2.1 Latar Belakang
Pada era modern ini, penggunaan peralatan elektronik dan sistem kelistrikan dalam bangunan semakin kompleks dan berkembang pesat. Salah satu fenomena yang sering terjadi akibat penggunaan alat-alat elektronik dan sistem tenaga listrik yang canggih adalah munculnya gangguan harmonisa dalam jaringan listrik. Harmonis adalah gelombang listrik dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi dasar (50 Hz) yang dapat menyebabkan distorsi sinyal listrik. Distorsi ini dapat mempengaruhi kinerja peralatan listrik dan sistem distribusi tenaga, bahkan dapat memperpendek umur peralatan tersebut.
Distorsi harmonisa yang terjadi dalam sistem kelistrikan dapat mengakibatkan berbagai masalah, seperti:
1. Pemanasan Berlebih pada Peralatan Listrik
Arus harmonisa dapat menyebabkan pemanasan berlebih pada peralatan listrik, seperti transformator, motor, dan kabel. Pemanasan yang berlebihan ini dapat mengurangi efisiensi peralatan, merusak isolasi, dan memperpendek umur peralatan tersebut. Dalam kasus ekstrem, hal ini dapat menyebabkan kerusakan permanen pada perangkat yang terkena dampak.
2. Penurunan Kualitas Daya Listrik
Harmonis dapat menyebabkan penurunan kualitas daya listrik yang disuplai ke peralatan. Hal ini dapat mengakibatkan fluktuasi tegangan yang dapat mempengaruhi kestabilan operasi peralatan elektronik dan komputer.
Kualitas daya yang buruk ini dapat menyebabkan gangguan sistem atau bahkan kerusakan pada peralatan yang sensitif terhadap fluktuasi tegangan.
3. Resonansi dan Gangguan Sistem
Pengaruh harmonisa pada sistem distribusi listrik dapat menyebabkan fenomena resonansi, di mana frekuensi harmonisa tertentu dapat memperburuk gangguan sistem kelistrikan. Hal ini dapat menyebabkan gangguan pada proteksi sistem, mempengaruhi kinerja alat ukur, serta meningkatkan risiko kegagalan sistem secara keseluruhan.
4. Gangguan Pada Sistem Komunikasi
Harmonis juga dapat mengganggu sistem komunikasi yang menggunakan kabel atau jaringan tenaga listrik sebagai media transmisinya. Gangguan ini dapat mempengaruhi transmisi data dan sinyal, menurunkan keandalan komunikasi, dan meningkatkan tingkat interferensi elektromagnetik.
Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa (PKM) Politeknik Negeri Padang, yang digunakan sebagai fasilitas untuk berbagai kegiatan akademik dan non-akademik, juga tidak lepas dari penggunaan perangkat elektronik yang berpotensi menghasilkan harmonisa. Peralatan seperti komputer, sistem pencahayaan, dan perangkat AC merupakan sumber potensial harmonisa. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis terhadap dampak harmonisa terhadap sistem kelistrikan di gedung tersebut serta pentingnya pemasangan filter harmonisa.
Pemasangan filter harmonisa bertujuan untuk mengurangi atau bahkan menghilangkan gangguan harmonisa yang dapat mengganggu kestabilan dan efisiensi sistem kelistrikan. Filter harmonisa ini dapat berupa filter pasif atau aktif, yang berfungsi menekan arus harmonisa dan memastikan bahwa kualitas daya listrik tetap stabil dan aman untuk digunakan.
Analisis ini sangat penting untuk memastikan bahwa sistem kelistrikan di Gedung PKM Politeknik Negeri Padang dapat berfungsi secara optimal tanpa adanya
gangguan harmonisa yang merugikan. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menentukan jenis filter harmonisa yang tepat dan efektif yang dapat digunakan untuk mengatasi masalah harmonisa di gedung tersebut.
Rumusah Masalah
1. Bagaimana tingkat harmonisa yang terdapat pada sistem kelistrikan di Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang?
2. Apa saja pengaruh distorsi harmonisa terhadap kinerja peralatan dan sistem kelistrikan di Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang?
3. Filter harmonisa jenis apa yang paling sesuai untuk mengatasi gangguan harmonisa pada sistem kelistrikan Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang?
4. Bagaimana cara perancangan dan implementasi filter harmonisa yang efektif di Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang?
Tujuan Penulisan
1. Mengetahui Tingkat Harmonisa pada Sistem Kelistrikan Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang
2. Menganalisis Pengaruh Distorsi Harmonisa terhadap Peralatan dan Sistem Kelistrikan
3. Menentukan Jenis Filter Harmonisa yang Tepat untuk Sistem Kelistrikan di Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang
4. Menyusun Rencana Implementasi Filter Harmonisa yang Efektif
Batasan Masalah
1. Penelitian ini terbatas pada analisis harmonisa yang terdapat pada sistem kelistrikan di Gedung Pusat Kegiatan Mahasiswa Politeknik Negeri Padang, tanpa mencakup pengukuran atau analisis harmonisa pada gedung lain atau sistem kelistrikan lainnya.
2. Penelitian ini hanya bertujuan untuk menentukan komponen filter harmonisa yang tepat untuk sistem kelistrikan di gedung tersebut, tanpa membahas implementasi fisik atau pemasangan filter harmonisa di lapangan.
3. Simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini hanya menggunakan perangkat lunak MATLAB, yang digunakan untuk merancang dan menganalisis kinerja filter harmonisa, serta untuk mengevaluasi efektivitas filter dalam mengurangi harmonisa. Penelitian ini tidak mencakup uji coba implementasi filter secara langsung pada sistem kelistrikan di gedung.
4. Jenis filter harmonisa yang dibahas terbatas pada filter pasif dan aktif, tanpa membahas teknologi atau jenis filter harmonisa lainnya yang lebih canggih atau jarang digunakan dalam sistem kelistrikan gedung.
5. Penelitian ini hanya mengidentifikasi dan mengukur harmonisa yang terjadi dalam kondisi operasional normal, tanpa memperhitungkan faktor-faktor luar yang mungkin mempengaruhi kualitas daya listrik, seperti gangguan eksternal atau perubahan signifikan dalam beban sistem
Manfaat Penelitian
1. Memberikan pemahaman yang lebih baik mengenai gangguan harmonisa dalam sistem kelistrikan, serta cara-cara untuk mengatasinya dengan menggunakan filter harmonisa.
2. Menjadi referensi untuk pengembangan penelitian selanjutnya yang berfokus pada pengendalian harmonisa di sistem kelistrikan.
3. Memberikan solusi praktis dalam bentuk rekomendasi jenis filter harmonisa yang tepat untuk meningkatkan kualitas daya dan efisiensi sistem kelistrikan di Gedung PKM Politeknik Negeri Padang.
4. Membantu perancangan sistem kelistrikan yang lebih baik dan lebih handal, dengan mempertimbangkan pengaruh harmonisa dan cara mengurangi dampaknya
LANDASAN TEORI
1. Pengenalan Sistem Kelistrikan dan Harmonis
Dalam sistem kelistrikan, arus dan tegangan dihasilkan dengan frekuensi dasar 50 Hz (di Indonesia). Namun, pada beberapa kondisi, terutama pada beban non-linier, gelombang tegangan dan arus yang tidak murni sinusoidal dapat terbentuk, yang disebut harmonisa. Harmonis ini sering kali dihasilkan oleh perangkat yang bekerja dengan prinsip non-linier, seperti inverter, komputer, lampu LED, dan peralatan elektronik lainnya.
Definisi Harmonis
Harmonis dalam sistem kelistrikan adalah komponen gelombang dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada frekuensi dasar. Frekuensi dasar di
Indonesia adalah 50 Hz, sehingga harmonisa yang dominan adalah harmonisa ke-3 (150 Hz), ke-5 (250 Hz), ke-7 (350 Hz), dan seterusnya.
Gelombang tegangan atau arus pada sistem kelistrikan yang mengandung harmonisa dapat dituliskan dalam bentuk jumlah deret Fourier:
v(t)=V1sin(ωt)+V3sin(ωt)+V5sin(ωt)+… di mana:
v(t) adalah tegangan sebagai fungsi waktu,
Vn adalah amplitudo dari harmonisa ke-n,
ω=2πf adalah frekuensi sudut dasar (dengan fff adalah frekuensi dasar, 50 Hz),
t adalah waktu.
2. Penyebab Harmonis
Harmonis biasanya disebabkan oleh peralatan yang menggunakan komponen non-linier, seperti:
Rectifier (penyearah) yang digunakan dalam perangkat daya AC/DC,
Inverter yang mengubah DC menjadi AC,
Motor listrik yang terhubung dengan pengatur kecepatan,
Lampu LED yang menggunakan driver untuk mengatur arus.
3. Pengaruh Harmonis terhadap Sistem Kelistrikan
Harmonis memiliki berbagai dampak negatif pada sistem kelistrikan, antara lain:
1. Pemanasan Berlebih pada Peralatan Harmonis menyebabkan arus yang lebih tinggi mengalir dalam peralatan listrik, seperti motor, transformator, dan kabel. Akibatnya, peralatan dapat mengalami pemanasan berlebih yang
merusak isolasi dan mengurangi efisiensinya. Pemanasan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus daya:
P=I2R
Di mana P adalah daya yang hilang akibat pemanasan, I adalah arus, dan R adalah resistansi peralatan.
2. Penurunan Kualitas Daya Harmonis menyebabkan fluktuasi tegangan yang merusak kestabilan sistem kelistrikan, mengurangi kualitas daya. Untuk mengukur kualitas daya, digunakan parameter faktor daya total (Total Harmonic Distortion, THD):
THD=
√
V32+V52+V72+…V1
Di mana Vn adalah amplitudo dari harmonisa ke-n dan V1 adalah amplitudo tegangan dasar (50 Hz).
3. Resonansi pada Sistem Pada frekuensi harmonisa tertentu, dapat terjadi fenomena resonansi dalam sistem kelistrikan yang menyebabkan lonjakan arus dan tegangan, yang dapat merusak peralatan proteksi atau bahkan merusak perangkat yang ada.
4. Gangguan pada Sistem Komunikasi Harmonis juga dapat menyebabkan interferensi elektromagnetik pada perangkat komunikasi yang menggunakan saluran daya listrik sebagai media transmisi sinyal.
4. Jenis-Jenis Filter Harmonis
Untuk mengatasi dampak harmonisa, digunakan filter harmonisa, yang dapat dibedakan menjadi dua jenis utama:
4.1 Filter Pasif
Filter pasif menggunakan komponen pasif seperti resistor, induktor, dan kapasitor untuk mengurangi harmonisa. Filter ini lebih sederhana dan lebih murah, namun tidak dapat menyesuaikan diri dengan perubahan dalam sistem. Contoh dari filter pasif adalah Low-Pass Filter dan High-Pass Filter.
Filter Seri (sering digunakan untuk mengurangi harmonisa tertentu) memiliki impedansi yang disesuaikan dengan frekuensi harmonisa.
Rumus impedansi untuk komponen filter pasif:
ZL=jωL , ZC= 1 jωC
4.2 Filter Aktif
Filter aktif menggunakan komponen aktif seperti transistor dan op-amp yang dapat menyesuaikan dirinya dengan perubahan beban dan harmonisa yang muncul. Filter ini lebih fleksibel dan lebih efektif dalam menangani harmonisa yang lebih kompleks.
Filter Aktif bekerja dengan cara menghasilkan arus yang berlawanan fase dengan harmonisa yang ada, sehingga mengurangi efek harmonisa tersebut.
Perhitungan untuk filter aktif melibatkan pemodelan menggunakan Penguat Operasional (Op-Amp) dan komponen lainnya.
5. Perancangan Filter Harmonis
Perancangan filter harmonisa bergantung pada identifikasi jenis harmonisa yang ada dalam sistem kelistrikan. Langkah-langkah umum dalam perancangan filter harmonisa adalah:
1. Identifikasi Harmonis: Menganalisis spektrum harmonisa dengan menggunakan Analisis Fourier. Dalam hal ini, kita menghitung komponen harmonisa berdasarkan sinyal arus atau tegangan yang terdistorsi.
2. Pemilihan Jenis Filter: Berdasarkan hasil analisis harmonisa, filter pasif atau aktif dipilih sesuai dengan karakteristik harmonisa yang dominan.
3. Desain Filter: Menentukan nilai komponen filter (induktor, kapasitor, dan resistor) yang diperlukan untuk mengurangi harmonisa pada frekuensi yang terdeteksi.
5.1 Perancangan Filter Pasif
Untuk perancangan filter pasif, digunakan rumus perhitungan untuk nilai induktor (L) dan kapasitor (C) pada frekuensi harmonisa yang diinginkan:
L= R
ω0,C= 1 ω0R,
Di mana ω0=2πf adalah frekuensi sudut dari harmonisa yang ingin dikendalikan.
5.2 Perancangan Filter Aktif
Pada filter aktif, pemilihan komponen seperti resistor dan kapasitor juga dilakukan berdasarkan perhitungan impedansi untuk frekuensi harmonisa yang relevan. Desain filter aktif lebih kompleks karena melibatkan pemrograman komponen elektronik seperti op-amp dan transistor.
6. Simulasi Filter Harmonis dengan MATLAB
MATLAB adalah alat yang sangat berguna untuk mensimulasikan kinerja filter harmonisa dalam sistem kelistrikan. Dengan menggunakan MATLAB, kita dapat melakukan simulasi berikut:
1. Menganalisis Spektrum Harmonis: Menggunakan Transformasi Fourier Cepat (FFT) untuk menganalisis sinyal tegangan dan arus yang terdistorsi.
X(f)=
∑
n=−∞
∞
x(n)e−j2πfn
2. Merancang Filter dan Mengujinya: Menggunakan script MATLAB untuk merancang filter pasif atau aktif yang sesuai dan mengujinya untuk memastikan efektivitasnya dalam mengurangi harmonisa.
LITERATUR REVIEW
METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi penelitian memuat beberapa hal yaitu, alat dan bahan penelitian serta alur penelitian
ALAT DAN BAHAN PENELITIAN
Alat dan bahan penelitian yag digunakan untuk melakukan penelitian yaitu : 1. Power Quality Analyzer
2. Software Matlab Alur Penelitian
Berisi uraian lengkap dan terinci tentang langkah-langkah pelaksanaan penlitian ataupun pengumpulan data. Berikut diagram alir untuk penelitian :
Pemodelan data beban
Pengukuran harmonisa
Pemodelan Harmonisa dengan MATLAB
Pemodelan Filter
Simulasi Penggunaan Filter
