BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Harmonisa - Reduksi Harmonisa Pada Uninterruptible Power Supply (UPS) Dengan Single Tuned Passive Filter

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Harmonisa

Harmonisa merupakan gangguan yang dalam distribusi tenaga listrik yang

disebabkan oleh adanya distorsi gelombang arus dan tegangan yang menyebabkan

adanya pembentukan gelombang-gelombang yang tidak sinusoidal atau dengan

frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Sehingga harmonisa dapat

menyebabkan cacat gelombang atau cacat Harmonisa adalah perubahan bentuk

gelombang akibat adanya komponen frekuensi tambahan. Pada sistem tenaga listrik

frekuensi kerja normal adalah 50 Hz atau 60 Hz tetapi, dalam aplikasi pemakaiannya

berdasarkan beban yang digunakan frekuensi arus dan tegangan dapat menjadi tidak

normal atau menjadi kelipatan dari frekuensi normal 50/60 Hz, hal inilah yang

disebut dengan harmonisasi.

Jika frekuensi ( f ) adalah frekuensi normal dari suatu sistem, maka frekuensi orde n ( 1,2,3...n ) adalah nf atau factor kelipatan dari frekuensi normal, sehingga frekuensi dapat berubah menjadi 100 Hz, 150 Hz dan seterusnya. Gelombang inilah

yang kemudian menumpang pada gelombang normal sehingga terbentuklah

gelombang tidak sinusoidal yang merupakan hasil dari penjumlahan antara

gelombang normal sesaat dengan gelombang harmonisanya.

Berikut merupakan Gambar yang menunjukkan bentuk gelombang normal

dan gelombang yang terkena distorsi harmonisa dan gabungan dari hasil penjumlahan

membentuk gelombang tidak sinusoidal lagi seperti gelombang normal pada

umumnya yang sinusoidal, [1], [2].

Gambar 2.1. Gelombang Perpaduan Antara Gelombang Harmonisa Dengan Gelombang Normal ( Ideal ) [1], [2]

Harmonisa berdasarkan dari urutan ordenya dapat dibedakan menjadi

harmonisa ganjil dan harmonisa genap, sesuai dengan namanya, harmonisa ganjil

adalah harmonisa ke 1,3,5,7,9,11 dan seterusnya, harmonisa ganjil yang paling

Gambar.2.2. Spektrum Urutan Orde Harmonisa [1],[2]

Teori yang dipakai untuk memahami gelombang harmonisa adalah deret

fourier, dimana deret fourier dapat menunjukkan komponen genap dan komponen

ganjil, dan persamaan umum dari deret fourier dapat ditulis dengan sistematis

menggunakan persamaan berikut [1],[2] :

ƒ(t) = 𝐴𝐴₀+� �𝐴𝐴_𝑛𝑛cos⁡ (2𝜋𝜋𝑛𝑛𝜋𝜋

Persamaan (2.1) di gunakan untuk gelombang yang berperiode berkelanjutan

dalam teori fourier hal- hal yang mengacu kepada persamaan (2.1) yaitu A0 (nilai rata

– rata dari fungsi x(t)), An dan Bn (koefisien deret) ketiga koefisien tersebut dapat

diturunkan seperti persamaan (2.2) dibawah ini [1.2] :

dimana : n adalah indeks harmonisa

Banyaknya aplikasi beban non linier pada sistem tenaga listrik telah membuat

arus menjadi sangat terdistorsi dengan persentase harmonisa arus, Tingginya

persentase kandungan harmonisa arus Total Harmonic Distortion atau disingkat dengan THD pada suatu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan timbulnya beberapa

persoalan harmonisa yang serius pada sistem kelistrikan, menimbulkan berbagai

macam kerusakan pada peralatan listrik yang sensitive dan menyebabkan penggunaan energi listrik tidak teratur [9], [10], [11].

2.2 Sumber Harmonisa

Harmonisa dihasilkan karena berbagai jenis penggunaan peralatan yang

memiliki kondisi saturasi, peralatan elektronika daya dan beban non-linier, yaitu

sebagai berikut [9]:

1. Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen

yang bersifat magnetik seperti transformator, mesin-mesin listrik, tanur

busur listrik, peralatan yang menggunakan power supply dan magnetic ballast.

2. Peralatan elektronika daya biasanya menggunakan komponen-komponen

elektronika seperti tirystor, dioda, dan lain-lain. Contoh peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya adalah konverter PWM,

Inverter, pengendali motor listrik, electronic ballast, dan sebagainya. 3. Pada rumah tangga, beban non-linier terdapat pada peralatan seperti

2.3 Pengaruh Penggunaan Peralatan Elektronika Daya Terhadap Harmonisa Rangkaian elektronika daya merupakan suatu rangkaian listrik yang dapat

mengubah sumber daya listrik dari bentuk gelombang tertentu (seperti bentuk

gelombang sinussoidal) menjadi sumber daya listrik dengan bentuk gelombang lain (seperti gelombang non-sinusoidal) dengan menggunakan piranti semi-konduktor daya. Semi-konduktor daya memiliki peran penting dalam rangkaian elektronika

daya. Semi-konduktor daya dalam rangkaian elektronika daya umumnya dioperasikan

sebagai pensakelar (switching), pengubah (converting), dan pengatur (controlling) sesuai dengan unjuk kerja rangkaian elektronika daya yang

diinginkan.Penggunaanperalatan elektronika daya juga dapat merusak kualitas

tegangan dan arus sistem pada titik tertentu di jaringan sistem tenaga. Pada

titik-titik tersebut ditemukan komponen tegangan dan arus dengan frekuensi-frekuensi

kelipatan dari frekuensi fundamental, sehingga menimbulkan harmonisa [1],

[12],[13].

2.4 Pengaruh Harmonisa Pada Efesiensi Tegangan

Harmonisa adalah tegangan (Vac) dan arus dengan frekuensi yang merupakan

kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar. Pada tahun-tahun sebelumnya harmonik

tidak lazim di sebagian besar industri akibat beban linier yang seimbang

𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑛𝑛:𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇= �∑ 𝑉𝑉ℎ

Persamaan 2.5 dan 2.6 didefinisikan sebagai perbandingan nilai rms

komponen harmonik terhadap komponen dasar dalam (%). Indeks ini digunakan untuk mengukur penyimpangan (deviation) dari bentuk gelombang satu periode yang mengandung harmonik pada satu gelombang sinus sempurna. Untuk satu gelombang

sinus sempurna pada frekuensi dasar Total Harmonic Distortions (THD) adalah nol. Demikian pula pengukuran distorsi harmonik individual untuk tegangan dan arus

pada orde ke h didefinisikan sebagai Vh/V1 dan Ih/I1 [15].

Harmonik yang dihasilkan untuk meningkatkan jumlah beban non linier

seperti yang dijelaskan dibawah ini:

1. Ketika tegangan sistem linier tetapi beban non linier, saat akan terdistorsi dan menjadi non sinusoidal. Arus yang sebenarnya akan menjadi lebih tinggi dari arus yang akan diukur oleh amper meter atau alat ukur lainnya

pada frekuensi dasar.

2. Ketika sistem suplai itu sendiri mengandung harmonisa dan tegangan

sudah terdistorsi, beban linier akan menghadapi beban harmonik tegangan tersebut dan menarik arus harmonik terhadap sistem dan menghasilkan

urutan harmonisa arus yang sama

tambahan akan dihasilkan, sesuai dengan linieritas non-of beban dan karenanya akan lebih mindistorsi bentuk gelombang tegangan

2.5 Standar Distorsi Harmonisa IEC

Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun tiga fasa yang nilai arusnya lebih kecil dari 16 amper perfasa [1]. Untuk beban beban tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE. Pada standar IEC 61000-3-2, 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[1], [2] :

1). Kelas A menyangkut semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 amper perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A.

Tabel 2.1. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas A

2). Kelas B 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

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

Harmonisa Arus harmonisa maks imum

ke (n) yang diizinkan (A)

Harmonisa ke (n) Arus harmonisa maksimum

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

Tabel 2.3. Batasan Arus Harmonisa Untuk Peralatan Kelas C

4). Kelas D termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 Watt khusus-nya personal komputer, monitor, TV. Batasan arusnya 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 Arus harmonisa maksimum (n) yang diizinkan (% fundamental)

2.6 Uninterruptible Power Supply (UPS)

UPS merupakan alat untuk menyuplai tenaga listrik sementara yang langsung

memberi pasokan tenaga listrik ketika sumber tenaga listrik utama lepas dari system

[16].

Gambar 2.3 Liebert PSA iton UPS 1000 VA

Spesifikasi :

1. Peralatan dengan Boost dan Buck AVR untuk menstabilkan tegangan input

2. Kontrol Micropocessor menjamin keandalan tinggi 3. Menyediakan perlindungan overload AC

4. Ukuran kompak, ringan

5. Cepat pengisisan

6. Off pengisian modus

Pada dasarnya UPS dibagi menjadi 3 (tiga) jenis yaitu

1. Line- Interactive UPS

Pada UPS jenis ini diberi tambahan alat AVR (automatic voltage regulator) yang berfungsi mengatur tegangan dari suplai daya ke peralatan

2. On-line UPS

PadaUPS jenis ini terdapat 1Rectifier dan 1 inverter yang terpisah. UPS ini lebih mahal apabila dibandingkan dengan dua jenis UPS

lainnya. Dalam keadaan gangguan, suplai daya ke rectifier akan diblok sehingga akan ada arus DC ( direct current) dari baterai ke inverter yang kemudian diubah menjadi AC (alternating current)

3. Off-lineUPS

UPS jenis ini merupakan yang paling murah diantara UPS lainnya.

Karena rectifier dan inverter berada dalam satu unit. Dalam keadaan gangguan, switch akan berpindah sehingga suplai daya dari suplai utama terblok. Akibatnya akan mengalir arus DC dari baterai menuju

inverter.

Disini hanya membahas UPS jenis indoor. Untuk mengenal masalah-masalah umum yang biasa terjadi pada tenaga listrik karena hal ini erat hubungannya dengan

kemampuan dari masing-masing jenis UPS yang berbeda, seperti diuraikan dibawah

1. Power Failure

Terputusnya pasokan tenaga listrik mengakibatkan perangkat berhenti

bekerja, sehingga pemilihan UPS sangat penting agar dapat mencegah

peralatan tidak mengalami kerusakan.

2. Power Sags

Turunnya tegangan listrik (turun 80-85%) dalam waktu singkat

(1siklus/20 ms atau lebih), transient (short term) under voltage. Biasanya disebabkan oleh penyalaan alat listrik yang membutuhkan

tenaga power besar (contohnya air conditioner, pompa air) maupun pergantian sumber tenaga listrik utama (power main switching) contohnya dari PLN ke generator yang diaktifkan secara otomatis.

Efeknya hilangnya data dari memori, data errors, cahaya lampu berkedip, dan padamnya peralatan listrik (equipment shut off)

3. Power Surge (high voltage spike/peak)

Transient (short term) over-voltage alias naiknya tegangan listrik (diatas 110) secara tiba tiba dalam waktu singkat (1/2 siklus atau

kurang) yang bahkan bisa mencapai 6000 volt. Biasanya disebabkan

oleh sambaran petir yang dekat dengan lokasi ataupun mematikan

peralatan listrik berat (berdaya besar) yang sedang menyala. Efek

4. Undervoltage (brownout)

Turunya tegangan listrik dalam kurun waktu relatif lama (steady lower voltage state) bisa di akibatkan oleh penggunaan listrik pada kapasitas mendekati maksimal pada suatu waktu, misalnya pada malam hari

dimana pemakaian listrik perumahan relatif tinggi atau pada jam kerja

mesin pabrik, ini disebabkan kapasitas dari generator PLN tidak

mampu memenuhi kebutuhan listrik para pelanggan yang

masing-masing serentak menggunakan tenaga listrik yang mendekati kapasitas

maksimal. Efek korupsi data pada komputer, komponen tidak

berfungsi (premature hardware failure),overheating bagi motor, dan perilaku alat listrik yang aneh/ tak menentu.

5. Overvoltage

Naiknya tegangan listrik (diatas 110%) dalam kurun waktu relatif

panjang (1 siklus atau lebih). Efek langsung merusak peralatan listrik.

6. Electrical Line Noise

Gelombang frekuensi tinggi yang disebabkan gangguan dari

gelombang radio / radio frequency interference (RFI) atau gangguan dari medan magnet listrik/ electro Magnetic Interference (EMI) akibar dari pemancar , peralatan las, printer berkendali SCR, kilat. Efek

7. Frequency Variation

Suatu perubahan dalam stabilitas frekuensi alias terjadinya deviasi yang signifikan dari frekuensi nominal (50/60 Hz), disebabkan oleh

generator utama atau beberapa generator kecil tambahan yang loaded maupun unloaded. Efek proses kerja peralatan yang tidak menentu, data loss, sistem crashes, kecepatan motor bertambah/berkurang. 8. Switching Transient

Tenaga listrik yang turun seketika (instantaneous undervoltage) dalam kurun/ durasi nanosecond. Terjadinya lebih singkat dari pada ( high voltage spike) artinya mirip seperti gangguan nomor 3 (tiga) diatas, namun ini lebih singkat, yaitu dalam durasi nanosecond. Efek terjadi

errors operation pada sebagian peralatan , memory loss. 9. Harmonic distortion

Distorsi terhadap gelombang normal (normal waveform) yang dihasilkan muatan nonlinier seperti motor/ penggerak dengan

kecepatan bervariasi (variable speed motors and drives). Efek comunication error, overheating dan hardware damage. Harmonic Distorsion didefinisikan sebagai timbulnya harmoni yang merubah gelombang listrik dari simple sinussoidal ke complex waveform. Harmonic Distortion dapat ditimbulkan oleh suatu muatan yang dibalikkan ke sumber listrik utama sehingga menyebabkan timbulnya

Dari uraian 9 (sembilan) masalah umum diatas, yang ada di tiap lingkungan

kerja, dimana pilihan bergantung pada keinginan dalam melindungi peralatan

elektronik dan data penting lainnya [16].

2.6.1 Komponen UPS

Liebert PSA iton UPS 1000 VA adalah UPS handal dengan fitur off-lines, dirancang untuk workstationkomputer desktop dan standalone peralatan IT. UPS ini memiliki regulator tegangan otomatis (AVR) yang memungkinkan eksibilitas dan kehandalan PC (personal computer) dan peralatan elektronik lainnya yang sesitif, dirancang dengan kontrol sederhana untuk memudahkan pengoperasiannya.

Komponen komponen yang ada didalam UPSmerupakan komponen elektronika

diantanya :

a. Battery

Battery adalah suatu alat penyimpanan energi listrik yang dapat diisi (charge) setelah energi digunakan. Kapasitas atau kemampuan menyimpan energi ditentukan

Gambar 2.4 Rangkaian Penyearah [13] b. Rectifier (penyearah)

Konsep dasar dari penyearah adalah gelombang dalam suatu power supply atau catu daya . penyearah gelombang (rectifier) berfungsi untuk merubah sinyal tegangan AC (alternating current) menjadi tegangan DC ( direct current). Komponen utama dalam penyearah adalah diode yang dikonfigurasikan secara forward bias.

Berikut ini gambar 2.4 Rangkaian Penyearah.

c. Inverter

Gambar 2.5. Rangkaian Inverter[13]

Prinsip kerja dari inverter satu fasa dapat dijelaskan dengan gambar 2.6 dibawah ini :

Gambar 2.6. I nverter Satu Fasa [ 13] .

melewati beban. Q1 dan Q2 dirancang untuk bekerja saling bergantian. Pada

gambar diatas menunjukkan bentuk gelombang untuk tegangan keluaran dan

arus transistor dengan beban resistif. I nverter jenis ini membutuhkan dua

sumber DC (sumber tegangan DC simetris), dan ketika transistor off

tegangan balik pada Vs menjadi Vs2.

2 .7 Filt er Pasif

Filter Pasif adalah suatu rangkaian yang dipergunakan untuk membuang

tegangan output pada frekuensi tertentu. Untuk merancang filter pasif dapat

digunakan komponen pasif (R,L,C) dan komponen aktif (op-amp, transistor). Dengan demikian filter dapat dikelompokkan menjadi filter pasif dan filter aktif.

Pada dasarnya filter dapat dikelompokkan berdasarkan response (tanggapan) frekuensinya menjadi 4 jenis, yaitu:

1. Filter lolos rendah/ Low Pass Filter (LPF), 2. Filter lolos tinggi/ High Pass Filter (HPF), 3. Filter lolos rentang/ Band Pass Filter (BPF),

4. Filter tolak rentang/ Band Stop Filter atau Notch Filter

Untuk membuat filter sering kali dihindari penggunaan induktor, terutama

karena ukurannya yang besar. Sehingga umumnya filter pasif hanya memanfaatkan

komponen R dan C saja. Salah satu metode yang paling umum untuk mengendalikan

Filter harmonik pasif dapat dirancang sebagai single-tuned elemen yang menyediakan jalur impedansi rendah untuk arus harmonik pada frekuensi yang tepat

atau sebagai band-pass perangkat yang dapat memfilter harmonik pada bandwidth frekuensi tertentu.

Prinsip kerja dari filter adalah mengalirkan arus orde tertentu dari sumber

harmonisa (beban non linier) melalui jaringan filter. Untuk mamaksa arus orde

tertentu mengalir ke jaringan filter, besar kapasitor harus diatur agar terjadi resonansi

pada jaringan, sehingga harga impedansi saluran akan minimum karena hanya tinggal

komponen resistansi saja, disamping dapat mengurangi harmonisa, Single-Tuned Passive Filter juga dapat memperbaiki power factor [1].

2.7.1 Aspek Umum Dalam Perancangan Filter Pasif Harmonik

Filter pasif merupakan filter yang paling umum digunakan. Seperti

diilustrasikan dalam Gambar 2.7 dibawah ini, berikut dapat ditemukan kategori di

bawah ini [1], [11] :

Gambar 2.7. Rangkaian Filter Pasif [1],[15]

Merancang Single-Tuned Passive Filter adalah kombinasi seri induktansi dan 1st order 2nd order 3rd order C–type

kadang-kadang digunakan sebagai sarana untuk menghindari overheating filter. Semua frekuensi harmonik arus yang bertepatan dengan Single-Tuned Passive Filter akan menemukan jalur impedansi rendah melalui filter [1].

Frekuensi resonansi dari filter ini dapat dinyatakan oleh persamaan berikut ini [1] :

𝑓𝑓

=

1

Langkah-langkah merancang Single-Tuned Passive Filteradalah [1] :

a. Menentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya

reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor adalah [1],[2], :

𝑄𝑄𝑐𝑐 =𝑃𝑃 { 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑛𝑛(𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−1𝑝𝑝𝑓𝑓1)− 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑛𝑛(𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−1𝑝𝑝𝑓𝑓2)}... (2.8)

dimana :

P = beban (kW)

𝑝𝑝𝑓𝑓1 = faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki

𝑝𝑝𝑓𝑓2 = faktor daya setelah diperbaiki

b. Menentukan Reaktansi kapasitor :

𝑋𝑋𝑐𝑐 = 𝑉𝑉

2

𝑄𝑄𝑐𝑐 ... (2.9)

c. Menentukan kapasitansi dari kapasitor :

C = 1

2 𝜋𝜋𝑓𝑓_𝑐𝑐𝑋𝑋_𝑐𝑐 ... (2.10)

d. Menentukan Reaktansi Induktif dari Induktor :

𝑋𝑋_{𝐿𝐿 =} 𝑋𝑋𝑐𝑐 ℎ𝑛𝑛2

...(2.11)

e. Menentukan Induktansi dari Induktor :

L = 𝑋𝑋𝐿𝐿

2 𝜋𝜋𝑓𝑓_𝑐𝑐 ... (2.12)

f. Menentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning :

𝑋𝑋𝑛𝑛 = ℎ𝑛𝑛𝑋𝑋𝐿𝐿 ... .(2.13)

g. Menentukan Tahanan (R) dari induktor :

R = 𝑋𝑋𝑛𝑛

𝑄𝑄 ... (2.14)

Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk

segitiga daya seperti gambar berikut. Gambar 2.8 Vektor Segi Tiga Daya.

Gambar 2.8 Vektor Segitiga Daya Untuk Menentukan Kebutuhan Daya Reaktif Q [1] 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) x tan φ... ... (2.15)

Q1 = P x tan φ1 ... (2.16)

Daya reaktif pada PF diperbaiki yaitu :

Q2 = P x tan φ2 ...(2.17)

Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya yaitu :

Daya reaktif :

∆𝑄𝑄 = Q1 - Q2 atau

∆𝑄𝑄 = P (tan φ1 - tan φ2) ... (2.18)

Besar nilai ∆𝑄𝑄 yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif

yang besarnya ditentukan berdasarkan persamaan (2.11) dan besar nilai kapasitansi