PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN ANALOG UNTUK BEBAN NON LINEAR TESIS. Oleh EDDY WARMAN /TE

Transkripsi

1 PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN ANALOG UNTUK BEBAN NON LINEAR TESIS Oleh EDDY WARMAN /TE FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

2 PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN ANALOG UNTUK BEBAN NON LINEAR TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Oleh Eddy Warman /MTE FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013

3 Judul Tesis : PENENTUAN FAKTOR PENGALI SISTEM PENGUKURAN ANALOG UNTUK BEBAN NONLINEAR Nama Mahasiswa : Eddy Warman Nomor Pokok : Program Studi : Magister Teknik Elektro Menyetujui Komisi Pembimbing : (Syafii, MT, Ph.D) (Prof. Dr. Tulus, M.Si) Sekretaris Program Studi, Dekan, (Drs. Hasdari Helmi, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME) Tanggal lulus :18 April 2013

4 Telah diuji pada Tanggal : 18 April 2013 PANITIA PENGUJI TESIS : Ketua Anggota : Syafii, MT, Ph.D : Prof. Dr. Tulus, M.Si : Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D : Dr. Marwan Ramli, M.Si

5 ABSTRAK Pada instalasi modern, arus yang mengalir sebenarnya jauh lebih tinggi dari arus yang diukur dengan alat ukur biasa (RMS meter). Hal ini disebabkan arus pada instalasi saat ini telah mengalami distorsi disebabkan adanya arus harmonisa akibat beban non linear, sehingga bentuk gelombang arus yang terdistorsi sudah menjadi non sinusoidal. Pengukuran arus RMS sebenarnya (true RMS) sangat penting dalam instalasi dimana terdapat sejumlah beban non linear, pembacaan RMS meter memberikan hasil pengukuran lebih rendah dari hasil pengukuran dengan True RMS Meter. Pembacaan RMS meter dapat memberikan nilai yang mendekati harga sebenarnya bila hasil pengukuran yang terbaca harus dikalikan dengan suatu faktor pengali yang besarnya tergantung kepada THD beban. Penelitian ini dilakukan secara langsung di Laboratorium dengan beban lampu hemat energi (LHE), lampu pijar (LP), kombinasi LHE dan LP, dan Laptop, dari analisa data diperoleh bahwa hubungan antara faktor pengali dengan THD dapat dinyatakan dengan persamaan: y = 0,01x + 1,00 dimana y = faktor pengali dan x = THD arus. Makin besar THD beban, maka makin besar faktor pengali yang diperlukan. Pengaruh harmonisa juga mengakibatkan kesalahan pembacaan kwh meter sesuai dengan kenaikan beban nonlinear (THD). Kata Kunci : Harmonisa, True RMS, Pengukuran Benar i

6 ABSTRACT In modern installations, the current flowing is actually much higher than the current measured by an ordinary measuring instrument (RMS meter). This is due to the fact that the current flowing at today s installation has been distorted by harmonic currents caused by non-linear loads, so the distorted current waveform has been non-sinusoidal. The measurement of true RMS current is very important in installations where there are a number of non-linear loads, RMS meter reading will show lower measured value than True RMS Meter. RMS meter reading can give the value that approaches the true value if the measured value is multiplied with a multiplication factor which magnitude depends on the THD of loads. This research is carried out directly in the laboratory with loads that consist of energy saving lamps (ESL), incandescent lamps (IL), a combination of ESL and IL, and Laptop, from the data analysis, it is obtained that the relationship between the multiplication factor and THD can be defined with equation: y = 0.01x where y = multiplication factor and x = THD of current. The greater the THD of loads, the greater the multiplication factor that is required. Harmonics effects also cause errors in kwh meter readings in accordance with the increase of non-linear loads (THD).jj jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjkjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj Keywords: Harmonics, True RMS, True Measurement ii

7 KATA PENGANTAR Dengan nama Allah Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang Puji syukur alhamdullilah penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia yang dilimpahkan sehingga dapat menyelesaikan tesis ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan ke junjungan Rasulullah Muhammad SAW. Alhamdulillah, penulis selesai juga menyusun tesis ini yang merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Strata dua di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul tesis ini Penentuan Faktor Pengali Sistem Pengukuran Analog Untuk Beban Non Linear. Kepada Bapak Syafii, MT, Ph.D, Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si sebagai Komisi Pembimbing, Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S. Ph.D, dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si selaku penguji, penulis ucapkan terimakasih atas bimbingan dan motivasinya dalam hal penyelesaian tesis ini. Kepada Bapak Prof. Dr. dr, Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc.,(CTM), Sp.A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Ir. M Turmuzi, M.S selaku Pembantu Dekan I dan Bapak Drs. Hasdari Helmi, MT, selaku sekretaris Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, serta seluruh pegawai Program Studi Magister iii

8 Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara penulis ucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan selama mengikuti pendidikan Program Magister. Kepada Bapak-Bapak staf pengajar penulis ucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya atas bantuan dan kerjasamanya selam perkuliahan. Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan ribuan terimakasih kepada istri Hj.Darmilis Daud dan anak-anak penulis Edwar Ammi Djamin, ST dan Djaka Cindy Djamin yang telah memberikan semangat dalam menyelesaikan tesis ini, adinda Sofian Hanafi Harahap, ST dan M. Rizal Batubara, ST. MT yang telah banyak membantu dan sarannya dalam penyelesaian tesis ini, serta semua pihak yang telah membantu sehingga tesis ini dapat selesai. Tak lupa juga penulis haturkan banyak terimakasih kepada ketua, sekretaris, dan seluruh staf pengajar DTE Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Akhir kata penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan. Semoga tesis ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua pihak yang membutuhkannya. Kepada Allah SWT jualah penulis menyerahkan diri. Medan, April 2013 Penulis, Eddy Warman iv

9 Saya yang bertanda tangan dibawah ini, DAFTAR RIWAYAT HIDUP Nama : Eddy Warman Tempat, Tanggal Lahir : Sungai Penuh, 20 Desember 1954 Jenis Kelamin Agama Bangsa Alamat : Laki-Laki : Islam : Indonesia : Jl. Merpati No. 76 Sei Sikambing B Medan Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa : PENDIDIKAN 1. Tamatan SR N 1 Sungai Penuh Tahun Tamatan SMP N 2 Padang Tahun Tamatan SMA N 5 Medan Tahun Tamatan Teknik Elektro FT USU Tahun Tamatan Magister Teknik Elektro FT USU Tahun 2013 PEKERJAAN 1. Staf Pengajar Fakultas Teknik USU Medan Tahun 1979 PENGHARGAAN 1. Satya Lencana Karya Satya X Tahun Tahun Satya Lencana Karya Satya XX Tahun Tahun Satya Lencana Karya Satya XXX Tahun Tahun 2012 v

10 Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya. vi

11 DAFTAR ISI ABSTRAK... ABSTRACK... KATA PENGANTAR... DAFTAR RIWAYAT HIDUP... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iii v vi x xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Beban Linear Beban Non Linear Harmonisa Distorsi Harmonisa Standar Distorsi Harmonisa vii

12 2.6 Pengaruh Harmonisa Dalam Sistem Tenaga Listrik Deret Fourier Nilai RMS (Root Mean Square) Defenisi Nilai RMS pada Suatu Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Sinusoidal Nilai RMS pada Suatu Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Harmonisa Daya Listrik Rata-rata Metode Pengukuran Arus Alat Ukur Pembacaan Rata-rata Dikalibrasi ke RMS Alat Ukur True RMS Kesalahan Pemakaian Alat Ukur Beberapa Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Beban Non Linear Prinsip Kerja kwh Meter Induksi Satu Fasa BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Teknik Penelitian Metode Pengukuran viii

13 3.4 Alat Pengukuran dan Beban Spesifikasi Peralatan Rangkaian Pengujian Prosedur Pengujian Pengumpulan Data Diagram Block Penelitian BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Penelitian Pengujian Beban Linear, Non linear dan Kombinasinya Pengujian Pada Beban 5 XL Pengujian Pada Beban 4 XL dan 1 Pijar Pengujian Pada Beban 3 XL dan 2 Pijar Pengujian Pada Beban 2 XL dan 3 Pijar Pengujian Pada Beban 1 XL dan 4 Pijar Pengujian Pada Beban 5 Pijar Pengujian Pada Beban Laptop Perhitungan dengan Matlab Penentuan Persamaan THD Arus Fungsi Faktor Pengali Hasil Total Analisa Perhitungan ix

14 4.5 Pengaruh harmonisa Pada KWH Meter BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA x

15 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 1.1 Pengukuran dengan alat ukur True RMS (kiri) dan alat ukur ringan respon rata-rata (kanan) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban linear Jenis beban non linear Gelombang tegangan dan arus beban non linear Gelombang tegangan fundamental dan harmonisa ke Gelombang tegangan fundamental, harmonisa ke-3, dan hasil penjumlahannya Harmonisa arus mengalir melalui impedansi system Gelombang tegangan sinusoidal murni Bentuk gelombang arus yang terdistorsi oleh adanya Harmonisa karena beban non linear (komputer) (a) Gelombang tegangan dan arus beban lampu hemat energi (b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada lampu hemat energi (a) Gelombang tegangan dan arus beban computer (b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada computer (a) Gelombang tegangan dan arus beban Air Conditioner (AC) (b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada air conditioner (AC) (a) Gelombang tegangan dan arus beban televisi xi

16 2.12.(b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada televisi (a) Gelombang tegangan dan arus beban lampu pijar (b) Spektrum distorsi harmonisa arus pada lampu pijar Prinsip suatu meter penunjuk energi listrik arus bolak-balik (jenis induksi) (a) Rangkaian Pengujian (b) Keadaan Diwaktu Pengukuran Berlangsung (c) Keadaan Diwaktu Pengukuran Berlangsung (a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 XL (b), Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 XL (c) 4.2.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 4 XL dan 1 pijar (b), (c) 4.3.(a) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 4 XL dan 1 Pijar Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 3 XL dan 2 Pijar (b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 3 XL dan 2 Pijar (a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 2 XL dan 3 pijar (b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 2 XL dan 3 Pijar xii

17 4.5.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 1 XL dan 4 pijar (b), (c) Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 1 XL dan 4 Pijar (a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 pijar (b), Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 Pijar (c) 4.7.(a) Bentuk gelombang arus dan tegangan beban Laptop (b), Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban Laptop (c) 4.8 Grafik hubungan antara THD arus dengan faktor pengali Grafik hubungan THD arus dengan arus fundamental, arus harmonisa, dan arus sebenarnya Grafik THD I fungsi daya dan energi xiii

18 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1. Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE Dampak harmonisa pada berbagai peralatan sistem tenaga listrik Nilai RMS pada berbagai fungsi umum Perbandingan pembacaan alat ukur RMS dengan alat ukur True RMS a. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya pada percobaan a. Lanjutan b. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya pada percobaan c. Data pengujian beban linear, non linear dan kombinasinya pada percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL pada percobaan a. Lanjutan 53 xiv

19 4.2.b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL pada percobaan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL pada percobaan d. Hasil analisa perhitungan beban 5 XL semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1 Pijar pada percobaan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1 Pijar pada percobaan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 4 XL dan 1Pijar pada percobaan c. Lanjutan d. Hasil analisa perhitungan beban 4 XL dan 1 Pijar semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3 XL dan 2 Pijar pada percobaan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3 XL dan 2 Pijar pada percobaan b. Lanjutan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 3 XL dan 2 Pijar pada percobaan xv

20 4.4.d. Hasil analisa perhitungan beban 3 XL dan 2 Pijar semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 XL dan 3 Pijar pada percobaan a. Lanjutan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 XL dan 3 Pijar pada percobaan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 XL dan 3 Pijar pada percobaan d. Hasil analisa perhitungan beban 2 XL dan 3 Pijar semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 1 XL dan 4 Pijar pada percobaan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 1 XL dan 4 Pijar pada percobaan b. Lanjutan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 1 XL dan 4 Pijar pada percobaan d. Hasil analisa perhitungan beban 1 XL dan 4 Pijar semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 xvi

21 Pijar pada percobaan a. Lanjutan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar pada percobaan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 Pijar pada percobaan d. Hasil analisa perhitungan beban 5 Pijar semua percobaan a. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan b. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan b. Lanjutan c. Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop pada percobaan d. Hasil analisa perhitungan beban Laptop semua percobaan Hasil simulasi program Matlab untuk beban lampu XL dan lampu pijar Polinomial Lagrange Polinomial Lagrange Polinimial Newton Polinimial Newton xvii

22 4.14. Hasil analisa perhitungan Hasil analisa energi xviii