9).
= 15,4 (tan 38,7 – tan 11,4 ) = 15,4 (0,8 – 0,2)
ΔQ = 15,4 (0.6) = 9,24 kVAr
jadi kebutuhan ΔQ per fasa sebesar 9,24 kVAr, maka reaktansi kapasitif kapasitor yaitu:
[image:69.612.211.423.250.564.2]Ω
Gambar 3.9. (a) Rangkaian paralel dua buah single tuned (b) Rangkaian ekivalen double tuned
kapasitas kapasitor dalam mikro Farad dapat dihitung meggunakan persamaan (2.10).
µF atau µF
a
Jadi nilai kapasitor masing-masing dipilih sesuai Gambar 3.9.a yaitu: Ca = 350 µF dan Cb = 300 µF
Nilai XCa dan XCb dapat dihitung dengan persamaan (2.11), sehingga diperoleh:
ohm dan , ohm
Nilai La dan Lb dapat dihitung menggunakan persamaan (2.14) dan (2.15).
,
, ,
,
,
Nilai C2 dapat dihitung menggunakan persamaan (2.20).
, ,
, ,
3.5.2. Menentukan parameter induktor (L)
Nilai yang dibutuhkan sebagai filter harmonisa dapat dihitung menggunakan persamaan (2.16).
, ,
, , ,
Sedangkan nilai dapat dihitung menggunakan persamaan (2.21).
, ,
, ,
,
3.5.3. Menentukan nilai tahanan (R)
Nilai yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan (2.18).
.
,
Dengan nilai Q sebesar 100 maka nilai dan untuk masing-masing filter dapat dihitung menggunakan persamaan (2.17), sehingga diperoleh dan sebesar:
,
,
,
Nilai yang dibutuhkan dapat dihitung menggunakan persamaan (2.19) .
Dimana nilai (a) dan nilai (x) dapat dihitung menggunakan persamaan (2.23). Hasil perhitungan sebagai berikut:
µF µF ,
,
Sehingga nilai R2 yaitu:
.
. . . .
.
. . .
. . . . . ..
.
. .
. . .
. . . . .
. .. . . .
.
3.6. Perhitungan Type-C Filter
Nilai C1dapat dihitung menggunakan persamaan (2.25).
Dimana = 9240 VAr, maka:
karena yang digunakan dua buah filter maka nilai kapasitor masing-masing filter
adalah:
Untuk filter orde-3 : C1 = 350
Untuk filter orde-5 : C1 = 300
Untuk filter orde-3
Untuk filter orde-5
= 7200
Nilai L dapat dihitung menggunakan persamaan (2.27).
Untuk filter orde-3
Dimana , maka :
=
3,6 mH Untuk filter orde-5
Dimana , maka:
=
1,4 mH Untuk filter orde-3
, ,
R = 340 Ω
Untuk filter orde-5
, , = 220 Ω
[image:75.612.104.525.368.694.2]Nilai reaktansi transformator, saluran kabel, double tuned filter dan Type-C filter , setelah dihitung dapat dirangkum seperti Tabel 3.5.
Tabel 3.5. Impedansi dan Parameter filter
Impendansi sistem dan parameter
filter
Nilai dan satuan Impedansi Transformator 0,01382+j0,016 Impendansi saluran NYY 20 m 0,00093+j0,00096
double tuned filter
C1 650 µF
C2 2600 µF
L1 0,92 mH
L2 0,28 mH
R1 2,9 mΩ
R2 0,3 mΩ
R3 0,3 mΩ
Type-c filter
Untuk filter orde 3
C1 350 µF
C2 2800 µF
L 3,6 mH
R 340 Ω
Untuk filter orde 5
C1 300 µF
C2 7200 µF
L 1,4 mH
3.7. Simulasi Matlab Menggunakan Double Tuned Filter
[image:76.612.121.518.248.554.2]Simulasi yang dilakukan sesuai Gambar 3.2 dengan menggunakan double tuned filter, yang terdiri dari blok sumber arus harmonisa, blok sistem pengukuran, blok impedansi sistem, dan blok double tuned filter seperti Gambar 3.10 dengan parameter sesuai Tabel 3.5.
Gambar 3.10. Rancangan model MATLAB SIMULINK double tuned filter
sebelumnya. Sumber arus pada Gambar diatas mewakili nilai arus harmonisa dari orde-3 sampai orde-25, sedangkan sebuah resistor didekatnya digunakan untuk mendapatkan arus total pengukuran.
Tahapan program adalah sebagai berikut:
1. Klik AC Voltage Source kemudian masukkan nilai tegangan Vs = 309 Volt dan frekuensi 50.
2. Klik AC Current Source, kemudian masukkan nilai arus Ih (h= 1, 3, 5,…, 25) dengan frekuensi tergantung yang diperoleh dari hasil pengukuran pada Tabel 3.4.
3. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah kapasitor kemudian masukkan nilai C1 = 650 µF, C2 = 2600 µF.
4. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah induktor kemudian masukkan nilai L1 = 0.92 mH, L2 = 0,28 mH
