PERBANDINGAN PENGGUNAAN FILTER SINGLE TUNED DAN FILTER ORDE TIGA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA
PADA JUICER
TESIS
JHONSON M. SIBURIAN 107034009/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2014
PERBANDINGAN PENGGUNAAN FILTER SINGLE TUNED DAN FILTER ORDE TIGA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA
PADA JUICER
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
JHONSON M. SIBURIAN 107034009/TE
FAKULTAS TEKNIK
Telah diuji pada
Tanggal : 28 April 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
ABSTRAK
Juicer adalah suatu alat rumah tangga yang digunakan untuk menghancurkan buah menjadi minuman yang bernama jus atau dalam bahasa inggrisnya juice. Juicer sering digunakan di saat pembuatan hidangan makan sebagai pelengkap hidangan makanan. Hasil pengukuran dengan menggunakan PQ meter fluke 435, peralatan ini menghasilkan harmonisa arus (IHDi )orde ke-3 yang melebihi standar IEC 61000-3-2 kelas D, sehingga bila digunakan dengan jumlah yang besar pada waktu yang bersamaan dapat menyumbang harmonisa yang cukup besar terhadap transformator distribusi sehingga transformator kelebihan beban, mudah panas dan cepat rusak.
Diperlukan meredam harmonisa pada juicer dengan filter pasif yaitu filter single tuned dan filter orde tiga merupakan filter yang sederhana dan murah untuk meredam individual harmonisa distortion arus (IHDi) pada orde ke-3 tersebut, sehingga sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk meredam harmonisa tersebut dengan menggunakan program MATLAB/Simulink sehingga dapat diketahui dengan penggunaan filter single tuned arus harmonisa orde ke-3 dapat berkurang dari 0.737 Ampere menjadi 0.0599 Ampere tereduksi sebesar 0.6771 Ampere dengan persentase 91,87%, sedangkan filter orde tiga dapat mereduksi arus harmonisa pada juicer dengan besaran nilai arus harmonisa orde ke-3 berkurang dari 0.737 Ampere menjadi 0.541 Ampere tereduksi sebesar 0.196 Ampere dengan persentase 26,59%. Dengan demikian filter single tuned baik untuk digunakan pada peralatan rumah tangga, sedangkan filter orde tiga tidak bekerja maksimal dalam mereduksi harmonisa.
Kata kunci: Juicer, filter single tuned, filter orde tiga, MATLAB/simulink
ABSTRACT
Juicer is a household appliance used to squash fruit to make a drink called juice. Juicer is frquently used to make a dessert during a banquet. The result of measurement using PQ meter fluke 435 showed that this appliance produced harmonic current (IHD) of the 3rd order that is greater than the standard IEC 61000- 3-2 Class D that if it used in a big amount at the same time, it can contribute an adequately big harmonics to the distributing transformator that the transformator become overloaded, easily hot and quickly out of order. It is necessary to stifle the harmonics in a juicer by using passive filter such as single–tuned filter and third- order filter which is a simple and cheap filter to stifle the individual harmonic distortion (IHD) current in the 3rd order that it becomes in accordance with the standart IEC 61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to stifle the harmonics current trough MATLAB/Simulink program showed that by using single-tuned filter, harmonic current of the 3rd order can decrease from 0.737 Ampere to 0.0599 Ampere meaning that it reduced for 0.6771 Ampere or 91.87%, while the thid-order filter can reduced the 3rd order harmonic current in a juicer from 0.737 Ampere to 0.541 Ampere meaning that it is reduced for 0.196 Ampere or 26.59%. Therefore, single-tuned filter is good to be used for household appliances while the third-order filter does not maximally function in reducing harmonic current.
Keywords: Juicer, Single-Tuned Filter, Third-Order Filter, MATLAB/Simulink Program
KATA PEGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat serta karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan usulan penelitian tesis ini dengan judul “Perbandingan penggunaan filter single tuned dan filter orde tiga untuk mereduksi harmonisa pada juicer”.
Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof.
Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si. selaku pembimbing Pembimbing, Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si dan Bapak Dr. Eng Ariadi Hazmi selaku Pembanding dan Bapak Drs. Hasdari Helmi, M.T. selaku Sekretaris Program Magister Teknik Elektro atas bimbingan dan dukungan yang telah diberikan untuk menyelesaikan usulan penelitian tesis ini.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada rekan – rekan mahasiswa program magister Teknik Elektro FT Elektro USU Medan, Akademik 2009/2010, dan terutama kepada Bapak Marwan, Bapak Pristisal, Bapak Mustamam, Bapak Rizki, atas bantuan dan dukungannya dalam memberikan saran dan bahan yang diperlukan selama ini. Penulis juga berterima kasih atas perhatian dan dorongan yang begitu kuat dari istri tercinta dr.Juniar Mutiara dan keluarga orang tua saya St.H.P.Siburian.
Penulis telah berusaha semaksimal mungkin untuk menyusun usulan penelitian tesis ini dengan sempurna namun dengan keterbatasan penulis, usulan penelitian tesis ini masih banyak kekurangannya. Oleh karena itu dengan kerendahan
hati penulis menerima keritikan dan saran yang sifatnya membangun demi kesempurnaan usulan penelitian tesis ini.
Akhrinya penulis mengharapkan semoga usulan tesis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan dapat menambah wawasan tentang harmonisa dan teknik mereduksi harmonisa pada peralatan juicer.
Medan, 07 Juli 2014 Penulis
Jhonson Monang Siburian
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Saya yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Jhonson Monang Siburian Jenis kelamin : Laki-Laki
Agama : Kristen Protestan
Bangsa : Indonesia
Alamat : Jl. Sei Simare no. 74-B Medan Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :
PENDIDIKAN:
1. Tamatan SD HKBP SIDORAME, Medan Tahun 1995
2. Tamatan SLTP Negeri 14, Medan Tahun 1998
3. Tamatan SMK Swasata Abdi Karya, Medan Tahun 2001 4. Tamatan S1 Fak. Teknik Universitas Darma Agung, Medan Tahun 2009
1. Pegawai PLN (Persero) Tahun 2003 s.d sekarang PEKERJAAN:
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, 07 Juli 2014
Jhonson Monang Siburian
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PEGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 6
1.3. Tujuan Penelitian ... 7
1.4. Batasan Masalah ... 7
1.5. Manfaat ... 8
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 9
2.1. Juicer... 9
2.1.1. MotorUniversal ... 10
2.2. Harmonisa ... 11
2.3. Perhitungan Harmonisa ... 13
2.4. Pengaruh Harmonisa ... 14
2.5. Filter Pasif ... 16
2.8. Prinsip Pereduksian Harmonisa Dari Filter Single-Tuned ... 24
2.9. Merancang Filter Single-Tuned ... 26
2.10. Filter Orde Tiga ... 29
BAB 3 METODE PENELITIAN... 33
3.1. Teknik Pengukuran Yang Dilakukan ... 33
3.2. Data Pengukuran ... 35
3.3. Perhitungan nilai R, L, dan C ... 37
3.3.1. Perhitungan Pemakaian Arus Beban ... 38
3.3.2. Menghitung Besaran Parameter Filter Single Tuned ... 38
3.3.3. Menghitung Besaran Parameter Filter Orde Tiga ... 39
3.4. Simulasi MATLAB/Simulink ... 42
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 46
4.1. Pendahuluan ... 46
4.2. Hasil simulink harmonisa juicer setelah pemasangan Filter Single tuned ... 46
4.3. Hasil simulink harmonisa juicer setelah pemasangan Filter Orde Tiga ... 49
4.4. Perbandingan hasil simulink filter single tuned dan filter orde tiga untuk mereduksi harmonisa arus pada juicer ... 53
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 55
5.1. Kesimpulan ... 55
5.2. Saran ... 56
DAFTAR PUSTAKA ... 57
LAMPIRAN ... 60
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
2.1. Juicer ... 10
2.2. Rangkaian Juicer... 11
2.3. Bentuk gelombang harmonisa pertama sampai ketiga ... 12
2.4. Gelombang dasar, harmonisa, dan gelombang terdistorsi ... 12
2.5. Jenis-jenis filter pasif... 17
2.6. Filter single tuned ... 22
2.7. (a), (b). Frekuensi Respon dan Sudut Fasa filter single tuned ... 23
2.8. Prinsip Pereduksian Harmonisa ... 25
2.9. Kompensasi gelombang filter ... 26
2.10. Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q ... 28
2.11. Filter Orde tiga ... 30
3.1. Alat ukur Fluke 435... 33
3.2. Rangkaian Pengukuran harmonisa pada rangkaian juicer ... 34
3.3. Bentuk gelombang harmonisa arus dan tegangan hasil pengukuran. ... 36
3.4. Hasil pengukuran spektrum arus ... 36
3.5. Hasil pengukuran spektrum tegangan ... 36
3.6. Simulasi juicer sebelum pemasangan filter ... 43
3.9. Simulasi Juicer dengan Filter Single tuned ... 45
3.10. Simulasi Juicer dengan Filter Orde Tiga... 45
4.1. Bentuk gelombang tegangan setelah dipasang single tuned filter ... 46
4.2. Bentuk gelombang arus setelah dipasang single tuned filter ... 47
4.3. Spektrum harmonisa tegangan dengan single tuned ... 47
4.4. Spektrum harmonisa arus dengan filter single tuned ... 47
4.5. Rangkaian juicer dengan pemasangan filter single tuned ... 49
4.6. Bentuk gelombang tegangan dengan filter orde tiga ... 50
4.7. Bentuk gelombang arus dengan filter orde tiga ... 50
4.8. Spektrum harmonisa tegangan dengan filter orde tiga ... 50
4.9. Spektrum harmonisa arus dengan filter orde tiga ... 51
4.10. Rangkaian juicer dengan pemasangan filter orde tiga ... 52
4.11. Diagram perbandingan filter single tuned dan filter orde tiga ... 54
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. Hasil pengukuran IHDi yang dibangkitkan oleh juicer ... 3
1.2. Model harmonisa yang pernah dilakukan ... 4
2.1 Polaritas dari komponen harmonisa ... 15
2.2 Pengaruh polaritas harmonisa ... 15
2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A ... 19
2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B ... 20
2.5. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C ... 21
2.6. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D ... 21
3.1. Impedansi kabel saluran ... 34
3.2. Data hasil pengukuran beberapa juicer ... 35
3.3. Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2 Kelas D untuk juicer kelima : 168,2 watt ... 37
4.1. Perbandingan arus harmonisa filter single tuned dengan standar IEC 61000-3-2 ... 48
4.2. Perbandingan arus harmonisa filter orde tiga dengan standar ... 51
4.3. Perbandingan arus harmonisa juicer dengan filter single tuned dan filter ... 53
ABSTRAK
Juicer adalah suatu alat rumah tangga yang digunakan untuk menghancurkan buah menjadi minuman yang bernama jus atau dalam bahasa inggrisnya juice. Juicer sering digunakan di saat pembuatan hidangan makan sebagai pelengkap hidangan makanan. Hasil pengukuran dengan menggunakan PQ meter fluke 435, peralatan ini menghasilkan harmonisa arus (IHDi )orde ke-3 yang melebihi standar IEC 61000-3-2 kelas D, sehingga bila digunakan dengan jumlah yang besar pada waktu yang bersamaan dapat menyumbang harmonisa yang cukup besar terhadap transformator distribusi sehingga transformator kelebihan beban, mudah panas dan cepat rusak.
Diperlukan meredam harmonisa pada juicer dengan filter pasif yaitu filter single tuned dan filter orde tiga merupakan filter yang sederhana dan murah untuk meredam individual harmonisa distortion arus (IHDi) pada orde ke-3 tersebut, sehingga sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk meredam harmonisa tersebut dengan menggunakan program MATLAB/Simulink sehingga dapat diketahui dengan penggunaan filter single tuned arus harmonisa orde ke-3 dapat berkurang dari 0.737 Ampere menjadi 0.0599 Ampere tereduksi sebesar 0.6771 Ampere dengan persentase 91,87%, sedangkan filter orde tiga dapat mereduksi arus harmonisa pada juicer dengan besaran nilai arus harmonisa orde ke-3 berkurang dari 0.737 Ampere menjadi 0.541 Ampere tereduksi sebesar 0.196 Ampere dengan persentase 26,59%. Dengan demikian filter single tuned baik untuk digunakan pada peralatan rumah tangga, sedangkan filter orde tiga tidak bekerja maksimal dalam mereduksi harmonisa.
Kata kunci: Juicer, filter single tuned, filter orde tiga, MATLAB/simulink
ABSTRACT
Juicer is a household appliance used to squash fruit to make a drink called juice. Juicer is frquently used to make a dessert during a banquet. The result of measurement using PQ meter fluke 435 showed that this appliance produced harmonic current (IHD) of the 3rd order that is greater than the standard IEC 61000- 3-2 Class D that if it used in a big amount at the same time, it can contribute an adequately big harmonics to the distributing transformator that the transformator become overloaded, easily hot and quickly out of order. It is necessary to stifle the harmonics in a juicer by using passive filter such as single–tuned filter and third- order filter which is a simple and cheap filter to stifle the individual harmonic distortion (IHD) current in the 3rd order that it becomes in accordance with the standart IEC 61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to stifle the harmonics current trough MATLAB/Simulink program showed that by using single-tuned filter, harmonic current of the 3rd order can decrease from 0.737 Ampere to 0.0599 Ampere meaning that it reduced for 0.6771 Ampere or 91.87%, while the thid-order filter can reduced the 3rd order harmonic current in a juicer from 0.737 Ampere to 0.541 Ampere meaning that it is reduced for 0.196 Ampere or 26.59%. Therefore, single-tuned filter is good to be used for household appliances while the third-order filter does not maximally function in reducing harmonic current.
Keywords: Juicer, Single-Tuned Filter, Third-Order Filter, MATLAB/Simulink Program
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Seiring kemajuan zaman, kebutuhan kelistrikan juga semakin meningkat.
Terdapat beberapa peralatan yang menggunakan konverter dapat menyebabkan timbulnya harmonisa antara lain peralatan – peralatan yang umumnya menggunakan jenis semi konduktor seperti lampu hemat energi, TV, printer, komputer dan lain sebagainya. Peralatan ini dirancang untuk menggunakan arus listrik secara hemat dan efesien karena arus listrik hanya dapat melalui komponen semi konduktornya selama periode pengaturan yang telah ditentukan. Namun di sisi lain akan menyebabkan gangguan gelombang arus dan tegangan yang pada akhirnya akan kembali ke jaringan listrik. Fenomena ini akan menimbulkan gangguan beban tidak linier satu fasa [1].
Demikian juga pada peralatan – peralatan listrik untuk beban rumah tangga seperti: blender, mesin cuci, kulkas TV, juicer dan lain sebagainya. Peralatan tersebut disebut dengan beban non linier yaitu memiliki bentuk gelombang arus keluaran tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan (mengalami distosi). Arus yang ditarik oleh beban non-linier tidak sinusoida, artinya bentuk gelombang tidak sama dari gelombang yang satu ke gelombang yang lain, sedangkan beban linier merupakan suatu beban dimana nilai arus berbanding secara linier atau proposional terhadap gelombang tegangan. Hal ini berarti bahwa bentuk gelombang arus akan sama dengan bentuk gelombang tegangan beban [2].
Sumber harmonisa pada peralatan rumah tangga yang terdapat pada motor induksi. Sumber harmonisa pada juicer dapat menyebabkan gangguan pada peralatan listrik seperti transfomator, circuit breaker (pemutus tenaga), fuse dan lain – lain.
Harmonisa juga menyebabkan faktor daya sistem jadi buruk sehingga penggunaan energi tidak maksimal.
Individual Harmonic Distortion (IHD) yang tinggi dan faktor daya yang rendah dapat menambah pembebanan transformator, bahkan dapat mempengaruhi kinerja peralatan lain yang terhubung dengan sumber listrik tersebut. Keberadaan batasan harmonik sudah ditentukan batas yang diijinkan sesuai standar internasional yaitu IEC 61000-3-2, dan diharapkan mampu untuk perbaikan faktor daya. Dengan demikian faktor daya akan lebih baik, pembebanan trafo distribusi lebih maksimal dan kerugian teknis lebih diminimalkan serta kinerja sistem peralatan lain tidak terganggu.
Penelitian ini dilakukan hanya pada peralatan rumah tangga yaitu juicer.
Sistem kerja juicer dengan sistem putaran motor induksi pada motor universal yang biasanya digunakan untuk daya – daya yang kecil pada peralatan rumah tangga.
Putaran motor induksi menghasilkan individual harmonisa arus (IHDi) yang cukup besar pada harmonisa ketiga di saat dibebani dengan pemerasan buah agar dapat menjadi minuman atau jus, dimana besar harmonisa arus juicer lebih besar dari standart IEC 61000-3-2. Penggunaan juicer di waktu beban puncak sangat banyak,
meghasilkan harmonisa yang cukup besar, sehingga dapat menyebabkan pembebanan lebih pada trafo sehingga cepat panas dan rusak. Pengukuran dilakukan pada beberapa merek juicer yang dilakukan pada laboratorium PLN Wilayah Sumatera Utara dengan menggunakan peralatan Power Quality meter merek Fluke tipe 435.
Besar harmonisa yang dibangkitkan beberapa merek juicer dapat dilihat pada Tabel 1.1 [Lihat Lampiran ].
Tabel 1.1. Hasil pengukuran IHDi yang dibangkitkan oleh juicer Orde
Harmonisa
IHDi Juicer (%)
A B C D E
3 18,6 38,4 32,8 45,5 66,2
5 2,6 4,7 1,8 4,5 5,3
7 2,4 4,5 0,8 2,3 3,1
9 1,1 1,5 0,9 2,5 3,2
11 0,6 0,8 0,4 0,5 0,6
13 0,3 0,3 0,5 0,3 0,3
15 0,2 0,3 0,2 1,2 0,4
Dari data yang didapat ternyata hasil yang diperoleh jauh diluar perkiraan, IHD yang dihasilkan salah satu juicer jauh lebih besar dari standart IEC 61000-3-2 Kelas D. IHDi yang diperoleh yaitu 66,2 % pada harmonisa ke-3. Atas dasar data yang diperoleh diatas, filter pasif adalah filter yang cocok untuk mereduksi arus harmonisa IHDi tersebut agar sesuai standart IEC 61000-3-2 kelas D.
Penelitian ini bermaksud untuk dapat mereduksi harmonisa pada juicer dengan merancang dan menganalisa perbandingan filter pasif single tuned dan filter orde tiga, sehingga dapat melihat filter mana yang lebih baik untuk mereduksi
harmonisa juicer pada peralatan rumah tangga tersebut. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya dengan berbagai teknologi pada Tabel 1.2.
Tabel 1.2. Model harmonisa yang pernah dilakukan N
o Nama Judul Penelitian
Metode Identifikasi
Harmonisa
Jenis Filter yang Dirancang
Hasil yang Diperoleh 1 Kim dkk,
Journal of electrical &
Technology, 2011 [3]
Harmonic Analysis of Reactor and Capacitor in Single-tuned Harmonic Filter Application
Mengguna- kan simulasi program Electro Magnetic Transient Program (EMTP)
Filter pasif single tuned filter
Penurunan IHDi dari >3%
menjadi <3%
THDv dari 183,6%
menjadi 6,56%
2 Sunanda&
Rahman, Jurnal ilmiah foristek 2012 [4]
Aplikasi filter pasif sebagai pereduksi harmonik pada inverter tiga fasa
Mengguna- kan alat ukur Universal Power Analyzer PM 3000A
Filter pasif R dan C
Penurunan IHDi dari >3%
menjadi <3%
THDi dari 50,683%
menjadi 6,837%
3 Suweden &
Rinas, Universitas Udayana,Vol.8 2009 [5]
Analisa
Penananggulang an THD dengan filter pasif pada sistem
kelistrikan di RSUP Sanglah
Mengguna- kan program MATLAB/
Simulink 7.0.4
Filter pasif single tuned filter
IHDi dari >3%
menjadi <3%
THDi dari 17,54%
menjadi 2,36%
4 Chang, dkk.
IEEE, 2002. [6]
A New Approach for Placement of Single tuned Passive Harmonics Filters in a Power System
Mengguna- kan alat ukur PCFLO
Filter pasif single tuned filter
IHDV awal
>3% menjadi
<3%
THDV awal
>5% menjadi
<5%
5 Konvernikova, Jurnal
ICREPQ’10 Granada (spain), 23rd to 25th March, 2010[7]
Centralized normalization of voltage
harmonics in the network with distributed nonlinear load by the third- order filters
Mengguna- kan
software harmonics
Filter pasif orde tiga
THDV menurun dari 22.9%
menjadi 3.1%
IHDV ke-3 dari 15% menjadi 1,6 %
IHDV ke-7 dari 14% ke 1%
Dari penelitian yang dilakukan tersebut dengan berbagai teknologi sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam mengurangi harmonisa.
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka perumusan masalah mengenai peredaman harmonisa, perbaikan faktor daya dan analisis perbandingan filter single tuned dengan filter orde tiga yaitu:
1. Seberapa besar nilai IHDi dari juicer yang akan diredam.
2. Seberapa besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan filter single tuned dan filter orde tiga.
3. Bagaimana hasil simulasi pemakaian filter single tuned dan filter orde tiga.
6 Cho & Cha Jurnal ICEE, 2011 [8]
Single-tuned passive hrmonic filter design considering variances of tuning and quality factor
Mengguna- kan simulasi program bode plot based method
Filter pasif single tuned.
Penurunan IHDi
ke 5 dari 72,6
% menjadi 7,9
%.
IHDi ke 7 dari 61,8 % menjadi 11,2 %.
IHDi ke 9 dari 20,9 % menjadi 4,9 %.
4. Bagaimana perbandingan penggunaan filter single tuned dan filter orde tiga untuk meredam harmonisa sesuai standar IEC 61000-3-2 kelas D.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui berapa besar nilai IHDi dari juicer yang akan diredam.
2. Mengetahui berapa besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan filter single tuned dan filter orde tiga.
3. Mengetahui simulasi pemakaian filter single tuned dan filter orde tiga.
4. Mengetahui perbandingan penggunaan filter single tuned dan filter orde tiga untuk meredam harmonisa sesuai standar IEC 61000-3-2 kelas D.
1.4. Batasan Masalah
Mengingat luasnya Permasalahan mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan filter single tuned dan filter orde tiga, maka permasalahan ini dibatasi sebagai berikut:
1. Penelitian hanya difokuskan untuk meredam IHDi ke-3, perbaikan faktor daya pada juicer tersebut, dan membandingkannya dengan menggunakan filter single tuned dan filter orde tiga.
2. Sumber–sumber harmonisa tidak dibahas.
1.5. Manfaat
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini yaitu:
a. Mereduksi harmonisa pada peralatan juicer itu sendiri, karena peralatan juicer yang ada dipasaran tidak dilengkapi dengan filter harmonisa.
b. Memperbaiki faktor daya menjadi lebih baik pada juicer.
c. Harmonisa pada juicer tidak mengganggu peralatan lain disekitarnya, tetangganya bahkan pembebanan transformator distribusi.
Diharapkan di masa yang akan datang, juicer tersebut dilengkapi dengan filter harmonisa, sehingga bila juicer yang terdistorsi harmonisa tersebut dipakai dalam jumlah yang besar pada waktu yang bersamaan pembebanan transformator distribusi aman, tidak mudah panas, dan umur operasinya dapat dalam kurun waktu yang panjang.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier adalah bentuk gelombang keluaran yang tidak sebanding dengan impedansi tegangan masuk dalam setiap setengah putarannya sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya ( mengalami distorsi).
Beban non linier dibangkitkan oleh komponen semikonduktor pada peralatan elektronik seperti televisi, komputer, lampu hemat energi,mixer, AC, dan peralatan rumah tangga lainnya, dalam proses kerja peralatan elektronik ini berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari tegangan [1].
2.1. Juicer
Juicer adalah suatu alat rumah tangga yang digunakan untuk menghancurkan buah menjadi minuman yang bernama jus atau dalam bahasa inggrisnya juice. Beban juicer menghasilkan sumber arus harmonisa (IHDi) pada orde ke-3 yang dibangkitkan dari motor universal satu fasa pada juicer. Peralatan juicer terdiri dari parutan yang terbuat dari logam besi, prinsip kerjanya sama dengan motor induksi, kemudian di pangkal atau dibawahnya tersedia mangkuk untuk menampung sari buah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1 [9].
Gambar 2.1. Juicer
Perabotan rumah tangga ini biasanya digunakan oleh ibu rumah tangga disaat menyiapkan hidangan makanan dengan membuat jus sebagai pelengkap makanan sehingga jus buah tersebut sangat berguna bagi kesehatan khususnya bagi anak – anak atau orang tua sehingga daya tahan tubuh meningkat. Sistem kerja juicer dengan menggunakan motor universal yang digunakan satu fasa.
2.1.1. Motor universal
Motor universal sama dengan motor satu fasa. Motor ini terdiri dari kumparan stator dan kumparan rotor. Stator adalah bagian dari motor yang tidak bergerak dan rotor adalah bagian yang bergerak yang bertumpu pada bantalan poros terhadap stator seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 [10].
L R
220-230V VAC 50-60Hz
C Saklar LR (Belitan Rotor)=44 Ω
C= 4µF/250 VAC R=680 KΩ L=17 Ω
M
Gambar 2.2. Rangkaian Juicer
Motor universal terdiri atas kumparan – kumparan stator dan rotor yang berfungsi membangkitkan gaya gerak listrik akibat dari adanya arus listrik bolak – balik satu fasa yang melewati kumparan – kumparan tersebut sehingga terjadi suatu interaksi induksi medan magnet antara stator dan rotor.
Dari peralatan satu fasa yang terdapat motor universal menimbulkan harmonisa ketiga akibat induksi motor antara belitan motor dan rotor, sehingga terjadi peningkatan arus pada netral sumber [13].
2.2. Harmonisa
Harmonisa adalah suatu komponen sinusiodal dari gelombang berkala yang mempunyai suatu frekuensi yang merupakan kelipatan dari frekuensi dasarnya yang dapat dilihat pada Gambar 2.3 [11].
. Hr Gambar 2.3. Bentuk gelombang harmonisa pertama sampai ketiga
Dalam Gambar 2.3 tersebut dapat dilihat harmonisa ke 3 merupakan kelipatan dari frekuensi dasar, dan pada Gambar 2.4 dapat dilihat gabungan frekuensi dasar dan frekuensi yang telah terharmonisasi akibat beban non linier. Besar daya beban non linier yang menarik arus dari sumber melalui impedansi jaringan sangat mempengaruhi distorsi gelombang tegangannya.
Frekuensi dasar
2.3. Perhitungan Harmonisa
Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [12]:
𝑣𝑣(𝑡𝑡) = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + ∑∞𝑛𝑛=1𝑉𝑉𝑛𝑛𝐶𝐶𝑉𝑉𝐶𝐶(𝑛𝑛𝑛𝑛𝑡𝑡 + 𝜃𝜃𝑛𝑛) ... (2.1) 𝑖𝑖(𝑡𝑡) = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + ∑∞𝑛𝑛=1𝐼𝐼𝑛𝑛𝐶𝐶𝑉𝑉𝐶𝐶(𝑛𝑛𝑛𝑛𝑡𝑡 + 𝜃𝜃𝑛𝑛) ... (2.2) Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi √2 dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus yaitu: [13]
𝑉𝑉𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑉𝑉𝑉𝑉2+ �∑∞𝑛𝑛=1�√2𝑉𝑉𝑛𝑛�2 ... (2.3)
𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝐼𝐼𝑉𝑉2+ �∑∞𝑛𝑛=1�√2𝐼𝐼𝑛𝑛�2 ... (2.4) 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.
Besar Total Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus yaitu:
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑣𝑣 = � ∑ �𝑉𝑉𝑛𝑛√2�
∞ 2 𝑛𝑛 =2
𝑉𝑉1√2
= �∑ (𝑉𝑉𝑛𝑛 )2
∞𝑛𝑛 =2
𝑉𝑉1 ... (2.5)
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖 = �∑ �
𝐼𝐼𝑛𝑛
√2�2
∞𝑛𝑛 =2
√2𝐼𝐼1
= �∑ (𝐼𝐼𝑛𝑛)2
∞𝑛𝑛 =2
𝐼𝐼1 ... (2.6)
Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan nilai RMS pada orde harmonisa terdistorsi terhadap nila RMS pada frekuensi fundamental yaitu:
𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑣𝑣 = 𝑉𝑉ℎ√2𝑉𝑉1
√2
= 𝑉𝑉ℎ𝑉𝑉
1 ... (2.7) 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖 =
𝐼𝐼ℎ
√2𝐼𝐼1
√2
=𝐼𝐼𝐼𝐼ℎ
1 ... (2.8) Dimana: Vh = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi
Ih = Arus harmonisa pada orde terdistorsi
Hubungan Persamaan IHD dengan arus RMS dari Persamaan (2.8) yaitu:
𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅2 = 12𝐼𝐼2𝑛𝑛 ... (2.9)
𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖2 = 12 𝐼𝐼𝐼𝐼212𝑛𝑛
2
= 𝐼𝐼2𝑛𝑛𝐼𝐼−𝐼𝐼21
12 ... (2.10) Selanjutnya dari Persamaan (2.9) yaitu:
𝐼𝐼2𝑛𝑛 = 𝐼𝐼12 + 𝐼𝐼12. 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖2 = 𝐼𝐼12�1 + 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖2� ... (2.11)
1
2𝐼𝐼𝑛𝑛2 = 𝐼𝐼122�1 + 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖2� ... (2.12) Sehingga arus RMS terhadap IHDi yaitu:
𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅2 = 𝐼𝐼1 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅2��1 + 𝐼𝐼𝑇𝑇𝑇𝑇𝑖𝑖2� ... (2.13)
2.4. Pengaruh Harmonisa
Dari peralatan listrik non linier dapat menyebabkan transformator distribusi mengalami penurunan kinerja dan kerusakan. Dampak umum dari gangguan
harmonisa ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan satu fasa. Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling menghapuskan sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan kelipatan tiga ganjil yang disebut tripple harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang disebut zero sequence harmonic, dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Polaritas dari komponen harmonisa
Harmonik 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Urutan + - 0 + - 0 + - 0
Harmonisa pertama urutan polaritas adalah positif, harmonisa kedua urutan polaritas adalah negatif, harmonisa ketiga polaritasnya adalah nol, dan harmonisa keempat adalah positif (berulang berurutan sampai seterusnya).
Pengaruh harmonisa yang ditimbulkan dari polaristas komponen harmonisaa yaitu tingginya arus polaritas nol pada arus netral di transformator distribusi sistem 3 fasa 4 kawat, dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Pengaruh polaritas harmonisa
Polaritas Dampak harmonisa
Positif -Panas
Negatif -Panas
-Menghambat atau memperlambat putaran motor Nol -Panas
-Menimbulkan atau menambah arus pada kawat netral
Besarnya harmonisa yang dihasilkan oleh beban non liner dapat menganggu jaringan dan sistem tenaga listrik. Oleh karena itu, harus dilakukan peredaman harmonisa dengan cara mem-filter harmonisa.
Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan oleh beban non linier, yaitu [14]:
a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa tereduksi di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b. Penggunaan filter aktif.
c. Kombinasi filter aktif dan pasif.
Sistem diatas dapat meredam harmonisa, dan 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 diakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan reaktansi induktif sistem.
2.5. Filter Pasif
Pada peralatan rumah tangga khususnya juicer, untuk mengatasi IHDi
aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis. Filter pasif dirancang untuk mengalihkan arus harmonisa pada bagian tertentu yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L
dan resistor. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating arus dan VAR yang diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit (skin effect) [15].
Gambar 2.5 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya. Filter single-tuned dan filter orde tiga adalah yang paling umum digunakan [5].
C
L
R
C
R L
C1
R C2
L
C1
C2
R L
Single tuned High-Pass Filter Orde Tiga Filter Tipe C Gambar 2.5. Jenis-jenis filter pasif
Pada peralatan juicer ini, IHDi dominan muncul pada harmonisa ke-3, oleh karena itu IHDi perlu dikurangi agar tidak mengganggu peralatan yang lain.
mengatasi masalah harmonisa, filter pasif yang digunakan adalah filter single-tuned dan filter orde tiga. Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan rendah.
Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah.
Prinsip kerja dari filter pasif adalah mengalirkan arus harmonisa orde tertentu dari sumber harmonisa (beban non linier) melalui jaringan filter. Untuk memaksa arus orde tertentu mengalir ke jaringan filter, besar kapasitor harus diatur agar terjadi resonansi pada jaringan, sehingga harga impedansi saluran akan minimum karena hanya tinggal komponen resistansi saja. Disamping dapat mengurangi harmonisa, filter single-tuned dan filter orde tiga juga dapat memperbaiki power factor.
Keuntungan yang dapat diperoleh dari penggunaan filter pasif antara lain:
1. Desain sederhana dan murah
2. Dapat difungsikan sebagai kompensator energi reaktif Disamping keuntungan, filter pasif juga kekurangan seperti:
1. Impedansi sumber mempengaruhi karakteristik kompensasi filter
2. Sensitif terhadap perubahan komponen LC dan variasi frekuensi pada jaringan
3. Dapat menyebabkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi jaringan yang mengakibatkan penguatan harmonisa pada frekuensi tertentu.
2.6. Batasan Harmonisa
Secara umum, mengurangi harmonisa tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai dibawah standar yang diizinkan. Secara teknis, bertujuan
ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) 61000-3-2 kelas D yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun tiga fasa. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE.
Pada standar IEC 61000-3-2 kelas D, 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: [14]
1) Kelas A
Kelas ini merupakan semua peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 ampere perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan arus harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasannya dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. 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
2) Kelas B
Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable yang batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat seperti pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4. 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 2.5.
Tabel 2.5. 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
Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 watt khususnya peralatan rumah tangga. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk mA/W dan dibatasi pada harga absolut yang nilainya diperlihatkan oleh Tabel 2.6.
Tabel 2.6. 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
2.7. Filter single tuned
Filter single tuned adalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.6. Untuk mengatasi harmonisa di dalam sistem tenaga listrik industri yang paling banyak digunakan adalah pasif filter single tuned [15].
Gambar 2.6. Filter single tuned
Berdasarkan Gambar 2.6 besarnya impedansi filter single tuned pada frekuensi fundamental adalah [12]:
𝑍𝑍𝐹𝐹 = 𝑅𝑅 + 𝑗𝑗(𝑋𝑋𝐿𝐿− 𝑋𝑋𝐶𝐶) ... (2.14) Pada frekuensi resonansi, persamaan (2.14) menjadi:
𝑍𝑍𝐹𝐹 = 𝑅𝑅 + 𝑗𝑗(𝑛𝑛𝑟𝑟𝐿𝐿 −𝑛𝑛1
𝑟𝑟𝐶𝐶) ... (2.15) Jika frekuensi sudut saat resonansi adalah:
𝑛𝑛𝑟𝑟 = 2𝜋𝜋 𝑓𝑓0 ℎ𝑟𝑟 ... (2.16)
Impedansi filter dapat ditulis sebagai berikut:
𝑍𝑍𝐹𝐹 = 𝑅𝑅 + 𝑗𝑗(2𝜋𝜋 𝑓𝑓0 ℎ𝑟𝑟𝐿𝐿 −2𝜋𝜋 𝑓𝑓1
0 ℎ𝑟𝑟𝐶𝐶) ... (2.17) 𝑍𝑍𝐹𝐹 = 𝑅𝑅 + 𝑗𝑗(𝑋𝑋𝐿𝐿ℎ𝑟𝑟 −𝑋𝑋ℎ𝐶𝐶
𝑟𝑟) ... (2.18)
Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar, maka diperoleh impedansi filter single tuned adalah:
𝑍𝑍𝐹𝐹 = 𝑅𝑅 ... (2.19) Filter single tuned mempunyai impedansi yang kecil, sehingga arus harmonisa akan dialirkan atau dibelokkan melalui filter single tuned dan tidak mengalir ke sistem. Frekuensi respon dan sudut fasa dari filter single tuned pada contoh di Gambar 2.7 (a) dan (b), dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari harmonisa (fr = 250 Hz), impedansi filter single tuned sangat kecil [13].
(a) Frekuensi Respon Single tuned Filter
(b) Sudut Fasa Fungsi Orde Harmonisa
Gambar 2.7. (a), (b). Frekuensi Respon dan Sudut Fasa filter single tuned
Dengan demikian filter single tuned diharapkan dapat mengurangi individual harmonisa arus (IHDi) dan individual harmonisa tegangan (IHDv) dapat diperbaiki 30% sampai 50% sehingga menjadi dibawah standart IEC 61000-3-2 kelas D. Besarnya tahanan R dari induktor dapat ditentukan oleh faktor kualitas dari induktor. Faktor kualitas (Q) adalah kualitas listrik suatu induktor, secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif dengan nilai tahanan resitor (R). Semakin besar nilai Q yang dipilih maka semakin kecil nilai R dan semakin bagus kualitas dari filter yang diharapkan mencapai 100 % dimana energi yang dikonsumsi oleh filter akan semakin kecil, artinya rugi-rugi panas filter adalah kecil [12][20].
Pada frekuensi tuning:
𝑛𝑛𝑛𝑛𝐿𝐿 =𝑛𝑛1
𝑛𝑛𝐶𝐶= 𝑋𝑋𝑛𝑛 ... (2.20) Faktor kualitas:
𝑄𝑄 =𝑋𝑋𝑅𝑅𝑛𝑛 ... (2.21) atau
𝑅𝑅 =𝑋𝑋𝑄𝑄𝑛𝑛 ... (2.22)
2.8. Prinsip Pereduksian Harmonisa Dari Filter Single-Tuned
Filter single tuned yang diletakkan secara paralel akan men-short circuit-kan arus harmonisa yang ada dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga
listrik. Filter single tuned yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tigkat harmonisa, penggunaan kapasitor dapat memperbaiki cos φ sistem, sedangkan induktor berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitif akibat adanya resonansi. Sebuah rangkaian filter single tuned dipasang pada frekuensi harmonisa sebagai filter, pemasangannya secara paralel dengan peralatan yang mendistorsikan harmonisa. Filter single-tuned akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter seperti pada Gambar 2.8 [16].
Sumber Arus
Beban Non Linier Filter Single
tuned I1
Is IF
Ih
Gambar 2.8. Prinsip Pereduksian Harmonisa
Kualitas dari sebuah filter (Q) adalah ukuran ketajaman penyetelan filter dalam mereduksi harmonisa. Dalam filter Single-Tuned, faktor kualitas Q didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi terhadap resistansi. Pada Gambar 2.9 diperlihatkan gelombang hasil dari penggunaan filter
harmonisa dengan simulasi MATLAB/Simulink, dimana gelombang harmonisa menjadi berkurang distorsinya.
Gambar 2.9. Kompensasi gelombang filter
Hasil simulasi MATLAB/Simulink dapat menjelaskan proses eliminasi gelombang arus terdistorsi dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban non linier seperti yang ditunjukkan pada gelombang warna biru. Setelah kapasitor dan induktor yang digunakan sebagai filter untuk memperbaiki gelombang warna biru dengan sinyal gelombang warna hijau, sehingga menghasilkan gelombang yang terperbaiki seperti yang ditunjukkan gelombang warna merah dengan tingkat distorsi gelombang mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat diperbaiki oleh induktor dan kapasitor.
2.9. Merancang Filter Single-Tuned
Merancang filter Single tuned yang terdiri dari hubungan seri komponen- komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan, adalah bagaimana menentukan
Biru : Gelombang terdistorsi Hijau : Gelombang filter Merah : Gelombang terperbaiki
Langkah-langkah rancangan Filter single tuned adalah:
a. Tentukan ukuran kompensasi kapasitor ΔQ berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya. Kompensasi kapasitor ( Δ𝑄𝑄) adalah:
Δ𝑄𝑄 = 𝑃𝑃{tan(𝑐𝑐𝑉𝑉𝐶𝐶−1𝑝𝑝𝑓𝑓1) − tan(𝑐𝑐𝑉𝑉𝐶𝐶−1𝑝𝑝𝑓𝑓2)} ... (2.23) Dimana:
P = beban (kW)
pf1 = faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki pf2 = faktor daya setelah diperbaiki
b. Tentukan Reaktansi kapasitor (𝑋𝑋𝐶𝐶):
𝑋𝑋𝐶𝐶 =Δ𝑄𝑄𝑉𝑉2 ... (2.24) c. Tentukan Kapasitansi dari kapasitor (𝐶𝐶):
𝐶𝐶 =2 𝜋𝜋 𝑓𝑓1
0𝑋𝑋𝐶𝐶 ... (2.25)
d. Tentukan Reaktansi Induktif dari Induktor (𝑋𝑋𝐿𝐿):
𝑋𝑋𝐿𝐿 =𝑋𝑋ℎ𝐶𝐶
𝑛𝑛2 ... (2.26) e. Tentukan Induktansi dari Induktor (𝐿𝐿):
𝐿𝐿 =2 𝜋𝜋 𝑓𝑓𝑋𝑋𝐿𝐿
0 ... (2.27) f. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter (𝑋𝑋𝑛𝑛):
𝑋𝑋𝑛𝑛 = ℎ𝑛𝑛 𝑋𝑋𝐿𝐿 ... (2.28) g. Tentukan Tahanan (𝑅𝑅) dari Induktor:
𝑅𝑅 =𝑋𝑋𝑄𝑄𝑛𝑛 ... (2.29)
Gambar 2.10. Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q
Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.10 [18].
Daya Semu (VA):
𝑅𝑅 = 𝑉𝑉. 𝐼𝐼 ... ( 2.30) Daya Aktif (Watt):
𝑃𝑃 = 𝑉𝑉. 𝐼𝐼. cos φ ... (2.31) Daya Reaktif (VAR):
𝑄𝑄 = 𝑉𝑉. 𝐼𝐼. sin φ ... (2.32)
Faktor daya umumnya dinyatakan dalam bentuk Cos φ yang besarnya yaitu:
𝑝𝑝𝑓𝑓 = cos φ = 𝑃𝑃 (𝑤𝑤𝑤𝑤𝑡𝑡𝑡𝑡)
𝑅𝑅 (𝑉𝑉𝑉𝑉) ... (2.33) Dimana: cos φ: Faktor daya
Kebutuhan daya reaktif dapat dihitung dengan pemasangan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya beban. Komponen daya aktif (P) umumnya konstan, daya semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya beban.
𝜑𝜑1 𝜑𝜑2
𝑄𝑄1 𝑅𝑅1(𝑉𝑉𝑉𝑉)
𝑅𝑅2(𝑉𝑉𝑉𝑉) 𝑄𝑄2
P(wat
𝑄𝑄(𝑉𝑉𝑉𝑉𝑅𝑅)
Dengan merujuk vektor segitiga daya Gambar 2.10, maka Daya Reaktif pada pf awal yaitu:
Q1 = P tan φ1 ... ( 2.35) Daya Reaktif pada PF diperbaiki yaitu:
Q2 = P tan φ2 ... (2.36) Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah ΔQ= Q1 - Q2 atau:
ΔQ = P(tan 𝜑𝜑1- 𝑡𝑡𝑤𝑤𝑛𝑛 𝜑𝜑2) ... (2.37)
Besar nilai ΔQ yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang besarnya ditentukan berdasarkan Persamaan (2.24) dan besar nilai kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya pada Persamaan (2.25).
2.10. Filter Orde Tiga
Filter pasif orde tiga ini adalah salah satu filter yang akan digunakan untuk mengurangi harmonisa akibat beban non-linier, rangkaiannya terdiri dari R, L dan 2C seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11 [7].
C1
R C2
L
Gambar 2.11. Filter Orde tiga Langkah – langkah untuk merancang filter orde tiga:
Menentukan Reaktansi X
C1 dapat dihitung dari kompenasai daya reaktif ΔQ yang dibutuhkan serta tegangan sumber V pada frekuensi fundamental dengan persamaan:
𝑋𝑋𝐶𝐶1= Δ𝑄𝑄𝑉𝑉2 ... (2.38) Sehingga diperoleh nilah C
1 dengan persamaan:
𝐶𝐶1 =2 𝜋𝜋 𝑓𝑓1
0𝑋𝑋𝐶𝐶1 ... (2.39) Parameter – parameter lainnya harus memenuhi kondisi sebagai berikut:
1. Resistansi filter pada harmonisa ke – h sama dengan RF. 2. Reaktansi filter pada harmonisa ke – h sama dengan nol.
3. XC2 = mXC1 dimana m diambil dalam hubungan antara XC1 dan XC2 . Untuk mengurangi nilai KV(h) pada harmonisa yang ditentukan, filter harus mempunyai nilai resistansi sebesar RF. KV(h) adalah norma untuk indeks KV. Nilai dari RF dapat dihitung dengan persamaan:
Dimana:
KV = total distorsi hamonisa pada frekuensi fundamental KV(h) = total distorsi harmonisa pada harmonisa ke – h Gns, bns = konduktansi & suseptansi dari titik filter dipasang
Impedansi dari filter orde tiga pada harmonisa ke-h dapat dituliskan seperti persamaan:
𝑍𝑍𝑓𝑓(ℎ) =𝑅𝑅+ 𝑗𝑗 (ℎ𝑋𝑋𝑗𝑗ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿(𝑅𝑅−𝑗𝑗ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿−ℎ𝑋𝑋𝐶𝐶2𝐶𝐶2))− 𝑗𝑗𝑋𝑋𝐶𝐶1 ... (2.41) Kemudian di transformasikan Zf (h), dengan memisahkan antara bagian real dengan bagian imajiner sehingga menjadi:
𝑍𝑍𝑓𝑓(ℎ) =𝑅𝑅2𝑅𝑅 �ℎ𝑋𝑋+�ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿2�
𝐿𝐿𝐶𝐶 22 �+ 𝑗𝑗𝑅𝑅2(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶 1)−{(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿)(ℎ𝑋𝑋𝑅𝑅2𝐶𝐶2+�ℎ𝑋𝑋)(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶 2)}−{(ℎ𝑋𝑋𝐶𝐶1)�ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶 22 �}
𝐿𝐿𝐶𝐶 22 � (2.42)
Dimana:
hXLC1 = hXL - hXC1, hXLC2 = hXL - hXC2
Sesuai dengan kondisi 1 dan 2 bahwa bagian imajiner Zf(h) pada harmonisa ke-h adalah sama dengan nol, maka bagian real adalah sama dengan RF. Setelah ditransformasikan bagian real dan imajiner Zf(h) dapat direpresentasikan menjadi dua persamaan sistem yaitu:
𝑅𝑅 (ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿2) − 𝑅𝑅𝑓𝑓𝑅𝑅2− 𝑅𝑅𝑓𝑓(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶22 ) = 0 ... (2.43) 𝑅𝑅2(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶1) − {(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿)(ℎ𝑋𝑋𝐶𝐶2)(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶2)} − {(ℎ𝑋𝑋𝐶𝐶1)(ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿𝐶𝐶22 )} = 0 .... (2.44) Setelah memecahkan persamaan (2.43, 2.44), persamaan disederhanakan dengan persamaan XC2 = mXC1 , sehingga diperoleh persamaan:
𝑅𝑅 =𝑅𝑅F{ℎ𝑋𝑋2𝑋𝑋𝐿𝐿−𝑚𝑚(ℎ𝑋𝑋𝐶𝐶1)}
𝐿𝐿ℎ2−𝑋𝑋𝐶𝐶1 ... (2.45)
ℎ𝑋𝑋𝐿𝐿 =(−𝐵𝐵±√𝐵𝐵2𝑉𝑉2−4𝑉𝑉𝐶𝐶) ... (2.46) Dimana: 𝑉𝑉 = −𝑋𝑋𝐶𝐶1(1 + 𝑚𝑚)/ℎ
𝐵𝐵 = 𝑅𝑅𝐹𝐹2 + 𝑋𝑋𝐶𝐶12 (1 + 2𝑚𝑚)/ℎ2 𝐶𝐶 = −𝑚𝑚𝑅𝑅𝐹𝐹2(ℎ𝑋𝑋ℎ 𝐶𝐶1)−𝑚𝑚𝑋𝑋ℎ3𝐶𝐶13
Dalam Persamaan (2.45) dan (2.46), nilai m tidak diketahui, untuk mencari nilai m digunakan kondisi C1 >> C2 dan ekspresi dibawah tanda akar persamaan (2.46) adalah positif, yaitu: B2 - 4AC >0, sehingga diperoleh nilai interval m sebagai berikut:
1 < 𝑚𝑚 <𝑅𝑅2ℎ𝑅𝑅𝐹𝐹2ℎ2+XC12
𝐹𝐹𝑋𝑋𝐶𝐶1 ... (2.47) Persamaan (2.47) menunjukkan bahwa hubungan antara XC1 dan XC2 ditentukan oleh nilai XC1 dan RF pada harmonisa dimana filter dipasang.
𝑋𝑋𝐶𝐶1= 𝑄𝑄𝑉𝑉2
𝐶𝐶1 ... (2.48) 𝑋𝑋C2= 𝑚𝑚𝑋𝑋𝐶𝐶1 ... (2.49) 𝑋𝑋𝐿𝐿 =(−𝐵𝐵±√𝐵𝐵2𝑉𝑉.ℎ2−4𝑉𝑉𝐶𝐶) ... (2.50) 𝑅𝑅 =𝑅𝑅𝐹𝐹(𝑋𝑋(𝑋𝑋𝐿𝐿ℎ2−𝑚𝑚𝑋𝑋𝐶𝐶1)
𝐿𝐿ℎ2−𝑋𝑋𝐶𝐶1) ... (2.51) Dengan demikian parameter-parameter dari filter pasif orde tiga ditentukan atas dasar Persamaan (2.38), (2.45), dan (2.46).
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
Metode penelitian ini adalah pengumpulan data kemudian melakukan pengukuran harmonisa dari beberapa merek juicer yang ada di rumah tangga. Hasil pengukuran berupa nilai harmonisa tegangan (THDV) dan harmonisa arus (THDi).
Selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan parameter filter single tuned dan parameter filter orde tiga yang akan digunakan. Hasil pengukuran dan hasil perhitungan selanjutnya dilakukan pemodelan beban dan filter dan disimulasikan dengan program MATLAB/Simulink.
3.1. Teknik Pengukuran Yang Dilakukan
Teknik pengukuran dan pengambilan data menggunakan alat ukur Fluke 435 Power Quality Analyzer yang dilakukan pada laboraturium PLN Wilayah Sumatera Utara. Fluke 435 adalah suatu alat mengukur analisis motor start, beban tidak seimbang, tidak baiknya suatu peralatan dan jaringan,sehingga diketahui berapa baiknya suatu sumber daya dalam kondisi berbeban yang dapat menganggu tegangan, arus atau frekuensi yang dapat dilihat pada Gambar 3.1. Hasil pengukuran berupa daftar dan grafik secara langsung dari alat Fluke, dan data tersebut dapat disimpan di komputer.
Gambar 3.1. Alat ukur Fluke 435
Parameter yang dapat diambil dari Fluke 435 adalah komponen harmonisa tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya daya aktif, daya reaktif dan daya semu. Pada Gambar 3.2 dapat dilihat pemasangan Fluke 435 untuk mengukur rangkaian tersebut untuk mendapatkan nilai setiap orde harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang digunakan untuk menghitung besar kapasitas kapasitor yang harus digunakan sebagai kompensasi faktor daya sistem.
AC
FLUKE 435
CLAMP CT L
M C R
Gambar 3.2. Rangkaian Pengukuran harmonisa pada rangkaian juicer
Dalam pengukuran juicer, digunakan kabel power gulung satu fasa yang berisi 3 core 1 kabel sepanjang 80 meter ke alat juicer yang dikur dengan kabel jenis NYM 3×2,5 mm2 sesuai ukuran penggunaan diperoleh dari standar kabel seperti yang terlihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Impedansi kabel saluran Jenis
kabel
Luas penampang
(mm2)
Resistasi (r) (𝛺𝛺/km)
Reaktansi (x) (𝛺𝛺/km)
Impedansi kabel (z) (𝛺𝛺)
NYM 3×2,5 7,41 0,104 0.5928+j0.00832
3.2. Data Pengukuran
Berikut ini merupakan data dan grafik yang akan diambil dari pengukuran beberapa merek Juicer yang telah diukur melalui alat Power Quality Analyzer Fluke 435. Hasil pengukuran yaitu harmonisa tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya daya aktif, daya reaktif dan daya semu pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2. Data hasil pengukuran beberapa juicer
Parameter Satuan
Merek Juicer
1 2 3 4 5
U (Phase Voltage) Volt 224,49 229,35 224,21 225,27 225,14 I (Phase Current) Ampere 1,270 0,556 2,126 1,224 1,114 S (Apparent Power) VA 282,8 127,4 476,6 275,8 279,7 P (Active Power) W 278,3 73,2 324,2 260,9 168,2 Q (Reactive Power) VAR 50,2 104,3 349,4 275,8 223,4
PF (Power Factor) - 0,98 0,57 0,68 0,95 0,6
Cos Phi - 1 0,62 0,99 0,96 0,67
THDv % 2,2 2,2 2,1 2,3 2,3
THDi % 19,7 36,3 16,1 18,8 66,7
Freq Hz 50,151 50,124 50,037 50,117 50,041
IHD ke 3 % 18,6 38,4 32,8 45,5 66,2
IHD ke 5 % 2,6 4,7 1,8 4,5 5,3
IHD ke 7 % 2,4 4,5 0,8 2,3 3,1
IHD ke 9 % 1,1 1,5 0,9 2,5 3,2
IHD ke 11 % 0,6 0,8 0,4 0,5 0,6
IHD ke 13 % 0,3 0,3 0,5 0,3 0,3
IHD ke 15 % 0,2 0,3 0,2 1,2 0,4
Dapat dilihat dari Tabel 3.2 hasil pengukuran nilai THDi, THDv dan IHDi dan IHDv dari setiap juicer, dimana juicer ke-5 pada orde harmonisa ke -3 menunjukkan nilai IHDi yang terburuk yaitu sebesar 66,2 % yang menjadi dasar penelitian ini.
Pada Tabel 3.3 dapat dilihat nilai IHDi melebihi standar IEC 61000-3-2 kelas D.
Pada Gambar 3.3, 3.4, dan 3.5 dapat dilihat hasil pengukuran dalam bentuk gelombang, power & energi, harmonisa arus dan tegangan dari juicer yang ke-5 yaitu:
Gambar 3.3. Bentuk gelombang harmonisa arus dan tegangan hasil pengukuran.
Gambar 3.4. Hasil pengukuran spektrum arus
