Minimasi Arus Netral Dengan Menggunakan Autotrafo Zig-Zag Pada Sistem Distribusi Tiga Fasa Empat Kawat

MINIMASI ARUS NETRAL DENGAN MENGGUNAKAN AUTOTRAFO ZIG-ZAG PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada

Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik

Oleh:

JUNAIDY SIPAYUNG NIM : 080402046

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

Arus netral merupakan arus balik yang mengalir pada kawat netral sistem

distribusi tiga fasa empat kawat yang merupakan penjumlahan vektor dari ketiga

arus fasa dalam komponen simetris. Idealnya arus netral sama dengan nol pada

saat beban seimbang namun pada kenyataannya penggunaan beban non linear dan

beban tidak seimbang mengakibatkan adanya arus netral dan bahkan melebihi

besar arus fasanya. Arus netral yang besar mengakibatkan panas yang berlebih

pada generator, menimbulkan kerusakan atau kesalahan kerja dari

peralatan-peralatan listrik yang terhubung pada transformator. Pada penelitian ini dilakukan

minimasi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan

menggunakan autotrafo zig-zag. Pemasangan autotrafo zig-zag pada sistem

distribusi tiga fasa empat kawat dapat mengurangi arus netral pada penghantar

netral sistem tiga fasa empat kawat, dimana terjadi pengurangan arus netral

sebesar 99,68 % yaitu dari semula 1,209934 A menjadi 0,003809 A.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat

dan rahmat-Nya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas

Akhir yang berjudul “MINIMASI ARUS NETRAL DENGAN MENGGUNAKAN AUTOTRAFO ZIG-ZAG PADA SISTEM DISTRIBUSI TIGA FASA EMPAT KAWAT”.

Adapun penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan yang

wajib dipenuhi mahasiswa untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan

pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,

Universitas Sumatera Utara.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu

Ayahanda (J.Sipayung) dan Ibunda (A.T.Sihombing), Kakakku (Ernita Sipayung,

Am.Keb), Adik-adikku (Akim Sipayung, Tenni Sipayung dan Novita Sipayung)

dan semua sanak saudara yang selalu memberikan semangat dan mendoakan

penulis dalam masa studi sampai menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya

Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan

dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis hendak menyampaikan

ucapan terima kasih kepada:

1. Bapak Ir. Zulkarnaen Pane dan Ibu Syiska Yana, ST, MT selaku Dosen

Pembimbing Tugas Akhir yang telah banyak meluangkan waktu dan

pikirannya untuk memberikan bantuan, bimbingan, dan pengarahan kepada

2. Bapak Ir. Masykur Sj, MT dan Bapak Yulianta Siregar, ST, MT selaku Dosen

Penguji Tugas Akhir yang telah banyak memberikan saran dan masukan

dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.

3. Bapak Ir. Zulfin, MT selaku Dosen Wali penulis yang senantiasa memberikan

bimbingan selama perkuliahan.

4. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim,M.Si dan Bapak Rachmad Fauzi, ST, MT

selaku Ketua Jurusan dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas

Teknik, Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis dan

seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro USU yang telah membantu

penulis dalam urusan administrasi.

6. Keluarga besar Laboratorium Distribusi dan Transmisi FT USU : Bapak Ir.

Zulkarnaen Pane, Bapak Bantu Karo-Karo, Bang Haogoaro Waruhu, Bang

Ahmad Suhendra, Bang Reza Budianto, Teguh, Fakhurazi, Jhon Palmer

Sitorus, Fahrul, dan Doni

7. Sahabat terbaik penulis dan juga tim AOC Teknik Elektro USU : Dedi

Panjaitan, Elvis Sinaga, Antonius Siswanto dan Raja Putra Sitepu yang selalu

memberikan motivasi, dan dukungannya.

8. Jean, Aprido, Frederick, Daniel, Eykel, Bayu, Andry Nico, Christian, Army,

Rizky, Ellis, Maria, William, Basten, Darminton, Pryandi, Junedi, Yusak,

David, Safril Ramadhan, Eka Rahmat, Andri Sitorus, Dina dan seluruh

teman-teman Mahasiswa Departemen Teknik Elektro FT-USU yang

9. Bang Leo dan Bang Herman Salim yang sudah banyak memberi masukan

kepada Penulis khususnya dalam hal program simulasi komputer.

10. Teman-teman 2nd Unggulan SMA Negeri 1 Sidikalang (Mariana, Efitri,

Martina, Rugun, Gabe, Ervanny, Ester, Eva, Jerika, Valentina, Yulia, Ruccy,

Bernat, Rianto, Frans, Jekson, Marwan, Midian, dan Irwan) yang senantiasa

memberikan dukungan dan semangat kepada penulis.

11. Semua orang yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu, yang telah

memberikan kontribusinya kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya.

Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun

demi penyempurnaan Tugas Akhir ini. Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat

bermanfaat bagi para pembaca. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih.

Medan, Juni 2013

Penulis

JUNAIDY SIPAYUNG

DAFTAR ISI

2.1 Arus Netral pada Sistem Tiga Fasa Empat Kawat ... 4

2.2 Sistem Simetris dan Seimbang ... 4

2.3 Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang ... 6

2.4 Rasio RMS dari Penghantar Netral dan Arus Fasa pada Sistem Simetris dan Seimbang ... 8

2.5 Triplen Harmonisa ... 9

2.6 Beban Non Linear ... 10

2.7 Pengurangan Arus Netral ... 11

2.7.1 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Passing ... 12

2.8 Autotrafo Zig-zag... 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 24

3.1Pengukuran ... 24

3.1.1 Tempat dan Waktu ... 24

3.1.2 Alat dan Bahan ... 24

3.1.3 Rangkaian Pengukuran ... 25

3.1.4 Prosedur Pengukuran ... 26

3.2 Simulasi ... 27

3.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag ... 27

3.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag ... 29

BAB IV HASIL DAN ANALISIS ... 33

4.1 Pengukuran Arus pada Penggunaan Beban Non Linear yang Seimbang ... 33

4.2 Simulasi ... 36

4.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag ... 36

4.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag ... 38

BAB V PENUTUP ... 44

5.1 Kesimpulan ... 44

5.2 Saran ... 44

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

2.1 Sistem tiga fasa simetris dan seimbang dimana tidak ada arus

urutan nol ... 5

2.2 Sistem tiga fasa tidak simetris dan tidak seimbang dimana ada arus urutan nol ... 8

2.3 Arus netral pada grounded wye system akibat triplen harmonisa ... 10

2.4 Hubungan tegangan dan arus pada beban non linier ... 10

2.5 Karakteristik gelombang tegangan dan arus pada beban non linier ... 11

2.6 Model pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing ... 13

2.7 Rangkaian urutan nol per fasa untuk pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing ... 14

2.8 Rangkaian belitan trafo zero blocking ... 16

2.9 (a) Fluksi magnetik urutan nol ... 17

2.9 (b) Fluksi magnetik urutan lainnya yang dibangkitkan pada zero blocking ... 17

2.10 Rangkaian pengganti magnetik urutan nol zero blocking ... 18

2.11 Hubungan autotrafo zig-zag ... 19

2.12 Rangkaian ekivalen urutan nol... 21

2.13 Rangkaian ekivalen urutan nol dimana tegangan urutan nol dihubung singkat ... 23

3.2 Rangkaian percobaan pengukuran arus ... 26

3.3 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus sebelum

menggunakan autotrafo zig-zag ... 27

3.4 Model simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo

zig-zag pada simulasi PSIM ... 28

3.5 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus setelah

menggunakan autotrafo zig-zag ... 30

3.6 Model simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo

zig-zag pada simulasi PSIM ... 30

4.1 Gelombang keluaran arus pada pengukuran arus akibat beban non

linear yang seimbang ... 35

4.2 Spektrum arus akibat penggunaan beban non linear yang seimbang . 35

4.3 Gelombang arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum

menggunakan autotrafo zig-zag ... 36

4.4 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan

autotrafo zig-zag ... 37

4.5 Gelombang arus hasil simulasi pengukuran arus setelah

menggunakan autotrafo zig-zag ... 38

4.6 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan

DAFTAR TABEL

No. Judul Halaman

3.1 Data pembebanan pengukuran arus ... 25

3.2 Data masukan simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan

autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM ... 29

3.3 Data masukan simulasi pengukuran arus setelah menggunakan

autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM ... 31

4.1 Data hasil pengukuran besar arus pada penggunaan beban non linear

yang seimbang ... 34

4.2 Hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-

zag ... 38

4.3 Hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-

zag ... 40

4.4 Hasil simulasi gelombang dan FFT arus netral sebelum dengan setelah

menggunakan autotrafo zig-zag ... 40

4.5 Data hasil simulasi arus netral sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

ABSTRAK

Arus netral merupakan arus balik yang mengalir pada kawat netral sistem

distribusi tiga fasa empat kawat yang merupakan penjumlahan vektor dari ketiga

arus fasa dalam komponen simetris. Idealnya arus netral sama dengan nol pada

saat beban seimbang namun pada kenyataannya penggunaan beban non linear dan

beban tidak seimbang mengakibatkan adanya arus netral dan bahkan melebihi

besar arus fasanya. Arus netral yang besar mengakibatkan panas yang berlebih

pada generator, menimbulkan kerusakan atau kesalahan kerja dari

peralatan-peralatan listrik yang terhubung pada transformator. Pada penelitian ini dilakukan

minimasi arus netral pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan

menggunakan autotrafo zig-zag. Pemasangan autotrafo zig-zag pada sistem

distribusi tiga fasa empat kawat dapat mengurangi arus netral pada penghantar

netral sistem tiga fasa empat kawat, dimana terjadi pengurangan arus netral

sebesar 99,68 % yaitu dari semula 1,209934 A menjadi 0,003809 A.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat sangat luas digunakan untuk

menyuplai beban satu fasa ataupun beban tiga fasa. Keberadaan dari beban-beban

non linear seperti televisi, radio, komputer, lampu hemat energi dan lain-lain yang

disuplai oleh sistem tiga fasa empat kawat akan menimbulkan harmonisa.

Harmonisa adalah arus atau tegangan yang nilai frekuensinya kelipatan bulat dari

frekuensi fundamental (di Indonesia 50 Hz) [1].

Salah satu pengaruh harmonisa pada sistem tiga fasa empat kawat adalah

timbulnya arus urutan nol yang tinggi di kawat netralnya sehingga mengakibatkan

arus netral yang tinggi juga. Kawat netral pada sistem tiga fasa empat kawat

merupakan jalur untuk arus urutan nol. Arus masukan dari beban-beban non linear

satu fasa mengandung komponen harmonisa yang berbeda dan salah satunya

adalah arus urutan nol yang besar. Selain itu, beban-beban satu fasa di sistem tiga

fasa mungkin didistribusikan tidak merata yang mana mengakibatkan beban tidak

seimbang yang serius dan komponen arus urutan nol fundamental yang nyata.

Karena komponen harmonisa urutan nol dan komponen urutan nol fundamental

dari arus beban tidak seimbang mengalir ke dalam kawat netral yang akan

mengakibatkan beban lebih pada kawat netral [2].

Harmonisa akan mengakibatkan arus netral yang tinggi pada sistem

distribusi tiga fasa empat kawat akibat penggunaan beban-beban non linear yang

arus netral dengan menggunakan autotrafo zig-zag pada sistem distribusi tiga fasa

empat kawat.

1.2Rumusan Masalah

Arus netral yang timbul pada kawat netral sistem tiga fasa empat kawat

didominasi oleh komponen arus urutan nol yang diakibatkan oleh penggunaan

beban non linear berupa lampu hemat energi kondisi seimbang. Keberadaan arus

netral yang tinggi tidak boleh diabaikan dan sebisa mungkin harus dikurangi. Pada

Tugas Akhir ini permasalahan utama yang dibahas adalah tentang minimasi arus

netral yang timbul akibat pemakaian beban non linier berupa lampu hemat energi

kondisi seimbang pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan

menggunakan autotrafo zig-zag yang disimulasikan dengan bantuan program

komputer yaitu program PSIM.

1.3 Batasan Masalah

Permasalahan dan pengurangan arus netral pada sistem distribusi tiga fasa

empat kawat merupakan cakupan bahasan yang luas dan kompleks. Untuk

penyederhanaan penyelesaian masalah, maka perlu dibuat batasan masalah, yaitu

hanya membahas :

1. Tegangan sumber diasumsikan seimbang dan simetris.

2. Beban non linear yang digunakan pada sistem tiga fasa empat kawat

berupa lampu hemat energi dengan kondisi beban yang seimbang.

3. Arus netral yang terjadi akibat arus harmonisa kelipatan tiga yang

pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.

4. Autotrafo zig-zag yang digunakan sebagai peminimasi arus netral

fasa yang perbandingan rasio belitannya 1 : 1 menjadi autotrafo tiga

fasa hubungan zig-zag.

1.4 Tujuan

Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk mengetahui berapa

besar pengurangan arus netral setelah dilakukan pemasangan autotrafo zig-zag

diantara beban-beban non linear berupa lampu hemat energi kondisi seimbang

dengan sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang terjadi akibat pengaruh

harmonisa kelipatan tiga karena pemakaian beban-beban non linier berupa lampu

hemat energi kondisi seimbang sehingga solusi ataupun cara penanganan

pengaruh harmonisa terhadap arus netral dapat dilakukan.

1.5Manfaat

Manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai solusi dalam

pengurangan arus netral akibat harmonisa kelipatan tiga pada sistem tiga fasa

empat kawat yaitu dengan menggunakan autotrafo zig-zag. Dengan berkurangnya

arus netral pada sistem distribusi tiga fasa fasa empat kawat maka tidak ada lagi

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Arus Netral pada Sistem Tiga Fasa Empat Kawat

Jaringan distribusi tegangan rendah adalah jaringan tiga fasa empat kawat,

dengan ketentuan, terdiri dari kawat tiga fasa (R, S, T) dan satu kawat netral. Jika

beban seimbang tidak ada arus netral. Namun, pada kenyataannya, beban tidak

seimbang karena kebanyakan jaringan menyuplai seperangkat peralatan dengan

beban satu fasa. Ketidakseimbangan tersebut menyebabkan timbulnya arus netral

dan meningkatnya rugi-rugi pada jaringan [3].

Arus netral dalam sistem distribusi tenaga listrik dikenal sebagai arus yang

mengalir pada kawat netral di sistem distribusi tegangan rendah tiga fasa empat

kawat. Arus yang mengalir pada kawat netral yang merupakan arus balik untuk

sistem distribusi tiga fasa empat kawat adalah penjumlahan vektor dari ketiga arus

fasa dalam komponen simetris.

Perkembangan jaringan distribusi ditandai dengan pemakaian sebagian

besar peralatan non linier. Dengan meningkatnya sejumlah peralatan non linier

menyebabkan adanya distorsi harmonik pada arus beban dan menyebabkan

meningkatnya rugi-rugi pada jaringan dan transformator [3].

2.2 Sistem Simetris dan Seimbang [4]

Dengan menggunakan transformasi fourier, arus fasa yang simetris dan

seimbang pada sistem dapat dituliskan. Arus pada penghantar netral dapat dicari

dengan penjumlahan arus dari ketiga fasa (R, S, dan T).

Adapun bentuk persamaannya yaitu :

(t) = sin − + + sin 3 − + + sin 5 −

+ + ... (2.2)

(t) = sin − + + sin 3 − + + sin 5 −

+ + ... (2.3)

(t) = 0 + 3 * sin( 3 + ) + 0 + ... (2.4)

dimana :

IR = arus pada fasa R

IS = arus pada fasa S

IT = arus pada fasa T

IN = arus pada kawat netral

Dapat dilihat bahwa harmonisa pertama (i = 6k + 1), dengan i adalah

urutan harmonisa dan k = 0,1,2....) di arus fasa dibentuk langsung dari sistem,

harmonisa ketiga (i = 6k + 3) merupakan komponen urutan nol dan harmonisa

kelima (i = 6k + 5) adalah komponen urutan negatif. Dimana arus pada kawat

netral hanya terdiri dari harmonisa ketiga.

Secara grafis, sistem simetris dan seimbang ditunjukkan pada Gambar 2.1.

2.3 Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang [4]

Dengan menggunakan transformasi fortescue, sistem tidak simetris dan

tidak seimbang dapat dituliskan sebagai penjumlahan dari komponen urutan

positif, negatif dan nol.

Adapun persamaannya adalah sebagai berikut :

̅ ,

Sebagai penjumlahan dari komponen urutan positif dan juga penjumlahan

dari komponen urutan negatif adalah nol (1+a+a2=0), maka hanya penjumlahan

dari komponen urutan nol saja yang ada pada penghantar arus netral.

Arus netral hanya memiliki komponen urutan nol dari arus fasa. Pada

sistem yang simetris dan seimbang, komponen urutan nol ini memiliki

korespondensi dengan harmonisa kelipatan tiga.

Dari Persamaan 2.7, sebagaimana hukum kirchoff dapat dituliskan

menjadi:

Dari persamaan diatas, amplitudo IN,i dan sudut phasa φN,i dari harmonisa

ke-i pada arus netral dapat dihitung. Amplitudo dari IN,i dari harmonisa arus pada

penghantar netral adalah:

, = , cos , + , cos , + , cos , + , sin , + , sin , + , sin ,

(2.10)

dimana :

IN,i : amplitudo dari urutan harmonisa ke i pada arus pada penghantar netral

IR,i, IS,i, IT,i, : amplitudo dari harmonisa dari arus pada fasa R,S,T

ΦR,i, φS,i, φT,i : sudut fasa dari harmonisa dari arus pada fasa R,S,T

Sudut fasa dari harmonisa ke-i di arus konduktor netral adalah:

Persamaan 2.10. Secara grafis sistem yang tidak seimbang ditunjukkan pada

Gambar 2.2 [5].

Gambar 2.2 Sistem tiga fasa tidak simetris dan tidak seimbang dimana ada arus urutan nol

2.4 Rasio RMS dari Penghantar Netral dan Arus Fasa pada Sistem Simetris dan Seimbang [4]

Untuk sistem yang simetris dan seimbang, rasio rms dari arus penghantar

netral dan arus fasa naik dengan meningkatnya harmonisa ketiga dan dengan

menurunnya harmonisa pertama dan kelima pada arus fasa. Arus pada penghantar

netral tidak mungkin melebihi tiga kali dari arus fasanya. Rasio maksimum

mungkin saja dapat terjadi jika harmonisa ketiga pada arus fasa adalah tak hingga

dibandingkan dengan harmonisa pertama dan kelima pada arus fasa.

= ∑( )

∑( ) ∑( ) ∑( ) (2.12)

dimana :

IN : nilai rms dari total arus pada penghantar netral

I fasa : nilai rms dari total arus pada penghantar fasa

Jika kita tinjau pada suatu kasus ini dimana arus fasa adalah harmonisa

ganjil I2n+1 dimana I2n+1 = qn x I1 (0 ≤q ≤1, n = 1,2,...) atau I3 = q x I1, I5 = q² x I1, I7

= q3 x I1, I9 = q4 x I1,…

Nilai rms dari arus fasa adalah:

I fasa = 1 + + + + … * = (2.13)

Maka nilai rms dari arus pada penghantar netral sebanding dengan :

= 3* + + + … * = ∗ (2.14)

Rasio rms dari arus pada penghantar netral dan arus fasa adalah:

= 3 = 3

( ) ( ) = (2.15)

Nilai maksimum dari rasio rms dari arus pada penghantar netral dan arus

fasa dapat dicari saat q = 1 (seluruh harmonisa pada arus fasa memiliki besar

yang sama) dan sebanding dengan √3

2.5 Triplen Harmonisa [6]

Triplen harmonisa adalah kelipatan ganjil dari harmonisa ketiga (h = 3, 9, 15, 21, 27, …). Hal ini penting diperhatikan khususnya pada sistem bintang yang

ditanahkan (grounded wye systems) karena adanya arus yang mengalir pada kawat netral. Arus pada kawat netral akan menjadi overload karena arus antar fasanya tidak saling menghilangkan. Gambar 2.3 menunjukkan suatu sistem yang

seimbang dan diasumsikan komponen fundamental dan komponen harmonisa

ketiga hadir dalam sistem tersebut.

Diharapkan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasa R, S, dan T bernilai

pada konduktor netral mengalir arus triplen harmonisa dari ketiga fasa yang saling menjumlahkan yang besarnya tiga kali dari arus triplen pada setiap fasanya.

Gambar 2.3 Arus netral pada grounded wye system akibat triplen harmonisa

2.6 Beban Non Linear

Harmonisa bisa muncul dari beban yang terhubung ke sistem distribusi.

Beban-beban pada sistem tenaga listrik dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu

beban linier dan beban non linier. Namun yang menjadi sumber harmonisa adalah

beban non linier.

Beban non linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang

keluaran yang tidak sama dengan gelombang masukan. Artinya arus yang

mengalir tidak sebanding dengan perubahan tegangan dan hal ini tentunya tidak

sesuai lagi dengan hukum ohm. Beban non linier merupakan peralatan yang

didalamnya terdapat komponen semikonduktor seperti thyristor, dioda, dan

lain-lain. Adapun hubungan tegangan dan arus pada beban non linear ditunjukkan pada

Gambar 2.4 Hubungan tegangan dan arus pada beban non linier

Beban non linier dikatakan menjadi sumber harmonisa dikarenakan

adanya komponen semikonduktor yang dalam proses kerjanya berlaku sebagai

saklar yang bekerja pada setiap setengah siklus gelombang atau beban yang

membutuhkan arus yang tidak tetap pada setiap periode waktunya seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.5. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan/

distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Contoh beban non linier ini adalah

: UPS (Uninterruptible Power Supplies), printer, komputer, televisi, lampu hemat energi, dan sebagainya [7].

Gambar 2.5 Karakteristik gelombang tegangan dan arus pada beban non linier

2.7 Pengurangan Arus Netral [8]

Prinsip dasar yang diterapkan pada pengurangan harmonisa arus di

jala-jala sistem dengan cara mengeleminir komponen arus harmonisa yang

kawat umumnya harmonisa arus didominasi oleh komponen arus harmonisa orde

kelipatan tiga atau harmonisa arus urutan nol yang dibangkitkan dari beban-beban

non linier satu fasa, arus ini mengalir melalui kawat konduktor netral dan

merupakan arus netral sistem.

Untuk mengurangi harmonisa arus pada sistem ini, maka komponen arus

harmonisa urutan nol inilah yang dieleminir. Pengeleminiran arus harmonisa

urutan nol ini dilakukan dengan cara mengalirkan arus netral sistem langsung

kembali ke beban-beban non linier menggunakan pelalu arus urutan nol. Sehingga

arus harmonisa urutan nol ini tidak mengalir ke jala-jala sistem. Dengan pelaluan

arus netral ini, maka arus netral sistem menjadi sangat berkurang. Pelalu arus

urutan nol secara sederhana dapat dibuat dari rangkaian elektromagnetik berupa

trafo zero passing dan trafo zero blocking. Karena pada pelalu arus urutan nol ini tidak terdapat komponen kapasitor, maka resonansi pada sistem tidak mungkin

terjadi [8].

2.7.1 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Passing [8]

Zero passing adalah suatu rangkaian elektromagnetik yang berfungsi untuk melalukan arus harmonisa urutan nol. Oleh karena itu, suatu zero passing mempunyai impedansi yang rendah terhadap arus harmonisa urutan nol dan

impedansi yang tinggi terhadap arus urutan lainnya. Suatu zero passing bisa didapatkan dari beberapa konfigurasi rangkaian elektromagnetik multi belitan

seperti trafo Y-Δ, autotrafo zigzag dan autotrafo scott.

Metoda pelaluan arus harmonisa urutan nol atau arus netral sistem secara

sederhana dapat dilakukan dengan menggunakan sebuah pelalu arus urutan nol

passing dipasang secara paralel, sehingga suatu zero passing hanya boleh melalukan arus harmonisa urutan nol saja, oleh karena itu suatu zero passing harus mempunyai impedansi yang rendah untuk arus urutan nol dan impedansi

yang tinggi untuk arus urutan lainnya.

Konsep pelaluan arus netral atau arus harmonisa urutan nol menggunakan

zero passing pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat diperlihatkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Model pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing

Untuk penyederhanaan analisis pengurangan arus harmonisa di jala-jala

sistem maka digunakan rangkaian ekivalen urutan nol perfasa dari rangkaian

pengurangan harmonisa arus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7. Dalam

analisis ini, sumber tegangan tidak mengandung harmonisa dan hanya terdiri dari

komponen fundamental saja atau komponen urutan positif. Karenanya sumber

tegangan pada rangkaian pengganti urutan nol ini dapat dianggap sebagai suatu

rangkaian hubung singkat. Sedangkan beban-beban non linier dimodelkan sebagai

sehingga impedansi urutan nolnya dapat diabaikan. Karena impedansi urutan nol

sumber arus harmonisa relatif sangat besar terhadap impedansi urutan nol zero passing dan impedansi urutan nol sumber tegangan serta impedansi urutan nol jala-jala sistem, maka impedansi urutan nol sumber arus harmonisa ini pada

rangkaian pengganti urutan nol dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka.

Dengan demikian, rangkaian ekivalen urutan nol per fasa dari rangkaian

pengurangan arus harmonisa di jala-jala sistem tiga fasa empat kawat dapat

digambarkan seperti pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Rangkaian urutan nol per fasa untuk pengurangan harmonisa arus sistem menggunakan zero passing

dimana :

iRS, iSS, iTS adalah arus jala-jala fasa R, S dan T

iRB, iSB, iTB adalah arus beban fasa R, S dan T

iNB adalah arus netral beban

iZP adalah arus zero passing

iNS adalah arus netral sistem

iRZP, iSZP, iTZP, adalah zero passing R, S dan T

ZJ0 adalah impedansi urutan nol jala-jala sistem per fasa

ZS0 adalah impedansi urutan nol sumber tegangan per fasa

iNB0 adalah arus netral beban per fasa

iZP0 adalah arus zero passing per fasa

iNS0 adalah arus netral sistem per fasa

Karena hasil penjumlahan seluruh komponen arus harmonisa urutan positif

dan negatif sama dengan nol, maka arus netral beban adalah :

iNB = ∑~ [ sin {h0 (ωt) – Φh0}] (2.16)

dimana :

h0 = (3n)

dalam bentuk nilai efektifnya dapat dinyatakan sebagai

INB= 3 (∑~ [ ]2)1/2 (2.17)

Dari rangkaian urutan nol per fasa pada Gambar 2.7 dapat ditentukan besar

arus yang mengalir ke zero passingiZp0 adalah sebagai berikut :

iZp0 =

( )

( ) iNB0 (t) (2.18)

Dengan mensubstitusikan iNB0 Persamaan 2.16 ke Persamaan 2.18, maka

didapatkan persamaan arus yang mengalir ke zero passing iZp0, yaitu :

Total arus netral yang mengalir ke sumber tegangan setelah pengurangan

harmonisa arus menggunakan zero passing adalah :

iNS (t) = {1-KM1} 3 ∑~ √2 sin {h0 (ωt) – Φh0} (2.20)

untuk h1 = (3n-2) ; h2 = (3n-1) ; h0 = (3n)

2.7.2 Pengurangan Arus Netral Menggunakan Zero Blocking [8]

Zero blocking adalah suatu rangkaian elektromagnetik yang berfungsi untuk menahan arus harmonisa urutan nol, agar arus harmonisa urutan nol

tersebut sebesar-besarnya dapat dilalukan melalui zero passing untuk mendapatkan pengurangan arus harmonisa yang optimal. Oleh karena itu, suatu

zero blocking haruslah mempunyai impedansi yang besar terhadap arus harmonisa urutan nol dan impedansi yang rendah terhadap arus urutan lainnya. Untuk

memenuhi kriteria tersebut, suatu zero blocking dapat dibentuk dari tiga buah belitan identik pada suatu inti trafo tiga fasa seperti yang diperlihatkan pada

Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Rangkaian belitan trafo zero blocking

Arus netral sistem atau arus harmonisa urutan nol yang mengalir melalui

sumber tegangan akan mengalir juga melalui ketiga belitan trafo zero blocking. Karena arus-arus harmonisa urutan nol ini sefasa dan sama besar, maka fluksi

blocking akan sefasa dan sama besar pula, yaitu ΦOR, ΦOS dan ΦOT. Pembangkitan fluksi magnetik urutan nol pada masing-masing belitan zero blocking diperlihatkan pada Gambar 2.9 (a).

Gambar 2.9 (a) Fluksi magnetik urutan nol

(b) Fluksi magnetik urutan lainnya yang dibangkitkan pada zero blocking

Fluksi magnetik urutan nol pada masing-masing belitan zero passing adalah sefasa sehingga total fluksi urutan nol yang dihasilkan akan saling

menguatkan. Dengan demikian, zero blocking akan mempunyai impedansi urutan nol yang besar untuk dapat menahan arus urutan nol atau arus netral sistem.

Sedangkan arus urutan positif dan negatif yang mengalir melalui ketiga

belitan zero blocking akan membangkitkan fluksi magnetik urutan positif dan

negatif ΦR, ΦS dan ΦT yang sama besar dengan perbedaan fasa masing-masing

menentukan impedansi urutan nol dari suatu zero blocking dapat digunakan rangkaian pengganti seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Rangkaian pengganti magnetik urutan nol zero blocking Dari rangkaian pengganti magnetik zero blocking pada Gambar 2.10, total fluksi magnetik urutan nol yang dibangkitkan pada zero blocking adalah :

Φ0 = ∑ _{( )}Φ sin{ℎ } (2.21)

dan amper-turn pada ketiga kumparan zero blocking yang dibangkitkan oleh arus urutan nol adalah :

3NI0 = H . l = Φ0[l / (µA)] (2.22)

dimana:

A adalah luas lintasan fluksi magnetik

N adalah jumlah belitan

I adalah arus yang mengalir pada kumparan N

H adalah intensitas medan magnetik

l adalah panjang lintasan magnetik

Φ0adalah fluksi magnetik urutan nol

µadalah permeabilitas bahan magnetik

Karena reluktansi magnetik R didefenisikan sebagai :

maka fluksi urutan nol zero blocking dapat dinyatakan sebagai :

Φ0 = 3 N I0R (2.24)

Dengan demikian induktansi urutan nol zero blocking adalah :

L0= = 9 N 2

( )

(2.25)

Impedansi urutan nol zero blocking adalah :

ZB0 = + ( ) (2.26)

Apabila resistansi urutan nol R0 belitan sangat kecil dan dapat diabaikan,

maka nilai impedansi urutan nol zero blocking dapat ditentukan sebagai berikut :

ZB0= 9 ω0 N 2

( )

(2.27)

dimana :

ω0 = 2 π f0

f0 adalah frekuensi harmonisa urutan nol

2.8 Autotrafo Zig-zag

Autotrafo hubungan zig-zag dapat digunakan sebagai zero passing. Hubungan autotrafo zig-zag dapat juga dihasilkan dari menghubungkan belitan

tiga buah transformator satu fasa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.

N

Arus urutan nol di masing-masing fasanya yaitu (ir0(t), (is0(t) dan (it0(t)

mempunyai amplitudo yang sama dan fasa yang sama pada sistem distribusi tiga

fasa empat kawat, dan dapat ditunjukkan sebagai :

ir0(t) = is0(t) = it0(t) (2.28)

Arus netral merupakan penjumlahan dari arus urutan nol ketiga fasanya,

dan ditunjukkan sebagai :

in(t) = 3 ir0(t) (2.29)

Arus masukan mengalir ke titik ujung dari belitan primer sama dengan

arus yang mengalir keluar dari titik ujung belitan sekunder karena belitan

autotrafo zig-zag ini mempunyai perbandingan 1 : 1. Sehingga didapat bahwa :

izr (t) = izs (t) (2.30)

izs (t) = izt (t) (2.31)

izt (t) = izr (t) (2.32)

dimana :

ir0 : arus urutan nol pada fasa R

is0 : arus urutan nol pada fasa S

it0 : arus urutan nol pada fasa T

in : arus netral

izr : arus fasa R pada autotrafo zig-zag

izs : arus fasa S pada autotrafo zig-zag

izt : arus fasa T pada autotrafo zig-zag

Dari Persamaan 2.30, Persamaan 2.31, dan Persamaan 2.32 menyatakan

komponen arus urutan nol dari arus beban akan mengalir ke dalam autotrafo

zig-zag [1].

Adapun analisis dari autotrafo zig-zag dapat dijelaskan seperti pada

penjelasan berikut ini. Autotrafo zig-zag menyediakan impedansi rendah untuk

komponen urutan nol dan impedansi tinggi untuk komponen urutan positif dan

negatif. Sumber urutan nol pada autotrafo zig-zag terdiri dari dua yaitu tegangan

urutan nol (VS0(t)) dan arus urutan nol (iL0(t)) [9]. Gambar 2.12 menunjukkan

rangkaian ekivalen urutan nol [9].

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen urutan nol dimana

VS0(t) merupakan tegangan urutan nol

ZS0 merupakan impedansi urutan nol pada sumber

ZZN merupakan impedansi autotrafo zig-zag

iL0 merupakan arus urutan nol

ZLN merupakan impedansi dari kawat netral diantara beban dan autotrafo

zig-zag

ZNU merupakan impedansi antara kawat netral dengan sumber

Ketidakseimbangan terjadi akibat tidak seimbangnya distribusi dari beban

dimasing-masing fasa dan juga diakibatkan variasi tegangan pada fasa. Sumber

V ( t)

Dari Persamaan 2.33, tegangan urutan nol dapat dinyatakan sebagai

berikut :

VS0(t) = ( Vrn(t) + Vsn(t) + Vtn(t) ) (2.34)

dimana :

VS0 adalah tegangan urutan nol

VS1 adalah tegangan urutan positif

VS2 adalah tegangan urutan negatif

Vrn adalah tegangan fasa R ke netral

Vsn adalah tegangan fasa S ke netral

Vtn adalah tegangan fasa T ke netral

iL0(t) merupakan sumber arus urutan nol dan mengandung arus beban

fuldamental yang tidak seimbang dan arus harmonisa urutan nol beban. Arus

urutan nol dapat dinyatakan sebagai berikut :

Karena pada Tugas Akhir ini tegangan sumber diasumsikan seimbang dan

simetris maka pengaruh dari tegangan urutan nol (VS0(t)) dapat diabaikan. Untuk

mempertimbangkan pengaruh dari arus urutan nol (iL0(t)) maka tegangan urutan

nol (VS0(t)) harus diasumsikan menjadi hubung singkat seperti pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen urutan nol dimana tegangan urutan nol dihubung singkat

Dengan menggunakan terorema superposisi, maka arus netral sumber

(i’SN) dapat dinyatakan sebagai berikut :

i’SN(t) = iL0(t) (2.36)

dimana :

i’SN adalah arus netral sumber

ZZN adalah impedansi autotrafo zig-zag

ZS0 adalah impedansi urutan nol pada sumber

ZNU adalah impedansi antara kawat netral dengan sumber

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Metode yang dilakukan dalam penelitian adalah metode pengukuran dan

metode simulasi. Metode pengukuran dilakukan di Laboratorium Distribusi dan

Transmisi Teknik Elektro USU untuk mengukur besar arus pada sistem distribusi

tiga fasa empat kawat akibat penggunaan beban non linear berupa lampu hemat

energi dengan kondisi beban seimbang. Sedangkan metode simulasi dengan

menggunakan program PSIM untuk melihat pengaruh pemasangan autotrafo

zig-zag pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat untuk mengurangi arus netral.

3.1Pengukuran

Pada tahap ini, pengukuran dilakukan untuk mengetahui besar arus pada

sistem distribusi tiga fasa empat kawat akibat penggunaan beban non linear

berupa lampu hemat energi kondisi beban seimbang.

3.1.1 Tempat dan Waktu

Pengukuran arus pada sistem tiga fasa empat kawat dilakukan di

Laboratorium Distribusi dan Transmisi FT-USU pada hari Jumat, tanggal 8 Juni

2012, pukul 14.00 WIB – 16.00 WIB.

3.1.2 Alat dan Bahan

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian minimasi arus netral

dengan menggunakan autotrafo zig-zag pada sistem distribusi tiga fasa empat

kawat di Labotarorium Distribusi dan Transmisi Departemen Teknik Elektro,

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara adalah sebagai berikut :

2. Beban non linear berupa lampu hemat energi dengan rincian daya sebagai

berikut :

1. 23 Watt sebanyak 6 buah

2. 18 Watt sebanyak 6 buah

3. 8 Watt sebanyak 3 buah

3. Kabel penghubung.

4. MCCB tiga fasa 20 A.

Adapun daftar pembebanannya seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.1

Tabel 3.1 Data pembebanan pengukuran arus

Fasa Lampu Hemat Energi (watt) Total

(watt) LHE1 LHE2 LHE3 LHE4 LHE5

R 23 23 18 18 8 90

S 23 23 18 18 8 90

T 23 23 18 18 8 90

3.1.3 Rangkaian Pengukuran

Adapun blok diagram umum pengukuran arus sebelum menggunakan

autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Blok diagram umum pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

Sedangkan rangkaian percobaan pengukuran arus ditunjukkan pada

Gambar 3.2 Rangkaian percobaan pengukuran arus

3.1.4 Prosedur Pengukuran

Pengukuran arus dilakukan pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat

yang diakibatkan oleh beban non linear berupa lampu hemat energi kondisi beban

seimbang. Adapun rincian pembebanannya adalah sebagai berikut:

a) 90 Watt pada fasa R

b) 90 Watt pada fasa S

c) 90 Watt pada fasa T

Sedangkan prosedur percobaannya adalah sebagai berikut :

a. Buat rangkaian seperti Gambar 3.2.

b. Siapkan beban yaitu lampu hemat energi sesuai dengan daftar beban yang telah ditentukan sebelumnya seperti pada Tabel 3.1.

d. Ukur besarnya arus, dan kandungan harmonik pada masing-masing fasa dan netral menggunakan alat ukur Power Quality Analyzer Fluke 434/435.

e. Catat data hasil pengukuran pada tabel data yang tersedia.

f. Matikan (off-kan) MCCB.

3.2 Simulasi

Pada tahap ini, simulasi dilakukan dengan menggunakan program PSIM

untuk melihat pengaruh pemasangan autotrafo zig-zag pada sistem distribusi tiga

fasa empat kawat untuk mengurangi arus netral yang diperoleh dari hasil simulasi

pengukuran arus. Simulasi dilakukan dengan dua tahap yaitu simulasi pengukuran

arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dan simulasi pengukuran arus

setelah menggunakan autotrafo zig-zag.

3.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag

Hasil pengukuran arus pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat

disimulasikan dengan menggunakan program PSIM untuk melihat besar arus fasa

dan netral hasil simulasi. Adapun blok diagram umum simulasi pengukuran arus

sebelum menggunakan autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

Sedangkan model simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan

Gambar 3.4 Model simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM

Sebelum dilakukan simulasi maka perlu diketahui besar

parameter-parameter yang diperlukan sebagai data masukan untuk simulasi. Adapun data

masukan simulasi ditunjukkan pada Tabel 3.2.

Sedangkan langkah-langkah simulasi pengukuran arus sebelum

menggunakan autotrafo zig-zag dapat diurutkan sebagai berikut :

a. Buat rangkaian tegangan di masing-masing fasa (Vr, Vs, Vt) seperti pada

Gambar 3.4.

b. Tegangan fasa dihubungkan bintang dengan sebuah netral.

c. Buat impedansi sumber di masing-masing fasa (Zsr, Zss, Zst) dan impedansi

antara kawat netral dengan sumber (ZNU).

d. Buat model arus harmonisa (Ir1 s.d It17).

e. Buat Ampere meter (Ir, Is, It, In).

f. Buat simulation control.

g. Tentukan parameter masukan pada setiap komponen seperti pada Tabel

h. Jalankan simulasi dengan mengklik run simulation.

i. Buka simview untuk melihat bentuk gelombang arus dan FFT (Fourier Transform Laplace) arus.

Tabel 3.2 Data masukan simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM

3.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag

Pada tahap ini, hasil simulasi pengukuran arus netral sebelum

pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat yang disimulasikan dengan program

PSIM untuk melihat besar pengurangan arus netralnya. Adapun blok diagram

umum simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag

ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Blok diagram umum simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag

Sedangkan model simulasi pengukuran arus setelah menggunakan

autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Model simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM

Sebelum melakukan simulasi maka perlu diketahui besar

parameter-parameter yang diperlukan sebagai data masukan untuk simulasi. Adapun data

Tabel 3.3 Data masukan simulasi pengukuran arus setelah menggunakan

Dengan demikian, langkah-langkah simulasi pengukuran arus setelah

menggunakan autotrafo zig-zag dapat diurutkan sebagai berikut :

a. Buat rangkaian tegangan di masing-masing fasa (Vr, Vs, Vt) seperti pada

Gambar 3.6.

c. Buat impedansi sumber di masing-masing fasa (Zsr, Zss, Zst) dan impedansi

antara kawat netral dengan sumber (ZNU).

d. Buat model arus harmonisa (Ir1 s.d It17).

e. Buat autotrafo zig-zag dengan menghubungkan tiga buah transformator satu fasa ideal inverted/ dibalik.

f. Buat impedansi antara kawat netral autotrafo zig-zag dengan netral model arus netral (ZLN).

g. Buat Ampere meter (Ir, Is, It, In).

h. Buat simulation control.

i. Tentukan parameter masukan pada setiap komponen.

j. Jalankan simulasi dengan mengklik run simulation.

k. Buka simview untuk melihat bentuk gelombang arus dan FFT (Fourier Transform Laplace) arus.

Sedangkan analisis arus netral yang digunakan pada penelitian ini hanya

membandingkan data hasil simulasi pengukuran arus netral sebelum

menggunakan autotrafo zig-zag dengan data hasil simulasi pengukuran arus netral

setelah menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM. Apabila hasil

simulasi pengukuran arus netral setelah menggunakan autotrafo zig-zag pada

simulasi PSIM lebih kecil dari hasil simulasi pengukuran arus netral tanpa

menggunakan autotrafo zig-zag pada simulasi PSIM maka akan dianalisis berapa

persen pengurangan arus netral setelah pemasangan autotrafo zig-zag pada sistem

BAB IV

HASIL DAN ANALISIS

Pada bab ini akan dibahas dan dianalisis mengenai hasil pengukuran arus

pada saat penggunaan beban non linier berupa lampu hemat energi kondisi beban

seimbang pada sistem tiga fasa empat kawat dan besar perubahan minimasi arus

netral pada sistem tiga fasa empat kawat dengan menggunakan autotrafo zig-zag

yang disimulasikan dengan simulasi PSIM.

4.1 Pengukuran Arus pada Penggunaan Beban Non Linear yang Seimbang

Pengukuran arus pada sistem tiga fasa empat kawat dilakukan pada

tanggal 8 Juni 2012 di Laboratorium Distribusi dan Transmisi Departemen Teknik

Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun data hasil

pengukuran yang diperoleh dari pengukuran besar arus akibat penggunaan beban

non linear berupa lampu hemat energi dengan kondisi beban seimbang pada

sistem tiga fasa empat kawat ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Dari data hasil pengukuran arus pada penggunaan beban non linear yang

seimbang seperti pada Tabel 4.1 terlihat bahwa arus netral yang terjadi

diakibatkan oleh harmonisa orde ke-3, ke-9 dan ke-15 (harmonisa kelipatan tiga/

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran besar arus pada penggunaan beban non

Adapun bentuk gelombang keluaran arus pada pengukuran arus pada

beban non linear yang seimbang yaitu beban lampu hemat energi 90 Watt pada

fasa R, beban lampu hemat energi 90 Watt pada fasa S, dan beban lampu hemat

Gambar 4.1 Gelombang keluaran arus pada pengukuran arus akibat beban non

linear yang seimbang

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa meskipun kondisi beban non linear

dalam keadaan seimbang namun arus netralnya tetap besar bahkan melebihi arus

fasanya. Hal ini bisa terjadi karena bebannya merupakan beban non linear dan

arus yang mengalir pada penghantar netral disebabkan adanya komponen arus

urutan nol yang ditimbulkan oleh beban non linear.

Sedangkan bentuk spektrum arus pada pengukuran arus pada beban non

linear yang seimbang yaitu beban lampu hemat energi sebesar 90 Watt pada fasa

R, beban lampu hemat energi sebesar 90 Watt pada fasa S, dan beban lampu

hemat energi 90 Watt pada fasa T ditunjukkan pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Spektrum arus akibat penggunaan beban non linear yang seimbang

Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa besar arus netral pada harmonisa kelipatan

tiga lebih besar dibandingkan orde harmonisa lainnya, dan besar arus netral lebih

besar dibandingkan arus fasanya pada harmonisa kelipatan tiga orde ke-3, ke-9

dan ke-15. Hal ini terjadi karena arus netral diakibatkan oleh arus harmonisa

kelipatan tiga/ triplen harmonic akibat penggunaan beban non linear.

4.2Simulasi

Pada penelitian ini, minimasi arus netral dengan menggunakan autotrafo

zig-zag akan dianalisis dengan bantuan simulasi program komputer yaitu PSIM.

Pada simulasi ini akan dilakukan dua tahapan yaitu simulasi pengukuran arus

sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dan simulasi pengukuran arus setelah

menggunakan autotrafo zig-zag.

4.2.1 Simulasi Pengukuran Arus Sebelum Menggunakan Autotrafo Zig-zag

Pada penelitian ini, hasil pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo

zig-zag akan disimulasikan menggunakan bantuan program komputer yaitu PSIM.

Adapun hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

pada program PSIM berupa gelombang arus, dan FFT (fast fourier transform) arus. Gelombang arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan

autotrafo zig-zag ditunjukkan oleh Gambar 4.3.

Dari Gambar 4.3 terlihat bahwa arus yang mengalir pada penghantar netral

merupakan penjumlahan vektor dari ketiga arus fasanya. Meskipun besar ketiga

arus fasanya sama namun tetap ada arus netral karena sistem menggunakan beban

non linear yang merupakan sumber arus harmonisa penyebab terjadinya arus

netral akibat harmonisa kelipatan tiga orde ke-3, ke-9 dan ke-15.

Bentuk FFT arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan

autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

Dari Gambar 4.4 terlihat bahwa arus mengalir pada penghantar netralnya

sebesar 1,18 A (0,83 Arms) pada arus harmonisa kelipatan orde ke-3. Hal ini

hampir sama dengan hasil pengukuran arus netral pada sistem tiga fasa empat

kawat akibat penggunaan beban non linear yang seimbang yaitu sebesar 1,20 A

(0,84 Arms).

Hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo zig-zag

Tabel 4.2 Hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo

11 0,064992 0,062994 0,076991 0,029028

13 0,043993 0,045994 0,059991 0,018122

15 0,022995 0,022996 0,032993 0,078721

17 0,020994 0,020995 0,022994 0,010720

Dari hasil simulasi pengukuran arus sebelum menggunakan autotrafo

zig-zag terlihat bahwa arus netral yang terjadi diakibatkan oleh harmonisa kelipatan

tiga orde ke-3, ke-9 dan ke-15 dimana arus netralnya melebihi besar arus fasanya

bahkan mencapai tiga kali arus fasanya.

4.2.2 Simulasi Pengukuran Arus Setelah Menggunakan Autotrafo Zig-zag

Pada tahap penelitian ini, hasil simulasi pengukuran arus netral dikurangi

untuk memperkecil nilai arus netralnya dengan menggunakan autotrafo zig-zag.

Adapun hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag

pada PSIM berupa gelombang arus, dan FFT arus. Gelombang arus hasil simulasi

pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag ditunjukkan pada

Gambar 4.5.

Dari Gambar 4.5 terlihat bahwa setelah pemasangan autotrafo zig-zag

pada sistem tiga fasa empat kawat untuk meminimasi arus netral terjadi perubahan

arus netral yang signifikan dan bahkan mendekati keadaan idealnya (0 A). Hal ini

terjadi karena arus urutan nol yang mengalir pada sistem dilewatkan melalui

autotrafo zig-zag dan dikembalikan ke sumber arus urutan nolnya.

Bentuk FFT arus hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan

autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Gambar 4.6.

Gambar 4.6 FFT arus hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag

Dari Gambar 4.6 terlihat bahwa arus yang mengalir pada penghantar

netralnya semakin kecil mendekati keadaan idealnya yaitu sebesar 0 A. Hal ini

terjadi karena pengaruh pemasangan autotrafo zig-zag sebagai pelalu arus urutan

nol yang merupakan komponen dari arus netral.

Hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo zig-zag

ditunjukkan pada Tabel 4.3. Dari hasil simulasi pengukuran arus setelah

menggunakan autotrafo zig-zag terlihat bahwa terjadi pengurangan arus netral

Tabel 4.3 Hasil simulasi pengukuran arus setelah menggunakan autotrafo

11 0,062390 0,072148 0,068857 0,000008

13 0.049931 0,043059 0,056508 0,000007

15 0,003928 0,004373 0,006776 0,000006

17 0,022181 0,022422 0,019423 0,000005

Adapun perbandingan hasil simulasi gelombang dan FFT arus netral

sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dengan hasil simulasi gelombang dan

FFT arus netral setelah menggunakan autotrafo zig-zag ditunjukkan pada Tabel

4.4.

Tabel 4.4 Hasil simulasi gelombang dan FFT arus netral sebelum dengan setelah menggunakan autotrafo zig-zag

Arus Netral Sebelum Setelah

Gelombang

FFT

Dari Tabel 4.4 terlihat bahwa setelah pemasangan autotrafo zig-zag pada

sistem tiga fasa empat kawat bentuk gelombang arus netral berubah menjadi lebih

sinusoidal dan pada FFT-nya terlihat bahwa terjadi penurunan arus netral yang

signifikan yaitu dari 1,187233 A menjadi 0,000030 A pada harmonisa kelipatan

Sedangkan hasil simulasi data arus netral di program PSIM, sebelum

menggunakan autotrafo zig-zag dan setelah menggunakan autotrafo zig-zag

ditunjukkan pada Tabel 4.5.

Tabel 4.5 Data hasil simulasi arus netral sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dan setelah menggunakan autotrafo zig-zag

Orde Harmonisa Besar Arus Netral (A)(peak)

Sebelum Menggunakan

Total Arus Netral 1,209934 0,003809

Total arus netral diperoleh dari perhitungan dengan menggunakan

Persamaan 4.1 yaitu

IN = ∑ ( ) (4.1)

dimana :

h merupakan orde harmonisa ganjil kelipatan tiga

Besar arus netral sebelum menggunakan autotrafo zig-zag dapat dihitung

( 0,018122) + ( 0,078721) + ( 0,010720)

IN = ( 0,000916696729) + ( 1,409522196289) + ( 0,001384732944) +

( 0,001018120464) + ( 0,043617904801) + ( 0,000842624784) +

( 0,000328406884) + ( 0,006196995841) + ( 0,0001149184)

IN = ( 1,463942597136)

IN = 1,209934 A

Sedangkan besar arus netral setelah menggunakan autotrafo zig-zag

dapat dihitung sebagai berikut :

IN = ∑ ( )

IN = ( ) + ( ) + ( ) + ( ) + ( ) + ( ) + ( ) + ( ) +

( )

IN = ( 0,003809) + ( 0,000030) + ( 0,000018) + ( 0,000013) +

( 0,00001) + ( 0,000008) + ( 0,000007) + ( 0,000006) +

( 0,000005)

IN = ( 0,000014508481) + ( 0,0000000009) + ( 0,000000000324) +

( 0,000000000169) + ( 0,0000000001) + ( 0,000000000064) +

( 0,000000000049) + ( 0,000000000036) + ( 0,000000000025)

IN = ( 0,000014510148)

IN = 0,003809 A

Dari Tabel 4.5 terlihat bahwa arus netral yang mengalir di kawat netral

Untuk itu, arus netral yang besar harus kurangi agar tidak terjadi panas yang

berlebihan di kawat netral.

Dari hasil simulasi yang ditampilkan pada Tabel 4.5 terlihat bahwa

pemakaian autotrafo zig-zag sangat efektif untuk mengurangi besar arus netral.

Adapun besar pengurangan arus netral setelah penggunaan autotrafo zig-zag

sebesar :

% Pengurangan arus netral = x 100 % (4.2)

dimana :

In = arus netral sebelum minimasi

In’ = arus netral setelah minimasi

Maka besar pengurangan arus netralnya setelah pemasangan autotrafo

zig-zag pada sistem tiga fasa empat kawat adalah :

% Pengurangan arus netral = , ,

, x 100 %

= ,

, x 100 %

= 99,68 %

Dari hasil perhitungan, terlihat bahwa autotrafo zig-zag sangat cocok

digunakan untuk meminimasi arus netral karena pengurangan arus netralnya

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa :

1. Meskipun lampu hemat energi dalam kondisi beban yang seimbang akan

tetap menghasilkan arus netral yang besar bahkan besarnya tiga kali dari

arus fasanya.

2. Dengan bertambahnya orde harmonisa maka besar harmonisa kelipatan

tiga pada arus netralnya semakin kecil.

3. Autotrafo zig-zag dapat meminimasi arus netral dengan pengurangan

sebesar 99,68 % sehingga autotrafo zig-zag sangat efektif untuk

meminimasi arus netral.

5.2 Saran

Dari hasil penelitian ini, penulis menyarankan beberapa saran ataupun

masukan untuk penelitian selanjutnya yaitu :

1. Untuk membuat penelitian pengukuran arus netral akibat penggunaan

beban non linear berupa lampu hemat energi kondisi beban tidak seimbang

dimana jumlah wattnya sama dengan jumlah watt lampu hemat energi

kondisi beban seimbang untuk mengetahui besar arus netralnya.

2. Untuk membandingkan hasil penelitian ini dengan menggunakan simulasi

program komputer lainnya seperti MATLAB, ETAP, EMTP, dan lain-lain.

3. Untuk membuat langsung autotrafo zig-zagnya sehingga dapat melakukan

4. Untuk membandingkan hasil penelitian ini dengan penelitian minimasi

DAFTAR PUSTAKA

[1] S.Ranjith Kumar, S.Surendhar, Ashish Negi and P.Raja. Zig Zag Transformer performance analysis on harmonic reduction in distribution load. International Conference on Electrical, Control and Computer Engineering

Pahang, Malaysia, June 21-22, 2011.

[2] Hurng-Liahng Jou, Member, IEEE, Kuen-Der Wu, Jinn-Chang Wu, and Wen-Jung Chiang. A Phase Four-Wire Power Filter Comprising a Three-Phase Three-Wire Active Power Filter and a Zig–Zag Transformer. IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 23, No. 1, January 2008.

[3] P.Stojanovic, Dobrivoje et al. Measurement and Analysis of Neutral Conductor Current in Low Voltage Distribution Network. IEEE 2009.

[4] J. Desmet et al. Analysis of the neutral conductor current in a three phase supplied network with non-linear single phase loads. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003.

[5] Desmit, Jan & Baggini, Angelo. Neutral Sizing in Harmonic Rich Installations. Università di Bergamo, June 2003.

[6] Dugan, Roger C. dkk. 2004. Electric Power System Quality. Edisi Kedua. McGraw-Hill.

[7] De La Rosa, Francisco. C. 2006. Harmonics and Power Systems. New York: CRC Press.

[8] Syafrudin, Metode Baru Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Tenaga Listrik. Institut Teknologi Bandung, 2001.