REDUKSI HARMONISA PADA INDUSTRI MANUFAKTUR MENGGUNAKAN SINGLE TUNED PASSIVE FILTER DAN
HIGH PASS PASSIVE FILTER
TESIS
OLEH:
MUHAMMAD DANI SOLIHIN 157034013
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2019
REDUKSI HARMONISA PADA INDUSTRI MANUFAKTUR MENGGUNAKAN SINGLE TUNED PASSIVE FILTER DAN
HIGH PASS PASSIVE FILTER
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH:
MUHAMMAD DANI SOLIHIN 157034013
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2019
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tesis : Reduksi Harmonisa Pada Industri Manufaktur Menggunakan Single Tuned Passive Filter Dan High Pass Passive Filter
Nama Mahasiswa : Muhammad Dani Solihin Nomor Induk : 157034013
Program Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Ir. Surya Hardi, M.S, Ph.D.) (Ir. Syafruddin HS, M.T., Ph.D.)
Ketua Program Studi, Dekan,
(Suherman, S.T., M.Comp., Ph.D.) (Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D.)
Telah Lulus: 03 Mei 2019
Tanggal : 03 Mei 2019
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Ir. Surya Hardi, M.S., Ph.D.
Anggota : Ir. Syafruddin HS, M.T., Ph.D.
Prof. Dr. Dadan Ramdan, M. Eng., M.Sc.
Dr. Ir. Fahmi, M.Sc., IPM.
dijadikan bermacam-macam bentuk/model produk, baik yang berupa produk setengah jadi ataupun yang sudah berupa produk jadi. Perbengkelan Matra Abadi merupakan industri manufaktur yang memiliki peralatan seperti mesin shaping mesin milling vertical, mesin milling horizontal, pross lathe dengan berbagai diameter, mesin bor, mesin las dan mesin gerinda yang memberikan arus harmonisa ke jaringan sistem tenaga pada orde harmonisa rendah seperti harmonisa ke-3, 5, 7, 9, 11 dan seterusnya.
Pengukuran dilakukan pada titik output panel yang berada di industri manufaktur dan diperoleh THDi sebesar 18,72%. Oleh sebab itu perlu dilakukan filterisasi harmonisa dari bermacam-macam filter harmonisa pasif yang ada, single tuned passive filter dan high pass passive filter merupakan filter yang sederhana dipergunakan untuk mengurangi arus harmonisa pada orde tertentu yang tidak sesuai standar IEEE 519–
2014. Pada tulisan ini akan membahas penggunaan kedua filter tersebut pada perbengkelan matra abadi. Reduksi harmonisa dilakukan dengan merancang filter yang akan digunakan yaitu single tuned passive filter dan high pass passive filter.
Untuk mengetahui penurunan harmonisa sebelum dan sesudah menggunakan filter single tuned passive filter dan high pass passive filter pada perbengkelan matra abadi dilakukan melalui simulasi menggunakan program Matlab/simulink. Arus harmonisa setelah dilakukan filterisasi pada perbengkelan matra abaadi untuk semua konfigurasi beban secara keseluruhan telah memenuhi standar IEEE 519–2014. Penurunan THDi sesudah penggunaan filter single tune yang dihasilkan industri manufaktur adalah sebesar 11,02% dan pada filter high pass sebesar 11,18%. Simulasi sebelum pemasangan filter pasif pada faktor daya adalah 0,68 dan setelah simulasi pemasangan filter pasif diperoleh hasil perbaikan faktor daya menjadi 0,91. Dari simulasi yang dilakukan, diperoleh bahwa hasil penggunaan single tuned passive filter dapat menurunkan harmonisa keseluruhan yang lebih baik dibandingkan dengan high pass passive filter.
Kata-kata Kunci: Harmonisa, Industri Manufaktur, Single Tuned Passive Filter dan High Pass Passive Filter
Manufacturing industry is an industry that processes raw materials to be used as a variety of forms / models of products, both in the form of semi-finished products or already in the form of finished products. Perbengkelan Matra Abadi is a manufacturing industry that has equipment such as shaping machines, vertical milling machines, horizontal milling machines, pross of various diameter lathes, drilling machines, welding machines and grinding machines that provide harmonic current to the network power system on low harmonic order such as harmonics 3, 5, 7, 9, 11 and so on. Measurements were made at the panel output points in the manufacturing industry and obtained THD of 18.72%. Therefore it is necessary to do harmonic filtering of various passive harmonic filters, single tuned filters and high pass filters are simple filters used to reduce harmonic currents for certain orders that are not in accordance with the IEEE 519-2014 standard. In this paper, we will discuss the use of these two filters on immortal dimension workshops. Harmonic reduction is done by designing filters to be used, namely single tuned and high pass filters. To find out the decrease in harmonics before and after using a single tuned and high pass filter on an immersive matrix is done through simulation using the Matlab / simulink program. Harmonic currents after filtering on the solar matrix for all load configurations as a whole have met the IEEE 519-2014 standard. The decrease in THD after the use of single tune filters produced by the manufacturing industry was 11.02% and the high pass filter was 11.18%. The simulation before installing the passive filter on the power factor is 0.68 and after the passive filter installation simulation the results of the power factor improvement result are 0.91.
From the simulation, it was found that the results of using a single tuned passive filter can reduce overall harmonics better than high pass passive filters..
Keywords: Harmonic, Manufacturing Industry, Single Tuned Passive Filters and High Pass Passive Filters.
atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya dan shalawat dan salam kepada Rasul- Nya Muhammad sallallahu „alihi wassallam, sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan judul, “Reduksi Harmonisa Pada Industri Manufaktur Menggunakan Single Tuned Passive Filter dan High Pass Passive Filter”.
Penulisan tesis ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh gelar master S2, Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian tesis ini tak lepas dari bimbingan, arahan, saran, motivasi, maupun fasilitas banyak pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Runtung Sitepu, S.H., M.Hum selaku Rektor Universitas Sumatera Utara.
2. Ibu Ir. Seri Maulina, M.Si., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik USU.
3. Bapak Suherman, ST., M. Comp., Ph.D selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro.
4. Bapak Ir. Surya Hardi, M.S., Ph.D dan Bapak Ir. Syafruddin HS, M.T., Ph.D. selaku dosen pembimbing.
7. Seluruh rekan mahasiswa, dosen, karyawan dan civitas akademika di Program Studi Magister Teknik Elektro.
Dalam penulisan tesis ini, penulis menyadari bahwa tulisan ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, penulis memohon maaf atas segala kekurangannya. Saran dan kritik yang membangun akan penulis terima dengan harapan tulisan ini dapat berguna bagi pembaca dan dilanjutkan untuk memperoleh hasil yang lebih bermanfaat.
Medan, 03 Mei 2019
Penulis
Nama : Muhammad Dani Solihin Tempat/ tanggal lahir : Medan, 07 Januari 1990 Jenis Kelamin : Laki-laki
Kebangsaan : Indonesia
Agama : Islam
Status : Menikah
Anak : 1 Orang Putra
Alamat : Jalan Kenari Dusun VI Melur Desa Bandar Khalifah No Telepon/ Email : 085262210521/ danisolihin90@gmail.com
Menerangkan dengan sesungguhnya riwayat hidup sebagai berikut:
PENDIDIKAN
1. Tamatan SD Negeri 066053 Cicakrawa : Tahun 2002 2. Tamatan SMP Negeri 35 Medan : Tahun 2005 3. Tamatan SMK Negeri I Percut Sei Tuan : Tahun 2008 4. Tamatan Universitas Negeri Medan : Tahun 2013 PEKERJAAN
Tenaga Kependidkan
Medan, 03 Mei 2019 Penulis,
Muhammad Dani Solihin
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... v
DAFTAR ISI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
DAFTAR LAMPIRAN ... xi
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 4
1.3. Batasan Masalah... 4
1.4. Tujuan Penelitian ... 5
1.5. Manfaat penelitian ... 5
1.6. Sistematika Penulisan ... 5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1. Industri ... 7
2.2. Klasifikasi Industri ... 7
2.3. Harmonisa ... 8
2.3.1. Deret Fourier ... 11
2.3.2. Perhitungan Harmonisa ... 13
2.3.3. Pengaruh Harmonisa ... 17
2.4 Mengurangi Arus Harmonisa ... 18
2.5 Batasan Harmonisa... 19
2.6 Arus Hubung Singkat ... 21
2.10. High-Pass Second Order Passive Filter ... 35
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 37
3.1. Teknik Pengukuran ... 37
3.2. Data pengukuran ... 39
3.3. Diagram Alir Penelitian ... 39
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41
4.1. Hasil Pengukuran ... 41
4.2. Perhitungan Hubung Singkat dan Batasan Harmonisa ... 47
4.3. Perhitungan Komponen Single Tuned Passive Filter ... 49
4.4. Perhitungan Komponen High Pass Second Order Passive Filter ... 52
4.5. Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter ... 54
4.6. Rangkaian simulasi setelah pemasangan Single Tuned Passive Filter ... 59
4.7. Rangkaian simulasi setelah pemasangan High Pass Second Order Passive Filter ... 62
4.8. Pembahasan Hasil Penelitian ... 66
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 71
5.1. Kesimpulan ... 71
5.2. Saran ... 73
DAFTAR PUSTAKA ... 74
LAMPIRAN ... 76
2. 1 Harmonisa Fundamental, Kedua dan Harmonisa ke tiga ... 10
2. 2 Bentuk Gelombang terdistorsi harmonisa ke 3, 5 dan 7 [16] ... 11
2. 3 Rangkaian filter pasif... 24
2. 4 Filter Passive Tuned a). Single Tuned b). Double Tuned ... 25
2. 5 Filter Passive High-Pass, a). First Order, b). Second Order, c). Third ... 26
2. 6 Single-Tuned Passive Filter [6]. ... 27
2. 7 Frekuensi respon dan sudut fasa Single-Tuned Passive Filter ... 29
2. 8 Prinsip pereduksian Harmonisa ... 31
2. 9 Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q ... 34
2. 10 Filter High-Pass Second Order ... 35
3. 1 Diagram segaris pengukuran menggunakan fluke 437... 38
3. 2 Diagram alir Penelitian ... 40
4. 1 Hasil pengukuran kelistrikan pada perbengkelan Matra Abadi menggunakan alat ukur Fluke 437 ... 41
4. 2 Hasil Pengukuran THDv dengan menggunakan alat ukur Fluke 437 ... 43
4. 3 Hasil Pengukuran THDi dengan menggunakan alat ukur Fluke 437 ... 44
4. 4 Rangkaian Simulasi Sebelum Menggunakan Filter... 56 4. 5 Simulasi gelombang arus dan spektrum arus sebelum pemasangan filter ... 57 4. 6 Rangkaian Simulasi setelah pemasangan single tuned passive filter. ... 60 4. 7 Simulasi gelombang arus dan spektrum arus sesudah pemasangan single tuned passive filter ... 61 4. 8 Rangkaian Simulasi setelah pemasangan high pass second order passive filter ... 64 4. 9 Simulasi gelombang arus dan spektrum arus sesudah pemasangan high pass second order passive filter ... 65 4. 10 Grafik perbandingan IHDi hasil penelitian sebelum dan sesudah pemasangan single tuned passive filter dan high pass second order passive filter serta standar IEEE 519 -2014. ... 69
2. 1 Batas harmonisa tegangan Standar IEEE 519–2014[3] ... 20
2. 2 Batasan arus harmonisa IEEE 519–2014 ... 20
4. 1 Hasil Pengukuran Perbengkelan Matra Abadi Fasa R ... 42
4. 2 Hasil Pengukuran IHDv dan IHDi ... 45
4. 3 Perbandingan arus harmonisa hasil pengukuran di perbengkelan matra abadi dengan standar IEEE 519-2014 ... 46
4. 4 Perbandingan Tegangan harmonisa hasil pengukuran di perbengkelan matra abadi dengan standar IEEE 519-2014 ... 47
4. 5 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHDi (%) setelah pemasangan single tuned passive filter. ... 62
4. 6 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHDi (%) setelah pemasangan high pass second order passive filter. ... 66
4. 7 Perbandingan THDi hasil penelitian sebelum dan sesudah pemasangan single tuned passive filter serta standar IEEE 519 -2014 ... 67
4. 8 Perbandingan IHDi hasil penelitian sebelum dan sesudah pemasangan single tuned passive filter dan high pass second order passive filter serta standar IEEE 519 -2014 ... 68
L- 1 Surat izin penelitian ... 76
L- 2 Surat selesai penelitian ... 77
L- 3 Kalibrasi Alat Ukur ... 78
L- 4 Dokumentasi pada saat pengambilan data di industri ... 80
1.1. Latar Belakang
Pada masa sekarang ini sejalan dengan meningkatnya pembangunan yang diikuti dengan pertumbuhan dan perkembangan perekonomian Indonesia, kebutuhan energi nasional juga semakin meningkat. Seiring dengan pertumbuhan industri dan bisnis yang semakin cepat, mendorong penggunaan energi listrik yang semakin tinggi. Negara Indonesia merupakan Negara yang sedang berkembang yang akan menuju pasar bebas. Pembangunan disetiap sektor terus meningkat tajam seiring dengan pertambahan penduduk. Semakin banyaknya populasi dan perkembangan dunia industri akan menyebabkan kebutuhan terhadap energi listrik yang handal semakin meningkat. Seiring dengan itu kemajuan teknologi pun semakin pesat, peralatan-peralatan yang digunakan juga semakin modern.
Pada umumnya perangkat listrik sensitif terhadap kerusakan bila menghadapi masalah kualitas daya. Perangkat listrik yaitu motor listrik, transformator, generator, komputer, printer, peralatan komunikasi, atau peralatan rumah tangga. Semua perangkat ini memberikan gangguan yang bersifat negatif dan berbeda beda terhadap permasalahan kualitas listrik tergantung dari masing masing gangguan yang diberikannya [1]. Beban non linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya [2]
Sumber utama harmonisa dalam sistem tenaga listrik adalah beban non linear seperti static power converters, arc discharge devices, saturated magnetic devices, dan rotating machines.Beban non linier mengubah sifat sinusoidal arus listrik bolak balik (AC) sehingga mengakibatkan aliran arus harmonisa pada sistem tenaga AC menimbulkan gangguan dengan jaringan komunikasi dan juga peralatan lainnya. Arus harmonisa juga menyebabkan meningkatnya kerugian dan menimbulkan panas di berbagai perangkat elektromagnetik (motor, transformer dan generator) [3].
Beban non linier mempengaruhi sistem dengan menghasilkan harmonik arus dan tegangan. Kemampuan komponen elektronik, transformator, uninterruptible power supplies (UPS), konverter dan motor induksi yang berdaya tinggi [4].
Penggunaan beban non linier dapat menghasilkan harmonisa yang tinggi dan faktor daya yang rendah, sehingga dapat menambah pembebanan pada transformator distribusi, bahkan dapat mempengaruhi kinerja peralatan lain dengan sumber listrik tersebut. Pengaruh harmonisa pada kualitas daya sudah ditetapkan batas yang diijinkan sesuai Standar Internasional yaitu Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 519–2014)[3].
Perbengkelan Matra Abadi terletak di jalan Abadi No.4 Pulau Berayan Bengkel. Suplai energi listrik untuk operasional bengkel tersebut digunakan energi listrik kapasitas 200 A. Untuk mengetahui seberapa besar gangguan harmonik yang ada pada perbengkelan tersebut. Pengukuran tersebut untuk mendapatkan data seberapa besar harmonisa yang dibangkitkan lalu dibandingkan dengan standar IEEE 519–2014. Beban yang terdapat di Perbengkelan Matra Abadi di jalan Abadi No.4
Pulau Berayan Bengkel banyak terdapat peralatan listrik yang menimbulkan harmonisa yakni Mesin Shaping, Mesin milling vertical, Mesin milling horizontal, Pross Lathe dengan berbagai diameter, Mesin Bor, Mesin Las dan Mesin Gerinda duduk. Untuk itu perlu dilakukan pengukuran seberapa besar gangguan yang ada pada perusahaan tersebut.
Penelitian yang sudah dilakukan oleh peneliti sebelumnya berkaitan dengan filter pasif dan perbaikan faktor daya untuk mengurangi hamonisa. S. B. Efe, menggunakan Jenis filter harmonik pasif (single-tuned, double-tuned dan high-pass filter) dirancang untuk berbagai tingkat harmonik [4]. M. S. Khan et al., Implementasi Filter Single Tuned untuk mengurangi arus harmonisa pada motor induksi dengan variasi beban [5]. Y. Cho and H. Cha, Mendesain single tuned passive filter untuk mengurangi arus harmonisa. [6]. G. A. P. Mathan Mohan, menggunakan simulasi program MATLAB merancang Passive Power Filter (PPF), Shunt Active Power Filter (SAPF), dan Hybrid Active Power Filter (HAPF). [7]. Z. A. Memon, M. A. Uquaili, and M. A. L. I. Unar, mendesain dua filter pasif untuk mengurangi harmonisa arus dengan menggunakan software Matlab/Simulink. [8].D. C. Bhonsle and R. B. Kelkar, Simulasi dalam penggunaan program MATLAB dan merancang single tuned passive filter [9].
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar Individual Harmonic Distortion Arus (IHDi) dan faktor daya yang dihasilkan oleh perbengkelan tersebut, kemudian akan dilakukan simulasi perancangan filter pasif yang dapat mereduksi
atau mengurangi harmonisa sekaligus memperbaiki faktor daya daya pada perbengkelan tersebut menggunakan Matlab Simulink.
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dikemukakan sebelumnya, dapat dibuat perumusan masalah mengenai pengurangan harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order, yaitu:
a. Merancang simulasi Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada perbengkelan Matra Abadi
b. Besar nilai arus harmonisa yang dapat diredam oleh Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order
c. Besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order
d. Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah filterisasi dengan menggunakan Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order terhadap standar IEEE 519–2014.
1.3. Batasan Masalah
Mengingat luasnya Permasalahan mengenai peredaman harmonisa menggunakan Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order, maka permasalahan ini dibatasi pada Peredaman arus harmonisa dan perbaikan faktor daya
yang ditimbulkan oleh Perbengkelan Matra Abadi pada Fasa R atau Line 1 dengan menggunakan Single Tuned Passive Filter dan High pass Filter Second Order.
1.4. Tujuan Penelitian
Pada penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengukur arus harmonik yang ditimbulkan oleh industri manufaktur (Perbengkelan Matra Abadi)
2. Membuat simulasi dengan menggunakan software MATLAB/Simulink 3. Mengurangi arus harmonik pada industri manufaktur dengan menggunakan
MATLAB/Simulink.
1.5. Manfaat penelitian
Mendapatkan kualitas daya listrik yang lebih baik dengan harmonisa yang rendah dan faktor daya yang tinggi dan juga mengetahui besarnya arus harmonisa pada peralatan listrik di dunia industri. Sehingga pengurangan harmonisa yang terjadi pada peralatan listrik dapat dilakukan untuk mengoptimalkan dan memperbaiki kualitas daya yang lebih baik pada sistem.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika dalam penulisan tesis ini terdiri dari lima bab, yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN, menguraikan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan;
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA, menguraikan berbagai teori radar, antena mikrostrip dan antena mikrostrip susun yang dipergunakan sebagai acuan penyelesaian penelitian ini;
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN, berisi tentang pengumpulan data, rancangan sistem yang dibangun, pemodelan sistem berserta metode- metode yang dilakukan dalam penelitian;
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN, berisi tentang hasil dan pembahasan terhadap simulasi dan pengukuran.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN, berisi tentang kesimpulan dan saran terhadap hasil penelitian.
2.1. Industri
Industri adalah bentuk kegiatan ekonomi masyarakat yang mengolah bahan- bahan dari sumber daya lingkungan menjadi barang-barang yang bernilai lebih tinggi penggunaannya, termasuk di dalamnya adalah kegiatan rancang bangun, perekayasaan industri, dan jasa [10].
2.2. Klasifikasi Industri
Berdasarkan pada Surat Keputusan Menteri Perindustrian dan Perdagangan Republik Indonesia Nomor 257/MPP/Kep/7/1997, industri diklasifikasikan menurut besarnya jumlah investasi, sebagai berikut:
a. Industri kecil dan menengah, merupakan jenis industri yang memiliki investasi sampai dengan Rp. 5.000.000.000,00
b. Industri besar, yaitu industri yang investasinya lebih dari Rp.5.000.000.000,00 Nilai investasi tersebut tidak termasuk nilai tanah dan bangunan tempat usaha.
Jenis-jenis industri berdasarkan pada aktifitas-aktifitas umum yang dilaksanakan, sebagai berikut:
a. Industri penghasil bahan baku (the primary row-material industri), yaitu industri yang aktifitas produksinya mengolah sumber daya alam guna
menghasilkan bahan baku maupun bahan tambahan lainnya yang dibutuhkan oleh industri penghasil produk atau jasa.
b. Industri manufaktur (the manufacturing industries), adalah industri yang memproses bahan baku guna dijadikan bermacam-macam bentuk/model produk, baik yang berupa produk setengah jadi (semi manufactured) ataupun yang sudah berupa produk jadi (finished goods product). Contoh:
industri permesinan, industri mobil, industri tekstil, dan lain-lainnya.
c. Industri penyalur (distribusution industries), adalah industri yang memiliki fungsi untuk melaksanakan proses distribusi baik untuk row material maupun finished goods product. Row materials maupun finished goods product (manufactured goods) akan didistribusikan dari produsen ke produsen yang lain dan dari produsen ke konsumen.
d. Industri pelayanan/jasa (service industries), adalah industri yang bergerak dibidang pelayanan atau jasa, baik untuk melayani dan menunjang aktivitas industri yang lain maupun langsung memberikan pelayanan/jasa kepada konsumen. Contoh : bank, jasa angkutan, rumah sakit, dan lain- lainnya.
2.3. Harmonisa
Perangkat elektronik yang menimbulkan harmonisa terdapat di semua industri, instalasi komersial dan juga perumahan. Harmonisa disebebabkan oleh beban non- linear. Suatu beban dikatakan non linear ketika gelombang outputnya tidak sama
dengan tegangan suplainya [11]. Harmonisa adalah komponen-komponen dari suatu bentuk gelombang sinusoidal yang mana frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasarnya [12]. Harmonisa juga merupakan gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Sebagai contoh bila frekuensi dasar f = 50 Hz, maka harmonisa ke-2 frekuensinya adalah 2 × 50 Hz = 100 Hz, harmonisa ke-3 frekuensinya 3 × 50 Hz = 150 Hz. Harmonisa merupakan beberapa gelombang sinus yang berbeda frekuensi dasarnya. Idealnya bentuk gelombang tegangan dan arus diasumsikan sama, tetapi bentuk gelombangnya menjadi terdistorsi ketika sistem tehubung dengan beban non linear sehingga bentuk gelombang arusnya tidak sebanding dengan bentuk tegangan [13]. Penambahan jaringan kelistrikan dalam sistem tenaga menyebabkan berkembangnya masalah kualitas daya. Penambahan beban berupa semikonduktor berkontribusi secara menyeluruh dalam penambahan harmonisaarus dan tegangan [14].
Beban non linier satu fasa akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya)[15].
Harmonisa dari suatu gelombang tegangan atau arus pada sistem tenaga listrik dihasilkan oleh suatu sumber harmonisa yang disebut beban non linier. Apabila tegangan sistem mensuplai beban linear (R dan L) yang gelombangnya berbentuk sinusoidal sebagai fungsi waktu t, maka arus yang mengalir dalam sistem juga berbentuk sinusoidal hanya akan berbeda fasa sebesar sudut fasa atau arus berbanding lurus dengan tegangan. Signifikansi dari frekuensi harmonik dapat dilihat pada
Gambar 2.1. Kedua harmonisa mengalami dua siklus lengkap selama satu siklus dari frekuensi dasar, dan melewati harmonik ketiga. Ketiga siklus lengkap selama satu siklus dari frekuensi fundamental. V1, V2, dan V3 adalah nilai puncak harmonik komponen yang terdiri dari gelombang yang berbeda, yang juga memiliki frekuensi [1].
Gambar 2. 1 Harmonisa Fundamental, Kedua dan Harmonisa ke tiga
Terdistorsinya gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus kelipatan integer (bilangan bulat) dari gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan sehingga berakibat pada terdistorsinya bentuk gelombang
fundamental menjadi tidak sinusoidal murni. Bila gelombang-gelombang tersebut dijumlahkan, maka bentuk gelombang yang dihasilkan adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2 bentuk distorsi gelombang akan lebih kompleks lagi bila semua gelombang harmonisa yang terjadi pada harmonik ke 3, 5 dan 7 dijumlahkan dengan gelombang frekuensi dasar. I total merupakan gelombang yang terdistosi oleh harmonisa arus sinusoidal dari gelombang hamonisa arus ke 3, 5 dan 7. Besar amplitude harmonisa biasanya hanya beberapa persen dari amplitude gelombang dasar ( ) yang berbentuk sinusoidal murni.
Gambar 2. 2 Bentuk Gelombang terdistorsi harmonisa ke 3, 5 dan 7 [16]
2.3.1. Deret Fourier
J.B.J Fourier menyatakan bahwa suatu fungsi gelombang periodik non sinusoidal ( ) dalam satu interval waktu T dapat dipresentasikan dalam bentuk deret penjumlahan gelombang-gelombang fungsi sinus yang terdiri dari komponen gelombang fundamental dan sejumlah tak terhingga komponen gelombang
harmonisa. Komponen gelombang harmonisa mempunyai frekuensi kelipatan dari frekuensi gelombang fundamentalnya. Deret tersebut dinamakan deret Fourier, yang ditunjukkan oleh Persamaan (2.1).
( ) ∑ , ( ) ( )- ... (2.1) Dimana:
( ) : fungsi periodik non sinusoidal : nilai rata-rata dari fungsi ( )
: koefisien deret
Dengan koefisien , , dan masing masing adalah:
∫ ( ) ... (2.2)
Nilai nilai fundamental untuk satu periode yaitu dari 0 hingga T.
∫ ( ) ... (2.3)
∫ ( ) ... (2.4)
Dengan n adalah indeks dari harmonisa.
Suku adalah nilai rata-rata fungsi ( ), sehingga nilainya berupa konstanta maka nilai ini sama dengan nilai efektifnya dan komponen ini tidak muncul dalam jaringan sistem arus bolak – balik, dan apabila bentuk gelombang sempurna atau sinusoidal maka orde yang ada adalah orde 1. Amplitudo harmonik biasa dinyatakan dengan Persamaan (2.5).
√ dan sudut fasa : ... (2.5)
Dimana n ≥ 1
Dengan demikian deret fourier dapat dinyatakan dengan Persamaan (2.6).
( ) ( ) ( ) ( ) ... (2.6) Dimana:
, , …, : nilai maksimum gelombang komponen harmonisa : frekuensi sudut
: waktu
, , …, : sudut fasa komponen tegangan harmonisa n=1,2,3,...,∞ : orde harmonisa
2.3.2. Perhitungan harmonisa
Harmonisa dihasilkan oleh beberapa beban non linier atau alat yang mengakibatkan arus non-sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonisa
Distortion (THD) dari perumusan untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu dalam bentuk deret fourier yang ditunjukkan Persamaan (2.7) dan (2.8) [15][17].
( ) ( ) ( ) ... (2.7) ( ) ( ) ( ) ... (2.8)
Persamaan (2.7) dan (2.8) dapat dinyatakan dalam bentuk Persamaan (2.9) dan (2.10).
∑ ( ) ... (2.9) ∑ ( ) ... (2.10) Dimana :
, , …, : nilai maksimum gelombang tegangan harmonisa : frekuensi sudut
: waktu
, , …, : sudut fasa komponen tegangan harmonisa n=1,2,3,...,∞ : orde harmonisa
Nilai efektif atau rms (root mean square) didefinisikan sebagai akar kuadrat dari nilai rata-rata, sehingga nilai Tegangan RMS ditunjukkan oleh Persamaan (2.11).
√ ... (2.11)
Nilai rata-rata dari Persamaan tegangan dapat diperoleh melalui Persamaan (2.9) hingga (2.10). Berdasarkan Persamaan (2.12), diperoleh Persamaan (2.13):
, ( ) ( ) ( )- ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (
) ... (2.12) Persamaan (2.12) terdiri dari dua jenis suku-suku perkalian orde harmonisa, yaitu:
a. Suku-suku yang mengandung perkalian antar orde harmonisa yang sama, dinyatakan sebagai: ( )
b. Suku-suku yang mengandung perkalian antar orde harmonisa yang berbeda, dinyatakan sebagai: ( ) ( )
Nilai rata-rata dari suku jenis pertama ditunjukkan pada Persamaan (2.13) adalah :
∫ ( ) ( ) ∫ ( )
| ( )| ... (2.13)
Sedangkan suku ( ) ( ) merupakan fungsi periodik sehingga nilai rata-rata adalah nol. Dengan demikian nilai efektif fungsi ( ) ditunjukkan oleh Persamaan (2.14).
√.
√ / .
√ / .
√ / ... (2.14)
Dengan cara yang sama untuk menghitung nilai arus rms ditunjukkan oleh Persamaan (2.15).
√.
√ / .
√ / .
√ / ... (2.15)
Sehingga Persamaan umum untuk arus rms menjadi Persamaan (2.16).
√.
√ / ∑ .
√ /
... (2.16)
Berdasarkan Persamaan (2.16), dapat disimpulkan arus rms akan terdistrosi oleh adanya arus selain arus fundamental yang disebut arus pendistorsi. Pada umumnya untuk mengukur besar harmonisa yang disebut dengan THD. Untuk THD tegangan dan arus didefenisikan sebagai nilai rms harmonisa urutan di atas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai rms pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan dc nya diabaikan. Besar THD untuk tegangan dan arus menurut IEEE std ditunjukkan pada Persamaan (2.17) dan (2.18).
√∑ ... (2.17) Dimana:
Vh : Komponen Harmonik tegangan ke – h V1 : Tegangan frekuensi fundamental (rms)
√∑ ... (2.18) Dimana:
Ih : Komponen Harmonik arus ke – h I1 : Arus frekuensi fundamental (rms)
Sementara itu Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah perbandingan nilai rms pada orde harmonisa terdistorsi terhadap nilai rms pada frekuensi fundamental ditunjukan Persamaan (2.19) dan (2.20).
... (2.19)
... (2.20) Dimana:
Vh : Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi ke – h Ih : Arus harmonisa pada orde terditorsi ke – h
2.3.3. Pengaruh Harmonisa
Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling meniadakan sehingga arus netralnya menjadi
nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan harmonisa kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonisa (harmonisa ke 3, ke 9, ke 15 dan seterusnya) yang sering disebut zero sequence harmonisa. Harmonisa ini dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasa karena saling menjumlah di tiap fasanya. Harmonisa pertama urutan polaritasnya adalah positif, harmonisa kedua urutan polaritasnya adalah negatif dan harmonisa ketiga urutan polaritasnya adalah nol, harmonisa keempat adalah positif (berulang, berurutan dan demikian seterusnya). Akibat yang ditimbulkan oleh arus urutan nol dari komponen harmonisa antara lain tingginya arus netral pada sistem tiga fasa empat kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol (zero sequence) kawat netral 3 kali arus urutan nol masing-masing fasa [18].
2.4 Mengurangi Arus Harmonisa
Filter harmonisa harus dilakukan untuk mengurangi dampak yang ditimbulkan terhadap sistem dan peralatan listrik. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban non linier yaitu. [18] [19] :
1. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi penyebaran arusnya,
2. Penggunaan filter aktif,
3. Mengkombinasi filter aktif dan pasif, 4. Konverter dengan AC- reactor, dan lain-lain.
Sistem di atas mampu bertindak sebagai peredam harmonisa, dan juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar, proses ini diakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan reaktansi induktif sistem.
2.5 Batasan Harmonisa
Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada tapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga nilainya dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknik di bawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Dalam hal ini untuk mereduksi sebagian harmonisa standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh standar IEEE 519–2014. Batasan standar harmonisa tegangan standar IEEE 519–2014 yang digunakan sebagai parameter dari harmonisa yang dihasilkan dan dapat dilihat pada Tabel 2.2. Batas harmonisa arus sesuai standar IEEE 519–2014 dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2. 1 Batas harmonisa tegangan Standar IEEE 519–2014[3]
Tegangan Bus Pada PCC
Distorsi Tegangan Individu (%)
Total Distorsi Tegangan (%)
V ≤ 1.0 kV 5.0 8.0
V ≤ 69 kV 3.0 5.0
69 kV < V ≤ 161 kV 1.5 2.5
V > 161 kV 1.0 1.5
Tabel 2. 2 Batasan arus harmonisa IEEE 519–2014
Isc/IL
Orde harmonik (dalam %) Total Demand
Distortion (TDD)
< 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 ≤ 35
<20 4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0
20 – 50 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0
50 – 100 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0
100 – 1000 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
Dimana:
Isc : Arus hubung singkat pada Point of Common Coupling (PCC) (Ampere)
IL : Arus beban fundamental nominal (Ampere) TDD : Total Demand Distortion (%)
2.6 Arus Hubung Singkat
Untuk mengetahui batasan standar harmonisa IEEE 519-2014 beradasarkan Tabel 2.2 pertama yang harus diketahui yaitu SCR (Short Circuit Ratio). Dalam melakukan perhitungan ISC diperlukan data impedansi dari sistem yang terdiri dari impedansi saluran dan impedansi transformator distribusi itu sendiri. Ditunjukkan pada Persamaan 2.21 dan 2.22.
Pada Persamaan 2.21 menghitung arus hubung singkat.
... (2.21) Setelah diperoleh perbandingan arus hubung singkat ISC dan juga arus beban maka seperti pada Persamaan 2.22.
... (2.22)
2.7 Matlab
Matlab (singkatan dari Matrix LABoratory), adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi keempat.
Dikembangkan oleh The MathWorks.Inc, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pem-plot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan peng-antarmukaan dengan program dalam bahasa lainnya. Meskipun hanya bernuansa numerik, sebuah kotak kakas (toolbox) yang menggunakan mesin simbolik MuPAD, memungkinkan akses terhadap kemampuan aljabar komputer.
Sebuah paket tambahan, Simulink, menambahkan simulasi grafis multiranah dan Desain Berdasar-Model untuk sistem terlekat dan dinamik.
Pada tahun 2004, MathWorks mengklaim bahwa MATLAB telah dimanfaatkan oleh lebih dari satu juta pengguna di dunia pendidikan dan industri. MATLAB pertama kali diadopsi oleh insinyur kontrol, tapi lalu menyebar secara cepat ke berbagai bidang lain. Kini juga digunakan di bidang pendidikan, khususnya dalam pengajaran aljabar linear dan analisis numerik, serta populer di kalangan ilmuwan yang menekuni bidang pemrosesan citra.[20]
Berikut di bawah ini merupakan karakteristik dari MATLAB:
1. Bahasa pemrogramannya berdasarkan pada matriks (baris dan kolom) 2. Tersedia banyak toolbox untuk aplikasi-aplikasi khusus seperti;
Simulink, Neural Network, State Flow, Data Acquisition Toolbox, Communications Blockset, Fuzzy Logic Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Signal Processing Blockset, dan lain sebagainya.
3. Dalam menulis kode programnya, tidak harus mendeklarasikan array terlebih dahulu.
4. Memiliki waktu pengembangan program yang lebih cepat dibandingkan dengan pemrograman tradisional seperti Fortran, dan C.
Perangkat lunak SIMULINK dikembangkan oleh MATHWORK, untuk melakukan modelling, simulasi, dan analisis dinamika sistem proses. Dengan demikian sangat bermanfaat dalam perancangan kendali dan pemrosesan sinyal, baik dalam bentuk kontinyu maupun digital. Didalam folder MATLAB, Simulink
menempati satu directory tersendiri, terlepas dari directory “TOOLBOX”, sehingga diperlukan perhatian tersendiri saat peng‟instal‟an paket program MATLAB.
Penyajian “statement” dalam bentuk diagram blok, yang berinteraksi dengan function, mfile dalam MATLAB, juga dapat berinteraksi perangkat luar dengan pemrogram dalam bahasa C maupun fortran. Blok-blok statement dikelompokkan pustaka blok diagram (“Simulink Library Browser”). Setiap Blok Statement dilengkapi dengan minimal salah satu jalur I/O (“port input/output”), digunakan sebagai perangkat antarmuka dengan blok statement yang lain. Adapun parameter blok statement dapat diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan saat melakukan simulasi.
Semua kemudahan tersebut sangat didukung dengan sistem GUI (graphic user interface) yang ada dalam paket program MATLAB. Simulink merupakan bagian dari Matlab yang memiliki fasilitas untuk mensimulasikan sistem kendali tanpa harus menuliskan program terlebih dahulu, tetapi dengan cara menyusun blok-blok yg menggambarkan function dalam Matlab.
2.8 Filter Pasif
Untuk mengurangi distorsi harmonik penggunaan filter pasif merupakan solusi yang tepat untuk digunakan [21]. Filter pasif merupakan filter yang sering digunakan sebagai solusi yang efektif untuk memperbaiki kualitas daya [22]. Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga.
Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor seperti terlihat pada Gambar 2.3 Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang diinginkan.
Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi. Filter hamonisa berfungsi untuk mengurangi arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan dimana terpasang tansformator [12].
Gambar 2. 3 Rangkaian filter pasif
Terdapat dua jenis filter pasif yaitu filter seri dan filter paralel. Filter seri didesain untuk digunakan pada jaringan utama. Sementara filter pasif paralel hanya menapis arus harmonisa dan beberapa arus fundamental pada orde yang lebih kecil dari jaringan utama. Sehingga filter paralel lebih murah ketimbang filter seri pada tingkat efektifitas yang sama. Filter paralel juga memiliki kelebihan lain yaitu dapat
C
L
R
C1
L1
R1
C3 L2
R3 R2
mensuplai daya reaktif pada frekuensi fundamental. Dalam banyak aplikasi, paling umum digunakan filter parallel.
Pada Gambar 2.4 dan 2.5 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif yang umum digunakan beserta konfigurasi dan impedansinya. Single tuned filter atau band pass filter adalah yang paling umum digunakan. Dua buah single tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double band pass filter. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single-tuned filter. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah.
(a) (b)
Gambar 2. 4 Filter Passive Tuned a). Single Tuned b). Double Tuned
C
R
C
R L
C
C L R
(a) (b) (c)
Gambar 2. 5 Filter Passive High-Pass, a). First Order, b). Second Order, c). Third Order.[23]
Prinsip kerja dari filter pasif yaitu dengan mengalirkan arus harmonisa orde tertentu dari sumber harmonisa (beban non linier) melalui jaringan filter memaksa arus orde tertentu mengalir ke jaringan filter, maka harga kapasitor harus diatur sehingga terjadi resonansi pada jaringan. Saat terjadi resonansi, harga impedansi saluran akan minimum karena hanya tinggal komponen resistansi. 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.
2.9 Single Tuned Passive Filter
Single Tuned Passive Filter adalah filter yang terdiri dari komponen- komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.6. Single Tuned Passive 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 industri yang paling banyak digunakan adalah Single-Tuned Passive Filter.
Gambar 2. 6 Single-Tuned Passive Filter [6].
Berdasarkan Gambar 2.6. besarnya impedansi Single-Tuned Passive Filter pada frekuensi fundamental dapat ditunjukkan pada Persamaan 2.23 [12].
( ) ... (2.23) Dimana:
: Impedansi Single-Tuned Filter : Resistansi Single-Tuned Filter
: Reaktansi induktif Single-Tuned Filter : Reaktansi kapasitif Single-Tuned Filter
Berdasarkan Persamaan (2.18) pada saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif sama dengan nilai reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi, sehingga
Single-Tuned Passive Filter akan memiliki impedansi terkecil pada saat resonansi sehingga mampu melewatkan arus harmonisa pada frekuensi yang dituning. Nilai frekuensi resonansi dapat ditentukan oleh Persamaan (2.24) [6].
√ ... (2.24)
Ketajaman filter bergantung pada faktor kualitas (Q) filter yang ditunjukkan pada Persamaan (2.25).
... (2.25)
Dengan harga faktor kualitas (Q) dapat ditentukan sesuai dengan nilai yang sering diterapkan pada frekuensi 50 Hz yaitu 30 <Q<100 [18].
2.9.1. Prinsip pereduksian Single Tuned Passive Filter
Single-Tuned Passive Filter mempunyai impedansi yang kecil dari impedansi beban, yaitu sama dengan tahanan induktor R, sehingga arus harmonisa yang mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan atau dibelokkan melalui Single-Tuned Passive Filter dan tidak mengalir ke sistem.
Frekuensi response dan sudut fasa dari Single Tuned Passive Filter dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari harmonisa (f = 250 Hz), impedansi Single-Tuned Passive Filter sangat kecil, seperti ditunjukan Gambar 2.7.
(a) Frekuensi respon Single Tuned Passive Filter[8]
(b) Sudut fasa fungsi orde harmonisa
Gambar 2. 7 Frekuensi respon dan sudut fasa Single Tuned Passive Filter
Dengan demikian Single Tuned Passive Filter diharapkan dapat mengurangi IHD tegangan dan IHD arus sampai dengan 10-30%. Besarnya tahanan R dari
induktor dapat ditetukan oleh faktor kualitas dari induktor. Faktor kualitas (Q) adalah kualitas listrik suatu induktor, secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan R.
Semakin besar nilai Q yang dipilih maka semakin kecil nilai R dan semakin bagus kualitas dari filter dimana energi yang dikonsumsi oleh filter akan semakin kecil, artinya rugi-rugi panas filter adalah kecil [24].
Single Tuned Passive Filter yang diletakkan secara paralel akan menghubung singkatkan arus harmonisa yang ada dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga arus harmonisa yang masuk tidak keluar menuju peralatan lain dan ke sumber tenaga listrik. Single Tuned Passive Filter yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tingkat harmonisa, penggunaan kapasitor dapat memperbaiki cos φ sistem, sedangkan induktor berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitif akibat adanya resonansi.
Sebuah rangkaian filter single tuned dipasang pada frekuensi harmonisa sebagai filter, pemasangannya secara paralel dengan peralatan yang mendistorsikan harmonisa. Single Tuned Passive Filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan diarahkan melalui filter seperti pada Gambar 2.8.
Gambar 2. 8 Prinsip pereduksian Harmonisa
Kualitas dari sebuah filter (Q) adalah ukuran ketajaman penyetelan filter dalam mereduksi harmonisa. Filter dengan Q tinggi diatur pada frekuensi rendah (misalnya harmonisa kelima) dan nilainya biasanya berkisar antara 30 dan 100. Dalam Passive Single Tuned Filter faktor kualitas (Q) didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi terhadap resistansi.
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.
2.9.2. Perancangan Single Tuned Passive Filter
Merancang Single Tuned Passive Filter yang terdiri dari hubungan seri Komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan adalah bagaimana menentukan nilai parameter komponen-komponen dari passive single tuned filter [6]
[16] [19].
Langkah-langkah rancangan Single-Tuned Passive Filter adalah :
1. Menentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc (kVARC) berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor seperti ditunjukkan pada Persamaan (2.26):
* ( ) ( + ... (2.26) Dimana:
P : beban (kW)
pƒ1 : Faktor daya mula mula sebelum diperbaiki pƒ2 : Faktor daya setelah diperbaiki
2. Menentukan Reaktansi Kapasitor ( ): :
... (2.27) Dimana:
: Reaktansi kapasitor (Ω) : Daya reaktif kapasitor (VAR)
3. Menentukan Kapasitansi dari kapasitor ( ):
... (2.28) Dimana:
: Kapasitansi kapasitor (Farad) : Frekuensi fundamental (Hz)
4. Menentukan Reaktansi Induktif dari Induktor ( ):
... (2.29) 5. Menentukan Induktansi dari Induktor :
... (2.30) 6. Menentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning :
√ ... (2.31)
7. Menentukan Tahanan (R) dari Induktor :
... (2.32) Dimana:
: Tahanan dari Induktor (Ω)
: Faktor kualitas dari Single-tuned Filter (VAR)
Besarnya kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.9 [18].
Gambar 2. 9 Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q
Gambar 2.9. 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.
Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) tan φ Berdasarkan segitiga daya pada Gambar 2.13 maka,
Daya Reaktif sebelum perbaikan faktor daya yaitu:
... (2.33) Daya Reaktif setelah perbaikan faktor daya yaitu:
... (2.34)
Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya yaitu:
Daya reaktif ∆Q = Q1 – Q2
Atau
( ) ... (2.35) Besar nilai ΔQ yang diperoleh, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang besarnya ditentukan berdasarkan Persamaan (2.27) dan besar nilai kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya pada Persamaan (2.28).
2.10. High-Pass Second Order Passive Filter
High-Pass second order Passive Filter mirip dengan Single-Tuned Passive Filter terdiri dari komponen-komponen pasif induktor (L) dan tahanan (R) yang terhubung paralel dan seri dengan kapasitor (C) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. filter yang cukup baik dan mengurangi rugi-rugi daya pada frekuensi dasar [8].
Gambar 2. 10 Filter High-Pass Second Order
Langkah-langkah perancangan Filter High-Pass Second Order mulai dari langkah (1) sampai langkah (5) sama dengan langkah-langkah perancangan Filter
Passive Single Tuned. Pada langkah (6) menentukan karakteristik dari reaktansi ( ) dengan Persamaan (2.36).
√ ... (2.36)
Selanjutnya menentukan Tahanan (R) dengan Persamaan (2.37)
... (2.37)
Dimana Q adalah faktor kualitas filter, yang nilainya 0,5 < Q < 5.
Impedansi untuk filter passive second order, impedansi harmonisa ke-h [ ( )]
diperoleh menggunakan Persamaan (2.38).
( ) ... (2.38)
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi yang dimulai dari pengumpulan data kemudian melakukan pengukuran harmonisa, pemodelan filter, dan perhitungan parameter filter. Pengukuran dilakukan pada Perbengkelan Matra Abadi. Hasil pengukuran berupa nilai Individual Harmonic Distortion tegangan (IHDv) dan IHDi. Filter yang digunakan adalah Single Tuned Passive Filter dan juga High-Pass Second Order Passive Filter selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan parameter dari filter tersebut yang akan digunakan.
Dari data hasil pengukuran dan data hasil perhitungan selanjutnya pemodelan beban dan filter dan disimulasi dengan menggunakan program MATLAB/Simulink. Hasil yang diperoleh berupa nilai IHDi setelah simulasi selanjutnya dibandingkan terhadap standar IEEE 519-2014.
3.1. Teknik Pengukuran
Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada Perbengkelan Matra Abadi.
Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada Perbengkelan Matra Abadi dengan objek penelitian berupa tingkat IHDi terbanyak yang melebihi standar IEEE 519- 2014. Pada saat pengukuran menggunakan alat ukur Fluke 437 Power Quality and Analyzer, diagram segaris pengukuran seperti pada Gambar 3.1.
Gambar 3. 1 Diagram segaris pengukuran menggunakan fluke 437
Data hasil pengukuran pada saat dilapangan menggunakan alat ukur fluke 437 dapat menampilkan bentuk daftar dan grafik secara langsung, dan data tersebut dapat di transfer dan disimpan di komputer. Parameter pengukuran yang dapat diambil adalah komponen harmonisa tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya,daya aktif, daya reaktif dan daya semu. Dari pengukuran tersebut akan terlihat nilai setiap orde arus harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang nantinya digunakan untuk data simulasi pada MATLAB/Simulink, serta digunakan menghitung besar komponen yang harus digunakan sebagai kompensasi faktor daya sistem.
3.2. Data pengukuran
Pengambilan data pengukuran arus harmonisa dilakukan pada panel perbengkelan Matra Abadi menggunakan alat ukur Fluke 437 Power Quality and Energy Analyzer. Dari alat ukur tersebut dapat dilihat harmonisa yang terdapat pada Perbengkelan Matra Abadi hasil pengukuran berupa nilai THDv dan THDi. Data impedansi kabel dari sumber ke pengukuran perbengkelan matra abadi digunakan kabel jenis NYM 4×35 mm2 sepanjang 50 meter dengan Resistansi (r) sebesar 0.627 Ω dan Reaktansi (x) sebesar 0.244.
3.3. Diagram Alir Penelitian
Pada tahapan penelitian ini menggunakan alat ukur Power Quality Analyzer Fluke 437 untuk melakukan pengukuran dan menganalisa pengaruh dari harmonisa yang ditimbulkan pada perbengkelan matra abadi kemudian di simulasikan dengan menggunakan Matlab/Simulink untuk menampilkan data hasil pengukuran. Tahapan yang akan dilakukan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.2 dengan menggunakan filter pasif.
Gambar 3. 2 Diagram alir Penelitian
Ya
Tidak Tidak
Mulai
Pengumpulan data dan Pengukuran harmonisa arus (THDi dan THDv) pada Perbengkelan Matra Abadi
Selesai Nilai IHDi <
dari IHDi IEEE 519-2014 Nilai IHDi dan IHDv ≥ IHDi dan
IHDv IEEE 519- 2014
Simulasi rangkaian dengan pemasangan Single Tuned passive Filter dan High Pass Second Order Filter
menggunakan program MATLAB/Simulink
Ya
Penggunaan filter untuk mengurangi arus harmonisa
Pemodelan filter
Perhitungan Filter
4.1. Hasil Pengukuran
Pada Gambar 4.1 menunjukkan hasil data pengukuran kelistrikan pada perbengkelan Matra Abadi menggunakan alat ukur Fluke 437 Power Quality and Energy Analyzer.
Gambar 4. 1 Hasil pengukuran kelistrikan pada perbengkelan Matra Abadi menggunakan alat ukur Fluke 437
Setelah dilakukan pengukuran pada fasa L-1 di titik output panel induk kelistrikan Perbengkelan Matra Abadi menggunakan alat ukur Fluke 437 Power Quality and Energy Analyzer. Kemudian data-data yang telah didapat dari hasil pengukuran diperlukan untuk melakukan simulasi dengan menggunakan MATLAB/Simulink tersebut dapat ditampilkan pada Tabel 4.1 dengan parameter – parameter yang penting dan sesuai dengan data yang diperoleh dari hasil pengukuran yang ada di perbengkelana matra abadi.
Tabel 4. 1 Hasil Pengukuran Perbengkelan Matra Abadi Fasa R Parameter L1 Satuan
VL 207 V
THDv 2.82 %
IL 20.5 A
THDi 18.72 %
Freq 50 Hz
P 2.75 KW
Q 13.14 kVAr
S 4.18 kVA
PF 0.66
Selain mendapatkan data kelistrikan pada Tabel 4.1 berupa besar tegangan, arus, frekuensi, daya nyata, daya reaktif dan daya semu alat ukur juga dapat menampilkan IHDi dan IHDv pada masing-masing ordo harmonisa yang ada pada sistem kelistrikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2 dan Gambar 4.3.
Gambar 4. 2 Hasil Pengukuran THDv dengan menggunakan alat ukur Fluke 437
Gambar 4. 3 Hasil Pengukuran THDi dengan menggunakan alat ukur Fluke 437
Dari hasil pengukuran pada sistem kelistrikan industri manufaktur yang telah dilakukan maka nilai IHDv dan IHDi dapat ditabulasi seperti ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4. 2 Hasil Pengukuran IHDv dan IHDi Ordo Harmonisa IHDv (%) IHDi (%)
h1 100 100
h3 1.53 15.08
h5 1.96 4.69
h7 0.58 3.78
h9 0.51 1.81
h11 0.83 6.33
h13 0.23 1.52
h15 0.26 1.21
h17 0.44 3.96
h19 0.25 1.9
h21 0.07 0.77
h23 0.10 0.86
h25 0.12 1.43
h27 0.02 0.78
h29 0.03 0.11
Berdasarkan Tabel 4.2 hasil pengukuran terlihat pada IHDv tidak terjadi gangguan yang melebihi batas harmonisa standar IEEE 519-2014. Namun pada hasil pengukuran IHDi terjadi gangguan pada ordo ke 3 dan 11. Arus yang terdapat pada ordo tersebut tidak sesuai dengan standar IEEE 519-2014. Pada Tabel 4.3
memperlihatkan perbandingan hasil pengukuran arus individual harmonisa pada Perbengkelan Matra Abadi dibandingkan dengan standar IEEE 519-2014.
Tabel 4. 3 Perbandingan arus harmonisa hasil pengukuran di perbengkelan matra abadi dengan standar IEEE 519-2014
Ordo Harmonisa IHDi – L1 (%) Batas IEEE 519-2014 (%) Keterangan
h1 100 - -
h3 15.08 12 Tidak Sesuai
h5 4.69 12 Sesuai
h7 3.78 12 Sesuai
h9 1.81 12 Sesuai
h11 6.33 5.5 Tidak Sesuai
h13 1.52 5.5 Sesuai
h15 1.21 5.5 Sesuai
h17 3.96 5 Sesuai
h19 1.9 5 Sesuai
h21 0.77 5 Sesuai
h23 0.86 2 Sesuai
h25 1.43 2 Sesuai
h27 0.78 2 Sesuai
h29 0.11 2 Sesuai
Besar Harmonisa yang dihasilkan di Perbengkelan Matra Abadi berdasarkan hasil pengukuran THDi sebesar 18,72% sehingga diperoleh IHDi di Perbengkelan Matra Abadi jauh lebih besar dibandingkan dengan standar yang dikeluarkan oleh IEEE 519-2014.
Tabel 4. 4 Perbandingan Tegangan harmonisa hasil pengukuran di perbengkelan matra abadi dengan standar IEEE 519-2014
Ordo Harmonisa IHDv – L1 (%) Batas IEEE 519-2014 (%) Keterangan
h1 100 - -
h3 1.53 3.0 Sesuai
h5 1.96 3.0 Sesuai
h7 0.58 3.0 Sesuai
h9 0.51 3.0 Sesuai
h11 0.83 3.0 Sesuai
h13 0.23 3.0 Sesuai
h15 0.26 3.0 Sesuai
h17 0.44 3.0 Sesuai
h19 0.25 3.0 Sesuai
h21 0.07 3.0 Sesuai
h23 0.10 3.0 Sesuai
h25 0.12 3.0 Sesuai
h27 0.02 3.0 Sesuai
h29 0.03 3.0 Sesuai
Besar Harmonisa yang dibangkitkan di Perbengkelan Matra Abadi berdasarkan hasil pengukuran THDv sebesar 2,82 % sehingga berada dibawah standar THDv IEEE 519-2014.
4.2. Perhitungan Hubung Singkat dan Batasan Harmonisa
Untuk mengetahui batasan standar harmonisa IEEE 519-2014 berdasarkan Tabel 2.1, pertama yang harus diketahui adalah besaran nilai arus hubung singkat
(ISC). Dalam melakukan perhitungan ISC diperlukan data impedansi saluran dari sistem. Adapun langkah-langkah dalam perhitungan nilai besaran ISC adalah:
Impedansi saluran kabel terbuat dari kabel NYM 4x35 mm2, sepanjang 50 m dari katalog diperoleh:
R = 0,627 Ω/km, maka tahanan kabel R = 0,03135 Ω L = 0.244 mH/km, maka reaktansi kabel XL = 0,003832 Ω
√
√
Dengan diperolehnya impedansi saluran pada sistem maka diperolehkan arus hubung singkat dengan menggunakan Persamaan (2.21).
Dengan menentukan arusISC kita akan mendapatkan Short Circuit Ratio (SCR) yang nantinya akan mementukan batas harmonisa arus sesuai dengan standar IEEE 519-2014.
Pada hasil pengukuran diperoleh arus beban (IL) sebesar 20,5 A, sehingga besaran SCR yang merupakan hasil dari perbandingan dari arus hubung singkat ISC
dengan arus beban IL dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.22).
Berdasarkan Tabel 2.2 yang menyatakan limit arus harmonisa standar IEEE 519-2014, SCR sebesar 319,710 berada diantara 100 dan 1000, dengan tegangan pada PCC ≤ 69 kV, maka THDi yang diizinkan adalah 15%.
4.3. Perhitungan Komponen Single Tuned Passive Filter
Perhitungan besaran komponen filter dilakukan berdasarkan harmonisa individu yang stabil pada sistem yang diperoleh dari hasil pengukuran dan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya sistem. Dalam hal ini perbaikan faktor daya yang diinginkan adalah dari 0,65 lagging menjadi 0,90 lagging. Pengukuran dilakukan pada fasa R karena mempunyai harmonisa yang stabil pada sistem. Adapun data hasil pengukuran fasa R adalah:
S = 4,18 kVA P = 2.75 kW Q = 7,14 kVAR
Cos φawal = pf = 0.68 lagging
Adapun langkah-langkah untuk menentukan nilai komponen-komponen adalah:
1. Menentukan cos φ yang diinginkan yaitu sebesar 0,90 lagging, maka besar Qc
dapat dihitung dengan Persamaan (2.26).
, ( ) ( )- , ( ) ( )-
![Gambar 2. 2 Bentuk Gelombang terdistorsi harmonisa ke 3, 5 dan 7 [16]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3734938.3923649/26.918.204.742.513.730/gambar-bentuk-gelombang-terdistorsi-harmonisa.webp)
![Gambar 2. 5 Filter Passive High-Pass, a). First Order, b). Second Order, c). Third Order.[23]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3734938.3923649/41.918.319.633.209.464/gambar-filter-passive-high-order-second-order-order.webp)
![Gambar 2. 6 Single-Tuned Passive Filter [6].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3734938.3923649/42.918.423.514.339.517/gambar-single-tuned-passive-filter.webp)
