PERBANDINGAN PASSIVE LC FILTER DAN PASSVE SINGLE TUNED FILTER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA VARIABLE SPEED DRIVE DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

PERBANDINGAN PASSIVE LC FILTER DAN PASSVE SINGLE TUNED FILTER UNTUK MEREDUKSI HARMONISA

VARIABLE SPEED DRIVE DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

TESIS

OLEH

NAMA : MUSTAMAM NIM : 107034005/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2014

PERBANDINGAN PASSIVE LC FILTER DAN PASSIVE SINGLE TUNED FILTER NTUK MEREDUKSI HARMONISA

VARIABLE SPEED DRIVE DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

TESIS

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

OLEH MUSTAMAM 107034005/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2014

Telah diuji pada Tanggal : 15 Juli 2014

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si

2. Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D 3. Dr. Eng. Ariadi Hazmi

Sebagian besar alat yang digunakan sebagai pengatur kecepatan putaran motor induksi tiga fasa adalah Variable Speed Drive (VSD) 1 fasa, di mana VSD merupakan pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada VSD dapat direduksi dengan menggunakan filter fasif yaitu passive LC filter dan passive single tuned filter sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas A. Hasil yang diperoleh dengan passive LC filter dapat mengurangi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 102,9% menjadi 23,78% sedangkan passive single tuned filter mengurangi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 102,9% menjadi 8,79%. Pada harmonisa ke 5 passive LC filter dapat mengurangi harmonisa dari 1,26 Amper menjadi 0,16 Amper , sedang passive single tuned filter dari 1,26 Amper menjadi 0,111 Amper. Impedansi yang dihasilkan passive single tuned filter lebih kecil yaitu 0,436 Ω sedang passive LC filter 8,34 Ω. Dengan demikian passive single tuned filter lebih baik untuk mereduksi harmonisa dibandingkan dengan passive LC filter.

Kata Kunci : Variable speed drive 1 fasa, motor induksi 3 fasa, harmonisa, passive LC filter, passive single tuned filter.

ABSTRACT

Most of the tools that used as speed control of three phase induction motors rotation is 1 phase Variable Speed Drive (VSD), where VSD is a harmonic generator.

Therefore the harmonics that arise in the VSD can be reduced by using passive LC filters fasif namely passive single tuned filter that meet the standards IEC61000-3-2 Class A.The results obtained through passive LC filter could reduce the total distortion of harmonic current (THDi) from 102.9% to 23.78% while passive single tuned filter reduced the total harmonic distortion current (THDi) from 102.9% to 8.79%. At the fifth harmonics passive LC filters could reduce the harmonics current from 1.26 Ampere to 0.16 Ampere, while passive single tuned filter could reduce the harmonic current from 1.26 Amper to 0.111 Amper. The impedance produced by passive single tuned filters was smaller that is 0.436 Ω while passive LC filters was 8.34 Ω . There by passive single tuned filter is better to reduce harmonics than passive LC filters is.

Keywords: 1-phase Variable Speed Drive, 3-phase induction motor, harmonics, passive LC filters, passive single tuned filters.

Alhamdulillah, segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah 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, pada akhirnya penulis telah dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul “Perbandingan Passive LC Filter Dan Passve Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonisa Variable Speed Drive Dengan Beban Motor Induksi Tiga Fasa”.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof.

Dr. Ir. Usman Baafai selaku ketua pembimbing, Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si 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. Eng. Ariadi Hazmi yang telah banyak memberikan masukan demi kesempurnaan tesis ini.

Terima kasih saya 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 Drs. Hasdari Helmi, MT selaku Sekretaris Program Studi dan seluruh pegawai Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, saya ucapkan

terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuan fasilitas yang telah diberikan.

Kepada Bapak-Bapak staf pengajar saya 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 Dra. Nazlah, serta kepada anak-anakku tersayang Ilham Kurnia Nst, Nada Ramadhani Nst dan Achmad Waladi Nst 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, Juli 2014 Tertanda,

Mustamam

Halaman

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR... vi

DAFTAR TABEL ... viii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 7

1.3 Batasan Masalah ... 7

1.4 Tujuan Penelitian ... 8

1.5 Manfaat Penelitian ... 9

1.6 Sistematika Penulisan ... 9

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 11

2.1 Motor Induksi Tiga Fasa... ………... 11

2.1.1 Pengaturan kecepatan motor induksi ... 14

2.2 Variable Speed Drive ... 15

2.3 Harmonisa ... 24

2.4 Perhitungan Harmonisa ... 25

2.5 Batasan Harmonisa ... 27

2.6 Filter Harmonisa ... 31

2.6.1 Filter pasif ... 31

2.6.2 Passive LC filter ... 33

2.6.3 Prinsip pereduksian harmonisa dari passive LC filter.... 33

2.6.4 Merancang passive LC filter ... 34

2.6.5 Passive single tuned filter ……….……... 37

2.6.6 Prinsip pereduksian harmonisa dari passive single tuned filter ... 40

2.6.7 Merancang passive single tuned filter .…..………... 43

BAB 3 METODE PENELITIAN ... 47

3.1 Teknik Pengukuran yang Dilakukan ... 47

3.2 Data Hasil Pengukuran ... 49

3.3 Perbandingan Klasifikasi Arus Harmonisa pada Variable Speed Drive (VSD) Berdasarkan Standar IEC61000-3-2 Klas A ... 54

3.4 Perhitungan Nilai L dan C dari Passive LC Filter ... 55

3.5 Perhitungan Nilai R, L dan C dari Passive Single Tuned Filter ... 59

3.6 Diagram Simulasi MATLAB/Simulink ... 63

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 68

4.1 Pendahuluan ... ... 68

4.2 Harmonisa Arus Setelah Pemasangan Passive LC Pilter ... 68

4.3 Harmonisa Arus Setelah Pemasangan Passive Single Tuned Filter ... 71

4.4 Perbandingan Hasil Simulink Passive LC Filter dan Passive Single Tuned Filter untuk Mereduksi Harmonisa Arus pada VSD ... 73

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 77

5.1 Kesimpulan ... ... 77

4.2 Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79 LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

2.1. Variable speed drive (VSD) tipe ATV12H075M2 ... 16

2.2. Rangkaian variabel inverter tegangan ... 17

2.3. Gelombang dari Variable Voltage Inverter (VVI)... 18

2.4. Skema sumber inverter arus ... 19

2.5. Gelombang output sumber inverter arus ... 19

2.6. Penyearah PWM satu fasa full bridge. (a) rangkaian penyearah PWM, rangkaian ekivalen dengan (b) T1 dan T4 On, (c) T₂ dan T₃On, (d) T₁ dan T₃ atau T₂ dan T₄ On ... 21

2.7. Bentuk gelombang tegangan dan arus pada penyearah PWM ... 22

2.8. Gelombang fundamental dengan gelombang harmonisanya ...… 25

2.9. Filter pasif ... 31

2.10. Jenis – jenis filter pasif ... 32

2.11. Rangkaian passive LC filter untuk inverter tiga fasa ... 33

2.12. Pemodelan passive LC filter ... 34

2.13. Rangkaian impedansi passive LC filter ... 34

2.14. Passive single tuned filter ... 38

2.15. Frekuensi respon dan sudut fasa passsive Single tuned filter ... 39

2.16. Pemodelan passive single tuned filter ... 42

2.17. Kompensasi gelombang filter ... 43

2.18. Rangkaian resonansi seri ... 43

2.19. Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif ... 45

Nomor Judul Halaman

3.1. Alat ukur Fluke 435 ... 48

3.2. Diagram penempatan passive LC filter dan passive single tuned filter ... 49

3.3. Bentuk gelombang arus dan tegangan hasil pengukuran ... 52

3.4. Bentuk spektrum harmonisa arus ... 53

3.5. Individual distorsi harmonisa arus ... 53

3.6. Bentuk spektrum harmonisa tegangan ... 53

3.7. Individual distorsi harmonisa tegangan... 54

3.8. Simulasi VSD sebelum pemasangan filter ... 65

3.9. Gelombang arus simulasi sebelum pemasangan filter ... 65

3.10. Spektrum arus simulasi sebelum pemasangan filter ... 65

3.11. Simulasi VSD dengan passive LC filter ... 66

3.12. Simulasi VSD dengan passive single tuned filter ... 67

4.1. Bentuk gelombang arus passive LC filter ... 69

4.2. Spektrum harmonisa arus passive LC filter ... 69

4.3. Bentuk gelombang arus passive single tuned filter... 71

4.4. Spektrum harmonisa arus passive single tuned filter ... 72

4.5. Diagram perbandingan sebelum pemasangan filter dengan passive LC filter dan passive single tuned filter ... 75

4.6. Grafik hubungan impedansi dengan harmonisa arus passive LC filter ... 75

4.7. Grafik hubungan impedansi dengan harmonisa arus passive single tuned filter ... 76

Nomor Judul Halaman 1.1. Penelitian mengenai model filter harmonisa

yang telah dilakukan ... 3

2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A... 28

2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B ... 29

2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C ... 30

2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D ... 31

3.1. Data hasil pengukuran ... 50

3.2. Data hasil pengukuran harmonisa arus dan tegangan ... 52

3.3. Perbandingan klasifikasi arus harmonisa pengukuran pada variable speed drive berdasarkan standar IEC61000-3-2 Kelas A ... 55

4.1. Perbandingan klasifikasi arus harmonisa pengukuran pada variable speed drive setelah pemasanga passive LC filter berdasarkan standar IEC61000-3-2 Kelas A ……….. 70

4.2. Perbandingan klasifikasi arus harmonisa pengukuran pada Variable speed drive setelah pemasanga passive single tuned filter berdasarkan standar IEC61000-3-2 Kelas A ... 73

4.3. Perbandingan arus harmonisa pada variable speed drive sebelum dan sesudah pemasangan passive LC filter dan Passive single tuned filter ... 74

ABSTRAK

Sebagian besar alat yang digunakan sebagai pengatur kecepatan putaran motor induksi tiga fasa adalah Variable Speed Drive (VSD) 1 fasa, di mana VSD merupakan pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada VSD dapat direduksi dengan menggunakan filter fasif yaitu passive LC filter dan passive single tuned filter sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas A. Hasil yang diperoleh dengan passive LC filter dapat mengurangi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 102,9% menjadi 23,78% sedangkan passive single tuned filter mengurangi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 102,9% menjadi 8,79%. Pada harmonisa ke 5 passive LC filter dapat mengurangi harmonisa dari 1,26 Amper menjadi 0,16 Amper , sedang passive single tuned filter dari 1,26 Amper menjadi 0,111 Amper. Impedansi yang dihasilkan passive single tuned filter lebih kecil yaitu 0,436 Ω sedang passive LC filter 8,34 Ω. Dengan demikian passive single tuned filter lebih baik untuk mereduksi harmonisa dibandingkan dengan passive LC filter.

Kata Kunci : Variable speed drive 1 fasa, motor induksi 3 fasa, harmonisa, passive LC filter, passive single tuned filter.

Most of the tools that used as speed control of three phase induction motors rotation is 1 phase Variable Speed Drive (VSD), where VSD is a harmonic generator.

Therefore the harmonics that arise in the VSD can be reduced by using passive LC filters fasif namely passive single tuned filter that meet the standards IEC61000-3-2 Class A.The results obtained through passive LC filter could reduce the total distortion of harmonic current (THDi) from 102.9% to 23.78% while passive single tuned filter reduced the total harmonic distortion current (THDi) from 102.9% to 8.79%. At the fifth harmonics passive LC filters could reduce the harmonics current from 1.26 Ampere to 0.16 Ampere, while passive single tuned filter could reduce the harmonic current from 1.26 Amper to 0.111 Amper. The impedance produced by passive single tuned filters was smaller that is 0.436 Ω while passive LC filters was 8.34 Ω . There by passive single tuned filter is better to reduce harmonics than passive LC filters is.

Keywords: 1-phase Variable Speed Drive, 3-phase induction motor, harmonics, passive LC filters, passive single tuned filters.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Motor induksi tiga fasa cukup banyak digunakan sebagai penggerak utama mesin-mesin di dunia industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai beberapa keuntungan antara lain, bentuknya yang sederhana, konstruksinya cukup kuat, harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi. Efisiensi tinggi pada keadaan normal, tidak menggunakan sikat sehingga rugi-rugi gesekan dapat dikurangi dan perawatannya yang minimum. Pada waktu mulai beroperasi tidak memerlukan tambahan peralatan khusus, sehingga motor induksi mulai menggeser pemasangan motor DC pada industri. Namun yang menjadi kelemahan dari motor induksi salah satunya adalah tidak mampu mempertahankan kecepatannya dengan konstan bila terjadi perubahan beban. Motor induksi memiliki beberapa karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban. Apabila terjadi perubahan beban maka kecepatan motor induksi akan menurun. Untuk mendapatkan kecepatan konstan serta memperbaiki kinerja motor induksi terhadap perubahan beban, maka dibutuhkan suatu pengaturan. Kemampuan pengaturan kecepatan putaran motor tergantung pada jenis motor serta sistem pengendalinya. Sebagian besar alat yang digunakan sebagai pengatur kecepatan putaran motor induksi tiga fasa adalah Variable Speed Drive (VSD) [1],[2],[3].

merupakan beban non linear. Pada beban non linear, beban tidak lagi menggambarkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang proporsional. Pemakaian beban non linear akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan sinusoidal yang tidak murni. Akibatnya akan terbentuk gelombang sinusoidal terdistorsi yang akan menghasilkan harmonisa sehingga akan dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti: menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang mengakibatkan pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi dari peralatan elektronik yang sensitif, menurunkan efisiensi. [1]. Banyaknya pemasangan VSD sebagai alat pengatur kecepatan putaran motor induksi tiga fasa pada suatu sistem tenaga, maka akan menyebabkan timbulnya harmonisa pada keseluruhan sistem. Munculnya harmonisa pada sistem akan menyebabkan kerusakan pada peralatan-peralatan lain yang tersambung pada sumber yang sama. Untuk menurunkan harmonisa dapat dilakukan dengan menggunakan filter pasif seperti passive LC filter maupun passive single tuned filter.

Dari pengukuran yang telah dilakukan dengan menggunakan alat ukur Power Q Fluke 435 pada VSD pada beban motor induksi tiga fasa dengan daya 750 watt di PLN Wilayah II Sumatera Utara. Besar harmonisa (THDi) yang dibangkitkan adalah 102.9% sedangkan harmonisa (THD_v) sebesar 3.5%. Berdasarkan standar International Electrotechnical commision (IEC) 61000-3-2 kelas A yang mengatur batasan harmonisa untuk konsumen batasan harmonisanya harus disesuaikan [4],[5].

Sinyal harmonisa yang timbul berada pada daerah frekuensi diatas frekuensi aslinya (fundamental). Masalah tersebut dapat diselesaikan dengan menggunakan

3

filter pasif [6],[7]. Dengan menggabungkan antara komponen R, L, dan C akan berbentuk filter yang disebut dengan filter pasif. Pemasangan filter pasif merupakan solusi yang tepat untuk mengurangi kadar harmonisa yang timbul akibat pemakaian beban non linear. Filter pasif mempunyai berbagai tipe. Pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif adalah, passive LC filter , single tuned filter, filter orde dua, filter orde tiga, serta filter tipe C. Penelitian ini menganalisa pemasangan perbandingan passive LC filter dan single tuned filter. Pemakaian filter pasif ini berfungsi sebagai penyedia jalur pada impedansi rendah untuk frekuensi resonansi yang diinginkan [8].

Penelitian ini bermaksud menganalisis perbandingan passive LC filter dan Passive single tuned filter seberapa besar dapat mereduksi atau mengurangi harmonisa pada sisi input Variable Speed Drive pada beban motor induksi tiga fasa dengan daya 750 watt. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki factor daya. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan dengan model filter untuk meredam harmonisa dengan berbagai teknologi seperti pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Penelitian mengenai model filter harmonisa yang telah dilakukan

No Nama Judul Penelitian

Metode Identifikasi Harmonisa

Jenis Filter yang Dirancang

Hasil yang Diperoleh

1. Dahono Pekik A., Purwandi, Qamaruzza man, IEEE, 1995 [6]

An LC Filter Design Method for single- Phase PWM Inverter

Simulasi percobaan dan

perhitungan.

Filter Pasif LC

Dari hasil percobaan dan perhitungan didapat kesesuaian dalam mengurangi harmonisa.

No Nama Judul Penelitian

Metode Identifikasi Harmonisa

Jenis Filter yang Dirancang

Hasil yang Diperoleh

2. Zargari, Navid R., et al.

IEEE 1994 [7]

Input Filter Design for PWMCurrent- Source Rectifiers

Perhitungan parameter filter sampai diperoleh THD yang diizinkan.

Filter Pasif LC

THD(i) <5%

3. Rasjid Harun, ELTEK200 6 [9]

Kajian Pemasangan Filter Pasif Sebagai

Pereduksi Efek Harmonisa

Simulasi dan percobaan

Filter Pasif

Pemasangan filter untuk mereduksi harmonisa yang ditimbulkan oleh lampu hemat energi, dari hasil pengujian %THDi sebelum pemasangan filter adalah sebesar R

=15.9%, S=10.9%, T=12.1%, setelah pemasangan filter

%THDi tereduksi yaitu menjadi R=2.7%, S=2.1%, T=3.6%.

4 H. Ahmed Khaled, J.

Finney Stephen and W.

Williams Barry, Electrical Power Quality and Utilisation 2007 [10]

Passive Filter Design For Three-Phase Inverter Interfacing in Distributed Generation

Simulasi Program

Filter Pasif LCL

Dengan menggunakan metode yang berbeda pada setiap aplikasi mempengaruhi nilai duksi harmonisa yang dihasilkan pada inverter yang terhubung grid pada sistem generator distribusi, tetapi nilai yang dihasilkan tetap sesuai di bawah standar IEEE 519 yaitu 5%

5 Kim et all, 2011 [11]

Harmonic Analysis of Reactor and Capasitor in Single Tuned Harmonic Filter Application

Simulasi Program EMTP

Single Tuned Filter

Nilai THDv mengalami penurunan dari 183%

menjadi 6,56%

5

Tabel 1.1 (Sambungan)

No Nama Judul

Penelitian

Metode Identifikasi Harmonisa

Jenis Filter yang Dirancang

Hasil yang Diperoleh

6 G. W.

Chang, S.

Y. Chu, dan H. I.

Wang [2002]

[12]

A New

Approach for Placement of Single Tuned Passive Harmonics Filters in a Power

System

simulasi program

Single Tuned Filter

Nilai IHD mengalami penurunan dari awal > 3%

menjadi < 3% dan awal > 5% menjadi < 5%.

7 Young- Sik Cho dan Hanju Cha [2011]

[13]

Single- Tuned Passive Harmonic Filter Design Considerin g Variances of Tuning And Quality Factor

simulasi program

Single Tuned Filter

Nilai THDi yang terdapat pada harmonisa ke-5, 7, 11, dan 13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 dari 72.6%

menjadi 7.9%, harmonisa ke- 7 dari 61.8% menjadi 11.2%, harmonisa ke-11 dari 20.9%

menjadi 4.5% dan harmonisa ke-13 dari 13.2% menjadi 2.9%.

8 Endi Sofyandi [2010]

[14]

Perancanga n Single- Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonik Arus Dengan Simulasi Program ETAP PowerStatio n 5.0.3”

simulasi program ETAP powersta tion 5.0.3

Single Tuned Filter

Pemasangan filter untuk setiap beban, sebagian besar beban mengalami penurunan THDi, beban TL 8 sebesar 50.71 %, beban TL 14 sebesar 45.51%, beban TL 14 sebesar 29.86%, beban TV sebesar 45.3%, dan beban PC sebesar 19.64%, sedangkan beban yang mengalami kenaikan THDi, beban AC sebesar 0.21% dan beban kulkas sebesar 5.57%.

sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam mereduksi harmonisa.

Perbedaan penelitian yang sudah dilakukan dengan yang akan dilakukan adalah pemasangan passive LC filter atau passive single tuned filter di sisi input pada Variable Speed Drive (VSD) dengan beban motor induksi tiga fasa, sementara penelitian yang sudah dilakukan oleh Pekik A. Dahono pada tahun 1995 menggunakan passive LC filter di sisi keluaran pada inverter PWM satu fasa [6] , yang sudah dilakukan oleh Navid R Zargari pada tahun 1994 menggunakan passive LC filter di sisi masukan pada inverter PWM tiga fasa [7] dan yang sudah dilakukan Sofyandi Endi pada tahun 2010 menggunakan single tuned filter pada setiap beban rumah tangga [14].

Perbedaannya adalah di mana pengunaan Variable Speed Drive (VSD) khusus untuk beban non linear yaitu motor induksi dan input dari Variable Speed Drive (VSD) pada penelitian ini adalah satu fasa sedangkan outputnya tiga fasa [15].

Sementara pemasangan inverter PWM bisa pada beban non linear selain dari motor induksi seperti transformator, peralatan elektronik dan lain-lain. Pada penelitian sebelumnya oleh Pekik A. Dahono pada tahun 1995 pemasangan inverter PWM memilik masukan satu fasa dan keluarannya satu fasa [6], sedangkan Navid R.

Zargari pada tahun 1994 pemasangan inverter PWM memiliki masukan tiga fasa dan keluarannya tiga fasa [7].

Pada tesis ini membahas mengenai besarnya harmonisa baik harmonisa arus maupun harmonisa tegangan yang dihasilkan oleh Variable Speed Drive tipe ATV12H075 dengan daya 750 Watt. Penelitian yang diajukan pada tesis ini adalah

7

perbandingan pemasangan passive LC filter dan passive single tuned filter pada sisi input VSD tipe ATV12H075 dengan daya 750 Watt seberapa besar dapat mengurangi harmonisa baik harmonisa arus maupun harmonisa tegangan. Untuk membandingkan hasil kedua filter ini dilakukan dengan program simulasi menggunakan software MATLAB/Simulink.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang diuraikan di atas peneliti dapat merumuskan masalah sebagai berikut :

1. Bagaimana mengidentifikasi harmonisa pada Variable Speed Drive dalam pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa

2. Bagaimana merancang simulasi passive LC filter dan passive single tuned filter menggunakan Matlab / Simulink untuk mereduksi harmonisa pada Variable Speed Drive

3. Bagaimana perbandingan harmonisa setelah filterisasi dengan menggunakan passive LC filter dan passive single tuned filter pada Variable Speed Drive.

1.3. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah : 1. Beban berupa motor Induksi tiga fasa

2. Motor Induksi dianggap stabil.

3. Filter yang digunakan adalah passive LC filter dan passive single tuned filter.

dihasilkan Variable Speed Drive setelah pemasangan passive LC filter dan passive single tuned filter.

5. Harmonisa pada Variable Speed Drive dan filter akan dimodelkan dan disimulasikan menggunakan MATLAB/Simulink.

6. Mengenai resonansi dan pengaruh terhadap sistem lain yang ditimbulkan oleh pemakaian passive LC filter dan passive single tuned filter merupakan persoalan tersendiri dan tidak dibahas.

7. Tidak memperhitungkan nilai ekonomis.

8. Standar harmonisa yang digunakan mengikuti standar IEC61000-3-2 kelas A.

1.4. Tujuan Penelitian

Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Merancang simulasi passive LC filter dan Passive single tuned filter menggunakan Matlab / Simulink untuk mereduksi harmonisa pada Variable Speed Drive

2. Untuk mengidentifikasi dan menganalisis sejauh mana pengaruh pemasangan passive LC filter dan passive single tuned filter sebagai pereduksi akibat munculnya harmonisa pada Variable Speed Drive.

3. Untuk mengetahui perbandingan pemasangan passive LC filter dan passive single tuned filter dalam mereduksi harmonisa (IHDI dan IHDV) yang dihasilkan Variable Speed Drive agar tercapai standar IEC61000-3-2 kelas A

9

1.5. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Mendapatkan kualitas daya listrik yang lebih baik dengan harmonisa yang rendah dan faktor daya yang tinggi.

2. Mampu mengurangi harmonisa untuk keseluruhan sistem.

Dengan demikian diharapkan dimasa yang akan datang pemakaian Variable Speed Drive sudah dilengkapi dengan filter yang dapat mengurangi harmonisa.

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 tiga fasa, Variable Speed Drive, harmonisa, perhitungan harmonisa, batasan harmonisa berdasarkan standar IEC61000-3-2, filter harmonisa, passive LC filter , prinsip pereduksian harmonisa dari passive LC filter , merancang passive LC filter , passive single tuned filter, prinsip pereduksian harmonisa dari passive single tuned filter dan merancang passive single tuned filter .

Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran yang dilakukan, data hasil pengukuran, perbandingan klasifikasi arus harmonisa

perhitungan nilai L, dan C dari passive LC filter , perhitungan nilai L, C dan R dari passive single tuned filter, diagram simulasi MATLAB/ Simulink.

Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan harmonisa arus dan harmonisa tegangan setelah pemakaian passive LC filter maupun passive single tuned filter , dan perbandingan arus harmonisa kedua filter yaitu passive LC filter dan passive single tuned filter sebelum dan setelah pemakaian filter.

Bab 5: Berisikan kesimpulan dan saran.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Motor Induksi Tiga Fasa

Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar dan terletak pada bagian luar. Stator terbuat dari besi bundar berlaminasi dan mempunyai alur – alur sebagai tempat meletakkan kumparan. Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar bebas dan letaknya bagian dalam. Rotor terbuat dari besi laminasi yang mempunayi slot dengan batang alumunium / tembaga yang terhubung singkat pada ujungnya.

Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik yang paling banyak digunakan terutama dalam industri. Penamaannya berdasarkan cara memperoleh arus pada rotornya. Arus motor ini didapat bukan dari sumber tertentu tetapi secara induksi atau imbas, sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dan medan putar yang dihasilkan oleh arus stator.

Belitan stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor pada rotor, sehingga terinduksi tegangan sesuai dengan hukum lenz, sehingga rotor akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara putaran medan stator dan putaran rotor disebut slip (S) [16].

Berdasarkan cara penamaan dan proses terjadinya medan putar rotor, maka prinsip kerja motor induksi tiga fasa adalah berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik dimana bila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan medan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan (n) yang ditunjukan pada Persamaan 2.1 [16],[17] :

P n 120 f

 ... (2.1) Dimana:

n : kecepatan sinkron (rpm) f : frekuensi stator (Hz) P : jumlah kutub (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 menimbulkan gaya pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator.

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator, artinya agar tegangan terinduksi maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan putaran rotor (nr) [2].

13

Perbedaan kecepatan antara medan putar stator dengan perputaran rotor tersebut disebut dengan slip (S) dan dinyatakan dengan Persamaan (2.2) [2] :

% 100 n x

n S n

s r s

 ... (2.2)

Persamaan (2.2) dapat ditulis dengan Persamaan (2.3, 2.4, 2.5) :

n = n (1 − S) ... (2.3) n = n (1 − S)... (2.4) S = n − n ... (2.5) Dengan demikian Persamaan (2.5) slip rpm (kecepatan slip) menjadi Persaman (2.6) :

(n − n ) = S. n.... (2.6) Maka diperolehlah frekuensi slip dengan Persamaan (2.7):

f₂ = ( )

120P n^s n^r

 = Sf₁ ... (2.7) Dimana:

ns : kecepatan stator (rpm) nr : kecepatan rotor (rpm) S : slip

P : jumlah kutub

f₁ = f_s : frekuensi suplai = frekuensi stator (Hz) f2 : frekuensi slip = frekuensi rotor (Hz)

2.1.1. Pengaturan kecepatan motor induksi

Pengaturan kecepatan motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara.

Dengan mengacu pada Persamaan (2.1), maka variabel P (jumlah kutub) dan f (frekuensi) akan mempengaruhi kecepatan putar motor induksi [3]:

A. Pengaturan Kecepatan dengan Mengubah Jumlah Kutub Motor

Jumlah kutub motor induksi jenis sangkar bajing dapat diubah dengan merencanakan kumparan stator sedemikian rupa, sehingga dapat menerima tegangan masuk pada dua posisi kumparan yang berbeda, dengan perbandingan 1 : 2.

B. Pengaturan Kecepatan dengan Mengubah Frekuensi Jaringan

Selain jumlah kutub, pengubahan frekuensi juga dapat berpengaruh pada kecepatan putar motor induksi. Hal yang harus diperhatikan, bahwa dengan pengubahan frekuensi adalah kerapatan fluks yang ada harus diusahakan tetap, agar kopel yang dihasilkan pun tidak berubah, untuk itu tegangan jaringan pun harus diubah seiring dengan pengubahan 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 kecepatanputarnya. Dengan mengubah-ubah nilai tahanan luar yang terhubung ke rotor, maka besarnya kopel akan berubah, demikian juga dengan kecepatan putarnya. Adapun

15

kerugian dari jenis ini adalah rendahnya efesiensi pada saat kecepatan putarnya dikurangi dan pengaturan kecepatan putarnya sangat dipegaruhi oleh perubahan beban yang dipikulnya.

D. Pengaturan Kecepatan dengan Mengubah Besarnya Slip

Dengan mengingat hubungan slip dengan daya listrik dan pengaruhnya terhadap tegangan dan kecepatan motor, maka metode ini pada prinsipnya menggunakan hubungan tersebut dengan 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 [3].

2.2. Variable Speed Drive

Variable Speed Drive atau juga disebut dengan Variable Frequency Drive atau singkatnya disebut dengan inverter adalah solusi aplikasi yang membutuhkan kemampuan pengaturan motor lebih lanjut, misal: pengaturan putaran motor sesuai bebannya atau sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. Rangkaian dalam VSD pada umumnya terdiri dari sebuah rectifier, filter, inverter , dan rangkaian kontrol.

Pemasangan VSD bisa untuk aplikasi motor AC maupun DC. Istilah inverter sering digunakan untuk aplikasi AC [13]. Salah satu jenis Variable Speed Drive (VSD) yang

sering digunakan adalah tipe ATV12H075M2 seperti pada Gambar 2.1 (Tabel lampiran 1), di mana tipe jenis ini memiliki input satu fasa dan keluarannya tiga fasa [15].

Secara sederhana untuk drive AC, Variable Speed Drive atau inverter akan mengubah AC ke DC yang kemudian diatur dengan suatu teknik penyaklaran

‘switching‘ mengubah DC menjadi tegangan dan frekuensi keluaran AC yang bervariasi. Ada empat jenis inverter yaitu [18]:

1. Variable voltage inverter (VVI)

Jenis inverter ini menggunakan konverter jembatan SCR untuk mengubah tegangan input AC ke DC. SCR adalah komponen elektronika daya yang memiliki kemampuan untuk mengatur nilai tegangan DC mulai dari 0 hingga mendekati 600

Gambar 2.1. Variable Speed Drive (VSD) tipe ATV12H075M2

17

VDC. Induktor L1 sebagai choke dengan kapasitor C1 membentuk bagian dengan istilah DC-link yang membantu memperhalus kualitas tegangan DC hasil konversi.

Bagian inverter sendiri terdiri dari kumpulan divais penyaklaran seperti:

thyristor, transistor bipolar, MOSFET, atau IGBT. Gambar 2.2 rangkaian variabel inverter tegangan menunjukkan inverter yang menggunakan transistor bipolar.

Pengatur logika, biasanya dalam bentuk kartu elektronik, yang memiliki komponen utama sebuah mikroprosesor akan mengatur kapan waktu transistor-transistor inverter hidup atau mati untuk menghasilkan tegangan dan frekuensi yang bervariasi untuk dilanjutkan ke motor sesuai bebannya.

Gambar 2.2. Rangkaian variabel inverter tegangan

Tipe inverter ini menggunakan enam langkah untuk menyelesaikan satu putaran 360°(6 langkah masing-masing 60°). Oleh karena hanya enam langkah, inverter jenis ini memiliki kekurangan yaitu torsi yang pulsatif (peningkatan/

penurunan nilai yang mendadak) setiap penyaklaran terjadi seperti pada Gambar 2.3.

f

Ini dapat ditemui pada operasi kecepatan rendah seiring variasi putaran motor. Istilah teknis dari putaran yang bervariasi ini adalah cogging. Selain itu, bentuk gelombang sinyal keluaran yang tidak sinusoidal sempurna mengakibatkan pemanasan berlebih di motor mestipun motor dijalankan di bawah nilai rating-nya.

Gambar 2.3. Gelombang dari Variable Voltage Inverter (VVI)

2. Current source inverter (CSI)

Jenis inverter satu ini menggunakan SCR untuk menghasilkan tegangan DC- link yang bervariasi untuk suplai ke bagian inverter yang juga terdiri dari SCR untuk menyaklarkan keluaran ke motor seperti pada Gambar 2.4. Beda dengan VVI yang mengontrol tegangan, CSI justru mengontrol arus yang akan disuplai ke motor.

Karena inilah pemilihan motor haruslah hati-hati agar cocok dengan drive. Percikan arus akibat proses penyaklaran dapat dilihat pada keluaran jika kita mengukurnya menggunakan oscilloscope seperti pada Gambar 2.5. Pada kecepatan rendah sifat arus yang pulsatif dapat mengakibatkan motor tersendat ‘cog‘.

Tegangan

Arus

19

Gambar 2.4. Skema sumber inverter arus

Gambar 2.5. Gelombang output sumber inverter arus

3. Pulse width modulation

Teknik penyaklaran satu ini memberikan output yang lebih sinusoidal dibandingkan dua jenis inverter sebelumnya. Drive yang menggunakan PWM terbukti lebih efisien dan memberikan tingkat performa yang lebih tinggi. Sama seperti VVI, sebuah PWM juga terdiri atas rangkaian konverter, DC link, control logic, dan sebuah inverter . Biasanya konverter yang digunakan adalah tipe tidak terkontrol (dioda biasa) namun juga ada yang menggunakan setengah terkontrol atau kontrol penuh [18].

Tegangan

Arus

f

Penyearah dioda dan penyearah thyristor yang dikendalikan sudut fasanya masih banyak digunakan dalam aplikasi tertentu karena faktor kesederhanaan dan biaya yang rendah, tetapi penyearah jenis ini akan mengurangi kualitas daya pada sisi AC masukan yang disebabkan adanya kandungan harmonisa yang masih besar serta faktor daya yang relatif rendah. Teknik modulasi lebar pulsa (PWM = Pulse Width Modulation) banyak diterapkan pada aplikasi penyearah [19]. Konverter AC-DC yang menggunakan penyearah PWM beroperasi dengan menjaga frekuensi konstan dan waktu divariasikan, dengan demikian lebar pulsa bervariasi [20]. PWM akan menarik arus dari sumber hampir mendekati bentuk gelombang sinusoidal. PWM tipe kontrol yang sangat baik digunakan utnuk me

ningkatkan faktor kerja penyearah dan mengurangi harmonisa arus masukan, karena tipe kontrol PWM dapat dinyalakan dan dimatikan beberapa kali setiap setengah siklus, sehingga dapat meredam harmonisa yang timbul pada arus masukan.

Bentuk rangkaian dan prinsip kerja dari penyearah PWM satu fasa seperti yang pada Gambar 2.6, penyearah PWM full bridge, dimana menggunakan empat swich daya yang anti parallel dengan diode untuk mengontrol tegangan DC (Vo) [21].

Penyearah terdiri dari empat buah transistor IGBT dimana bentuknya seperti itu disebut dengan bentuk full bridge, induktansi diletakkan di sisi input dan kapasitansi diletakkan di sisi output yang dikontrol oleh pulse width modulation (PWM).

Tegangan sumber berupa V_S tegangan pada sisi penyearah input berupa V_o dengan bentuk gelombang yang sinusoidal yang dipisahkan oleh induktansi input.

21

Gambar 2.6. Penyearah PWM satu fasa full bridge. (a) Rangkaian penyearah PWM, rangkaian ekivalen dengan (b) T₁ dan T₄ On, (c) T₂ dan T₃On, (d) T₁ dan T₃ atau T₂ dan T₄ On [21]

Penyearah ini bekerja dengan cara:

1. Apabila T₁ dan T₄ dalam keadaan on maka T₂ dan T₃ dalam keadaan off , V_AFE

= Vo (Gambar 2.6(b))

2. Apabila T1 dan T4 dalam keadaan off, maka T2 dan T3 dalam keadaan on, VAFE

= -V_o (Gambar 2.6(c))

3. Apabila T1 dan T3 dalam keadaan on, T2 dan T4 dalam keadaan off, atau T1 dan T₃ dalam keadaan off , T₂ dan T₄ dalam keadaan on, V_AFE = 0 (Gambar 2.6(d))

Tujuan untuk mengontrol penyearah yaitu untuk menyerap arus harmonisa dari sumber jaringan, dimana sefasa dengan sumber tegangan. Hal ini didapatkan dengan mengontrol penyearah salah satunya dengan cara modulasi lebar pulsa.

Tegangan dan arus dalam kondisi kontrol dapat dilihat pada Gambar 2.7 [22].

Salah satu cara yang bisa dilakukan pada switching transistor seperti pada Gambar 2.7 yang paling bawah, ini menggambarkan dua keadaan alternatif, yang pertama, arus mengalir ke beban (T₁ dan T₄ berkonduksi) dan kedua, penyearah input di short circuit (D1 dan T3 berkonduksi). Area hitam menggambarkan konduksi transistor, area putih menggambarkan elemen pasif berkonduksi. transistor di turnoff dan arus mengalir melalui dioda.

Gambar 2.7. Bentuk gelombang tegangan dan arus pada penyearah PWM [22]

I C Id reff

V_{n (1) m}

I _{n (1)}

T₁^;D₁ T₂^;D₂ T₃^;D₃ T₄^;D₄

 V r (1)

V

V g(1)m V d

Vr eff

V_n

23

Tegangan keluaran dan parameter dari penyearah PWM dapat dihitung dengan dua langkah yaitu :

1. Dengan hanya mempertimbangkan satu pasang pulsa, sehingga jika satu pulsa mulai dari _t = ₁ dan berakhir saat _t = ₁+ ₁, pulsa lain mulai saat _t = + ₁ dan berakhir saat t = (+1+ 1) dan

2. Dengan menggabungkan efek semua pulsa. Jika pulsa mth mulai dari _t = _m, dimana lebar pulsa adalah m, nilai rata-rata tegangan keluaran bergantung pada jumlah pulsa p, yang didapatkan dari

= ∑ ∫ sin ( )

= ∑ [cos − cos( + )] ... (2.8)

Jika arus beban dengan nilai rata-rata Ia selalu kontinyu dan ripple diabaikan, arus input sesaat dapat diekspresikan dalam deret Fourier seperti berikut ini.

( ) = + ∑ _{, ,…}( cos + sin ) ... (2.9) Karena bentuk gelombang arus input simetris, disana tidak terdapat harmonisa genap dan A0 akan menjadi nol dan koefisien dari Persamaan 2.9 adalah :

= 1

( ) cos ( )

= 2

cos ( ) − 2

cos ( )

/ /

= 0

= 1

( ) sin ( )

= 2

sin ( ) − 2

sin ( )

/ /

= ∑ sin sin + − sin + + ...(2.10)

untuk n= 1, 3, 5, … Persamaan (2.9) dapat ditulis kembali menjadi Persamaan (2.11) :

( ) = ∑ _{, ,…}√2 sin( + f ) ...(2.11) Dimana: fn = tan^-1 (An/Bn) = 0 dan = ( + ) /√2 = /√2

2.3. Harmonisa

Harmonisa adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Gejala pembentukan gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Hal ini disebut frekuensi harmonisa yang timbul pada bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonisa. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonisa keduanya adalah gelombang dengan frekuensi 100 Hz, harmonisa ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya.

Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmonisanya seperti pada Gambar 2.8 [23].

25

2.4. Perhitungan Harmonisa

Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret Fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [24]:

v(t) = Vo + ∑ ( + ) ... …...(2.12) ( ) = Vo + ∑^∞ ( + ) ... (2.13) Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi √2 dan secara deret Fourier untuk tegangan dan arus yaitu [25]:

V = V + ∑

√

∞ ... ..(2.14)

I = I + ∑

√ ...(2.15) Pada umumnya untuk mengukur besar harmonisa yang disebut dengan Total Harmonic Distortion (THD). Untuk THD tegangan dan arus didefenisikan sebagai nilai RMS harmonisa urutan diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan DC nya diabaikan.

Gambar 2.8. Gelombang fundamenal dengan gelombang harmonisanya [23].

Besar Total Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus ditunjukan pada persamaan (2.16) dan (2.17) yaitu :

= ^{∑ √}

√

= ^{∑ ( )} ……….. (2.16)

= ^{∑ √}

√

=

∑ ( )

...(2.17) Hubungan Persamaan THD dengan arus RMS dari Persamaan (2.17) yaitu:

Selanjutnya di dapat Persamaan (2.18) yaitu:

= _, 1 + ... (2.18)

Sehingga arus RMS terhadap THD_I yaitu:

= _, 1 + ...(2.19) Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan nilai RMS pada orde harmonisa terdistorsi terhadap nilai RMS pada frekuensi fundamental yaitu :

= 1 2

= ∑

= ∑ −

= + . = (1 + )

1

2 =

2 1

+ )

27

= ^√

√

= ...(2.20)

= ^√

√

= ...(2.21) Dimana: V_h = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi

I_h = Arus harmonisa pada orde terdistorsi

Hubungan Persamaan IHD dengan arus RMS dari Persamaan (2.21) yaitu:

= ...(2.22)

= = ...(223)

Selanjutnya dari Persamaan (2.22) di dapat yaitu:

= + . = 1 + ...(2.24)

= 1 + ...(2.25) Sehingga arus RMS terhadap IHD_i yaitu:

= 1 + ...(2.26) 2.5. Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis, dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknis dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Standar yang digunakan sebagai batasan

harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC61000-3-2.

Pada standar IEC61000-3-2, 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 [4],[5].

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 dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230 V) dan tiga fasa (230/400 V) dimana batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

Harmonisa Ganjil

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15≤n≤39 2,25/n

Harmonisa Genap

2 1,08

4 0,43

6 0,30

8≤n≤40 1,84/n

29

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 2.2.

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A) Harmonisa Ganjil

3 3,45

5 1,71

7 1,155

9 0,60

11 0,495

13 0,315

15≤n≤39 3,375/n

Harmonisa Genap

2 1,62

4 0,645

6 0,45

8≤n≤40 2,76/n

3). Kelas C

Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya input aktifnya lebih besar 25 watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan

(% fundamental)

2 2

3 30xPF rangkaian

5 10

7 7

9 5

11≤n≤39 3

4). Kelas D

Kelas ini berisi semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 watt dan dianggap memiliki dampak terbesar pada jaringan listrik. Ini khususnya personal komputer, layar monitor dan penerima TV. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk mA/W untuk peralatan dengan daya pengenal melebihi 75 W tapi kurang dari 600 W atau dalam ampere untuk peralatan yang lebih besar dari 600 W. Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada oleh Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D Harmonisa

ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (mA/W)

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A) 75 < P < 600W P > 600W

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 0,296 0,21

15≤n≤39 3,85/n 2,25/n

31

2.6. Filter Harmonisa

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem [26].

2.6.1. Filter pasif

Filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa, rangkaian filter pasif seperti Gambar 2.9. 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.

Gambar 2.9. Filter pasif

Beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya seperti pada Gambar 2.10 [27]. Passive single-tuned filter atau band-pass filter adalah yang paling umum digunakan. Dua buah passive single-tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double band-pass filter. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single-tuned filter. Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem. Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki sistem tersebut [9].

Gambar 2.10. Jenis-jenis filter pasif [9]

2.6.2. Passive LC filter

Rangkain passive LC filter untuk inverter tiga fasa seperti Gambar 2.11.

Band-Pass High-Pass Double Band-Pass Composite

33

Gambar 2.11. Rangkaian passive LC filter untuk inverter tiga fasa [10].

Meminimalkan daya reaktif sebuah kriteria tambahan yang diperlukan untuk menentukan induktansi dan kapasitansi dari passive LC filter . Pada penelitian ini daya reaktif digunakan sebagai tambahan meskipun kriterianya berdasarkan biaya minimum, ukuran, kerugian, dan lain-lain. Ukuran minimalisasi, kerugian dan biaya filter, kriteria tambahan berdasarkan daya reaktif minimum juga termasuk digunakan [28]. Namun, sebagai passive LC filter pada harmonik diberikan dalam bentuk Fourier seri ekspresi dari induktansi dan kapasitansi dari passive LC filter yang tidak diperoleh [6].

2.6.3. Prinsip pereduksian harmonisa dari passive LC filter

Prinsip kerja dari filter shunt (filter pasif paralel) adalah dengan meng-short circuit-kan arus harmonisa yang ada dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan agar supaya menjaga arus harmonisa yang masuk tersebut tidak keluar menuju peralatan lain dan sumber suplai energi listrik. Komponen filter pasif ini terdiri dari dua komponen yakni kapasitor yang dihubungkan seri dengan induktor (reaktor).

Pemasangan filter jenis ini dapat memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tingkat harmonisa, pemasangan kapasitor

pada peralatan ini dapat memperbaiki cos  sistem, pada reaktornya berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitor hal ini dikarenakan adanya resonansi. Sebuah rangkaian LC dipasang pada frekuensi harmonisa sebagai filter, pemasangannya secara paralel dengan peralatan yang menyebabkan distorsi harmonisa seperti Gambar 2.12 [9].

Gambar 2.12. Pemodelan passive LC filter [9]

2.6.4. Merancang passive LC filter

Rangkaian impedansi passive LC filter seperti Gambar 2.13.

Gambar 2.13. Rangkaian impedansi passive LC filter [29]

35

Passive LC filter terdiri dari hubungan paralel komponen-komponen pasif yaitu Induktor dan kapasitor. Dalam mendesain passive LC filter terlebih dahulu menentukan besar kapasitor sesuai kebutuhan faktor daya dan induktor filter.

Langkah-langkah yang harus dilakukan dalam merancang passive LC filter adalah sebagai berikut [29],[30] :

A. Menghitung nilai kapasitor ( C )

1) Tentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor ( Qc ) adalah :

Q_C = P {tan(cos^-1pf₁) – tan (cos^-1 pf₂)}

Dimana :

P : daya aktif (kW).

pf1 : faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki.

pf2 : faktor daya setelah diperbaiki.

2) Tentukan reaktansi kapasitor ( X_C ) :

= ... (2.27)

Dimana:

XC : reaktansi kapasitif (Ω).

V : tegangan RMS (Volt).

QC : daya reaktif kapasitor (VAR).

3) Tentukan kapasitas dari kapasitor ( C )

= ...(2.28)

Dimana :

C : kapasitansi kapasitor (Farad) f₀ : frekuensi fundamental (Hz).

B. Menghitung nilai induktor ( L )

1) Tentukan nilai impedansi Z induktor [29]:

= ...(2.29)

2) Tentukan Reaktansi Induktif dari Induktor [29,30]:

= ...(2.30) 3) Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning:

= ℎ ...(2.31) 4) Tentukan Tahanan (R) dari Induktor [29,30]:

= ...(2.32) 5) Tentukan induktansi dari induktor didapat [30]:

= + ( )

= + ( )

= +

37

di mana = 2 , maka nilai induktansi dari indutor (L) [30]:

=^√ ...(2.33) Di mana:

V_s : daya pada input VSD (Volt) Z : impedansi sistem (Ω)

I : arus yang mengalir pada VSD (A) L : induktansi (H)

Dari Gambar 2-13 dapat dicari impedansi rangkain dengan persamaan:

= ...………..…….. (2.34)

2.6.5. Passive single tuned filter

Passive single-tuned filter adalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.14. Passive 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. Untuk mengatasi harmonisa di dalam sistem tenaga listrik yang paling banyak digunakan adalah passive single tuned filter.

Gambar 2.14. Passive single tuned filter [12]

Berdasarkan Gambar 2.14, besarnya impedansi passive single tuned filter pada frekuensi fundamental adalah [5]:

= + ( − ) ...(2.35) Pada frekuensi resonansi , Persamaan (2.34) menjadi:

= + − ...(2.36) Jika frekuensi sudut saat resonansi adalah:

= 2 ℎ ...(2.37) Impedansi filter dapat ditulis sebagai berikut:

= + 2 ℎ − ...(2.38)

= + ( ℎ − ) ...(2.39) Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar, maka diperoleh impedansi passive single tuned filter seperti pada Persamaan (2.40) adalah

= ... (2.40)

39

Pada Persamaan (2.40) menunjukkan bahwa pada frekuensi resonansi, impedansi passive single-tuned filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil, lebih 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 passive single-tuned filter dan tidak mengalir ke sistem. Frekuensi respon dan sudut fasa dari passive single-tuned filter ditunjukkan seperti Gambar 2.15 (a) dan (b), dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari harmonisa (fr = 250 Hz), impedansi passive single-tuned filter sangat kecil.

(a) Frekuansi respon passive single tuned filter

(b) Sudut fasa fungsi orde harmonisa

Gambar 2.15. (a) Frekuensi respon, (b) sudut fasa Passive single tuned filter [31]