Analisis Filter Pasif Single Tuned Untuk Mengurangi Arus Harmonisa Pada Mixer

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Sistem distribusi dalam sitem tenaga listrik dikenal dua jenis beban, yaitu beban linier dan beban non-linier. Beban disebut linier apabila nilai arus dan bentuk gelombang tegangan keluaran berbanding secara linier. Hal ini berarti bahwa bentuk gelombang arus mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Sedangkan untuk beban non-linier, bentuk gelombang arus tidak sama dengan bentuk gelombang tegangan (mengalami distorsi). Arus yang ditarik oleh beban non-linier tidak sinusoidal tetapi periodik, artinya bentuk gelombang terlihat sama dari siklus yang satu ke siklus yang lain [1].

Beban non linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semikonduktor seperti Switching Power Supplies, UPS, computer, printer, LHE, DC drive, AC drive, welding arc, battery charger, dan peralatan rumah tangga lainnya. Proses kerja peralatan atau beban non linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang non sinusoidal [8]. Elektronika daya sebagai converter banyak digunakan pada sistem penyearah atau inverter untuk sistem penyedia energi listrik sesuai kebutuhan.

2.1. Motor Induksi

membawa arus dibengkokan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop yaitu pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan.

Motor induksi termasuk bagian dari motor listrik arus bolak-balik (AC). Motor induksi banyak digunakan sebagai motor penggerak mekanik pada peralatan rumah tangga, perusahaan, maupun industri. Motor induksi satu fasa khususnya digunakan sebagai penggerak peralatan mekanik yang berkuran kecil tetapi membutuhkan starting torque yang besar tetapi mempunyai daya keluaran yang rendah.

Pada dasarnya, prinsip kerja motor induksi 1-fasa sama dengan motor induksi 2-fasa yang tidak simetris karena pada kumparan statornya dibuat dua kumparan (yaitu kumparan bantu dan kumparan utama) yang mempunyai perbedaan secara listrik dimana antara masing-masing kumparannya tidak mempunyai nilai impedansi yang sama dan umumnya motor bekerja dengan satu kumparan stator (kumparan utama). Khusus untuk motor kapasitor-start kapasitor-run, maka motor ini dapat dikatakan bekerja seperti halnya motor induksi 2-fasa yang simetris karena motor ini bekerja dengan kedua kumparannya (kumparan bantu dan kumparan utama) mulai dari start sampai saat running (jalan).

medan tersebut dibuat lebih besar maka rotornya akan berputar mengikuti perputaran medan ini. Bentuk gambaran proses terjadinya medan maju dan medan mundur ini dapat dijelaskan dengan menggunakan teori perputaran medan ganda

2.2. Mixer

Mixer didesain untuk mempermudah pekerjaan rumah tangga terutama untuk mencampur bahan adonan kue, roti, dan sebagainya. Design mixer terbilang modern, memiliki beberapa komponen yang terangkai didalamnya untuk mendukung kinerja optimal dari sebuah mixer, ditunjukan pada Gambar 2.1. berikut:

Gambar 2.1. Mixer.

pada skala besar sebagai industri rumah tangga dapat menghasilkan arus harmonisa yang dapat menyebabkan gangguan gelombang arus dan tegangan sehingga pada akhirnya akan kembali kebagian lain sistem tenaga listrik.

Prinsip kerja mixer ialah mengubah energi listrik menjadi energi mekanis dengan cara mengalirkan arus listrik menuju switch saklar pemilih kecepatan kemudian dialirkan kembali menuju motor penggerak.

Motor penggerak yang terdapat pada mixer termasuk dalam motor induksi rotor lilit/wound rotor induction motor.

2.2.1. Diagram mixer

Gambar 2.2. Single-Line diagram mixer.

dilengkapi dengan kapasitor dan resistor yang dipasang paralel berfungsi sebagai peredam frekuensi interferensi yang ditimbukan oleh motor mixer saat berputar. Pengaturan kecepatan mixer dilakukan dengan memindahkan posisi saklar pemilih kecepatan (SW) antara posisi 0 sampai posisi 3 yang berhubungan dengan dengan belitan pengatur kecepatan dan belitan bantu motor L1, L2, L3 yang terhubung seri menuju sikat kemudian masuk ke belitan rotor (LR).

2.3. Harmonisa

Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sitem distribusi tenaga listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [9]. Terdistorsinya gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus kelipatan integer dari gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan sehingga berakibat pada terdistorsinya bentuk gelombang fundamental menjadi tidak sinusoidal murni, seperti yang diperlihatkan Gambar 2.3.

Bila kedua gelombang tersebut dijumlahkan, maka bentuk gelombang yang dihasilkan adalah seperti Gambar 2.4., bentuk distorsi gelombang akan lebih kompleks lagi bila semua gelombang harmonik yang terjadi dijumlahkan dengan gelombang frekuensi dasar. Besar amplitude harmonik biasanya hanya beberapa persen dari amplitude gelombang dasar.

Gambar 2.4. Bentuk gelombang tegangan yang terdistorsi harmonik [6].

2.3.1. Perhitungan harmonisa

Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non linier atau alat yang mengakibatkan arus non sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [10].

………..………..….(2.1)

Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang

dibagi dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus yaitu [14].

………..……….(2.3)

……….…..……….(2.4)

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

……..………… (2.5)

Hubungan persamaan THD dengan arus RMS dari Persamaan (2.6) yaitu:

…..…………..…. (2.7)

Selanjutnya dari Persamaan (2.7) yaitu:

Sehingga arus RMS terhadap THDI yaitu:

……….……… (2.8)

... …(2.9)

... ….(2.10)

Dimana:

Vh = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi

Ih = Arus harmonisa pada orde terdistorsi

Hubungan Persamaan IHD dengan arus RMS dari Persamaan (2.10) yaitu:

... ….(2.11)

... ….(2.12)

Selanjutnya dari Persamaan (2.11) yaitu:

... ….(2.13)

... ….(2.14)

Sehingga arus RMS terhadap IHDi yaitu:

2.3.2. Pengaruh dari harmonisa

Pada keadaan normal, arus beban setiap fasa dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling menghapuskan sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban non linier satu fasa akan menimbulkan 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 [15].

2.3.3. Mengurangi pengaruh harmonisa

a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya. b. Penggunaan filter aktif.

c. Kombinasi filter aktif dan pasif.

d. Konverter dengan AC- reactor, dan lain-lain.

Sistem diatas 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.

2.4. Batasan Harmonisa

fasa ataupun tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE.

Pada standar IEC61000-3-2 beban beban kecil tersebut diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D, dimana masing masing kelas mempunyai batasan harmonisa yang berbeda beda yang dijelaskan sebagai berikut [16].

1. Kelas A

Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 ampere perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A.

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

Harmonisa Ganjil

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15≤n≤39 2,25/n

Harmonisa Genap

2. Kelas B

Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable dimana batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat dimana batasan arus harmonisanya diperlihatkan Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B.

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

3 3,45

5 1,71

7 1,155

9 0,60

11 0,495

13 0,315

15≤n≤39 3,375/n

Harmonisa Genap

2 1,62

4 0,645

6 0,45

8≤n≤40 2,76/n

3. Kelas C

Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya input aktifnya lebih besar 25 Watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk

Tabel 2.1. (Lanjutan)

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

4 0,43

6 0,30

persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C.

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

2 2

3 30xPF rangkaian

5 10

7 7

9 5

11≤n≤39 3

4. Kelas D

Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 Watt khusus-nya personal komputer, monitor, TV. Batasan aruskhusus-nya diekspresikan dalam bentuk mA/W dan dibatasi pada harga absolut yang nilainya diperlihatkan oleh Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D.

Harmonisa ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (mA/W)

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan

(A) 75 < P < 600W P > 600W

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 0,296 0,21

Seperti diketahui bahwa semua peralatan elektronik bekerja dengan sumber tegangan arus searah sehingga dalam operasinya dibutuhkan peralatan penyearah dan dihubungkan langsung ke sumber tegangan (stop kontak). Untuk penyearah yang distorsi gelombang arusnya cukup tinggi dan banyak dipakai secara bersamaan dimasukkan dalam kategori kelas D. Sementara untuk penyearah dengan arus yang terdistorsi dapat dimasukkan dalam kategori kelas A. Tabel 2.5. memperlihatkan batasan harmonisa untuk kelas A dan kelas D dan penyearah dengan daya 100 Watt.

Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D.

Harmonisa ke-n Batas kelas A (A)

Batas kelas D (mA/W)

Batas kelas D untuk input 100 W (A)

3 2,30 3,4 0,34

5 1,14 1,9 0,19

7 0,77 1,0 0,10

9 0,40 0.5 0,05

11 0,33 0,35 0,035

13≤n≤39 0,15x15/n 3,85/n 0,386/n

2.5. Filter Pasif

yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor seperti terlihat pada Gambar 2.5. 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) [13]. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.5.

Jaringan

Beban

Non Linier

Filter

Pasif

Gambar 2.5. Rangkaian filter pasif dalam sistem.

Beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya. Single-tuned filter atau bandpass filter adalah yang paling umum digunakan. Dua buah Single-tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double bandpass filter, diperlihatkan Gambar 2.6. berikut:

C L R C L R C1 L1 R L2 R2 R1 C2

Band-Pass High-Pass Double Band-Pass Composite Gambar 2.6. Jenis-jenis filter pasif.

Seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.6. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single-tuned filter (Band-pass). Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah.

Disamping dapat mengurangi harmonisa, Single-Tuned Passive Filter juga dapat memperbaiki power factor [13]. Kapasitor bank yang telah terpasang pada jaringan dapat difungsikan sebagai filter. Sehingga tinggal menambah resistor dan induktor.

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.

a. Untuk menghitung nilai kapasitif pada Filter Pasif :

………..….(2.16)

b. Untuk menghitung nilai induktif pada Filter Pasif :

………..….(2.17)

Keuntungan yang dapat diperoleh dari penggunaan filter pasif antara lain: a. Desain sederhana dan murah

b. Memilki keuntungan lain, dimana filter yang terhubung dengan beban,

dapat juga difungsikan sebagai konpensator energi reaktif

Disamping keuntungan, filter pasif juga kekurangan seperti:

a. Impedansi sumber mempengaruhi karakteristik kompensasi filter b. Sensitif terhadap perubahan komponen LC dan variasi frekwensi pada

c. Dapat menyebabkan resonansi seri dan paralel dengan impedansi jaringan yang malah mengakibatkan penguatan harmonisa pada frekwensi tertentu.

2.6. 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 2.7. 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, seperti yang diperlihatkan Gambar 2.7.

Berdasarkan Gambar 2.7. besarnya impedansi Single-Tuned Passive Filter pada frekuensi fundamental adalah [5]:

……….……...………. (2.18) Pada frekuensi resonansi resonansi, Persamaan (2.18) menjadi:

………...…….…. (2.19) Jika frekuensi sudut saat resonansi adalah:

………...………...………. (2.20)

Impedansi filter dapat ditulis sebagai berikut:

…..………...…….….. (2.21)

………... (2.22)

Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar, maka diperoleh impedansi Single-Tuned Passive Filter seperti pada Persamaan (2.23) adalah:

………….……...………...…… (2.23)

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 (fr = 250 Hz), impedansi Single-Tuned Passive Filter sangat kecil, seperti ditunjukan Gambar 2.8. (a) dan (b).

\ (a) Frekuansi respon Single-Tuned Passive Filter

(b) Sudut fasa fungsi orde harmonisa

Berdasarkan Gambar 2.8. 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 [17].

Pada frekuensi tuning:

……….………... (2.24)

Faktor kualitas:

…..……..……….………...… (2.25)

Berdasarkan Persamaan (2.25), tahanan resistor adalah:

….………... (2.26)

2.7. Prinsip Pereduksian Harmonisa dari Single-Tuned Passive Filter

semua arus harmonik yang dekat dengan frekuensi fr yang diinjeksikan, dengan distorsi tegangan harmonik yang rendah pada frekuensi ini. Pada prinsipnya, sebuah Single-Tuned Passive Filter untuk setiap harmonik yang akan dihilangkan. Filter-filter ini dihubungkan pada busbar dimana pengurangan tegangan harmonik ditentukan. Bersama-sama, filter-filter ini membentuk filter bank.

Ada dua parameter yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan nilai R, L, dan C, yaitu:

1. Faktor kualitas (Quality factor, Q)

2. Penyimpangan frekuensi relative (Relative Frequency Deviation, δ)

Gambar 2.9. Pemodelan filter [9].

Seperti yang ditunjukan Gambar 2.9. Passive Single-Tuned Filter yang diletakkan secara paralel akan men-short circuit-kan arus harmonisa yang ada dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga arus harmonisa yang masuk tidak keluar menuju peralatan lain dan sumber supply energi listrik. Passive Single-Tuned Filter yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tigkat

harmonisa, penggunaan kapasitor dapat merperbaiki cos φ sistem, sehhingga naiklah

cos φ pada frekuensi fundamental. Apabila ada harmonisa pada suatu orde, Nilai Xc

Induktor (reaktor) berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitor akibat adanya resonansi. Sedangkan resistor berfungsi untuk menstabilkan arus agar tidak terjadi short-circuit pada rangkaian. Gelombang hasil pemfilteran dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10. Kompensasi gelombang filter.

mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat diperbaiki oleh induktor dan kapasitor.

2.8. Merancang Passive Single-Tuned Filter

Merancang Single-Tuned Passive Filter yang terdiri dari hubungan seri komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan, adalah bagaimana menentukan besarnya komponen-komponen dari filter tersebut [6][9][5].

Langkah-langkah rancangan Single-Tuned Passive Filter adalah:

a. Tentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya

reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor adalah: …...…….(2.27)

Dimana:

P = beban (kW)

pf1 = faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki

pf2 = faktor daya setelah diperbaiki

b. Tentukan Reaktansi kapasitor:

………..…………... (2.28)

c. Tentukan Kapasitansi dari kapasitor:

d. Tentukan Reaktansi Induktif dari Induktor:

.………...………….. (2.30)

e. Tentukan Induktansi dari Induktor:

.………...……….. (2.31)

f. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning:

..….………...……… (2.32)

g. Tentukan Tahanan (R) dari Induktor:

.…….………...………… (2.33) Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.11.

Gambar 2.11. Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q [18].

Seperti yang terlihat pada Gambar 2.11. 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 Dengan merujuk segitiga daya Gambar 2.11, maka

Daya Reaktif pada PF awal yaitu:

Q1 = P tan φ1 ... (2.34) Daya Reaktif pada PF diperbaiki yaitu:

Q2 = P tan φ2 ... (2.35) Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya yaitu: Daya reaktif

ΔQ= Q1 - Q2

Atau

ΔQ = P(tan 1- 2) ... (2.36)

Besar nilai ΔQ yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang