ANALISIS KESESUAIAN ANTARA SINGLE TUNED FILTER TERHADAP FILTER ORDE TIGA DALAM PROSES MINIMALISASI
HARMONISA PADA TRANSFORMATOR 160 kVA DI GEDUNG REKTORAT – PUSKOM
UNIVERSITAS MALIKUSSALEH LHOKSEUMAWE
TESIS
Oleh:
MISBAHUL JANNAH 087034005/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
ANALISIS KESESUAIAN ANTARA SINGLE TUNED FILTER TERHADAP FILTER ORDE TIGA DALAM PROSES MINIMALISASI
HARMONISA PADA TRANSFORMATOR 160 kVA DI GEDUNG REKTORAT – PUSKOM
UNIVERSITAS MALIKUSSALEH LHOKSEUMAWE
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh Misbahul Jannah
087034005/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Judul Penelitian : ANALISIS KESESUAIAN ANTARA SINGLE TUNED FILTER TERHADAP FILTER ORDE TIGA DALAM PROSES MINIMALISASI HARMONISA PADA TRANSFORMATOR 160 kVA DI GEDUNG REKTORAT – PUSKOM UNIVERSITAS MALIKUSSALEH LHOKSEUMAWE
Nama Mahasiswa : MISBAHUL JANNAH Nomor Induk : 087034005
Prohram Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing
( Prof. Dr. Ir. Usman Baafai ) (Dr. Marwan Ramli, M. Si ) Ketua Anggota
Sekretaris Program Studi Dekan,
(Drs. Hasdari Helmi, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Telah Diuji pada
Tanggal: 11 Februari 2013
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M. Si
ABSTRAK
Beban non linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang di dalamnya banyak mengandung komponen semikonduktor seperti Switching Power Supplies, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, battery charger dan lain sebagainya. Banyaknya penggunaan beban non linier akan menghasilkan harmonisa seperti yang terjadi pada transformator 160 kVA di gedung Rektorat – Puskom Universitas Malikussaleh Lhokseumawe. Pada pengukuran awal THDI yang terdeteksi adalah 20,7%. Hal ini menunjukkan bahwa THDI di atas standar yang diizinkan oleh IEEE
519 -1992. Oleh karena itu diperlukan filter dalam meminimalisasi harmonisa yang timbul. Hasil pemodelan dua buah filter pasif yaitu single tuned filter dan filter orde tiga, menghasilkan THDI menjadi 2,73% dan 9,40%. Berdasarkan hasil simulasi model dua buah filter pasif tersebut yang paling sesuain dipakai adalah single tuned filter untuk gedung Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh.
Kata kunci: harmonisa, filter single tuned, filter orde tiga, THD
ABSTRACT
Generally non linier load is an electronic device that consist of many semiconductor component such as switching power suppliers, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, battery charger, ect. The using of non linier load would be generate harmonics frequence that happen on transformer 160 kVA in Rectorat building-Puskom Malikussaleh University Lhokseumawe. In the first measurement THDI was detected 20, 7%. This case shows that THDI held in above
IEEE 519-1992 standart. Terefore, a filter was needed to minimize the effect of harmonics. The result of modeling two passive filters were single tuned filter and the third order filter that produced THDI became 2,73% and 9,4%. Based on the
simulation both of two passive filters shows that the single tuned filter was very acceptable in Rectorat building-Puskom Malikussaleh University.
The keyword: harmonics, single tuned filter, the third order filter, THD
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat ALLAH SWT atas Rahmat dan Hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan judul: ANALISIS KESESUAIAN ANTARA SINGLE TUNED FILTER TERHADAP FILTER ORDE TIGA DALAM PROSES DALAM PROSES MINIMALISASI HARMONISA PADA TRANSFORMATOR 160 kVA DI GEDUNG REKTORAT – PUSKOM UNIVERSITAS MALIKUSSALEH LHOKSEUMAWE yang merupakan salah satu prasyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Pascasarjana di Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
Penulis terutama sekali mengucapkan terima kasih kepada ayahanda terkasih H. Syuib Nursyah, SH, ibunda tersayang Hj. Hafsah Muhammad, suami tercinta Fajri, M. Kasim, M. Soc. Sc dan mutiara hati tersayang Muhammad Humam Habibie dan Muhammad Hanif Habibie serta kakak-kakak dan adik-adik atas doa dan dorongan batin yang tak ternilai harganya.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang tak terhingga dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, Bapak DR. Marwan Ramli, M.Si, selaku pembimbing atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penulisan ini berlangsung.
kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan program Magister, dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat yang berguna bagi penulis dan kita semua.
Medan, Februari 2013
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Misbahul Jannah
Jenis kelamin : Perempuan
Agama : Islam
Alamat : Jl. Syafiatuddin No 25 Bukit Panggoi Indah
Lhokseumawe, Aceh
PENDIDIKAN:
1. Tamatan MIN Lhokseumawe, Aceh Tahun 1990 2. Tamatan MTsN Gandapura, Aceh Tahun 1993 3. Tamatan SMAN 1 Lhokseumawe , Aceh Tahun 1996 4. Politeknik Negeri Lhokseumawe, Aceh Tahun 1999 5. Universitas Sumatera Utara, Medan Tahun 2003
PEKERJAAN:
1. Dosen Teknik Elektro - Universitas Malikussaleh Lhokseumawe
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, 11 Februari 2013
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK………... ABSTRACT……… KATA PENGANTAR……… DAFTAR RIWAYAT HIDUP………... DAFTAR ISI……….…….. DAFTAR TABEL……….…….. DAFTAR GAMBAR………..……… BAB 1 PENDAHULUAN……….…… 1.1. Latar Belakang……….……. 1.2. Perumusan Masalah……….….…… 1.3. Batasan Masalah……….………..…… 1.4. Tujuan Penelitian...……….…………..… 1.5. Manfaat Penulisan………...………..… 1.6. Sistematika Penulisan………...
TINJAUAN PUSTAKA……….…..
2.5.2. Resonansi Paralel……….. …..….………... 2.6. Single Tuned Filter.……….. 2.6.1. Factor Detuning………..… 2.6.2. Perancangan Single Tuned Filter….….……….……
2.7. Filter Pasif Orde Tiga……….………..…. 2.7.1. Perancangan Filter Pasif Orde Tiga…..……….……. 2.8 Perhitungan Hubung Singkat Dan Batas Harmonisa………. 2.8.1. Perhitungan Hubung Singkat………...
2.8.2. Perhitungan Short Circuit Rasio………...…………...
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN……….
3.1. Data Pemakaian Beban Di Gedung Rektorat Dan Puskom Universitas Malikussaleh……… 3.2. Teknik Pengukuran Yang Dilakukan……….. 3.3. Teknik Analisa Data………...……….…… 3.4. Data Spesifikasi Transformator Dan Kabel………..…..
3.5. Data Pengukuran Di Panel Utama Dengan METREL....…… 3.6. Perhitungan Hubung Singkat dan Batas Harmonisa………. 3.7. Perhitunngan Single Tuned Filter………...
3.7.1. Menentukan Kebutuhan Kapasitor Sebagai Perbaikan Faktor Daya………. 3.7.2. Menentukan Parameter Induktor L………. 3.8. Perhitungan Filter Orde Tiga……….. 3.8.1. Menentukan Kebutuhan Kapasitor Sebagai Perbaikan Faktor Daya………...………….. 3.8.2. Menentukan Parameter Induktor L………... 3.8.3. Menentukan Parameter resistor R Filter……….. 3.9. Simulasi Matlab Dengan Menggunkan Single Tuned Filter
Dan Filter Orde Tiga………... 3.9.1. Hasil Simulasi Single Tuned Filter………... 3.9.2. Hasil Simulasi Filter Orde Tiga……… BAB IV HASIL DAN ANALISIS……….
DAFTAR PUSTAKA. LAMPIRAN
75
DAFTAR TABEL
Perbandingan Penelitian Terdahulu Dengan Penelitian Yang dilakukan Penulis……….
Tabel Frekuensi dan Kelipatannya………..
Jenis Peralatan Terhadap THDI yang diBangkitkan..………….. Standart harmonisa Arus………..
Standart Harmonisa Tegangan…………..……….
Urutan Dari Komponen Harmonisa………
Pengaruh Dari Polaritas Komponen Harmonisa……….
Rekapitulasi Beban Terpasang Di Gedung Rektorat Dan Puskom Universitas Malikussaleh………...
Impedansi Kabel Saluran……….
Data Hasil Pengukuran tegangan fasa………..
Data Hasil Pengukuran Tegangan Dan Arus Harmonisa Orde n………....
Impedansi Dan Parameter Filter………...
Data Hasil Pengukuran Matlab/ Simulink Tegangan Dan Arus Harmonisa Orde n Setelah Menggunakan Single Tuned Filter...
Data Hasil Pengukuran Matlab/ Simulink Tegangan Dan Arus Harmonisa Orde n Setelah Menggunakan filter Orde
Tiga……….
Harmonisa Kondisi Sebelum Dan Kondisi Setelah
Menggunakan Single Tuned Filter Dan Filter Orde Tiga………
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
Bentuk Gelombang Yang Dihasilkan Dari Penjumlahan Gelombang Fundamental Dan harmonisa Ke Tiga…..………...
Karakteristik Gelombang Arus pada Beban Linier……….
Karakteristik Gelombang Arus pada Beban Non Linier……….
Tipe dari Rangkaian Filter Pasif...……….………...
Arus Harmonisa Mengalir Menuju Sumber Tegangan…….…...
Arus Harmonisa Sebagian Mengalir Menuju Kapasitor………..
Rangkaian Resonansi Seri………
Impedansi vs Frekuensi Untuk Resonansi Seri………...
Sistem Distribusi Tenaga listrik Yang Berpotensi Resonansi Seri……….………..
Rangkaian Resonansi Paralel……….………..
Impedansi VS Frekwensi Untuk Resonansi Paralel.………
Sistem Distribusi Tenaga Listrik Yang Berpotensi Resonansi Paralel………..
Single Tuned Filter……….………... Filter Pasif Orde Tiga……..………...
Diagram satu Garis Sistem Kelistrikan Unimal………..
3.3.
Titik Pengukuran Panel Utama Di Gedung Rektorat Dan Puskom……….. Rangkaian Ekivalen Perhitungan Hubung Singkat………..
Hasil Pengukuran Bentuk Gelombang Arus Tiga fasa…………
Hasil Pengukuran Bentuk Gelombang Arus Pada Fasa R...
Hasil Pengukuran bentuk Gelombang Arus Pada Fasa S……….
Hasil Pengukuran Bentuk Gelombang Arus Pada Fasa T………
Bentuk Gelombang Arus Hasil Pengukuran Dengan THDI Sebesar 20.17% Dengan Arus RMS 90,874………
Rangkaian Simulasi Single Tuned Filter……….. Bentuk Gelombang Arus Dan Bentuk Spektrum Setelah Menggunakan Single Tuned Filter………... Bentuk Gelombang Tegangan Dan Bentuk Spektrum Setelah Menggunakan Single Tuned Filter……… Nilai Faktor Daya Setelah Menggunakan Single Tuned Filter…
Rangkaian Simulasi Filter Orde Tiga………...
Bentuk Gelombang Arus Dan Spektrum Setelah Menggunakan Filter Orde Tiga………
Bentuk Gelombang Tegangan Dan Bentuk Spektrum Setelah Menggunakan Filter Orde Tiga………
Nilai Faktor Daya Setelah Menggunakan Filter Orde Tiga…….
Perbandingan Bentuk Gelombang Dan Spektrum Hasil Pengukuran Langsung Dengan Hasil Simulasi Matlab/ Simulink Untuk Arus………
ABSTRAK
Beban non linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang di dalamnya banyak mengandung komponen semikonduktor seperti Switching Power Supplies, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, battery charger dan lain sebagainya. Banyaknya penggunaan beban non linier akan menghasilkan harmonisa seperti yang terjadi pada transformator 160 kVA di gedung Rektorat – Puskom Universitas Malikussaleh Lhokseumawe. Pada pengukuran awal THDI yang terdeteksi adalah 20,7%. Hal ini menunjukkan bahwa THDI di atas standar yang diizinkan oleh IEEE
519 -1992. Oleh karena itu diperlukan filter dalam meminimalisasi harmonisa yang timbul. Hasil pemodelan dua buah filter pasif yaitu single tuned filter dan filter orde tiga, menghasilkan THDI menjadi 2,73% dan 9,40%. Berdasarkan hasil simulasi model dua buah filter pasif tersebut yang paling sesuain dipakai adalah single tuned filter untuk gedung Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh.
Kata kunci: harmonisa, filter single tuned, filter orde tiga, THD
ABSTRACT
Generally non linier load is an electronic device that consist of many semiconductor component such as switching power suppliers, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, battery charger, ect. The using of non linier load would be generate harmonics frequence that happen on transformer 160 kVA in Rectorat building-Puskom Malikussaleh University Lhokseumawe. In the first measurement THDI was detected 20, 7%. This case shows that THDI held in above
IEEE 519-1992 standart. Terefore, a filter was needed to minimize the effect of harmonics. The result of modeling two passive filters were single tuned filter and the third order filter that produced THDI became 2,73% and 9,4%. Based on the
simulation both of two passive filters shows that the single tuned filter was very acceptable in Rectorat building-Puskom Malikussaleh University.
The keyword: harmonics, single tuned filter, the third order filter, THD
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan teknologi telah mempengaruhi sistem tenaga listrik, hal ini
bisa dilihat dari banyaknya penggunaan peralatan listrik di setiap tempat. Seiring
dengan banyaknya penggunaan peralatan listrik maka akan mempengaruhi kualitas
sistem tenaga. Kualitas sistem tenaga berhubungan erat dengan kualitas daya
(Power Quality).
Kualitas daya tidak hanya berkaitan dengan amplitudo tegangan suplai atau
frekuensi, tetapi juga bentuk gelombang arus dan tegangan. Kualitas daya yang
buruk salah satunya ditandai dengan tingginya kandungan harmonisa.
Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul dari pengoperasian
beban listrik yang sebagian besar disebabkan oleh beban non linier, dimana pada
awalnya harmonisa adalah gejala pembentukan gelombang‐gelombang dengan
frekuensi yang berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi
fundamentalnya [1,2,3]. Sebagai contoh, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik
adalah 50 Hz, maka harmonisa keduanya adalah gelombang dengan frekuensi
menumpang pada gelombang aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang
merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang
harmonisanya.
Penyebab munculnya harmonisa disebabkan oleh banyaknya penggunaan
beban non linier. Beban linier dan beban non linear adalah dua jenis beban yang
dikenal dalam sistem tenaga listrik. Beban linier adalah beban yang memberikan
bentuk gelombang antara tegangan dan arus yang sama, artinya arus yang
mengalir berbanding lurus dengan tegangan dan berbanding terbalik dengan
impedansinya. Sementara itu beban non linier adalah bentuk gelombang keluaran
yang tidak sama dengan tegangan masuk dalam setiap setengah siklus sehingga
bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan
gelombang masukannya. Beban non linear pada umumnya merupakan peralatan
elektronik yang didalamnya banyak terdapat saklar yang bekerja pada setiap siklus
gelombang dari sumber tegangan. Proses ini menghasilkan gelombang yang tidak
sinusoidal.
Beban non linear juga merupakan pembangkit harmonisa yang paling
dominan di gedung Rektorat ‐ Puskom Universitas Malikussaleh Lhokseumawe
seperti Komputer, AC dan penerangan dengan total daya terpasang sebesar 95,44
kW. Penyebab faktor daya rendah yang paling dominan yaitu penerangan ballast
Kemudian beban pendingin udara dengan total daya terpasang sebesar 71,616 kW.
Pengukuran awal yang sudah dilakukan pada panel di lokasi penelitian dengan THDI
sebesar 20,7%. THDI tersebut jika mengacu terhadap standar IEEE 519‐1992 maka
THDI pada pengukuran awal tersebut melebihi standart yang ditetapkan yaitu
dibawah 5%.
Diperlukan suatu peralatan untuk meminimalisasi harmonisa dalama
memperbaiki kualitas daya di gedung Rektorat‐Puskom Universitasa Malikussaleh
Lhokseumawe, kebanyakan besar beban yang ada merupakan beban non linier.
Diperlukan suatu peralatan untuk meminimalisasi harmonisa dalam
memperbaiki kualitas daya di gedung Rektorat ‐ Puskom Universitas Malikussaleh
Lhokseumawe, dimana sebagian besar beban yang digunakan merupakan beban
non linear.
Penggunaan filter pasif salah satu cara dalam meminimalisasi harmonisa.
Filter pasif mempunyai berbagai tipe. Pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif
adalah single tuned filter, filter orde dua, filter orde tiga serta filter tipe C.
Penelitian ini menganalisis kesesuaian dari dua tipe filter pasif yaitu single tuned
filter terhadap filter pasif orde tiga dalam meminimalisasi harmonisa pada
transformator yang disebabkan oleh beban non linear di gedung Rektorat – Puskom
Universitas Malikussaleh Lhokseumawe. Adapun alasan menggunakan dua buah
penelitian sebelumnya belum ada perbandingan pemakaian filter dalam satu titik
gangguan dalam meminimalisasi harmonisa dan penelitian ini juga orde harmonisa
yang dipakai merupakan orde harmonisa ke‐3. Titik pengukuran beban non linier
difokuskan pada panel PCC utama, disebabkan PCC utama tersebut terdapat
peralatan pembangkit harmonisa yang cukup tinggi. Pembangkit harmonisa yang
tinggi tersebut akan mempengaruhi sistem yang lebih luas. Dengan meminimalisasi
harmonisa pada panel PCC utama, tentunya akan mengurangi harmonisa yang
menuju ke bus transformator sehingga kualitas daya sistem secara keseluruhan akan
Nama Judul Penelitian
Jenis Beban Metode Filter
yang Dirancang
Tempat dan Tahun Filters to Reduce Harmonic Distortion in Industrial Power Systems
Beban non linear
(Arc Furnace, six pulse rectifier),
kapasitor untuk filter belum terpasang pada sistem.)
Simulasi Program
Filter pasif : Single Tuned Filter untuk harmonisa ke-5 dan High Pass Filter untuk harmonisa ke-7
2. L.I.Koverni Kova . 2010 [5]
Centralized normalization of harmonic voltages by the third-order passive filter
Beban gardu tran smisi dengan tegangan 220kV pada jaringan pan-jang 900 km.
Simulasi prpgram
Filter pasif orde tiga untuk harmonisa ke-3, 5 dan 7.
The Siberia Branch of the Russian Academy of Sciences Energy System Inst. 2010.
3 T. Messikl,
S. Mekhilef and N.A. Rahim 2010 [6]
Adaptive Notch Filter for Harmonic kapasitor untuk filter telah terpasang pada system
Simulasi
Program
Filter Pasif dan filter aktif
Electrical Laboratorium University Malaya, 2010
4 Chacpkphed
Madtharad
and Mark
Mcgrana.
2008 [7]
Harmonic Filter Design For Induction Furnace Load in 22 kV Distribution System
Beban non linear
dengan kapasitas 27 MW, 22Kv
Simulasi Program
Filter Pasif: High pass
Filter Untuk Harmonisa ke 5,11 dan 13
Proficial Electricity Auharity (PEA) Thailand, 2008
Perbedaan penelitian ini dengan penelitian – penelitian yang telah dilakukan
adalah penulis menggunakan dua buah filter dalam menganalisis harmonisa yang
terjadi di titik gangguan yaitu Biro Rektorat – Puskom Universitas Malikussaleh
Lhokseumawe.
1.2 Perumusan masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas, yang menjadi
permasalah adalah:
a. Berapa besarnya nilai distorsi harmonisa total (Total Harmonic Distorsion)
arus yang terjadi pada gedung Rektorat ‐Puskom Universitas
b. Bagaimana cara meminimalisasi harmonisa dengan single tuned filter dan
filter orde tiga.
c. Bagaimana kesesuaian kedua filter tersebut dalam meminimalisasi harmonisa.
1.3. Batasan Masalah
Dalam penelitian ini diberikan batasan masalah agar tercapai suatu
pembahasan yang sistematik yaitu:
a. Pembahasan hanya terfokus pada kualitas daya listrik khususnya harmonisa
yang ditimbulkan oleh beban non linear.
b. Menggunakan dua buah filter yaitu single tuned filter dan filter pasif orde
tiga.
c. Analisis harmonisa dilakukan pada sistem distribusi tiga fasa yang bebannya seimbang, sehingga analisis dilakukan perfasa.
d. Persoalan bagaimana timbulnya harmonisa yang disebabkan oleh sumber harmonisa tidak dibahas dalam penelitian ini.
1. 4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menurunkan THDI dari 20,7%. Sehingga sesuai
tuned filter dan filter orde tiga. Kemudian dianalisa kesesuaian antara kedua filter
tersebut.
1.5 . Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini dapat memberikan konsep mengenai
penggunaan single tuned filter dan filter orde tiga dalam meningkatkan kualitas
daya saat terjadi gangguan berupa harmonisa serta dapat memberi referensi bagi
peneliti lain.
1.6. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan penelitian ini adalah sebagai berikut:
Bab I : Berisikan Pendahuluan yang mengemukakan latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan serta manfaat penelitian.
Bab II : Berisikan tinjauan pustaka mengenai harmonisa, identifikasi harmonisa
serta prinsip kerja dari filter yang akan dipakai yaitu single tuned filter dan
filter pasif orde tiga
Bab III : Berisikan berupa metodologi penelitian, perhitungan dan simulasi filter.
Bab IV : Berisikan hasil dan analisis.
Bab V : Berisikan kesimpulan dan saran.
BAB II
tuned filter dan filter orde tiga. Kemudian dianalisa kesesuaian antara kedua filter
tersebut.
1.5 . Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini dapat memberikan konsep mengenai
penggunaan single tuned filter dan filter orde tiga dalam meningkatkan kualitas
daya saat terjadi gangguan berupa harmonisa serta dapat memberi referensi bagi
peneliti lain.
1.6. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan penelitian ini adalah sebagai berikut:
Bab I : Berisikan Pendahuluan yang mengemukakan latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan serta manfaat penelitian.
Bab II : Berisikan tinjauan pustaka mengenai harmonisa, identifikasi harmonisa
serta prinsip kerja dari filter yang akan dipakai yaitu single tuned filter dan
filter pasif orde tiga
Bab III : Berisikan berupa metodologi penelitian, perhitungan dan simulasi filter.
Bab IV : Berisikan hasil dan analisis.
Bab V : Berisikan kesimpulan dan saran.
BAB II
Kualitas sistem tenaga listrik berhubungan erat dengan kualitas daya (Power
Quality), suatu kualitas sistem tenaga listrik bisa dikatakan memiliki tingkat
keandalan yang tinggi apabila sistem tersebut mampu menyediakan pasokan energi
listrik yang dibutuhkan oleh konsumen secara kontinyu dengan kualitas daya yang
baik. Akan tetapi pada masa sekarang dengan banyaknya penggunaan beban non
linear banyak permasalahan‐permasalahan yang timbul dalam sistem tenaga listrik
dalam menyediakan energi listrik secara kontinyu. Dengan adanya permasalahan
tersebut maka akan mengakibatkan kurangnya kualitas daya, salah satunya adalah
gangguan harmonisa. Pada dasarnya harmonisa adalah munculnya gelombang‐
gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat
dengan frekuensi dasarnya [1].
2.1. Harmonisa
Kata harmonisa dipergunakan untuk benda akustik, yang mana artinya
getaran dari senar atau kolom udara dengan frekuensi yang biasanya merupakan
kelipatan dari frekuensi dasarnya. Dalam sistem tenaga listrik harmonisa adalah
gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga lisrik akibat terjadinya distorsi
gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang arus dan tegangan timbul
karena adanya pembentukan gelombang dengan frekuensi berbeda yang
Hal ini disebut frekuensi harmonisa yang timbul pada gelombang asalnya sedangkan
bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonisa.
Sistem tenaga listrik dirancang untuk beroperasi pada frekuensi 50‐60 Hz.
Akan tetapi pada kenyataan di lapangan ada beberapa beban yang menyebabkan
munculnya arus dan tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan 50‐60 Hz
yang disebut frekuensi fundamental dan kelipatannya disebut frekuensi harmonisa.
Karakteristik dari harmonisa dapat dipresentasikan dengan persamaan deret fourier
sesuai dengan bentuk gelombang non linear dengan menjumlahkan gelombang
Gambar 2.1. Bentuk gelombang yang dihasilkan dari penjumlahan gelombang fundamental dan harmonisa ke tiga [8].
Dari Gambar 2.1 fungsi periodik dapat diuraikan menjadi deret trigonometri
tak terhingga atau biasa disebut deret fourier [3,9].
Atau
Dimana:
Ah dan BBh adalah koefisien dari setiap harmonisa, dengan ketentuan sebagai berikut:
Jumlah antara frekuensi fundamental dan kelipatannya akan menyebabkan
frekuensi fundamental tidak lagi berbentuk sinus murni akan tetapi mengalami
Tabel 2.1. Tabel frekuensi dan kelipatanya [10].
Frekuensi ( Hz) Istilah 50 Hz Frekuensi Fundamental 100 Hz Frekuensi Kedua 150 Hz Frekuensi Ketiga 200 Hz Frekuensi Keempat ….. …….
Dalam sistem tenaga listrik gelombang tegangan dan gelombang arus yang
ideal bentuk gelombangnya adalah sinusoidal murni. Fungsi tegangan dan arus
yang tergantung pada waktu t dapat dinyatakan dalam Persamaan (2.5) dan (2.6)
sebagai berikut:
Fungsi tegangan,
v(t) = Vm sin (2.5)
Fungsi arus,
Dimana:
Vm : harga maksimun tegangan (volt)
Im : harga maksimun arus (ampere)
: 2 π fo = kecepatan sudut dari gelombang periodik ( rad/dt)
: frekwensi fundamental dari gelombang periodik ( Hz)
: sudut fasa tegangan dan arus, bertanda negatif untuk arus terlambat
dan bertanda positif untuk arus terdahulu dari tegangan (derajat)
2.1.1. Sumber harmonisa
Ada dua beban dalam sistem tenaga listrik yaitu beban linier dan beban non
linear. Karakteristik dari beban linier diperlihatkan pada Gambar 2.2. Beban linier
adalah beban yang memberikan bentuk gelombang arus keluaran linier yang artinya
arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Pada
beban linier, bentuk gelombang arus akan mengikuti bentuk gelombang tegangan
yang akan ditimbulkannya. Bila gelombang tegangan berbentuk sinusoidal, bentuk
Gambar 2.2. Karakteristik gelombang arus pada beban linier.
Sedangkan beban non linear memberikan bentuk gelombang arus keluaran
yang tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus sehingga
bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan
gelombang masukannya atau dengan istilah lain mengalami distorsi. Beban non
linear pada umumnya terdapat pada peralatan elektronik yang didalamnya banyak
mengandung komponen semikonduktor, dimana dalam proses kerja berlaku sebagai
saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Proses
kerja ini akan menghasilkan gangguan dimana gelombang arus tidak lagi sinusoidal.
Gambar 2.3. Karakteristik gelombang arus pada beban non linear
Dengan meluas dan banyaknya penggunaan beban non linear, gelombang
sinusoidal ini mengalami cacat sehingga menimbulkan harmonisa atau dengan kata
lain beban non linear merupakan sumber harmonisa.
Ada beberapa contoh beban non linear yang menimbulkan harmonisa diantaranya
adalah:
a. Lampu hemat energi (LHE)
b. Air Condition (AC)
c. Komputer
d. UPS
e. Adjustable Speed Drive
g. Lampu Penerangan TL ( electronic and magnetic ballast)
Tabel 2.2 memperlihatkan besar harmonisa yang dibangkitkan oleh setiap
peralatan listrik. Dari tabel tersebut bisa kita perhitungan gambaran besarnya THII
setiap beban elektronika daya atau beban non linier.
Tabel 2.2. Jenis Peralatan terhadap THDI yang dibangkitkan [11].
Jenis Peralatan Tegangan Volt THDI % Keterangan
Fluorescent Lamp (with Magnetic Ballast)
277 18.5 Dominan
harmonisa ke -3
Fluorescent Lamp ( with Electronic
Ballast)
277 11.6
Komputer 240 134 91 % Dominan
harmonisa ke -3
Laser Printer 240 134 91 % Dominan
harmonisa ke -3
Refrigerator 120 6.3
240 10.5
Residential Air Conditioner
Dominan harmonisa ke-3
240 91
Charger battery UPS Dominan
harmonisa ke -3 2.1.2. Orde harmonisa
Orde harmonisa merupakan perbandingan antara frekuensi harmonisa
dengan frekuensi fundamental [2,3]. Contohnya, h = 5, ini menunjukkan harmonisa
kelima dengan frekuensi yang merupakan kelipatan lima kali dari frekuensi
fundamental. Jika frekuensi fundamentalnya adalah 50 Hz maka frekuensi
harmonisa orde ke 5 adalah
Dalam pengukuran harmonisa ada beberapa petunjuk penting yang harus
dimengerti yaitu Total Harmonic Distortion (THD) dan Total Demand Distorsion
(TDD).
2.2.1. Total Harmonic Distortion (THD)
Total harmonic distorsion (THD) adalah indeks yang menunjukkan total harmonisa
dari gelombang tegangan atau arus yang mengandung komponen individual
harmonisa yang dinyatakan dalam persen terhadap komponen individual [1,2,12].
THDV untuk gelombang adalah:
Dimana:
V1 = Tegangan fundamental.
Vh = Tegangan harmonisa ke – h.
h = 2,3,45…….
Dimana:
I1 = Arus fundamental
Ih = Arus harmonisa ke ‐ h
h = 2,3,4,5……
2.2.2. Total Demand Distorsion (TDD)
Distorsi harmonisa (harmonic distorsion) paling berarti apabila dimonitor
pada Point of Common Coupling ( PCC) dimana beban dihubungkan jauh dari
pembangkit. Distorsi harmonisa pada PCC ini cenderung menunjukkan distorsi yang
lebih besar jika pengukuran arus beban (demand load current) besar dan sebaliknya
[2]. Oleh karena itu total kandungan harmonisa diukur berdasarkan arus beban IL
yang disebut dengan TDD ( Total Demand Distorsion). Persamaan dari Total Demand
Distorsion adalah:
Hasil perhitungan sebaiknya tidak melebihi atau sama dengan nilai yang
ditetapkan oleh standart yang berlaku. Bila hasilnya lebih maka tingkat harmonisa
sistem membahayakan komponen‐komponen sistem sebaiknya dicari cara
Ada dua kriteria yang digunakan dalam analisa distorsi harmonisa yaitu
limitasi untuk distorsi tegangan harmonisa, standart yang dipakai untuk limitasi
tegangan harmonisa adalah IEEE 519‐1992 dan limitasi untuk distorsi arus
harmonisa dimana standar harmonisa arus yang dipakai ditentukan oleh rasio I SC /
IL(arus hubung singkat dibagi dengan arus beban) seperti yang diperlihatkan
dalamTabel 2.3.
Tabel 2.3 Standart Harmonisa Arus [13,14]
Orde Harmonisa (dalam % ) <11 11-
100-1000 1.5
>1000 15 7 6 2.5 1.4 20
Sedangkan untuk harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem seperti
dalam Tabel 2.4.
Tabel 2. 4 Standart harmonisa tegangan [13,14]
Tegangan sistem Maximun Distortion
Individual Harmonic 3 1.5 1
Total Harmonic 5 2.5 1.5
2.3. Pengaruh harmonisa
Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonisa
walaupun dengan akibat yang dampak berbeda. Namun hal tersebut akan
mengalami penurunan kinerja bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu
dampak yang umum dari gangguan harmonisa adalah panas lebih pada kawat
netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang
dibangkitkan oleh peralatan listrik satu fasa. 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 linear
satu fasa akan menimbulkan harmonisa kelipatan tiga ganjil yang disebut tripple
harmonic ( harmonisa ke‐3, ke‐9, ke‐ 15 dan seterusnya) yang sering disebut zero
sequence harmonic. Seperti yang terlihat dalam Tabel 2.5.
Tabel 2.5 Urutan dari komponen harmonisa [13]
Harmonisa 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Harmonisa pertama urutan polaritas adalah positif, harmonisa kedua urutan
polaritasnya adalah negatif dan harmonisa ketiga polaritasnya adalah nol,
harmonisa keempat adalah positif dan ini akan berulang berurut sampai seterusnya.
Pengaruh yang ditimbulkan oleh arus urutan nol dari komponen harmonisa
yaitu tingginya arus netral pada sistem 3 fasa 4 kawat karena arus urutan nol kawat
netral 3 kali arus urutan nol masing‐masing fasa. Hal ini bisa dilihat dari Tabel 2.6.
Tabel.2.6. Pengaruh dari polaritas komponen harmonisa. Komponen harmonisa Dampak dari harmonisa
en har
Positif - Panas
Negatif - Panas
- Menghambat atau memperlambat putaran motor
Nol - Panas
-Menimbulkan atau menambah arus pada kawat netral
2.3.1. Efek harmonisa pada transformator
transfomator. Ada beberapa pengaruh yang menimbulkan panas lebih pada transformator ketika arus beban mengandung komponen harmonisa yaitu:
a. Harmonisa arus menyebabkan meningkatnya rugi-rugi tembaga yang dinyatakan dengan persamaan berikut:
Rugi tembaga
b. Harmonisa tegangan menyebabkan meningkatnya rugi-rugi besi seperti Eddy Current dan rugi–rugi hysteresis. Eddy current (arus pusar) terjadi bila inti dari sebuah material jenis ferromagnetic (besi) secara elektrik bersifat konduktif. Konsentrasi Eddy Current lebih tinggi pada ujung–ujung belitan transformator karena efek kerapatan medan magnet bocor pada kumparan menyebabkan fenomena terjadinya arus pusar (arus yang bergerak melingkar). Bertambahnya rugi–rugi Eddy Current karena harmonisa berpengaruh pada temperatur kerja transformator yang terlihat pada besar rugi-rugi daya nyata (Watt) akibat Eddy Current ini.
2.4. Filter Pasif
Kapasitor (C), Induktor (L) dan Resistor (R) [2,5,15]. Pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif adalah single tuned filter, filter orde dua, filter orde tiga dan filter tipe C, seperti Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Tipe dari rangkaian filter pasif 2.5. Resonansi
Keadaan dimana reaktansi induktif dari sistem dan reaktansi kapasitif dari kapasitor untuk perbaikan faktor daya sama besar pada satu frekuensi harmonisa tertentu disebut resonansi. Rangkaian sistem distribusi pada umumnya adalah elemen induktif, maka adanya kapasitor yang digunakan untuk perbaikan faktor daya dapat menyebabkan siklus transfer energi antara elemen induktif dan kapasitif pada frekuensi resonansi, dimana pada frekuensi resonansi ini besarnya reaktansi induktif
dapat menghasilkan resonansi seri (L dan C seri) dimana resonansi seri akan menghasilkan arus harmonisa yang besar melalui elemen tertentu dari rangkaian. Selain menghasilkan resonansi seri bisa juga menghasilkan resonansi paralel. Resonansi paralel ini menghasilkan tegangan yang besar pada elemen tertentu dari rangkaian.
Arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan, hal ini terjadi pada sumber distribusi dimana arus harmonisa yang dibangkitkan sumber harmonisa akan mengalir menuju ke sumber daya sistem distribusi, karena impedansi dari sistem adalah sangat kecil jika dilihat dari rel dimana arus harmonisa diinjeksikan sehingga menyebabkan arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan seperti terlihat dalam Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan
dapat lebih kecil dari impedansi sistem, sehingga sebagian aliran arus harmonisa
akan menuju kapasitor seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Arus harmonisa sebagian mengalir menuju kapasitor
Arus harmonisa yang sebagian mengalir menuju kapasitor seperti Gambar 2.6, akan menyebabkan terjadinya panas berlebihan pada kapasitor dan bisa merusak unit kapasitornya.
2.5.1. Resonansi seri
Gambar 2.7. Rangkaian resonansi seri
Dari Gambar 2.7 dapat ditentukan impedansi seri seperti Persamaan (2.10).
……….………..(2.10)
Arus dalam rangkaian:
)
Jika reaktansi maka rangkaian dikatakan mengalami resonansi, sehingga Persamaan (2.11) menjadi:
R V
I = ………..………...(2.12)
Pada saat resonansi :
LC
r
1 2 =
ω
LC
r
1
=
ω ………..………….(2.13)
Frekuensi resonansi adalah:
LC fr
π
2 1
= ………..………….(2.14)
Persamaan (2.12) menjelaskan bahwa impedansi total rangkaian hanya terdiri dari R saja yang relatif kecil, sehingga arus yang mengalir menjadi besar pada kondisi resonansi seri ini. Dimana jika digambarkan impedansi rangkaian terhadap frekuensi akan diperoleh bentuknya seperti Gambar 2.8.
Sistem distribusi tenaga listrik yang berpotensi terjadi resonansi seri, dimana kapasitor bank dipasang terhubung seri dengan transformator dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9. Sistem distribusi tenaga listrik yang berpotensi resonansi seri.
2.5.2. Resonansi paralel
Rangkaian resonansi paralel terdiri dari elemen induktor dan kapasitor yang terhubung paralel, seperti yang terlihat pada Gambar 2.10 [4,15].
Dari Gambar 2.10 rangkaian resonansi paralel besarnya impedansi total rangkaian
Dalam keadaan resonansi:
Tegangan adalah:
⎥⎦
Pada Persamaan (2.17) jika impedansi Z >> atau , maka tegangan V akan menjadi sangat besar. Untuk menentukan frekuensi resonansi paralel sama dengan menentukan harga dari frekuensi resonansi seri, yaitu:
Frekuensi response atau impedansi total rangkaian terhadap frekuensi.
Impedansi terbesar dari gambar tersebut terdapat pada frekuensi resonansi artinya
terjadi peningkatan tegangan pada frekuensi resonansi paralel
Gambar 2. 11. Impedansi vs frekuensi untuk resonansi paralel
Dimana Xs = impedansi reaktansi sumber
Gambar 2.12. Sistem distribusi tenaga listrik tenaga listrik yang berpotensi resonansi paralel.
2.6. Single Tuned Filter
Single tuned filter merupakan salah satu filter pasif yang terdiri dari komponen-komponen pasif yaitu R, L dan C yang terhubung secara seri. Gambar 2.13 merupakan skema dari single tuned filter, dimana filter ini paling banyak digunakan dalam sistem tenaga listrik industri dalam hal mengatasi harmonisa, hal ini dikarenakan single tuned filter lebih efisien [1].
Gambar 2.13. Single Tuned Filter
Single tuned filter mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi, sehingga arus yang mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter. Dari Gambar 2.13 besarnya impedansi single tuned filter
pada frekuensi fundamental dapat dilihat pada Persamaan 2.19 dibawah ini:
Sedangkan besarnya impedansi single tuned filter pada frekuensi resonansi dari Persamaan (2.19) menjadi:
Jika frekuensi sudut saat resonansi adalah:
..………(2.21)
Persamaan dari impedansi filter sebagai berikut:
Nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif saat resonansi sama besar maka impendansi filter akan diperoleh:
………...…(2.23)
setiap harmonisa yang akan dihilangkan. Filter ini dihubungkan pada busbar dimana pengurangan tegangan harmonisa ditentukan.
Besarnya tahanan induktor R dari bisa ditentukan oleh Quality factor (Q). Quality factor (Q) adalah kualitas listrik dari suatu induktor. Dimana secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan R. Jika nilai Q yang dipilih besar maka nilai R kecil dan kualitas filter semakin bagus karena energi yang dipakai oleh filter semakin kecil yang artinya rugi-rugi panas filter kecil dan nilai Quality factor
berkisar antara 30 < Q < 100 [1].
Pada frekuensi tuning:
Quality Factor:
Tahanan induktor akan diperoleh berdasarkan Persamaan (2.25), yaitu:
2.6.1. Faktor detuning
10% dari resonansi harmonisa [4,16]. Faktor detuning dapat dinyatakan sebagai berikut:
Bila temperatur menyebabkan perubahan induktansi dari inductor dan perubahan kapasintasi dari kapasitor maka faktor detuning menjadi [1,5]:
Dari Persamaan (2.27) maka diperoleh frekuensi tuning:
Atau order tuning adalah:
Dimana:
= 2 = frekuensi sudut saat resonansi.
= orde harmonisa saat resonansi.
order tuning.
Setiap filter mempunyai kelebihan dan kelemahan dalam meminimalisasi harmonisa. Kelebihan dari single tuned filter adalah:
a. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai adalah nilai tahanan dari kumparan reaktor.
b. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang diinginkan yang melaluinya.
c. Besar nilai Q menunjukkan nilai frekuensi resonansi filter dan oleh karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa.
d. Single tuned filter secara normal mampu meminimalisasi frekuensi harmonisa yang besar yaitu harmonisa ke 11 dan 13.
Sedangkan kelemahan dari single tuned filter adalah:
a. Single tuned filter digunakan untuk mengurangi harmonisa 1 buah orde harmonisa saja diantara order harmonisa yang ada.
Perancangan single tuned filter untuk menentukan besarnya komponen- komponen dari single tuned filter tersebut, dimana single tuned filter terdiri dari hubungan seri komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan [1,4,16].
Adapun langkah-langkah dalam merancang single tuned filter untuk orde harmonisa ke h:
a. Menentukan ukuran kapasitor berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya. Dimana daya reaktif kapasitor dapat ditentukan dengan Persamaan ( 2.32).
b. Menentukan reaktansi kapasitor.
c. Menentukan kapasitansi kapasitor.
C
d. Menentukan reaktansi induktif.
2
0
2 f X
L L
π
= ………..……….(2.36)
f. Menentukan tahanan ( R ) dari induktor.
Q X
R= n ………(2.37)
2.7. Filter Pasif Orde Tiga
Filter pasif orde tiga terdiri dari kapasitor seri dengan rangkaian paralel dimana salah satu cabangnya berisi kapasitor seri dengan resistor dan cabang lainnya berisi induktor [5,15]. Filter pasif orde tiga dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14. Filter pasif orde tiga
Filter orde tiga ini mempunyai kelebihan yang pada umumnya dimiliki oleh filter pasif yaitu:
a. Dapat digunakan pada frekuensi tinggi.
Sedangkan kelemahan dari filter orde tiga adalah:
Dalam melakukan perhitungan lebih sedikit rumit dibandingkan dengan
single tuned filter.
2.7.1. Perancangan filter pasif orde tiga
Sama seperti single tuned filter, dalam merancang filter orde tiga untuk mengurangi harmonisa maka harus ditentukan parameter besaran nilai dari
pada frekuensi fundamental [5,15].
a. Reaktansi dapat dihitung dengan cara mengeset nilai dari daya reaktif
(dalam kVAR) yang dibutuhkan serta besar tegangan V pada frekuensi fundamental, seperti pada Persamaan 2.38.
b. Menentukan nilai
c. Menentukan nilai interval m sebagai berikut:
Mengingat XC2 = m XC1, maka:
d...Menentuka n nilai reaktansi induktansi.
2.8....Perhitunga n Hubung Singkat dan Batas Harmonisa
2.8.1...Perhitungan hubung singkat
Nilai induktansi transformator ( L) pada frekuensi fundamental yaitu:
Arus hubung singkat:
Zs itu sendiri bisa ditentukan dari penjumlahan impedansi transformator dan impedansi saluran.
2.8.2. Perhitungan short circuit ratio (SCR)
Short circuit ratio (SCR) adalah perbandingan antara arus hubung singkat dengan arus beban rata-rata dari pengukuran. SCR digunakan untuk menentukan batas arus harmonisa sesuai dengan standar IEEE 519-1992, dimana SCR itu sendiri bisa didapat:
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi dengan data ukur yang didapat dari pengukuran. Sedangkan parameter yang digunakan dalam simulasi ini yaitu impedansi tranasformator, impedansi penghantar dari transformator ke panel utama, parameter filter yang dihitung dan sumber arus harmonisa dari data pengukuran. Parameter yang dibutuhkan diperoleh dengan cara pengumpulan data pemakaian beban, data transformator, data impedansi kabel dan pengukuran harmonisa. Power Q Plus dalam penelitian ini menggunakan merek METREL merupakan alat ukur yang digunakan dalam mengukur harmonisa dan faktor daya. Pengukuran harmonisa dan faktor daya dilakukan untuk mendapatkan besar harmonisa dan faktor daya yang terjadi pada sistem khususnya di panel utama. Setelah diketahui nilai faktor daya dan besar urutan hamonisa, maka nilai tersebut menjadi data dalam menentukan parameter single tuned filter dan filter orde tiga dengan pemodelan simulasi MATLAB/SIMULINK.
3.1. Data Pemakaian Beban di Gedung Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh
kV ke gardu distribusi TR metering PLN melalui HUTM (Hantaran Udara Tegangan Menengah). Kemudian dari transformator tersebut disambung ke panel utama melalui
kabel TIC 4 /0 AWG atau 85 mm2 dengan jarak 400 meter dan selanjutnya dibagi ke panel utama beban antara lain ke gedung Rektorat - Puskom Universitas
Malikussaleh dengan sistem kelistrikannya diperlihatkan pada Gambar 3.1 (Diagram Kelistrikan standart SPLN pada Lampiran 4).
Gambar 3.1. Diagram satu garis sistem kelistrikan Universitas Malikussaleh
Beban pada masing-masing panel utama berupa lampu ballast magnet 2 36 watt dengan
faktor daya 0,45, komputer, pendingin udara dan lampu hemat energi. Data pemakaian beban
di Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh dapat dilihat pada Tabel 3.1 dengan
Tabel 3.1 Rekapitulasi beban terpasang di gedung Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh
Gedung Rektorat - Puskom Nama Beban
Jumlah beban (Watt) Penerangan TL 2x36 13.824
Komputer 10.000 Pendingin udara 71.616
Lampu hemat energi 8.000
Jumlah 103.440
3.2. Teknik Pengukuran yang Dilakukan
Sebelum penggunaan filter yang akan digunakan tentunya ada mekanisme yang harus dilakukan diantaranya mengetahui besar nilai harmonisa pada sistem tenaga listrik tersebut. Untuk mengetahui karakteristik harmonisa melalui pengukuran pada sistem distribusi di Rektorat - Puskom Universitas Malikussaleh seperti Gambar 3.2. Titik pengukuran dan pengambilan data dilakukan langsung ke lapangan dengan menggunakan alat ukur bernama Power Q plus MI 2492 (merk METREL) komunikasi data dari Power Q plus MI 2492 ke komputer dilakukan melalui
converter RS232/USB. Paket data komunikasi ini ditampilkan dalam bentuk daftar dan grafik secara langsung, dan data tersebut dapat disimpan di komputer
transformator daya 160 kVA diambil dari plat nama (name plate) dan data impedansi
kabel dari transformator ke panel utama dengan kabel jenis TIC 4 3/0 AWG atau 85 mm2 sesuai ukuran penggunaan diperoleh dari standar kabel.
Gambar 3.2 Titik pengukuran panel utama di gedung Rektorat - Puskom
Titik pengukuran
Penghantar TIC
4x3/0AWG
Gedung Rektorat Gedung Puskom
160 kVA-20 KV/400 V Z = 3%
PLN 20KV 50Hz
3.3. Teknik Analisa Data
terdistorsi akibat harmonisa dan spektrum harmonisa untuk tiga fasa. Secara visualisasi, spektrum harmonisa ini memberikan gambaran besar harmonisa yang terjadi karena pengoperasian beban non linier.
Untuk menghitung kapasitas hubung singkat didapat berdasarkan data transformator dan data kabel yang digunakan. Dimana hasil perhitungan hubung singkat ini untuk mendapatkan rangkaian ekivalen satu fasa dengan sistem sumbernya seperti Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Rangkaian ekivalen perhitungan hubung singkat
[Panel utama
X kabel pu
X trafo pu
Vpu
ISC
Dari hasil perhitungan hubung singkat akan dipergunakan untuk menentukan
nilai ratio arus hubung singkat dengan arus beban atau Short Circuit Ratio (SCR), seperti pada Persamaan (2.52). Dimana SCR adalah perbandingan antara arus hubung singkat dengan arus beban maksimum sebagai batas arus harmonisa sesuai standar
IEEE 519-1992.
3.4. Data Spesifikasi Transformator dan Kabel
a. Data Spesifikasi Transformator Distribusi Kapasitas daya Transformator 3 fase 160kVA, Tegangan 20 kV/400 V
Hubungan Dyn5 Impedansi Zsc : 3%
Pendingin minyak : Diala B Kenaikan suhu minyak: 55oC b. Data Spesifikasi kabel
Kabel yg digunakan jenis TIC 4 3/0 AWG dari transformator ke panel utama dengan panjang 400 meter. Data kabel dapat dilihat pada Tabel 3.2:
Tabel 3.2. Impedansi kabel saluran Jenis kabel Luas
penampang
Resistasi (r)
(ߗ/10 ft)
Reaktansi (x)
(ߗ/1000 ft)
Impedansi kabel
(z) (ߗ) 400 meter
TIC 1/0-7 0,106 0,098 0.139+j0.1286
Dimana 1 ft = 0,3048 m
Pengukuran karakteristik harmonisa pada panel utama gedung Rektorat ‐
Puskom Universitas Malikussaleh dilakukan dengan menggunakan alat ukur
harmonisa. Parameter data yang dapat diambil adalah komponen harmonisa
tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya, daya aktif, daya reaktif dan daya
semu seperti tertampil pada Tabel 3.3. Dari pengukuran tersebut akan terlihat nilai
setiap orde harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang nantinya
digunakan untuk menghitung besar kapasitas kapasitor yang harus digunakan
sebagai kompensasi faktor daya sistem.
Tabel 3.3. Data hasil pengukuran tegangan fasa, arus fasa, daya, faktor daya, besar THD tegangan dan arus.
Symbol Name Unit L1 L2 L3 Total
Total harmonic
distortion % 2.2 2.2 2.2
THD I
Total harmonic
THD Uxx
Phase to phase voltage
– THD %
Inull A 53.209
Freq 50.13
Data hasil pengukuran dengan menggunakan alat ukur Power Q Plus (merk)
METREL dalam bentuk tabel yaitu tegangan dan arus harmonisa orde h dapat dilihat pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4. Data hasil pengukuran tegangan dan arus harmonisa orde h.
40 0.1 0 0.1 0.162 0.182 0.132
44 0.1 0 0 0.24 0.114 0.053
48 0 0.1 0.1 0.115 0.095 0.217
49 0 0 0 0.043 0.138 0.082
THD 2.20% 2.20% 2.20% 18.30% 18.30% 20.70%
Sedangkan bentuk gelombang hasil pengukuran gelombang tegangan dan arus untuk tiga fasa dapat dilihat pada Gambar 3.4.
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.
-327.79 Started at 31.05.2011. 20:01:06 I(A)
[ph1] Current [ph2] Current
[ph3] Current
(ms)
Gambar 3.4. Hasil pengukuran bentuk gelombang arus tiga fasa
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.6 Power screen
Started at 31.05.2011. 20:01:06 I(A)
Gambar 3.5. Hasil pengukuran bentuk gelombang arus pada fasa R
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.6
Power screen
Started at 31.05.2011. 20:01:06 I(A)
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199.
Power screen
Started at 31.05.2011. 20:01:06 I(A)
Gambar 3.7. Hasil Pengukuran bentuk gelombang arus pada fasa T
0 19.969 39.938 59.907 79.876 99.845 119.814 139.783 159.752 179.721 199
Power screen Started at 31.05.2011. 20:01:06 I(A)
Gambar 3.8. Bentuk gelombang arus hasil pengukuran dengan THDI
Hasil pengukuran dilapangan dengan menggunakan alat ukur Power Q plus MI 2492 (merk METREL) pada sistem di gedung Rektorat - Puskom dapat dilihat bentuk gelombang arus hasil pengukuran dengan THDI sebesar 20,7 %. Dari Tabel 3.4 terlihat harmonisa arus orde ke 3, dan 5 yang masih melebihi standar IEEE 519-1992 yaitu sebesar 17,781 A, dan 3,161 A dari arus fundamental sebesar 88,98 A. Persen harmonisa orde ke 3 sebesar 19,98% dan persen harmonisa orde ke 5 sebesar 3,55%. Sementara harmonisa orde lainnya masih dibawah kondisi yang diizinkan. Pemodelan pemakaian single tuned filter dan filter orde tiga dengan
MATLAB/SIMULINK sesuai data pengukuran yang dilakukan untuk mengetahui hasil minimalisasi harmonisa dan perbaikan faktor daya sistem. Dalam hal ini dipilih amplitudo frekuensi harmonisa yang tertinggi yaitu frekuensi harmonisa ke 3 (h = 3) diantara amplitudo frekuensi harmonisa yang lainnya. Setelah penetapan frekuensi harmonisa ke 3 yang akan diminimalisasi, maka selanjutnya perlu dilakukan perhitungan filter untuk meminimalisasi harmonisa dan perbaikan faktor daya sistem tersebut.
3.6. Perhitungan Hubung Singkat Dan Batas Harmonisa
Rangkaian ekivalen analisa satu fasa menurut Gambar 3.3 untuk nilai X1
Dimana:
Untuk menentukan arus dasar sesuai dengan Persamaan (2.44) yaitu:
Untuk menentukan MVA hubung singkat sesuai dengan Persamaan (2.46) yaitu:
Sehingga nilai impedansi transformator sesuai dengan Persamaan (2.48) yaitu:
= 0,03 Ω
Nilai induktansi transformator (L) pada frekuensi 50 Hz dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.50).
Untuk mengetahui arus hubung singkat pada panel utama gedung Rektorat - Puskom sesuai dengan Persamaan (2.51) dimana terlebih dahulu dihitung nilai impedansi total sistem dari transformator ke panel utama gedung Rektorat - Puskom (ZS) yaitu:
Z S sistem = 0,03 + 0.139+j0.1286 = 0,169 + j0,1286
Arus beban nominal sebesar IL = 160000/(1,732x400) = 231A
Maka harga dari SCR (Short Circuit Ratio) yang dipakai untuk menentukan batas arus harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992 pada sistem kelistrikan sesuai dengan Persamaan (2.52) di gedung Rektorat - Puskom yaitu:
Nilai SCR masih dibawah nilai 20, maka sesuai Tabel 2.2 batas arus harmonisa standar IEEE 519-1992 yaitu THDI sebesar 5%. Dari nilai ini sudah jelas
bahwa sistem kelistrikan di gedung Rektorat - Puskom tidak boleh melebihi standar yaitu THD arus sebesar 5%. Dalam hal ini single tuned filter dan filter orde tiga dan diletakkan pada panel utama di gedung Rektorat - Puskom, dengan total daya sebesar 103440 watt. Penempatan single tuned filter dan filter orde tiga digedung Rektorat - Puskom untuk mengurangi harmonisa menuju ke panelutama.
MATLAB/SIMULINK harus merujuk sesuai diagram satu garis Gambar 3.2, mulai dari transformator sampai ke panelutama gedung Rektorat - Puskom.
3.7. Perhitungan Single Tuned Filter
3.7.1. Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya
Dari pengukuran pada Tabel 3.3 dapat dilihat nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif dan nilai faktor daya yaitu:
S = 56,5 kVA P = 42,5 kV Q = 37,4 kVAR Sehingga nilai faktor daya yaitu:
Untuk memperbaiki faktor daya dari 0,75 menjadi 0,95 dibutuhkan kompensasi kapasitor sesuai dengan Persamaan (2.32) yaitu sebesar:
Menentukan kapasitansi dari kapasitor sesuai dengan Persamaa (2.34) yaitu:
C
X f C
2 1
0 π
=
3.7.2. Menentukan parameter induktor L
Dalam menentukan parameter induktor L, harus ditentukan terlebih dahulu reaktansi induktif dari induktor sesuai dengan Persamaan (2.35) yaitu:
Menentukan tahanan dari induktor sesuai dengan Persamaan (2.37)
= 0,006133 Ohm
3.8. Perhitungan Filter Orde Tiga
3.8.1. Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya
Dari pengukuran pada Tabel 3.3 dapat dilihat nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif dan nilai faktor daya yaitu:
S = 56,5 kVA P = 42,5 kW Q = 37,4 kVar Sehingga nilai faktor daya yaitu:
Jadi kebutuhan kompensasi kapasitor per fasa sebesar 7832,75 VAr
Menentukan nilai reaktansi seperti Persamaan ( 2.38).
Menentukan nilai C2 sesuai dengan Persamaan (2.39).
XC2 = m . XC1
sehingga nilai
XC2 = 2 = 11,04 ohm
Nilai C2 yaitu:
Dalam menentukan parameter induktor L, terlebih dahulu menentukan nilai interval m sesuai dengan Persamaa (2.40) yaitu:
Sehingga persamaan disederhanakan menjadi, 9Rf2+ 3,4704 = 33,12 Rf Atau 9Rf2 – 33,12 Rf + 30,4704 = 0
Dengan bantuan MATLAB dengan menggunakan rumus ABC yaitu: a =9;
b =-33,12; c =30,47;
y =(-b+(sqrt(b^2-4*a*c)))/(2*a) y = 1,84
Nilai Rf didapat = 1,84 ohm. Dari nilai ini selanjutnya untuk menentukan nilai XL
dengan menggunakan Persamaan ABC juga dengan nilai,
A = -nXC1(1+m) = -3x (1+2) = -49,68
B = Rf2 + 3 Xc12 (1+2 m) = 1.84 2 + 3 2 (1+4) = 3,410 + 457,056 = 460,466
C = - Rf2 2(3 XC1)(1+3 XC12) = -33,12 2 2(3 5,52)(1 + 3 5,522)
= 1,84 2 (16,56) (92,4112) = 5652,12
>> a =-49,68; >> b =460,466; >> c =5652,12;
>> y =(-b+(sqrt(b^2-4*a*c)))/(2*a) y = 16,2639
Maka nilai XL didapat sebesar 16,2639 ohm dan nilai induktansi L pada frekuensi 150
Hz atau orde ke 3 yaitu:
L =16,2639 /(2 x 3,14 x 150) = 0,017 H 3.8.3. Menentukan parameter resistor R filter
Dalam menentukan parameter resistor menggunakan Persamaan (2.43) yaitu:
Nilai reaktansi transformator, saluran kabel, single tuned filter dan filter orde tiga, setelah dihitung dapat dirangkum seperti Tabel 3.5.
![Tabel 2.2. Jenis Peralatan terhadap THDI yang dibangkitkan [11].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/208058.16856/33.612.113.519.244.492/tabel-jenis-peralatan-terhadap-thdi-yang-dibangkitkan.webp)
![Tabel 2.5 Urutan dari komponen harmonisa [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/208058.16856/37.612.108.520.615.702/tabel-urutan-dari-komponen-harmonisa.webp)
