Penentuan Faktor Pengali Sistem Pengukuran Analog Untuk Beban Non Linear

(1)

PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN

ANALOG UNTUK BEBAN NON LINEAR

TESIS

Oleh

EDDY WARMAN

087034006/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN

ANALOG UNTUK BEBAN NON LINEAR

TESIS

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

Oleh

Eddy Warman 087034006/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(3)

Judul Tesis : PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM

PENGUKURAN ANALOG UNTUK BEBAN

NONLINEAR

Nama Mahasiswa : Eddy Warman

Nomor Pokok : 087034006

Program Studi : Magister Teknik Elektro

Menyetujui

Komisi Pembimbing :

(Syafii, MT, Ph.D) (Prof. Dr. Tulus, M.Si)

Sekretaris Program Studi, Dekan,

(Drs. Hasdari Helmi, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

(4)

Telah diuji pada

Tanggal : 18 April 2013

PANITIA PENGUJI TESIS :

Ketua : Syafii, MT, Ph.D

Anggota : Prof. Dr. Tulus, M.Si

(5)

i

ABSTRAK

Pada instalasi modern, arus yang mengalir sebenarnya jauh lebih tinggi dari arus yang diukur dengan alat ukur biasa (RMS meter). Hal ini disebabkan arus pada instalasi saat ini telah mengalami distorsi disebabkan adanya arus harmonisa akibat beban non linear, sehingga bentuk gelombang arus yang terdistorsi sudah menjadi non sinusoidal. Pengukuran arus RMS sebenarnya (true RMS) sangat penting dalam instalasi dimana terdapat sejumlah beban non linear, pembacaan RMS meter memberikan hasil pengukuran lebih rendah dari hasil pengukuran dengan True RMS Meter. Pembacaan RMS meter dapat memberikan nilai yang mendekati harga sebenarnya bila hasil pengukuran yang terbaca harus dikalikan dengan suatu faktor pengali yang besarnya tergantung kepada THD beban.

Penelitian ini dilakukan secara langsung di Laboratorium dengan beban lampu hemat energi (LHE), lampu pijar (LP), kombinasi LHE dan LP, dan Laptop, dari analisa data diperoleh bahwa hubungan antara faktor pengali dengan THD dapat dinyatakan dengan persamaan: y = 0,01x + 1,00 dimana y = faktor pengali dan x = THD arus. Makin besar THD beban, maka makin besar faktor pengali yang diperlukan.

Pengaruh harmonisa juga mengakibatkan kesalahan pembacaan kWh meter sesuai dengan kenaikan beban nonlinear (THD).

(6)

ii

ABSTRACT

In modern installations, the current flowing is actually much higher than the current measured by an ordinary measuring instrument (RMS meter). This is due to the fact that the current flowing at today’s installation has been distorted by harmonic currents caused by non-linear loads, so the distorted current waveform has been non-sinusoidal. The measurement of true RMS current is very important in installations where there are a number of non-linear loads, RMS meter reading will show lower measured value than True RMS Meter. RMS meter reading can give the value that approaches the true value if the measured value is multiplied with a multiplication factor which magnitude depends on the THD of loads.

This research is carried out directly in the laboratory with loads that consist of energy saving lamps (ESL), incandescent lamps (IL), a combination of ESL and IL, and Laptop, from the data analysis, it is obtained that the relationship between the multiplication factor and THD can be defined with equation: y = 0.01x + 1.00 where y = multiplication factor and x = THD of current. The greater the THD of loads, the greater the multiplication factor that is required.

Harmonics effects also cause errors in kWh meter readings in accordance with the increase of non-linear loads (THD).jj

jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjkjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj

(7)

iii

KATA PENGANTAR

Dengan nama Allah Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang

Puji syukur alhamdullilah penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan tesis ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan ke junjungan Rasulullah Muhammad SAW.

Alhamdulillah, penulis selesai juga menyusun tesis ini yang merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Strata dua di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul tesis ini “Penentuan Faktor Pengali Sistem Pengukuran Analog Untuk Beban Non Linear”.

Kepada Bapak Syafii, MT, Ph.D, Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si sebagai Komisi Pembimbing, Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D, dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si selaku penguji, penulis ucapkan terimakasih atas bimbingan dan motivasinya dalam hal penyelesaian tesis ini.

(8)

iv

Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara penulis ucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan selama mengikuti pendidikan Program Magister. Kepada Bapak-Bapak staf pengajar penulis ucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas bantuan dan kerjasamanya selam perkuliahan.

Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan ribuan terimakasih kepada istri Hj.Darmilis Daud dan anak-anak penulis Edwar Ammi Djamin, ST dan Djaka Cindy Djamin yang telah memberikan semangat dalam menyelesaikan tesis ini, adinda Sofian Hanafi Harahap, ST dan M. Rizal Batubara, ST. MT yang telah banyak membantu dan sarannya dalam penyelesaian tesis ini, serta semua pihak yang telah membantu sehingga tesis ini dapat selesai. Tak lupa juga penulis haturkan banyak terimakasih kepada ketua, sekretaris, dan seluruh staf pengajar DTE Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga tesis ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua pihak yang membutuhkannya. Kepada Allah SWT jualah penulis menyerahkan diri.

Medan, April 2013 Penulis,

(9)

v

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan dibawah ini,

Nama : Eddy Warman

Tempat, Tanggal Lahir : Sungai Penuh, 20 Desember 1954 Jenis Kelamin : Laki-Laki

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jl. Merpati No. 76 Sei Sikambing B Medan Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :

PENDIDIKAN

1. Tamatan SR N 1 Sungai Penuh Tahun 1966

2. Tamatan SMP N 2 Padang Tahun 1969

3. Tamatan SMA N 5 Medan Tahun 1972

4. Tamatan Teknik Elektro FT USU Tahun 1979 5. Tamatan Magister Teknik Elektro FT USU Tahun 2013

PEKERJAAN

1. Staf Pengajar Fakultas Teknik USU Medan Tahun 1979

PENGHARGAAN

(10)

vi

(11)

vii

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 4

1.3 Batasan Masalah ... 5

1.4 Tujuan Penelitian ... 5

1.5 Manfaat Penelitian ... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Beban Linear ... 7

2.2 Beban Non Linear ... 8

2.3 Harmonisa ... 10

2.4 Distorsi Harmonisa ... 12

(12)

viii

2.6 Pengaruh Harmonisa Dalam Sistem Tenaga Listrik. ... 17

2.7 Deret Fourier . ... 20

2.8 Nilai RMS (Root Mean Square). ... 21

2.8.1 Defenisi... 22

2.8.2 Nilai RMS pada Suatu Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Sinusoidal ... 23

2.8.3 Nilai RMS pada Suatu Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Harmonisa.. . ... 24

2.8.4 Daya Listrik Rata-rata. ... 25

2.9 Metode Pengukuran Arus. ... 27

2.9.1 Alat Ukur Pembacaan Rata-rata Dikalibrasi ke RMS 27 2.9.2 Alat Ukur True RMS. ... 30

2.9.3 Kesalahan Pemakaian Alat Ukur ... 31

2.9.4 Beberapa Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Beban Non Linear ... 33

2.10 Prinsip Kerja kWh Meter Induksi Satu Fasa ... 38

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 41

3.2 Teknik Penelitian ... ... 41

(13)

ix

3.4 Alat Pengukuran dan Beban ... 42

3.5 Spesifikasi Peralatan ... 43

3.6 Rangkaian Pengujian ... 45

3.7 Prosedur Pengujian ... 46

3.8 Pengumpulan Data ... 47

3.9 Diagram Block Penelitian ... 49

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Penelitian... ... 50

4.1.1 Pengujian Beban Linear, Non linear dan Kombinasi- nya ... 50

4.1.1.1 Pengujian Pada Beban 5 XL ... 52

4.1.1.2 Pengujian Pada Beban 4 XL dan 1 Pijar ... 56

4.1.1.6 Pengujian Pada Beban 5 Pijar ... 70

4.1.1.7 Pengujian Pada Beban Laptop... 74

4.2 Perhitungan dengan Matlab ... 77

(14)

x

4.5 Pengaruh harmonisa Pada KWH Meter ... 87

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 89 5.2 Saran ... 90

(15)

xi

DAFTAR GAMBAR

Nomor

Judul

Halaman

1.1 Pengukuran dengan alat ukur True RMS (kiri) dan alat ukur

ringan respon rata-rata (kanan)... 3

2.1 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linear... 7

2.2 Jenis beban non linear... 8

2.3 Gelombang tegangan dan arus beban non linear... 9

2.4 Gelombang tegangan fundamental dan harmonisa ke-3... 11

2.5 Gelombang tegangan fundamental, harmonisa ke-3, dan hasil penjumlahannya... 12

2.6 Harmonisa arus mengalir melalui impedansi system... 15

2.7 Gelombang tegangan sinusoidal murni... 27

2.8 Bentuk gelombang arus yang terdistorsi oleh adanya Harmonisa karena beban non linear (komputer)... 29

2.9.(a) Gelombang tegangan dan arus beban lampu hemat energi... 33

2.9.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada lampu hemat energi.... 33

2.10.(a) Gelombang tegangan dan arus beban computer... 34

2.10.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada computer... 34

2.11.(a) Gelombang tegangan dan arus beban Air Conditioner (AC)... 35

2.11.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada air conditioner (AC).... 35

(16)

xii

2.12.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada televisi... 36

2.13.(a) Gelombang tegangan dan arus beban lampu pijar... 37

2.13.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada lampu pijar... 37

2.14 Prinsip suatu meter penunjuk energi listrik arus bolak-balik (jenis induksi)... 39

3.1.(a) Rangkaian Pengujian... 45

3.1.(b) Keadaan Diwaktu Pengukuran Berlangsung... 45

3.1.(c) Keadaan Diwaktu Pengukuran Berlangsung... 46

4.1.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 XL... 55

4.1.(b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 XL... 55

4.2.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 4 XL dan 1 pijar. 59 4.2.(b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 4 XL dan 1 Pijar... 59

4.3.(a) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 3 XL dan 2 Pijar... 62

4.3.(b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 3 XL dan 2 Pijar... 63

(17)

xiii

4.5.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 1 XL dan 4 pijar. 69 4.5.(b),

(c)

Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 1 XL dan

4 Pijar... 70 4.6.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 pijar... 73 4.6.(b),

(c)

Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 Pijar... 73

4.7.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban Laptop... 76 4.7.(b),

(c)

Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban Laptop... 77

4.8 Grafik hubungan antara THD arus dengan faktor pengali... 78 4.9 Grafik hubungan THD arus dengan arus fundamental, arus

(18)

xiv

DAFTAR TABEL

Nomor

Judul

Halaman

2.1. Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut

IEEE 519-1992... 16

2.2. Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa menurut

IEEE 519-1992... 17 2.3. Dampak harmonisa pada berbagai peralatan sistem tenaga

listrik... 19 2.4. Nilai RMS pada berbagai fungsi umum... 23 2.5. Perbandingan pembacaan alat ukur RMS dengan alat ukur

True RMS... 31 4.1.a. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya

pada percobaan 1... 50 4.1.a. Lanjutan ... 51 4.1.b. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya

pada percobaan 2... 51 4.1.c. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya

pada percobaan 3... 52 4.2.a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5

XL pada percobaan 1... 52

(19)

xv

4.2.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5

XL pada percobaan 2... 53 4.2.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5

XL pada percobaan 3... 54 4.2.d. Hasil analisa perhitungan beban 5 XL semua percobaan... 54 4.3.a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4

XL dan 1 Pijar pada percobaan 1... 56 4.3.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4

XL dan 1 Pijar pada percobaan 2... 57 4.3.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4

XL dan 1Pijar pada percobaan 3... 57

4.3.c. Lanjutan 58

4.3.d. Hasil analisa perhitungan beban 4 XL dan 1 Pijar semua

percobaan... 58 4.4.a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3

XL dan 2 Pijar pada percobaan 2... 60

4.4.b. Lanjutan 61

4.4.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3

(20)

xvi

4.4.d. Hasil analisa perhitungan beban 3 XL dan 2 Pijar semua

4.5.a. Lanjutan 64

4.5.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2

XL dan 3 Pijar pada percobaan 2... 64 4.5.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2

XL dan 3 Pijar pada percobaan 3... 65 4.5.d. Hasil analisa perhitungan beban 2 XL dan 3 Pijar semua

4.6.b. Lanjutan 68

4.6.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 1

XL dan 4 Pijar pada percobaan 3... 68 4.6.d. Hasil analisa perhitungan beban 1 XL dan 4 Pijar semua

(21)

xvii

Pijar pada percobaan 1... 70

4.7.a. Lanjutan 71 4.7.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar pada percobaan 2... 71

4.7.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar pada percobaan 3... 72

4.7.d. Hasil analisa perhitungan beban 5 Pijar semua percobaan... 72

4.8.a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan 1... 74

4.8.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan 2... 74

4.8.b. Lanjutan 75 4.8.c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan 3... 75

4.8.d. Hasil analisa perhitungan beban Laptop semua percobaan... 76

4.9. Hasil simulasi program Matlab untuk beban lampu XL dan lampu pijar... 78

4.10. Polinomial Lagrange 1... 79

4.11. Polinomial Lagrange 2... 80

4.12. Polinimial Newton 1... 82

(22)

xviii

(23)

i

ABSTRAK

Pada instalasi modern, arus yang mengalir sebenarnya jauh lebih tinggi dari arus yang diukur dengan alat ukur biasa (RMS meter). Hal ini disebabkan arus pada instalasi saat ini telah mengalami distorsi disebabkan adanya arus harmonisa akibat beban non linear, sehingga bentuk gelombang arus yang terdistorsi sudah menjadi non sinusoidal. Pengukuran arus RMS sebenarnya (true RMS) sangat penting dalam instalasi dimana terdapat sejumlah beban non linear, pembacaan RMS meter memberikan hasil pengukuran lebih rendah dari hasil pengukuran dengan True RMS Meter. Pembacaan RMS meter dapat memberikan nilai yang mendekati harga sebenarnya bila hasil pengukuran yang terbaca harus dikalikan dengan suatu faktor pengali yang besarnya tergantung kepada THD beban.

Penelitian ini dilakukan secara langsung di Laboratorium dengan beban lampu hemat energi (LHE), lampu pijar (LP), kombinasi LHE dan LP, dan Laptop, dari analisa data diperoleh bahwa hubungan antara faktor pengali dengan THD dapat dinyatakan dengan persamaan: y = 0,01x + 1,00 dimana y = faktor pengali dan x = THD arus. Makin besar THD beban, maka makin besar faktor pengali yang diperlukan.

Pengaruh harmonisa juga mengakibatkan kesalahan pembacaan kWh meter sesuai dengan kenaikan beban nonlinear (THD).

(24)

ii

ABSTRACT

In modern installations, the current flowing is actually much higher than the current measured by an ordinary measuring instrument (RMS meter). This is due to the fact that the current flowing at today’s installation has been distorted by harmonic currents caused by non-linear loads, so the distorted current waveform has been non-sinusoidal. The measurement of true RMS current is very important in installations where there are a number of non-linear loads, RMS meter reading will show lower measured value than True RMS Meter. RMS meter reading can give the value that approaches the true value if the measured value is multiplied with a multiplication factor which magnitude depends on the THD of loads.

This research is carried out directly in the laboratory with loads that consist of energy saving lamps (ESL), incandescent lamps (IL), a combination of ESL and IL, and Laptop, from the data analysis, it is obtained that the relationship between the multiplication factor and THD can be defined with equation: y = 0.01x + 1.00 where y = multiplication factor and x = THD of current. The greater the THD of loads, the greater the multiplication factor that is required.

Harmonics effects also cause errors in kWh meter readings in accordance with the increase of non-linear loads (THD).jj

jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjkjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj

(25)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Banyak instalasi bangunan komersial dan industri mengalami penderitaan terus-menerus yang disebabkan oleh gangguan pemutusan dari pemutus daya. Seringkali pemutusan ini kelihatan acak dan tidak dapat dijelaskan/dipahami permasalahannya, tapi tentu saja ada alasannya.

Ada dua penyebab umum yang menyebabkan hal tersebut. Penyebab pertama yang mungkin adalah arus inrush (inrush current) yang terjadi ketika beberapa beban, terutama komputer pribadi dan peralatan elektronik lainnya dinyalakan/dihidupkan, penyebab kemungkinan kedua adalah bahwa arus sebenarnya (true current) yang mengalir dalam rangkaian tidak diukur dengan benar, atau diukur dengan pengukuran yang salah (lebih rendah) dengan kata lain arus yang mengalir sebenarnya jauh lebih tinggi [1].

(26)

2 elektronik/lampu hemat energi (LHE) dan pengendali kecepatan motor listrik, sehingga bentuk gelombang arus yang terdistori sudah menjadi non sinusoidal.

(27)

3 Gambar 1.1 Pengukuran dengan alat ukur True RMS (kiri) dan alat ukur dengan

respon rata – rata (kanan)

Kent West dalam tulisannya “Harmonics, True RMS –The Only True

Measurement”, menyatakan bahwa kesalahan membaca alat ukur akibat harmonisa secara umum dimana alat ukur type average (alat ukur RMS) memberikan hasil pengukuran sampai 40% dibawah nilai yang sebenarnya [1].

Electric Power Research Institute (EPRI) memperkirakan bahwa di atas tahun 2000, 50% sampai 70% dari semua beban diperkirakan adalah non linear. Oleh sebab itu peralatan ukur tradisional (alat ukur RMS) jangan dipergunakan lagi dalam jaringan listrik, tapi harus mempergunakan alat ukur TRUE RMS [2].

Leon M. Tolbert, Harold D. Hollis dan Peyton S. Hale, dalam tulisannya

“Survey of Harmonics Measurements in Electrical Distribution Systems” menyatakan

(28)

4 Ahmed A. Hossam-Eldin dan Reda Mohammed Hasan dalam tulisannya yang

berjudul “Study of The Effect of Harmonics On Measurments of The Energy

Meters”, memperlihatkan bahwa beban non linear yang menimbulkan arus dan tegangan harmonisa akan mempengaruhi keakuratan pembacaan kWh meter induksi [28].

1.2 Perumusan Masalah

Dari uraian latar belakang masalah terlihat bahwa pengukuran RMS yang benar sangat penting dalam instalasi dimana terdapat sejumlah besar beban non linear (komputer, ballast elektronik, compact fluorescent lamp, dan lain-lain). Pada saat sekarang umumnya alat ukur yang dipergunakan untuk mengukur arus adalah jenis pengukuran dengan pembacaan rata-rata dikalibrasi ke nilai RMS. Kelemahan teknologi pengukuran ini adalah hanya bekerja dengan baik pada bentuk gelombang sinus murni, sedangkan pada gelombang berbentuk non sinus teknologi jenis ini akan mengalami kesalahan yang signifikan [2].

(29)

5 tegangan (IHDI, IHDV, THDI, THDV) untuk beban-beban non linear tertentu, serta

menganalisanya dengan pengujian dan program Matlab, dimana hasil akan terlihat nantinya dalam bentuk tabel dan grafik, kemudian penulis juga akan memperlihatkan pengaruh beban non linear terhadap pembacaan kWh meter induksi satu fasa.

1.3 Batasan Masalah

Penelitian ini dibatasi hanya pada beberapa jenis beban nonlinear dan linear yang mempunyai THD berbeda yang umum dipergunakan misalnya: komputer, Lampu Hemat Energi, Air Conditioner, Televisi, lampu pijar dan kombinasi beban yang ada untuk mendapatkan THD yang berbeda misalnya: gabungan beberapa lampu hemat energi dengan lampu pijar, AC dan lain-lain serta membandingkan hasil pengukuran alat ukur RMS dengan hasil pengukuran dengan alat ukur true RMS/Power System Multimeter.

1.4 Tujuan Penelitian

(30)

6 pergunakan apabila kita mengukur arus beban non linear dengan alat ukur RMS/analog sehingga dengan demikian alat ukur RMS/Analog masih dapat kita pergunakan untuk pengukuran beban non linear. Pada penelitian ini, penulis juga mencoba untuk melihat pengaruh harmonisa pada kWh meter induksi satu fasa yang banyak dipakai pada rumah tangga dan hasil pengukurannya akan dianalisa dengan program Matlab yang hasilnya dibuat dalam bentuk tabel dan grafik.

1.5 Manfaat Penelitian

(31)

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Beban Linear

Beban linear adalah beban yang impedansinya selalu konstan sehingga arus selalu berbanding lurus dengan tegangan setiap waktu [3]. Beban linear ini mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan bahwa arus berbanding lurus dengan tegangan. Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban linear akan sama dengan bentuk gelombang tegangan. Apabila diberi tegangan sinusoidal, maka arus yang mengalir ke beban linear juga merupakan sinusoidal sehingga tidak terjadi distorsi dan tidak menimbulkan harmonisa. Beban ini berupa elemen pasif seperti resistor, komputer dan kapasitor. Beberapa contoh beban linear adalah lampu pijar, pemanas, resistor, dan lain-lain. Gambar 2.1 berikut adalah contoh bentuk gelombang arus dan tegangan dengan beban linear [3].

Tegangan

Arus

(32)

8

2.2 Beban Non Linear

Beban non linear adalah beban yang impedansinya tidak konstan dalam setiap periode tegangan masukan. Dengan impedansinya yang tidak konstan, maka arus yang dihasilkan tidaklah berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan, sehingga beban non linear tidaklah mematuhi Hukum Ohm yang menyatakan arus berbanding lurus dengan tegangan [3].

Gelombang arus yang dihasilkan oleh beban nonlinear tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan sehingga terjadi cacat (distorsi). Dengan meluasnya pemakaian beban non linear, gelombang sinusoidal ini dapat mengalami distorsi.

Gambar 2.2 berikut ini adalah beberapa contoh beban non linear untuk keperluan rumah tangga maupun industri [4].

Beban Non Linier

(33)

9 Gambar 2.3 berikut adalah contoh bentuk gelombang tegangan dan arus dengan beban non linear.

Gambar 2.3 : Gelombang tegangan dan arus beban non linear

Kecendrungan penggunaan beban-beban elektronika dalam jumlah besar akan menimbulkan masalah yang tidak terelakkan sebelumnya. Berbeda dengan beban-beban listrik yang menarik arus sinusoidal (sebentuk dengan tegangan yang mensuplainya), beban-beban elektronik menarik arus dengan bentuk non sinusoidal walaupun disupalai oleh tegangan sinusoidal. Beban yang memiliki sifat ini disebut sebagai beban non linear [5].

(34)

10

2.3 Harmonisa

Harmonisa adalah suatu gelombang sinusoidal tegangan atau arus yang berfrekuensi tinggi dimana frekuensinya merupakan kelipatan diluar bilangan satu terhadap frekuensi fundamental (frekuensi 50 Hz atau 60 Hz). Nilai frekuensi dari gelombang harmonisa yang terbentuk merupakan hasil kali antara frekuensi fundamental dengan bilangan harmonisanya (f, 2f, 3f, dst). Bentuk gelombang yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari gelombang fundamental dan gelombang harmonisa (h1, h2, dan seterusnya) pada frekuensi kelipatannya. Makin banyak

gelombang harmonisa yang diikutsertakan pada gelombang fundamentalnya, maka gelombang akan semakin mendekati gelombang persegi atau gelombang akan berbentuk non sinusoidal. Jika frekuensi fundamental suatu sistem tenaga listrik adalah f0 (50 Hz atau 60 Hz) maka frekuensi harmonisa orde ke-n adalah : n. f0

Harmonisa yang mendistorsi gelombang sinus fundamental dapat terdiri dari beberapa komponen harmonisa, yaitu misalnya harmonisa ke-1, ke-2, ke-3, dan seterusnya. Harmonisa ke-3 artinya harmonisa yang mempunyai frekuensi tiga kali dari frekuensi fundamentalnya. Jadi, bila frekuensi fundamental 50 Hz, maka harmonisa ke-3 mempunyai frekuensi 150 Hz atau dapat dituliskan dengan persamaan [3]:

fn = n x f0 ...(2.1)

(35)

11 Gelombang harmonisa tersebut menumpang pada gelombang fundamental sehingga berbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang fundamental sesaat dengan gelombang harmonisa.

Gelombang tegangan fundamental mempunyai frekuensi f

0, harmonisa ke-dua

mempunyai frekuensi 2f

0, harmonisa ke-tiga mempunyai frekuensi 3f0 dan harmonisa

ke-h mempunyai frekuensi hf

0. Pada Gambar 2.4 di bawah ini dapat dilihat bentuk

gelombang tegangan fundamental dan harmonisa ke-3 [6].

(36)

12 Jika gelombang tegangan fundamental dijumlahkan dengan harmonisa ke-3 akan diperoleh bentuk gelombang tegangan yang non sinusoidal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 di bawah ini.

Gambar 2.5 : Gelombang tegangan fundamental, harmonisa ke-3, dan hasil penjumlahannya

2.4 Distorsi Harmonisa

(37)

13 Dalam pengukuran harmonisa ada beberapa petunjuk penting yang harus dipahami, yaitu Individual Harmonic Distortion (IHD) dan Total Harmonic Distortion (THD).

Individual harmonic distortion (IHD) adalah perbandingan antara nilai rms dari individual harmonisa terhadap nilai rms fundamentalnya [6]. IHD ini berlaku untuk tegangan dan arus.

……….…..………...(2.2)

Misalnya, asumsikan bahwa nilai rms harmonisa ketiganya pada beban nonlinear adalah 20 A, nilai harmonisa kelimanya adalah 10 A dan nilai fundamentalnya adalah 60 A, maka nilai distorsi arus individual pada harmonisa ketiga adalah:

%

Dan nilai distorsi arus individual pada harmonisa kelima adalah

%

perhitungan harmonisa ini dikenal sebagai distorsi harmonisa yang berdasarkan pada nilai fundamentalnya. Perhitungan ini digunakan oleh Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).

(38)

14 contoh, jika arus non linear mempunyai komponen fundamental I1 dan komponen

harmonisanya I2, I3, I4, I5, I6, I7, ..., maka nilai rms harmonisanya adalah:

……...…... (2.3)

Dengan demikian Total Harmonic Distortion (THD) dapat dinyatakan seperti persamaan (2.3) [6]:

... (2.4)

Atau besar THD dapat juga dinyatakan dengan persamaan (2.4) :

%

THD = Total Harmonic Distortion (%)

Xn = Nilai RMS dari arus atau tegangan harmonisa ke-n

X1 = Nilai RMS dari arus atau tegangan pada frekuensi dasar (fundamental)

(39)

15 tegangan (THDv). Distorsi harmonisa arus terjadi akibat dari pemakaian beban yang tidak linear (non linear) pada pengguna tenaga listrik. Sedangkan distorsi harmonisa tegangan terjadi karena adanya harmonisa arus yang melewati impedansi di sisi beban, seperti Gambar 2.6 berikut:

A

VA Pembangkit

Vs

Impedansi Saluran (Z)

Beban Linier

Beban Non linier

I

Gambar 2.6 : Harmonisa arus mengalir melalui impedansi sistem

Persamaan untuk menentukan THD tegangan dan THD arus adalah [3] :

THDV =

…...……...…....…….. (2.6)

THDI =

…....……...………..….. (2.7)

Dimana;

(40)

16 V1 ; I1 = komponen fundamental

THD = Total Harmonic Distortion n = orde harmonisa

Total Harmonic Distortion (THD) yang juga dikenal sebagai Harmonic Distortion Factor adalah indeks untuk mengukur level distorsi harmonisa.

2.5 Standar Distorsi Harmonisa

Standar harmonisa yang digunakan pada penelitian ini adalah standar dari IEEE 519-1992. Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa yaitu batas harmonisa untuk arus (THDI) dan batas harmonisa untuk tegangan

(THDV). Batas untuk harmonisa arus ditentukan oleh perbandingan . ISC adalah

arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of Common Coupling = titik sambung bersama), sedangkan IL adalah arus beban fundamental. Batas distorsi arus yang

diakibatkan harmonisa yang diijinkan oleh IEEE 519-1992 ditunjukkan pada Tabel 2.1 berikut ini.

Tabel 2.1 : Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992 [7]

ISC/IL n<11 11 n<17 17 n<23 23 n<35 n 35 THD

<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%

(41)

17

>1000 15.0% 7.0% 6.0% 2.5% 1.4% 20.0%

Untuk batas harmonisa tegangan ditentukan dari besarnya tegangan sistem yang terpasang atau dipakai. Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa yang diijinkan oleh IEEE 519-1992 ditunjukkan pada Tabel 2.2 berikut ini.

Tabel 2.2 : Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992 [7]

Tegangan Bus Pada PCC Individual Harmonik THD

69 kV dan dibawah 3.0% 5.0%

69.001 kV-161 kV 1.5% 2.5%

Diatas 161 kV 1.0% 1.5%

2.6 Pengaruh Harmonisa Dalam Sistem Tenaga Listrik

Ada beberapa akibat yang ditimbulkan oleh adanya harmonisa dalam sistem tenaga listrik, antara lain adalah:

1. Dengan adanya harmonisa akan meningkatkan nilai efektif (RMS) arus listrik, sehingga rugi-rugi tembaga (I2R) juga semakin meningkat.

2. Dengan adanya harmonisa yang berfrekuensi lebih tinggi, akan meningkatkan rugi-rugi inti (histeresis dan arus pusar) pada mesin-mesin listrik (misalnya transformator).

(42)

18 4. Dengan meningkatnya rugi-rugi pada poin pertama sampai dengan poin ketiga di atas, suhu kerja peralatan juga semakin tinggi dan pada akhirnya akan mengurangi umur peralatan. Selain itu, meningkatnya rugi-rugi akan menurunkan efisiensi peralatan.

5. Tegangan efektif yang meningkat akibat adanya harmonisa ini juga akan meningkatkan kuat medan listrik yang dipikul oleh isolasi peralatan.

6. Menimbulkan panas yang berlebih pada isolasi kapasitor.

7. Dengan adanya harmonisa, efek kulit (skin effect) akan meningkat pada kabel sehingga menaikkan resistansi AC (Rac) yang dapat meningkatkan rugi-rugi.

8. Alat proteksi tidak bekerja secara tepat. Sekring dapat bekerja pada arus di bawah nominalnya, relai bisa bekerja pada selang waktu yang lebih cepat ataupun lebih lambat dibanding dengan waktu yang diharapkan ketika bekerja pada frekuensi fundamental. Oleh karena itu, dalam merencanakan alat proteksi, faktor harmonisa harus juga diperhitungkan.

9. Menimbulkan kesalahan pengukuran pada alat ukur.

10.Menimbulkan interfrensi pada saluran komunikasi radio, telepon, PLC (Power Line Carrier) melalui kopling induktif.

(43)

19 Pada Tabel 2.3 dapat dilihat dampak harmonisa pada berbagai peralatan sistem tenaga listrik.

Tabel 2.3 : Dampak harmonisa pada berbagai peralatan sistem tenaga listrik [8]

Peralatan Dampak Harmonisa Hasil

Konduktor  Peningkatan daya nyata yang diserap oleh konduktor

 Rugi-rugi jaringan Meningkat

Kapasitor  Penyusutan impedansi kapasitor dengan meningkatnya frekuensi

 Reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif sehingga terjadi resonansi

Transformator  Harmonisa tegangan menyebabkan tegangan transformator meningkat dan penekanan pada isolasi

 Pemanasan pada Relay  Penambahan komponen torsi

 Karakteristik waktu tunda relay berubah

 Kesalahan pembacaan

 Kesalahan trip dari Relay

Mesin Berputar  Peningkatan rugi-rugi

 Harmonisa tegangan

(44)

20 Alat Ukur

Elektromekanik

 Harmonisa menghasilkan penambahan torsi pada piringan yang dapat menyebabkan operasi tidak sesuai karena peralatan dikalibrasi pada frekuensi dasarnya

 Kesalahan pembacaan

Jaringan

Telekomunikasi

 harmonisa arus dan tegangan dapat menghasilkan kopling induktif yang akan merusak

Karakteristik harmonisa dapat direpresentasikan dengan deret Fourier. Bentuk gelombang : f (t) = f (t + T) yang dapat dinyatakan oleh sebuah deret Fourier bila memenuhi persyaratan :

 Bila gelombang discontinue, hanya terdapat jumlah diskontinuitas yang

terbatas dalam periode T.

 Gelombang memiliki nilai rata-rata yang terbatas dalam periode T.

 Gelombang memiliki jumlah maksimum dan minimum yang terbatas dalam

periode T.

Bila syarat-syarat tersebut dipenuhi, deret Fourier dapat dinyatakan dalam bentuk:

(45)

21 Deret Fourier dapat diaplikasikan untuk persamaan tegangan dan arus harmonisa sebagai berikut [9].

... (2.9)

... (2.10)

Bagian DC (V0 dan I0) biasanya diabaikan untuk menyederhanakan

perhitungan, sedangkan Vn dan In adalah nilai RMS untuk harmonisa orde ke-n pada

masing-masing tegangan dan arus.

2.8 Nilai RMS (Root Mean Square)

(46)

22

2.8.1 Defenisi

Nilai RMS dari seperangkat nilai (fungsi kontinu) akar kuadrat dan aritmatika mean (rata-rata) dari kuadrat nilai asli (atau kuadrat dari fungsi yang mendefenisikan bentuk gelombang kontinu).

Apabila ada beberapa nilai sebanyak n {x1, x2, x3….., xn} nilai RMS nya adalah:

………...…...…. (2.11)

Persamaan/rumus yang sesuai untuk fungsi kontinu f(t) pada interval T1≤ t ≤ T2

adalah:

….…………...……… (2.12)

dan harga RMS yang mencakup seluruh jangkauan waktu adalah:

….………...…… (2.13)

(47)

23 Tabel 2.4 : Nilai RMS pada berbagai fungsi umum [11].

Bentuk Gelombang Persamaan Gelombang Nilai RMS

Sinus

a = amplitude (nilai puncak)

c%d adalah remainder after floored division

2.8.2 Nilai RMS Pada Suatu Bentuk Gelombang Tegangan Dan Arus Sinusoidal

Nilai RMS dalam satu periode bentuk gelombang sinusoidal murni dengan periode T didefenisikan:

v(t) = Vm sin ωt ...(2.14)

Nilai RMS tegangan, (VRMS):

(48)

24 Dengan memasukkan persamaan (2.14) ke dalam persamaan (2.15), maka nilai RMS tegangan

………...…. ( 2.1

Dengan cara yang sama diperoleh nilai RMS untuk arus

i(t) = Imsin ωt………..…. ( 2.1

Nilai RMS arus :

Sehingga didapat

………...………. ( 2.1

Dimana, Vm dan Im harga maksimum dari gelombang sinusoidal.

2.8.3 Nilai RMS pada Suatu Bentuk Tegangan Dan Arus Harmonisa

Nilai RMS dalam satu periode bentuk gelombang v(t) dengan periode T, didefenisikan sebagai:

………...…. ( 2.1

(49)

25 Nilai RMS dapat juga diekspresikan dalam bentuk komponen Fourier dengan memasukkan persamaan (2.9) ke persamaan (2.19), maka nilai RMS tegangan [9]:





Dengan demikian, keberadaan harmonisa pada bentuk gelombang selalu meningkatkan nilai RMS nya sehingga meningkatkan kerugian dalam (I2RMSR) [10].

2.8.4 Daya Listrik Rata-rata

Para insinyur sering perlu untuk mengetahui daya (P) yang didisipasikan oleh tahanan listrik (R). Perhitungan ini mudah dilakukan apabila arus yang mengalir adalah konstan (I) melalui tahanan (R), maka daya didefenisikan hanya sebagai

(50)

26 bentuk gelombang atau dengan kata lain, menghitung rata-rata kuadrat arus ini (karena R adalah konstan setiap waktu), yaitu:

, tanda dikurung kurawal menyatakan

sebuah fungsi Atau

, R nilainya konstan

Nilai rata-rata dari kuadrat sebuah fungsi adalah nilai RMS Jadi,

{I (t)} = IRMS

Sehingga,

Pavg = (IRMS)2. R ……….….………...…. (2.23)

IRMS adalah konstan pada harga daya rata-rata yang sama.

Langkah diatas dapat juga diterapkan untuk semua gelombang periodik seperti gelombang sinusoidal atau gigi gergaji yang memungkinkan kita untuk menghitung daya rata-rata dikirim ke beban tertentu.

Dengan mengambil akar kuadrat dari kedua persamaan terakhir diatas dan dikalikan satu sama lain akan menghasilkan persamaan (2.24):

Pavg = VRMS . IRMS……….….…………...……..…. (2.24)

(51)

27

2.9 Metode Pengukuran Arus

2.9.1 Alat Ukur Pembacaan Rata-rata Dikalibrasi ke RMS

Nilai RMS dari suatu arus bolak-balik didefenisikan sebagai nilai yang sepadan dengan arus searah yang mana akan dapat memproduksi sejumlah panas yang sama terhadap suatu beban resistif yang ditetapkan. Jumlah panas yang diproduksi dalam tahanan oleh arus bolak-balik adalah sepadan dengan kuadrat rata-rata arus yang meliputi satu siklus penuh gelombang.

Dengan alasan inilah harga efektif disebut Root Mean Square (RMS). Ini merupakan akar pangkat dua dari rata-rata harga sesaat. Dengan mengkuadratkan besarnya harga sesaat kemudian merata-ratakannya dan mengambil akar dari harga rata-rata ini, dapat ditentukan harga efektifnya setiap gelombang bolak-balik seperti gelombang sinusoidal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut:

90

0 180

1 2

270 360

- 1

- 2

Nilai Puncak = 1.414

Nilai True RMS = Rata-rata Pengukuran RMS = 1.0

Form Factor = 1.11

(52)

28 Untuk gelombang tegangan sinusoidal murni, nilai RMS nya adalah

= 0,707

kali nilai maksimum atau nilai maksimum adalah nilai RMS atau 1,414 kali nilai

RMS. Nilai rata-rata adalah = 0,636 kali nilai maksimum atau 0,9 kali nilai

RMS. Jadi, untuk gelombang sinusoidal murni berlaku faktor sebagai berikut:

Peak Factor (faktor maksimum / puncak) =

= 1,414

Form Factor (faktor bentuk) =

- = 1,111

Harga maksimum atau puncak (peak value) dari suatu gelombang sinusoidal adalah harga simpangan maksimum yang dihitung dari harga nol gelombang tersebut. Harga rata-rata dari suatu fungsi tersebut untuk selang waktu satu periode, jadi apabila y adalah suatu fungsi t, maka harga rata-ratanya adalah:

Yrata-rata = Yavg = ……….….……...………..…. (2.25)

Dimana : Yrata-rata = Harga rata-rata dan y(t) untuk satu gelombang penuh

T = Periode

(53)

29 Metode pengukuran dengan metode seperti ini dipergunakan hampir pada semua jenis alat ukur analog (dimana nilai rata-ratanya bervariasi dengan energi enersia dan redaman dari kumparan gerak) dan pada semua alat ukur tua dan hampir semua jenis digital multimeter. Teknologi jenis ini disebut sebagai pengukuran dengan pembacaan rata-rata dikalibrasi ke nilai RMS.

Kelemahan teknologi pengukuran ini adalah hanya bekerja dengan baik pada bentuk gelombang sinusoidal murni. Pada gelombang berbentuk sinusoidal seperti Gambar 2.8 teknologi jenis ini akan mengalami kesalahan yang signifikan.

Bila arus dalam bentuk gelombang seperti pada Gambar 2.8 diukur dengan ampermeter yang menggunakan metode dengan pembacaan rata-rata dikalibrasi ke nilai RMS, maka nilai RMS akan terbaca 0,61 ampere, berbeda dengan nilai sebenarnya 1 amper, hal ini berarti pembacaan mengalami kesalahan hampir 40 % lebih rendah [1].

(54)

30

2.9.2 Alat Ukur True RMS

True RMS meter bekerja dengan cara mengambil kuadrat nilai instantaneous arus masukan, rata-rata waktu dan menampilkan akar kuadrat dari nilai rata-rata. Alat ukur dengan metode ini dapat digunakan dengan hasil sempurna dalam semua bentuk gelombang yang menjadi keterbatasan alat ini dan perlu diperhitungkan adalah frekuensi respon dan crest factor atau faktor puncak. True RMS Meter sebenarnya sudah ada sejak lebih dari 30 tahun yang lalu, tetapi alat ukur jenis ini hanya digunakan pada hal-hal yang bersifat khusus dan lagipula merupakan peralatan ukur yang mahal.

Dengan telah berkembangnya peralatan elektronik, dewasa ini telah dapat dihasilkan peralatan ukur true RMS yang mempunyai kemampuan dan dapat dibuat dalam bentuk multimeter, hanya saja harganya masih cukup mahal dibanding dengan alat ukur RMS.

(55)

31 Tabel 2.5Perbandingan pembacaan alat ukur RMS dengan alat ukur

True RMS [1]

2.9.3 Kesalahan Pemakaian Alat Ukur

Kesalahan dalam mengukur nilai arus yang mengalir pada instalasi listrik, misalnya bangunan komersial dan industri menyebabkan timbulnya permasalahan dalam perencanaan sistem kelistrikan.

(56)

32 rata-rata yang mengukur gelombang sinusoidal saja, sehingga kabel menjadi lebih panas dari yang diharapkan, hasilnya adalah degradasi isolasi, kegagalan premature dan resiko kebakaran.

Begitu juga dengan busbar, kesalahan mengukur nilai RMS akan menyebabkan suhu berjalan lebih tinggi, sehingga suhu kerja busbar lebih tinggi dari yang direncanakan.

Sekering dan unsur termal pemutus arus yang karakteristiknya terkait dengan pembuangan panas, akan beroperasi lebih cepat sehingga menyebabkan hilangnya data dalam komputer, gangguan pada proses komputer, dan lain-lain.

Untuk menghindari hal-hal tersebut diatas maka arus yang mengalir dalam instalasi listrik harus diukur dengan benar.

True RMS instrument adalah alat ukur yang akan memberikan hasil pengukuran yang benar. Dengan perkataan lain, pengukuran RMS sangat penting dalam instalasi dimana terdapat sejumlah besar beban non linear (PC, electronic balasts, Compact Fluorescent Lamps, dan lain-lain) pengukuran dengan meter membaca rata-rata (RMS instrument) akan memberikan hasil di bawah nilai pengukuran yang sebenarnya, sehingga sering terjadi pemutusan rangkaian dengan resiko kegagalan.

(57)

33 umumnya bersifat non linear (true RMS instrument harganya masih mahal, umumnya omputer-industri, laboratorium-laboratorium hanya mempunyai RMS instrument.

2.9.4 Beberapa Bentuk Gelombang Tegangan Dan Arus Beban Non Linear

 Lampu Hemat Energi

Gambar 2.9 (a) : Gelombang tegangan dan arus beban lampu hemat energi

(58)

34 Dari Gambar 2.9.(a) dan (b) terlihat bahwa pada lampu hemat energi gelombang tegangan dalam bentuk sinus, sedangkan gelombang arus merupakan gelombang yang terdistorsi arus harmonisa.

 Komputer

Gambar 2.10 (a) : Gelombang tegangan dan arus beban komputer

(59)

35 Dari Gambar 2.10 (b) di atas dapat diketahui bahwa beban komputer menghasilkan harmonisa arus dengan THD yang besar.

 AC (Air Conditioner)

Gambar 2.11 (a) : Gelombang tegangan dan arus beban Air Conditioner (AC)

(60)

36

 Televisi

Gambar 2.12 (a) : Gelombang tegangan dan arus beban televisi

(61)

37

 Lampu pijar

Gambar 2.13 (a) : Gelombang tegangan dan arus beban lampu pijar

Gambar 2.13 (b) : Spektrum distorsi harmonisa arus pada lampu pijar

(62)

38 pada Gambar 2.13 (b) bahwa tidak adanya arus harmonisa pada orde kedua, ketiga dan seterusnya dan THD arus kecil sekali yaitu 2%.

2.10 Prinsip Kerja kWh Meter Induksi Satu Fasa

(63)

39 dari dua buah terminal masukan dari jala – jala listrik PLN dan dua terminal lainnya merupakan terminal keluaran yang akan menyuplai tenaga listrik ke rumah. Dua terminal masukan di hubungkan ke kumparan tegangan secara paralel dan antara terminal masukan dan keluaran di hubungkan ke kumparan arus secara seri, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14 berikut [12].

Gambar 2.14 Prinsip suatu meter penunjuk energi listrik arus bolak-balik ( jenis induksi) [12].

Keterangan :

(64)

40 Wc = Kumparan arus

D = Kepingan roda Aluminium J = Roda-roda pencatat ( register )

(65)

41

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Pengukuran Listrik Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

3.2 Teknik Penelitian

Adapun teknik/metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen yaitu dengan melakukan pengujian dan pengukuran besarnya arus, yang mengalir pada beberapa beban non linear seperti : lampu hemat energi, komputer, AC, TV, lampu pijar (beban linear) dengan menggunakan alat ukur True RMS (Power System Multimeter) dan alat ukur RMS, kemudian menentukan suatu faktor perbandingan antara arus yang mengalir sebenarnya/true RMS (Power System Multimeter) dengan arus yang terbaca pada alat ukur RMS, dimana pengukuran ini akan dilakukan sebanyak tiga kali untuk beban yang sama pada waktu yang berbeda.

Faktor ini nantinya dapat dipergunakan sebagai faktor pengali apabila kita melakukan pengukuran dengan mempergunakan alat ukur RMS/Analog (yang umum dipergunakan). Pengukuran dilakukan untuk beberapa jenis beban non linear yang sama.

(66)

42 dan spektrum distorsi harmonisa arus (THD arus) dari beban-beban tersebut. Beban non linear yang akan diukur adalah beban-beban yang umum dipergunakan dalam kehidupan sehari-hari di masyarakat.

3.3 Metode Pengukuran

Untuk mendapatkan data pengaruh harmonisa terhadap kesalahan pembacaan alat ukur analog/rms diperlukan pengujian yang bersifat pengukuran langsung di laboratorium, yaitu dengan melakukan pengukuran terhadap beban-beban nonlinear pada berbagai THD arus. Arus harmonisa diperoleh dengan cara membebani rangkaian dengan beban-beban yang umumnya banyak digunakan oleh masyarakat pengguna listrik seperti : lampu hemat energi, komputer/laptop, lampu pijar/strika listrik, dan kombinasi lampu pijar dan lampu hemat energi.

3.4 Alat Pengukuran dan Beban

Untuk melakukan pengukuran, alat ukur dan beban yang dipergunakan adalah sebagai berikut:

1. Power System Multimeter………....… 1 buah 2. kWh meter ……… 1 Buah 3. Yokogawa 2533 Digital Power Meter ……… 1 Buah 4. Autotrafo ………..….. 1 Buah

5. Stopwatch ………...….. 1 Buah

(67)

43 7. Lampu pijar masing-masing 25 w... 5 buah

8. Lampu XL masing-masing 26 w ... 5 buah 9. Laptop ………...…….. 1 buah 10.Kamera/Photo ………...………... 1 buah

3.5 Spesifikasi Peralatan

 Fluke 434 / 435 Power Quality Analizer

Model 435,230 V,50 Hz/60 Hz,L – N Udin Serial Number : DM 9561108

Class A

Voltage input accuracy :

48V – 600V : 0,1%Vnom 600V – 1000V : 0,1% of reading Ampere input accuracy :

For 9m) V/A output clams : ±(0,5% of reading + 5 counts) Made in Holland

U.S Patents, 5, 8834, 973 AND OR D 410, 204

 PORTABLE THREE PHASE

Standard meter SM 3050 10/100A

(68)

44 Frequency : 50 Hz

Serial Number : 04B477301

Battery Life : 80 hours typical (alkalin) Battery Type : NEDA 160A,9V or 6LF22 9V ACTARIS METERING SYSTEM

 TRUE RMS

Digital Power Meter Model 170

Max Vout to Ground : 600 V RMS Max Current : 700 A RMS Finest

Maximum Conductore Size : Ø 51 mm(2,00” Maximum Conductore Voltage : 600 V RMS

 DIGITAL AC CLAMP METER

Kew Snap Series Model 2007 A

Kyoritsu Electrical Instrument Works Ltd

 Power System Multimeter

Model 928A, 660 V, 1.2 A, 50Hz/60Hz

(69)

45

3.6 Rangkaian Pengujian

Gambar 3.1.(a) di bawah ini menunjukkan rangkaian pengujian pada saat pengukuran. Gambar 3.1.(b), dan (c) adalah keadaan diwaktu pengukuran berlangsung.

L O A D kWh

220 Volt 50 Hz

PSM

CHANNEL A CHANNEL B

Gambar 3.1.(a) Rangkaian pengujian

(70)

46 (c)

Gambar 3.1.(b), (c) keadaan diwaktu pengukuran berlangsung

3.7 Prosedur Pengujian

(71)

47 diperlukan untuk mendapatkan putaran yang ditentukan. Percobaan ini dilakukan dengan prosedur sebagai berikut:

a) Rangkaian pengujian disusun seperti gambar 4.1.a.

b) Beban dipasang berupa lampu hemat energi (XL), laptop, dan kombinasi LHE dan lampu pijar.

c) Autotrafo diatur sehingga kelurannya sebagai catu tegangan 220 Volt.

d) Power System Multimeter di-On-kan sehingga dapat diukur besar tegangan (V), arus (I), cos φ, daya aktif (W), dan harmonisa.

e) kWh meter diamati putarannya dan dicatat waktu yang diperlukan untuk mendapatkan 3 putaran.

f) Prosedur yang sama dilakukan dengan mengubah-ubah beban berupa lampu pijar, lampu XL, laptop, dan kombinasinya.

g) Percobaan selesai.

3.8 Pengumpulan Data

1. Data-data diperoleh dari hasil pengukuran yang dilakukan di laboratorium dengan metode eksperimen, dimana pengukuran dilakukan berulang-ulang sebanyak tiga kali untuk beban yang sama pada waktu yang berbeda. Hasil yang akan diperoleh adalah:

 Bentuk gelombang tegangan dan arus beberapa beban non linear.

(72)

48

 Terhadap arus dan tegangan.

 Nilai arus dari hasil pengukuran dengan true RMS dengan RMS untuk

beban yang sama.

 Menghitung/menganalisa hasil pengukuran untuk mendapatkan IHDI,

IHDV, THDI, THDV, dan kemudian dihitung arus dan tegangan

harmonisa.

 Menetapkan faktor pengali untuk pengukuran arus terdistorsi dengan

menggunakan alat ukur RMS.

 Pengaruh harmonisa pada kWh meter induksi satu fasa.

2. Hasil pengukuran dibuat dalam bentuk tabel dan grafik (dengan program Excel), dimana hasil ini kita peroleh dari analisa data yang diperoleh dengan perhitungan dan program Matlab.

3. Beban yang dipergunakan, direncanakan

 Lampu hemat energi.

 Komputer.

 Air Conditioner.

 Televisi.

 Lampu pijar / Setrika Listrik.

(73)

49

3.9 Diagram Block Penelitian / Diagram Alir Tahapan Penelitian

MULAI

PERSIAPAN (ALAT UKUR, KALIBRASI, RANGKAIAN PENGUKURAN, BEBAN

LINEAR DAN NON LINEAR)

MENGHITUNG IHD DAN THD ARUS DAN TEGANGAN MASING-MASING BEBAN LINEAR

DAN NONLINEAR

MEMBANDINGKAN HASIL PERHITUNGAN/PENGUKURAN

MASING-MASING BEBAN

MELAKUKAN PENGUKURAN DENGAN ALAT UKUR POWER QUALITY ANALYZER/POWER SYSTEM MULTIMETER/ALAT UKUR RMS/ALAT UKUR TRUE RMS UNTUK MASING-MASING

BEBAN LINEAR DAN NON LINEAR

MENGHITUNG BESAR ARUS HARMONISA MASING-MASING BEBAN SIMPAN DAN CATAT HASIL PENGUKURAN (GELOMBANG TEGANGAN DAN ARUS, SPEKTRUM,

KOMPONEN HARMONISA ARUS DAN TEGANGAN)

MENETAPKAN FAKTOR PENGALI DARI HASIL PENGUKURAN UNTUK MASING-MASING BEBAN

(74)

50

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Pengukuran Besaran Listrik, diperoleh data pengujian beban linear, nonlinear, dan kombinasi antara beban linear dan nonlinear.

4.1.1 Pengujian Beban Linear, Nonlinear dan Kombinasinya

Pada pengujian ini, peneliti menyediakan beban seperti lampu XL, pijar, Laptop, dan kombinasinya. Tabel 4.1.a menunjukkan hasil pengujian pada percobaan 1, Tabel 4.1.b menunjukkan hasil pengujian pada percobaan 2, dan Tabel 4.1.c menunjukkan hasil pengujian pada percobaan 3 untuk beban yang sama.

Tabel 4.1.a: Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya pada percobaan 1

Beban V

(Volt) I (A) P (W)

Cos

φ

5 XL 209.29 0.878 113.75 0.887 4 XL dan 1

Pijar 208.901 0.75 110.195 0.932 3 XL dan 2

(75)

51

(76)

52 Tabel 4.1.c: Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya pada

percobaan 3

4.1.1.1 Pengujian Pada Beban 5 XL

Tabel 4.2.a, b, dan c di bawah ini menunjukkan besar kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL.

(77)

53

(78)

54 Tabel 4.2.c: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL pada

percobaan 3

Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan Tabel 4.2.d: Hasil analisa perhitungan beban 5 XL semua percobaan

Beban 5 XL Arus

Percobaan 1 0.571 0.611537 1.171573 107.099

Percobaan 2 0.573 0.619327 1.192327 108.085

(79)

55 Gambar 4.1.(a) di bawah ini menunjukkan gelombang arus dan tegangan keluaran beban 5 XL, sedangkan Gambar 4.1.(b), dan 4.1.(c) adalah spektrum gelombang keluaran beban 5 XL.

Gambar 4.1.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 XL

(b) (c)

Gambar 4.1.(b) dan (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 XL

Dari Gambar 4.1.(a) terlihat bahwa gelombang tegangan masih dalam bentuk sinusoidal sedangkan gelombang arus merupakan gelombang terdistorsi oleh

(80)

56 harmonisa, dan pada Gambar 4.1.(b) arus harmonisa yang terbesar terjadi pada orde ketiga. THDI adalah 106.8%.

4.1.1.2 Pengujian Pada Beban 4 XL dan 1 Pijar

Tabel 4.3.a, b, dan c di bawah ini menunjukkan besar kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1 Pijar untuk tiap-tiap percobaan.

Tabel 4.3.a: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1 Pijar pada percobaan 1

Orde

h Vh (volt) IHDV (%) Ih

(Amp) IHDI (%)

1 209.382 0.549

3 1.508 0.72021 0.355 64.663 5 4.052 1.93522 0.237 43.1694 7 0.213 0.10173 0.137 24.9545 9 0.207 0.09886 0.092 16.7577 11 0.432 0.20632 0.087 15.847 13 0.401 0.19152 0.067 12.204 15 0.072 0.03439 0.038 6.92168 17 0.108 0.05158 0.026 4.73588 19 0.124 0.05922 0.025 4.55373 21 0.29 0.1385 0.017 3.09654

THDv

(%) = 2.095157

THDi

(81)

57 Tabel 4.3.b: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan

1 Pijar pada percobaan 2

Orde

Tabel 4.3.c: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1 Pijar pada percobaan 3

(82)

58

Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan Tabel 4.3.d: Hasil analisa perhitungan beban 4 Xl dan 1 Pijar semua percobaan Beban 4 XL

Percobaan 1 0.549 0.473834 1.022834 86.30863

Percobaan 2 0.549 0.489946 1.038946 89.24334

Percobaan 3 0.572 0.500184 1.072184 87.44475

Rata-rata 0.556667 0.487988 1.044655 87.66

(83)

59 Gambar 4.2.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 4 XL dan 1 Pijar

(b) (c)

Gambar 4.2.(b) dan (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 4 XL dan 1 Pijar

Pada Gambar 4.2.(a), dan 4.2.(b) terlihat bahwa gelombang tegangan masih bentuk sinusoidal, sedangkan gelombang arus masih terdistorsi oleh harmonisa akan tetapi sudah mulai berkurang jika dibandingkan dengan Gambar 4.1.(a), dan arus harmonisa terbesar terjadi pada orde ketiga. THDI adalah 87.66%.

(84)

60

Orde

Tabel 4.4.b: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3 XL dan 2 Pijar pada percobaan 2

(85)

61

(86)

62 Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan

Tabel 4.4.d: Hasil analisa perhitungan beban 3 XL dan 2 Pijar semua percobaan Beban 3 XL

dan 2 Pijar

Arus Fundamental

(A)

Arus Harmonisa

(A)

Arus sebenarnya

(A)

THD Arus (%)

Percobaan 1 0.556 0.380339 0.936339 68.40635

Percobaan 2 0.552 0.375883 0.927883 68.09474

Percobaan 3 0.564 0.370299 0.934299 65.65577

Rata-rata 0.557333 0.375507 0.93284 67.38

Gambar 4.3.(a) di bawah ini menunjukkan gelombang keluaran beban 3 XL dan 2 Pijar, sementara Gambar 4.3.(b) dan (c) adalah spektrum gelombang keluarannya.

(87)

63

(b) (c)

Dari Gambar 4.3.(a), dan 4.3.(b) terlihat bahwa gelombang tegangan masih dalam bentuk sinusoidal, sedangkan gelombang arus merupakan gelombang terdistorsi arus harmonisa, dimana arus harmonisa terbesar terjadi pada orde ketiga. Gelombang arus lebih baik jika dibandingkan dari Gambar 4.1.(a), dan 4.2.(a). THDI

adalah 67.38%.

(88)

64

(89)

65 Tabel 4.5.c: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 XL dan

3 Pijar pada percobaan 3

Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan Tabel 4.5.d: Hasil analisa perhitungan beban 2 Xl dan 3 Pijar semua percobaan Beban 2 XL

Percobaan 1 0.563 0.25467 0.81767 45.23452

Percobaan 2 0.563 0.249944 0.812944 44.39503

Percobaan 3 0.57 0.252256 0.822256 44.25541

(90)

66 Gambar 4.4.(a) di bawah ini menunjukkan gelombang keluaran beban 2 XL dan 3 Pijar, sementara Gambar 4.4.(b) dan (c) adalah spektrum gelombang keluarannya.

Gambar 4.4.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 2 XL dan 3 Pijar

(b) (c)

Dari Gambar 4.4.a dan 4.4.b terlihat bahwa arus harmonisa terbesar tetap tejadi pada harmonisa orde ketiga dan THDI adalah 44.62%. Gelombang tegangan

(91)

67

Orde

(92)

68

Tabel 4.6.c: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 1 XL dan 4 Pijar pada percobaan 3

(93)

69 Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan

Tabel 4.6.d: Hasil analisa perhitungan beban 1 Xl dan 4 Pijar semua percobaan Beban 1 XL

dan 4 Pijar

Arus Fundamental

(A)

Arus Harmonisa

(A)

Arus sebenarnya

(A)

THD Arus (%)

Percobaan 1 0.576 0.131662 0.707662 22.85806

Percobaan 2 0.574 0.132872 0.706872 23.14845

Percobaan 3 0.577 0.133596 0.710596 23.15362

Rata-rata 0.575667 0.13271 0.708377 23.05

Gambar 4.5.(a) di bawah ini menunjukkan gelombang keluaran beban 1 XL dan 4 Pijar, sementara Gambar 4.5.(b) dan (c) adalah spektrum gelombang keluarannya.

(94)

70

(b) (c)

Dari Gambar 4.5.(a), dan 4.5.(b) terlihat THDI adalah 23.65% arus harmonisa

terbesar terjadi pada harmonisa orde ketiga. Gelombang dalam bentuk sinusoidal, sedangkan gelombang arus masih terdistorsi arus harmonisa akan tetapi sudah mulai lebih baik jika dibandingkan dengan beban sebelumnya.

4.1.1.6 Pengujian Pada Beban 5 Pijar

Tabel 4.7.a, b, dan c di bawah ini menunjukkan besar kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar untuk tiap-tiap percobaan.

(95)

71

(96)

72 Tabel 4.7.c: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar pada

percobaan 3

Dari tabel di atas kita mendapatkan hasil sebagai berikut untuk semua percobaan Tabel 4.7.d: Hasil analisa perhitungan beban 5 Pijar semua percobaan Beban 5 Pijar Arus

Percobaan 1 0.581 0.012124 0.593124 2.086808 Percobaan 2 0.581 0.011489 0.592489 1.977474 Percobaan 3 0.581 0.011489 0.592489 1.977474

(97)

73 Gambar 4.6.(a) di bawah ini menunjukkan gelombang keluaran beban 5 Pijar, sementara Gambar 4.6.(b) dan (c) adalah spektrum gelombang keluarannya.

Gambar 4.6.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 Pijar

(b) (c)

Gambar 4.6.(b) dan (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 Pijar Dari Gambar 4.6.(a), dan 4.6.(b) terlihat bahwa gelombang tegangan dan gelombang arus sefasa dalam bentuk gelombang sinusoidal, THDI adalah 2.01%.

Pada beban ini dapat dikatakan bahwa pembacaan arus pada alat ukur True RMS sama nilainya dengan pembacaan alat ukur Analog/RMS.

(98)

74

4.1.1.7 Pengujian Pada Beban Laptop

Tabel 4.8.a, b, dan c di bawah ini menunjukkan besar kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop untuk masing-masing percobaan.

Tabel 4.8.a: Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan 1

(99)

75