DAFTAR PUSTAKA
Abreau, J.P., Sa, J., and Prado C.C., 2004, Harmonic Torques in Three-Phase Induction Motors Supplied by Non Sinusoidal Voltage, 11th International Conference on HarmoniCs and Quality of Power, 12-15 Sept. 2004.
Bansal, R.C., 2005, Three-Phase Self-Excited Induction Generators: An Overview, IEEE Transactions On Energy Conversion
Chapallaz, J.M. 1992,Manual on induction Motors Used as Generators,Deutches Zentrum fur Entwicklungstechnologien- GATEm Braunschweig, Germany
Grady, W.M and Santoso, S., 2001, Understanding Power System Harmonics, IEEE Power Engineering Review, November 2001
Herbert, L. and Ginn III, 2000, Resonant Harmonic Filters: Their Optimization and Limits of Effectiveness, IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, Volume 2, 16-20 July 2000 Page(s):783 - 788
Kirawanich, P., O’Connell, R. M., and Brownfield, G., 2004, Microturbine Harmonic Impact Study Using ATP-EMTP, 11th International Conference
on Harmonics and Quality of Power, 12-15 Sept. 2004
Lee, C.Y., Lin, Y.J., and Chen, C.R., 2000, The Effect of Phase Angle on The Operation Performance of a Three Phase Induction Motor, Power
Engineering Society Summer Meeting, Volume 4, 16-20 July 2000 Page(s):2499 - 2505
Maswood, A., 2003, Optimal harmonic injection in thyristor rectifier for power factor correction, Electric Power Applications, IEE Proceedings Volume 150, Issue 5, 9 Sept. 2003 Page(s):615 - 622
Ouhrouche M.A. and Chaine Q.M., 1995, EMTP Based Study of Self Excitation Phenomenon in an Induction Generator
Rao, N.D., Sporea, S.I., and Sawma, A., 1998, Analysis of Resonance Problems and Harmonic Filter Design in Power Factor Correction Capacitor
Talacek, P.J. and Watson, N.R., 2002, Marginal Pricing of Harmonic Injections, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 17, No. 1, February 2002
Wolfe, W.H. and Hurley, W.G., 2002, Power Factor Correction and Harmonic Filtering for AC/DC Converters, IEEE 2002 28th Industrial Electronic Society
Zobaa, A. F., 2006, Voltage Harmonic Reduction for Randomly Time-Varying Source Characteristics and Voltage Harmonics, IEEE Transactions On
ii
LAPORAN PENELITIAN
DOSEN MUDA
DESAIN FILTER HARMONIK GENERATOR INDUKSI 3 FASE
SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK ALTERNATIF
DI DAERAH TERPENCIL
Oleh :
Agus Supardi, ST.MT
Aris Budiman, ST.MT
Dibiayai oleh Koordinasi Perguruan Tinggi Swasta Wilayah VI Semarang
sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Dosen Muda dan Kajian
Wanita
Nomor : 019/O06.2/PP/KT/ 2009, Tertanggal 16 Maret 2009
FAKULTAS TEKNIK/JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
v
RINGKASAN
Krisis energi listrik telah mendorong pengembangan sumber energi alternatif. Generator induksi sering diaplikasikan pada pembangkit listrik tersebar yang tidak terinterkoneksi dengan jala-jala listrik. Fenomena harmonik yang mungkin terjadi pada generator induksi dapat mengakibatkan permasalahan kualitas dalam sistem tenaga listrik. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui kandungan harmonik pada keluaran generator induksi 3 fase tereksitasi diri dan usaha untuk mengeliminasinya.
Generator yang diteliti adalah generator induksi sangkar tupai, 1,5 HP, 220 volt. Belitan stator generator induksi dihubungkan bintang. Sebagai penggerak mulanya dipakai mesin DC yang dirangkai dengan penguatan medan terpisah. Pengaturan kecepatan generator induksi dilakukan dengan mengatur slide regulator yang mencatu penyearah gelombang penuh pada masukan mesin DC. Pengukuran distorsi harmonik dilakukan pada keluaran generator induksi dengan menggunakan power quality analyzer setelah mesin diputar sampai kecepatan nominalnya. Pengukuran dilakukan pada saat kondisi berbeban maupun tidak berbeban. Kapasitansi kapasitor dinaikkan jika tegangan keluaran mesin tidak stabil, sedangkan jika frekuensinya turun maka kecepatan generatornya yang dinaikkan. Frekuensi keluaran generator induksi dipertahankan pada nilai 50 Hz pada setiap percobaan. Setelah itu dilakukan pemodelan dalam software bantu untuk mensimulasikan filter harmoniknya.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan generator induksi yang diteliti pada saat tanpa beban mengalami distorsi sebesar 16,7–20,7% dari komponen fundamentalnya. Harmonisa orde ke-3 adalah yang paling dominan dibanding dengan yang lainnya. Pemasangan beban lampu pijar, lampu LHE dan lampu TL dengan ballast lilitan mengakibatkan keluaran generator menjadi lebih terdistorsi. Sumbangan lampu LHE terhadap distorsi harmonik lebih besar dari lampu TL dengan ballast lilitan. Nilai THD-V dan THD-I pada semua pengujian melebihi standar IEEE 519. Kenaikan kapasitansi kapasitor cenderung menaikkan distorsi harmonik total dari generator induksi yang berbeban lampu pijar. Sebaliknya, pada saat berbeban lampu LHE dan Lampu TL, kenaikan kapasitansi kapasitor akan menurunkan distorsi harmonik totalnya. Dengan menggunakan filter harmonik orde ke-3 (terhubung seri) dan orde 5 (terhubung pararel) maka distorsi harmoniknya akan memenuhi standar IEEE 519 (V < 5% dan THD-I < 15%).
vi
SUMMARY
Electrical energy crisis has triggered alternative energy's development. Induction's generator has been applied to generate electrical energy in an isolated power station that is not interconnected with power grid. Harmonic phenomenon may be happen in induction generator cause power quality problem in electrical power system. Therefore, it is necessary to conduct a research to investigate the harmonic characteristic of three phase induction generator and an effort to eliminate it
The investigated generator is squirrel cage type induction generator, 1,5 hp, 220 volt. Stator winding of induction generator is star connected. As a prime mover, DC machine is used. Induction generator speed's is controlled by slide regulator that feed full wave rectifier to the input of DC machine. The measurement of harmonic distortion is done at induction generator's terminal by using power quality analyzer after its nominal speed is reached. The measurement is done at no load and load condition. The capacitance of capacitor is raised if the output voltage is unstable. If frequency is decrease, the generator's speed is raised. The frequency of induction generator is maintained at ± 50 Hz. After that, the system is modeled in specific software to simulate their harmonic filter.
The results show that at no load condition, induction generator’s voltage has been distorted as big as 16,7-20,7% from its fundamental component. Third order harmonic is the dominant component. The connection of light bulb, energy saving lamp and fluorescent lamp causes the generator’s output is more distorted. Energy saving lamp’s contribution to harmonic distortion is bigger than fluorescent lamp. The increase of capacitor’s capacitance will increase total harmonic distortion of induction generator loaded with light bulb. In contrast, the increase of capacitor’s capacitance will decrease total harmonic distortion of induction generator loaded with energy saving lamp and fluorescent lamp. By using third order harmonic filter (connected in series) and fifth order harmonic filter (connected in shunt) so the harmonic distortion will fulfill the requirement of IEEE standard 519 (THD-V < 5% and THD-I < 15%).
vii
PRAKATA
Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat,
hidayah serta karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan
laporan penelitian dosen muda yang berjudul “Desain Filter Harmonik Generator
Induksi 3 Fase sebagai Pembangkit Listrik Alternatif Di Daerah Terpencil”.
Selama penyusunan laporan penelitian ini penulis mendapat dukungan dari
berbagai pihak baik yang terlibat secara langsung maupun tidak lansung. Oleh
karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Dr. Joko Harun Prayitno, M.Hum selaku Ketua Lembaga Penelitian
dan Pengabdian Masyarakat Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Ir. H. Sri Widodo, MT selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Ir. Jatmiko, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
4. Bapak dan ibu dosen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
5. Seluruh Staf Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
Penulis menyadari bahwa laporan penelitian ini belum sempurna karena
keterbatasan kemampuan penulis, oleh karena itu saran dan kritik yang bersifat
viii
Semoga laporan penelitian ini dapat bermanfaat bagi penulis pada
khususnya serta bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan dapat dijadikan
referensi untuk menambah pengetahuan di bidang elektro dan untuk penelitian
serupa diwaktu mendatang, Amin.
Surakarta, September 2009
ix
DAFTAR ISI
Halaman Pengesahan ... i
Ringkasan dan summary ... ii
Prakata... iv
Daftar isi ... vi
Daftar tabel ... ix
Daftar gambar...x
Daftar lampiran ... xii
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar belakang...1
1.2 Perumusan Masalah ...3
1.3 Hipotesis...4
1.4 Asumsi dan Lingkup Batasan Penelitian ...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1 Telaah Peneliti Terdahulu ...5
2.2 Dasar Teori...7
2.2.1. Rangkaian Ekuivalen Generator Induksi ...7
2.2.2. Generator Induksi pada Kondisi Terbebani SecaraStand Alone...8
2.2.3. Distorsi Harmonik dan Definisinya ...10
2.2.4. Sumber Harmonik ...12
2.2.5. Pengaruh Harmonik ...12
x
2.2.7. Standar Harmonik Yang Diijinkan ...22
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ...23
3.1 Tujuan Penelitian ...25
3.2 Manfaat Penelitian ...25
BAB IV METODE PENELITIAN ...26
4.1 Bahan dan Alat ...26
4.2 Perlakuan dan Rancangan Percobaan...26
4.2.1. Generator Induksi Tanpa Beban...26
4.2.2. Generator Induksi Berbeban ...27
4.2.3. Perancangan Filter Harmonik Generator Induksi ...28
4.3 Jalannya Penelitian...29
4.4 Cara Menganalisis Data Hasil Penelitian...30
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN...32
5.1 Generator Induksi Pada Saat Tidak Berbeban ...33
5.2 Generator Induksi Pada Saat Berbeban Lampu Pijar ...35
5.3 Generator Induksi Pada Saat Berbeban Lampu Hemat Energi (LHE)...37
5.4 Generator Induksi Pada Saat Berbeban Lampu LHE dan Lampu TL...41
5.5 Perancangan Filter Harmonik ...45
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ...52
6.1 Kesimpulan ...52
6.2 Saran...53
DAFTAR PUSTAKA
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Batas distorsi tegangan harmoni ...23
Tabel 2.2 Batas distorsi arus harmonik ...23
Tabel 5.1 Kandungan harmonik pada generator induksi saat tanpa beba ...33
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Rangkaian Ekivalen Generator Induksi ...8
Gambar 2.2 Rangkaianresonant shunt filter...16
Gambar 2.3 Rangkaiandamped filterorde 2 ...19
Gambar 2.4 Rangkaian filter aktif dalam sistem...21
Gambar 4.1. Rangkaian uji generator induksi tanpa beban ...27
Gambar 4.2. Rangkaian uji generator berbeban...28
Gambar 4.3 Jalan Penelitian...30
Gambar 5.1 Sampel hasil pengukuran dengan power quality analyzer (a) Gelombang tegangan dan arus sebagai fungsi waktu (b) Kandungan harmonik pada tegangan (c) Kandungan harmonik pada arus ...33
Gambar 5.2 THD-V generator induksi saat tanpa beban ...34
Gambar 5.3 Hubungan daya beban lampu pijar (W/fase) terhadap (a)THD-V (b) THD-I ...36
Gambar 5.4 Hubungan daya beban (W/fase) terhadap THD-V pada lampu LHE dengan merk (a) Mimouse (b) Spyro (c) Phillips...38
Gambar 5.5 Hubungan daya beban (W/fase) terhadap THD-I pada lampu LHE dengan merk (a) Mimouse (b) Spyro (c) Phillips...39
xiii
Gambar 5.7 Hubungan daya beban terhadap THD-I pada lampu LHE dan
lampu TL dengan daya lampu TL sebesar (a) 40 W/fase (b)
80W/fase (c) 120W/fase...44
Gambar 5.8 Hasil pemodelan sistem yang diteliti saat tanpa filter...45
Gambar 5.9 Hasil pemodelan sistem dengan pemasangan filter seri-pararel ...47
Gambar 5.10 Hasil simulasi tegangan dan arus saluran dalam kawasan waktu
dan analisis FFT-nya saat belum difilter...48
Gambar 5.11 Hasil simulasi tegangan dan arus saluran dalam kawasan waktu
RINGKASAN PENELITIAN
Desain Filter Harmonik Generator Induksi 3 Fase
sebagai Pembangkit Listrik Alternatif di Daerah Terpencil
Agus Supardi, Aris Budiman
Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Pabelan - Kartasura, Tromol Pos I Surakarta 57102, Indonesia
e-mail :agsums@yahoo.com
Krisis energi listrik telah mendorong pengembangan sumber energi alternatif. Generator induksi sering diaplikasikan pada pembangkit listrik tersebar yang tidak terinterkoneksi dengan jala-jala listrik (stand alone). Pembangkit listrik jenis ini biasanya mempunyai daya yang kecil dan diaplikasikan di daerah terpencil dengan menggunakan tenaga angin atau tenaga air. Fenomena harmonik yang mungkin terjadi pada generator induksi dapat mengakibatkan permasalahan kualitas dalam sistem tenaga listrik. Harmonik dapat mempengaruhi unjuk kerja mesin induksi, menyebabkan penurunan keakuratan alat ukur, pemanasan lebih pada transformator dan penghantar netral, resonansi dalam sistem tenaga listrik, dan lain-lain. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui kandungan harmonik pada keluaran generator induksi 3 fase dan usaha untuk mengeliminasinya. Dengan demikian, bahaya yang mungkin ditimbulkan oleh harmonik pada generator induksi dapat diminimalisir.
Generator yang diteliti adalah generator induksi jenis sangkar tupai dengan daya 1,5 HP dan tegangan kerja 220 volt. Belitan stator generator induksi dihubungkan bintang. Sebagai penggerak mulanya dipakai mesin DC yang dirangkai dengan penguatan medan terpisah. Pengaturan kecepatan generator induksi dilakukan dengan mengatur slide regulator yang mencatu penyearah gelombang penuh pada masukan mesin DC. Pengukuran distorsi harmonik dilakukan pada keluaran generator induksi dengan menggunakan power quality analyzer setelah mesin diputar sampai kecepatan nominalnya. Pengukuran dilakukan pada saat kondisi berbeban maupun tidak berbeban. Lampu pijar, lampu hemat energi (LHE) dan lampu TL digunakan sebagai beban generator induksi. Masing-masing jenis lampu tersebut divariasi dayanya. Kapasitansi kapasitor dinaikkan jika tegangan keluaran mesin tidak stabil setalah adanya penambahan beban, sedangkan jika frekuensinya turun maka kecepatan generatornya yang dinaikkan. Frekuensi keluaran generator induksi dipertahankan pada nilai 50 Hz pada setiap percobaan. Setelah itu, dilakukan perancangan filter harmoniknya dengan memodelkan sistem yang diteliti ke dalam software bantu. Penyempurnaan filter harmonik terus dilakukan sampai diperoleh hasil simulasi yang memenuhi ketentuan yang ditetapkan dalam standar IEEE 519.
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan jaman, tuntutan terhadap penyediaan energi
listrik semakin meningkat. Saat ini di Indonesia, pembangkitan energi listrik
masih mengandalkan batubara, minyak bumi dan gas bumi yang bersifat tak
terbarukan dengan harga yang semakin tinggi. Oleh karena itu, perlu
dikembangkan pemanfaatan energi alternatif seperti energi matahari, angin, air,
biomassa dan panas bumi. Potensi energi alternatif yang melimpah di Indonesia
dapat dimanfaatkan sebagai penggerak mula pembangkit tenaga listrik di daerah
terpencil. Untuk mengkonversi energi alternatif tersebut menjadi energi listrik
maka digunakan generator. Dengan mempertimbangkan berbagai keunggulan
yang dimiliki generator induksi dibandingkan generator sinkron maka perlu
dikembangkan pemakaian generator induksi sebagai pembangkit listrik di daerah
terpencil.
Generator induksi mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan
generator sinkron antara lain harga unitnya murah, konstruksinya kuat dan
sederhana, mudah dalam pengoperasiannya, memerlukan sedikit perawatan, dan
mempunyai keandalan yang tinggi (Capallaz, 1992; Ouhrouche, 1995). Menurut
Bansal (2005) keunggulan generator induksi lainnya adalah reduksi unit cost dan
ukuran, tanpa sikat, ketiadaan sumber DC terpisah, kemampuan proteksi diri
2
Disamping mempunyai keunggulan, generator induksi juga mempunyai
beberapa kelemahan, antara lain masalah kebutuhan daya reaktif, masalah
tegangan dan frekuensi yang timbul ketika beroperasi sendiri (stand alone)
(Capallaz, 1992). Menurut Ouhrouche (1995), generator induksi yang
dikompensasi dengan kapasitor akan mengalami tegangan lebih saat dilepaskan
dari jala-jala listrik sehingga bisa membahayakan peralatan dan personelnya.
Generator induksi juga menghasilkan harmonik akibat kejenuhan inti besinya
(Grady and Santosa, 2001).
Fenomena harmonik menimbulkan suatu permasalahan kualitas pada
sistem tenaga listrik. Abbreau et al (2003) mengamati bahwa pada sistem tenaga
listrik terisolasi yang terhubung dengan beban non linear akan menghasilkan arus
harmonik yang menyebabkan distorsi tegangan. Abbreau et al (2004) juga
mengamati bahwa mesin induksi yang disuplai dengan tegangan tak sinusoidal
akan mengalami pemanasan lebih pada rotornya. Arus dan tegangan harmonik
juga dapat menyebabkan kenaikan arus pada penghantar netral sehingga
mengakibatkan kenaikan rugi-rugi daya (Carpinelli, 2004). Urutan dan sudut fase
harmonik dapat mempengaruhi unjuk kerja mesin induksi (Lee et al, 2000).
Harmonik dapat menyebabkan pemutusan beban yang sensitif, penurunan
keakuratan alat ukur, kegagalan kapasitor tenaga, pemanasan lebih pada
transformator dan penghantar netral (Grady and Santosa, 2001). Harmonik juga
mempengaruhi biaya energi listrik (Talacek and Watson, 2002), resonansi dalam
sistem tenaga listrik (Rao et al, 1998) dan penurunan faktor daya listrik (Wolfe
3
Penelitian terhadap harmonik dan dampaknya yang telah dilakukan
peneliti sebelumnya, kebanyakan dilakukan pada sistem tenaga listrik yang
terinterkoneksi menjadi satu kesatuan. Sedangkan penelitian harmonik dan
pengeleminasian dampaknya pada sistem yang disuplai oleh generator induksi
yang berdiri sendiri (stand alone) sepengetahuan penulis belum banyak dilakukan.
Penelitian harmonik pada sistem generator induksi yang berdiri sendiri tersebut
diperlukan untuk mengetahui kandungan harmonik yang nantinya dipakai sebagai
data untuk merancang filter harmoniknya. Dengan demikian, bahaya yang
mungkin ditimbulkan oleh harmonik generator induksi yang akan diterapkan
sebagai pembangkit tenaga listrik di daerah terpencil bisa diperkecil. Pemanfaatan
generator induksi sebagai pembangkit alternatif skala kecil di daerah terpencil
dalam jumlah banyak untuk jangka panjangnya akan membantu mengatasi krisis
energi listrik yang saat ini masih mengancam di Indonesia.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas maka bisa
dirumuskan masalah sebagai berikut :
1. Bagaimanakah kandungan harmonik pada keluaran generator induksi yang
berdiri sendiri pada saat tidak berbeban dan berbeban?
2. Bagaimanakah pengaruh kapasitor eksitasi terhadap kandungan harmonik
pada generator induksi yang berdiri sendiri?
3. Seperti apakah filter harmonik yang tepat untuk diterapkan pada generator
4
1.3 Hipotesis
Berdasarkan pada perumusan masalah di atas, maka bisa ditarik hipotesis
sebagai berikut :
1. Pada saat tidak berbeban, keluaran generator induksi sudah mengandung
harmonik yang nilai distorsi harmonik totalnya kurang dari 30%. Pada saat
berbeban maka distorsi harmonik totalnya lebih dari 30 % terutama saat
berbeban non linear.
2. Nilai kapasitansi kapasitor akan mempengaruhi kandungan harmonik pada
keluaran generator induksi yang berdiri sendiri. Semakin besar nilai
kapasitansinya maka distorsi harmonik totalnya akan semakin besar.
3. Dengan memasang filter harmonik yang tepat maka distorsi harmonik
totalnya bisa dibatasi sampai suatu nilai yang ditetapkan dalam standard.
1.4 Asumsi dan Lingkup Batasan Penelitian
Pada penelitian ini, generator induksi yang dipakai sebagai alternatif
pembangkit tenaga listrik dibatasi pada generator induksi dalam skala
laboratorium. Sebagai penggerak mulanya akan dipakai motor DC. Semua mesin
tersebut berdaya sekitar 2 HP. Sebagai sumber eksitasi akan digunakan kapasitor
yang nilainya divariasi dalam 5 tingkatan mulai 12 F sampai 60 F. Sebagai
