Embed Size (px)
Citation preview
1
PENURUNAN KONSUMSI ENERGI LISTRIK PADA BANGUNAN
DENGAN MEREDUKSI DISTORSI HARMONIK
Dr. Ir. Iwa Garniwa M.K., MT*, Rifky Cahyadi**
Jurusan Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Kampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia
Email : [email protected]* , [email protected]**
Abstrak
Perkembangan teknologi belakangan ini telah memberikan banyak inovasi dan penemuan
fenomena baru dalam berbagai bidang. Dalam bidang ketenagalistrikan penyedia atau produsen
tenaga listrik telah berusaha mengoptimalkan pengiriman daya kepada konsumen, namun apa yang
terjadi semakin banyak peralatan listrik yang semakin canggih digunakan oleh konsumen listrik,
semakin banyak menimbulkan pemasalahan baru, yakni permasalahan kualitas daya. Permasalahan
kualitas daya khususnya distorsi gelombang tegangan dan arus yang disebut dengan distorsi harmonic
dapat menimbulkan kerugian-kerugian seperti : kesalahan operasi peralatan, menaikkan arus netral
pada jaringan bintang, menimbulkan rugi energi yang lebih besar, dan kerugian lainnya.
Skripsi ini membahas tentang penyebab harmonik, permasalahan yang ditimbulkan khususnya
rugi-rugi energi (kWH) dan cara mengeliminasi harmonik dengan menggunakan filter pasif harmonik,
Single Tuned Notch Filter.
1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi belakangan
ini telah memberikan banyak inovasi dan
penemuan fenomena baru dalam berbagai
bidang, sehingga menyebabkan timbulnya
permasalahan ‘Kualitas Daya’. Salah satu
permasalahan kualitas daya listrik yang cukup
memiliki pengaruh besar terhadap kinerja
sistem tenaga listrik adalah terdistorsinya
bentuk gelombang sinusoidal murni dari
sumber kepada beban, yang dikenal dengan
istilah distorsi harmonik. Dengan bentuk
gelombang yang tidak sinusoidal murni ini
menimbulkan banyak kerugian, salah satunya
adalah terjadi pemborosan energi akibat
komponen energi seperti daya, faktor daya,
tegangan dan arus yang menyimpang dari
kondisi idealnya. Penyebab harmonik ini
adalah tidak lain berasal dari sisi beban itu
sendiri, yakni disebabkan oleh adanya
peralatan-peralatan beban non-linier, seperti
motor berputar, transformator, peralatan
elektronika daya, ballast pada lampu
penerangan, dan peralatan elektronika.
2. Harmonik
Harmonik didefinisikan sebagai suatu
komponen gelombang dengan frekuensi
kelipatan frekuensi fundamental. Sedangkan
distorsi harmonik diartikan sebagai distorsi
bentuk gelombang akibat adanya komponen-
komponen frekuensi yang ditimbulkan oleh
beban-beban non-linier. Dengan Teorema
Fourier, gelombang yang terditorsi ini dapat
diuraikan menjadi komponen fundamental dan
komponen lain berfrekuensi kelipatan bilangan
bulat dari frekuensi fundamental. Dan masing-
masing komponen dapat dianalisis secara
terpisah. Berikut persamaan Fourier, untuk
harmonik:
Y(t) = Yo+∑n=1∞ Yn√ 2 sin(2πf n t + θ n )..(2.1)
dengan :
Y(t) : Nilai sesaat
Yo : Nilai komponen AS
Yn : Nilai efektif pada orde ke – n
n : 1,2,3...
Besarnya cacat harmonik dinyatakan oleh
Distorsi Harmonik Total ( THD ), yang
dinyatakan sebagai berikut :
2
2
1
n
n
n
M
T H DM
= ∞
==∑
……(2-2)
2
dengan :
Mn = Nilai RMS dari arus atau tegangan ke-n
M1 = Nilai RMS dari arus atau tegangan pada
frekuensi dasar
Secara umum, pengaruh harmonik
pada peralatan tenaga listrik ada tiga, yaitu :
1. Nilai RMS baik tegangan dan arus lebih
besar.
max 2 2
12. 1
h
hhrms M M THD
== = +∑ .....(2-3)
2. Nilai puncak (peak value) tegangan dan
arus lebih besar.
3. Frekuensi sistem turun.
Nilai rms yang terukur merupakan
penjumlahan nilai rms fundamentalnya dan
nilai rms distorsi harmoniknya (rms THD),
seperti diformulasikan pada persamaan
berikut:
THDlFundamentaterukur rmsrmsrms += .(2-4)
Besarnya kWH merupakan besarnya daya
nyata (P) yang terpakai selama satu jam.
Sehingga besarnya kWH ini sebenarnya adalah
besar energi listrik yang terpakai.
Formulasinya dijabarkan sebagai berikut :
tCosIVkWH ... ϕ=
tP.= ...............(2-5)
Besarnya kWH yang terukur terdiri dari
kWHFundamental dan kWHTHD, sehingga jelas
terbukti bahwa dengan adanya distorsi
harmonik menyebabkan bertambahnya
konsumsi kWH.
3. Lokasi & Prosedur Pengukuran
Pengukuran dilakukan pada Gedung Plaza
Centris yang sebelumnya bernama Kunitha
Plaza terletak di Jl. H.R. Rasuna Said Kavling
B-5, Jakarta Selatan. Gedung ini memiliki
distribusi suplai tenaga listrik seperti
digambarkan berikut :
G
PLN
TR 1
1250 kVA
TR 2
1000 kVA
MV
20 KV
LV
220/380V
MDP 1
MDP 2
AC, Lift &
Motors
Penerangan &
stop kontak
GenSet
2x1000 kVA
Gambar 3.1 Distribusi tenaga listrik gedung
Plaza Centris
Panel 1 yang disuplai dari transformator 1
memiliki peralatan perbaikan faktor daya
berupa kapasitor bank 320 kVAR, begitu pula
dengan panel 2 juga memiliki kapasitor bank
410 kVAR.
Dalam melakukan pengukuran harmonik
dan spektrumnya, digunakan peralatan
pengukuran harmonik dan energi, MicroVip 3
Plus Three Phase Energy, seperti terlihat pada
gamba.
Gambar 3.2 Peralatan pengukuran
Pengukuran dilakukan dengan langkah-
langkah yang dapat diuraikan sebagai berikut :
1. Menyetel peralatan sesuai kondisi
yang diperlukan dalam pengukuran,
seperti:
a. Mengosongkan memori,
untuk efisiensi pengukuran
b. Mengeset hubungan jaringan
listrik yang akan diukur,
Delta atau Star
c. Frekuensi sistem yang akan
diukur
d. Lama waktu pengukuran dan
frekuensi perekaman data
e. Penyetelan CT dan PT yang
digunakan pada peralatan
pengukuran
2. Setelah pengesetan selesai dilakukan,
pengaktifan pencatatan pengukuran,
mengeset pengukuran pada kondisi
On.
3. Pemasangan peralatan pada system listrik
yang akan diukur.
4. Setelah pengukuran selesai, peralatan
di-nonaktifkan dari pencatatan
pengukuran ke memorinya.
5. Data ditransfer ke computer
(Downloading Data).
4. Hasil dan Analisis Pengukuran
Pengukuran dilakukan pada dua panel
selama kurang-lebih satu hari dengan
pencatatan setiap 3 menit. Hal ini dilakukan
untuk mengetahui besarnya karakteristik
konsumsi beban pada panel tersebut, sehingga
dapat diketahui berapa besar beban puncak dan
berapa besar distorsi harmoniknya.
3
Proses analisa hasil pengukuran dilakukan
berdasarkan kondisi operasi sistem. Dalam hal
ini kondisi operasi sistem dibagi menjadi dua,
yakni kondisi beban operasi penuh dan beban
non-operasi. Parameter analisa meliputi analisa
kualitas tegangan, arus, harmonik, faktor daya,
serta pengaruh harmonik terhadap konsumsi
kWH.
Harmonik Tegangan
Harmonik Tegangan, seperti telah
dijelaskan, merupakan gelombang distorsi
yang merusak bentuk gelombang fundamental
(sinusoidal) tegangan, sehingga bentuk
gelombang tegangan menjadi buruk (tidak
smooth sinusoidal). Harmonik tegangan ini
dapat menyebabkan terjadinya pemanasan dan
kualitas operasi yang buruk pada peralatan.[3]
Toleransi Total Harmonic Distortion untuk
tegangan adalah sebesar 3 %. Besarnya Total
Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan,
adalah sebagai berikut :
Kondisi Pada Beban OperasiPenuh
(jam 7:00– 17:00)
Tabel 4.1 % Distorsi THD V Tiap Fasa
Fasa L1
(%)
Fasa L2
(%) Fasa L3 (%)
Rata-Rata 5.63 5.88 5.35
Maksimum 6.58 6.85 6.35
Minimum 3.59 3.53 3.49
Rata-rata THD untuk fasa L1, L2, L3
melebihi toleransi , sehingga nilai kualitas
tegangan dari sisi THD buruk.
Dari grafik gambar 4.1 berikut terlihat
pula bahwa pada beban operasi besarnya
distorsi harmonik tegangan fasa 1, fasa 2 dan
fasa 3 sudah melebihi standar toleransi 3%.
Data distorsi harmonik tegangan yang tercatat
untuk ketiga fasa semuanya berada di atas
toleransi. Hal ini disebabkan pada beban
operasi beban-beban yang terdapat pada panel
1, seperti AC, lift dan motor listrik pada
chiller, merupakan sumber harmonik.
Grafik THD VL1
Beban Operasi
1THDV >3%
100%
2THDV<3%
0%
1
2
(a)
Grafik THD VL2Beban Operasi
1 THD>3%
100%
2 THD<3%
0%
1
2
(b)
Grafik THD VL3
Beban Operasi
1THD>3%
100%
2THD<3%
0%
1
2
(c)
Gambar 4.1 Prosentase THD V
Diatas Toleransi
a. Fasa 1 b. Fasa 2 c. Fasa 3
Distorsi harmonik tegangan terbesar yang
tercatat terdapat pada fasa 2 sebesar 6.85%
(Gambar 4.2.a). Distorsi sebesar ini sudah jauh
berada di atas toleransi walaupun hanya terjadi
sesaat, namun rata-rata THD tiap fasa sebesar
5.63% untuk fasa 1, 5.83% fasa 2, dan 5.35%
fasa 3 juga berada diatas toleransi distorsi
harmonik sebesar 3%.
Distorsi harmonik tegangan terbesar pada
fasa 2 sebesar 6.85% dapat dilihat pada
gambar 4.2.b Tercatat bahwa harmonik
terbesar terdapat pada harmonik orde 5 sebesar
3.36%. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian
besar harmonik disebabkan oleh kapasitor,
karena kapasitor dalam operasinya
menimbulkan harmonik orde 5 dan 7.[3]
(a)
4
(b)
(c)
Gambar 4.2 Kondisi Harmonik Tegangan
Maksimum
a. Prosentasi THD V Tiap Fasa b. Spektrum
Harmonik Tegangan Fasa 2
c. Gelombang Harmonik Fasa 2
Tabel 4.2 THD rms V Tiap fasa
THD rms VOLTAGE
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 11.52 12.07 10.93 Maksimum 13.49 14.07 12.68
Minimum 9.04 8.07 7.89
Tabel 4.3 Fundamental Voltage Tiap Fasa
FUNDAMENTAL VOLTAGE
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 204.17 204.20 204.21
Maksimum 210.80 209.40 211.66
Minimum 199.59 199.89 199.38
Besarnya % distorsi harmonik apabila
dihitung nilai rms-nya, seperti terlihat pada
tabel di atas, menunjukkan nilai yang cukup
besar. Hal ini tentunya merupakan rugi-rugi
daya, karena tegangan merupakan salah satu
komponen daya disamping arus dan faktor
daya. Sehingga distorsi harmonik ini dapat
menaikkan konsumsi energi, kWH. Pada tabel
di atas terlihat perbandingan antara besar rms
THD tegangan dengan besar rms fundamental
tegangan. Perbandingan ini merefleksikan
besarnya % distorsi harmonik.
Kondisi Pada Beban Non Operasi
(jam 17:00– 07:00)
Tabel 4.4 % Distorsi THD V Tiap Fasa
Fasa L1
(%)
Fasa L2
(%)
Fasa L3
(%)
Rata-Rata 1.52 1.4 1.37
Maksimum 4.63 4.43 3.89
Minimum 0 0 0
Rata-rata THD untuk fasa L1, L2, L3
masih dibawah toleransi , sehingga nilai
kualitas tegangan dari sisi THD pada kondisi
non-operasi cukup baik.
Dari grafik gambar 4.3 berikut terlihat
pula bahwa pada beban operasi besarnya
distorsi harmonik tegangan fasa 1, fasa 2 dan
fasa 3 sebagian besar masih berada dalam
standar toleransi 3%. Hal ini disebabkan pada
beban non-operasi beban-beban yang terdapat
pada panel 1, seperti AC, lift dan motor listrik
pada chiller, yang merupakan sumber
harmonik sebagian besar dalam kondisi off
sehingga hanya sedikit memberikan kontribusi
harmoniknya pada sistem.
Grafik THD VL1
Beban Non Operasi
2THD<3%
90%
1THD>3%
10%
1
2
(a)
Grafik THD VL2Beban Non Operasi
2. THD<3%
87%
1. THD>3%
13%
1
2
(b)
Grafik THD VL3Beban Non Operasi
2. THD<3%
88%
1. THD>3%
12%
1
2
(c)
Gambar 4.3 Prosentase THD V Diatas
Toleransi
a. Fasa 1 b. Fasa 2 c. Fasa 3
5
Dari tabel 4.2 dan 4.3 terlihat pula bahwa nilai
perbandingan rms THD tegangan dengan rms
fundamental tegangan yang tercatat pada
kondisi non-operasi lebih kecil apabila
dibandingkan pada kondisi operasi penuh.
Nilai rms THD tegangan minimum yang
tercatat bernilai nol, hal ini dikarenakan THD
minimumnya bernilai nol sehingga tidak
memiliki nilai rms THD.
Tabel 4.5 THD rms V Tiap fasa
THD rms VOLTAGE
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 3.33 3.07 3.00
Maksimum 9.71 9.30 8.16
Minimum 0 0 0
Tabel 4.6 Fundamental Voltage Tiap Fasa
FUNDAMENTAL VOLTAGE
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 218.78 209.68 219.07
Maksimum 225.02 215.92 226.05 Minimum 210.36 204.13 210.16
Harmonik Arus
Harmonik arus merupakan gelombang
distorsi yang merusak bentuk gelombang
fundamental (sinusoidal) arus, sehingga bentuk
gelombang arus menjadi tidak sinusoidal
murni. Seperti telah diuraikan pada Bab II
penyebab utama timbulnya Harmonik adalah
peralatan yang bersifat non-linier, seperti
komputer, peralatan elektronik, robotics
(sistem kontrol), balast lampu elektronik,
variable speed drives, frequency inverters,
UPS (Uninterruptable Power Supply), DC
drives, battery chargers.Adanya harmonik arus
ini akan menyebabkan beberapa kerugian pada
operasi peralatan diantaranya overheating,
operasi peralatan yang tidak reliable, netral
overloading, penurunan life time peralatan dan
peningkatan konsumsi kwh (arus).
Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya,
gelombang arus harmonik ditimbulkan oleh
peralatan beban-beban non-linier, sehingga
yang pertama kali mengalami distorsi
harmonik adalah arus, kemudian tegangan
akan mengalami distorsi harmonik secara
induksi oleh arus harmonik tersebut.
Kondisi Pada Beban Operasi Penuh
(jam 7:00– 17:00)
Tabel 4.7 %THD Arus
Fasa L1
(%)
Fasa L2
(%)
Fasa L3
(%)
Rata-Rata 24.76 29.15 26.93
Maksimum 33.00 42.38 39.61
Minimum 22.00 26.08 23.85
Besarnya THD arus, jauh melebihi batas
toleransi (10%), sehingga distorsi THD arus
sangat buruk untuk itu perlu dilakukan
perbaikan dengan memasang filter harmonik.
Nilai THD terbesar pada beban operasi sebesar
42.38% pada fasa 2(Tabel 4.7) yang tercatat
pada alat ukur (Gambar 4.4).
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.4 Kondisi Harmonik Arus
Maksimum Beban Operasi
a. Prosentasi THD I Tiap Fasa b. Spektrum
Harmonik Arus Fasa 2
c. Gelombang Harmonik Fasa 2
6
Tercatat bahwa harmonik terbesar
terdapat pada harmonik orde 5 sebesar 36.3%
dan harmonik orde 7 sebesar 17.3%. Hal ini
menunjukkan bahwa sebagian besar harmonik
disebabkan oleh kapasitor, karena kapasitor
dalam operasinya menimbulkan harmonik orde
5 dan 7.[3]
Jelas terlihat bahwa beban-beban yang
dimiliki oleh sistem merupakan beban-beban
sumber harmonik. Komposisi prosentasi
terjadinya harmonik pada beban operasi yang
melebihi standar toleransi pada sistem dapat
dilihat pada grafik lingkaran gambar 4.5 di
bawah ini.
Grafik THD IL1
Beban Operasi
1THD>10%
100%
2 THD<10%
0%
1
2
(a)
Grafik THD IL2
Beban Operasi
2 THD<10%
0%
1THD>10%
100%
1
2
(b)
Grafik THD IL3
Beban Operasi
1THD>10%
86%
2THD<10%
14%
1
2
(c)
Gambar 4.5 Prosentase THD I Diatas Toleransi
a. Fasa 1 b. Fasa 2 c. Fasa 3
Grafik tersebut menunjukkan bahwa pada
beban operasi prosentasi terjadinya THD arus
yang melebihi standar sangat besar yakni
diatas 100%, kecuali pada fasa tiga sebesar
86%. Hal ini menunjukkan kondisi harmonik
yang buruk bagi sistem.
Dengan adanya distorsi harmonik pada
sistem ini, maka arus yang terpakai merupakan
penjumlahan rms arus fundamental dan rms
arus THD. Dengan demikian adanya harmonik
ini akan menimbulkan rugi daya akibat arus
rms THD. Perbandingan nilai rms THD yang
dihasilkan oleh adanya harmonik dengan nilai
rms fundamentalnya pada beban operasi dapat
dilihat pada tabel 4.7 dan tabel 4.8.
Tabel 4.7 RMS Arus Fundamental
FUNDAMENTAL CURRENT
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 823.02 749.01 780.42 Maksimum 941.46 861.00 886.28
Minimum 610.68 541.88 561.98
Tabel 4.8 RMS Arus THD
THD rms CURRENT
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 203.04 217.12 208.74
Maksimum 231.89 238.30 229.29
Minimum 158.71 178.33 172.63
Arus THD seperti yang tercatat pada
pengukuran ini menunjukkan bahwa rms arus
THD ini merupakan rugi yang cukup besar.
Karena dengan besarnya rugi arus maka secara
langsung menyebabkan rugi daya dan otomatis
menyebabkan rugi-rugi energi.
Kondisi Pada Beban Non Operasi
(jam 22:00– 07:00)
Tabel 4.9 %THD Arus
Fasa L1 (%) Fasa L2 (%) Fasa L3
(%)
Rata-Rata 17.4 21.3 23.4
Maksimum 39.7 53.1 57.8
Minimum 9.5 7.4 8.8
Pada beban non-operasi besarnya THD
arus, juga jauh melebihi batas toleransi (10%),
sehingga kualitas THD arus sistem baik pada
saat beban operasi maupun beban non-operasi
sangat buruk. Tercatat bahwa nilai maksimum
THD arus yang terjadi pada beban non-operasi
sebesar 57.8% pada fasa 3, lebih besar dari
maksimum THD pada beban operasi (Tabel
4.9). Namun apabila dibandingkan pada saat
beban operasi penuh besarnya arus yang
terukur pada beban non-operasi hampir
setengahnya, sehingga besarnya nilai rms THD
arus pada beban non-operasi ini lebih kecil.
Besarnya THD arus sampai maksimum 57.8%
ini menunjukkan buruknya distorsi harmonik
yang terjadi. Kondisi arus harmonik arus ini
dapat dilihat pada gambar 4.6.
7
(a)
(b)
(c)
Gambar 4.6 Kondisi Harmonik Arus
Maksimum Beban Non-Operasi
a. Prosentasi THD I Tiap Fasa b. Spektrum
Harmonik Arus Fasa 3
c. Gelombang Harmonik Fasa 3
Dengan adanya distorsi harmonik pada
sistem ini, maka arus yang terpakai merupakan
penjumlahan rms arus fundamental dan rms
arus THD. Dengan demikian adanya harmonik
ini akan menimbulkan rugi daya akibat arus
rms THD. Perbandingan nilai rms THD yang
dihasilkan oleh adanya harmonik dengan nilai
rms fundamentalnya pada beban operasi dapat
dilihat pada tabel 4.9 dan tabel 4.10.
Arus THD seperti yang tercatat pada
pengukuran ini menunjukkan bahwa rms arus
THD ini merupakan rugi yang cukup besar.
Karena dengan besarnya rugi arus maka secara
langsung menyebabkan rugi daya dan otomatis
menyebabkan rugi-rugi energi.
Tabel 4.9 RMS Arus Fundamental
FUNDAMENTAL CURRENT
Phasa
L1 Phasa
L2 Phasa
L3
Rata-Rata 92.99 71.38 67.64
Maksimum 456.92 387.29 406.17
Minimum 36.13 24.20 15.47
Tabel 4.10 RMS THD Arus
THD rms CURRENT
Phasa L1 (%)
Phasa L2 (%)
Phasa L3 (%)
Rata-Rata 23.97 22.01 21.75
Maksimum 165.63 135.17 130.29
Minimum 4.07 0.00 0.00
Pengaruh Distorsi Harmonik Tegangan
Terhadap Konsumsi KWH
Grafik gambar 4.7 menunjukkan
hubungan antara besarnya distorsi harmonik
tegangan (THD V) terhadap konsumsi kWH.
Terlihat bahwa semakin besar nilai THD V
pemakaian konsumsi kWH semakin besar
pula, khususnya saat beban operasi penuh
(Gambar 4.7.a). Kemudian apabila nilai
%THD V diurutkan besarnya pada grafik,
semakin terlihat bahwa semakin besar %THD
V maka pemakaian kWH semakin besar pula.
Grafik Rata2 THDV-kWH
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1.5
2
0.8
1.1
9
1.3
5
1.3
9
1.7
9
1.2
4
1.2
5
1.0
7
0.8
1 1
0.9
5
1.0
3
0.5
5
rata2 THD V
kW
H
(a)
Grafik Rata2 THDV-kWH
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.1
8
0.8
0.9
0.9
6
1.0
1
1.0
5
1.1
1.1
4
1.2
2
1.3
1.4
3
1.5
9
1.7
6 2
rata2 THD V
kW
H
(b)
Gambar 4.7 Grafik kWH Terukur-THD V
a. Berdasarkan Urutan Waktu Pengukuran b.
Berdasarkan Urutan Nilai THD V
Berdasarkan data dapat dibuat grafik
pengaruh distorsi harmonik tegangan terhadap
rugi-rugi kWH. Distorsi harmonik tegangan
8
masih dalam batas toleransi (3%) rugi-rugi
energi dalam hal ini rugi kWH yang terhitung
tidak terlalu besar.
%THD V vs kWH THD
0
1
2
3
0.4
9
0.6
8
1.1
8
1.2
1
1.1
5
1.0
4
1.0
4
1.0
3
1.1
5
1.5
2
1.6
4
2.0
7
% THD V
kW
H T
HD
Gambar 4.8 Grafik %THD V vs kWH THD
Grafik Scatter yang terlihat pada gambar
4.9 di bawah ini menunjukkan tidak ada
korelasi, artinya hubungan antara kenaikkan
kWH disebabkan oleh adanya distorsi
harmonik tegangan tidak memiliki korelasi, hal
ini disebabkan karena distorsi harmonik
tegangan yang terjadi sangat kecil/masih dapat
ditoleransi. Sehingga rugi-rugi yang terjadi
tidak didominasi oleh distorsi harmonik
tegangan.
Scatter kWH-THD V
0
1
2
3
0 5 10 15
kWH
Ra
ta2 T
HD
V
Gambar 4.9 Grafik Scatter kWH vs THD V
Pengaruh Distorsi Harmonik Arus
Terhadap Konsumsi KWH
Grafik gambar 4.10 menunjukkan
hubungan antara besarnya distorsi harmonik
arus (THD I) terhadap konsumsi kWH.
Terlihat bahwa semakin besar nilai THD I
pemakaian konsumsi kWH semakin besar
pula, khususnya saat beban operasi penuh
(Gambar 4.10.a). Sedangkan pada saat beban
non-operasi karena beban hanya sedikit
mengkonsumsi energi maka besarnya kWH
turun. Kemudian apabila nilai %THD I
diurutkan besarnya pada grafik, semakin
terlihat bahwa semakin besar %THD I maka
pemakaian kWH semakin besar pula.
Grafik Rata2 THD I-kWH
0
5
10
15
13.5 11
14.8 15
18.2
17.2
13.7
8.7
3
10.9
7.8
4
8.2
2
10.8
7.7
7
Rata2 THD I
kW
H
(a)
Grafik Rata2 THD I-kWH
0
5
10
15
4.3
8
7.4
7
7.9
1
8.4
9.2
4
10.8
11.6
12.3 13
13.6
14.9
16.1
17.2
Rata2 THD I
kW
H
(b)
Gambar 4.10 Grafik kWH Terukur-THD I
a. Berdasarkan Urutan Waktu Pengukuran b.
Berdasarkan Urutan Nilai THD I
Berdasarkan data dapat dibuat grafik
pengaruh distorsi harmonik arus terhadap rugi-
rugi kWH. Distorsi harmonik arus lebih dari
toleransi (10%) akan memakan energi yang
besar apabila dibandingkan dengan distorsi
harmonik yang masih dapat ditoleransi.
Sehingga apabila sistem memiliki distorsi
harmonik arus diatas batas toleransi sudah
sebaiknya sistem diberikan filter harmonik
untuk menghindari terjadinya rugi-rugi energi
dalam hal ini rugi kWH.
%THD I vs kWH THD
0246
8101214
3.7
2
9.6
7
10.1
10.4
10.7
42.5
33.4
24.9
26.2 26
26.7
27.6
%THD I
kW
H T
HD
Gambar 4.11 Grafik %THD I vs kWH THD
Grafik Scatter yang terlihat pada gambar
4.12 di bawah ini menunjukkan korelasi positif
mungkin ada, artinya hubungan antara
kenaikkan kWH disebabkan oleh adanya
distorsi harmonik tegangan memiliki
kemungkinan.
Scatter kWH-THD I
0
5
10
15
20
0 5 10 15
kWH
Ra
ta2 T
HD
I
Gambar 4.12 Grafik Scatter kWH vs THD I
Berdasarkan hasil analisa, penyebab
terjadinya harmonik pada gedung Plaza Centris
dapat digambarkan dalam diagram fishbone
(Gambar 4.13) berikut :
9
Harmonic
Distortion
AC Chiller
Lighting
Electronic
Equipment
Lift
Capasitor
Bank
Gambar 4.13 Diagram Fishbone
Distorsi Harmonik
5. Rancangan Filter Pasif Harmonik
5.1. Perhitungan Komponen Filter
Perancangan filter pasif harmonik
yang diterapkan pada tugas akhir ini berupa
‘Single Tuned Notch Filter Harmonic’. Filter
ini diterapkan pada sistem berdasarkan
pengamatan hasil pengukuran distorsi
harmonik yang terjadi pada setiap panel
sistem.
380 Volt Bus
Filter
Reactor
Power FactorCorrection Capasitor
Gambar 5.1 Single tuned notch filter
Filter pasif yang diterapkan pada sistem
seperti terlihat pada gambar 5.1, merupakan
notch filter. Artinya filter ini dibuat dengan
taktik pertimbangan memanfaatkan kapasitor
bank yang sudah terdapat pada sistem. Filter
ini disetel pada frekuensi sedikit dibawah
frekuensi harmonik. Metoda ini dilakukan
sebagai toleransi komponen filter untuk
mencegah resonansi yang terjadi dalam sistem
pada frekuensi harmonik yang mengganggu.
Untuk merancang filter ini dibutuhkan
data distorsi harmonik arus yang terbesar,
kemudian pada distorsi harmonik arus tersebut
dicatat berapa besar orde harmonik tertinggi
yang terdapat pada distorsi harmonik
tegangannya. Kriteria yang didasarkan pada
tegangan harmonik lebih tepat untuk desain
filter, karena lebih mudah menjamin berada
dalam batas tegangan yang layak daripada
membatasi tingkat arus karena adanya
perubahan impedansi jaringan AC. Data
distorsi harmonik yang dibutuhkan dalam
perancangan filter pada kedua panel terdapat
pada tabel 5.1 dan 5.2 dibawah ini.
Tabel 5.1 Data Filter Harmonik
Maksimum THD I (%) 57.8 Phase 3
THD V with the Highest THD I (%)
1.89
Highest Harmonic Order THD V (%)
1.25 Order 5
PFCC kVAR ON 320
Penentuan besarnya kVAR actual dari
kapasitor (PFCC kVAR ON) dihitung
berdasarkan persamaan berikut :
2
=
rated
actual
ratedactualkV
kVkVARkVAR .....(5-1)
Hasil pengukuran besarnya actual voltage
dan rated voltage adalah sama, sehingga
besarnya actual kVAR dan rated kVAR sama,
yakni 320 kVAR. Arus pada frekuensi
fundamental untuk bank kapasitor pada kedua
panel ditentukan oleh persamaan berikut :
actual
actual
FLcap
kV
kI
3
var= ...............(5-2)
Didapatkan IFlcap sebesar 486.2 A.
Impedansi ekivalen satu fasa dari dari
bank kapasitor ditentukan dengan formulasi
berikut :
rated
ratedC
M
kVX
var
2
= .................(5-3)
Berdasarkan perhitungan didapatkan
impedansi bank kapasitor ekivalen satu fasa
sebesar 0.451 Ω.
Impedansi reaktor filter ditentukan dengan
formulasi berikut ini :
2n
XX C
R = ...................(5-4)
dengan : n = orde harmonik tegangan yang
difilter (disetel sedikit dibawah ordenya)
Orde harmonik yang akan difilter pada
kedua panel adalah orde 5, sehingga
penyetelan diturunkan sedikit dibawahnya
yakni sebesar 4.8. Berdasarkan perhitungan
10
didapatkan besarnya impedansi reaktor filter
sebesar 0.0196 Ω.
Dengan adanya reaktor filter maka arus
fundamental pada kapasitor meningkat ,
peningkatannya sebesar IFL filter ditentukan oleh
persamaan berikut :
( )RC
bus
FLXX
VI
filter +=
3 .......(5-5)
Kenaikan arus yang terjadi sebesar 508.6 A.
Berdasarkan fakta kenaikan arus fundamental
oleh filter, besarnya kompensasi daya reaktif
(kVAR) yang disuplai menjadi lebih besar dari
rating kapasitor. Kenaikkannya ditentukan oleh
persamaan berikut :
filterFLbusplied IVkVAR **3sup = ...............(5-6)
Didapatkan kVar yang disuplai sebesar 334.75
kVar. Rating kapasitor ini harus dibandingkan
dengan standar limit kapasitor (IEEE std. 18-
1980). Besarnya limit kVar kapasitor ialah
135%, sedangkan pada perancangan filter ini
kenaikkan kVar hanya sebesar 104.6% pada
kedua panel, masih dalam batas standar.
Informasi hasil rancangan filter dan
spesifikasinya disajikan pada tabel 5.3
dibawah ini.
Tabel 5.3 Informasi Filter
INFORMASI DESAIN FILTER
PANEL 1
FREKUENSI SISTEM : 50 Hz
RATING BANK
KAPASITOR : 320 kVar
RATING ARUS BANK
KAPASITOR : 486.2 Amp
PENYETELAN FILTER
HARMONIK : 4.8 th
PENYETELAN
FREKUENSI FILTER : 240 Hz
IMPEDANSI KAPASITOR
EKIVALEN : 0.451 Ω
IMPEDANSI REAKTOR : 0.0196 Ω
NILAI INDUKTOR : 62.4 ηH ARUS BEBAN PENUH
FILTER : 508.6 Amp
Karakteristik penyetelan filter
digambarkan oleh faktor kualitas, Q. Kualitas
dari sebuah filter merupakan ukuran ketajaman
penyetelan filter dalam mengeliminasi
harmonik, didefinisikan oleh persamaan
(Q=XL/R). Karena filter yang dirancang untuk
gedung Plaza Centris ini untuk harmonik
frekuensi rendah maka nilai Q diharapkan
setinggi mungkin. Nilai Q yang tinggi
didapatkan dengan memberi nilai R yang kecil.
Pada filter ini nilai R hanya merupakan nilai
resistensi dari induktor/reaktor. Sehingga
dalam perancangannya tidak perlu
menambahkan resistor pada filter.
Dengan demikian tuntas sudah
perancangan filter pasif harmonik ‘Single
Tuned Notch Filter’. Langkah selanjutnya
adalah pemilihan reaktor yang sesuai dengan
kebutuhan dan pemasangan filter untuk
kemudian dievaluasi kembali hasil kerja filter
tersebut pada sistem.
5.2. Analisis Hasil Rancangan Penerapan Filter
Pada Sistem
Pemasangan single tuned notch filter
harmonic mengurangi nilai rms tegangan
dan rms arus terukur, hal ini disebabkan oleh berkurangnya nilai rms THD dari
tegangan dan arus yang memiliki
kontribusi dalam menambah nilai rms
terukur dari tegangan dan arus. Data nilai
rms tegangan dan arus setelah pemasangan
filter dapat dilihat pada tabel berikut :
Kondisi Pada Beban Operasi Penuh
(jam 7:00– 17:00)
Tabel 5.4 Voltage rms
Tegangan
VL1 VL2 VL3
Maksimum 219.88 219.22 217.69
Minimum 211.98 212.82 212.32
Tabel 5.5 Current rms
Arus
IL1 IL2 IL3
Maksimum 484.73 422.11 435.39
Minimum 1081.67 1015.39 1041.76
Kondisi Pada Beban Non Operasi
(jam 22:00– 07:00)
Tabel 5.6 Voltage rms
Tegangan
VL1 VL2 VL3
Maksimum 220.03 220.39 218.19
Minimum 220.69 220.63 220.14
11
Tabel 5.7 Current rms
Arus Panel 1
IL1 IL2 IL3
Maksimum 555.01 493.78 505.78
Minimum 43.85 27.31 23.19
Filter ini diterapkan pada ketiga fasa
setiap panel, sehingga pengurangan nilai
rms yang terjadi berdasarkan perhitungan juga terjadi pada setiap fasanya. Nilai rms
tegangan dan arus dihitung tanpa
mengikutsertakan rms harmonik orde 5,
hal ini dilakukan karena filter ini disetel
pada harmonik orde 5. Nilai rms harmonik
orde 5 memiliki kontribusi yang besar
pada nilai THD, sehingga saat rms harmonik orde 5 dihilangkan, besarnya
nilai rms THD mengalami penurunan
cukup berarti. Dengan berkurangnya nilai
rms tegangan dan arus ini mengakibatkan
turunnya konsumsi kWH sistem.
Penurunan nilai konsumsi kWH
setelah pemasangan filter ini dapat dilihat pada
tabel berikut :
Tabel 5.12 kWH
kWH Setelah Pemasangan Filter
Beban Operasi
Penuh Beban Non-
Operasi
Maksimum 31.52 15.99
Minimum 13.51 0.69
Sedangkan sebelum pemasangan filter kWH
THD terukur dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 5.14 kWH
kWH Sebelum Pemasangan Filter
Beban Operasi
Penuh Beban Non-
Operasi
Maksimum 33.97 16.87
Minimum 23.08 0.62
Konsumsi kWH setelah pemasangan
filter baik dalam kondisi operasi penuh
maupun kondisi non-operasi mengalami
penurunan yang cukup berarti. Pada kondisi
beban operasi penuh maksimum penurunannya
sebesar 7.2%, dan pada kondisi non-operasi
maksimum sebesar 5.2% untuk pencatatan
konsumsi kWH selama tiga menit. Sehingga
rugi-rugi konsumsi kWH dapat dikurangi dan
upaya penghematan energi dalam bentuk kWH
melalui peredaman distorsi harmonik dapat
dilakukan.
Pengurangan konsumsi energi listrik
(kWH) sebesar ini dapat memiliki pengaruh
yang cukup besar bagi konsumen terhadap
biaya pengeluaran yang dikeluarkan untuk
energi listrik. Dengan demikian pemasangan
Single Tuned Notch Filter, yang
memanfaatkan bank kapasitor sebagai salah
satu komponen filternya, dapat mengurangi
rugi-rugi konsumsi energi listrik (kWH).
Namun yang perlu menjadi perhatian ialah
bahwa filter jenis ini hanya dapat meredam
satu frekuensi harmonik saja, sehingga apabila
suatu sistem memiliki lebih dari satu orde
harmonik yang besarnya cukup berarti bagi
kontribusi distorsi, maka pemasangan filter ini
menjadi tidak ekonomis.
5. Kesimpulan
1. Semakin besarnya distorsi harmonik
total ( THD ) tegangan catu motor
induksi, semakin besar gradien
kenaikan suhu.
2. Selain besar THD, kondisi tegangan
tidak seimbang (Unbalanced Voltage)
menentukan besar gradien kenaikan
suhu.
3. Komponen harmonik urutan negatif
akan membuat motor induksi lebih
lambat mencapai kondisi tunak,
disebabkan timbulnya torsi invers.
4. Tegangan harmonik pada motor
induksi menimbulkan pulsasi torsi
sehingga terjadi getaran lebih,
pemanasan, penurunan kecepatan dan
berkurangnya umur motor induksi.
5. Tegangan harmonik dengan tingkat
THD dibawah 3.3 %, dapat dianggap
tidak berpengaruh pada nilai efisiensi
motor.
Referensi [1] Wildi, Theodore, “ Electrical Machines,
Drives, and Power Systems”, Prentice
Hall Internasional, Inc,1997.
[2] Zuhal, “ Dasar Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya “, PT Gramedia Pustaka
Utama, 1995.
[3] Trinurkalid, “Perbandingan Lojik Pemutus
Hubungan Pada Kendali Torsi Langsung
Motor Induksi Tiga Fasa “, Skripsi,
Universitas Indonesia, Agustus, 2002.
12
[4] Chapman, Stephen J, “ Electrical
Machinery Fundamental “, Mc Graw-Hill
International, 1999.
[5] Zunaedi, Totok, “ Eliminasi Harmonik dan
Kompensasi Daya Reaktif di PT Engenys
Steel “, Skripsi, Universitas Indonesia,
Desember, 1999.
[6] Square D Data Bulletin, “ Power System
Harmonic, Causes and effect of Variable
Frequency Drive, Relative to The IEEE
519-1992 standard “, Square D, 1994.
[7] Reza, Ahmad, “ Simulasi dan Analisis
Pengaruh Harmonik Terhadap Faktor
Daya Dengan Menggunakan Perangkat
Lunak EDSA Technical 2000 ”, Skripsi,
Universitas Indonesia, Agustus, 2002.
[8] Chapman, David, “ Harmonic,Causes and
Effect “, Power Quality Application
Guide, Copper Development Association,
Maret, 2001.
[9] “ Harmonics, Transformer and K-Factor “,
CDA Publication, Copper Development
Association, September, 2000.
[10] Mohan, Ned; M Undeland, Tore dan P
Robbins, William, “ Power Electronics,
Converters, Applications and Design”,
John Willey and Sons,Inc, 1989.
[11] Dugan, Roger C; F McGranaham, Mark
dan H Beaty, Wayne, “ Electrical Power
Systems Quality “, Mc Graw- Hill, 1996.
