BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sumber Harmonisa
Beban non linier pada peralatan rumah tangga umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat penggunaan komponen semi konduktor pada sistem penyearah seperti Switching Power Supplies, UPS, komputer, printer, LHE, TV, battery charger. Proses kerja peralatan atau beban non linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal [11]. Secara simulasi MATLAB / SIMULINK untuk beban non linier dapat dilihat seperti Gambar 2.1.
Beban non linier pada peralatan industri, dimana IEEE 519-1992
mengidentifikasi sumber utama dari harmonisa pada sistem tenaga adalah meliputi konverter daya, busur peleburan, statik VAR kompensator, inverters, kendali fasa elektronika daya, cycloconverters, power supply DC PWM, DC drive, AC drive, dan
welding arc. Berikut ini secara simulasi MATLAB SIMULINK untuk beban non linier untuk industri dapat dilihat seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Bentuk gelombang tegangan dan arus akibat beban non linier 3 fasa
harmonisa adalah suatu gelombang arus atau tegangan sinusoidal yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Untuk menjelaskan harmonisa orde (h) untuk sebuah penyearah tiga fasa dari Gambar 2.2 dapat dirumuskan sebagai berikut:
h = k.q ± 1 Dimana: h = Orde Harmonisa
k = Urutan bilangan (0, 1, 2 ...) q = Jumlah pulsa penyearah
Besar harmonisa untuk penyearah terkendali 6 pulsa seperti Tabel 2.1. Tabel 2.1. Orde harmonisa terhadap persentase tegangan
Orde harmonisa % Tegangan Sudut phasa
1 100 -75
ke 1, 3, 5, 7, 9, dan 11 secara simulasi MATLAB SIMULINK dapat dilihat seperti Gambar 2.3.
Gambar 2.3. (a) Rangkaian sumber tegangan (b) Bentuk tegangan distorsi
2.2. Pengaruh Harmonisa
ini dapat menyebabkan kerugian keuangan karena biaya tambahan untuk pemeliharaan. Setiap komponen peralatan sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonisa walaupun dengan akibat yang berbeda. Dengan demikian komponen peralatan tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan harmonisa ganjil yang disebut triplen harmonic (harmonisa ke-3, 9, 15, 21, 27 dan seterusnya) yang sering disebut harmonisa urutan nol (zero sequence)[12].
Dapat dilihat hasil simulasi MATLAB SIMULINK pada Gambar 2.3 untuk menjelaskan secara visual agar lebih memahami terjadinya harmonisa urutan nol. Makin besar amplitudo harmonisa triplen, maka makin besar harmonisa urutan nol, sehingga akan memperbesar arus netral sistem. Bentuk gelombang urutan nol secara program MATLAB SIMULINK dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Harmonisa urutan nol
Harmonisa urutan nol yang tinggi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasa pada sistem. Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonisa antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 fasa 4 kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol.
2.3. Standar Batas Hamonisa
Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semikonduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan bentuk gelombang ini tidak terkait dengan sumber tegangannya. Keberadaan harmonisa pada kualitas daya sudah ditentukan batas yang diizinkan sesuai standar internasional yaitu IEEE-519-1992 [13]. Standar harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai seperti Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Batas THDV sesuai standar IEEE 519-1992
Untuk menentukan batas harmonisa arus sesuai standar IEEE 519-1992 sesuai nilai Short Circuit Ratio (SCR). Dimana SCR adalah perbandingan antara arus hubung singkat dengan arus beban nominal(Isc/IL) seperti Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Batas arus harmonisa sesuai standar IEEE 519-1992
Isc/IL
Orde harmonisa (dalam %) Total Demand
Distortion
Isc : Arus hubung singkat pada Point of Common Coupling (PCC) (Ampere) IL : Arus beban fundamental nominal (Ampere)
TDD : Total Demand Distortion (%)
2.4. Penyebaran Harmonisa pada Sistem Lima Rel Daya
Gambar 2.5. Model penyebaran distorsi tegangan dan arus pada sistem tenaga
Beban non linier berupa penyearah semi terkendali dan penyearah tak terkendali pada rel daya 5 dan rel daya 4. Pada rel daya tersebut terlihat jelas gelombang tegangan dan arus yang terdistorsi akibat yang ditimbulkan oleh beban
mengalami distorsi akibat beban non linier di rel daya 4 dan 5. Besar pengaruh distorsi tegangan dan arus akibat beban non linier pada sistem tergantung dari daya beban non linier tersebut dan impedansi sistem yang dilaluinya.
2.5. Perhitungan Harmonisa
Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linear atau alat yang mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [14]:
∑ cos …………..…... (2.1) Dan
∑
cos
….………...(2.2)Dimana:
Vo = Komponen DC dari gelombang tegangan (Volt)
io = Komponen DC dari gelombang arus (Ampere)
Pada umumnya untuk mengukur besar distorsi harmonisa baik individual ataupun total yang disebut dengan IHD dan THD. Untuk THD tegangan dan arus didefinisikan sebagai nilai RMS harmonisa diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS fundamentalnya, dengan tegangan DC nya diabaikan.
….………... (2.3)
Dan
………...…. (2.4)
Dengan mengabaikan tegangan dc (Vo) dan nilai Vrms digantikan dengan /√2,
sehingga THD tegangan dapat dituliskan dalam Persamaan (2.5).
... (2.5)
THD arus dapat dihitung sebagai berikut:
……...… (2.6)
2.6. Perhitungan Faktor Daya
Kondisi gelombang arus sinusoidal (tanpa harmonisa) terdapat sudut fasa antara tegangan dan arus. Pada frekuensi fundamental nilai faktor daya dapat juga dihitung dengan menentukan nilai cosinus dari sudut fasanya atau perbandingan antara daya
aktif (P) dan daya semu (S), faktor daya kondisi ini umumnya disebut dengan
Displacement Power Factor(DPF) [15,16,17] seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. (a) Sudut fasa gelombang tegangan (b) arus dan vektor segitiga daya
DPF dari vektor segitiga daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu pada frekuensi fundamental yaitu:
.
dimana:
P1 avg = . .
maka:
……….….… (2.7)
2.7. Filter Harmonisa
Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter
harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil
(a) (b)
. .
mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban non linier [18] diantaranya:
a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b. Penggunaan filter aktif.
c. Kombinasi filter aktif dan pasif.
d. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.
Disamping sistem diatas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi 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 mengakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan induktor sistem [19].
2.8. Filter Pasif
Untuk meredam harmonisa dalam sistem tenaga, maka kita perlu menggunakan
kapasitansi, dan unsur-unsur tahanan untuk mengendalikan harmonisa [20] lihat Gambar 2.7. Teknik filter pasif yang menggunakan double tuned filter atau Type-C filter yang memiliki impedansi yang rendah untuk arus harmonisa pada frekuensi tertentu atau frekuensi tinggi atau band-pass filters (damped filters) dapat memfilter
harmonisa di atas frekuensi tertentu (frequency bandwidth).
L
Gambar 2.7. Model filter pasif
Filter pasif secara ekonomi relatif murah dibandingkan dengan metoda lain untuk meredam distorsi harmonisa. Bagaimanapun, mereka mempunyai kelemahan atau kerugian karena berpotensi saling berinteraksi dengan sistem tenaga, dan penting sekali untuk menganalisa semua interaksi sistem yang mungkin terjadi saat mereka dirancang. Filter pasif bekerja sangat efisien bila filter tersebut dipasang dilokasi pembangkit harmonisa (beban non linier). Frekuensi resonansi harus dihindari dari setiap harmonisa atau pada frekuensi harmonisa lain yang dihasilkan oleh beban.
Filter umumnya di tuning lebih rendah dari frekuensi harmonisa untuk keamanan sistem. Rancangan filter fasif harus mempertimbangkan perkembangan sumber arus harmonisa atau konfigurasi dari beban sebab akan menyebabkan beban lebih yang
dapat berkembang menjadi panas yang berlebihan. Perancangan filter pasif memerlukan suatu pengetahuan yang tepat dari beban pembangkit harmonisa pada sistem tenaga. Banyak simulasi yang dilakukan untuk menguji kriteria di bawah kondisi beban yang berubah sesuai topologi jaringan tersebut.
1. Double tuned filter adalah filter harmonisa yang terdiri 2 buah single tuned
filter yang digunakan untuk mengurangi harmonisa 2 buah orde harmonisa diantara orde harmonisa yang ada. Didalam perhitungan penentuan nilai L dan C mengacu pada 2 buah orde harmonisa tersebut.
2. Third-orde filter adalah jenis filter high pass yang digunakan hanya melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off juga. Third-orde high-pass filter adalah filter frekuensi tinggi yang lebih efektif dalam mem-filter, tetapi memiliki rugi-rugi daya yang lebih besar dibanding second-orde high-pass filter.
Filter pasif selalu menyediakan kompensasi daya reaktif sampai batas tertentu sesuai besar Volt-Ampere dan tegangan dari bank kapasitor yang digunakan, mereka dapat dirancang untuk dua tujuan yaitu sebagai filter dan kompensasi faktor daya yang diinginkan. Jika saringan lebih dari satu digunakan sebagai contoh, sebuah
double tuned filter untuk harmonisa ke 5 dan sebuah lagi untuk harmonisa ke 7, atau harmonisa ke 11 dan ke 13. yang terpenting yang perlu diingat bahwa filter pasif menyediakan kompensasi daya reaktif.
dipasang, tapi dalam perhitungan resistor selalu ada dalam rangkaian seri, tahanan dalam dari reaktor yang terhubung secara seri terkadang menimbulkan panas yang berlebih pada filter. Semua arus harmonisa pada frekuensi bersamaan dengan tuned filter akan didapat impedansi rendah yang melalui filter tersebut.
2.9. Proses Eliminasi Harmonisa
Perlu dijelaskan bagaimana sebuah filter harmonisa mengubah sebuah gelombang terdistorsi menjadi berkurang distorsinya, seperti terlihat pada Gambar 2.8 dengan bantuan simulasi MATLAB SIMULINK. Hasil simulasi MATLAB SIMULINK
dapat menjelaskan proses eliminasi gelombang arus terdistorsi dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban non linier seperti yang ditunjukan 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 ditunjukan gelombang warna merah dengan tingkat distorsi gelombangnya mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat diperbaiki oleh filter
induktor dan kapasitor.
2.10. Double Tuned Filter
Double tuned passive filter mempunyai nilai impedamsi yang kecil jika frekuensinya besar. Sehingga Filter ini harus mempertimbangkan parameter kaitannya dengan frekuensi harmonisa. Bebarapa aspek berkaitan dengan faktor kualitas pada single tunedfilter yaitu:
1. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai tahanan dari kumparan reaktor.
2. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang diinginkan yang melaluinya.
3. Besar nilai Q menyiratkan mengenai frekuensi resonansi filter dan oleh karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa. Gambar 2.9 menunjukkan gambar rangkaian ekivalen Double tuned filter yang terdiri dari dua buah single tunedfilter dihubung paralel.
Single tunedfilter yang terdiri dari kapasitor (C) dihubung seri dengan induktor (L) dan tahanan (R). Penggunaan double tuned filter [21] yaitu:
1. Biasanya digunakan pada High Voltage Direct Current (HVDC) stasiun modern pada sistem tegangan tinggi dimana kapasitor utama C1 lebih besar agar lebih mudah untuk mengoptimalkan biaya /kVAR.
2. Menurunkan pembangkitan daya reaktif di cabang transmisi tenaga yang lebih rendah.
3. Masing-Masing filter pada dua harmonisa untuk mengurangi filter cabang dan rugi-rugi filter.
Karakteristik impedansi terhadap frekuensi harmonisa dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10. Karakteristik impedansi double tuned passive filter
Dari Gambar 2.10 terlihat impedansi paling rendah kondisi sekitar harmonisa orde ke 11 dan 13 yaitu pada frekuensi 550 dan 650 Hz. Jika Pada frekuensi tersebut parameter filter tidak diperhatikan maka akan mengakibatkan sistem mengalami beban besar atau hubung singkat.
Setiap filter memiliki kelebihan dan kelemahan dalam melakukan peredaman harmonisa pada sistem.
Kelebihan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Terjadi resonansi pada impedansi yang sangat rendah. 2. Sangat effisien pada daerah frekuensi yang sempit.
3. Single tuned filter secara normal mampu mengeliminasi frekuensi harmonisa yang paling besar yaitu harmonisa ke 11 dan 13.
4. Lebih sensitif terhadap tuning yang tidak tepat.
5. Dengan memberikan kapasitor utama yang besar maka kerja filter lebih optimal dan menurunkan biaya kVAR.
6. Double tuned filter merupakan model filter yang sederhana, dengan kriteria yang baik.
Kelemahan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Membutuhkan kVAR yang tinggi untuk mencapai performance yang sama seperti single tuned filter.
1 2
1 2
2.11. Perhitungan Double tuned filter [22]
Langkah merancang double tuned passive filter yaitu:
a. Menentukan nilai kapasitansi ΔQ untuk memperbaiki faktor daya, perbaikan faktor daya umumnya sekitaran 0,95 atau lebih tinggi lagi.
ΔQ = P(tan φawal – tan φtarget) ...(2.8)
b. Menghitung reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental yaitu:
Sehingga C1 diperoleh:
Selanjutnya daya reaktif Qc dibagi untuk orde 3 dan 5 yaitu Qa dan Qb dengan demikian nilai reaktansi masing-masing orde harmonisa menjadi:
Nilai kapasitor yaitu:
Sehingga
Dengan demikian nilai XL untuk orde 3 (XLa) dan orde 5 (XLb)
masing-masing yaitu:
Nilai induktansi masing-masing orde harmonisa yaitu:
.
Sehingga diperoleh nilai L1 pada rangkaian ekivalen double tuned yaitu:
... (2.16)
d. Menghitung tahanan reaktor untuk menentukan nilai faktor kualitas Q, dimana:
atau
.
Menentukan nilai tahanan R1 yaitu:
...(2.13)
...(2.14)
2 2
...(2.15)
.
dan nilai Q diambil sebesar 100
untuk menentukan nilai R2 dari rangkaian ekivalen double tuned yaitu:
e. Menentukan kapasitas C2 yaitu:
f. Besar L2 yaitu:
g. Menentukan R3 yaitu:
g. Menentukan R3 yaitu:
Dimana nilai a dan nilai x yaitu:
2.12. Type-C Filter
Untuk meredam harmonisa frekuensi rendah, Type C filter tepat untuk digunakan karena tidak ada rugi-rugi daya fundamental, derating VAR dan juga tepat untuk memfilter pada harmonisa yang tinggi. Type C filter mempunyai dua kapasitor dengan sebuah kapasitor dihubung secara seri dengan resistor dan induktor seperti Gambar 2.11. Dua kapasitor pada Type C filter mempunyai kapasitansi dalam (µF). Di dalam perencanaan untuk menentukan sebuah high-pass filter sebagai peredam harmonisa, maka ada berapa aspek yang harus dipertimbangkan [23] yaitu:
a. Dari Karakteristik yang terbentuk antara impedansi terhadap frekuensi, maka
Type C filter akan memerlukan suatu perhatian yang sangat khusus dibandingkan dengan single tuned filter.
b. Peredaman arus harmonisa yang menggunakan Type-C filter memerlukan ukuran yang berbeda terhadap komponen filter, terutama sekali bank kapasitor, bandingkan dengan single tuned filter. Sebagai contoh, sebuah kapasitor bank sebesar 3-MVAR yang digunakan untuk filter harmonisa ke lima dari 50Hz dalam aplikasinya boleh tidak mencapai nilai frekuensi 300 Hz.
c. Double tuned filter merupakan filter yang sederhana dalam aplikasinya, filter
tersebut dapat mengurangi rugi-rugi daya pada frekuensi dasarnya.
Untuk menyederhanakan rancangan filter, Kapasitor (C) dan induktor (L) dari Type-C filter terjadi resonans seri pada frekuensi dasar untuk mengurangi kerugian daya pada frekuensi fundamental. Type-C passive filter secara rangkaian dapat dilihat pada Gambar 2.11, dimana kapasitor (C1) dihubung seri dengan kapasitor (C2) dan induktor (L), kemudian induktor (L) dan kapasitor (C2) diparalel dengan resistor (R) yang tujuannya untuk damping filter.
Gambar 2.11. Rangkaian Type-C filter
Gambar 2.12. Kurva impedansi terhadap frekuensi Type-C filter
Type-C filter secara luas digunakan untuk harmonisa low pass orde. Type-C filter merupakan pengembangan dari high-pass filter orde ke-3. Faktor utama untuk menentukan parameter komponen yaitu:
1. Daya reaktif pada frekuensi fundamental. 2. Kondisi resonansi.
Kelebihan dari Type-C passive filter yaitu:
1. Type-C filter dengan tahanan (R) sebagai damping menghasilkan kriteria yang baik dan tidak terjadi resonansi pada sembarang frekuensi.
2. Rugi-rugi daya pada resistor rendah.
3. Kinerja lebih baik di banding third order filter.
Kelemahan dari Type-C passive filter yaitu terjadi penambahan biaya terhadap kapasitor. Karena menggunakan dua buah kapasitor . Kemudian dalam pengaturannya kemungkinan membutuhkan rangkaian pemutus.
2.13. Perhitungan Type-C Filter [24,25] Langkah merancang Type-C filter yaitu:
a. Menentukan nilai kapasitansi Qc untuk memperbaiki faktor daya, perbaikan faktor daya umumnya sekitaran 0,95 atau lebih tinggi lagi.
ΔQ = P(tan φawal – tan φtarget)
b. Menghitung reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental yaitu:
... (2.24)
c. Besar nilai C terhadap daya reaktif Qc dengan tegangan V pada orde harmonisa ke n yaitu:
1 ...………... (2.26)
d. Besar nilai L terhadap daya reaktif Qc dengan tegangan V pada orde harmonisa ke n yaitu:
...…………...(2.27)
d. Besar nilai faktor kualitas yaitu:
... (2.28)
Dimana :
V = tegangan sistem = kebutuhan daya reaktif
Q = faktor kualitas
High passType-C filter mampu meredam harmonisa ke 3, 5, dan 7. Jika L-C resonansi seri pada frekuensi fundamental dan jika tahanan (R) di by pass maka akan besar mengurangi rugi-rugi daya pada filter.
