BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Uninterruptible Power Supply Uninterruptible Power Supply (UPS) adalah suatu alat yang memiliki rangkaian yang berfungsi untuk menjamin kontinuitas suplai daya serta melindungi beban dari terjadinya gangguan kualitas daya pada suplai daya utama. Hal tersebut dapat tercapai dengan menggunakan rangkaian solid state yang menggunakan baterai sebagai sumber energi alternatif. 2.2 Komponen Utama UPS Komponen utama dari sebuah UPS terdiri dari : Baterai Baterai adalah sumber listrik arus searah yang dihasilkan oleh suatu proses kimia. Baterai terdiri dari satu atau beberapa sel. Ada dua jenis baterai yang biasa digunakan pada peralatan UPS, diantaranya : Lead Acid Baterai jenis ini memiliki suatu proses kimia sederhana yang terdiri dari elektroda yang terbuat dari timah dan timah dioksida pada suatu larutan asam sulfur. Bila potensial pada kedua elektroda diukur, maka nilai yang akan terbaca adalah 2 volt. 8

2 9 Gambar 2.1a. Konstruksi Lead Acid Baterai 12 Volt (Sumber : Gambar 2.1b. Konstruksi Lead Storage Baterai 12 Volt Reaksi kimia yang terjadi pada baterai jenis ini dapat dituliskan sebagai berikut : a. Reaksi pada plat negatif (timah murni) : Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + H 2 b. Reaksi pada plat positip (timah oksida) : PbO 2 + H 2 SO 4 PbSO 4 + (2OH)

3 10 Dengan menjumlahkan reaksi 1 dan reaksi 2, maka reaksi kimia pada sel baterai dapat dituliskan sebagai berikut : PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O Setelah terjadi proses pelepasan muatan (discharge) secara menyeluruh pada baterai, plat negatif akan tertutup oleh timah sulfat, sedangkan plat positip akan tertutup dengan campuran timah PbO dan PbSO. Ketika terjadi pengisian baterai kembali (recharge), pada plat negatif timah sulfat akan kembali menjadi timah murni seperti digambarkan pada reaksi sebagai berikut : PbSO 4 + (2H) H 2 SO 4 + Pb Sedangkan pada plat positip akan terjadi reaksi : PbSO 4 + (2OH) PbO 2 + 2H 2 SO 4 Sehingga secara keseluruhan reaksi yang terjadi adalah : 2PbSO 4 + 2H 2 O Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 Efisiensi dari kedua reaksi tersebut adalah 75 hingga 85 persen, sedangkan rugi-rugi yang terjadi antara proses pelepasan muatan (discharge) dan proses pengisian kembali (recharge) dapat digambarkan pada grafik berikut ini :

4 11 Gambar 2.2 Perbandingan rugi-rugi antara charge dan discharge (Sumber : Z019E/EN/B583_6.HTM) Nickel Cadmium Baterai Nickel Cadmium bekerja pada persamaan kimia sebagai berikut : 2NiOOH + 2H2O + Cd discharge charge 2Ni(OH) + Cd(OH) Plat negatif pada baterai jenis ini menggunakan cadmium hidroksda dengan larutan elektrolit potassium hidroksida dengan sedikit lithium hidroksida untuk meningkatkan siklus performansi baterai pada tegangan tinggi. Pengisian muatan (charging) pada sel baterai jenis ini cukup efisien hingga mencapai 80 persen. Setelah mencapai 80 persen,

5 12 efisiensi pengisian muatan menurun. Hal tersebut seperti terlihat pada grafik dibawah ini : Gambar 2.3 Efisiensi pengisian muatan Z019E/EN/B583_6.HTM) Penyearah (Rectifier) Penyearah adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah. Adapun komponen yang biasa digunakan sebagai penyearah adalah dioda Jenis Rectifier Rangkaian penyearah dapat dibagi menjadi beberapa rangkaian dasar, diantaranya : a. Penyearah Setengah Gelombang Bentuk dasar dari rangkaian penyearah setengah gelombang dapat digambarkan sebagai berikut :

6 13 Gambar 2.4 Diagram skematik rangkaian penyearah setengah gelombang (Sumber : Prinsip-prinsip Elektronika, Albert Paul Malvino, 2003, hal 98) Ketika masukan tegangan sinusoidal pada A bernilai positip, dioda berkonduksi sehingga menghasilkan arus pada beban resistor R. Ketika tegangan masukan bernilai negatif, dioda menjadi dicatu mundur (reversed biased) dan menjadi tidak berkonduksi, sehingga tidak ada arus yang melalui beban R. b. Penyearah Gelombang Penuh Bentuk dasar dari rangkaian penyearah gelombang penuh dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.5 Diagram skematik rangkaian penyearah gelombang penuh (Sumber : Prinsip-prinsip Elektronika, Albert Paul Malvino, 2003, hal 100)

7 14 Penyearah gelombang penuh terdiri dari dua penyearah setengah gelombang yang dihubungkan dengan beban R. Kumparan sekunder pada transformator dihubungkan dengan tap tengah untuk memperoleh dua buah tegangan masukan yang sama untuk masing-masing penyearah setengah gelombang. Ketika node A berada pada polaritas positip D 1 akan dicatu maju dan D 2 akan dicatu mundur. Sehingga D 1 akan berkonduksi dan arus akan melalui R kemudian kembali menuju tap tengah pada transformator. Ketika node B berada pada polaritas positip, D 2 akan dicatu maju dan D 1 akan dicatu mundur. Sehingga arus yang dikonduksikan oleh D2 akan mengalir melalui R dan kembali menuju tap tengah pada transformator. c. Penyearah Jembatan Penyearah jembatan adalah implementasi alternatif dari penyearah gelombang penuh. Penyearah ini menggunakan empat buah dioda dan tidak membutuhkan tranformator tap tengah. Bentuk dasar dari rangkaian penyearah gelombang penuh dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.6 Diagram skematik rangkaian penyearah jembatan (Sumber : Prinsip-prinsip Elektronika, Albert Paul Malvino, 2003, hal 100)

8 15 Selama setengah siklus positip dari tegangan masukan V i bernilai positip dan arus dikonduksikan melalui dioda D 1, Resistor R dan dioda D 2. Sementara itu, dioda D 5 dan D 4 akan dicatu mundur. Selama setengah siklus negatif, tegangan V i akan menjadi negatif, dan dioda D 5 dan D 4 dicatu maju sehingga arus melalui R dengan arah yang sama pada setengah siklus positip Rectifier sebagai charger Charger adalah suatu rangkaian peralatan listrik yang digunakan untuk mengubah arus listrik bolak balik menjadi arus listrik searah, yang berfungsi untuk mengisi baterai agar kapasitasnya tetap terjaga penuh sehingga kehandalan suplai unit DC tetap terjamin. Dalam hal ini baterai harus selalu tersambung ke rectifier. Kapasitas charger harus disesuaikan dengan kapasitas baterai yang terpasang, setidaknya kapasitas arusnya harus mencukupi untuk pengisian baterai sesuai jenisnya yaitu untuk baterai jenis alkali adalah 0,2 C ( 0,2 x kapasitas ) sedangkan untuk baterai jenis asam adalah 0,1 C ( 0,1 x kapasitas ) ditambah beban statis pada unit pembangkit. Sesuai sumber tegangannya, jenis charger ada 2 macam yaitu charger 1 fasa dan charger 3 fasa. a. Charger 1 (satu) fasa

9 16 Yang dimaksud charger 1 fasa adalah charger yang rangkaian inputnya menggunakan suplai AC 1 fasa. Melalui suplai AC 1 fasa 220 V masuk ke dalam sisi primer trafo utama 1 fasa kemudian dari sisi sekunder trafo tersebut keluar tegangan AC sesuai kebutuhan, kemudian melalui rangkaian penyearah dengan diode bridge atau thyristor bridge. Tegangan AC tersebut diubah menjadi tegangan DC. Keluaran ini masih mengandung ripple cukup tinggi sehingga masih diperlukan rangkaian filter untuk memperkecil ripple tegangan output. b. Charger 3 (tiga) fasa Yang dimaksud charger 3 fasa adalah charger yang rangkaian inputnya menggunakan suplai AC 3 fasa. Melalui suplai AC 3 fasa 380 V masuk ke dalam sisi primer trafo utama 1 fasa kemudian dari sisi sekunder trafo tersebut keluar tegangan AC per fasa sesuai kebutuhan, kemudian melalui rangkaian penyearah dengan diode bridge atau thyristor bridge. Tegangan AC tersebut diubah menjadi tegangan DC yang masih mengandung ripple lebih rendah dibanding dengan ripple penyearah 1 fasa, akan tetapi masih diperlukan juga rangkaian filter untuk lebih memperkecil ripple tegangan output.

10 17 c. Prinsip kerja charger Sumber tegangan AC baik yang 1 fasa atau 3 fasa yang masuk melalui terminal input trafo step-down dari tegangan 220/380 V menjadi nilai tegangan yang diinginkan, kemudian oleh diode penyearah atau thyristor arus bolak-balik (AC) tersebut dirubah menjadi arus searah dengan ripple atau gelombang DC tertentu. Kemudian untuk memperbaiki ripple atau gelombang DC yang terjadi diperlukan suatu rangkaian penyaring (filter) yang dipasang seblum terminal output Inverter Inverter digunakan untuk mengubah daya arus searah menjadi daya arus bolak balik pada tegangan dan frekuensi yang dapat dikendalikan. Tegangan bolak balik yang dihasilkan berbentuk gelombang persegi (non sinusoidal) dan frekuensi yang dihasilkan ditentukan oleh frekuensi penyalaan pada komponen elektronika daya utama inverter. Inverter selain untuk UPS juga digunakan antara lain untuk mengatur kecepatan motor induksi, catu daya pada pesawat udara, catu daya transmisi tegangan tinggi arus searah dan lain-lain. Inverter dapat dibagi menjadi beberapa jenis diantaranya : Inverter Ferroresonant Bentuk dasar dari rangkaian inverter Ferroresonant dapat digambarkan sebagai berikut :

11 18 Gambar 2.7 Diagram skematik rangkaian inverter Ferroresonant (Sumber : Rangkaian diatas terdiri dari sebuah oscilator yang mengontrol SCR switches yang mengumpan transformator ferroresonant dan filter harmonik. Mode operasi saturasi menghasilkan keluaran tegangan yang teratur dan membatasi arus keluarannya. Efisiensi untuk inverter jenis ini bervariasi mulai dari 50 hingga 83 persen tergantung dari beban yang terhubung, sedangkan respon waktu dari jenis inverter ini adalah sekitar 20 milidetik Inverter Delta Magnetic Inverter jenis ini biasa digunakan pada sistem tiga fasa. Rangkaian inverter delta magnetic dapat digambarkan sebagai berikut :

12 19 Gambar 2.8 Diagram skematik rangkaian inverter Delta Magnetic Modul inverter A1, B1, C1 menghasilkan keluaran gelombang persegi yang mengalami pergeseran relatif antarfasa sebesar 120 o. Gelombang tersebut dikopel pada sisi primer dari transformator T1 melalui induktor linear. T1 adalah transformator isolasi tiga fasa konvensional Inverter fed L/C Tank Bentuk dasar dari rangkaian inverter fed L/C Tank dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.9 Diagram skematik rangkaian inverter fed L/C Tank

13 20 Rangkaian Tank berfungsi untuk merekonstruksi keluaran gelombang sinus pada sistem. Pengaturan dapat dilakukan dengan memvariasikan kapasitansi atau induktansi untuk mengontrol resonansi parsial atau faktor daya Quasi-Square Wave Inverter Inverter gelombang quasi-square menghasilkan suatu bentuk gelombang variabel yang harus difilter dengan mengatur jaringan induktif-kapasitif seri dan paralel untuk mengurangi harmonik dan membentuk keluaran yang sinusoidal. Rangkaian inverter quasi-square wave dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.10 Diagram skematik rangkaian inverter Quasi-square wave (Sumber :

14 21 Karena pada rangkaian inverter ini terdapat filter, maka respon inverter terhadap perubahan beban menjadi lambat (umumnya berada pada interval 150 hingga 200 milidetik) dengan efisiensi sebesar 80 persen. Inverter jenis ini memerlukan rangkaian pengatur tegangan dan pembatas arus yang menyebabkan terjadinya kompleksitas rangkaian, sehingga harga inverter jenis ini relatif mahal Inverter Step Wave Inverter jenis ini merupakan suatu multistep inverter yang mengendalikan suatu trabsformator gabungan. Konsep umum dari rangkaian inverter jenis ini dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.11 Diagram skematik rangkaian inverter step wave (Sumber :

15 22 Kejernihan dari keluaran gelombang sinus yang dihasilkan oleh inverter ini merupakan fungsi dari sejumlah langkahlangkah diskrit. Pada gambar diatas, inverter dikendalikan oleh suatu osilator. Adapun respon waktu dari inverter jenis ini adalah sekitar 20 milidetik dengan efisiensi mencapai 85 persen Pulse Width Modulation (PWM) Inverter Bentuk dasar dari rangkaian inverter Pulse Width Modulation (PWM) dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.12 Diagram skematik rangkaian inverter Pulse Width Modulation (PWM) (Sumber : Rangkaian PWM menggabungkan dua inverter yang mengatur tegangan keluaran dengan memvariasikan lebar pulsa. Keluaran yang dihasilkan dari inverter jenis ini sangat mirip

16 23 dengan suatu gelombang sinus. Respon waktu pada filter ini mendekati 100 milidetik Phase Modulation Inverter Sistem ini menggunakan konversi dc-to-ac melalui modulasi fasa dari dua gelombang persegi dengan frekuensi tinggi untuk menghasilkan suatu gelombang keluaran. Rangkaian inverter jenis ini dapat diilustrasikan sebagai berikut: Gambar 2.13 UPS statis yang menggunakan carrier modulasi fasa Penguat Arus Searah (DC Chopper) Penguat arus searah (DC Chopper) adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah (menaikkan atau menurunkan) tegangan searah seperti halnya transformator pada tegangan bolak-balik. Pada UPS yang digunakan adalah penguat arus searah naik (chopper step Up), yang berfungsi untuk menaikkan tegangan baterai. Ketika

17 24 tegangan input dalam kondisi abnormal dan mati, maka baterai akan mensuplai daya, dengan terlebih dahulu menaikkan tegangannya, lalu meneruskannya ke inverter (biasa disebut tegangan DC Bus). Gambar 2.14 Rangkaian Penguat arus searah Transfer Switches Bagian selanjutnya dinamakan bagian Transfer Switches atau saklar pemindah. Pada umumnya saklar pemindah dibagi menjadi 2 bagian yaitu ; a. Electromekanikal Pada saklar elektromekanikal dibangun dari relay-relay yang salah satu terminal mendapatkan suplai tegangan dari suplai konvensional dan yang lain dari sistem UPS.

18 25 Gamabar Rangkaian Saklar Elektromekanikal (Sumber : 2. Static Pada sistem saklar statis digunakan komponen semikonduktor seperti Silicon Controlled Rectifier (SCR). Pada dasarnya penggunaan SCR akan lebih baik karena kecepatan peralihan pada saklar elektromekanikal terlalu lama yaitu sekitar 50 sampai 100 milidetik. jika dibandingkan dengan operasi pemindahan yang dilakukan dengan SCR yang hanya membutuhkan waktu 3 sampai 4 milidetik.

19 26 Gambar 2.16 Rangkaian Saklar Statis (Sumber : Prinsip Kerja UPS Menurut cara kerjanya UPS dapat dibagi menjadi 2, yaitu UPS jenis On Line dan jenis Off Line UPS jenis On Line UPS jenis On Line adalah UPS yang bekerja secara menyeluruh semua bagiannya di saat UPS dalam keadaan normal (input dari suplai daya utama PLN). Jenis ini yang kebanyakan yang ada dan dipakai saat ini. Karena baik secara normal maupun daurat (emergency) output UPS lebih stabil dan halus. UPS bekerja secara bypass disaat UPS dalam kondisi perawatan atau saat ada gangguan.

20 27 Gambar 2.17 Diagram Blok UPS On Line (Sumber : Dalam sistem kerjanya, UPS jenis ini memiliki tiga keadaan atau sistem operasi : Keadaan Input Normal Dalam kondisi normal, UPS bekerja ketika input listrik PLN menyala. Gambar 2.18 menggambarkan aliran daya ketika UPS dalam kondisi normal. Gambar 2.18 Aliran daya UPS kondisi normal

21 28 Penyearah pada unit UPS, termasuk rangkaian penguat arus searah mengubah input listrik bolak-balik ke listrik searah. Rangkaian penguat (Chopper) menjaga tegangannya konstan, dengan pembatasan arus, untuk mengisi baterai dan juga mensuplai tegangan searah dengan besaran tertentu ke bagaian inverter. Bagian inverter membangkitkan tegangan keluaran sinusoidal dengan kualitas baik. Bagian baterai selalu terpelihara dengan keadaan pengisian yang konstan ketika UPS dalam kondisi ini Keadaan Bypass Jika unit UPS dalam keadaan beban lebih atau terdapat gangguan internal, aliran arus secara otomatis pindah dari unit rangkaian utama ke rangkaian bypass. Arah aliran daya dapat dilihat pada gambar Gambar Aliran daya UPS kondisi bypass

22 29 Jika aliran arus dalam kondisi bypass akibat terjadi gangguan (fault condition) atau beban lebih, maka aliran arus harus pindah secara manual dari kondisi bypass ke kondisi operasi normal, setelah gangguan tersebut diatasi. Biasanya dengan cara mereset saklar RUN/STOP. Dan ini juga berlaku untuk gangguan-gangguan yang tidak fatal Keadaan Darurat (baterai bekerja) Ketika daya input arus bolak-balik mengalami gangguan atau mati, maka baterai-baterai UPS segera mensuplai tegangan searah ke bagian inverter UPS. Rangkaian ini mengkonversinya menjadi tegangan bolak-balik pada output UPS. Gambar 2.20 Aliran daya UPS kondisi darurat Proses ini akan terus berlangsung hingga tegangan baterai jatuh (drop). Ketika ini terjadi, baterai akan menghentikan mensuplai daya ke beban. Baterai-baterai UPS biasanya sanggup

23 30 memberikan waktu sekitar tujuh menit waktu backup (tanpa tambahan bank baterai). Waktu ini tepat ketika unit UPS beroperasi saat beban penuh (87%) dari nominal kapasitas output. Ketika UPS beroperasi dengan beban setengah penuh, baterai-baterai dapat memberikan 30 menit waktu backup. Besaran waktu ini tergantung model dan merek UPS, kondisi baterai, top beban, temperatur dan variabel lainnya UPS jenis Off Line UPS jenis Off Line adalah UPS yang bekerja secara bypass, dimana saat listrik input dalam keadaan normal, maka bagian inverter tidak bekerja. Sedangkan saat listrik mati, maka inverter bekerja. Pada UPS jenis Off Lline, outputnya akan mengalami pemutusan sementara yaitu pada saat transfer swtich bekerja. Transfer swtich akan bekerja pada saat listrik utama padam. Proses ini terjadi dalam waktu kurang dari 4 milidetik. Meskipun demikian untuk peralatan yang sensitif terhadap gangguan listrik, hal ini akan sangat mungkin dapat mengakibatkan gangguan terhadap sistem peralatan yang dipergunakan. Pada UPS jenis ini beban (output) dari UPS akan mendapatkan sumber listrik langsung pada saat sumber listrik utama (PLN) ada, baru pada listrik utama PLN padam beban mendapatkan sumber energi listrik dari UPS. Sehingga pada saat sumber listrik ada, tegangan output akan sangat bergantung pada input sumber listrik utama PLN.

24 31 Untuk mengatasi hal ini maka dikembangkan metode Line Interactive untuk mengurangi gangguan yang diakibatkan oleh buruknya sumber listrik utama. Blok diagramnya akan menjadi gambar seperti dibawah ini : Gambar 2.21 Diagram blok UPS Off Line kondisi normal (bypass) Gamabar Diagram blok UPS Off Line kondisi darurat

25 Harmonisa Prinsip Dasar Harmonisa Salah satu masalah terbesar dalam aspek kualitas daya adalah kandungan harmonik pada sistem listrik. Harmonik adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Pada dasarnya, harmonik adalah gejala pembentukan gelombanggelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Hal ini disebut frekuensi harmonik yang timbul pada bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonik. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonik keduanya adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 100 Hz, harmonik ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya. Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni atau aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmoniknya, seperti tampak pada gambar berikut :

26 33 Gamabar Bentuk gelombang dasar, harmonisa dan gelombang terdistorsi (Sumber : Tabel 2.1 Standar distorsi harmonisa yang digunakan berdasarkan standar IEEE Distorsi Tegangan Harmonik dalam % Nilai Fundamental Sistem Tegangan < 69 kv kv >138 kv THD 5,0 2,5 1,5 Distorsi Arus Harmonik Maksimum dalam % Nilai Fundamental I hs / IL THD < 20 * 5, , , ,0 > ,0 I hs = arus hubung singkat maksimum; IL = arus beban maksimum

27 Penyebab Terjadinya Harmonisa Pada sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier memberikan bentuk gelombang keluaran linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan perubahan tegangan. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar berikut: V Tegangan Garis Impedansi Beban Linier I Arus Gambar Karakteristik Gelombang Arus pada Beban Linier (Sumber : Analisa Penggunaan Single Tuned Filter Sebagai Salah satu Solusi Harmonik Pada Beban Rumah Tangga, Aris Pramnamto, FT, UI,2008, hal 10) Sedangkan beban non-linier memberikan bentuk gelombang keluaran arus yang tidak sebanding dengan tegangan dasar sehingga gelombang arus maupun tegangannya tidak sama dengan gelombang masukannya. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar berikut:

28 35 V Tegangan Garis Impedansi Beban Non Linier I Arus Gambar 2.25.a. Karakteristik Gelombang Arus pada Beban Non linier (Sumber : Analisa Penggunaan Single Tuned Filter Sebagai Salah satu Solusi Harmonik Pada Beban Rumah Tangga, Aris Pramnamto, FT, UI,2008, hal 10) Beban non-linier umumnya merupakan komponen semikonduktor yang pada proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang atau beban yang membutuhkan arus yang tidak tetap pada setiap periode waktunya. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan/distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter beban-beban non-linier yang terpasang.

29 36 R I r m s A C B e b a n Non Linier V. s i n. ( w t ) Gambar 2.25.b. Sistem yang mensuplai Beban Non Linier Efek Keberadaan Harmonisa Keberadaan harmonisa dalam suatu sistem tenaga listrik memberikan efek secara langsung maupun tidak langsung terhadap kualitas dan kehandalan sistem tersebut. Dalam sistem distribusi tenaga listrik aliran harmonisa menyebabkan terjadinya penurunan kualitas daya (power quality) dan beberapa masalah seperti meningkatnya nilai arus rms sehingga terjadi overload pada kondisi pembebanan yang seharusnya masih mampu disuplai sistem. Pada beberapa kasus, keberadaan harmonisa orde ketiga yang dihasilkan oleh beban-beban satu fasa menyebabkan terjadinya ketidakseimbangan aliran daya pada sistem tiga fasa sehingga arus pada kawat netral yang seharusnya bernilai nol menjadi bernilai tertentu yang seringkali melebihi kapasitas kawat tersebut. Akibatnya kawat netral mengalami overload. Selain itu distorsi harmonik juga dapat mengganggu serta menambah beban kerja alat-alat tersambung pada jaringan yang sama.

30 37 Beberapa hal yang bisa diakibatkan harmonik adalah sebagai berikut : Kondisi Power Faktor yang buruk. Meningkatnya aliran arus di kawat netral pada sistem tiga fasa Tegangan netral-tanah lebih besar dari 2 volt Berpengaruh pada alat alat yang sensitif terhadap gelombang listrik. Panas yang berlebihan pada line netral ( beban satu phase ). Panas yang berlebihan pada elecktro motor. Munculnya dengung (acoustic noise) pada transformer, switchgear. Pemanasan yang tidak normal pada transformer. Kerusakan pada alat koreksi factor daya (capacitor bank). Terjadi overload pada kondisi pembebanan yang seharusnya masih mampu disuplai sistem. Timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi mekanis akibat harmonik arus frekuensi tinggi. Menimbulkan tambahan torsi pada kwh meter jenis elektromekanis yang menggunakan piringan induksi berputar. Sebagai akibatnya, puratan piringan akan lebih cepat atau terjadi kesalahan ukur kwh meter karena piringan induksi tersebut dirancang hanya untuk beroperasi pada frekuensi dasar.

31 38 Tingkat harmonisa yang melewati standar dapat menyebabkan terjadinya peningkatan panas pada peralatan. Bahkan pada kondisi terburuk dapat terjadi gangguan (hanging up) bahkan kerusakan permanen pada beberapa peralatan elektronik yang sensitif termasuk komputer (Personal Computer). Selain itu juga dapat menyebabkan berkurangnya umur peralatan Triplen Harmonisa Triplen harmonik merupakan kelipatan ganjil dari harmonik ketiga (h = 3, 9, 15, 21, ). Triplen harmonik harus mendapat perhatian khusus, karena respon sistem yang terjadi saat triplen harmonik umumnya berbeda dengan respon dari orde harmonik yang lain. Triplen harmonik menjadi persoalan yang penting bagi sistem jaringan bintang yang ditanahkan (grounded wye systems) dengan arus yang mengalir pada netral sistem tersebut. Arus pada netral menjadi overload, karena arus antar fasanya tidak saling menghilangkan melainkan saling menjumlahkan. Terkadang, peralatan dapat salah beroperasi karena tegangan fasa yang terdistorsi cukup parah oleh triplen harmonik pada konduktor netral. Untuk lebih memahami triplen harmonik, berikut adalah gambar arus yang mengalir pada netral sistem akibat triplen harmonik:

32 39 Gambar Arus Netral pada Sistem Wye-Grounded Akibat Triplen Harmonik (Sumber : Analisa Penggunaan Single Tuned Filter Sebagai Salah satu Solusi Harmonik Pada Beban Rumah Tangga, Aris Pramnamto, FT, UI,2008, hal 16) Sistem pada gambar ini merupakan sistem yang seimbang, diasumsikan komponen harmonik ketiga hadir dalam sistem. Komponen arus fundamental dari setiap fasa yang mengalir pada konduktor netral sistem akan saling menghilangkan, namun ternyata pada sistem ditemukan bahwa arus pada konduktor netral tidak nol, melainkan ada komponen arus triplen harmonik dari ketiga fasa yang saling menjumlahkan. Sehingga arus triplen harmonik yang mengalir pada konduktor netral adalah tiga kali dari arus triplen pada setiap fasanya. Hal ini disebabkan karena fasa dan waktu dari arus triplen yang sama dari setiap fasanya.

33 Beban-beban Harmonisa Sumber harmonik secara garis besar terdiri dari 2 jenis yaitu peralatan yang memiliki kondisi saturasi dan peralatan elektronika daya. Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen yang bersifat magnetik seperti transformator, mesin-mesin listrik, tanur busur listrik, peralatan yang menggunakan power supply, dan magnetic ballast. Peralatan elektronika daya biasanya menggunakan komponen-komponen elektronika daya seperti tiristor, dioda, dan lainlain. Contoh peralatan yang menggunakan komponen daya adalah konverter statik, konverter PWM, inverter, pengendali motor listrik, electronic ballast, dan sebagainya. Pada rumah tangga, beban nonlinier terdapat pada peralatan seperti lampu hemat energi, televisi, video player, ac, komputer, dan kulkas/dispenser. Beberapa beban atau peralatan lain yang termasuk beban nonlinier antara lain : a. Penyearah (Rectifier). b. Inverter, pengubah arus searah menjadi arus bolak-balik. c. Pengubah frekuensi (Frequency Converteer) untuk mengatur putaran motor listrik. d. Tungku busur listrik. e. Lampu dengan pelepasan gas (Gas Discharge Lamp). f. Lampu hemat energi, dll.

34 41 Dengan timbulnya harmonisa maka kualitas listrik yang disalurkan menjadi menurun, ini karena bentuk gelombang dari tegangan atau arus tidak lagi sinusoida murni namun sudah mengalami distorsi Factor distorsi harmonisa dan distorsi harmonisa total Setelah gelombang periodik dipecah menjadi komponen sinusoidalnya, analisis kuantitatif dari bagian-bagiannya dapat dilakukan. Istilah faktor distorsi digunakan dalam analisis ini. Faktor distorsi harmonik didefinisikan sebagai : Faktor distorsi dapat mengacu baik pada tegangan atau arus. Istilah yang paling umum digunakan adalah total harmonic distortion (THD) yang dapat dihitung baik untuk tegangan maupun arus. Nilai distorsi harmonik total (THD) ditentukan dengan: dengan U1 adalah komponen fundamental suatu sinyal dan U2 sampai Un adalah komponen harmonik. 2.5 Filter Harmonisa Ganguan harmonisa yang cukup besar dapat mengakibatkan kualitas listrik menjadi buruk. Dalam usaha untuk meredam gangguan harmonisa yang dapat menyebarkan arus harmonisa ke bagian yang lain

35 42 dari suatu sistem kelistrikan yaitu dengan memasang filter harmonisa, yang diharapkan mampu menekan distorsi tegangan atau arus yang disebabkan oleh penggunaan beban-beban nonlinier seperti inverter dan konverter ysng merupakan peralatan semikonduktor. Selain itu, penggunaan filter harmonisa pada frekuensi dasarnya (50 Hz) dapat mengkompensasi daya reaktif dan memperbaiki faktor daya mencapai nilai yang diinginkan. Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih 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 beberapa cara untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan oleh beban tidak linier yaitu diantaranya: a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa dapat dikurangi peyebaran arusnya. b. Penggunaan filter aktif.

36 43 c. Kombinasi filter aktif dan pasif. d. Memasang Trafo Isolasi e. Memperbesar penampang kabel netral f. Menurunkan kapasitas transformator g. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain. Disamping sistem di atas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar Filter Pasif Filter pasif dipasang pada sistem dengan tujuan utama untuk meredam harmonisa dan tujuan lain yaitu untuk memperbaiki faktor daya, berupa komponen L, C yang dapat disetting untuk satu atau dua frekuensi. Dalam beberapa kasus, reaktor saja tidak akan mampu mengurangi distorsi harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Dalam kasus ini sangat diperlukan filter yang lebih baik.

37 44 Beban non- liniear Filter Pasif L C Gambar Filter pasif single tuned (Sumber : Filter pasif seperti pada Gambar 2.24 dipasang pada sisi sumber yang dipakai untuk melewatkan arus harmonisa agar tidak menuju ke sumber. Filter pasif terdiri dari kapasitor dan induktor yang dirangkai paralel terhadap beban non-linear. Dimana, rangkaian seri LC yang dirangkai paralel terhadap beban non-linear tersebut memiliki impedansi Z, yaitu : Z = R + atau Z = R +

38 45 Resonansi terjadi jika komponen imaginer dari Z sama dengan nol, dan pada saat resonansi ini impedansi rangkaian seri LC ini menjadi sangat kecil (mendekati nol / bahkan bernilai nol jika harga R diabaikan). Maka pada saat resonansi tersebut berlaku : = 2πL = = = = dimana : f = frekuensi setting ( L = Induktansi (Henry) C = Kapasitansi (Farad) Impedansi reaktif dan kapasitif untuk harmoni ke h, berlaku : dan

39 46 Pada saat resonansi : = = = dimana : = = Reaktansi Induktor reaktor = Reaktansi kapasitif kapasitor = h = Orde harmonik Penyaring ini selain berfungsi sebagai penyaring harmonik level tertentu, juga sekaligus dapat berfungsi sebagai kompensasi daya reaktif untuk meningkatkan faktor daya.

40 47 Gambar 2.28 Low pass filter harmonic (Sumber : Chapter%20II.pdf) Low pass filter harmonisa pada Gambar 2.25 sebagai penekan luas harmonisa, menawarkan pendekatan untuk meredam harmonisa. Filter dituning untuk harmonisa tertentu, filter tersebut menyaring semua frekuensi harmonisa, termasuk harmonisa ketiga. Filter tersebut terhubung secara seri dengan beban tidak linier dengan impedansi seri besar tersambung. Tidak perlu dilakukan tuning terhadap low pass filter. Karena ada impedansi seri yang besar. Sebaliknya mereka dipasok ke drive melalui kapasitor filter. Untuk alasan ini, sangat mudah untuk memprediksi tingkat distorsi yang akan dicapai dan untuk menjamin hasilnya. Sebuah low pass filter dapat dengan mudah menawarkan tingkat harmonisa arus serendah 8% sampai 12% Filter LCL Filter LCL adalah filter pasif yang terdiri dari komponenkomponen pasif R, L dan C, seperti pada Gambar 2.26.

41 48 Rf Lf R L Cf Rd Gambar 2.29 Filter LCL (Sumber : Chapter%20II.pdf) Dari Gambar 2.7 tampak bahwa sebuah filter LCL terbuat dari resistor (R) daninduktor (L) pada sisi penyearah, resistor (Rf) dan induktor (Lf) pada sisi jaringan, dan kapasitor Cf (teredam dengan resistor Rd). Filter LCL dapat mereduksi harmonisa arus karena arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah. Dengan pemasangan C, arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melalui kapasitor karena kapasitor memiliki impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Agar tegangan beban bebas harmonisa, dipasang filter C yang paralel dengan beban. Dengan menggunakan filter C ini semua riak arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban. Filter L biasanya dipasang secara seri terhadap beban. Dengan menggunakan filter L, arus yang mengalir melalui L akan sulit berubah berbanding lurus dengan besarnya L. Filter LCL diletakkan antara jaringan dan beban, seperti pada Gambar 2.8.

42 49 Rf Lf R L Cf L O A D Rd Gambar 2.30 Rangkaian Filter LCL pada Penyearah Terkendali 1 Fasa (Sumber : Chapter%20II.pdf) Filter LCL bertujuan untuk mengurangi harmonisa orde tinggi pada sisi jaringan, tetapi desain filter yang buruk dapat menyebabkan redaman yang lebih rendah dibandingkan dengan apa yang diharapkan. Penyearah arus harmonisa dapat menyebabkan kejenuhan induktor atau resonansi filter. Oleh karena itu, induktor harus benar dirancang dengan mempertimbangkan arus ripple, dan filter harus teredam untuk menghindari resonansi. Prosedur untuk memilih filter LCL menggunakan parameter seperti daya dari penyearah aktif, frekuensi jaringan dan frekuensi switching sebagai input. Nilai filter diperoleh sebagai persentase dari nilai dasar, yang diberikan dengan: - - -

43 50 Dimana: Z b : Impedansi dasar L b : Induktansi dasar (H) C b : Kapasitansi dasar (F) E n : Tegangan rms (V) P n : Daya aktif yang diserap oleh penyearah (Watt) n : Frekuensi jaringan (Hz) Filter Aktif Filter harmonisa aktif dirangkai dari komponen elektronika daya seperti IGBT atau MOSFET. Dengan menggunakan komponen ini, filter aktif mempunyai karakteristik yang berlawanan dengan filter pasif. Filter aktif merespon arus harmonisa relatif lebih bebas dari pengaruh kondisi pada sistem, mis: impedansi sistem. Dengan begitu, filter aktif mempunyai performen yang sangat ideal. Untuk menunjang performen filter aktif, maka dibutuhkan pealatan digital meliputi Analog to Digital converter dan sebaliknya, DSP(Digital Signal Processor) untuk kontroler, maupun FPGA untuk pembangkitan pulsa PWM. Termasuk pula penggunaan sensor tegangan/arus. Dengan perangkat seperti ini, Filter aktif relatif jauh lebih mahal dibanding filter pasif.

44 51 Gambar 2.31 Rangkaian Filter aktif Paralel (Sumber : Rangkaian filter aktif tipe paralel bisa dilihat di atas. Trafo pada rangkaian diatas bisa digunakan bisa tidak, tergantung dari rating komponen pada filter aktif. I S adalah arus dari jala-jala, I L adalah arus beban yang mengandung arus fundamental dan harmonisa, sedangkan I F merupakan arus filter yang sama dengan arus harmonisa pada I L. Sehingga secara sederhana bisa dirumuskan I S = I F + I L.

45 52 Gambar 2.32 Rangkaian Filter aktif Seri (Sumber : Filter aktif seri menggunakan trafo seri untuk menginjeksikan tegangan V AF. V AF yang diinjeksikan berperan sebagai impedansi untuk arus harmonisa. Untuk berperan sebagai impedansi, arus harmonisa yang mengalir di I S dideteksi. Kemudian filter aktif memberikan injeksi tegangan V AF = K. I sh.