STUDI ANALISA DISTORSI HARMONIK PADA UNIT KILN INDARUNG II PT. SEMEN PADANG

(1)

STUDI ANALISA DISTORSI HARMONIK

PADA UNIT KILN INDARUNG II PT. SEMEN PADANG

Oleh:

Zulkarnaini1, Dasman1, Michel A.A2

1_{Dosen Program Studi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Padang} 2_{Mahasiswa Program Studi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Padang}

zulkarnainieva@gmail.com

Abstract

Harmonisa yang ditimbulkan beban non linier dapat menyebar ke seluruh bagian sistem tenaga listrik. Harmonik merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat dioperasikannya beban listrik nonlinier, beban listrik nonlinier adalah beban listrik yang memiliki sifat menyimpang dari hukum Ohm, peralatan beban non linear seperti motor listrik, komputer, printer, inverter dan sebagainya. Tingkat harmonik yang melewati standar dapat menyebabkan terjadinya tingkat panas pada peralatan. Distorsi bentuk gelombang tegangan dan arus yang ditimbulkan akan menjadi potensi gangguan yang serius bagi peralatan supply maupun beban listrik yang terhubung secara bersama bila melebihi batas yang ditetapkan. Data THD diambil melalui software pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang . Pengelompokan beban atas tingkatan bus pada kasus ini dipandang cara yang cukup baik untuk mengamati perambatan harmonisa pada sistem. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis harmonik yang ada pada sistem kelistrikan Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang, Untuk menentukan tingkat harmonik tertinggi pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang, Dengan simulasi harmonik menggunakan software ETAP, data total harmonik distortion THDi bus incoming sebesar 64,15% yang dimana nilai tersebut sudah melebihi dari standar IEEE. Maka filter yang dipasang adalah filter tipe single tuned filter pada orde ke-3, orde ke-5, orde ke-7, ke-9, ke-11, ke-13, ke-15 dan ke-17. Setelah pemasangan filter harmonik diatas terjadi penurunan nilai THDi dari 64.15% menjadi 3.25%.

Kata Kunci : Harmonik, THD, Filter.

1. PENDAHULUAN

Pada dasarnya, gelombang tegangan dan arus yang ditransmisikan dan didistribusikan dari sumber ke beban berupa gelombang sinusoidal murni. Akan tetapi, pada proses transmisi dan distribusi ini terjadi berbagai macam gangguan sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal murni. Salah satu fenomena penyimpangan bentuk gelombang sinusoidal ini adalah distorsi harmonik.

1.2. Studi Literatur

Secara umum, di Indonesia masalah kualitas daya belum sampai menjadi perhatian secara nasional dan detail, beberapa hal memang sudah cukup diperhatikan dari pengguna namun masih dalam kaitan tegangan rendah, tidak stabil atau pemadaman listrik. Padahal kualitas daya listrik bukan hanya masalah tegangan saja atau terputusnya catuan tetapi menyangkut karakteristik parameter kelistrikannya seperti arus dan frekuensi dan kaitannya dengan harmonik, arus bocor, tegangan transient,

sag/dips, surge, swell, ripple, noise, dan lain sebagainya yang dapat merusak peralatan dan mengurangi umur perangkat/device.

Sebelum era elektronika modern, sumber daya listrik dimaksudkan untuk memberikan energi listrik pada beban lampu pijar, pemanas, penyearah dengan dioda, dan sebagainya. Beban tersebut tidak mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi, dan bentuk gelombang, artinya bentuk tidak berubah (tetap) maka beban demikian disebut beban linier. Seiring dengan perkembangan teknologi elektronika, teknologi sistem konversi dan kontrol, beban-beban sumber daya listrik ternyata ada yang mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi dan bentuk gelombang, artinya bentuk gelombang berubah atau cacat, beban yang mengakibatkan hal ini disebut beban non linier. Ada beberapa penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya oleh beberapa peneliti yang terus berkembang dalam kajian penyebab harmonik dan penggunaan filter harmonik.

Mark Mc G. (2009) Filter aktif bisa memiliki aplikasi yang luas untuk

(2)

mengendalikan harmonik arus dari beban. yang tidak liner. Kinerja yang terbaik diperoleh untuk beban seperti Pulse Width Wave Modulatiom (PWM) dan Alternating Speed Divices (ASDs), dimana gelombang tidak memiliki perubahan yang rumit untuk filter aktif.Transien switching kapasitor bisa juga menyebabkan kelebihan beban dari dioda parallel di inverter. Perangkat lain di pelanggan juga dapat memiliki masalah dengan transien. Filter harmonik telah menjadi alternatif untuk mengendalikan tingkat harmonik dalam industri dan fasilitas komersial.

Bila terjadi superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi harmonik maka terbentuklah gelombang yang terdistorsi sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal. Fenomena ini disebut dengan distorsi harmonik.

Berdasarkan pemparan diatas analisa ini bertujuan untuk mempelajari kondisi harmonik pada suatu sisitem kelistrikan serta mengaplikasikan suatu filter harmonik berbasis simulasi dan program pada suatu system kelistrikan ini. Maka dari itu penilitan ini kami beri judul “Analisa Perancangan Filter Harmonik Pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang Menggunakan Program ETAP.

1.3 Landasan Teori

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat dioperasikannya beban listrik nonlinier, beban listrik nonlinier adalah beban listrik yang memiliki sifat menyimpang dari hukum ohm. Beban non linier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, yang dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan Prasetyadi, Willy dkk (2012)

Gambar 1. Konsep dasar gelombang

harmonik

Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmoniknya. Gambar 2 dan 3.menunjukkan komponen gelombang sinus fundamental dan komponen harmonik yang terkandung didalamnya.

Gambar 2. Gelombang fundamental dan

gelombang harmonik ke-3 berbeda fasa 180o_,

serta bentuk gelombang fundamental yang terdistorsi olehharmonik ke-3

Gambar 3. Gelombang fundamental dan

gelombang harmonik yang ke-3 berbeda fasa 0°, serta bentuk gelombang fundamental

yang terdistorsi oleh harmonik ke-3. Fenomena ini akan menimbulkan ganggguan beban tidak linier satu phase. Hal di atas banyak terjadi pada distribusi yang memasok pada areal perkantoran/komersial. Sedangkan pada areal perindustrian gangguan yang terjadi adalah beban non linier tiga phase yang disebabkab oleh motor listrik, kontrol kecepatan motor, batere charger, electroplating, dapur busur listrik, dll.

Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan akibat yang berbeda. Namun demikian komponen tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase.

(3)

Pada keadaan normal, arus beban setiap phase dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier satu phase akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga yang disebut triplen harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang sering disebut zero sequece harmonik (lihat Tabel.1). Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari satu phase.

1. Kuantitas Listrik pada Kondisi Tidak Sinusoidal

Jika harmonik dalam keadaan mantap (Steady state), maka tegangan dan arus dapat direpresentasikan oleh deret Fourier sebagai berikut:



   1 ) ( ) ( h h t v t v = 2 sin( ), 1 0



   h h h hwt V  ...1



   1 ) ( ) ( h h t i t i = 2 sin( ), 1 0



   h h h hw t I  ...2

dengan bagian dc biasanya diabaikan untuk kesederhanaan, Vh dan Ih nilai rms untuk harmonik orde ke h pada masing-masing tegangan dan arus, maka daya sesaat adalah,

p(t) = v(t) . i(t) ...3

dan daya rerata dalam suatu periode T dari

p(t) didefinisikan





T

dt

t

p

T

P

0

)

(

1

, ....4 Jika persamaan (1) dan (2) disubsitusikan dengan persamaan (3) dan dengan menggunakan relasi orthogonal,



i j j i j i

t

dt

 





0,. ,.

)

(

)

(

_  



, ....5



       1 ) cos( . h h h i h h h h I P V P





, ...6

Persamaan (6) memperlihatkan bahwa tiap harmonik memberikan konstribusi pada daya rerata, daya rerata yang dibangkitkan harmonik biasanya kecil bila dibandingkan dengan daya rerata dasar.

Harmonisa Arus dan Tegangan

Tingkat kecacatan seringkali dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), Total Harmonic Distortion digunakan sebagai ukuran untuk melihat berapa besar pengaruh keseluruhan adanya

harmonisa terhadap sinyal sinus. Pengaruh keseluruhan harmonisa diperbandingkan terhadap komponen fundamental, karena komponen fundamentalah yang memberikan transfer energi nyata. Untuk tegangan nonsinus, THD didefinisikan sebagai berikut

Karena begitu besar dan bervariasi dampak harmonisa pada peralatan dan sistem secara teknis dan ekonomis maka diperlukan standarisasi harmonisa. Standar yang mengatur distorsi harmonisa ini adalah standar IEEE 512-1992, standar ini mengatur batasan harmonisa yang diijinkan. Total harmonik distorsion (THD)

THD tegangan : 𝑇𝐻𝐷𝑉 = √∑∞_ℎ=2𝑉_ℎ2 𝑉1 𝑥 100% ...7 THD arus : 𝑇𝐻𝐷𝑖 = √∑∞_ℎ=2𝐼_ℎ2 𝐼1 𝑥 100% ...8 Yang didefinisikan perbandingan nilai rms komponen harmonik terhadap komponen dasar dalam persen (%).

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 frekwensi dasar, THD adalah nol. Demikian pula pengukuran distorsi harmonik individual untuk tegangan dan arus pada orde ke-h didefinisikan sebagai Vh/V1 dan Ih/I1

Total demand distorsion (TDD) 𝑇𝐷𝐷 =√∑ 𝐼ℎ

2

∞

ℎ=2

𝐼𝐿 ....9

Dengan IL adalah permintaan arus beban maksimum, dalam 15 atau 30 menit dalam frekuensi dasar pada titik sambung. Standar Harmonik IEEE 519-1992 Standar IEEE 519-1992 menilik batas distorsi arus harmonik pada PCC. Batas harmonik tergantung pada beban konsumen yang berkaitan dengan arus SC pada PCC yang terlihat pada tabel 2.4. dibawah

Tabel 1. Batas distorsi arus dan tegangan harmonik

(4)

Dengan:

- Ih merupakan magnitude dari komponen harmonik (rms amp) - ISC merupakan arus hubung singkat

pada PCC

- IL merupakan beban maksimum pada PCC

Distorsi pada PCC yang mengakibatkan DC offset tidak dibenarkan

TDD merupakan maksimum harmonisa yang terjadi pada arus beban maksimum pada system.

2. METODOLOGI PENELITIAN

Jenis penelitian ini mengkaji tentang pengaruh beban non linier dalam system distribusi yang digunakan pada unit Kiln Indarung II, kemudian menganilisis kondisi harmonik yang terjadi akibat beban non linier sehingga dapat ditentukan total distorsi harmonik.

Single line diagram Indarung II PT. Semen Padang. Data peralatan dan ratingnya yang sesuai dengan single line diagram Data beban Data perangkat yang ada agar dapat disesuaikan dengan program ETAP (Single Line Diagram) Buku teks yang berkaitan dengan permasalahan harmonik

Penelitian ini dilakukan dengan tahap-tahap sebagai berikut:

a. Untuk kebutuhan data yang diperlukan, pengambilan data berupa single line diagram dari instansi terkait dalam hal ini adalah PT. Semen Padang.

b. Pemilihan landasan teori pengaruh harmonik akibat perubahan tegangan sistem distribusi.

c. Analisis dan pemilihan tegangan yang paling optimal berdasarkan landasan teori yang ada.

Gambar 4. Diagram alir penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Data-data yang digunakan dalam analisa Tugas Akhir ini adalah:

Single line diagram Kiln W1 (Indarung II) PT. Semen Padang sebagai berikut :

Gambar 5. Single Line Diagram Kiln W1 (Indarung II)

(5)

Data-data beban yang terdapat pada Unit Kiln W1 (Indarung II) sebagai berikut : Motor ID Fan J1P01M1 - Merk : AEG - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 1500 Kw - N : 993 rpm - Cos phi : 0.79 - Ampere : 183 A Kiln Drive W1W05M1 - Merk : AEG - Tegangan : 600V DC - Daya : 230 Kw - Ampere : 383.3 A Kiln Drive W1W03M1 - Merk : AEG - Tegangan : 600V DC - Daya : 230 kW - Ampere : 383.3 A Motor ESP Fan J1P02M1

- Merk : Siemens - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 600 kW - N : 987 rpm - Cos phi : 0.84 - Ampere : 68.8 A Motor Coal Mill K1M03M1

- Merk : AEG - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 400 kW - N : 989 rpm - Cos phi : 0.84 - Ampere : 45.8 A Beban Trafo 3.2 - Tegangan : 6,3 kV / 400 V - Daya : 1250 kVA

- Vektor Grup : Dyn11 - Arus 2nd : 3125 A Beban Trafo 3.2

- Tegangan : 6,3 kV / 400 V

- Daya : 1250 kVA

- Vektor Grup : Dyn11 - Arus 2nd : 3125 A

Tabel 2. Hasil Perhitungan Parameter untuk Data ETAP N o Harm onik Order ke- Kapa sitor (𝜇𝐹) Indu ktor (mH ) Resi stor (Ω) K et. 1 3 509. 2.53 0.01 817 8 99 2 5 558. 989 0.78 8 0.00 62 3 7 571. 714 0.38 3 0.00 30 4 9 576. 805 0.27 7 0.00 18 5 11 579. 341 0.15 0 0.00 12 6 13 580. 784 0.10 7 0.00 08 7 15 581. 683 0.08 0 0.00 06 8 17 582. 281 0.00 62 0.00 05

Gambar 6. Hasil THDi Bus Incoming tanpa

filter

Gambar 7. Gelombang Bus Incoming tanpa

filter

Hasil dari pemasangan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17

Gambar 8. Hasil THDi Bus Incoming dengan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 dan 17

THDi Bus Incoming awal sebesar 64,15 % setelah pemasangan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17 menjadi 3,25 % terjadi

(6)

penurunan sebesar 94.93 %. Dengan bentuk gelombang sebagai berikut.

Gambar 9. Gelombang Bus Incoming

dengan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17 Hasil THDi Sebelum dan Sesudah Pemasangan Filter N o. Harmon ik Sebelum pemasan gan filter Pemasangan Filter Orde ke-

Harmo nik Setela h pemas angan filter K e t 1 64,15 % 3 26.18 % 2 3 & 5 14.28 % 3 3, 5 & 7 9.67 % 4 3, 5, 7 & 9 7.21 % 5 3, 5, 7, 9 & 11 5.67 % 6 3, 5, 7, 9, 11 & 13 4.61 % 7 3, 5, 7, 9, 11, 13 & 15 3.83 % 8 3, 5, 7, 9,11, 13, 15 & 17 3.25 %

Setelah didapat beberapa orde dari Filter Harmonik, kemudian filter-filter ini dipasang pada bus Incoming unit Kiln Indarung 2 PT. Semen Padang. Sehingga setelah dibangun sistem pada simulasi didapatkan bentuk diagram menjadi:

Gambar 10. Permodelan ETAP-Program

setelah pemasangan filter

3.2. Analisa

Setelah dilakukan perhitungan dan pemasangan filter harmonik secara bertahap pada Bus Incoming dari mulai filter harmonik ke-3 hingga ke-17 terlihat pada pemasangan filter ke-3 hingga ke-17 harmonik mengalami penurunan yang signifikan, penurunan nilai THDi Bus dari 64,15% menjadi 3.25%. Dengan grafik dibawah ini:

Gambar 11. Grafik penurunan THDi dari

pemasangan filter harmonik 3 hingga ke-17

4. KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan proses simulasi harmonik pada sistem kelistrikan Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang maka didapatkan simpulan :

1. Setelah dibuat simulasi harmonik menggunakan software ETAP 7, data total harmonik distortion THDi bus incoming sebesar 64,15% yang diamana nilai tersebut sudah melebihi dari standar IEEE.

2. Filter yang akan dipasang adalah filter tipe single tuned filter pada orde ke-3, orde ke-5, orde ke-7, ke-9, ke-11, ke-13, ke-15 dan ke-17. Setelah pemasangan filter harmonik diatas terjadi penurunan nilai THDi dari 64.15% menjadi 3.25 %

4.2. Saran

Adapun saran-saran yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :

1. Perlu dilakukan analisa yang lebih mendalam untuk perancangan dan pemasangan filter harmonik, karena dalam analisa tugas akhir ini di fokuskan pada perhitungan besar harmonik dan filter harmonik.

2. Perlu dilakukan

penelitian/pengecekan lebih lanjut 0 20 40 60 80 Fund a… 5 9 ₁₃ ₁₇ B es ar H armo n ik

Filter Harmonik

ke-Grafik Harmonik

(7)

terhadap kandungan harmonik di peralatan PT. Semen Padang khususnya pada unit Kiln Indarung II.

DAFTAR PUSTAKA

Adly A. Girgis,(1993). Harmonics and

Transient Overvoltages Due to

Capasitor Switching. Vol.29 No.6, IEE Asaad A. Elmoudi, (2006). Evaluation of Power

Afandi, A.N. (2010). Operasi Sistem Tenaga Listrik. Edisi Pertama. Jogjakarta: Penerbit GAVA MEDIA.

Daryanto. (2008). Pengetahuan Teknik Elektronika. Cetakan Kelima. Jakarta: Penerbit PT Bumi Aksara.

De La Rosa, Frank C. (2006). Harmonics and Power Systems. New York: Taylor Francis Group,LLC.

Dugan, Roger C, Mcgranaghan, Mark F, Santoso, Surya, Beaty, H Wayne. (2002). Electrical Power Systems Quality. Second Edition. McGraw Hill. Hasan, Basri. (2011). Distribusi Tenaga Listrik. Bahan Ajar ITP. Padang: Institut Teknologi Padang.

Hutauruk, T.S. (1990). Transmisi Daya

Listrik. Cetakan Kedua. Jakarta:

Penerbit Erlangga.

IEEE Std 519-1992. Recommendee Practice And Requairment For Harmonic. Control In Electric Power System Petruzella, Frank D. (1971). Elektronik

Industri (Terjemahan Drs. Sumanto. MA). Second Ed. Jogjakarta: Penerbit ANDI.

Prasetyadi, Willy dkk (2012). Evaluasi Harmonisa dan Perencanaan Filter Pasif pada Sisi Tegangan 20 kV Akibat

Penambahan Beban pada Sistem

Kelistrikan Pabrik Semen Tuban. Surabaya : Institut Sepuluh November (ITS)

Surbakti, Eka Rahmat. (2013). Analisa Pengaruh Harmonisa Terhdap Faktor-K Pada Transformator. Medan : Universitas Sumatera Utara (USU) Syahwil, Muhammad dkk (2010). Studi

Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis Pada Industri Semen (kasus Industri Semen Tonasa). Makassar : Hasanuddin University.

System Harmonic Effects on Transformer. Doctoral Dissertation. Helsinki University of Technology. Transacttions on Industry Applications Zulkarnaini. (2012). Perancangan filter

Harmonik Untuk Kelistrikan Rumah Tangga. Institut Teknologi Padang. Zulkarnaini. (2013). Pengaruh Harmonik

Terhadap MCCB Rumah Tangga. Institut Teknologi Padang.