Analisis Filter Pasif Single Tuned Untuk Mengurangi Arus Harmonisa Pada Mixer

ANALISIS FILTER PASIF SINGLE TUNED UNTUK

MENGURANGI ARUS HARMONISA PADA MIXER

TESIS

OLEH:

PRISTISAL WIBOWO 107034012/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ANALISIS FILTER PASIF SINGLE TUNED UNTUK

MENGURANGI ARUS HARMONISA PADA MIXER

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH:

PRISTISAL WIBOWO 107034012/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Telah diuji pada Tanggal: 28 April 2014

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si

ABSTRAK

Peralatan rumah tangga merupakan beban non-linier yang menghasilkan harmonisa, termasuk juga mixer. Mixer merupakan peralatan elektronik yang bersifat beban non-linier sehingga menyebabkan arus harmonisa. Dari data pengukuran yang dilakukan, terdapat harmonisa pada Individual Harmonisa Distortion (IHDi) arus orde-3 pada mixer yang tidak sesuai standart IEC61000-3-2 Kelas D, untuk mengurangi harmonisa yang ditimbulkan oleh mixer digunakan Single Tuned Passive Filter. Hasil dari simulasi yang dilakukan sebelum dan sesudah pemasangan filter diperoleh IHDi orde ke-3 dari 55.30% menjadi 27.68% atau berkurang dari 0.4464 Ampere menjadi 0.2216 Ampere. Sedangkan faktor daya dapat diperbaiki dari 0,73 menjadi 0.94.

ABSTRACT

Household appliances is a non-liniear loads generate harmonics, as well as mixers. Mixer is an electronics device that is non-liniear loads, causing harmonic currents. From the measurementbdata is done, there are harmonics in the Individual Harmonic Distortion (IHDi)-3order flow in the mixer that is not according to standard IEC61000-3-2 Class D, to reduce harmonics generated by the mixer used Single Tuned Passive Filter. The results of the simulations carried out before and after the installation of the filter order obtained IHDi 3rd from 55.30% to 27.68% or be less than 0.4464 Ampere to 0.2216 Ampere. While the power factor can be improved from 0.73 into 0.94.

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahi rabbil alamin, segala puji dan syukur penulis panjatkan atas

kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, Tidak lupa

juga shalawat beriring salam kita berikan kepada junjungan kita Nabi Muhammad

Shalallaahu’alaihi wasalam.

Alhamdulillah, pada akhirnya penulis dapat menyelesaikan proposal tesis

untuk memenuhi syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara Medan dengan judul “ Analisis Filter Pasif Single

Tuned Untuk Mengurangi Arus Harmonisa Pada Mixer”.

Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si.,

Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., dan Bapak Dr. Eng Ariadi Hamzi selaku komisi

pembimbing penulis mengucapkan terima kasih untuk kesabaran, arahan dan

masukan agar penulis menjadi lebih baik dan juga selalu menyempatkan waktu di

berbagai kesibukan untuk membimbing serta memberi petunjuk dan saran yang

sangat berharga bagi penulis agar penulisan proposal tesis ini baik adanya.

Kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, M.Sc (CTM), Sp.A

(K) selaku Rektor USU dan Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan

FT USU, Bapak Surya Tarmizi Kasim, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik

Elektro FT USU, Pengelola, Staf pengajar dan Staf sekretariat Magister Teknik

Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara penulis mengucapkan terima

kasih yang sebesar-besarnya atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan selama

mengikuti Program Magister Teknik Elektro.

Kepada Kepala laboraturium dan Staf PT. PLN Wilayah II Sumatera Utara

penulis ucapkan terima kasih atas bantuan dalam pengambilan data pada penelitian

yang penulis laksanakan pada Laboratorium tersebut.

Penulis juga menghaturkan terima kasih kepada Bapak, Mamak, Kakak, dan

Adik. Drs.H. Dwi Anang Wibowo, M.Pd., Hj. Yusni, SH. Alfa Yolanda S.Pd., dr.

penulis menjadi lebih baik. Serta rekan-rekan mahasiswa Magister Teknik Elektro

USU yang telah memberikan semangat kepada penulis. Semoga Allah SWT

memberikan kemuliaan yang setimpal kepada semua atas kebaikan-kebaikan yang

diberikan dalam menyelesaikan Proposal Tesis ini.

Penulis sadar dalam penulisan proposal tesis ini tidak mustahil banyak

terdapat kekurangan dikarenakan keterbatasan pengetahuan yang penulis miliki. Oleh

karena itu penulis selalu menerima saran dan masukan yang membangun demi

sempurnanya proposal tesis ini.

Akhirnya kepada Allah SWT penulis berserah diri, karena tak ada satu

kesempurnaan pun di dunia ini kecuali milik-Nya.

Amin Ya Rabal alamin.

Medan, April 2014

Penulis

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Pristisal Wibowo

Jenis Kelamin : Laki-laki

Agama : Islam

Alamat : Jl. Merak No. 42 A, Kel. Mencirim, Kec. Binjai

Timur, Kota Binjai.

1. Tamatan SD Negeri 023895, Binjai Tahun 1999

PENDIDIKAN:

2. Tamatan SMP Negeri 1, Binjai Tahun 2002

3. Tamatan SMK Telekomunikasi Shandy Putra, Medan Tahun 2005

4. Universitas Islam Sumatera Utara, Medan Tahun 2009

5. Universitas Sumatera Utara, Medan Tahun 2014

Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan

sebagaimana mestinya.

Medan, Juli 2014

Filter ... 31

2.8 Merancang Single Tuned Passive Filter ... 35

BAB 3 METODE PENELITIAN ... 38

3.1 Teknik Pengukuran Yang Dilakukan ... 38

3.2 Data Pengukuran... ... 40

3.3 Klasifikasi Arus Harmonisa Berdasarkan Standar IEC61000-3-2 Kelas D ... 41

3.4 Perhitungan Single Tuned Passive Filter... 43

3.5 Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Single Tuned Passive Filter... ... 46

3.6 Rangkaian Simulasi Setelah Pemasangan Single Tuned Passive Filter ... 50

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 52

4.1 Hasil Harmonisa Setelah Penggunaan Single Tuned Passive Filter ... ... 52

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1. IHDi yang Dibangkitkan Oleh Mixer... 4

2.1. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas A ... 21

2.2. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas B ... 22

2.3. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas C ... 23

2.4. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas D ... 23

2.5. Batasan Arus Harmonisa Untuk Kelas A dan Kelas D ... 24

3.1. Impedansi Kabel Saluran ... 39

3.2. Data Pengukuran Mixer ... 40

3.3. Data Pengukuran Harmonisa Arus ... 41

3.4. Klasifikasi Arus harmonisa Pengukuran Berdasarkan Standar IEC61000-3-2 Kelas D untuk mixer 110 watt ... 42

3.5. Data Hasil Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 50

4.1. Data Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter ... 54

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1. Mixer ... 12

2.2. Single Line Diagram Mixer ... 13

2.3. Bentuk Gelombang Tegangan Dasar dan Harmonik ke-3 ... 14

2.4. Bentuk Gelombang Tegangan yang Terdistorsi Harmonik... 15

2.5. Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem ... 25

2.6. Jenis-Jenis Filter ... 26

2.7. Single Tuned Passive Filter... 28

2.8. Frekuensi Respon dan Sudut Fasa Single Tuned Passive Filter .. 30

2.9. Pemodelan Filter ... 33

2.10. Kompensasi Gelombang Filter ... 34

2.11. Segitiga Daya Untuk Menentukan Kebutuhan Daya Reaktif... 36

3.1. Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 47

3.2. Data Hasil Simulasi MATLAB Sebelum Pemasangan Filter ... 48

3.3. Grafik Tegangan dan Arus Sebelum Pemasangan Filter ... 49

3.4. Spektrum Tegangan dan Arus Sebelum Pemasangan Filter ... 49

3.5. Rangkaian Simulasi Setelah Pemasangan Filter ... 51

4.1. Grafik Tegangan dan Arus Setelah Pemasangan Filter ... 52

4.3. Diagram Perbandingan Arus Harmonisa Sebelum dan Setelah

Pemakaian Single Tuned Passive Filter ... 57

ABSTRAK

Peralatan rumah tangga merupakan beban non-linier yang menghasilkan harmonisa, termasuk juga mixer. Mixer merupakan peralatan elektronik yang bersifat beban non-linier sehingga menyebabkan arus harmonisa. Dari data pengukuran yang dilakukan, terdapat harmonisa pada Individual Harmonisa Distortion (IHDi) arus orde-3 pada mixer yang tidak sesuai standart IEC61000-3-2 Kelas D, untuk mengurangi harmonisa yang ditimbulkan oleh mixer digunakan Single Tuned Passive Filter. Hasil dari simulasi yang dilakukan sebelum dan sesudah pemasangan filter diperoleh IHDi orde ke-3 dari 55.30% menjadi 27.68% atau berkurang dari 0.4464 Ampere menjadi 0.2216 Ampere. Sedangkan faktor daya dapat diperbaiki dari 0,73 menjadi 0.94.

ABSTRACT

Household appliances is a non-liniear loads generate harmonics, as well as mixers. Mixer is an electronics device that is non-liniear loads, causing harmonic currents. From the measurementbdata is done, there are harmonics in the Individual Harmonic Distortion (IHDi)-3order flow in the mixer that is not according to standard IEC61000-3-2 Class D, to reduce harmonics generated by the mixer used Single Tuned Passive Filter. The results of the simulations carried out before and after the installation of the filter order obtained IHDi 3rd from 55.30% to 27.68% or be less than 0.4464 Ampere to 0.2216 Ampere. While the power factor can be improved from 0.73 into 0.94.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sitem kelistrikan berkembang begitu cepat. Semakin berkembangnya

kelistrikan maka konsumsi daya semakin meningkat. Seperti halnya komputer,

pendingin ruangan (AC), komputer, Lampu Hemat Energi (LHE), fluorescent lamp

(lampu TL), Unterruptable Power Supplies (UPS), Baterry charger dan peralatan

elektronik lainnya tidak bisa terlepas dari kebutuhan konsumsi daya listrik. Peralatan

tersebut disebut dengan beban non linier yaitu beban yang memiliki bentuk

gelombang non sinusoidal karena telah terdistorsi oleh arus harmonisa yang

ditimbulkan oleh berbagai peralatan elektronik. Pada beban nonlinier (peralatan

elektronik) terdapat penyearah yang mengkonversikan tegangan bolak balik ke

tegangan searah untuk operasi komponen elektronik. Penyearah digunakan untuk

memaksimalkan penggunaan daya aktif dan memudahkan dalam pengaturan beban

pada peralatan tersebut [1].

Penggunaan beban non linier dapat menghasilkan harmonisa yang tinggi

dan faktor daya yang rendah, sehingga dapat menambah pembebanan pada

transformator distribusi, bahkan dapat mempengaruhi kinerja peralatan lain dengan

sumber listrik tersebut. Masalah keberadaan harmonisa pada kualitas daya sudah

Seperti halnya juga peralatan-peralatan listrik untuk beban rumah tangga,

seperti: blender/juicer, mixer, microwave, kulkas, televisi, dan lain sebagainya. Tanpa

disadari peralatan tersebut juga ikut menyumbang arus harmonisa.

Peralatan-peralatan ini menggunakan penyearah berupa komponen semi-konduktor yang

dirancang untuk menggunakan arus listrik secara hemat dan efisien karena arus listrik

hanya dapat melalui komponen semi-konduktornya selama periode pengaturan yang

telah ditentukan. Namun di sisi lain hal ini akan menyebabkan gangguan gelombang

arus dan tegangan yang pada akhirnya akan kembali ke bagian lain sistem tenaga

listrik. Fenomena ini akan menimbulkan gangguan beban non-linier satu fasa [2].

Penelitian difokuskan pada mixer. Sebuah peralatan rumah tangga yang

bekerja menggunakan peralatan semi konduktor pada penyearah agar dapat mengatur

kecepatan putaran (variabel putaran). Pada mixer terdapat motor induksi yang diatur

oleh komponen elektronika, didalamya terdapat inverter, penyearah, dan peralatan

lain yang bersifat beban non-linier sehinggga mnyebabkan arus harmonisa.

Pengukuran yang telah dilakukan pada mixer didapat hasil bahwa pada

alat tersebut terdapat arus harmonisa yang tidak sesuai standart IEC 61000-3-2 hanya

pada arus harmonisa orde ke-3. Sedangkan arus harmonisa orde ke-5, ke-7, ke-9, dan

seterusnya masih dalam batas standart IEC 61000-3-2 yang telah ditentukan. Berbeda

dengan peralatan rumah tangga lainnya, seperti pengukuran yang telah dilakukan

terdahulu pada televisi yang hampir pada setiap orde harmonisanya didapati hasil

diatas standart yang ditentukan. Karena sistem kerja televisi dengan mixer berbeda

Mixer menghasilkan arus harmonisa yang lebih tinggi pada orde ke-3,

akan tetapi jika dilihat dari perkembangan arus usaha saat ini banyak usaha kecil dan

menengah yang bergerak dibidang pembuatan makanan ringan seperti usaha

pembuatan roti, kue-kue kering, maupun restoran menggunakan mixer sebagai alat

pembantu untuk meringankan pekerjaan mereka. Penggunaan mixer pada skala besar

tidak bisa dianggap remeh, mixer-mixer tersebut juga ikut menyumbang arus

harmonisa yang kemudian berpengaruh pada pembebanan lebih pada transformator,

pemanasan pada circuit breaker, faktor daya pada sistem lebih rendah, dan

penggunaan energi listrik menjadi tidak efisien.

Salah satu upaya pengurangan harmonisa yakni dengan menggunakan

filter. Dengan menggabungkan antara komponen R, L, dan C akan berbentuk filter

yang disebut dengan filter pasif. Penggunaan filter pasif merupakan salah satu solusi

yang tepat untuk mengurangi harmonik pada gelombang keluaran converter dari

peralatan listrik. Salah satu filter yang umum digunakan adalah Single-Tuned Passive

Filter. Single-Tuned Passive Filter adalah salah satu filter pasif yang paling umum

digunakan karena harganya yang relatif murah dan instalasi yang mudah dan juga

sesuai dengan karakteristik dari mixer.

Besar harmonisa yang dibangkitkan oleh beberapa merk mixer dapat

dilihat pada Tabel 1.1. sebagai gambaran besar IHDI yang dihasilkan oleh mixer (lihat

Tabel 1.1. IHDI yang dibangkitkan oleh mixer.

Seperti yang ditunjukan Tabel 1.1. terlihat hasil pengukuran 5 merk mixer

yang berbeda. Dari ke-5 merk mixer tersebut, mixer E memiliki THDi paling tinggi

sebesar 59.40% sehingga IHDi yang dihasilkan mixer E jauh lebih besar dari standart

IHDi IEC 610003-2 Kelas D. Data yang diperlihatkan mixer E pada harmonisa orde

ke-3 55.8%, orde ke-5 21.2%, orde ke-7 6.2%, orde ke-9 3.4%, orde ke-11 1.9%, orde

ke-13 0.12%, orde ke-15 0.1%. Atas dasar data ini nantinya akan digunakan dalam

menentukan besarnya parameter filter pasif yang diperlukan untuk mereduksi

harmonisa mixer E sehingga sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar IHD dan faktor

daya yang dihasilkan oleh alat rumah tangga tersebut, kemudian akan dilakukan

perancangan filter pasif yang dapat mereduksi atau mengurangi harmonisa sekaligus

memperbaiki faktor daya daya pada mixer. Pengukuran pada mixer ini dilakukan di

Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal

meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah

dilakukan sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan

berbagai teknologi dan diuraikan sebagai berikut ini:

1. G. W. Chang, S. Y. Chu, dan H. I. Wang pada tahun 2002 melalui

jurnal IEEE pp 814-817, yang berjudul “A New Approach for

Placement of Single Tuned Passive Harmonics Filters in a Power

System” menggunakan metode simulasi program merancang besaran

R, L, C untuk menentukan alogaritma pada filter pasif yang

menghasilkan rancangan alogaritma untuk single tuned filter yang

dapat menurunkan awal > 3% menjadi < 3% dan awal >

5% menjadi < 5% [3].

2. P. Mathan Mohan dan G. Amuthan pada tahun 2012 melalui jurnal

IEEE pp 622-627, yang berjudul “Comparative Evaluation of Various

Single Phase Harmonic filters for Non-linear load” menggunakan

simulasi program MATLAB merancang Passive Power Filter (PPF),

Shunt Active Power Filter (SAPF), dan Hybrid Active Power Filter

(HAPF) yang menghasilkan penelitian THD pada PPF menjadi

11,84% dengan power factor 0,9123, THD pada SAPF menjadi

2,159% dengan power factor 0,9192, THD pada HAPF menjadi

3. Young-Sik Cho dan Hanju Cha pada tahun 2011 melalui jurnal

International Council on Electrical Engineering Vol 1, No 1, pp 7-13,

yang berjudul “Single-Tuned Passive Harmonic Filter Design

Considering Variances of Tuning And Quality Factor” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan

penelitian yang menunjukkan setelah pemakaian single-tuned filter

THDi (harmonisa arus) yang terdapat pada harmonisa ke-5, 7, 11, dan

13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 dari 72.6% menjadi 7.9%,

harmonisa ke-7 dari 61.8% menjadi 11.2%, harmonisa ke-11 dari

20.9% menjadi 4.5% dan harmonisa ke-13 dari 13.2% menjadi 2.9%

[5].

4. Endi Sofyandi pada tahun 2010 dari jurnal Universitas Indonesia, yang

berjudul “Perancangan Single-Tuned Filter Untuk Mereduksi

Harmonik Arus Dengan Simulasi Program ETAP PowerStation 5.0.3”

menggunakan simulasi program ETAP powerstation 5.0.3 merancang

single tuned filter yang menghasilkan Pemasangan filter untuk setiap

beban, sebagian besar beban mengalami penurunan THDi, beban TL 8

sebesar 50.71 %, beban TL 14 sebesar 45.51%, beban TL 14 sebesar

29.86%, beban TV sebesar 45.3%, dan beban PC sebesar 19.64%,

sedangkan beban yang mengalami kenaikan THDi, beban AC sebesar

5. J. A. Bonner, W. M. Hurst, R. G. Rocamaro, R. F. Dudley, M. R.

Sharp, dan J. A. Twist dari jurnal IEEE Vol 10, No 1, pp 547-555,

yang berjudul ”Selecting Ratings For Capacitors and Reactorss in

Applications Involving Multiple Single-Tuned Filters” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan

rancangan metodhe untuk menentukan nilai besaran filter dengan

menentukan parameter pada reaktor dan kapasitor [7].

Dari penelitian yang dilakukan tersebut, telah banyak dihasilkan

teknologi sehingga banyak terdapat nilai yang sangat bervariasi dalam mengurangi

harmonisa.

.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka perumusan masalah

mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan

Single-Tuned Passive Filter, yaitu:

a. Seberapa besar nilai IHDI yang dapat diredam oleh Single-Tuned

Passive Filter.

b. Seberapa besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan

Single-Tuned Passive Filter.

c. Merancang simulasi Single-Tuned Passive Filter menggunakan

d. Bagaimana hasil simulasi pemakaian Single-Tuned Passive Filter.

e. Bagaimana perbandingan IHDI sebelum dan sesudah penggunaan

Single-Tuned Passive Filter tersebut terhadap standar IEC 61000-3-2.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan Single-Tuned Passive Filter

yang dapat digunakan untuk mereduksi arus harmonisa yang dihasilkan mixer dengan

menggunakan MATLAB/Simulink. Perhitungan paramater pada Single-Tuned

Passive Filter diharapkan dapat mereduksi IHDi harmonisa yang dihasilkan mixer,

sehingga dapat memenuhi tingkat harmonisa sesuai dengan standar IEC 61000-3-2

Kelas D.

1.4. Batasan Masalah

Mengingat luasnya Permasalahan mengenai peredaman harmonisa dan

perbaikan faktor daya dengan menggunakan Single-Tuned Passive Filter, maka

permasalahan ini dibatasi hanya difokuskan pada masalah peredaman harmonisa dan

perbaikan faktor daya pada mixer tersebut dengan menggunakan Single-Tuned

Passive Filter.

1.5. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini ialah dapat mengetahui

pada mixer. Sehingga pengurangan harmonisa dapat dilakukan untuk

mengoptimalkan kualitas daya yang lebih baik pada sistem.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan sebagai berikut:

Bab 1: Berisikan pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, perumusan

masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian dan

sistematika penulisan.

Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan sumber pembangkit

harmonisa, pengaruh harmonisa, reduksi pengaruh harmonisa, batasan

harmonisa, Single-Tuned Passive Filter, prinsip pereduksian harmonisa

dari Single-Tuned Passive Filter, merancang Single-Tuned Passive Filter,

dan faktor daya tanpa dan dengan kondisi harmonisa.

Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran yang

dilakukan, diagram alir penelitian, data hasil pengukuran, klasifikasi arus

harmonisa mixer berdasarkan standar IEC61000-3-2 kelas D, perhitungan

R, L, dan C dari Tuned Passive Filter, rangkaian simulasi

Single-Tuned Passive Filter.

Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan arus harmonisa

setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter dan perbandingan arus

harmonisa sebelum dan setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Sistem distribusi dalam sitem tenaga listrik dikenal dua jenis beban,

yaitu beban linier dan beban non-linier. Beban disebut linier apabila nilai arus dan

bentuk gelombang tegangan keluaran berbanding secara linier. Hal ini berarti bahwa

bentuk gelombang arus mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan

tegangan. Sedangkan untuk beban non-linier, bentuk gelombang arus tidak sama

dengan bentuk gelombang tegangan (mengalami distorsi). Arus yang ditarik oleh

beban non-linier tidak sinusoidal tetapi periodik, artinya bentuk gelombang terlihat

sama dari siklus yang satu ke siklus yang lain [1].

Beban non linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang

didalamnya banyak terdapat komponen semikonduktor seperti Switching Power

Supplies, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, welding arc, battery

charger, dan peralatan rumah tangga lainnya. Proses kerja peralatan atau beban non

linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang non

sinusoidal [8]. Elektronika daya sebagai converter banyak digunakan pada sistem

penyearah atau inverter untuk sistem penyedia energi listrik sesuai kebutuhan.

2.1. Motor Induksi

Motor listrik adalah mesin yang mengubah energi listrik menjadi energi

membawa arus dibengkokan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop

yaitu pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan gaya pada arah yang

berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar

kumparan.

Motor induksi termasuk bagian dari motor listrik arus bolak-balik (AC).

Motor induksi banyak digunakan sebagai motor penggerak mekanik pada peralatan

rumah tangga, perusahaan, maupun industri. Motor induksi satu fasa khususnya

digunakan sebagai penggerak peralatan mekanik yang berkuran kecil tetapi

membutuhkan starting torque yang besar tetapi mempunyai daya keluaran yang

rendah.

Pada dasarnya, prinsip kerja motor induksi 1-fasa sama dengan motor

induksi 2-fasa yang tidak simetris karena pada kumparan statornya dibuat dua

kumparan (yaitu kumparan bantu dan kumparan utama) yang mempunyai perbedaan

secara listrik dimana antara masing-masing kumparannya tidak mempunyai nilai

impedansi yang sama dan umumnya motor bekerja dengan satu kumparan stator

(kumparan utama). Khusus untuk motor kapasitor-start kapasitor-run, maka motor ini

dapat dikatakan bekerja seperti halnya motor induksi 2-fasa yang simetris karena

motor ini bekerja dengan kedua kumparannya (kumparan bantu dan kumparan utama)

mulai dari start sampai saat running (jalan).

Motor induksi 1-fasa yang bekerja dengan satu kumparan stator pada saat

running (jalan) dapat dikatakan bekerja bukan berdasarkan medan putar, tetapi

medan tersebut dibuat lebih besar maka rotornya akan berputar mengikuti perputaran

medan ini. Bentuk gambaran proses terjadinya medan maju dan medan mundur ini

dapat dijelaskan dengan menggunakan teori perputaran medan ganda

2.2. Mixer

Mixer didesain untuk mempermudah pekerjaan rumah tangga terutama

untuk mencampur bahan adonan kue, roti, dan sebagainya. Design mixer terbilang

modern, memiliki beberapa komponen yang terangkai didalamnya untuk mendukung

kinerja optimal dari sebuah mixer, ditunjukan pada Gambar 2.1. berikut:

Gambar 2.1. Mixer.

Seperti yang ditunjukan Gambar 2.1. Mixer adalah salah satu jenis

peralatan rumah tangga modern yang digunakan untuk meringankan beban pekerjaan

rumah tangga. Mixer berfungsi sebagai pengaduk atau pencampur/mixing bahan

makanan untuk membuat adonan roti, kue, atau semacamnya. Mixer hanya digunakan

pada skala besar sebagai industri rumah tangga dapat menghasilkan arus harmonisa

yang dapat menyebabkan gangguan gelombang arus dan tegangan sehingga pada

akhirnya akan kembali kebagian lain sistem tenaga listrik.

Prinsip kerja mixer ialah mengubah energi listrik menjadi energi mekanis

dengan cara mengalirkan arus listrik menuju switch saklar pemilih kecepatan

kemudian dialirkan kembali menuju motor penggerak.

Motor penggerak yang terdapat pada mixer termasuk dalam motor

induksi rotor lilit/wound rotor induction motor.

2.2.1. Diagram mixer

Gambar 2.2. Single-Line diagram mixer.

Seperti yang diperlihatkan Gambar 2.2. Rangkaian kelistrikan salah satu

merk mixer. Sumber listrik yang diperlukan untuk menjalankan rangkaian mixer ialah

direntang tegangan antara 220 V sampai dengan 230 V pada frekuensi kerja 50 – 60

dilengkapi dengan kapasitor dan resistor yang dipasang paralel berfungsi sebagai

peredam frekuensi interferensi yang ditimbukan oleh motor mixer saat berputar.

Pengaturan kecepatan mixer dilakukan dengan memindahkan posisi saklar pemilih

kecepatan (SW) antara posisi 0 sampai posisi 3 yang berhubungan dengan dengan

belitan pengatur kecepatan dan belitan bantu motor L1, L2, L3 yang terhubung seri

menuju sikat kemudian masuk ke belitan rotor (LR).

2.3. Harmonisa

Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sitem distribusi tenaga

listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi

gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan

gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [9].

Terdistorsinya gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus

kelipatan integer dari gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan

sehingga berakibat pada terdistorsinya bentuk gelombang fundamental menjadi tidak

sinusoidal murni, seperti yang diperlihatkan Gambar 2.3.

Bila kedua gelombang tersebut dijumlahkan, maka bentuk gelombang

yang dihasilkan adalah seperti Gambar 2.4., bentuk distorsi gelombang akan lebih

kompleks lagi bila semua gelombang harmonik yang terjadi dijumlahkan dengan

gelombang frekuensi dasar. Besar amplitude harmonik biasanya hanya beberapa

persen dari amplitude gelombang dasar.

Gambar 2.4. Bentuk gelombang tegangan yang terdistorsi harmonik [6].

2.3.1. Perhitungan harmonisa

Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linier atau alat yang

mengakibatkan arus non sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic

Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus

dalam fungsi waktu yaitu [10].

………..………..….(2.1)

Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang

dibagi dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus yaitu [14].

………..……….(2.3)

……….…..……….(2.4)

Pada umumnya untuk mengukur besar harmonisa yang disebut dengan Total

Harmonic Distortion (THD). Untuk THD tegangan dan arus didefenisikan sebagai

nilai RMS harmonisa urutan diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS

pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan dc nya diabaikan. Besar Total

Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus yaitu:

……..………… (2.5)

……..…………... (2.6)

Hubungan persamaan THD dengan arus RMS dari Persamaan (2.6) yaitu:

…..…………..…. (2.7)

Selanjutnya dari Persamaan (2.7) yaitu:

Sehingga arus RMS terhadap THDI yaitu:

……….……… (2.8)

Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan nilai RMS pada orde

... …(2.9)

... ….(2.10)

Dimana:

Vh = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi

Ih = Arus harmonisa pada orde terdistorsi

Hubungan Persamaan IHD dengan arus RMS dari Persamaan (2.10) yaitu:

... ….(2.11)

... ….(2.12)

Selanjutnya dari Persamaan (2.11) yaitu:

... ….(2.13)

... ….(2.14)

Sehingga arus RMS terhadap IHDi yaitu:

2.3.2. Pengaruh dari harmonisa

Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang

seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling menghapuskan sehingga arus netralnya

menjadi nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan harmonisa

kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonisa (harmonisa ke 3, ke 9, ke 15 dan

seterusnya) yang sering disebut zero sequence harmonisa.

Harmonisa ini dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus

fasa karena saling menjumlah di tiap fasanya. Harmonisa pertama urutan polaritasnya

adalah positif, harmonisa kedua urutan polaritasnya adalah negatif dan harmonisa

ketiga urutan polaritasnya adalah nol, harmonisa keempat adalah positif (berulang,

berurutan dan demikian seterusnya).

Akibat yang ditimbulkan oleh arus urutan nol dari komponen harmonisa

antara lain tingginya arus netral pada sistem tiga fasa empat kawat (sisi sekunder

transformator) karena arus urutan nol (zero sequence) kawat netral 3 kali arus urutan

nol masing-masing fasa [15].

2.3.3. Mengurangi pengaruh harmonisa

Filter harmonisa harus dilakukan untuk mengurangi dampak yang

ditimbulkan terhadap sistem dan peralatan listrik. 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

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 AC- reactor, dan lain-lain.

Sistem diatas mampu bertindak sebagai peredam harmonisa, dan 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

diakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan reaktansi

induktif sistem.

2.4. Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah

harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada tapi cukup dengan mereduksi

sebagian harmonisa tersebut sehingga nilainya dibawah standar yang diizinkan. Hal

ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi

harmonisa secara teknik dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis

tidak membutuhkan biaya yang besar. Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai

batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical

fasa ataupun tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar

IEC61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh

IEEE.

Pada standar IEC61000-3-2 beban beban kecil tersebut diklasifikasikan

dalam kelas A, B, C, dan D, dimana masing masing kelas mempunyai batasan

harmonisa yang berbeda beda yang dijelaskan sebagai berikut [16].

1. Kelas A

Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya

peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari

16 ampere perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain

dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan

untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana

batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A.

2. Kelas B

Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable dimana batasan arus

harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat

dimana batasan arus harmonisanya diperlihatkan Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B.

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya

input aktifnya lebih besar 25 Watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk Tabel 2.1. (Lanjutan)

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

4 0,43

6 0,30

persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk

masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C.

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

2 2

Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 Watt

khusus-nya personal komputer, monitor, TV. Batasan aruskhusus-nya diekspresikan dalam bentuk

mA/W dan dibatasi pada harga absolut yang nilainya diperlihatkan oleh Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D.

Seperti diketahui bahwa semua peralatan elektronik bekerja dengan sumber tegangan

arus searah sehingga dalam operasinya dibutuhkan peralatan penyearah dan

dihubungkan langsung ke sumber tegangan (stop kontak). Untuk penyearah yang

distorsi gelombang arusnya cukup tinggi dan banyak dipakai secara bersamaan

dimasukkan dalam kategori kelas D. Sementara untuk penyearah dengan arus yang

terdistorsi dapat dimasukkan dalam kategori kelas A. Tabel 2.5. memperlihatkan

batasan harmonisa untuk kelas A dan kelas D dan penyearah dengan daya 100 Watt.

Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D.

Harmonisa ke-n Batas kelas A (A)

Batas kelas D (mA/W)

Batas kelas D untuk input 100 W (A)

Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan

ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk

memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak

diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk

mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem

yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor seperti terlihat pada

Gambar 2.5. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total

rating tegangan dan kVAR yang diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam

rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit

(skin effect) [13]. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.5.

Jaringan

Beban

Non Linier

Filter

Pasif

Gambar 2.5. Rangkaian filter pasif dalam sistem.

Terdapat dua jenis filter pasif yaitu filter seri dan filter paralel. Filter seri

didesain untuk digunakan pada jaringan utama. Sementara filter pasif paralel hanya

menapis arus harmonisa dan beberapa arus fundamental pada orde yang lebih kecil

dari jaringan utama. Sehingga filter paralel lebih murah ketimbang filter seri pada

tingkat efektifitas yang sama. Filter paralel juga memiliki kelebihan lain yaitu dapat

mensuplai daya reaktif pada frekwensi fundamental. Dalam banyak aplikasi, paling

Beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan

impedansinya. Single-tuned filter atau bandpass filter adalah yang paling umum

digunakan. Dua buah Single-tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip

dengan double bandpass filter, diperlihatkan Gambar 2.6. berikut:

C

Band-Pass High-Pass Double Band-Pass Composite

Gambar 2.6. Jenis-jenis filter pasif.

Seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.6. Tipe filter pasif yang paling

umum digunakan adalah single-tuned filter (Band-pass). Filter umum ini biasa

digunakan pada tegangan rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang

rendah.

Prinsip kerja dari filter pasif yaitu dengan mengalirkan arus harmonisa

orde tertentu dari sumber harmonisa (beban non linier) melalui jaringan filter. Untuk

memaksa arus orde tertentu mengalir ke jaringan filter, maka harga kapasitor harus

diatur sehingga terjadi resonansi pada jaringan. Saat terjadi resonansi, harga

Disamping dapat mengurangi harmonisa, Single-Tuned Passive Filter juga dapat

memperbaiki power factor [13]. Kapasitor bank yang telah terpasang pada jaringan

dapat difungsikan sebagai filter. Sehingga tinggal menambah resistor dan induktor.

Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu diketahui besarnya

kebutuhan daya reaktif pada sistem. Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk

menghitung besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki sistem

tersebut.

a. Untuk menghitung nilai kapasitif pada Filter Pasif :

………..….(2.16)

b. Untuk menghitung nilai induktif pada Filter Pasif :

………..….(2.17)

Keuntungan yang dapat diperoleh dari penggunaan filter pasif antara lain:

a. Desain sederhana dan murah

b. Memilki keuntungan lain, dimana filter yang terhubung dengan beban,

dapat juga difungsikan sebagai konpensator energi reaktif

Disamping keuntungan, filter pasif juga kekurangan seperti:

a. Impedansi sumber mempengaruhi karakteristik kompensasi filter

b. Sensitif terhadap perubahan komponen LC dan variasi frekwensi pada

c. Dapat menyebabkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi

jaringan yang malah mengakibatkan penguatan harmonisa pada

frekwensi tertentu.

2.6. Single-Tuned Passive Filter

Single-Tuned Passive Filter adalah filter yang terdiri dari

komponen-komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.7. Single-Tuned

Passive Filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi

sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan

dibelokkan melalui filter. Untuk mengatasi harmonisa di dalam sistem tenaga listrik

industri yang paling banyak digunakan adalah Single-Tuned Passive Filter, seperti

yang diperlihatkan Gambar 2.7.

Berdasarkan Gambar 2.7. besarnya impedansi Single-Tuned Passive Filter

pada frekuensi fundamental adalah [5]:

……….……...………. (2.18)

Pada frekuensi resonansi resonansi, Persamaan (2.18) menjadi:

………...…….…. (2.19)

Jika frekuensi sudut saat resonansi adalah:

………...………...………. (2.20)

Impedansi filter dapat ditulis sebagai berikut:

…..………...…….….. (2.21)

………... (2.22)

Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama

besar, maka diperoleh impedansi Single-Tuned Passive Filter seperti pada Persamaan

(2.23) adalah:

………….……...………...…… (2.23)

Pada Persamaan (2.23) menunjukkan bahwa pada frekuensi resonansi,

impedansi Single-Tuned Passive Filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil,

lebih kecil dari impedansi beban yaitu sama dengan tahanan induktor R, sehingga

akan dialirkan atau dibelokkan melalui Single-Tuned Passive Filter dan tidak

mengalir ke sistem. Frekuensi response dan sudut fasa dari Single-Tuned Passive

Filter dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari

harmonisa (fr = 250 Hz), impedansi Single-Tuned Passive Filter sangat kecil, seperti

ditunjukan Gambar 2.8. (a) dan (b).

\

(a) Frekuansi respon Single-Tuned Passive Filter

(b) Sudut fasa fungsi orde harmonisa

Berdasarkan Gambar 2.8. Single-Tuned Passive Filter diharapkan dapat

mengurangi IHD tegangan dan IHD arus sampai dengan 10-30%. Besarnya tahanan R

dari induktor dapat ditetukan oleh faktor kualitas dari induktor. Faktor kualitas (Q)

adalah kualitas listrik suatu induktor, secara matematis Q adalah perbandingan nilai

reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan R.

Semakin besar nilai Q yang dipilih maka semakin kecil nilai R dan semakin bagus

kualitas dari filter dimana energi yang dikonsumsi oleh filter akan semakin kecil,

artinya rugi-rugi panas filter adalah kecil [17].

Pada frekuensi tuning:

……….………... (2.24)

Faktor kualitas:

…..……..……….………...… (2.25)

Berdasarkan Persamaan (2.25), tahanan resistor adalah:

….………... (2.26)

2.7. Prinsip Pereduksian Harmonisa dari Single-Tuned Passive Filter

Pada Frekuensi fr, Single-Tuned Passive Filter memiliki impedansi

semua arus harmonik yang dekat dengan frekuensi fr yang diinjeksikan, dengan

distorsi tegangan harmonik yang rendah pada frekuensi ini. Pada prinsipnya, sebuah

Single-Tuned Passive Filter untuk setiap harmonik yang akan dihilangkan.

Filter-filter ini dihubungkan pada busbar dimana pengurangan tegangan harmonik

ditentukan. Bersama-sama, filter-filter ini membentuk filter bank.

Ada dua parameter yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan nilai

R, L, dan C, yaitu:

1. Faktor kualitas (Quality factor, Q)

2. Penyimpangan frekuensi relative (Relative Frequency Deviation, δ)

Kualitas dari sebuah filter (Q) adalah ukuran ketajaman penyetelan filter

tersebut dalam mengeliminasi harmonisa. Filter dengan Q tinggi disetel pada

frekuensi rendah (misalnya harmonisa kelima), dan nilainya biasanya terletak antara

30 dan 100. Dalam Single-Tuned Passive Filter, faktor kualitas Q didefinisikan

sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi pada frekuensi resonansi

terhadap resistansi. Perkiraan nilai Q untuk reaktor inti udara/air core reactors adalah

Gambar 2.9. Pemodelan filter [9].

Seperti yang ditunjukan Gambar 2.9. Passive Single-Tuned Filter yang

diletakkan secara paralel akan men-short circuit-kan arus harmonisa yang ada dekat

dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga arus harmonisa yang masuk

tidak keluar menuju peralatan lain dan sumber supply energi listrik. Passive

Single-Tuned Filter yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan

keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tigkat

harmonisa, penggunaan kapasitor dapat merperbaiki cos φ sistem, sehhingga naiklah

cos φ pada frekuensi fundamental. Apabila ada harmonisa pada suatu orde, Nilai Xc

akan berubah 1/n nilai harmonisa tersebut sehingga berkurang nilai Xc. Nilai Xc

disisipkan dengan nilai Xl sehingga Xc sama dengan Xl pada harmonisa maka akan

Induktor (reaktor) berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor

dari over kapasitor akibat adanya resonansi. Sedangkan resistor berfungsi untuk

menstabilkan arus agar tidak terjadi short-circuit pada rangkaian. Gelombang hasil

pemfilteran dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Kompensasi gelombang filter.

Seperti yang ditunjukan Gambar 2.10. gelombang hasil dari pemfilteran

harmonisa dengan menggunakan bantuan simulasi MATLAB/Simulink, dimana

gelombang harmonisa menjadi berkurang distorsinya. Hasil simulasi

MATLAB/Simulink dapat menjelaskan proses eliminasi gelombang arus terdistorsi

dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban non linier seperti yang

ditunjukkan 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

mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat

diperbaiki oleh induktor dan kapasitor.

2.8. Merancang Passive Single-Tuned Filter

Merancang Single-Tuned Passive Filter yang terdiri dari hubungan seri

komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan, adalah bagaimana

menentukan besarnya komponen-komponen dari filter tersebut [6][9][5].

Langkah-langkah rancangan Single-Tuned Passive Filter adalah:

a. Tentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya

reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor adalah:

…...…….(2.27)

Dimana:

P = beban (kW)

pf1 = faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki

pf2 = faktor daya setelah diperbaiki

b. Tentukan Reaktansi kapasitor:

………..…………... (2.28)

c. Tentukan Kapasitansi dari kapasitor:

d. Tentukan Reaktansi Induktif dari Induktor:

.………...………….. (2.30)

e. Tentukan Induktansi dari Induktor:

.………...……….. (2.31)

f. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning:

..….………...……… (2.32)

g. Tentukan Tahanan (R) dari Induktor:

.…….………...………… (2.33)

Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam

bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.11.

Gambar 2.11. Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q [18].

Seperti yang terlihat pada Gambar 2.11. Kebutuhan daya reaktif dapat

dihitung dengan pemasangan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya beban.

Komponen daya aktif (P) umumnya konstan, daya semu (S) dan daya reaktif (Q)

berubah sesuai dengan faktor daya beban.

Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) tan φ

Dengan merujuk segitiga daya Gambar 2.11, maka

Daya Reaktif pada PF awal yaitu:

Q1 = P tan φ1 ... (2.34)

Daya Reaktif pada PF diperbaiki yaitu:

Q2 = P tan φ2 ... (2.35)

Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya yaitu:

Daya reaktif

ΔQ= Q1 - Q2

Atau

ΔQ = P(tan 1- 2) ... (2.36)

Besar nilai ΔQ yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang

besarnya ditentukan berdasarkan Persamaan (2.28) dan besar nilai kapasitansi

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi yang

dimulai dari pengumpulan data kemudian melakukan pengukuran harmonisa,

pemodelan filter, dan perhitungan parameter filter. Pengukuran dilakukan pada

beberapa merek mixer yang ada di rumah tangga. Hasil pengukuran berupa nilai

individual harmonisa tegangan (IHDv) dan individual harmonisa arus (IHDi). Filter

yang digunakan berupa Single-Tuned Passive Filter, selanjutnya dilakukan

perhitungan untuk menentukan parameter Single-Tuned Passive Filter yang akan

digunakan. Dari data hasil pengukuran dan data hasil perhitungan selanjutnya

pemodelan beban dan filter dan disimulasi dengan menggunakan program

MATLAB/Simulink. Hasil yang diperoleh berupa nilai individual distorsi harmonisa

arus (IHDi) setelah simulasi selanjutnya dibandingkan terhadap standar

IEC61000-3-2 Kelas D.

3.1. Teknis Pengukuran Yang Dilakukan

Perancangan filter akan dilakukan setelah melakukan pengukuran pada

mixer untuk mengetahui besar nilai harmonisa yang terkandung didalamnya.

Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada laboraturium PLN wilayah sumut.

Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada 5 merk mixer berbeda, yang

penelitian berupa tingkat individual distorsi harmonisa arus (IHDi) terbanyak yang

melebihi standart IEC 61000-3-2 kelas D. Pengukuran menggunakan alat ukur Fluke

435 power Quality Analyzer. Data hasil pengukuran ditampilkan dalam bentuk daftar

dan grafik secara langsung, dan data tersebut dapat disimpan di komputer. Parameter

yang dapat diambil adalah komponen harmonisa tegangan, komponen harmonisa

arus, faktor daya, daya aktif, daya reaktif dan daya semu. Dari pengukuran tersebut

akan terlihat nilai setiap orde harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif

yang nantinya digunakan untuk data simulasi pada MATLAB/simulink, serta

digunakan menghitung besar komponen yang harus digunakan sebagai kompensasi

faktor daya sistem.

Data impedansi kabel menggunakan data kabel yang di pakai pada saat

pengukuran dari sumber ke pengukuran mixer digunakan kabel jenis NYM 3 2,5

mm2 sepanjang 100 m sesuai ukuran penggunaan kabel pada saat melakukan

pengukuran yang diperoleh dari standar kabel. Seperti yang ditunjukan Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Impedansi kabel saluran

3.2. Data Pengukuran

Berikut ini merupakan data yang akan diambil dari pengukuran beberapa

merek mixer yang diukur melalui alat Fluke 435 power Quality Analyzer. Data-data

tersebut seperti yang ditunjukan Tabel 3.2. sebagai berikut:

Tabel 3.2. Data Pengukuran Mixer

Parameter Satuan Merek Mixer

A B C D E

Seperti yang ditunjukan Tabel 3.2 dapat dilihat data pengukuran yang telah

dilakukan. Tulisan berwarna merah pada mixer E menunjukan bahwa data tersebut

adalah data mixer yang terburuk, data tersebut akan digunakan untuk menghitung

Data hasil pengukuran individual distorsi harmonisa arus (IHDi) dari

setiap orde harmonisa yang telah dirubah menjadi ampere. Orde harmonisa yang

ditampilkan adalah orde harmonisa dari orde ke-1 sampai dengan orde ke-15 dengan

nilai yang berbeda untuk setiap harmonisa. Jika dibandingkan dengan standar

IEC61000-3-2 Kelas D, maka ada orde harmonisa arus (IHDi) mixer hasil

pengukuran yang tidak sesuai dengan standar. Terutama untuk mixer E, orde

harmonisa arus (IHDi) yang tidak sesuai standar terlihat pada harmonisa orde ke-3.

Seperti yang diperlihatkan Tabel 3.3. berikut:

Tabel 3.3. Data pengukuran harmonisa arus

3.3. Klasifikasi Arus Harmonisa Mixer Berdasarkan Standar IEC61000-3-2 Kelas D

Sebelum merancang Single-Tuned Passive Filter haruslah diketahui orde

arus harmonisa mana dari hasil pengukuran mixer yang tidak sesuai standar. Oleh

Mixer Daya

(Watt)

karena data hasil pengukuran yang diperoleh, mixer E menunjukan orde harmonisa

yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D. Pada Tabel 3.4 dapat dilihat

klasifikasi arus harmonisa hasil pengukuran berdasarkan standar IEC61000-3-2 Kelas

D untuk mixer E, dimana arus harmonisa dari orde ke-3 sampai dengan orde ke-15

dibandingkan terhadap standar IEC61000-3-2 Kelas D dan diperoleh bahwa terdapat

harmonisa orde ke-3 yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2.Seperti yang ditunjukan

Tabel 3.4. berikut:

Tabel 3.4. Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC61000-3-2 kelas D untuk mixer 110 watt

Harmonisa

Pada Tabel 3.4. dapat dilihat orde harmonisa arus yang tidak sesuai

standart terdapat pada harmonisa orde ke-3 dengan selisih 0.0445 ampere. Sedangkan

3.4. Perhitungan Passive Single-Tuned Filter

Dalam menentukan besarnya parameter Single-Tuned Passive Filter yang

dibutuhkan terlebih dahulu ialah nilai selisih dari orde harmonisa arus yang tidak

sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D pada mixer E. Dari Tabel 3.4. diperoleh orde

harmonisa ke-3 tidak sesuai dengan standart IEC61000-3-2, oleh karena itu

Single-Tuned Passive Filter yang digunakan adalah Single-Single-Tuned Passive Filter untuk

harmonisa ke-3. Untuk menentukan kapasitor (C), induktor (L) dan resistor (R) dari

Single-Tuned Passive Filter digunakan Persamaan (2.27) sampai dengan Persamaan

(2.33), dan nilai dasar perhitungan diperoleh dari data hasil pengukuran untuk mixer

E yang dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Data Pengukuran mixer E untuk harmonisa orde ke-3 adalah sebagai

berikut:

Tegangan RMS pengukuran (V) = 226.3 Volt

Arus RMS pengukuran (I) = 0.75 Ampere

Daya Aktif (P) = 110 Watt

Daya Reaktif (Q) = 58.5 VAR

Faktor Daya (pf1) = 0.75

Frekuensi = 50.01 Hz

Diasumsikan bahwa faktor daya diperbaiki (pf2) menjadi 0.95. Untuk menghitung

kapasitas kapasitor yang dibutuhkan dihitung menggunakan Persamaan (2.27) yaitu:

Oleh karena selisih hasil pengukuran terhadap standar adalah pada orde-3 yaitu

sebesar 0.0724 ampere, maka Single-Tuned Passive Filter yang digunakan adalah

untuk orde harmonisa ke-3. Dengan menggunakan Persamaan (2.28) dan Persamaan

(2.29), besar reaktansi kapasitif dan kapasitansi dari Single-Tuned Passive Filter

Dengan menggunakan Persamaan (2.30) dan Persamaan (2.31), besar reaktansi

induktif dan induktansi dari Single-Tuned Passive Filter orde-3 adalah:

Dengan mengasumsikan faktor kualitas Single-Tuned Passive Filter (Q) = 100, maka

dengan menggunakan Persamaan (2.33), besar resistor Single-Tuned Passive Filter

orde-3 adalah:

Dari perhitungan diatas diperoleh parameter Single-Tuned Passive Filter adalah C =

3.5. Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Single-Tuned Passive Filter.

Untuk membuat rangkaian simulasi sebelum pemasangan Single-Tuned

Passive Filter digunakan hasil pengukuran dan perhitungan berupa tegangan, nilai

setiap orde arus harmonisa (IHDi), kapasitansi, induktansi dan resistansi filter.

Rangkaian ini selanjutnya disimulasi dengan menggunakan program

MATLAB/Simulink, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.1.

Untuk membuat rangkaian simulasi pada program MATLAB/Simulink,

ada beberapa hal yang harus dilakukan yaitu:

1. Klik AC Voltage Source kemudian masukkan nilai tegangan Vs =

226.3 Volt dan frekuensi 50 Hz.

2. Klik AC Current Source, kemudian masukkan nilai arus Ih (h= 1, 3, 5,

7, 9,…, 15) dengan frekuensi tergantung yang diperoleh dari hasil

pengukuran pada Tabel 3.4.

3. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah kapasitor kemudian masukkan

nilai C = 3.78 μF.

4. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah induktor kemudian masukkan

nilai L = 0.29 H.

5. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah resistor kemudian masukkan

nilai R = 2.8 Ω.

6. Pilih Current Measurement untuk mengukur arus.

8. Pilih Block Display untuk menampilkan besarnya THD.

9. Pilih Scope untuk menampilkan gelombang arus dan tegangan.

10. Block Power GUI untuk memandu pemakai berkomunikasi dengan

system simulasi.

Rangkaian simulasi sebelum menggunakan program MATLAB/simulink

seperti yang diper;ihatkan pada Gambar 3.1. berikut:

Gambar 3.1. Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter

Rangkaian simulasi pada Gambar 3.1. disimulasikan menggunakan

program MATLAB/Simulink. Rangkaian simulasi tersebut terdiri dari individual

distorsi harmonisa arus (IHDi) orde ke-3 sampai dengan orde ke-15. Data-data pada

hasil simulasi harus disesuaikan dengan data hasil pengukuran yang telah dilakukan

Gambar 3.2. Data hasil simulasi MATLAB sebelum pemasangan filter

Bentuk gelombang arus dan tegangan diperoleh dari Block Power GUI

bagian Fast Fourier Transforsm (FFT) Analysis. Hasil simulasi dari rangkaian

Gambar 3.1. diperoleh grafik keluaran arus dan tegangan seperti gambar 3.3. berikut:

(b) Grafik arus

Gambar 3.3. Grafik tegangan dan arus sebelum pemasangan filter

Spektrum harmonisa dari gelombang arus dan tegangan input dari

Gambar 3.1. ditunjukan oleh Gambar 3.4. berikut:

(a) Spektrum tegangan

(b) Spektrum arus

Dari hasil simulasi dan spektrum harmonisa arus input penyearah diperoleh

arus harmonisa orde ke-3, 5, 7, 9, 11, 13, dan 15 dalam besaran maksimum. Nilai

tersebut dibandingkan dengan standar IEC61000-3-2 kelas D sehingga diperoleh

Tabel 3.5. berikut:

Tabel 3.5. Data hasil simulasi sebelum pemasangan filter

Parameter Satuan Data Hasil Simulasi

V (Phase Voltage) Volt 227.06

3.6. Rangkaian Simulasi Setelah Pemasangan Single-Tuned Passive Filter

Rangkaian simulasi Single-Tuned Passive Filter pada Gambar 3.5.

disimulasikan menggunakan program MATLAB/Simulink. Rangkaian simulasi

individual distorsi harmonisa arus (IHDi) orde ke-3 sampai dengan orde ke-15.

Single-Tuned Passive Filter terdiri dari sebuah kapasitor, induktor, dan resistor yang

terhubung secara seri dan nilainya telah diperhitungkan sebelumnya. Single-Tuned

Passive Filter dihubungkan secara paralel terhadap sistem. Sumber arus mewakili

nilai arus harmonisa dari orde ke-3 sampai orde ke-15. Bentuk gelombang arus dan

tegangan diperoleh dari Block Power GUI bagian Fast Fourier Transform (FFT)

Analysis. Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.5. berikut:

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Harmonisa Setelah Penggunaan Passive Single-Tuned Filter

Hasil simulasi dari rangkaian Gambar 3.5. diperoleh grafik keluaran arus

dan tegangan seperti gambar 4.1. berikut:

(a) Grafik tegangan

(b) Grafik arus

Spektrum harmonisa dari gelombang arus dan tegangan input dari

Gambar 3.5. ,ditunjukan oleh Gambar 4.2. berikut:

(a) Spektrum tegangan

(b) Spektrum arus

Gambar 4.2. Spektrum tegangan dan arus setelah pemasangan filter

Dari hasil simulasi dan spektrum harmonisa arus input penyearah

Nilai tersebut dibandingkan dengan standar IEC61000-3-2 kelas D sehingga

diperoleh Tabel 4.1:

Tabel 4.1. Data hasil simulasi setelah pemasangan filter

Parameter Satuan Data Hasil Simulasi

Cos phi - 0.94

Pada simulasi penggunaan filter Single-Tuned Passive Filter untuk beban

mixer dengan data simulasi disesuaikan dengan data pengukuran. Diperoleh bahwa

dengan menggunakan filter Single-Tuned Passive Filter maka IHDi pada harmonisa

Individual harmonisa arus yang diperlihatkan hasil dari simulasi MATLAB/Simulink

pada Tabel 4.1, dikonversikan dari satuan persen menjadi satuan ampere. Data ini

kemudian dibandingkan dengan standar IEC61000-3-2 Kelas D. Arus harmonisa

mixer E pada orde-3 sebelum pemakaian filter diketahui tidak memenuhi standart,

setelah pemakaian Single-Tuned Passive Filter harmonisa orde-3 memenuhi standart

IEC61000-3-2 kelas D. Seperti yang ditunjukan pada Tabel 4.2. berikut:

Tabel 4.2. Hasil simulasi IHDi sebelum dan sesudah pemasangan Single-Tuned Passive Filter dalam satuan ampere

Orde

Orde-13 0.03256 0.0009 0.000225 Sesuai

Orde-15 0.002827 0.00075 0.00015 Sesuai

Pada Tabel 4.2. dapat dilihat bahwa Single-Tuned Passive Filter dapat

menurunkan arus harmonisa pada orde-3, harmonisa yang tidak sesuai standar

bahwa nilai arus harmonisa orde ke-3 berkurang dari 0.4185 Ampere menjadi 0.0945

Ampere, arus harmonisa orde ke-5 berkurang dari 0.159 Ampere menjadi 0.035775

Ampere, arus harmonisa orde ke-7 berkurang dari 0.0465 Ampere menjadi 0.0105

Ampere, arus harmonisa orde ke-9 berkurang dari 0.0255 Ampere menjadi 0.0057

Ampere, arus harmonisa orde ke-11 berkurang dari 0.01425 Ampere menjadi 0.00315

Ampere, arus harmonisa orde ke-13 berkurang dari 0.0009 Ampere menjadi 0.000225

Ampere, arus harmonisa orde ke-15 berkurang dari 0.00075 Ampere menjadi 0.00015

Ampere.

Individual harmonisa distortion arus pada orde-3 lebih mengalami

pereduksian arus paling besar. Hal ini dikarenakan bahwa pada frekuensi resonansi,

impedansi orde-3 Single-Tuned Passive Filter akan mempunyai impedansi yang

sangat kecil, lebih kecil dari impedansi beban pada sistem, sehingga arus harmonisa

yang mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan atau

dibelokkan melalui Single-Tuned Passive Filter dan tidak mengalir kembali menuju

sistem.

Tidak hanya fokus masalah pada arus harmonisa orde-3 saja yang dapat

diturunkan arusnya oleh pemakaian Single-Tuned Passive Filter agar dapat

memenuhi standar IEC61000-3-2 Kelas D, akan tetapi pemakaian Single-Tuned

Passive Filter juga memberikan dampak penurunan arus harmonisa pada orde

harmonisa lainnya. Pada Tabel 4.2. menunjukkan bahwa Single-Tuned Passive Filter

dapat digunakan untuk mereduksi harmonisa arus yang dihasilkan, terutama pada

Pada Gambar 4.5. ditunjukan bahwa diagram perbandingan arus harmonisa

(IHDi) sebelum dan setelah pemakaian Single-Tuned Passive Filter, sebagai berikut:

Gambar 4.5. Diagram perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah pemakaian Single-Tuned Passive Filter

Pada Gambar 4.5. Terlihat perbandingan arus harmonisa hasil pengukuran

terhadap arus harmonisa hasil simulasi dari orde ke-3 sampai orde ke-15. Standart

IEC61000-3-2 Kelas D untuk daya mixer 110 watt ditunjukan diagram berwarna biru, 0

Orde-1 Orde-3 Orde-5 Orde-7 Orde-9 Orde-11 Orde-13 Orde-15

arus harmonisa hasil pengukuran ditunjukkan oleh diagram berwarna merah, dan arus

harmonisa hasil simulasi ditunjukkan oleh diagram warna kuning. Pada Gambar 4.5.,

ditunjukan bahwa arus harmonisa setelah pemakaian Single-Tuned Passive Filter

lebih kecil dibandingkan tidak menggunakan filter. Hal ini menunjukkan

BAB 5 PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Sesuai dengan rumusan masalah dan tujuan dari penelitian, dapat diambil

beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter diperoleh bahwa nilai

arus harmonisa orde ke-3 dari 55.30% menjadi 27.68% atau berkurang

dari 0.4185 ampere menjadi 0.0945 ampere. Sesuai dengan standar

yang ditetapkan IEC 61000-3-2 kelas D.

2. Single-Tuned Passive Filter berhasil memperbaiki Cos phi dari 0.73

menjadi cos phi 0.94.

5.2. Saran

Adapun saran yang dapat diberikan yaitu untuk penelitian selanjutnya

dapat dilakukan pereduksian harmonisa mixer dengan menggunakan jenis filter yang

lainnya. Disarankan pula untuk peneliti selanjutnya melakukan analisa penggunaan