REDUKSI HARMONISA PADA WORKSHOP PTKI MEDAN MENGGUNAKAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNED UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA TESIS OLEH

(1)

REDUKSI HARMONISA PADA WORKSHOP PTKI MEDAN MENGGUNAKAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNED

UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA

TESIS

OLEH

ERWINSYAH SIPAHUTAR 127034004 / TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2015

(2)

REDUKSI HARMONISA PADA WORKSHOP PTKI MEDAN MENGGUNAKAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNED

UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA

TESIS

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

Oleh

ERWINSYAH SIPAHUTAR 127034004 / TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2015

(3)

Telah diuji pada

Tanggal: 11 Februari 2015

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Eng. Ariadi Azmi

2. Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D 3. Dr. Marwan Ramli, M.Si

(4)

(5)

ABSTRAK

Harmonisa dari beban non linier telah terbukti memiliki dampak kerusakan pada peralatan diantaranya Transformator, motor, dan relay-relay proteksi, yang menyebabkan bertambahnya rugi-rugi dan panas yang berlebihan. Arus harmonisa ini dapat juga menyebabkan kesalahan pembacaan pada alat ukur, circuit breaker dapat memutus sendiri, dan banyak lagi permasalahan yang ditimbulkan. Atas dasar ini perlu dilakukan konservasi terhadap kualitas energi listrik yang berkaitan dengan harmonisa dan faktor daya yang ditimbulkan pada sistem tersebut. Penggunaan filter passive single tuned merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor. Dengan memanfaatkan program matlab/simulink diperlihatkan bahwa untuk Total Harmonic Distortion (THD) arus dari 64,87%

mampu dikurangi menjadi 1,83%. Filter passive single tuned di tuning pada harmonisa ke-3 dan mampu meredam harmonisa ke-5, dan ke-7 yang merupakan amplitudo terbesar menjadi lebih rendah dan memenuhi standar batas harmonisa IEEE 519-1992.

Kata kunci: Filter pasif single tuned, Harmonik, Faktor daya

(6)

ABSTRACT

Harmonics of non linier load has been proven to have an impact on damage some euipment, such as transformers, motors, and protective relays, which cause the increase in power losses and excessive heating. The current harmonics can cause misreading on the gauge, the circuit breaker can automaticallyturn off the current,and many more problems. Based on the problem, conservation is done on the quality of the electric energy, related to harmonics and power factor generated in the system. Filter passive single tuned is an effective and economical solution to selve harmonics problem. The main components contained in passive filter are capasitors and inductors. Utilizing the matlab / simulink program shows that Total Harmonics Distortion (THD) can reduce the current from 64,87% to 1,83%. The filter passive single tuned whice is tuned the 3^rd harmincs can reduce the 5^th and the 7^th harmonics, the largest amplitude, become lower and qualified the standard harmonics limits IEEE 519-1992.

Keyword : Filter Passive Single Tuned, Harmonics, Power Factor.

(7)

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan puji syukur kepada ALLAH SWT, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul: REDUKSI HARMONISA PADA WORKSHOP PTKI MEDAN MENGGUNAKAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNED UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA, yang merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Pascasarjana pada Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Pada kesempatan yang berbahagia ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Bapak Suherman Ph.D selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai sebagai ketua komisi pembimbing, Bapak Dr. Eng Ariadi Hazmi selaku komisi pembimbing, Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si, selaku Pembanding Utama I dan II yang telah banyak memberikan dorongan semangat, arahan, petunjuk serta nasehat yang bermanfaat dalam menentukan langkah-langkah penelitian dan penulisan, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini tepat pada waktunya. Semoga berkah dan karunia kepada semua pihak yang telah membantu penulis terutama orangtua tercinta, istri dan anakku yang telah memberi semangat sehingga selesainya tulisan ini. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membaca.

Terima kasih.

Medan, Februari 2015 Penulis

Erwinsyah Sipahutar

(8)

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan dibawah ini:

Nama : Erwinsyah Sipahutar Jenis kelamin : Laki-Laki

Agama : Islam Bangsa : Indonesia

Alamat : Jl. Jenderal Sudirman No.6 Kelurahan Marbau Kecamatan Marbau Kabupaten Labuhan Batu Utara.

Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa:

PENDIDIKAN

1. Tamatan SD Negeri Rantau Perapat Tahun 1988

2. Tamatan SLTP Negeri 4 Rantau Perapat Tahun 1991 3. Tamatan SMA Negeri 2 Rantau Perapat Tahun 1994 4. Tamatan Teknik Elektro Universitas Islam Sumatera Utara Tahun 2000 5. Tamatan Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara Tahun 2015 PEKERJAAN

1. Staff Pengajar Akademi Teknologi Industri Padang Tahun 2013 s/d sekarang

Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.

Medan, 20 April 2015

Erwinsyah Sipahutar

(9)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... ix

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 8

1.3 Batasan Masalah ... 9

1.4 Tujuan Penelitian ... 9

1.5 Manfaat Penelitian ... 10

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 11

2.1 Distribusi daya ... 11

2.2 Harmonisa ... 11

2.2.1 Harmonisa pada beban non linier ... 15

2.2.2 Standar IEEE 519-1992 ... 19

2.3 Faktor daya ... 21

2.3.1 Faktor daya tanpa harmonisa ... 24

(10)

2.4 Arus hubung singkat (I_sc) ... 26

2.5 Filter pasif ... 27

2.5.1 Merancang filter pasif single tuned ... 29

BAB III METODELOGI PENELITIAN ... 33

3.1 Hasil pengukuran ... 33

3.2 Perhitungan hubung singkat dan batasan harmonisa ... 34

3.3 Perbandingan limits individual harmonic distortion ... 36

3.4 Perhitungan komponen filter ... 39

3.5 Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter pasif single tuned ... 43

3.6 Rangkaian simulasi setelah pemasangan filter pasif single tuned ... 46

3.6.1 Dengan memakai kapasitor 403,35 µF sesuai dengan perhitungan ... 47

3.6.2 Dengan memakai kapasitor 1000 µF sesuai dengan tersedia dipasaran ... 51

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 52

4.1 Hasil harmonisa setelah pemasangan filter pasif single tuned ... 52

4.1.1 Hasil simulasi dengan memakai kapasitor 1000 µF sesuai dengan tersedia dipasaran ... 52

4.2 Pembahasan Hasil Penelitian ... 56

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 59

5.1 Kesimpulan ... 59

5.2 Saran ... 60

DAFTAR PUSTAKA ... 61

(11)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1 Beban pada workshop PKTI Medan ... 3

1.2 Hasil pengukuran pada PCC ... 4

1.3 Hasil pengukuran IHDv dan IHDi ... 5

1.4 Penelitian filter pasif single tuned harmonisa ... 7

2.1 Batas harmonisa tegangan IEEE 519-1992 ... 19

2.2 Batas harmonisa arus IEEE 519-1992 ... 20

3.1 Data pengukuran perbandingan batas harmonisa tegangan individual IHDv (%) ... 37

3.2 Data pengukuran perbandingan batas harmonisa arus individual IHD_i (%) ... 38

3.3 Hasil perhitungan nilai filter pasif single tuned dengan C=404,35µF.. .. 41

3.4 Hasil perhitungan nilai filter pasif single tuned dengan C=404,35µF .... 42

3.5 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHDi (%) sebelum dipasang filter pasif single tuned ... 44

3.6 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHDv (%) setelah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor 403,35 µF ... 47 3.7 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHD_i (%)

setelah pemasang filter pasif single tuned dengan kapasitor

(12)

4.1 Data perbandingan batas harmonisa THD_v (%) dan THD_i (%) setelah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor 1000 µF ... 52 4.2 Data perbandingan batas harmonisa tegangan individual IHDv (%)

setelah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor

1000 µF ... 53 4.3 Data perbandingan batas harmonisa arus individual IHD_i (%)

setelah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor

1000 µF ... 54 4.4 Perbandingan THDi hasil penelitian sebelum dan sesudah penggunaan

filter pasif single tuned serta standar IEEE 519 -1992 ... 57 4.5 Perbandingan IHDi hasil penelitian sebelum dan sesudah penggunaan

filter pasif single tuned serta standar IEEE 519 -1992 ... 57

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1.1 Diagram satu garis instalasi daya listrik ... 2

2.1 Gelombang sinusoidal ... 12

2.2 Urutan arus harmonisa ... 12

2.3 Jenis beban non linier ... 16

2.4 Segitiga daya untuk kebutuhan daya reaktif ... 21

2.5 Sudut fasa gelombang tegangan dan arus ... 24

2.6 Sudut fasa gelombang tegangan dan arus kondisi harmonisa ... 25

2.7 Rangkaian filter pasif ... 28

2.8 Jenis-jenis filter pasif ... 28

2.9 Filter pasif single tuned ... 29

3.1 Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ... 43

3.2 Simulasi gelombang arus sebelum di filter dan spektrum arus sebelum pemasangan filter ... 45

3.3 Rangkaian simulasi sesudah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor 403,35 µF ... 49

3.4 Hasil simulasi grafik gelombang tegangan beserta spektrum setelah pemasangan filter dengan kapasitor 403,35 µF ... 49

(14)

3.5 Grafik arus beserta spektrum sesudah pemasangan filter dengan

kapasitor 403,35 µF ... 50 3.6 Rangkaian simulasi sesudah pemasangan filter pasif single tuned dengan

kapasitor 1000 µF ... 51 4.1 Hasil simulasi gelombang arus sebelum pemasangan filter ... 55 4.2 hasil simulasi ge lombang arus setelah pemasangan filter dengan

kapasitor 1000 µF ... 55 4.3 Spektrum simulasi harmonisa arus sebelum pemasangan filter ... 55 4.4 Spektrum simulasi harmonisa arus setelah pemasangan filter dengan

Kapasitor 1000 µF ... 56 4.5 Grafik hasil perbandingan penggunaan filter pasif single tuned ... 58

(15)

ABSTRAK

Harmonisa dari beban non linier telah terbukti memiliki dampak kerusakan pada peralatan diantaranya Transformator, motor, dan relay-relay proteksi, yang menyebabkan bertambahnya rugi-rugi dan panas yang berlebihan. Arus harmonisa ini dapat juga menyebabkan kesalahan pembacaan pada alat ukur, circuit breaker dapat memutus sendiri, dan banyak lagi permasalahan yang ditimbulkan. Atas dasar ini perlu dilakukan konservasi terhadap kualitas energi listrik yang berkaitan dengan harmonisa dan faktor daya yang ditimbulkan pada sistem tersebut. Penggunaan filter passive single tuned merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor. Dengan memanfaatkan program matlab/simulink diperlihatkan bahwa untuk Total Harmonic Distortion (THD) arus dari 64,87%

mampu dikurangi menjadi 1,83%. Filter passive single tuned di tuning pada harmonisa ke-3 dan mampu meredam harmonisa ke-5, dan ke-7 yang merupakan amplitudo terbesar menjadi lebih rendah dan memenuhi standar batas harmonisa IEEE 519-1992.

Kata kunci: Filter pasif single tuned, Harmonik, Faktor daya

(16)

ABSTRACT

Harmonics of non linier load has been proven to have an impact on damage some euipment, such as transformers, motors, and protective relays, which cause the increase in power losses and excessive heating. The current harmonics can cause misreading on the gauge, the circuit breaker can automaticallyturn off the current,and many more problems. Based on the problem, conservation is done on the quality of the electric energy, related to harmonics and power factor generated in the system. Filter passive single tuned is an effective and economical solution to selve harmonics problem. The main components contained in passive filter are capasitors and inductors. Utilizing the matlab / simulink program shows that Total Harmonics Distortion (THD) can reduce the current from 64,87% to 1,83%. The filter passive single tuned whice is tuned the 3^rd harmincs can reduce the 5^th and the 7^th harmonics, the largest amplitude, become lower and qualified the standard harmonics limits IEEE 519-1992.

Keyword : Filter Passive Single Tuned, Harmonics, Power Factor.

(17)

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang masalah

Kualitas daya listrik sangat dipengaruhi oleh penggunaan jenis-jenis beban tertentu seperti beban non linier dan beban induktif. Akibat yang ditimbulkan adalah turunnya efisiensi energi listrik dan rendahnya kualitas daya dari sistem. Ini disebabkan tingginya kandungan harmonisa dan rendahnya faktor daya karena meningkatnya arus reaktif. Harmonisa telah terbukti memiliki dampak kerusakan pada peralatan diantaranya transformator, mesin-mesin berputar, kapasitor bank dan relay-relay proteksi. Peralatan-peralatan ini mengalami rugi-rugi dan pemanasan yang berlebihan [1][2].

Harmonisa merupakan fenomena yang ditimbulkan dari pengoperasian beban listrik non linier, dimana akan terbentuk gelombang yang berfrekuensi dasar 50 Hz yang menyebabkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang idealnya adalah sinusoidal menjadi tidak sinusoidal [3]. Semakin banyaknya penggunaan beban non linier diperkirakan harmonisa yang ditimbulkan akan semakin besar dan dapat mengganggu sistem kinerja dari peralatan elektronika lainnya dan juga dapat menyebabkan panas berlebih pada sumber tenaga listrik [4].

Gedung workshop PTKI Medan terletak di jalan Medan Tenggara VII

(18)

digunakan energi listrik kapasitas 175 A dan menggunakan Suplai dari transformator PLN sebesar 250 KVA.

Gambar 1.1. Diagram satu garis instalasi daya listrik

Pada Gambar 1.1 terlihat bahwa transformator tidak sepenuhnya ke gedung PKTI Medan, namun ada juga mensuplai ke tempat umum. Kabel yang digunakan

20 KV

250 KVA

UMUM PTKI Medan

PKS mini Main Panel

PCC Panel Gedung

Workshop Gedung

Perkuliahan

Gedung Pabrikasi

Gedung Administrasi Mini Plan

Beban

(19)

pada jaringan instalasi dari transformator ke stand meter PTKI Medan sepanjang 7 meter, lalu dari stand meter ke main panel 15 meter serta dari main panel ke panel workshop 15 meter.

Beban pada gedung workshop PTKI Medan

Dari Gambar 1.1 Beban yang ada pada gedung workshop sesuai pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Beban pada workshop PKTI Medan

No Nama alat Unit Daya (Watt)

1 Mesin shaping 1 3000

2 Mesin milling vertical 1 4400

3 Mesin milling horizontal 1 4000

4 Pross 400x620 Lathe 1 1 745,7

5 Pross 400x620 Lathe 2 1 745,7

6 Mesin bor 2 500

7 Winho high speed precision lathe 1 5625

8 Mesin potong plat besi 1 1100

9 Mesin gerinda duduk 2 1500

10 Mesin penggulung plat 1 750

11 Mesin las 1 4400

12 Mesin gergaji besi 1 400

Dengan data beban tersebut dan hasil pengukuran pada Tabel 1.2 dan Tabel 1.3 permasalahan harmonisa dan rendahnya faktor daya merupakan masalah yang harus diselesaikan. Dimana pada kenyataannya sistem kelistrikan yang ada di gedung

(20)

workshop PTKI Medan perlu adanya perbaikan, dengan cara mereduksi harmonisa agar faktor daya dapat meningkat sesuai dengan kebutuhan.

Karena meningkatnya penggunaan peralatan beban non linier dan teknologi baru dalam bangunan, arus harmonik yang dihasilkan dalam sistem distribusi menimbulkan masalah baru bagi peralatan listrik lainnya. Masalah ini serius ketika kualitas daya menjadi perhatian utama yang disebabkan beberapa beban non linier bila saat diaktifkan menunjukkan bentuk gelombang terdistorsi oleh tegangan. Daya berkualitas mengacu kepada sejauh mana tegangan dan arus dalam sistem mewakili bentuk gelombang sinusoidal [5].

Hasil pengukuran harmonisa yang telah dilakukan pada PCC beban di gedung workshop PTKI Medan. Diperoleh data hasil pengukuran pada line 3 lebih besar THDi dibanding dengan line 1 dan line 2, terlihat pada Tabel 1.2.

Tabel 1.2 Hasil pengukuran pada PCC V,I,f – METER

4 W L1 L2 L3 Satuan

VL 212.9 213.9 210.8 V

THDv 1.9 2.2 3.2 %

IL 23.9 31.2 44.3 A

THD_i 35.4 60.2 64.3 %

Freq 50 H

P 1.0 0.7 6.7 kW

Q 7.5 6.6 7.8 kVAr

S 7.6 6.7 10.3 kVA

PF 0.13 0.10 0.65

Io 69.4 A

(21)

Pengukuran harmonisa dilakukan pada fasa dari ordo ke-1 sampai dengan ordo ke-49. Hasil pengukuran IHD_v dan IHD_i dapat dilihat pada Tabel 1.3.

Tabel 1.3 Hasil pengukuran IHDv dan IHDi

Ordo harmonisa

Individual harmonic tegangan IHD_v (%)

Individual harmonic arus IHD_i (%)

h1 100 100

h3 1.4 48.4

h5 2.4 32.3

h7 0.0 14.1

h9 0.1 6.7

h11 0.4 5.3

h13 0.2 3.3

h15 0.1 0.6

h17 0.0 2.6

h19 0.1 1.3

h21 0.1 1.3

h23 0.1 1.3

h25 0.0 1.3

h27 0.1 2.6

h29 0.0 0.6

h31 0.2 4.0

h33 0.1 2.6

h35 0.0 3.3

h37 0.0 0.6

h39 0.0 1.3

h41 0.1 1.3

h43 0.0 2.0

h45 0.0 2.0

h47 0.1 2.0

h49 0.1 1.3

(22)

Berdasarkan Tabel 1.3 hasil pengukuran terlihat pada IHD_v tidak terjadi gangguan yang melebihi batas harmonisa IEEE 519-1992. Namun, pada hasil pengukuran IHDi terjadi gangguan pada ordo ke-3, ke-5, ke-7, ke-9. Arus yang terdapat pada ordo tersebut tidak sesuai dengan standar IEEE 519-1992.

Dampak harmonisa dapat dibedakan atas jangka pendek dan jangka panjang.

Dalam jangka pendek harmonisa dapat menyebabkan antara lain, menurunnya faktor daya, kesalahan dalam pengukuran listrik yang menggunakan prinsip induksi magnetik, getaran dan suara pada mesin-mesin. Dalam jangka panjang dapat menyebabkan umur dari motor listrik berkurang, melemahnya isolasi dan dielektrik serta dapat menyebabkan biaya tinggi.

Berdasarkan beberapa penelitian, salah satu cara yang digunakan untuk meredam harmonisa adalah dengan pemasangan filter pasif single tuned. Untuk mereduksi digunakan filter pasif single tuned. Filter pasif single tuned terdiri dari Resistor (R), Induktor (L) dan Kapasitor (C) yang terhubung secara seri dan dapat meredam harmonisa sekecil mungkin. Perbandingan arus hubung singkat (ISC) dengan arus beban maksimum (I_L) adalah Short Circuit Ratio (SCR). Nilai SCR digunakan sebagai penentu batasan standar harmonisa sesuai dengan standar IEEE 519-1992. Filter pasif single tuned adalah salah satu filter untuk mereduksi harmonisa arus dan harmonisa tegangan [1].

Idealnya, energi listrik disalurkan ke beban dalam bentuk gelombang sinusoidal. Dalam kenyataan terjadi perubahan bentuk gelombang karena penggunaan beban listrik terutama beban-beban non linier semakin banyak. Beban non linier

(23)

menyebabkan arus yang mengalir pada beban-beban tersebut menjadi tidak sama dengan bentuk gelombang tegangannya yang sinusoidal. Penurunan faktor daya sebenarnya dapat diatasi dengan memasang kapasitor bank yang dipasang paralel dengan sistem untuk mengkompensasi daya induktip akibat pembebanan. Disamping dapat menaikkan tegangan sistem, dapat juga menurunkan arus yang mengalir pada beban.

Berbagai upaya telah dilakukan oleh para peneliti untuk mereduksi harmonisa menggunakan filter pasif single tuned. Penelitian tentang reduksi harmonisa yang sudah dilakukan dengan menggunakan filter pasif dapat dilihat pada Tabel 1.4.

Tabel 1.4 Penelitian filter pasif single tuned harmonisa Nama Judul penelitian Metode Hasil yang diperoleh I Nengah

Swedan, I Wayan Rinas, 2009 [6]

Analisa

Penanggulangan THD dengan Filter Pasif

Pada Sistem

Kelistrikan Di RSUP Sanglah.

Filter Pasif

THDi mengalami penurunan memenuhi standart IEEE 519- 1992 hingga nilai terendah 2,36%

Dimana penurunan THDi arus mencapai 15,18%

Young Sik Cho et al, 2011 [7]

Single tuned passive harmonic filter design considering variances of tuning and quality factor

Filter passive single tuned

Pemasangan Filter pasif single tuned dapat menurunkan THDi 5 berkurang dari 72,6% menjadi 7,9 %, harmonisa ke 7 dari 61,8 % menjadi 11,2%, harmonisa ke 11 dari 20,9% menjadi 4,5%, harmoisa ke 13 dari 13,2%

menjadi 2,9%

Sumit Kanwar et al, 2013 [8]

Power Quality Improvement in Faulty Conditions using Tuned

Harmonic Filters

Filter Passive Single tuned

Pemasangan filter untuk jaringan tiga phasa, dapat menurunkan THDi 6,40% menjadi 1,46%

(24)

Tabel 1.4 (Sambungan)

Nama Judul penelitian Metode Hasil yang diperoleh G.Suresh

Babu et al, 2009 [9]

A Novel approach in the design of optimal tuning frequency of a single tuned harmonic filter for an alternator with rectifier loads

Filter Single tuned

Menurunkan harmonisa arus Ke-5 dari 47,26% menjadi 16,17%

Zubair Ahmed Memon et al, 2012 [10]

Harmonics Mitigation of Industrial Power System Using Passive Filters

Filter Passive Single tuned

filter pasif mengurangi distorsi total harmonik dari sumber 20,77 menjadi 4,32%. Hasil reduksi memenuhi standar harmonisa direkomendasikan IEEE 519

1.2 Perumusan masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dijelaskan dapat dirumuskan masalah yang akan diteliti yaitu:

1. Merancang filter pasif single tuned dengan parameter yang tepat, untuk meredam harmonisa yang terjadi pada workshop PTKI Medan.

2. Nilai harmonisa yang timbul akibat penggunaan beban mempengaruhi faktor daya pada workshop PTKI Medan.

(25)

1.3 Batasan masalah

Untuk mempermudah agar penelitian yang dilakukan tidak terlalu melebar, maka penelitian ini akan dibatasi:

1. Untuk menganalisa penelitian ini dilakukan hanya pada satu fasa sebab beban dianggap seimbang.

2. Filter harmonisa yang digunakan pada penelitian ini adalah filter pasif single tuned.

3. Pada penelitian ini tidak membahas bagaimana timbulnya harmonisa yang dihasilkan oleh beban non linier pada objek penelitian, tetapi diperoleh dari data hasil pengukuran langsung pada sumber panel.

4. Perancangan filter berupa simulasi menggunakan bantuan tools pada MATLAB/simulink.

5. Pengukuran dilakukan pada saat beban puncak di gedung workshop PTKI Medan.

1.4 Tujuan penelitian

1. Merancangan filter pasif single tuned, dapat meredam harmonisa yang terjadi pada gedung workshop PTKI Medan. Hingga mencapai dibawah standar IEEE 519-1992.

2. Pemasangan filter pasif single tuned dapat memperbaiki kualitas daya pada gedung workshop PTKI Medan dengan meredam harmonisa mencapai

(26)

1.5 Manfaat penelitian

Penelitian yang dilakukan pada gedung workshop PTKI Medan diharapkan dapat memberi manfaat:

1. Menambah pengetahuan dan memperkaya ilmu teknik elektro khususnya di bidang kualitas daya yaitu harmonisa.

2. Menjadi bahan rujukan bagi instansi terkait dalam menentukan besaran nilai filter yang akan digunakan untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan karena penggunaan beban non linier.

3. Menjadi bahan referensi untuk penelitian lebih lanjut.

(27)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Distribusi daya

Beban yang mendapat suplai daya dari PLN dengan tegangan 20 kV, 50 Hz yang diturunkan melalui tranformator dengan kapasitas 250 kVA, 50 Hz yang didistribusikan melalui Panel Utama Tegangan Rendah (PUTR). Beban pada gedung workshop PTKI Medan membutuhkan daya 175 A dari pendistribusian dari panel induk agar keandalan sistem daya terpenuhi untuk pengoperasian alat-alat.

Dari saluran transmisi, tegangan diturunkan lagi menjadi 20 kV dengan transformator penurun tegangan pada gardu induk distribusi, kemudian dengan sistem tegangan tersebut penyaluran tenaga listrik dilakukan oleh saluran distribusi primer. Dari saluran distribusi primer inilah gardu–gardu distribusi mengambil tegangan untuk diturunkan tegangannya dengan transformator distribusi menjadi sistem tegangan rendah, yaitu 220/380 Volt. Selanjutnya disalurkan oleh saluran distribusi sekunder ke konsumen-konsumen. Dengan ini jelas bahwa sistem distribusi merupakan bagian yang penting dalam sistem tenaga listrik secara keseluruhan.

2.2 Harmonisa

Harmonisa merupakan pengoperasian listrik dari beban non linier sehingga terbentuklah gelombang frekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi

(28)

dasar 50 Hz atau 60 Hz, sehingga bentuk gelombang arus dan tegangan yang idealnya adalah sinusoidal murni akan menjadi cacat, seperti terlihat pada Gambar 2.1 [3].

Gambar 2.1. Gelombang sinusoidal [3].

Harmonisa berdasarkan dari urutan ordonya adalah harmonisa ke 3,5,7,9,11 dan seterusnya, seperti pada Gambar 2.2 [11].

Gambar 2.2 Urutan arus harmonisa [11].

Ordo Harmonisa

Arus ( Ampere)

A

t

Fundamental Third Harmonic

Fundamental + Third Harmonic

(29)

Distorsi harmonisa dapat menimbulkan efek berbeda-beda yang terhubung dengan jaringan listrik terutama karikteristik beban listrik itu sendiri. Harmonisa juga dapat menyebabkan pemanasan yang lebih tinggi pada konduktor, transformator, ataupun komponen listrik lainnya. Pemanasan yang berlebih dapat menurunkan daya tahan komponen sehingga bisa menyebabkan kerusakan apabila harmonisa yang ditimbulkan cukup besar.

Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dapat dilihat dari perumusan analisa deret fourier, untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu seperti pada Persamaan (2.1) dan (2.2) [3].

………… (2.1)

………… (2.2)

Dimana:

V(t) = Tegangan dalam fungsi waktu (Volt) I (t) = Arus dalam fungsi waktu (Ampere) I0 = Arus sesaat (Ampere)

In = Arus maksimum ke-n (Ampere) V₀ = Tegangan sesaat (Volt)

V_n = Tegangan maksimum ke-n (Volt)

Banyaknya penggunaan beban non linier pada sistem tenaga listrik membuat arus menjadi sangat terdistorsi dengan persentase harmonisa arus, tingginya persentase kandungan harmonisa arus Total Harmonic Distortion atau disingkat

(30)

dengan THD pada suatu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan timbulnya beberapa persoalan harmonisa yang serius pada sistem listrik, menimbulkan berbagai macam kerusakan pada peralatan listrik yang rentan dan menyebabkan penggunaan energi listrik menjadi buruk [12][13].

Distorsi harmonisa total disebut dengan Total Harmonic Distortion (THD) adalah indeks yang menunjukkan total harmonisa dari gelombang tegangan atau arus yang mengandung komponen individual harmonisa, yang dinyatakan dalam persen terhadap komponen fundamentalnya [14]. THD untuk gelombang tegangan dinyatakan dengan Persamaan (2.3):

……….…(2.3) Dimana:

THDv : Total Harmonic Distortion tegangan (%) V₁ : Tegangan fundamental

Vn : Tegangan harmonisa ke n n : Ordo harmonisa

THD untuk gelombang arus dinyatakan dengan Persamaan (2.4):

………...………….…..(2.4)

(31)

Dimana:

THD_i : Total Harmonic Distortion arus (%) I₁ : Arus fundamental

In : Arus harmonisa ke n n : Ordo harmonisa

Besar Individual Harmonic Distortion (IHD) untuk tegangan dan arus dapat dilihat pada Persamaan (2.5) dan Persamaan (2.6).

………..…………. (2.5)

…………....………. (2.6)

2.2.1 Harmonisa pada peban non linier

Beban non linier dapat menyebabkan reaktansi jenuh adalah penyearah atau pensaklaran secara mekanik yang bekerja menutup dan membuka secara berkala.

Dimana pada frekuensi fundamental (IF) terdapat frekuensi harmonik (IH). Tegangan sinusoidal dihasilkan oleh frekuensi fundamental (E) sedangkan harmonisa dihasilkan oleh beban. Pada Gambar 2.3 menunjukkan sebuah beban non linier, dimana terdapat kandungan harmonisa semua ordo baik ordo ganjil maupun ordo genap.

(32)

Gambar 2.3 Jenis beban non linier

Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linier atau alat yang mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret Fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu pada Persamaan (2.7) [15].

f(t) = a0 + ( an cos (hω0t) + bn sin (hω0t) ... (2.7)

Dimana:

h : Ordo harmonisa

ω

₀ : , frekuensi radial komponen fundamental

a

0 : (t) dt

a_n dan b_n merupakan koefisien dari deret Fourier dengan Persamaan (2.8) dan Persamaan (2.9).

(33)

a_n = f (t) cos(hω₀t) dt …... (2.8)

b_n = f (t) sin (hω₀t) dt ... (2.9)

Karena arus berbentuk gelombang bolak – balik yang simetris, maka gelombang tersebut memiliki fungsi ganjil, maka gelombang tersebut memiliki fungsi ganjil jika f (t) = - f (-t), maka fungsi f (t) memiliki koefisien Persamaan (2.10) dan Persamaan (2.11).

a0 = 1 …...………..…………...….………. (2.10)

bn = (t) sin (hω0) …...…….(2.11)

Sehingga deret Fourier dapat dituliskan pada Persamaan (2.12).

f(t) = f₀ + f_ml sin (ω₀t +φ₁ ) +…+ f_mh sin( h(hω₀t) + φ_h...(2.12)

Dimana:

f0 : komponen DC

f_ml : nilai maksimum dari komponen fundamental fmh : nilai maksimum dari komponen harmonisa ordo-h

ω

0 : sudut angular komponem fundamental π : konstanta (3,14)

(34)

Tegangan dan arus rms dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi dan secara deret Fourier untuk tegangan dan arus pada Persamaan (2.13) dan Persamaan (2.14).

V(t) = V0 + Vn Sin (nω0t + θn)……...…..(2.13)

I(t) = I0 + Vn Sin (nω0t + θn)..….…...…..(2.14)

Bagian DC (V0 dan I0) biasanya diabaikan untuk menyederhanakan perhitungan, sedangkan V_n dan I_n adalah nilai RMS untuk harmonisa ordo ke-n pada masing-masing tegangan dan arus, maka nilai RMS dalam satu periode bentuk gelombang sinusoidal murni dengan periode T didefenisikan pada Persamaan (2.15).

V(t) = Vm sin ωt ...…....…...……...………..(2.15)

Nilai RMS tegangan (VRMS) pada Persamaan (2.16).

VRMS = …...………...…...(2.16)

Dengan memasukkan Persamaan (2.15) ke dalam Persamaan (2.16), maka nilai RMS tegangan pada Persamaan (2.17).

VRMS = = ……...…….……….(2.17)

(35)

Dengan cara yang sama diperoleh nilai RMS untuk arus pada Persamaan (2.18).

I(t) = I_m sin ωt ...…..……...………(2.18)

Nilai RMS arus (IRMS)pada Persamaan (2.19).

I_RMS

=

..…………...…….…....……….(2.19) Sehingga didapat Persamaan (2.20).

IRMS

=

...…....(2.20)

Dimana dan harga maksimum dari gelombang sinusoidal.

2.2.2 Standar IEEE 519-1992

Batasan standar harmonisa tegangan IEEE 519-1992 yang digunakan sebagai parameter batasan dapat dilihat pada Tabel 2.1. Batas harmonisa arus sesuai IEEE 519-1992 dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.1 Batas harmonisa tegangan IEEE 519-1992 Tegangan Bus

Pada PCC

Distorsi Tegangan Individu (%)

Total Distorsi Tegangan (%)

V ≤ 69 kV 3.0 5.0

69 kV < V ≤ 161 kV 1.5 2.5

V > 161 kV 1.0 1.5

(36)

Tabel 2.2 Batas harmonisa arus IEEE 519-1992 Distorsi arus harmonisa maksimum dalam % dari

Isc/I_L < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 < h TDD 69 kV < V

< 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

69 kV < V > 161kV

< 20 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5

20 < 50 3.5 1.75 1.25 0.5 0.25 4.0

50 < 100 5.0 2.25 2.0 0.75 0.35 6.0

100 < 1000 6.0 2.75 2.5 1.0 0.5 7.5

1000 7.0 3.5 3.0 1.25 0.7 10.0

V > 161 kV

< 50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5

< 50 3.5 1.75 1.25 0.45 0.22 3.75

Dimana:

I_SC : Arus maksimum hubung singkat pada Point of Common Coupling (PCC).

I_L : Arus beban maksimum (komponen fundamental) pada PCC, semua peralatan pembangkitan ditetapkan pada nilai ini, untuk berapapun nilai I_SC/I_Lsebenarnya.

TDD : Total Demand Distortion adalah kandungan ratio harga RMS arus harmonisa terhadap arus beban maksimum.

(37)

Pengukuran distorsi harmonik dilakukan pada titik PCC (Point of Common Coupling) pada rel PCC sekunder transformator, selama periode dimana dampak permintaan pelanggan maksimum, biasanya 15 sampai 30 menit seperti yang disarankan dalam Standar IEEE 519-1992. Sumber daya yang kecil dengan permintaan relatif besar akan cenderung menunjukkan distorsi gelombang yang lebih besar. Sumber yang tetap untuk beroperasi pada arus permintaan rendah akan menunjukkan penurunan distorsi gelombang.

2.3 Faktor daya

Power Factor atau faktor daya merupakan nilai perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S). Faktor daya menjadi pembanding antara baik buruknya kualitas daya listrik. Untuk menentukan kebutuhan akan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Segitiga daya untuk kebutuhan daya reaktif S1 (VA) S2 (VA)

P (Watt)

Q (VAR) Q₁

Q2

(38)

Faktor daya pada umumnya dinyatakan dalam bentuk cos φ yang besarnya pada Persamaan (2.21).

PF = cos φ = ……...……...……… (2.21)

Dimana:

cos φ : Faktor daya P : Daya aktif (Watt) S : Daya semu (VA)

Untuk menentukan besaran daya semu (VA) pada Persamaan (2.22).

S = V . I ………...……..……..………... (2.22)

Daya Aktif (Watt) pada Persamaan (2.23).

P = V . I . cos φ ……...…………... (2.23)

Daya Reaktif (VAR) pada Persamaan (2.24).

Q = V. I. sin φ ………...….... (2.24)

Kebutuhan akan daya reaktif dapat dihitung untuk pemasangan kapasitor memperbaiki faktor daya beban. Pada umumnya komponen daya aktif (P) konstan, sedangkan daya semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya beban dapat dilihat pada Persamaan (2.25).

(39)

Daya reaktif (Q) = Daya aktif (P) x tan φ ...…. (2.25)

Dengan memperhatikan vektor segitiga daya pada Gambar 2.4 maka:

Daya reaktif pada PF awal yaitu pada Persamaan (2.26).

Q₁ = P x tan φ₁……...……… (2.26)

Daya reaktif pada PF diperbaiki yaitu pada Persamaan (2.27).

Q2 = P x tan φ2 ……...……….. (2.27)

Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah ΔQ = Q1 – Q₂ atau pada Persamaan (2.28).

ΔQ = P (tan Q1 – tan Q2) …...………. (2.28)

Terdapat perbedaan antara faktor daya pada kondisi gelombang terdistorsi harmonisa dan tidak terdistorsi harmonisa. Gelombang yang tidak terdistorsi harmonisa akan berbentuk sinusoidal artinya dalam perhitungan faktor daya tidak melibatkan frekuensi harmonisa baik pada gelombang tegangan maupun gelombang arus. Sebaliknya gelombang tidak sinusoidal dalam bentuk keadaan terdistorsi maka perhitungan faktor daya melibatkan frekuensi harmonisa pada gelombang tegangan dan gelombang arus.

(40)

Peralatan ukur kualitas daya sekarang ini umumnya sudah dapat mendeteksi displacement dan true power factor. Peralatan pembangkit harmonisa seperti switching power supplies dan PWM memiliki displacement power factor mendekati nilai 1 (satu), tetapi true power factor hanya bernilai 0,5 sampai 0,6.

2.3.1 Faktor daya tanpa harmonisa

Pada gelombang arus sinusoidal atau gelombang tidak mengandung harmonisa terdapat sudut fasa antara tegangan dan arus. Pada frekuensi fundamental nilai faktor daya dapat juga diketahui dengan menentukan nilai cosinus dari sudut fasanya atau perbandingan antara daya aktif dan daya semu seperti terlihat pada Gambar 2.5 [4].

Gambar 2.5 Sudut fasa gelombang tegangan dan arus [4].

Displacement Power Faktor (DPF) dari vektor segitiga daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu pada frekuensi fundamental yaitu Persamaan (2.29).

(41)

DPF = = Cos 1 ……...………(2.29)

Dimana:

DPF : Displacement power factor.

V₁ _RMS : Tegangan RMS pada frekuensi fundamental (Volt) I1RMS : Arus RMS pada frekuensi fundamental (Ampere).

2.3.2 Faktor daya dengan harmonisa

Pada kondisi gelombang arus tidak sinusoidal atau dalam kondisi mengandung harmonisa, faktor daya tidak dapat dikatakan sebagai nilai cosinus dari sudut fasanya (Gambar 2.6). Faktor daya kondisi gelombang sinusoidal merupakan faktor daya dengan perhitungan akan melibatkan frekuensi harmonisa pada gelombang tegangan dan gelombang arus. True Power Factor merupakan perhitungan faktor daya yang terkait dengan jumlah daya aktif pada frekuensi fundamental dan frekuensi harmonisa.

Gambar 2.6 Sudut fasa gelombang tegangan dan arus kondisi hamonisa [16].

(42)

True power factor (TPF) merupakan ratio perbandingan antara total jumlah daya aktif (P_avg) pada semua frekuensi terhadap daya semu yaitu pada Persamaan (2.30).

TPF = ...………..………..(2.30)

Dimana:

TPF : True Power Factor

THD_i : Total Harmonic Distortion untuk arus DPF : Displacement Power Factor

2.4 Arus hubung singkat (Isc)

Untuk mengetahui batasan standar harmonisa IEEE 519-1992 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 (2.31) dan (2.32).

Persamaan (2.31) untuk menghitung arus hubung singkat.

I_SC = ... (2.31)

(43)

Maka diperoleh perbandingan arus hubung singkat (I_SC) dengan arus beban (I_L) seperti pada Persamaan (2.32)

SCR = ... (2.32)

2.5 Filter pasif

Filter adalah suatu rangkaian yang dipergunakan untuk membuang tegangan output pada frekuensi tertentu. Pada dasarnya filter dapat dikelompokkan berdasarkan response (tanggapan) frekuensinya yaitu:

a. Band Pass Filter.

b. High Pass Filter.

c. Double Band Pass Filter.

d. Composite.

Untuk membuat filter sering kali dihindari penggunaan induktor, terutama karena ukurannya yang besar. Sehingga umumnya filter pasif hanya memanfaatkan komponen R dan C.

Penggunaan filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus harmonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian

(44)

terdiri dari komponen R, L, dan C (Gambar 2.7). Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor. 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 yaitu efek kulit (skin effect) [16].

Gambar 2.7 Rangkaian filter pasif [16].

Ada beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya seperti pada Gambar 2.8. Filter pasif single tuned adalah yang paling umum digunakan. Dua buah filter single tuned akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double band pass filter [16].

C

L R

C

L R

C1 L1 R

L2 R1 R2

C2

Band Pass High Pass Double Band Pass Composite Gambar 2.8 Jenis-jenis filter pasif [16].

Beban

Filter

pasif

Arus

(45)

2.5.1 Merancang filter pasif single tuned

Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah filter single tuned.

Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan rendah. Rangkaian filter pasif single tuned ini mempunyai impedansi yang rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem. Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki sistem tersebut.

Filter pasif single tuned adalah filter yang terdiri dari komponen – komponen Resistor (R), Induktor (L) dan Kapasitor (C) yang terhubung secara seri (Gambar 2.9). Filter pasif single tuned 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 filter pasif single tuned [1].

Gambar 2.9 Filter pasif single tuned [1].

(46)

Sebuah filter single tuned dapat mengurangi harmonisa tegangan (THD_v) dan harmonisa arus (THD_i) sampai dengan 10-30%. 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 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, nilai faktor kualitas berkisar antara: 30 < Q < 100 [11].

Langkah – langkah menghitung filter pasif single tuned adalah:

a. Menentukan ukuran kapasitas kapasitor (Q_C) berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya, ditunjukkan pada Persamaan (2.33) [1].

QC = P [tan(cos^-1pf1) - tan(cos^-1pf2)]...(2.33)

Dimana:

P = Beban (kW)

pf₁ =Faktor daya mula – mula pf2 = Faktor daya setelah diperbaiki

b. Menentukan reaktansi kapasitor (XC), ditunjukkan pada Persamaan (2.34).

X

C

= .

... (2.34)

(47)

Dimana:

X_C = Reaktansi kapasitif (Ω) V = Tegangan (Volt) QC = Daya reaktif (VAR)

c. Menentukan kapasitansi dari Kapasitor (C), ditunjukkan pada Persamaan (2.35).

C =

... (2.35)

Dimana:

C = Kapasitansi kapasitor (Farad) f₀ = frekuensi fundamental (Hz)

d. Menentukan Reaktansi Induktif dari induktor (XL ), ditunjukkan pada Persamaan (2.36).

X

L

= …

... (2.36)

Dimana:

h_n = Harmonisa ordo ke n XL = Reaktansi induktif (Ω)

e. Menentukan induktansi dari induktor (L) ditunjukkan pada Persamaan (2.37).

L =

……... (2.37)

(48)

f. Menentukan reaktansi karakteristik dari filter (Xn), ditunjukkan pada Persamaan (2.38).

Xn = hn XL = ... (2.38)

g. Menentukan tahanan (R) dari induktor ditunjukkan pada Persamaan (2.39).

R = ... (2.39) Dimana:

R = Tahanan dari Induktor (Ω)

Q = Faktor kualitas dari filter pasif single tuned (VAr)

(49)

BAB 3

METODELOGI PENELITIAN

3.1 Hasil pengukuran

Hasil pengukuran arus, tegangan, daya, bentuk gelombang dan spektrum harmonisa serta daya pada sistem kelistrikan di gedung workshop PTKI Medan, kandungan harmonisa arus dari sistem menunjukan THDi yang cukup tinggi yaitu 64,3%. Hal ini berdasarkan pada Tabel 1.2 yang merupakan limit arus harmonisa standar IEEE 519-1992 bahwa, perbandingan short circuit ratio ( dengan nilai diantara 100 dan 1000, THDi yang diijinkan adalah 15%. Karena THD arus belum memenuhi standar, maka diperlukan filter untuk mengurangi harmonisa yang terjadi dengan memasang filter pasif single tuned.

Harmonisa yang menonjol adalah harmonisa ke 3 disusul dengan harmonisa ke 5 dan 7, sedangkan harmonisa ke 9 dan seterusnya semakin kecil.

Adapun hasil pengukuran yang dilakukan pada sistem kelistrikan di gedung workshop PTKI Medan adalah:

a. Pengukuran arus dan tegangan serta bentuk gelombang dapat dilihat pada Tabel 1.2. Hasil pengukuran menunjukkan tegangan fasa dan arus yang terukur adalah 210,8 Volt dan 44,3 A.

(50)

b. Pengukuran total harmonisa arus (THD_i).

Hasil pengukuran spektrum THD_i menunjukkan THD_i 64,3%, sedangkan Individual Harmonic Distortion arus (IHDi) dapat dilihat pada Tabel 1.3.

c. Pengukuran daya dan faktor daya.

Hasil pengukuran daya aktip (P) = 6,7 kW , daya reaktip (Q) = 7,8 kVAr, daya (S) = 10,3 kVA dan faktor daya (PF) = 0,65 dapat dilihat pada Tabel 1.2.

3.2 Perhitungan hubung singkat dan batasan harmonisa

Untuk mengetahui batasan standar harmonisa IEEE 519-1992 berdasarkan Tabel 2.2, pertama yang harus diketahui adalah besaran nilai arus hubung singkat (I_SC). Dalam melakukan perhitungan I_SC diperlukan data impedansi dari sistem yang terdiri dari impedansi saluran dan impedansi transformator distribusi itu sendiri.

Adapun langkah-langkah dalam melakukan perhitungan nilai I_SC adalah:

a. Impedansi Transformator

Dari data transformator, kapasitas daya yang didapatkan adalah 250 kVA, tegangan sistem 20 kV/400 V, maka:

MVAbase = 250 kVA = 0,25 MVA

Impedansi Transformator (Z_sc) = 4% = 0,04 pu

I_base = = = = 360,884 A

(51)

MVA_sc = = = 6,25 MVA

Z_base = = = 0,0256

Ztransformator = Zpu x Zbase = 0,04 x 0,0256 = 0,001024

b. Impedansi saluran

Impedansi saluran kabel terbuat dari kabel NHYRUZYr 3x120 mm², sepanjang 37 m. Dari katalog didapat:

R = 0,253 Ω/km, maka tahanan kabel R = 0,009361 Ω L = 0,366 mH/km, maka reaktansi kabel XL = 0,00311 Ω Zsaluran = 0,009361 + j0,00311 Ω

=

= 0,00986

c. Impedansi sistem

Impedansi sistem merupakan penjumlahan dari impedansi saluran dan impedansi transformator.

Zsistem = Zsaluran + Ztransformator = 0,00986 + 0,001204

= 0,011064 Ω

(52)

Dengan diketahuinya impedansi sistem dan tegangan fasa sistem maka didapatkan arus hubung singkat (I_SC).

ISC = = = 19052,784 A

Arus I_SC dihitung untuk mendapatkan Short Circuit Ratio (SCR) yang menentukan batas harmonisa arus sesuai standar IEEE 519-1992.

Dari hasil pengukuran diperoleh arus beban (I_L) sebesar 44,3 A, sehingga besarnya SCR yang merupakan perbandingan arus hubung singkat (ISC) dengan arus beban (I_L), dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.32).

SCR = = = 430,085

Berdasarkan Tabel 2.2 yang menyatakan limit arus harmonisa standar IEEE 519-1992, SCR sebesar 430,085 berada diantara 100 dan 1000, dengan tegangan pada PCC ≤ 69 kV, maka THDi yang diizinkan adalah 15%.

3.3 Perbandingan limits individual harmonic distortion

Pada penelitian ini harmonisa yang akan direduksi adalah yang melebihi batas IEEE 519-1992. Maka dilakukan perbandingan hasil pengukuran harmonisa individual dengan batasan standar IEEE 519-1992. Hasil perbandingan harmonisa tersebut THDv adalah 3,2%, sudah sesuai menurut batasan standar IEEE 519-1992

(53)

sebesar 5%. Namun THD_i adalah 64,3% belum sesuai dengan batasan standar IEEE 519-1992 sebesar 15%. Serta IHD_vdan IHD_i dilihat pada Tabel 3.1 dan Tabel 3.2.

Tabel 3.1 Data pengukuran perbandingan batas harmonisa tegangan individual IHD_v (%)

Ordo harmonisa IHDv – L3 (%) Batas IEEE 519-1992 (%) Keterangan

1 100 - -

3 1.4 3,0 Sesuai

5 2.4 3,0 Sesuai

7 0.0 3,0 Sesuai

9 0.1 3,0 Sesuai

11 0.4 3,0 Sesuai

13 0.2 3,0 Sesuai

15 0.1 3,0 Sesuai

17 0.0 3,0 Sesuai

19 0.1 3,0 Sesuai

21 0.1 3,0 Sesuai

23 0.1 3,0 Sesuai

25 0.0 3,0 Sesuai

27 0.1 3,0 Sesuai

29 0.0 3,0 Sesuai

31 0.2 3,0 Sesuai

33 0.1 3,0 Sesuai

35 0.0 3,0 Sesuai

37 0.0 3,0 Sesuai

39 0.0 3,0 Sesuai

41 0.1 3,0 Sesuai

43 0.0 3,0 Sesuai

45 0.0 3,0 Sesuai

47 0.1 3,0 Sesuai

49 0.1 3,0 Sesuai

(54)

Tabel 3.2 Data pengukuran perbandingan batas harmonisa arus individual IHDi (%)

Ordo harmonisa IHD_i – L₃ (%) Batas IEEE 519-1992 (%) Keterangan

1 100 - -

3 48.4 12.0 Tidak Sesuai

9 6.7 12.0 Sesuai

11 5.3 12.0 Sesuai

13 3.3 5.5 Sesuai

15 0.6 5.5 Sesuai

17 2.6 5.5 Sesuai

19 1.3 5.0 Sesuai

21 1.3 5.0 Sesuai

23 1.3 5.0 Sesuai

25 1.3 2.0 Sesuai

29 0.6 2.0 Sesuai

37 0.6 1.0 Sesuai

Tabel 3.2 terlihat ordo harmonisa 3, 5, 7, 27, 31, 33, 35, 39, 41, 43, 45, 47, dan 49 yang melebihi batasan standar IEEE 519-1992. Nantinya akan direduksi dengan menggunakan filter pasif single tuned.

(55)

3.4 Perhitungan komponen filter

Perhitungan besaran komponen filter dilakukan berdasarkan harmonisa individu paling tinggi yang didapat 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 0,95 lagging. Pengukuran dilakukan pada fasa T karena mempunyai harmonisa paling tinggi dibandingkan fasa S dan R. Adapun data hasil pengukuran fasa T adalah:

S = 10.3 kVA P = 6.7 kW Q = 7.8 kVAR

Cos φ_awal = pf = 0,65 lagging

Adapun langkah-langkah untuk menentukan nilai komponen-komponen adalah:

1. Tentukan cos φ yang diinginkan yaitu sebesar 0,95 lagging, maka besar QC dapat dihitung dengan Persamaan (2.33).

QC = P [ tan (cos^-1 pf1) – tan (cos^-1 pf2) ]

= 6,7 [ tan (cos^-1 0,65) – tan (cos^-1 0,95) ]

= 6,7 (tan 49,458 – tan 18,195)

= 6,7 (1,169 – 0,329)

= 5,628 kVAR = 5628 VAR

Dengan demikian kapasitor yang dipilih adalah 5628 VAR. Nilai reaktansi kapasitif dari kapasitor dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.34).

(56)

2. Dari hasil pengukuran seperti pada Tabel 1.3 dapat dilihat bahwa nilai IHD arus yang terbesar adalah pada harmonisa ke-3, maka untuk menghitung nilai C pada frekuensi fundamental dapat menggunakan Persamaan (2.35).

C = =

=403,35 μF

Reaktansi induktif dari filter pada harmonisa ke 3 digunakan Persamaan (2.36) X_L = = = 0,877 Ω

Dengan menggunakan Persamaan (2.37) didapatkan nilai induktansi:

L = = = 0, 00279 H

Tentukan nilai X_n dengan menggunakan Persamaan (2.38)

X_n= = = 2,63

3. Tentukan faktor kualitas Q = 100 untuk mendapatkan ketajaman penyetelan filter yang optimal. Harga Q sebesar 100 ini dipilih karena berdasarkan ketentuan bahwa batasan Q adalah 30 < Q < 100

R_filter =

= = = =

0,02631

Nilai parameter – parameter dari hasil perhitungan yang telah didapat, dimasukkan kedalam rangkaian simulasi filter pasif single tuned seperti ditunjukkan pada

(57)

Gambar 2.9. Adapun komponen filter yang telah dihitung dimasukkan kedalam program MATLAB/simulink terdapat pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3 Hasil perhitungan nilai filter pasif single tuned dengan C = 403,35 µF No Komponen Filter Simbol Satuan Nilai

1 Resistansi R3 Ω 0,02631

2 Induktansi L₃ H 0,00279

3 Kapasitansi C uF 403,35

dari hasil perhitungan nilai C sebesar 403,35 μF, nilai C dapat dirubah menjadi 1000 μF (yang tersedia di pasaran).

Karena adanya perubahan kapasitansi C dari 403,35 μF menjadi 1000 μF, maka reaktansi X_c dihitung kembali.

X_c

= = =

3,184 Ω

Reaktansi induktif dari filter pada harmonisa ke 3 digunakan Persamaan (2.36).

X_L =

=

= 0,354 Ω

Dengan menggunakan Persamaan (2.37) didapatkan nilai induktansi.

L = = = 0,00113 H

(58)

4. Tentukan nilai Xn dengan menggunakan Persamaan (2.38).

X_n= = = 1,063

Tentukan faktor kualitas Q = 100 untuk mendapatkan ketajaman penyetelan filter yang optimal. Harga Q sebesar 100 ini dipilih karena berdasarkan ketentuan bahwa batasan Q adalah 30 < Q < 100.

5. Tentukan nilai R dengan menggunakan Persamaan (2.39).

R_filter =

= = = =

0,01062 Ω

Nilai parameter – parameter dari hasil perhitungan yang telah didapat, dimasukkan kedalam rangkaian simulasi filter pasif single tuned seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. Adapun komponen filter yang telah dihitung dimasukkan kedalam program MATLAB/simulink terdapat pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Hasil perhitungan nilai filter pasif single tuned dengan C = 1000 μF No Komponen filter Simbol Satuan Nilai

1 Resistansi R3 Ω 0,01062

2 Induktansi L3 H 0,00113

3 Kapasitansi C μF 1000

(59)

3.5 Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter pasif single tuned

Untuk membuat rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter pasif single tuned digunakan hasil pengukuran dan perhitungan berupa tegangan, nilai setiap ordo arus harmonik (IHD_i), kapasitansi, induktansi dan resistansi filter. Rangkaian ini selanjutnya disimulasi dengan menggunakan program MATLAB/Simulink, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter

Dari hasil simulasi sebelum pemasangan filter didapat hasil data arus harmonisa THDi adalah 64,87% dan IHDi terlihat pada Tabel 3.5.

(60)

Tabel 3.5 Data simulasi perbandingan batas harmonisa arus individual IHD_i (%) sebelum pemasangan filter pasif single tuned Ordo

harmonisa

IHDi – L3

(%)

Batas IEEE 519-

1992 (%) Keterangan

1 100 - -

3 51,33 12.0 Tidak sesuai

9 7,11 12.0 Sesuai

11 5,70 12.0 Sesuai

13 3,50 5.5 Sesuai

15 0,64 5.5 Sesuai

17 2,76 5.5 Sesuai

19 1,38 5.0 Sesuai

21 1,38 5.0 Sesuai

23 1,38 5.0 Sesuai

25 1,38 2.0 Sesuai

29 0,64 2.0 Sesuai

37 0,64 1.0 Sesuai

(61)

Bentuk gelombang arus diperoleh dari Block Power GUI bagian Fast Fourier Transform (FFT) Analysis. Hasil simulasi dari rangkaian Gambar 3.1 diperoleh grafik keluaran arus dan spektrum arus sebelum di filter seperti Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Simulasi gelombang arus dan spektrum arus sebelum pemasangan filter

Untuk membuat rangkaian simulasi pada program MATLAB/Simulink, ada beberapa langkah yang harus dilakukan yaitu:

1. Klik AC Voltage Source kemudian masukkan nilai tegangan Vs = 220 V dan frekuensi 50 Hz.

2. Klik AC Current Source, kemudian masukkan nilai arus Ih (h= 1, 3, 5, 7, 9,…,49)

(62)

3. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah kapasitor kemudian masukkan nilai C = 1000μF.

4. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah induktor kemudian masukkan nilai L = 0,00113 H.

5. Klik Series RLC Branch3, pilih sebuah resistor kemudian masukkan nilai R = 0,01062 Ω.

6. Pilih Current Measurement untuk mengukur arus.

7. Pilih Scope untuk menampilkan gelombang arus.

8. Block Power GUI untuk memandu pemakai berkomunikasi dengan sistem simulasi.

3.6 Rangkaian simulasi setelah pemasangan filter pasif single tuned

Rangkaian simulasi filter pasif single tuned disimulasikan menggunakan program MATLAB/Simulink. Rangkaian simulasi tersebut terdiri dari satu buah filter pasif single tuned, sebuah resistor dan individual distorsi harmonik arus (IHDi) ordo ke-3 sampai dengan ordo ke-49. Filter pasif single tuned terdiri dari sebuah kapasitor, induktor, dan resistor yang terhubung secara seri dan nilainya telah diperhitungkan sebelumnya. Filter pasif single tuned dihubungkan secara paralel terhadap sistem. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonik arus diperoleh dari Block Power GUI bagian Fast Fourier Transform (FFT) Analysis.

(63)

3.6.1 Dengan memakai kapasitor 403,35 µF sesuai dengan perhitungan

Pada simulasi rangkain dengan nilai kapasitor 403,35 µF diperoleh hasil THDv sebesar 9,03 % dan THDi sebesar 7,29 %. Nilai tersebut tidak sesuai dibanding berdasarkan batas standar IEEE 512 – 1992 dengan THD_v sebesar 5 % dapat dilihat IHDv pada Tabel 3.6 dan IHDi pada Tabel 3.7.

Tabel 3.6 Data simulasi perbandingan batas harmonisa tegangan individual IHDv (%) setelah pemasangan filter pasif single tuned dengan kapasitor 403,35 µF

Ordo harmonisa

IHDv – L3

(%)

Batas IEEE 519-

1992 Keterangan

1 100 - -

3 0,16 3 Sesuai

5 6,52 3 Tidak sesuai

7 3,98 3 Tidak sesuai

9 2,2 3 Sesuai

11 1,92 3 Sesuai

13 1,25 3 Sesuai