TESIS
OLEH NAMA : A D A M
NIM : 107034004
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERBANDINGAN PENGGUNAANFILTER SINGLE TUNEDDAN
FILTER SECOND ORDER NTUK MEREDUKSI HARMONISA
PADA MOTOR INDUKSI SATU FASA YANG DIJALANKAN
DENGANPROGRAMMABLE LOGIC CONTROL
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH A D A M 107034004/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Telah diuji pada
Tanggal : 12 Desember 2014
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Eng. Ariadi Hazmi
(PLC) sebagai pengontrol dalam menjalankan motor induksi satu fasa untuk peroses diindustri, dimana Programmable Logic Control (PLC) mempunyai karaktristik beban tidak linear yang pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada Programmable Logic Control (PLC) dapat direduksi dengan menggunakan filter passive single tuned dan passive second order sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk mengurangi harmonisa tersebut dengan menggunakan program Matlab/Simulink dapat diketahui hasil yaitu dengan penggunaan passive single tuned filter dapat mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 16,55% sedangkan passive second order filter mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 17,59%. Pada setiap orde impedansi passive single tuned filter lebih kecil daripada impedansi passive second order filter, impedansi yang besar menyababkan panas lebih pada filter.
ABSTRACT
Programmable Logic Control (PLC) is a microcontroller made to meet the need of the industrial world. The use of Programmable Logic Control (PLC) as a control device in running one-phase induction motor to do a processing job in the world of industry, where the Programmable Logic Control (PLC) has a non-linear load characteristic generating harmonisa. Therefore, harmonisa arised in the Programmable Logic Control (PLC) can be reduced by using the passive single tuned filter and the passive second order filter that it can meet the standard of IEC61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to reduce the harmonisa by using Matlab/Simulink program as known their results such as by using passive single tuned filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 16.55% while by using passive second order filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 17.59%. At every order, the impedance of passive singled tuned filter was less than the impedance of passive second order filter. Greater impedance can cause the filter experience much more heat.
SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya. Shalawat beriring salam
kepangkuan Nabi Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia ke alam
yang penuh dengan ilmu pengetahuan.
Alhamdulillah, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul
“Perbandingan Penggunaan Filter Single Tuned dan Second Order untuk Mereduksi Harmonisa pada Motor Induksi Satu Fasa yang dijalankan dengan
Programmable Logic Control”.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof.
Dr. Ir. Usman Baafai selaku ketua pembimbing, Bapak Dr. Eng. Ariadi Hazmi selaku
anggota pembimbing yang telah banyak memberikan arahan dalam penyusunan tesis
ini. Terima kasih juga saya ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si dan Bapak
Dr. Marwan Ramli, M.Si yang banyak memberikan masukan untuk kesempurnaan
tesis ini.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu,
DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara dan
kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk
mengikuti pendidikan Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Bapak
Sekretaris Program Studi dan seluruh pegawai Magister Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara, penulis ucapkan terima kasih yang
sebesar-besarnya atas segala bantuan fasilitas yang telah diberikan. Kepada Bapak-Bapak staf
pengajar penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas bantuan dan
kerjasamanya selama perkuliahan.
Kepada rekan-rekan sesama mahasiswa angkatan ketiga Tahun Akademik
2010/2011 Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara Medan, penulis ucapkan terima kasih atas bantuan, dukungan, dan
kerjasama yang baik selama ini.
Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih, isteri
tercinta Yunelly Asra, SE. MM, anak tersayang Muhammad Shiddiq Al Amien serta
seluruh keluargaku atas segala motivasi, dorongan semangat, pengertian dan do’anya.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan ini, penulis
tetap mengharapkan masukan, kritik dan saran demi kesempurnaan tesis ini.
Akhir kata semoga Allah SWT selalu merahmati kita semua dan hasil
penelitian ini bermanfaat bagi kita semua, amiin.
Medan, Desembar 2014
ABSTRAK…………...... i
1.2 Perumusan Masalah ... 7
1.3 Batasan Masalah ... 7
1.4 Tujuan Penelitian ... 8
1.5 Manfaat Penelitian ... 1.6 SistematikaPenulisan ………... 8 9 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 11
2.1 Motor Induksi Satu Fasa ... 11
2.2 Programmable Logic Control(PLC) ... 16 2.3 Harmonisa ...
2.3.1 Perhitungan Harmonisa ...
2.3.2 Mengurangi Harmonisa ...
2.3.3 Batasan Harmonisa ...
21
22
24
2.4 Filter Pasif ...
2.4.1Passive Single Tuned Filter... 2.4.2 MerancangPassive Single Tuned Filter... 2.4.3 Passive Second Order Filter...
28
31
33
38
BAB 3 METODE PENELITIAN... 40
3.1 Teknik Pengukuran... 40
3.2 Teknik Analisa Data... 42
3.3 Hasil Pengukuran ... 43
3.4 Klasifikasi Arus HarmonisaProgrammable Logic Control (PLC) Berdasarkan StandarIEC 61000-3-2 Kelas D... 44
3.5 PerhitunganPassive Single Tuned Filter... 46
3.6 PerhitunganPassive Second Order Filter... 3.7 Perhitungan Impedansi FilterPassive Single Tuned……... 3.8 Perhitungan Impedansi FilterPassive Second Order…………... 49 52 54 3.9 Rangkaian Simulasi MATLAB/Simulink……… 55
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 63
4.1 Pendahuluan ... 63
4.2 Harmonisa Arus Setelah Pemasangan Passive SingleTuned Filter... 63
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 71
5.1 Kesimpulan... 71
5.2 Saran... 72
DAFTAR PUSTAKA... 73
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1 Konstruksi Motor Induksi Satu FasA (a) Bagian-bagin Motor Induksi
(b) Penempatan Stator dan Rotor ... 12
2.2 Susunan Bagian-bagianProgrammable Logic Control(PLC) ... 17
2.3 Rangkaian Komponen-komponenProgrammable Logic Control(PLC) .. 18
2.4 Sistem KomponenProgrammable Logic Control(PLC) ... 19
2.5 Bentuk Gelombang Gelombang Terdistorsi Harmonisa ke-3,5 dan 7 ... 21
2.6 Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem ... 29
2.7 FilterFassive Tuned(a).Single Tuned(b)Double Tuned ... 30
2.8 FilterFassive High-Pass, (a)First-Order, (b)Second Order, (c)Third-Order.. 30
2.9 Single Tuned Filter... 31
2.10 Prinsip Pereduksian Harmonisa... 32
2.11 Kompensasi Gelombang Filter ... 32
2.12 Segi tiga Daya Untuk Menentukan Kebutuhan Daya Reaktif Q ... 33
2.13 Frekuensi ResponSingle Tuned Filter ... 37
2.14 3.1 Passive Second Order Filter... Diagram Segaris Pengukuran dengan Alat Ukur Fluke 43B ………. 38 41 3.2 Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Filter Pasif ... 57
3.3 Hasil Simulasi Matlab/simulinkSebelum Pemasangan Filter ... 57
3.8 Rangkaian Simulasi dengan FilterPassive Single Tuned... 59
3.9 Rangkaian Simulasi dengan FilterPassive Second Order... 61
4.1 Bentuk Gelombang ArusPassive Single Tuned Filter... 64
4.2 Spektrum Harmonisa Arus Passive Single Tuned Filter... 64
4.3 Bentuk gelombang ArusPassive Second Order Filter ... 65
4.4 Spektrum Harmonisa Arus Passive Second Order Filter... 65
4.5 Diagram perbandingan sebelum pemasangan filter denganPassive Single Tuned Filterdan Passive Second Order Filter... 68
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan
daya 70 Watt ... 4
1.2 Penelitian Yang Sudah Dilakukan... 5
2.1 MasukanProgrammable Logic Control(PLC) ... 20
2.2 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas A ... 26
2.3 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas B ... 27
2.4 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas C ... 27
2.5 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas D ... 28
3.1 Impedansi Kabel Saluran... 42
3.2 Hasil Pengukuran Programmable Logic Control(PLC)... 43
3.3 Hasil Pengukuran Individual Distorsi Harmonisa Arus dan Tegangan.... 44
3.4 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standart IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt ... 45
3.5
3.6
4.1
Hasil simulasi IHDi setelah Pemasangan FilterPassive Single Tuned padaProgrammable Logic Control(PLC) ... Hasil simulasi IHDi setelah Pemasangan FilterPassive Second Order padaProgrammable Logic Control(PLC) ... Perbandingan arus harmonisa pada Programmable Logic Control (PLC) sebelum dan sesudah pemasangan passive single tuned filter dan passive second order filter...
60
62
ABSTRAK
Programmable Logic Control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang dibuat untuk keperluan dunia industri, penggunaan Programmable Logic Control (PLC) sebagai pengontrol dalam menjalankan motor induksi satu fasa untuk peroses diindustri, dimana Programmable Logic Control (PLC) mempunyai karaktristik beban tidak linear yang pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada Programmable Logic Control (PLC) dapat direduksi dengan menggunakan filter passive single tuned dan passive second order sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk mengurangi harmonisa tersebut dengan menggunakan program Matlab/Simulink dapat diketahui hasil yaitu dengan penggunaan passive single tuned filter dapat mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 16,55% sedangkan passive second order filter mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 17,59%. Pada setiap orde impedansi passive single tuned filter lebih kecil daripada impedansi passive second order filter, impedansi yang besar menyababkan panas lebih pada filter.
control device in running one-phase induction motor to do a processing job in the world of industry, where the Programmable Logic Control (PLC) has a non-linear load characteristic generating harmonisa. Therefore, harmonisa arised in the Programmable Logic Control (PLC) can be reduced by using the passive single tuned filter and the passive second order filter that it can meet the standard of IEC61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to reduce the harmonisa by using Matlab/Simulink program as known their results such as by using passive single tuned filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 16.55% while by using passive second order filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 17.59%. At every order, the impedance of passive singled tuned filter was less than the impedance of passive second order filter. Greater impedance can cause the filter experience much more heat.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi listrik merupakan peran penting dalam kehidupan diberbagai sektor
seperti di industri, perkantoran, rumah tangga dan sebagainya. Seiring dengan
perkembangan teknologi dibidang kelistrikan khususnya elektronika daya (power
electronic). Komponen elektronika daya seperti Dioda, Thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet banyak digunakan sebagaiswitchingpada peralatan elektronik seperti komputer, power supply, elektronik ballast, pengaturan listrik pada saluran tegangan rendah dengan programmable logic control (PLC). Perkembangan penerapan teknologi elektronika daya ini bukan hanya memberikan
dampak positif tetapi juga dampak negatif. Harmonisa merupakan salah satu dampak
negatif yang ditimbulkan dari penerapan teknologi. Harmonisa biasanya dihasilkan
oleh beban non-linier. Komponen elektronika daya adalah beban yang bersifat tidak linier dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang, baik arus maupun tegangan.
Distorsi gelombang ini biasa disebut harmonisa, yang merupakan salah satu
parameter dalam menentukan kualitas dari sistem tenaga listrik. Adanya harmonisa
dapat menimbulkan permasalahan antara lain faktor daya rendah, panas lebih, dan
dapat meningkatkan rugi-rugi energi listrik serta menurunkan kualitas sistem tenaga
listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain
Motor induksi merupakan motor yang paling banyak digunakan pada berbagai
peralatan industri dan rumah tangga. Konstruksi yang kokoh merupakan keuntungan
yang luar biasa dari motor induksi disamping harga yang murah, efesiensi tinggi pada
keadaan normal, mudah didapat, mudah untuk merawatnya dan dapat langsung
disambungkan ke sumber daya listrik alternating carent (AC). Motor induksi satu fasa yaitu motor dengan gulungan stator yang beroperasi dengan pasokan daya satu
fasa. Motor induksi ini banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti
kipas angin, mesin cuci, pompa air, lemari es, pendingin ruangan karena motor
induksi satu fasa mempunyai daya keluaran rendah dan untuk keperluan industri yang
membutuhkan daya listrik [2,3].
Motor induksi penerapanya sebagai peralatan industri tidak bekerja sendiri
tapi menggunakan peralatan pengontrol diantaranya dengan menggunakan
programmable logic control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang dibuat untuk keperluan dunia industri [4,5]. programmable logic control (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan (user frendly) yang memiliki fungsi
kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan yang beraneka ragam yang
digunakan peroses dalam indutri atau pengontrol mesin.
Programmable logic control (PLC) ini mempunyai karakteristik beban tidak linier yang mengakibatkan bentuk gelombang sisi masukan menjadi tidak sinusoidal
murni akibat adanya interaksi gelombang sinusoidal frekuensi fundamental dengan
gelombang lain yang dikenal sebagai harmonisa. Kadar harmonisa yang tinggi dalam
3
karena dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti penurunan kualitas sistem
tenaga listrik yang mengakibatkan pemanasan pada peralatan, penurunan faktor
daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi dari peralatan elektronika
yang sensitif dan menurunkan efisiensi.
Sinyal harmonisa yang timbul berada pada daerah frekuensi diatas frekuensi
aslinya (fundamental), permasalahan tersebut dapat diselesaikan dengan salah satu
cara menggunakan filter pasif [6,7]. Menggabungkan antara komponen R, L, dan C
akan berbentuk filter yang disebut dengan filter pasif. Penggunaan filter pasif
merupakan solusi yang tepat untuk mengurangi kadar harmonisa yang timbul akibat
pemakaian beban non-linear. Arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah, dengan pemasangan C arus dengan frekuensi tinggi akan
mengalir melalui kapasitor, karena kapasitor memiliki impedansi yang
rendah pada frekuensi tinggi. Penggunaan filter pasif ini berfungsi sebagai
penyedia jalur pada impedansi rendah untuk frekuensi resonansi yang diinginkan
Filter pasif mempunyai berbagai tipe, pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif
adalah single tuned filter, filter orde dua, filter pasif LC, filter orde tiga, serta filter tipe C [8,9,10,11].
Hasil pengukuran yang telah dilakukan dengan menggunakan alat ukur Power
Q Fluke 43B pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa di laboratorium elektronika dan sistem digital Kampus Pendidikan
Teknologi Kimia Industri (PTKI) Medan (Lampiran 1. Gambar 1, 3 dan 4). Nilai
Distorsi tegangan (THDV) 1,5 % dan daya terukur 70 Watt. Tabel 1.1 menunjukkan
hasil klasifikasi pengukuran pada inputProgrammable Logic Control(PLC).
Tabel 1.1 Klasifikasi Arus Harmonisa Pengukuran Berdasarkan Standar IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt.
Hasil Pengukuran IHDi Standar IEC 61000 3-2
Harmonisa Programmable Logic Control Kelas D (mA/W) Keterangan
ke-n % Ampere P = 70 W (Ampere)
3 86.80 0.2951 0.238 Tidak Sesuai
5 63.20 0.2149 0.133 Tidak Sesuai
7 38.80 0.1319 0.070 Tidak Sesuai
9 16.14 0.0549 0.035 Tidak Sesuai
11 3.90 0.0133 0.024 Sesuai
13 7.20 0.0245 0.021 Tidak Sesuai
15 4.20 0.0143 0.018 Sesuai
17 5.90 0.0201 0.016 Tidak Sesuai
19 1.30 0.0044 0.014 Sesuai
21 0.70 0.0024 0.013 Sesuai
23 2.00 0.0068 0.012 Sesuai
25 3.90 0.0133 0.011 Tidak Sesuai
27 2.00 0.0068 0.010 Sesuai
29 0.10 0.0003 0.009 Sesuai
31 0.70 0.0024 0.010 Sesuai
33 1.30 0.0044 0.008 Sesuai
35 1.30 0.0044 0.008 Sesuai
37 0.10 0.0003 0.007 Sesuai
39 THDi %
0.70 116,4
0.0024 0.007 Sesuai
Terlihat pada Tabel 1.1 menunjukkan hasil pengukuran IHDi pada
5
konsumen maka harmonisanya harus disesuaikan [12,13].
Penelitian ini bermaksud menganalisa perbandingan pengunaan filter single tuned dan second order untuk mereduksi harmonisa yang dihasilkan programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa. Penelitian
yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan dengan model filter pasif untuk
meredam harmonisa seperti pada Tabel 1.2.
Tabel 1.2 Penelitian yang sudah dilakukan
No Peneliti Judul Metode menjadi 9,9%, orde ke 5 menjadi 1,9% ored ke 7 menjadi 1,3% dan orde ke 15 menjadi 0,1% sudah sesuai standar IEEE 519-1992.
Tabel 1.2 Lanjutan
Penelitian yang telah dilakukan peneliti sebelumnya Tabel 1.2 baik yang
menggunakan filter pasif single tuned maupun second order keduanya dapat meredam harmonisa sesuai dengan standar yang digunakan. Perbedaan yang terdapat
pada filter pasif single tuned dan second order hanya pada hubungan rangkaiannya, untuk rangkaian single tuned komponen R, L dan C terhubung seri sedangkan
7
berdasarkan latar belakang penelitian yang sudah dilakukan peneliti bermaksud untuk
mengangalisis perbandingan seberapa besar hasil dari kedua filter pasif tersebut dapat
menurangi harmonisa dengan data yang diperoleh dari hasil pengukuran pada
programmable logic control (PLC) dengan cara melakukan perancangan dan simulasi dengan software MATLAB/Simulink. Dari besaran yang dihasil baik dari perhitungan dan simulasi yang berupa nilai, grafik dan signal dari harmonisa sebelum
dan setelah pemasangan filter akan dianalisa dan dibandingkan.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang diuraikan diperlu perbaikan dengan
demikian peneliti merumuskan masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana mengidentifikasi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa.
2. Bagaimana merancang simulasi filter pasif single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada
programmable logic control(PLC).
3. Bagaimana perbandingan harmonisa setelah filterisasi dengan menggunakan
filterpassive single tuned danpassive second orderpadaprogrammable logic control(PLC).
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah:
2. Tidak membahas tentang sumber harmonisa pada Programmable Logic Control(PLC).
3. Mengenai resonansi dan pengaruh terhadap system lain yang ditimbulkan oleh
pemakaian filtersingle tuneddansecond ordertidak dibahas. 4. Tidak memperhitungkan nilai ekonomis.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Merancang simulasi filter single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa, agar tercapai standarIEC 61000-3-2kelas D.
2. Untuk mengidentifikasi dan menganalisis sejauh mana pengaruh penggunaan
filter single tuned dan second order sebagai pereduksi akibat munculnya harmonisa padaprogrammable logic control(PLC).
3. Untuk mengetahui perbandingan penggunaan filter single tuned dan second order dalam mereduksi harmonisa (IHDI dan IHDV) yang dihasilkan programmable logic control(PLC).
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah:
9
2. Hasil penelitian ini dapat memberikan alternatif solusi yang dapat digunakan
untuk mengatasi masalah harmonisa padaProgrammable Logic Control (PLC) dengan beban motor induksi satu fasa.
4. Dapat meningkatkan umur peralatan-peralatan yang digunakan pada
laboratorium elektronika dan sistem digital.
5. Sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan sebagai berikut:
Bab 1: Berisikan pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan
sistematika penulisan.
Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan motor induksi satu
fasa programmable logic control (PLC), harmonisa, perhitungan harmonisa, mengurangi harmonisa, filter pasif, passive single tuned filter, merancang passive single tuned filter dan passive second order filter.
Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran,
teknik analisa data, hasil pengukuran, klasifikasi arus harmonisa pada
kelas D, perhitungan passive single tuned filter, perhitungan passive second order filter, perhitungan impedansi filter passive single tuned, perhitungan impedansi filter passive second order dan rangkaian simulasi MATLAB/Simulink.
Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan harmonisa
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Induksi Satu Fasa
Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas
digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja
berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini
bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai
akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating
magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.
Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari baik
diindustri maupun di rumah tangga. Di industri banyak digunakan di dalam berbagai
bidang dengan kapasitas yang besar dan.motor induksi satu fasa dioperasikan pada
sistem tenaga satu fasa banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah tangga
seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor
induksi satu fasa mempunyai daya keluaran yang rendah.
Motor induksi pada dasarnya mempunyai tiga bagian penting seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 2.1 stator merupakan bagian yang diam dan mempunyai
kumparan yang dapat menginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan
rotornya, celah udara tempat berpindahnya energi dari startor ke rotor dan rotor
merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari kumparan stator
(a) (b)
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Induksi Satu Fasa (a) Bagian-bagin Motor Induksi (b) Penempatan Stator dan Rotor
Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan
stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi yang
dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka kumparan stator akan
menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan
dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl)
atau tegangan induksi. Kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka
akan mengalir arus pada kumparan rotor. Kumparan rotor yang dialiri arus ini berada
dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor
akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator.
Belitan stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan akan menghasilkan
medan magnet yang berputar. Medan putar pada stator tersebut akan memotong
13
sehingga rotor akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran
relatif antara putaran medan stator dan putaran rotor disebut slip (S) [14].
Berdasarkan cara penamaan dan proses terjadinya medan putar rotor, maka
prinsip kerja motor induksi satu fasa adalah berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetik dimana bila sumber tegangan satu fasa dipasang pada kumparan
medan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan (n) yang ditunjukan
pada Persamaan (2.1) [14,15]:
= . ………(2.1)
Di mana:
ns= kecepatan sinkron (rpm) f = frekuensi stator (Hz) p= jumlah kutub stator (buah)
Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.
Akibatnya pada kumparan jangkar atau rotor akan timbul tegangan induksi (ggl).
Karena kumparan jangkar merupakan kumparan tertutup, ggl akan mengalirkan arus
pada kumparan rotor. Adanya arus dalam medan magnet akan menyebabkan
timbulnya gaya pada rotor. Apabila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya rotor cukup
besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator.
seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, tegangan induksi timbul karena
terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator, artinya agar tegangan
stator (ns) dengan kecepatan putaran rotor (nr).
Perbedaan kecepatan antara medan putar stator dengan perputaran rotor tersebut
disebut dengan slip (S) dan dinyatakan dengan Persamaan (2.2) :
= 100% ...(2.2)
Persamaan (2.2) dapat ditulis dengan Persamaan (2.3), (2.4), (2.5) dan (2.6):
nr= ns(1–S)...(2.3) Dengan demikian persamaan kecepatan slip menjadi Persamaan (2.7):
(ns–nr) = S.ns...(2.7) Maka diperolehlah frekuensi slip dengan Persamaan (2.8):
f2= ( ) nr= Kecepatan rotor (rpm) S = Slip
15
f1 =fs= Frekuensi suplai = frekuensi stator (Hz) f2 = Frekuensi slip = frekuensi rotor (Hz)
Pengaturan kecepatan motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara.
Berdasarkan pada Persamaan (2.8), maka variabel p(jumlah kutub) dan f(frekuensi) akan berpengaruh besar terhadap kecepatan putar motor induksi:
a. Pengaturan kecepatan dengan mengubah jumlah kutub motor.
Jumlah kutub motor induksi jenis sangkar bajing dapat diubah dengan
merancang kumparan stator sedemikian rupa, sehingga dapat menerima
tegangan sehingga dapat menerima tegangan masuk dari dua posisi kumparan
yang berbeda.
b. Pengaturan kecepatan dengan mengubah frekuensi jaringan.
Selain jumlah kutub, frekuensi yang berubah juga dapat berpengaruh pada
kecepatan putar motor induksi. Hal ini harus diperhatikan, bahwa dengan
mengubah frekuensi kerapatan fluks yang ada harus diusahakan tetap, agar
kopel yang dihasilkan tidak berubah, untuk itu tegangan pada jaringan harus
diubah seiring dengan perubahan frekuensi. Hal yang paling umum dalam
penerapan cara ini adalah dengan menggunakan perangkat yang dikenal
sebagai inverter.
c. Pengaturan kecepatan dengan mengubah resistansi tahanan rotor.
Seperti pada metoda pengasutan motor, motor induksi jenis rotor belitan yang
dihubungkan dengan tahanan luar dapat diatur kecepatan putarnya. Dengan
akan berubah, begitu juga dengan kecepatan putarnya. Adapun kerugian
yang ditimbulkan adalah rendahnya efisiensi pada saat kecepatan putarnya
dikurangi dan pengaturan kecepatan putarnya sangat dipegaruhi oleh
perubahan beban yang dipikulnya.
d. Pengaturan kecepatan dengan mengubah besarnya slip.
Mengingat hubungan slip dengan daya listrik dan pengaruhnya terhadap
tegangan dan kecepatan motor, maka metode ini pada prinsipnya
menggunakan hubungan tersebut. Pengaturan kecepatan dengan mengubah
nilai slip menggunakan suatu alat tambahan, baik elektrik, maupun elektronik.
Peralatan tambahan tersebut berupa sistem yang cukup rumit.
Dari sekian banyak metode untuk mengatur kecepatan putar motor induksi,
cara dengan mengubah frekuensi jaringan adalah yang paling umum digunakan yaitu
dengan menggunakan inverter. Dengan cara tersebut daerah pengaturan kecepatan
putarnya cukup lebar.
2.2 Programmable Logic Control(PLC)
Programmable logic control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang digunakan untuk keperluan industri. Programmable logic control (PLC) dapat dikatakan sebagai suatu perangkat keras dan lunak yang dibuat untuk diaplikasikan
dalam dunia industri [4,5]. Secara umum programmable logic control (PLC) memiliki bagian-bagian yang sama dengan komputer maupun mikrokontroler yaitu
17
logic control (PLC) sepeti terlihat pada Gambar 2.2 masing-masing bagian mempunyai fungsi yang berbeda-beda dan merupakan saling berhubangan dalam
memperoses suatu perintah untuk mengontrol peralatan yang dapat bekerja secara
otomatis.
Gambar 2.2 Susunan bagian-bagianProgrammable logic Control(PLC) [4,5]
Central processing unit merupakan bagian utama dan merupakan otak dari progammable logic control (PLC). Central processing unit ini berfungsi untuk melakukan komunikasi dengan prosonal computer, interkoneksi pada setiap bagian
programmable logic control (PLC) mengeksekusi program-program, serta mengatur inputdanoutputsistem. Memori merupakan tempat penyimpanan data sementara dan tempat menyimpan program yang harus dijalankan, dimana program tersebut
merupakan hasil terjemahan dari ladder diagram yang dibuat oleh user. Sistem memori dibagi dalam blok-blok dimana masing-masing blok memiliki fungsi
danoutput,sementara bagian memori yang lain digunakan untuk menyimpan variabel yang digunakan pada program. Catu daya (power supply) digunakan untuk
memberikan tegangan pada programmable logic control (PLC). Tegangan masukan programmable logic control(PLC) biasanya sekitar 24 VDC atau 220 VAC. Gambar 2.3 Rangkain komponen-komponenprogrammable logic control(PLC).
Gambar 2.3 Rangkaian Komponen–komponenProgrammable logic Control(PLC)
Kemampuan suatu sistem otomatis tergantung pada kemampuanprogrammable logic control (PLC) dalam membaca sinyal dari berbagai piranti input. Sinyal input dapat berupa logika 0 dan 1 (rendah dan tinggi) [4,5].
Suatu sistem otomatis tidak akan lengkap jika sistem tersebut tidak memiliki jalur
output. Output sistem ini dapat berupa analog maupun digital. Output analog digunakan untuk menghasilkan sinyal analog output digital digunakan untuk
menghubungkan dan memutuskan jalur piranti output yang sering dipakai dalam
19
Programmable Logic Control (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan (user frendly) yang memiliki fungsi kendali untuk berbagai tipe dan
tingkat kesulitan yang beraneka ragam, Gambar 2.4 Sistem komponen
Programmable Logic Control(PLC).
Gambar 2.4 Sistem KomponenProgrammable Logic Control(PLC)
Definisi programmable logic control (PLC) adalah sistem elektronika yang beroperasi secara digital dan di desain untuk pemakaian di lingkungan industri,
dimana sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan
secara internal instruksi-instruksi yang mengimpelementasikan fungsi-fungsi spesifik
seperti logika, urutan penentuan pencacah dan operasi aritmatika untuk mengontrol
mesin atau proses dalam industri [4,5]. Dalam programmable logic control (PLC) memiliki dua masukan yaitu 0 dan 1 atau rendah dan tinggi. Tabel 2.1 masukan
programmable logic control(PLC) 4 variabel.
PLC Program
Input module
Sensor
Central Control Unit Output
Module
Tabel 2.1 MasukanProgrammable Logic Control(PLC)
Berdasarkan namanya konsepProrammable Logic Control(PLC) adalah: a. Programmablemenunjukan kemampuan dalam hal memori untuk menyimpan
program yang telah dibuat dengan mudah diubah-ubah fungsi atau
kegunaanya.
21
membagi, mengurangi dengan mengunakan gerbang logika OR, AND, NOT
dan gerbang logika kombinasi.
c. Control menunjukan kemampuan dalam mengontrol dan mengatur proses sehingga menghasilkan output yang diinginkan. Memiliki bahasa
pemograman yang mudah dipahami dan dioperasikan.
2.3 Harmonisa
Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sitem distribusi tenaga listrik
yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang
arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang
dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [9]. Terdistorsinya
gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus kelipatan integer dari
gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan sehingga berakibat
pada terdistorsinya bentuk gelombang fundamental menjadi tidak sinusoidal murni.
Bila gelombang-gelombang tersebut dijumlahkan, maka bentuk gelombang yang
dihasilkan adalah seperti Gambar 2.5 bentuk distorsi gelombang akan lebih kompleks
lagi bila semua gelombang harmonik yang terjadi pada harmonik ke 3, 5 dan 7
dijumlahkan dengan gelombang frekuensi dasar. I total merupakan gelombang yang
terdistosi oleh harmonisa arus sinusoidal dari gelombang hamonisa arus ke 3, 5 dan
7. Besar amplitude harmonik biasanya hanya beberapa persen dari amplitude
gelombang dasar (I1) yang berbentuk sinusoidal murni.
2.3.1 Perhitungan Harmonisa
Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non-linier atau alat yang mengakibatkan arus non-sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yang ditunjukkan Persamaan (2.9) dan (2.10) [16,17].
( ) = + ( + ) ………....……(2.9)
( ) = + ( + ) ……….………….... (2.10)
Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi 2dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus dapat dilihat pada Persamaan (2.11) dan (2.12).
= ………….………...………….. (2.11)
= ……….………(2.12)
23
nilai RMS harmonisa urutan diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan dc nya diabaikan.
Besar Total Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus Persamaan (2.13) dan (2.14).
= = ( ) ... ..
= = ( ) ...………...….. (2.14)
Individual Harmonic Distortion (IHD)adalah perbandingan nilaiRMSpada orde harmonisa terdistorsi terhadap nilaiRMSpada frekuensi fundamental ditunjukan Persamaan (2.15) dan (2.16).
IHDv= = ...(2.15)
IH = = ... (2.16)
Dimana : = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi
= Arus harmonisa pada orde terdistorsi
Selanjutnya dari Persamaan (2.18) dapat diselesaikan menjadi Persamaan (2.19) dan
(2.20).
Sehingga arusRMSterhadapIHDIyaitu :
2.3.2 Mengurangi Harmonisa
Filter harmonisa harus dilakukan untuk mengurangi dampak yang ditimbulkan
terhadap sistem dan peralatan listrik. Banyak sekali cara yang digunakan
untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan
saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam atau mengurangi
harmonisa yang di timbulkan oleh bebannon-linieryaitu diantaranya [17,18]:
a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang
dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat
di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b. Penggunaan filter aktif.
c. Kombinasi filter aktif dan pasif.
d. Konverter denganAlternating Carent(AC)- reactordan lain-lain.
Sistem diatas mampu bertindak sebagai peredam harmonisa, dan juga dapat
memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya
langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka
akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar, proses ini
= + . = (1 + )………...…...(2.19)
25
diakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan reaktansi
induktif system.
.
2.3.3 Batasan Harmonisa
Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus
mengeliminasi semua harmonisa yang ada tapi cukup dengan mereduksi sebagian
harmonisa tersebut sehingga nilainya dibawah standar yang diizinkan. Hal ini
berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi
harmonisa secara teknik dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis
tidak membutuhkan biaya yang besar. Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai
batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa atau pun tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC
61000-3-2 [13]. Pada standar IEC 61000-3-2, beban-beban kecil tersebut
diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D dimana masing-masing kelas mempunyai
batasan harmonisa yang berbeda-beda yang dijelaskan sebagai berikut [12,14].
1. Kelas A
Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan
penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 amper
perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain
untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana
batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A
2. Kelas B
Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable yang batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat
Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada Tabel 2.3.
3. Kelas C
Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan dayainput aktifnya lebih besar 25 watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk persentase
arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing
masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.4
27
Tabel 2.3 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B
Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)
Tabel 2.4 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C
Harmonisa ke-n
Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)
dianggap memiliki dampak terbesar pada jaringan listrik. Khususnya personal
komputer, layar monitor dan penerima TV. Batasan arusnya diekspresikan dalam
600 W atau dalam ampere untuk peralatan yang lebih besar dari 600 W. Batasan arus
harmonisanya diperlihatkan pada oleh Tabel 2.5.
Tabel 2.5 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D Harmonisa
Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan
ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk
memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak
diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk
mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem
instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen utama
yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor seperti terlihat pada
Gambar 2.6 Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total
rating tegangan dan kVAR yang diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam
29
Gambar 2.6 Rangkaian Filter Pasif dalam Sistem
Terdapat dua jenis filter pasif yaitu filter seri dan filter paralel. Filter seri didesain
untuk digunakan pada jaringan utama. Sementara filter pasif paralel hanya menapis
arus harmonisa dan beberapa arus fundamental pada orde yang lebih kecil dari
jaringan utama. Sehingga filter paralel lebih murah ketimbang filter seri pada tingkat
efektifitas yang sama. Filter paralel juga memiliki kelebihan lain yaitu dapat
mensuplai daya reaktif pada frekwensi fundamental, dalam banyak aplikasi paling
umum digunakan filter paralel.
Gambar 2.7 dan 2.8 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif yang umum digunakan
beserta konfigurasi dan impedansinya. Single tuned filter ataubandpass filter adalah yang paling umum digunakan. Dua buah single tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double bandpass filter. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single-tunedfilter. Umumnya filter ini biasa digunakan pada tegangan rendah [16,18,19]. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang
rendah. Prinsip kerja dari filter pasif yaitu dengan mengalirkan arus harmonisa orde
Gambar 2.7. FilterFassive Tuned(a).Single Tuned(b)Double Tuned
Gambar 2.8 FilterFassive High-Pass, (a)First-Order, (b)Second Order, (c)Third-Order
memaksa arus orde tertentu mengalir ke jaringan filter, maka harga kapasitor harus
diatur sehingga terjadi resonansi pada jaringan. Saat terjadi resonansi , harga
impedansi saluran akan minimum karena hanya tinggal komponen resistansi.
31
2.4.1 Passive Single Tuned Filter
Single tuned filteradalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.9.Single tuned filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi
yang sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter.
Gambar 2.9Single Tuned Filter
Untuk mengatasi harmonisa di dalam sistem tenaga listrik yang paling
banyak digunakan adalah passive single tuned filter. Filter single tuned yang diletakkan secara paralel akan menghubung singkatkan arus harmonisa yang ada
dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga arus harmonisa yang
masuk tidak keluar menuju peralatan lain dan ke sumber tenaga listrik. Filter single tuned yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tingkat
harmonisa, penggunaan kapasitor dapat memperbaiki cos φ sistem, sedangkan
induktor berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitif
akibat adanya resonansi. Sebuah rangkaian filter single tuned dipasang pada frekuensi harmonisa sebagai filter, pemasangannya secara paralel dengan peralatan
kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama
dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter seperti pada Gambar 2.10.
Sumber Arus
Beban Non Linier Filter Single
tuned I1 Is
IF
Ih
Gambar 2.10 Prinsip Pereduksian Harmonisa
Kualitas dari sebuah filter (Q) adalah ukuran ketajaman penyetelan filter
dalam mereduksi harmonisa. Filter dengan Q tinggi disetel pada frekuensi rendah
(misalnya harmonisa kelima) dan nilainya biasanya berkisar antara 30 dan 100.
Dalam filter single tuned faktor kualitas (Q) didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi terhadap resistansi. Pada Gambar 2.11
diperlihatkan gelombang hasil dari penggunaan filter harmonisa dengan simulasi
Gambar 2.11 Kompensasi Gelombang Filter
33
Hasil simulasi MATLAB/Simulink dapat menjelaskan proses eliminasi
gelombang arus terdistorsi dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban
non-linier seperti yang ditunjukkan pada gelombang warna biru. Setelah kapasitor dan induktor yang digunakan sebagai filter untuk memperbaiki gelombang warna biru
dengan sinyal gelombang warna hijau, sehingga menghasilkan gelombang yang
terperbaiki seperti yang ditunjukkan gelombang warna merah dengan tingkat distorsi
gelombang mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi
gelombang dapat diperbaiki oleh induktor dan kapasitor.
2.4.2 MerancangPassive Single Tuned Filter
Merancang passive single suned filter yang terdiri dari hubungan seri Komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan adalah bagaimana
menentukan nilai parameter komponen-komponen dari passive single tuned filter [9,13,17].
Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk
segitiga daya seperti Gambar 2.12.
Kebutuhan daya reaktif dapat dihitung dengan pemasangan kapasitor untuk
memperbaiki faktor daya beban. Komponen daya aktif (P) umumnya konstan, daya semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya beban Persamaan (2.21):
Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) tan φ ………...……... (2.21) Dengan merujuk segitiga daya Gambar 2.12, maka daya reaktif pada paktor daya
awal diperoleh Persamaan (2.22):
Q1= P tan φ1 ……….……(2.22) Daya reaktif pada faktor daya yang diperbaiki diperoleh dari Persamaan (2.22)
menjadi Persamaan (2.23):
Q2= P tan φ2 ……….. (2.23)
Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya Persamaan
(2.24) dan (2.25):
Daya reaktif Δ Q = Q1- Q2 ………. (2.24) Atau
Δ Q = P(tan 1- 2) ………...………….….(2.25)
Besar nilai Δ Q yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang besarnya ditentukan berdasarkan Persamaan (2.25) dan besar nilai kapasitansi
kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya pada Persamaan (2.26).
Langkah-langkah perancangan Passive single tuned filteradalah:
35
untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor(Qc)Persamaan (2.26):
= {tan( ) tan( )}………....(2.26)
Dimana:
P= beban (kW)
pf1= faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki pf2= faktor daya setelah diperbaiki
b. Tentukan reaktansi kapasitor ( ) Persamaan (2.27):
= ………..………. (2.27)
c. Tentukan kapasitansi dari kapasitor(C)Persamaan (2.28):
= ……….….. (2.28)
d. Tentukan reaktansi induktif dari Induktor ( ) Persamaan (2.29):
= ………...(2.29)
e. Tentukan induktansi dari inductor ( ) Persamaan (2.30):
= ………...(2.30)
f. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning ( ) dengan Persamaan (2.31):
g. Tentukan tahanan(R)dari Induktor Persamaan (2.32):
= ………...…………. (2.32)
Besarnya impedansi single tuned filter pada frekuensi fundamental ditunjukan Persamaan (2.33) [4,9,13]:
= + ( ) ………...(2.33)
Pada frekuensi resonansi , Persamaan (2.33) menjadi Persamaan (2.34):
= + ………....(2.34)
Jika frekuensi sudut saat resonansi Persamaan (2.35):
= 2 ………(2.35)
Impedansi filter dapat ditulis Persamaan (2.36) dan (2.37):
= + 2 ………….……… (2.36)
= + ( ) ………. (2.37)
Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar, maka
diperoleh impedansisingle tuned filterseperti pada Persamaan (2.38):
………...(2.38)
Pada Persamaan (2.38) menunjukkan bahwa pada frekuensi resonansi,
impedansi single tuned filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil, lebih
37
kecil dari impedansi beban yaitu sama dengan tahanan induktor R, sehingga arus harmonisa yang mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan
dialirkan atau dibelokkan melalui single tuned filter dan tidak mengalir ke sistem. Frekuensi respon dari single tuned filter ditunjukkan seperti pada Gambar 2.13 dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari harmonisa
Gambar 2.13 Frekuensi Respon Single Tuned Filter[19]
(fr = 250 Hz), impedansi single tuned filter sangat kecil. Dengan demikian single tuned filterdiharapkan dapat mengurangi IHD tegangan dan IHD arus sampai dengan 10-30%. Besarnya tahanan R dari induktor dapat ditentukan oleh faktor kualitas dari
induktor. Faktor kualitas (Q) adalah kualitas listrik suatu induktor, secara matematis.
Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi
resonansi dengan tahanan semakin besar nilai Q yang dipilih maka semakin kecil
nilai tahanan dan semakin bagus kualitas dari filter dimana energi yang dikonsumsi
2.4.3 Passive Second Order Filter
Passive second-order filter adalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif induktor (L) dan tahanan (R) yang terhubung paralel dan seri dengan
kapasitor (C), seperti pada Gambar 2.14. passive second order filter yang sederhana dalam penggunaanya, filter yang cukup baik dan mengurangi rugi-rugi daya pada
frekwensi dasar [10,11,21,22].
Gambar 2.14Passive Second Order Filter
Merancangan filter passive second orderdalam menentukan nilai parameter induktor (L), kapasitor (C) dan tahanan (R).
Langkah-langkah perancangan filter passive second order mulai dari langkah (a) sampai langkah (e) sama dengan langkah-langkah perancangan filter passive singletuned. Pada langkah (f) menentukan karakteristik dari reaktansi ( ) dengan Persamaan (2.39):
= = = = ... (2.39)
Pada langkah (g) menentukan tahanan(R), dengan Persamaan (2.40):
39
Dimana Q adalah faktor kualitas filter, yang nilainya 0,5< < 5.
Impedansi untuk filter passive second order, impedansi harmonisa ke-h [ ( )] diperoleh menggunakan Persamaan (2.41), (2.42) dan (2.43):
( ) = + ………...(2.41)
(h) = - j ... (2.42)
(h) = ( )
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi yang
dimulai dari pengumpulan data kemudian melakukan pengukuran harmonisa,
pemodelan filter, dan perhitungan parameter filter. Pengukuran dilakukan pada
programmable logic control (PLC). Hasil pengukuran berupa nilai harmonisa tegangan (IHDv) dan harmonisa arus (IHDi). Filter yang digunakan berupa filter
passive single tuned dan filter passive second order selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan parameter dari filter tersebut yang akan digunakan.
Dari data hasil pengukuran dan data hasil perhitungan selanjutnya pemodelan beban
dan filter dan disimulasi dengan menggunakan program MATLAB/Simulink. Hasil
yang diperoleh berupa nilai individual distorsi harmonisa arus (IHDi) setelah simulasi
selanjutnya dibandingkan terhadap standar IEC61000-3-2 Kelas D.
3.1 Teknik Pengukuran
Perancangan filter akan dilakukan setelah melakukan pengukuran pada
programmable logic control (PLC) untuk mengetahui besar nilai harmonisa yang terkandung didalamnya. Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada
Laboratorium Elektronika dan Sistem Digital Pendidikan Teknologi Kimia Industri
41
harmonisa arus (IHDi) terbanyak yang melebihi standar IEC 61000-3-2 kelas D.
Pengukuran menggunakan alat ukur Fluke 43B Power Quality Analyzer, diagram segaris pengukuran seperti pada Gambar 3.1
Gambar 3.1 Diagram Segaris Pengukuran dengan Alat Ukur Fluke 43B
Data hasil pengukuran ditampilkan dalam bentuk daftar dan grafik secara langsung,
dan data tersebut dapat disimpan di komputer. Parameter yang dapat diambil adalah
komponen harmonisa tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya, daya aktif,
daya reaktif dan daya semu. Dari pengukuran tersebut akan terlihat nilai setiap orde
harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang nantinya digunakan
untuk data simulasi pada MATLAB/Simulink, serta digunakan menghitung besar
komponen yang harus digunakan sebagai kompensasi faktor daya sistem.
Tabel 3.1. Impedansi Kabel Saluran
NYM 3 2,5 7,41 0,104 0.11856+j0.001664
3.2 Teknik Analisa Data
Menghitung parameter filter yang akan digunakan untuk meredam harmonisa.
Hasil pengukuran digunakan sebagai acuan dalam menentukan parameter filter yaitu
kebutuhan kapasitor (C), induktor (L) dan resistor (R). Kapasitor, induktor dan
resistor akan dihubungkan secara seri dan paralel. Pada Tabel 3.4 diperlihatkan
perbandingan besar arus harmonisa antara hasil pengukuran dan standar
IEC61000-3-2 kelas D, dimana arus harmonisa dari hasil pengukuran dikategorikan sesuai atau
tidak sesuai standar IEC61000-3-2 kelas D.
Data hasil pengukuran berupa harmonisa arus dan harmonisa tegangan dari
tiap orde harmonisa digunakan dalam memodelkan beban non-linier programmable logic control(PLC) dan filter yang digunakan nantinya model ini akan disimulasikan dengan program MATLAB/Simulink. Hasil dari simulasi ini akan memperlihatkan
seberapa besar filter passive single tuned dan filter passive second order dapat mengurangi besarnya nilai harmonisa yang ditimbulkan programmable logic control (PLC). Nilai harmonisa setelah pemasangan filter akan dibandingkan dengan standar
IEC61000-3-2 Kelas D jika berada pada standar maka filter tersebut dapat digunakan
43
Besaran-besaran yang dihasil baik dari perhitungan dan simulasi yang berupa nilai,
grafik dan signal dari harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter akan
dianalisa dan dibandingkan.
3.3 Hasil Pengukuran
Hasil yang diambil dari pengukuran pada programmable logic control(PLC) yang diukur melalui alat Fluke 43B power Quality Analyzer. Hasil pengukuran pada programmable logic control(PLC) dapat dilihat pada Tabel 3.2 dan 3.3 :
Tabel 3.2 Hasil PengukuranProgrammable Logioc Control(PLC) Parameter Satuan Programmable Logic
Control V (Phase Voltage) Volt 207,6
I(Phase Current) Ampere 0,52 S (Apparent Power) kVA 0,12
P (Active Power) kW 0,07
Q (Reaktive Power) kVAR 0,90
PF (Power Factor) 0,63
Freq Hz 50,1
THDv % 1,5
THDi % 116,4
Pada Tabel 3.3 dapat dilihat data hasil pengukuran Individual Harmonisa
Distorsi arus (IHDi) dari setiap orde harmonisa. Orde harmonisa yang ditampilkan
adalah orde harmonisa dari orde ke-1 sampai dengan orde ke-39 dengan nilai yang
Elektrotechnical Commission(IEC) 61000-3-2 Kelas D, maka Individual Harmonisa Distorsi arus (IHDi) programmable logic control (PLC) hasil pengukuran ada yang tidak sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 Kelas D.
Tabel 3.3. Hasil Pengukuran Individual Distorsi Harmonisa Arus dan Tegangan
Harmonisa ke-n
Hasil pengukuran padaProgrammable Logic Control(PLC)
IHDi IHDv
3.4 Klasifikasi Arus Harmonisa Programmable Logic Control (PLC) Berdasarkan StandarIEC 61000-3-2 Kelas D
Sebelum merancang filter haruslah diketahui orde arus harmonisa mana dari
45
(PLC) menunjukan orde harmonisa yang tidak sesuai standar Internasional Elektrotechnical Commission (IEC) 61000-3-2Kelas D. Pada Tabel 3.4 menunjukkan klasifikasi arus harmonisa hasil pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2
Kelas D untuk programmable logic control (PLC) dimana arus harmonisa dari orde ke-3 sampai orde ke-39 dibandingkan terhadap standar IEC 61000-3-2 Kelas D.
Tabel 3.4 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt.
Hasil Pengukuran IHDi Standar IEC 61000-3-2
Harmonisa Programmable Logic Control Kelas D (mA/W) Keterangan
ke-n (%) (Ampere) P = 70 W (Ampere)
3 86.80 0.2951 0.238 Tidak Sesuai
5 63.20 0.2149 0.133 Tidak Sesuai
7 38.80 0.1319 0.070 Tidak Sesuai
9 16.14 0.0549 0.035 Tidak Sesuai
11 3.90 0.0133 0.024 Sesuai
13 7.20 0.0245 0.021 Tidak Sesuai
15 4.20 0.0143 0.018 Sesuai
17 5.90 0.0201 0.016 Tidak Sesuai
19 1.30 0.0044 0.014 Sesuai
21 0.70 0.0024 0.013 Sesuai
23 2.00 0.0068 0.012 Sesuai
25 3.90 0.0133 0.011 Tidak Sesuai
27 2.00 0.0068 0.010 Sesuai
29 0.10 0.0003 0.009 Sesuai
31 0.70 0.0024 0.010 Sesuai
33 1.30 0.0044 0.008 Sesuai
35 1.30 0.0044 0.008 Sesuai
37 0.10 0.0003 0.007 Sesuai
39 0.70 0.0024 0.007 Sesuai
THDi % 116,4
Terlihat pada Tabel 3.4 arus harmonisa orde 3, 5, 7, 9, 13,
Elektrotechnical Commission (IEC) 61000–3-2 Kelas D pada programmable logic control (PLC) sehingga diperlukan perancangan filter untuk mereduksi arus harmonisa yang tidak sesuai standar tersebut dalam penelitian ini menggunakan
filter passives single tuned filterdanpassive second order filter.
3.5 PerhitunganPassive Single Tuned Filter
Dalam menentukan besarnya parameter passive single tuned filter yang dibutuhkan terlebih dahulu menentukan nilai selisih terbesar dari orde harmonisa arus
yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D dari programmable logic control (PLC). Dari Tabel 3.4 diperoleh orde harmonisa ke-5 tidak sesuai standar
IEC61000-3-2 Kelas D dengan nilai selisih terbesar, oleh karena itu passive single tuned filter yang digunakan adalah passive single tuned filter untuk harmonisa orde ke-5. Untuk menentukan kapasitor (C), induktor (L) dan resistor (R) dari passive single tuned filter digunakan Persamaan (2.26) sampai dengan Persamaan (2.32), dan nilai dasar perhitungan diperoleh dari data hasil pengukuran pada programmable logic control (PLC) pada Tabel 3.2.
a. Perhitungan nilai kapasitas kapasitor (Qc)
Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya, dengan
memasukan nilai dari pengukuran pada Tabel 3.2 dapat dilihat nilai daya aktif, daya
semu, daya reaktif dan nilai faktor daya. Untuk memperbaiki faktor daya dari 0,63
menjadi 0,95 dibutuhkan kompensasi kapasitor. Untuk menghitung kapasitas
47
Jadi kebutuhan kapasitas kapasitor (QC) sebesar 63,28 VAR
b. Perhitungan nilai reaktansi kapasitor (XC)
Dengan menggunakan Persamaan (2.27) reaktansi kapasitor dari passive single tuned filter adalah :
= = (207,6)
63,28 = 681,064
c. Perhitungan nilai kapasitansi dari kapasitor (C)
d. Perhitungan nilai Reaktansi dari induktor (XL)
Dengan menggunakan Persamaan (2.29) reaktansi induktif dari induktor (XL)
passive single tuned filterorde ke-5 adalah: =
= = , = 27,243
e. Perhitungan nilai Induktansi dari induktor (L)
Dengan menggunakan Persamaan (2.30) induktansi dari induktor (L)passive single tuned filterorde ke-5 adalah:
= 2
= 27,243
2 3,14 50 = 0,08676
f. Perhitungan nilai reaktansi karakteristik dari filter( )
Dengan menggunakan Persamaan (2.31) nilai reaktansi karakteristik dari filter
( ) passive single tuned filterorde ke-5 adalah: =
= 5 27,243 = 136,215
g. Perhitungan nilai tahanan (R) dari induktor
Dengan menggunakan Persamaan (2.32) nilai tahanan (R) dari induktor
49
=
= , = 1,36215
Maka dari perhitungan diatas diperoleh parameter passive single tuned filter yaitu : kapasitor (C) = 4.680 µF, Induktor (L) = 0,08676 H dan Tahanan (R) =
1,36215
3.6 PerhitunganPassive Second Order Filter
Dalam menentukan besarnya parameter filter passive second order yang dibutuhkan sama dengan menentukan parameter filter passive single tuned terlebih dahulu menentu nilai selisih terbesar dari orde harmonisa arus yang tidak sesuai
standar IEC61000-3-2 Kelas D padaprogrammable logic control (PLC). Dari Tabel 3.4 diperoleh orde harmonisa ke-5 tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D
dengan nilai selisih terbesar, oleh karena itu filter passive second order yang digunakan adalah filterpassive second orderuntuk harmonisa ke-5.Untuk menentukan nilai Kapasitor (C) Induktor (L) dari filter passive second order digunakan Persamaan (2.26) sampai dengan Persamaan (2.30) dan Resistor (R) dengan Persamaan (2.39)
dan (2.40) nilai dasar perhitungan diperoleh dari data hasil pengukuran pada
programmable logic control(PLC) dapat dilihat pada Tabel 3.2.
Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya, dengan
memasukan nilai dari pengukuran pada Tabel 3.2 dapat dilihat nilai daya aktif, daya
menjadi 0,95 dibutuhkan kompensasi kapasitor.
a. Perhitungan nilai kapasitas kapasitor ( )
Untuk menghitung kapasitas kapasitor yang dibutuhkan dihitung
menggunakan Persamaan (2.26) yaitu:
= {tan( 1) tan( 2)}
Maka :
= {tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan(50,950) tan(18,195)}
= 70{(1,233 0,329)} = 70{0,904}
= 63,28
Jadi kebutuhan kapasitas kapasitor (QC) sebesar 63,28 VAR
b. Perhitungan nilai reaktansi kapasitif ( )
Dengan menggunakan Persamaan (2.27) maka besar nilai reaktansi kapasitif
( ) adalah:
= = (207,6)
63,28 = 681,064
c. Perhitungan nilai kapasitansi dari kapasiitf (C)
Dengan menggunakan Persamaan (2.28), maka besar nilai kapasitansi dari
51
= 1
2 . .
= 1
2 3,14 50 681,064 = 4,680 6
= 4,680 F
d. Perhitungan nilai reaktansi dari induktor( )
Dengan menggunakan Persamaan (2.29), maka nilai reaktansi induktor( ) passive second order filterorde ke-5 adalah:
=
X = = , = 27,243
e. Perhitungan nilai induktansi dari induktor (L)
Dengan menggunakan Persamaan (2.30), maka nilai induktansi dari induktor
(L)passive second order filterorde ke-5 adalah: =
2
= 27,243
2 3,14 50= 0,08676
f. Perhitungan nilai reaktansi karakteristik ( ) filter
Dengan menggunakan Persamaan (2.39) nilai reaktansi karakteristik ( )
=
=
= 0,08676
0,00000468
= 136,1560Ω
g. Perhitungan nilai tahanan (R)
dengan menggunakan Persamaan (2.40) Untuk menentukan nilai tahanan (R)
filterpassive second orderorde ke-5 adalah:
= . Q dimana Q ( Faktor kualitas) 0,5< < 5
asumsi Q = 4,9
= . 4,9 = 136,156 . 4,9 = 667,1644
Dari perhitungan diatas diperoleh parameterpassive second order filter adalah : kapasitor (C)= 4,68 μ F, Induktor (L) =0,08676 dan Tahanan
(R) =667,1644
3.7 Perhitungan Impedansi FilterPassive Single Tuned
53
= + 2 1
2
= 2,27022 + 2 3,14 150 0,241 1
2 3,14 150 4,680 10 = 2,27022 + (227,022 226.8314)
= 2,27022 + (0,1906)
= (2,27022) + (0,1906) = 2,2782
Dengan cara yang sama dapat dihitung:
| | = 1.36694
| | = 0,97545
| | = 0,75993
| | = 0,62282
| | = 0,52456
| | = 0,45565
| | = 0,40505
| | = 0,36077
| | = 0,32644
| | = 0,29694
| | = 0,25330
3.8 Perhitungan Impedansi FilterPassive Second Order
Pada filterpassive second order, untuk menghitung impedansi harmonisa ke-h [ ( )] menggunakan Persamaan (2.43) maka impedansi yang diperoleh adalah :
( ) = ( )
(3) = 44,49571 + (217,93743 227,0213)
(3) = 44,49571 + ( 9,08390)
(3) = = (44,49571) + (− 9,08390)
(3) = 45,41349 Ω
Dengan cara yang sama diperoleh:
(5) = 27,44190 Ω
![Gambar 2.2 Susunan bagian-bagian Programmable logic Control (PLC) [4,5]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/347386.32021/34.612.130.513.227.424/gambar-susunan-bagian-bagian-programmable-logic-control-plc.webp)
