BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Pustaka
Penelitian pertama yang dilakukan oleh Stefanus Suryo Sumarno,
Ontoseno Penangsang, Ni Ketut Aryani, (2016), “Studi Analisis dan Mitigasi
Harmonisa Pada PT.Semen Indonesia Pabrik Aceh”. Hasil analisa Filter pasif
single tuned yang dipasang berhasil berfungsi dengan baik sebagai kompensator
daya reaktif dan sebagai peredam harmonisa. THD V Bus 831MV051 dari 6,43%
menjadi 0,50%. THD V Bus 831MV052 dari 10,38% menjadi 0,16%. THD V Bus
831MV051 dari 10,36% menjadi 0,20%. Nilai faktor daya sistem menjadi 94,1%.
Nilai THD V dan THD I di bus MV dibawah 5%.
Penelitian kedua yang dilakukan oleh Azmi Rizki Lubis, (2017),
“Efektivitas Penggunaan Filter Pasif LC dalam Mengurangi Harmonik Arus”.
Hasil analisa menggunakan filter pasif LC pada transformator arus diperoleh
kandungan harmonik arus berhasil direduksi dan sesuai dengan standar yang
ditetapkan IEEE 519-1992. Nilai arus harmonik orde ke-5 berkurang dari 23,81%
menjadi 0,04% dan total harmonik distorsi arus sebelumnya 24,8% menjadi
0,28%, sehingga jelas terlihat bahwa filter pasif LC mempunyai peran penting
dalam mereduksi harmonik yangmuncul pada transformator arus.
Penelitian ketiga yang dilakukan oleh Totok Harianto, Yanu Shalahuddin,
Diah Arie W.K, (2018), “Filter Pasif Single Tuned LC sebagai Kompensator
Harmonisa Pada Beban Listrik Rumah Tangga Menggunakan Matlab Simulink”.
Hasil analisa perhitungan filter harmonik dan hasil simulasi diketahui thd arus
pada masing-masing daya listrik rumah tangga mengalami penurunan yaitu
sebesar 0.27 A, 1.7 A, 0.28 A, 3.05 A.Dari hasil pengujian pemodelan simulasi
menggunakan software Matlab simulink di dapat thd tegangan juga tereduksi
yaitu pada keempat model simulink beban listrik rumah tangga yang telah di
rangkai yakni 23,67% diperbaiki menjadi 15,87%, 23,34% menjadi 13,93%,
22,89% menjadi 14,73% dan 22,27% menjadi 14,41%.
4
5
Tabel 2.1 Kajian Pustaka
Nama
Judul
Stefanus
Suryo
Sumarno,
Ontoseno
Penangsang,
Ni
Ketut
Aryani, 2016
Studi
Analisis
dan
Mitigasi
Harmonisa Pada
PT.Semen
Indonesia Pabrik
Aceh
Simulasi
menggunakan
Program
ETAP
Setelah
pemasangan
filter
single-tuned
terpasang dan berungsi
sangat baik sebagai
peredam
harmonisa.
Kualitas daya sistem
kelistrikan PT.semen
Indonesia pabrik aceh
berada dalam kondisi
sangat baik, dari segi
faktor daya, tegangan,
dan harmonisa.
Azmi Rizki Efektivitas
Penggunaan
Lubis, 2017
Filter Pasif LC
dalam
Mengurangi
Harmonik Arus
Simulasi
menggunakan
Program
MATLAB/
Simulink
Hasil
simulasi
menunjukkan
bahwa
Individual Harmonisa
Distortion (IHDi) arus
orde
–
5
pada
transformator
arus
berkurang
sesuai
dengan standar IEEE
519 – 1992.
Totok
Harianto,
Yanu
Shalahuddin,
Diah
Arie
W.K, 2018
Simulasi
menggunakan
Program
MATLAB/
Simulink
Dari hasil pengujian
simulasi didapat THD
arus pada masingmasing kapasitas daya
mengalami penurunan
yaitu sebesar 0.27 A,
1.7 A, 0.28 A, 3.05 A.
Sedangkan untuk THD
tegangan juga tereduksi
pada
tiap
variasi
dayanya yakni 23,67%
diperbaiki
menjadi
15,87
%,
23,33%
menjadi
13,93%,
22,89%
menjadi
14,73% dan 22,27%
menjadi 14,41%.
Filter
Pasif
Single Tuned LC
sebagai
Kompensator
Harmonisa Pada
Beban
Listrik
Rumah Tangga
Menggunakan
Matlab
Simulink
Metode
Penelitian
Hasil
6
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Beban Linier
Beban-beban dalam sistem tenaga listrik terdiri dari dua jenis yaitu beban
linier dan beban tidak linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk
gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan
impedansi dan perubahan tegangan, sehingga gelombangnya bersih dan tidak
terdistorsi. Sedangkan beban tidak linier adalah beban yang menghasilkan
gelombang keluaran yang terdistorsi karena arus yang mengalir tidak berbanding
lurus dengan kenaikan tegangan.
Pada kenyataannya saat ini kebanyakan beban yang terpasang pada sistem
ketenagalistrikan adalah beban tidak linier. Pada beban tidak linier antara arus dan
tegangan tidak lagi menggambarkan bentuk gelombang yang proporsional.
Pemakaian beban-beban tidak linier akan menghasilkan bentuk gelombang arus
dan tegangan yang tidak sinusoidal, akibatnya akan terbentuk gelombang
terdistorsi atau cacat yang secara analisa terdiri dari gelombang-gelombang yang
mempunyai nilai frekuensi lebih tinggi dari frekuensi dasarnya.
Gambar 2.1 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linier
(Sumber: Kusko dan Thompson, 2007)
Gambar 2.2 Bentuk gelombang arus dan tegangan beban tidak linier
(Sumber: Kusko dan Thompson, 2007)
7
2.2.2 Harmonisa
Suatu sistem tenaga listrik, idealnya listrik ditransmisikan dan
didistribusikan dengan menggunakan tegangan tiga fasa sinusoidal murni. Namun,
seiring bertambahnya pemakaian beban-beban maka bentuk gelombang arus dan
tegangan yang sinusoidal murni ini sulit untuk diwujudkan.
Harmonik adalah Gelombang sinusoidal tegangan atau arus yang besar
frekuensinya merupakan kelipatanbulat dari frekuensi dasar. Harmonisa timbul
disebabkan oleh beban non-linier yang terhubungpada sistem tenaga listrik (SPLN
D5.004-1: 2012).
Harmonisa timbul akibat adanya beban non-linier yang tersambung pada
sistem tenaga listrik. Beban non-linier seperti komputer, programmable logic
control (PLC), variable speed drive (VSD), pulse width modulation (PWM),
peralatan tanur induksi (induction furnace), tanur busur listrik (arc furnace),
konverter, ballast elektronik untuk lampu neon, las listrik, dll menimbulkan arus
harmonisa pada jaringan distribusi listrik yang menyebabkan distorsi harmonisa
tegangan pada jaringan tenaga listrik. Distorsi harmonisa ini mengakibatkan
terganggunya operasi peralatan antara lain: komputer, transformator, motormotor, kabel listrik, peralatan kontrol elektronik yang terhubung pada jaringan
yang sama.
Gambar 2.3 Bentuk gelombang harmonisa
(Sumber: Putro dan Sofwan, 2015)
8
2.2.3
Dampak Harmonisa
Pengaruh harmonisa pada peralatan tenaga listrik secara umum terbagi
menjadi 3 yaitu :
1. Nilai rms baik tegangan maupun arus meningkat.
2. Nilai puncak (peak value) tegangan dan arus meningkat.
3. Frekuensi sistem menurun Secara khusus efek yang ditimbulkan.
Harmonik pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi :
a.
Efek negatif jangka pendek
1. Tegangan harmonisa dapat mengganggu pengendalian yang digunakan
pada sistem elektronik.
2. Harmonik dapat menyebabkan kesalahanpadaperalatan pengkuran listrik
yang menggunakan prinsip induksi magnet.
b.
Efek yang bersifat kontinu dan yang dapat mengakibatkan pemanasan
1. Pemanasan kapasitor
Kapasitor sensitif terhadap perubahan beban maka ketika terjadi harmonik
akan menyebabkan rugi-rugi meningkat. Ketika terjadi harmonik, beban
semakin reaktif sehingga kapasior harus mencatu lebih banyak daya reaktif
kepada sistem.
2. Pemanasan pada mesin-mesin listrik
Akibat harmonisa pada mesin adalah bertambahnya rugi-rugi pada mesin.
Hal ini diakibatkan oleh meningkatnya rugi-rugi pada stator dan perbedaan
kecepatan yang diakibatkan oleh medan yang dihasilkan oleh harmonisa
dengan rotor.
3. Transformator
Transformator distribusi yang mencatu daya beban non linier akan
menimbulkan arus harmonisa kelipatan tiga ganjil. Harmonisa ini akan
menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus fasa.
9
Dampak yang umum dari gangguan harmonisa adalah panas lebih pada
kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonisa ketiga yang
dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase urutan 0.
2.2.4
Total Distorsi Harmonisa
Distorsi harmonisa adalah setiap perubahan dalam bentuk sinyal yang
tidak disengaja dan secara umum keberadaannya tidak diinginkan pada sistem.
Harmonisa merupakan salah satu hal yang dapat menyebabkan distorsi pada
bentuk gelombang fundamental tegangan dan arus. Fenomena ini timbul akibat
pengaruh dari karakteristik beban non linier yang dimodelkan sebagai suatu
sumber arus yang menginjeksikan arus harmonisa ke dalam sistem tenaga listrik.
Gambar 2.4 Gelombang hasil distorsi harmonisa
(Sumber: Prasetijo, 2012)
Orde harmonisa menunjukkan komponen frekuensi tunggal yang terdapat
pada gelombang campuran. Misalnya n = 3 menunjukkan orde harmonik ketiga
dengan frekuensi yang merupakan kelipatan tiga kali dari frekuensi fundamental.
Jika frekuensi fundamental adalah 50 Hz, maka frekuensi orde ke-3 adalah 3 x 50
Hz = 150 Hz.
Tingkat dari besarnya gangguan akibat adanya harmonisa pada tegangan
atau arus adalah faktor distorsi, yaitu 100 kali harga Root Mean Square (RMS)
dari semua harmonik dibagi dengan harga RMS dari gelombang dasar. Besaran ini
disebut Total Harmonic Distortion (THD) dan digunakan dalam satuan persen
(%). Gelombang arus yang mengandung komponen harmonik terhadap distorsi
10
arus maupun tegangan dinyatakan oleh Individual Harmonic Distortion (IHD),
sedangkan sumbangan semua komponen harmonik terhadap distorsi arus ataupun
tegangan dinyatakan oleh Total Harmonic Distortion (THD).
2.2.5
Standar 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 pemerintah melalui Peraturan Menteri ESDM No 04 Tahun
2009 tentang Aturan Distribusi Tenaga Listrik.
Tabel 2.2 Aturan Distribusi Tenaga Listrik
(Sumber: Peraturan Menteri ESDM No 4.2009)
Kategori
Frekuensi
Tegangan
Total Distorsi Harmonisa Tegangan
Total Distorsi Harmonisa Arus
Faktor Daya
2.2.6
Nilai
49,5 Hz – 50,5 Hz
380/220 (- 10% ± 5%)
5%
5%
≥ 0.85
Filter Pasif LC
Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo
satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter
harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber
harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan
sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat
mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya
sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya
meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada
11
beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban tidak
linier yaitu diantaranya:
1. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang
dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat
di sumbernya dan mengurangi peyebaran arusnya.
2. Penggunaan filter aktif.
3. Kombinasi filter aktif dan pasif.
4. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.
Gambar 2.5 Rangkaian filter LC untuk inverter tiga fasa
(Sumber: Lubis, 2017)
Filter tipe LC adalah filter yang tidak ada rugi-rugi daya fundamental, di
reting daya reaktif dan juga tepat untuk memfilter harmonisa rendah maupun
tinggi. Filter Pasif LC terdiri dari hubungan parallel komponen – komponen pasif
yaitu Induktor dan Kapasitor. Dalam mendesain filter LC terlebih dahulu
menentukan besar kapasitor sesuai kebutuhan fektor daya dan Induktor Filter.
Langkah-langkah merancang filter LC yaitu:
1. Menentukan ukuran kapasitas kapasitor (C)
a. Tentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya
reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor (Qc)
adalah
Qc = P (tan cos−1 pf1 − tan cos −1 pf2)……………...…..(2.1)
Dimana:
P : daya aktif (kW).
pf1 : faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki.
pf2 : faktor daya setelah diperbaiki.
12
b. Tentukan Reaktansi kapasitor (XC) :
v2
Xc = Qc……………………..…….(2.2)
Dimana: 0
XC : Reaktansi kapasitif (Ω).
V : Tegangan RMS (Volt).
QC : Daya reaktif kapasitor (VAR).
c. Tentukan kapasitas dari kapasitor (C)
1
C = 2πf0v2……………………..…….(2.3)
Dimana :
C : Kapasitansi kapasitor (Farad)
f0 : Frekuensi fundamental (Hz).
2. Menghitung nilai Induktor (L)
a. Tenentukan nilai impedansi Z induktor :
Z=
Vs
I
……………………..…….(2.4)
b. Tentukan Reaktansi Induktif dari Induktor :
Xc
Z = h2 ……………………..…….(2.5)
𝑛
c. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning:
Xn = Hn Xl ………..………..…….(2.6)
d. Tentukan Tahanan (R) dari Induktor :
R=
Xn
Q
……………………..…….(2.7)
Z = √R2 + (ωL)2………..…….(2.8)
Z2 = R2 (ωL)2……..……..…….(2.9)
ωL = √𝑍 2 + R2 ………..…….(2.10)
13
di mana ω = 2πf0 , maka nilai induktansi dari indutor (L) :
L=
√𝑍 2 + R2
2πf0
………..…….(2.11)
Dimana :
Vs : Daya sumber (Volt)
Z : Impedansi Induktor (Ω)
I : Arus sumber(A)
L : Induktansi (H)
2.2.7 Program Bantu ETAP
ETAP (Electric Transient and Analysis Program) merupakan suatu
perangkat lunak yang mendukung sistem tenaga listrik. Fitur yang terdapat di
dalamnya pun bermacam-macam antara lain fitur yang digunakan untuk
menganalisa pembangkitan tenaga listrik, sistem tansmisi maupun sistem
distribusi tenaga listrik. ETAP dapat digunakan untuk membuat proyek sistem
tenaga listrik dalam bentuk diagram satu garis (one line diagram) dan jalur sistem
pertahanan untuk berbagai bentuk analisis, antara lain : aliran daya, hubung
singkat (Short Circuit), starting motor, trancient stability, koordinasi relay
proteksi dan sistem harmonisasi.
Gambar 2.6 Tampilan Etap