SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 E 151

Transkripsi

1 SEMNAR NASONA ke 8 Taun 3 : Rekayasa Teknologi ndustri dan nformasi ANASS ENGARUH HARMONK TERHADA NA FAKTOR DAYA DAN RUG DAYA D NSTAAS STRK NDUSTR Janny F. Abidin Jurusan Teknik Elektro Sekola Tinggi Teknologi Nasional wiyan_jogja@ymail.com ABSTRAK Beban tak linier seperti konverter statis, pengaturan kecepatan motor (adjustable speed drives) dan catu daya kontinu (uninteruptible power systems), merupakan beban yang paling banyak digunakan pada jaringan tenaga listrik suatu industri moderen. Hal ini menimbulkan efek samping pada sistem tenaga listrik yaitu timbulnya arus armonik sebagai akibat pengubaan energi listrik. Arus armonik akan mengakibatkan distorsi bentuk gelombang tegangan seingga tidak berbentuk sinusoidal murni lagi. Hal ini sangat mengganggu bagi peralatan listrik yang didesain beroperasi pada gelombang tegangan sinusoidal. Akibatnya banyak kerugian yang akan diderita, di antaranya peralatan listrik menjadi lebi cepat panas seingga dapat terjadi kegagalan isolasi yang berujung pada kerusakan atau makin pendek umur dari peralatan. enelitian bertujuan untuk mengetaui watak armonik serta dapat menganalisis arus dan tegangan armonik, mengitung Total Harmonic Distortion (THD). Selain mengetaui watak dan menganalisis armonik, peneliti juga dapat mendesain tapis paralel (sunt filter) untuk mengurangi Total Harmonic Distortion (THD). Hasil penelitian didapatkan bawa )emasangan tapis penala tunggal untuk armonik ke- pada masing-masing bus dalam penelitian terbukti dapat mengurangi THD. Untuk THDv total rata-rata penurunannya 39,4% dan untuk THDi total rata-rata penurunannya, % ) perbaikan kualitas daya naik total rata-rata 9,77% dan 3) erbaikan atau penaikan faktor daya beban total rata-rata 6,75% Kata kunci : Total Harmonic Distortion (THD), engurangan THD dan THDi, pasif armonik, erbaikan kualitas daya dan faktor daya, nstalasi ndustri ENDAHUUAN Beban tak linier seperti konverter statis, pengaturan kecepatan motor (adjustable speed drives) dan catu daya kontinu (uninteruptible power systems), merupakan beban yang paling banyak digunakan pada jaringan tenaga listrik suatu industri moderen. Hal ini menimbulkan efek samping pada sistem tenaga listrik yaitu timbulnya arus armonik sebagai akibat pengubaan energi listrik. Arus armonik akan mengakibatkan distorsi bentuk gelombang tegangan seingga tidak berbentuk sinusoidal murni lagi. Hal ini sangat mengganggu bagi peralatan listrik yang didesain beroperasi pada gelombang tegangan sinusoidal.. EEE tela menerbitkan standar tentang batas-batas total distorsi armonik tegangan (voltage total armonic distortion), total distorsi armonik arus (current total armonic distortion) dan pengendalian armonik dalam sistem tenaga pada titik sambung bersama (point of common coupling), yaitu standar EEE Standar EEE menawarkan tiga solusi untuk mengendalikan arus armonik dalam jaringan tenaga listrik, yaitu:. paralel (sunt filter). enggeseran pasa (pase multiplication) dan 3. Kompensasi atau injeksi armonik enelitian ini menggunakan solusi nomor satu, yaitu dengan memasang tapis paralel (sunt filter) di dekat beban tak linier penyebab sumber armonik (armonic source) dengan pertimbangan bawa di samping berfungsi sebagai tapis arus armonik yang ditala pada frekuensi tertentu, tapis paralel juga dapat menyumbangkan KAR dalam frekuensi dasar kedalam sistem tenaga listrik seingga faktor daya beban tak linier semakin baik. Alasan lain adala rangkaiannya sederana dan memerlukan anya sedikit pemeliaraan..tujuan enelitian enelitian bertujuan untuk mengetaui watak armonik serta dapat menganalisis arus dan tegangan armonik, mengitung Total Harmonic Distortion (THD). Selain mengetaui watak dan menganalisis armonik, peneliti juga dapat mendesain tapis paralel (sunt filter) untuk mengurangi Total Harmonic Distortion (THD). TNJAUAN USTAKA Beban tak linier adala beban yang menarik gelombang arus menjadi tidak sinusoidal pada saat dicatu ole sumber tegangan sinusoida (EEE-Standard 59-99). Adanya beban-beban tak linier menimbulkan persoalan yang berubungan dengan komponen armonik. engaru adanya komponen armonik pada sistem tenaga listrik dapat dikelompokkan menjadi 3 yaitu tekanan pada sistem isolasi karena tegangan armonik, pemanasan karena arus armonik, kekacauan unjuk kerja peralatan (Ort Meyer, dkk, 985). Apabila terdapat arus terdistorsi akibat adanya beban tak linier maka jatu tegangan di saluran juga terdistorsi seingga terjadi perambatan armonik dalam sistem tenaga listrik yang dapat mengganggu unjuk kerja sistem. andasan Teori a. Definisi Harmonik Harmonik didefinisikan sebagai komponen sinusoidal dari periodik atau besaran yang frekuensinya merupakan kelipatan bulat dari frekuensi fundamental. Apabila komponen frekuensinya dua kali frekuensi fundamental, maka disebut armonik ke- (EEE std -99 [B-4]). Jadi pada sistem daya 5 Hz, komponen armonik,, yang berbentuk sinusoidal mempunyai frekuensi: = n 5 Hz...(.) dimana n adala bilangan bulat seperti ditunjukkan ole gambar (.). SEKOAH TNGG TEKNOOG NASONA, 4 Desember 3 E 5

2 SEMNAR NASONA ke 8 Taun 3 : Rekayasa Teknologi ndustri dan nformasi f tot THD...(6) f tot cos ( - ). f dist...(7) Dimana cos ( - ) dikenal sebagai displacement power factor dan f dist disebut distortion power factor. Gambar. Gelombang total dalam kawasan frekuensi fundamental, gelombang armonik ke-5, ke-7, ke- dan gelombang total atau gelombang terdistorsi yang dibentuk ole gelombang fundamental, gelombang armonik ke-5, ke-7, dan ke-. b. Distorsi armonik total/total armonic distortion (THD) Faktor distorsi menggambarkan tingkat gangguan armonik pada jaringan listrik. Ada beberapa pengukuran yang umum digunakan, sala satu yang paling umum adala distorsi armonik total (THD) yang akan digunakan dalam penelitian ini, untuk tegangan ataupun arusnya. THD = THD =...()...() Dimana dan merupakan fundamental sedangkan dan komponen armonik. Ukuran dari distorsi individual untuk tegangan dan arus armonik ke-, masing-masing didefinisikan sebagai / dan / c. Distorsi faktor daya Tegangan dan arus yang mengandung komponen armonik mempunyai nilai RMS sebagai berikut: rms = dan rms = mrs = THD...(3) THD...(4) seingga total faktor daya menjadi: f tot = THD THD.(5) Sebagian besar kasus anya sedikit porsi daya rata-rata yang disumbangkan ole komponen armonik dan total distorsi tegangan kurang dari % seingga: d. Dampak Harmonik Arus beban setiap fase dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi seingga arus netral menjadi nol. Sebaliknya beban tak linier satu fase akan menimbulkan armonik kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen armonic (armonik ke-3. ke-9, ke-5, dst). Harmonik ini tidak mengilangkan arus netral, tetapi dapat mengasilkan arus netral yang melebii arus fasenya. Selain itu ada beberapa akibat yang ditimbulkan ole adanya armonik dalam sistem tenaga listrik, antara lain:. Harmonik dapat menimbulkan tambaan torsi pada KWH meter jenis elektromekanis yang menggunakan program induksi berputar. Sebagai akibatnya, putaran piring akan lebi cepat atau terjadi kesalaan ukur dalam KWH meter karena piringan induksi tersebut dirancang anya pada frekuensi dasar.. emutusan beban dapat bekerja dibawa arus pengenalnya atau mungkin tidak bekerja pada arus pengenalnya. emutus beban yang dapat terindar dari gangguan armonik umumnya adala pemutus beban yang mempunyai respon teradap arus rms sebenarnya (true rms current) atau kenaikan temperatur karena arus lebi. e. Batas Distorsi Harmonik Ada berbagai batas distorsi armonik di beberapa negara. Kebanyakan industri menggunakan batas distorsi yang dikeluarkan ole EEE std (B-5).. Batas distorsi arus Tabel Batas distorsi arus untuk sistem distribusi menurut EEE 59-99( sampai 69 ) se/ < < 7 < 3< < < <, < , > 7, ,4. Batas distorsi tegangan Tabel Batas distorsi tegangan pada menurut EEE Tegangan Bus pada Batas armonik indi (%) THD (%) 69 K K 6 K f. Teknik Mengurangi Distorsi Harmonik. Filter enala Tunggal/Single Tuned Filter (STF) SEKOAH TNGG TEKNOOG NASONA, 4 Desember 3 E 5

3 SEMNAR NASONA ke 8 Taun 3 : Rekayasa Teknologi ndustri dan nformasi Umumnya tapis terbagi menjadi dua kelompok yaitu tapis pasif dan tapis aktif. pasif terbuat dari elemenelemen kapasitor, induktor, dan resistor. Sedangkan tapis aktif terbuat dari komponen semi konduktor dengan prinsip kerja seperti pada elektronika daya. pasif dapat berupa tapis penala dan tapis peredam seperti diperliatkan pada gambar. R Gambar. Komponen tapis pasif paralel merupakan metode yang paling umum digunakan untuk mengendalikan aliran arus armonik seingga tapis ini dapat dirancang dari kombinasi seri reaktor (induktansi) dan kapasitor (kapasitansi) seingga membentuk penala tunggal. paralel pasif bertindak sebagai perangkap karena menyerap arus armonik yang ditalanya. dalam kenyataannya mempunyai nilai R yang berasal dari induktor seingga rangkaian lengkap tapis diperliatkan ole gambar (.9a). Hubungan antara impedansi tapis dan frekuensi untuk nilai R, dan tertentu dengan frekuensi resonansi 5 Herts adala: )...(8) Ketajaman penalaan ditentukan ole faktor kualitas Z = R + j ( l - yang didefinisikan sebagai perbandingan reaktansi induktif atau kapasitif pada frekuensi resonansi dengan resistansi tapis. O =...(9) R Frekuensi resonansi diberikan ole: fo = dengan, f...() f adala frekuensi fundamental adala induktansi tapis adala kapasitansi tapis adala reaktansi kapasitif pada adala reaktansi induktif pada Desain enala Tunggal angka-langka analisis dan desain pemasangan tapis armonik panala tunggal adala sebagai berikut:. Tentukan besarnya KAR yang dibutukan Umumnya KAR yang dibutukan disesuaikan dengan tingkat kebutuan perbaikan faktor daya pada sistem. ada penelitian ini untuk menentukan KAR yang dibutukan adala sebagai berikut: = tan...() = tan...() c =...(3) dengan, = Daya aktif (watt) = Daya reaktif sebelum pemasangan tapis (AR S = Daya semu sebelum pemasangan tapis (A) = Daya semu setela pemasangan tapis (A) = Daya semu setela pemasangan tapis (A) = Daya reaktif tapis S c. Tentukan besarnya komponen tapis penala tunggal nilai kapasitor terubung delta pada gambar (.a), maka c = c seingga, Fcap =...(4) 3...(5) impedan ekuivalen fase tunggal dari kapasitor adala c =...(6) c impedan tapis ditentukan dengan mengunakan =...(7) nilai resistor yang berasal dari impedan tapis adala R =......(8) METODE ENETAN enelitian ini dimaksud untuk mengurangi distorsi armonik dengan mendesain suatu tapis penala tunggal dan kemudian mensimulasikan bentuk gelombang tegangan dan arus pada masing-masing bus atau rel sebelum dan setela pemasangan tapis. Taapan-taapan yang arus dilalui dalam penelitian ini secara garis besar dibagi menjadi:. Membuat gambar sistem tenaga listrik pada lembar kerja program aplikasi ETA (Electrical Transient Analyser rogram) powerstation versi 4... Meng-input semua data yang diperlukan dalam simulasi yaitu data parameter sumber, saluran dan beban sistem. 3. Memulai langka pertama yaitu melakukan simulasi pada saat tapis penala tunggal belum terpasang. 4. Kemudian simulasi dilakukan dengan memasang tapis penala tunggal. DATA DAN EMBAHASAN ETA (Electrical Transient Analyser rogram) Sebelum emasangan rogram dan analisis yang dibuat dalam penelitian ini diambil dari diagram satu garis data jaringan sistem kelistrikan industri bus. Beberapa data dalam penelitian ini diperole dari asil simulasi program ETA (Electrical Transient Analyser rogram) owerstation 4... Data asil simulasi program disajikan dalam tabel () dan (). SEKOAH TNGG TEKNOOG NASONA, 4 Desember 3 E 53

4 SEMNAR NASONA ke 8 Taun 3 : Rekayasa Teknologi ndustri dan nformasi Tabel. Hasil Simulasi Sebelum Dipasang f Arus Aliran Daya (%) Bus Total (Kv) (A) (Mw) (Mvar) Bus A 94,85,59 87,6 Bus B 94,85,59 87,6 Bus,38 385,, 9,7 Bus D, 96,9,5 87,9 Bus E,38 84,6,8 9,4 Bus F,38 39,8,9 88,9 Bus G, 575,8,7 9,36 Bus H,38 5,9,4 9,49 Bus,38 59,8,5 83,77 Bus J,38 4,6,4 84,67 Bus K,38 875,49,4 89,95 = 3, MW. tg (,47 ) =,63 MAR = =,36,6 =,76 MW c,76mw 38Ampere K k 56, 3Om 38 k 56, 3Om 38 56,3 4, 35Om 4,35 R, Om 4 Analisis Data dengan Simulasi rogram ETA Setela emasangan Data dalam penelitian ini diperole dari asil simulasi program ETA. Data asil simulasi program disajikan dalam tabel () dan (). terliat bawa Total Harmonic Distortion THD pada masing-masing bus setela tapis dipasang mengalami pengurangan. Gelombang armonik arus dan tegangan diperliatkan ole gambar (4) sampai (5). Tabel. Hasil Simulasi Setela Dipasang Gambar 3. Gelombang Harmonik Arus Sebelum Dipasang Desain untuk Mengurangi Distorsi Harmonik Dari data menunjukkan bawa armonik yang dominan berada di armonik ke-. ada penelitian ini untuk menggurangi distorsi armonik didesain tapis penala tunggal (single tuned filter) armonik ke- pada masing-masing dengan diola secara peritungan manual untuk mendapatkan parameter komponen tapis armonik. angka-langka analisis dan desain pemasangan tapis armonik penala tunggal armonik ke- pada masingmasing bus adala sebagai berikut:.tentukan Besarnya KAR yang Dibutukan Dalam peritungan komponen tapis, penulis anya memberi conto pada sala satu bus. Daya nyata pada bus Flat ard A = 6 KW, daya reaktif = 4 KAR, faktor daya,84 dan apabila direncanakan dengan pemasangan tapis armonik maka faktor daya akan diperbaiki dari,84 lagging menjadi,98 lagging, maka total KAR tapis yang dibutukan adala: os (terbaca) :,84 os (yang diinginkan) :,98 cos,876 4, cos,98, 47 Besar sudut pergeseran = 4,,47.Tentukan Komponen enala Tunggal = tg 9,64 Bus Teg (k) Arus (A) Aliran Daya (Mw) (Mvar) Faktor daya Total (%) Bus A 94 3,,36 9,57 Bus B 94 3,,36 9,57 Bus,38 47,9,3 99,4 Bus D, 378,3, 99,3 Bus E,38 83,6,8 9,4 Bus F,38 38,8,9 88,9 Bus G, 549,8,5 95,89 Bus H,38 59,9,4 9,49 Bus,38 4,,3 97,38 Bus J,38 53,9, 98, Bus K,38 873,49,4 9, Gambar 4. Gelombang Harmonik Tegangan Setela Dipasang SEKOAH TNGG TEKNOOG NASONA, 4 Desember 3 E 54

5 SEMNAR NASONA ke 8 Taun 3 : Rekayasa Teknologi ndustri dan nformasi Gambar 5. Gelombang Harmonik Arus Setela Dipasang erbandingan Analisa Data dengan Simulasi rogram ETA Sebelum dan Setela emasangan Dari tabel 3 terliat bawa pada kondisi dimana tapis setela dipasang Total Harmonic Distortion (THD) mengalami penurunan. Selain mengurangi THD pada masing-masing bus juga memperbaiki daya jaringan yang ditunjukkan pada tabel 4). erbandingan bentuk gelombang armonik arus dan armonik tegangan sebelum dipasang tapis dan setela dipasang tapis untuk masing-masing bus ditunjukkan ole gambar (6) sampai (7). Tabel 3. Hasil enelitian Besarnya THDTanpa dan Dengan BUS Tanpa THD(%) THDv THDi Ket Dgn Tanpa Dgn THD,i A,6,3,,6 Turun B,63,3,,6 Turun.93,46,78,87 Turun D,78 4,4 7,78,66 Turun F,9,47,59,36 Turun G,9,47,54,33 Turun H 3,89 3,9 3,9 6,35 Turun,93,47,7,43 Turun J,93,47,59,75 Turun K 3,,49,57,79 Turun Tabel 4. erbandingan Daya Tanpa dan Dengan Bus MW Tanpa MAR f % Daya MW Dengan MAR f % A,85,59 87,3 3,,36 9,57 B,85,59 87,3 3,,36 9,57,, 9,3,9,3 99,4 D,9,5 87,3,3, 99,3 F,6,8 9,,6,8 9,4 G,8,9 88,9,8,9 88,9 H,8,7 9,7,8,5 95,89,9,4 9,5,9,4 9,49 J,8,5 83,8,,3 97,38 K,6,4 84,7,9, 98, Gambar 6 Gelombang Harmonik Tegangan Setela Dipasang Gambar 7. Gelombang Harmonik Arus Setela Dipasang KESMUAN Berdasarkan uraian yang tela dikemukakan pada bab sebelumnya mengenai reduksi Total Harmonic Distortion THD teradap perbaikan kualitas daya pada untai 3 fase 4 kawat, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: ) THDv total rata-rata penurunannya 39,4% dan untuk THDi total rata-rata penurunannya, % ) erbaikan kualitas daya naik dengan total rata-rata 9,77% 3) erbaikan atau penaikan faktor daya beban dengan total rata-rata 6,75% DAFTAR USTAKA Arrilangga J., Bradley, D.A, Bodger, S, 985, ower System Harmonic, Jon Willey & Sons, New York. EEE Std , 994, EEE Guide for Harmonic ontrol and Reactive ompensation of Static ower onverter. nternet. M.snaeni B.S.,, engurangan Arus Harmonik Netral ada Untai 3 Fase 4 Kawat Berbeban ampu Fluoresen, Tesis, UGM Yogyakarta. Ort Meyer.,dkk, 985, engaru Adanya Komponen Harmonik ada Sistem Tenaga istrik. enangsang O.,, Faktor Daya dan Harmonisa pada Sistem Kelistrikan yang Mengandung Harmonisa, Tutorial SSTE, TS Surabaya. Roger. Dugan., Mark F. McGranagan, H. Wayne Beaty, Electrical ower Systems uality, McGraw- Hill, New York. SEKOAH TNGG TEKNOOG NASONA, 4 Desember 3 E 55