Peredaman Harmonisa Beban Rumah Tangga Dengan Low Pass Filter LCL

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pembangkit Harmonisa Beban Listrik Rumah Tangga

Secara umum jenis beban non linear fasa-tunggal untuk peralatan rumah tangga diantaranya, switch-mode power suplay pada TV, lampu ballast elektronik, pengatur kecepatan pada alat pendingin ruangan, dan battery charger, radio tape, komputer, printer. Seluruh peralatan elektronika tersebut menggunakan sistem penyearah untuk mendapatkan tegangan DC. Sistem yang digunakan pada peralatan elektronika saat ini setelah di searahkan selanjutnya menggunakan model switching, karena lebih effisien [8].

2.1.1 Switch-mode power supplies

Berbagai peralatan elektronik dengan arus bolak-balik yang menggunakan sistem penyearah DC linier seperti Gambar 2.1. Power supply ini umumnya dirancang menggunakan sumber listrik satu fasa linier. Secara komparatif bahwa sumber listrik linier mempunyai kerugian daya yang tinggi dengan efisiensi sekitar 30-60%. dimana sebuah trafo juga merupakan beban bagi sumber listrik.

Sistem rangkaian SMPS (switch mode power suplay) merupakan sumber DC (direct current) yang mengubah tegangan DC dengan konverter DC to DC (DC chopper) yang menggunakan transistor atau MOSFETS untuk menswitch on atau off. Prinsip kerjanya SMPS tidak sama dengan sumber listrik linier, dimana komponen elektronika tidak beroperasi pada daerah aktif, sehingga sistem SMPS dapat mengurangi rugi daya. Tanpa penggunaan transformator frekuensi 50 Hz, power suplai model switch (SMPS) mampu mengurangi rugi-rugi daya dan meningkatkan efisiensi mencapai 70-90%. Sistem SMPS, dimana tegangan AC di searahkan dengan menggunakan dioda. Pengaturan DC output dilakukan dengan switching pada frekuensi antara 20-100 kHz. Sistem switch menggunakan sebuah trafo isolasi frekwensi tinggi. Transformator switching ini lebih kecil dibanding menggunakan sistem power supply linier. Arus dikendalikan dengan tegangan pada kapasitor, di mana arus mempunyai suatu nilai nol sampai tegangan kapasitor mencapai minimum, dan kemudian naik sampai mencapai nilai puncak dan kembali nol lagi.

2.1.2 Lampu ballast elektronik

diperkenalkan, THD arus nya sekitar 100%. Kemudian model lampu TL jenis baru compact fluorescent lamp (CFL) yang dirancang dengan ballast elektronik dengan daya sekitar 15 W sampai 27 W, dimana CFL yang digunakan saat itu untuk menggantikan lampu pijar yang berdaya 40 W sampai 100 W. Teknologi lampu ini sangat banyak dipakai oleh masyarakat, karena lampu ini lebih efisien. Akibat yang ditimbulkan dari pemakaian lampu ini yang kemudian timbul masalah baru yaitu terjadinya harmonisa. Jika setiap rumah tangga menyalakan 2 atau 3 lampu ini, maka akan mendorong kearah distorsi tegangan yang berlebihan pada jaringan [9].

2.1.3. Variable speed pada pendingin ruangan

pompa kompresor seperti ini merupakan menyebabkan permasalahan distorsi tegangan. Ditemukan distorsi tegangan pada jaringan mencapai 10% ketika penetrasi variable-speed dari kompresor mencapai 10%. Meskipun demikian THDV 10% akan dianggap dan tak dapat diterima, dengan pengertian bahwa berapa banyak beban non linear akan menyebabkan permasalahan pada jaringan listrik [10].

.

2.1.4. Battery chargers

Peralatan yang menggunakan baterai seperti laptop, dan peralatan lain dengan menggunakan Battery Charger mempunyai THD arus sebesar 91%. Atas dasar tersebut dan berasumsi bahwa electric vehicles (EV) beban charger adalah dua kali dari variable-speed, tingkat penetrasi hanya 5% sebelum THD tegangan menjangkau 10%. Kemudian ditetapkan batas THD tegangan yang direkomendasikan 5%, penetrasi dilakukan harus kurang dari 5% atau penggunaan peralatan dengan batas harmonisa yang lebih rendah.

2.2. Distorsi Gelombang Arus dan Tegangan

menggunakan filter C. Secara simulasi untuk beban non linier berupa penyearah jembatan 4 dioda dengan filter kapasitor C seperti Gambar 2.2. [11]

Gambar Rangkaian Bentuk gelombang arus THD

THDI 134%

Gambar 2.2 Bentuk gelombang arus dengan beban RL kondisi menggunakan filter C [11]

2.3. Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis, dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknis dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. 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. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-3-2.

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 [12][13][14].

2.3.1. Batas harmonisa kelas A

Tabel 2.1 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A [12][13][14] 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 1,08

4 0,43

6 0,30

8≤n≤40 1,84/n

2.3.2. Batas harmonisa kelas B

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B [12][13][14] Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

Harmonisa Ganjil

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C [12][13][14]

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

2 2

3 30xPF rangkaian

5 10

7 7

9 5

11≤n≤39 3

2.3.4. Batas harmonisa kelas D

Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D [11][12][13]

Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D [11][12][13]

Harmonisa ke-n Batas klas A (A)

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 dapat dilihat pada Persamaan (2.1) dan (2.2) [11] yaitu:

…………..…. (2.1)

Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus yaitu Persamaan (2.3) dan Persamaan (2.4).

………...…….…. (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 dapat dilihat pada Persamaan (2.5) dan Persamaan (2.6) yaitu: [14][15]

…………. (2.5)

………(2.6)

Hubungan Persamaan THD dengan arus RMS dari Persamaan (2.6) menjadi Persamaan (2.7) yaitu:

……...…….(2.7)

Selanjutnya dari Persamaan (2.7) yaitu:

Sehingga arus RMS terhadap THDI terlihat pada Persaman (2.8) yaitu:

………..………(2.8)

2.5. Meredam 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 penyebaran arusnya.

b. Penggunaan filter aktif.

c. Kombinasi filter aktif dan pasif. d. Filter 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, sehingga perlu dilakukan tuning yang tepat. Kombinasi filter pasif dan aktif (filter hybrid) merupakan performance yang paling baik, tetapi investasi cukup mahal dan sistem kendalinya juga sangat rumit.

2.6. Low Pass Filter LCL

Gambar 2.3. Low pass filter LCL [4]

Low pass filter harmonic pada Gambar 2.3, sebagai peredam harmonisa yang lebih baik dibandingkan dengan filter pasif single-tuned saja. Filter tersebut menyaring semua frekuensi harmonisa, termasuk harmonisa ketiga. Dalam beberapa kasus, filter reaktor saja tidak akan mampu mengurangi distorsi harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Low pass filter tersebut terhubung secara seri terhadap beban non-linier dengan impedansi seri yang besar, oleh karena itu filter jenis ini tidak membuat masalah resonansi terhadap sistem. Low pass filter harmonic tidak perlu dilakukan tuning, Karena ada reaktor yang memiliki impedansi yang besar dihubung seri dengan beban. Sebuah low pass filter menawarkan jaminan mampu meredam harmonisa arus sebesar 8% sampai 12%. Untuk mencapai distorsi THDi 8% biasanya dapat memilih filter harmonisa berdasarkan daya kuda antara 25-30% dari total beban non linier yang harus diberikan [4].

L2

C

L1 Beban _Non

2.7. Faktor Daya

Faktor daya disebut juga dengan power factor (PF) dapat didefenisikan sebagai nilai perbandingan antara daya aktif (P) dan daya semu (S) yang merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik [16].

Faktor daya umumnya dinyatakan dalam bentuk Cos φ yang besarnya yaitu:

………...………..……... (2.9)

Faktor daya kondisi gelombang sinusoidal dan non sinusoidal sangatlah berbeda. Faktor daya kondisi sinusoidal artinya faktor daya dalam perhitungannya tidak melibatkan frekuensi harmonisa pada gelombang tegangan dan arus. Sementara faktor daya kondisi non sinusoidal artinya faktor daya dalam perhitungannya melibatkan frekuensi harmonisa pada gelombang tegangan dan arus.

Gambar 2.4. Rangkaian kapasitor pada beban non linier [20]

Displacement Power Factor (DPF) dari vektor segitiga daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya semu pada frekuensi fundamental ditunjukkan oleh Persamaan (2.10), Persamaan (2.11) dan Persamaan (2.12), yaitu: [2]

………(2.10)

Dimana:

P1 avg =

maka:

…….……(2.12)

2.8. Kelebihan Low Pass Filter LCL

Low Pass Filter LCL seperti Gambar 2.4 memiliki sebuah induktor yang dihubungkan secara seri dengan beban dan filter single tuned yang dihubung paralel. Keunggulan dari Low Pass Filter LCL ini yaitu mampu mengurangi arus harmonisa yang disebabkan oleh beban non linier.

Kelebihan menggunakan filter Low Pass Filter LCL yaitu:

a. Mengurangi distorsi gelombang arus di jaringan dan instalasi listrik. b. Memenuhi standar IEC 61000-3-4, IEC 61000-3-12, IEC 61800-3 dan

IEEE-519.

c. Menghemat energi dengan mengurangi arus RMS dan mengurangi pembebanan.

d. Meningkatkan masa kerja dan mengurangi rugi-rugi yang berkenaan dengan panas yang dihasilkan oleh peralatan.

e. Membatasi arus transient, mencegah kerusakan yang disebabkan konverter dan tegangan lebih yang mempengaruhi proses produksi.

2.9. Karakteristik Low Pass Filter LCL

Karakteristik penggunaan Low Pass Filter LCL sebagai kompensasi harmonisa dan perbaikan faktor daya terhadap beban sistem dapat dilihat pada Gambar 2.5. Karakteristik Low Pass Filter LCL tersebut terlihat bahwa makin besar nilai impedansi jika harmonisa orde ke n naik.

Gambar 2.5 Karakteristik filter LCL [18] Harmonisa

Z BT parallel resonansi Z BT tanpa kompensasi

Untuk menentukan nilai reaktor yang dipasangkan secara seri dengan beban dapat

Low Pass Filter LCL yang digunakan secara kontruksi terdiri dari dua buah induktor yang dihubung seri dengan beban dan satu buah induktor dihubung seri dengan satu buah kapasitor. Instalasi Low Pass Filter LCL sebaiknya dipasang pada panel beban dari sistem kelistrikan atau pada panel yang ada beban pembangkit hamonisa seperti ditunjukan pada Gambar 2.6. [19]

Gambar 2.6. Diagram satu garis beban non linier rumah tangga dengan low pass filter LCL

2.11. Perhitungan Parameter Low Pass Filter LCL 2.11.1. Perhitungan kebutuhan daya reaktif

Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Vektor diagram Segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q

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 vektor segitiga daya Gambar 2.7 maka diperoleh Persamaan (2.14), Persamaan (2.15), Persamaan (2.16), Persamaan (2.17) dan Persamaan (2.18) sebagai berikut:

Daya Reaktif pada PF awal yaitu:

Q1 = P tan φ1 ... (2.14) Daya Reaktif pada PF diperbaiki yaitu:

Q2 = P tan φ2 ... (2.15) Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya yaitu: Daya reaktif

ΔQ= Q1 - Q2

Atau

ΔQ = P(tan 1- 2)...(2.16)

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

besarnya:

……..……... (2.17) Besar nilai kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya yaitu:

2.11.2. Perhitungan filter induktor

Untuk menentukan nilai dua buah induktor yang dihubung seri dengan beban yaitu induktor input dan induktor output didapat nilai induktansi seperti pada Persamaan (2.19) yaitu: [20][21]

………..……... (2.19)

Dimana:

L1 : Nilai induktor Filter (H)

% Z : Impedansi reaktor yang di tentukan V : Tegangan sistem (V)

f : Frekuensi fundamental (Hz)

I beban : Besar arus mengalir ke beban (A)

% Z yang dipilih tergantung besar impedansi reaktor yang diinginkan yaitu 12%, 8%, 5%, dan 3%, dimana nilai % Z induktor yang dipilih sesuai yang diinginkan system [19]. Semakin besar % Z yang dipilih, maka semakin besar impedansi induktor yang terhubung seri dengan beban tersebut, dan semakin kecil harmonisa yang dihasilkan.

2.11.3. Perhitungan induktor filter

Untuk menentukan besar reaktansi induktif XL2 seperti pada Persamaan (2.20) dan Persamaan (2.21) yaitu: [21][22]

n2 XL2- XC = 0 ………...… (2.20) Maka:

………...……..… (2.21)

Untuk mengetahui harmonisa ke-n terjadi resonansi pada Persamaan (2.22) yaitu: ……... (2.22) Dari Persamaan (2.22) diperoleh Persamaan (2.21) diperoleh Persamaan (2.22) untuk nilai n yaitu:

..……..………... (2.23)

dimana n yaitu orde harmonisa ke n terjadinya resonansi.