PERENCANAAN DAN ANALISIS PENENTUAN LETAK FILTER HARMONIK PADA SISTEM TENAGA LISTRIK

Transkripsi

1 PERENCANAAN DAN ANALISIS PENENTUAN LETAK FILTER HARMONIK PADA SISTEM TENAGA LISTRIK Andi Syofian ), Anju Martulesi ), Nining Nadya 3) Dosen Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Padang ) Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Padang,3) Jln. Gajah Mada kandis Nanggalo Padang Telepon 75-55, syofian_andi@yahoo.com Abstrak Peran teknologi elektronika daya dalam sistem tenaga listrik sangat besar. Biasanya peralatanperalatan ini menarik arus dari sumber dengan bentuk nonsinusoidal atau mengandung harmonisa. Peralatan semacam ini diklasifikasikan sebagai beban non linear. Dengan adanya harmonisa, arus yang dipakai oleh beban menjadi tidak maksimal sehingga rugi-rugi menjadi bertambah dan berdampak terhadap penurunan faktor daya sistem. Faktor daya yang rendah mengakibatkan berkurangnya kehandalan dan kapasitas sistem, meningkatkan rugi-rugi tembaga, mengakibatkan menambah biaya pembangkitan oleh PLN. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis besarnya pengaruh harmonisa pada sistem tenaga, merancang tapis paralel pasif (TPP) sebagai minisator, dan menentukan letak TPP agar diperoleh pengurangan THDv yang optimum. Hasil penelitian ini memperlihatkan bahwa tapis paralel pasif (TPP) dapat direkomendasikan sebagai kompensator daya reaktif pada frekuensi fundamen dan sebagai meminisator harmonisa. Kata kunci : Harmonisa, Tapis Paralel Pasif PENDAHULUAN Dunia industri pada umumnya menggunakan peralatan berbasis elektronika daya. Biasanya peralatan-peralatan ini menarik arus dari sumber dengan bentuk nonsinusoidal atau mengandung harmonisa. Peralatan semacam ini biasanya diklasifikasikan sebagai beban nonlinier. Dengan adanya harmonisa, arus yang dipakai beban menjadi tidak maksimal sehingga rugi-rugi menjadi bertambah dan berdampak terhadap penurunan faktor daya sistem. Pihak PLN menetapkan faktor daya diatas dari.85, jadi apabila faktor daya sistem kurang dari yang ditetapkan maka perusahaan akan terkena denda (pinalty). Selain itu faktor daya yang rendah mengakibatkan berkurangnya keandalan dan kapasitas sistem, meningkatkan rugi-rugi tembaga (I. R), menambah biaya pembangkitan. Dengan perbaikan kualitas daya akan memperpanjang usia pakai peralatan dan mengurangi biaya perawatan. Kapasitor koreksi faktor daya (Bank Kapasitor BK) digunakan pada sistem untuk meningkatkan faktor daya akibat penggunaan beban induktif. Akan tetapi pada sistem tenaga dengan beban nonlinier yang terpasang, penggunaan BK justru akan menimbulkan banyak masalah. Diantaranya adalah impedansi kapasitor menurun dengan meningkatnya frekuensi. Akibatnya arus harmonisa akan cendrung mengalir pada kapasitor sehingga kapasitor bisa mengalami arus lebih dan cepat rusak. BK yang terpasang paralel dengan sumber akan membentuk rangkaian resonansi paralel dengan induktansi sumber. Jika frekuensi resonansi ini berimpit dengan frekuensi harmonisa maka akan terjadi resonansi, sehingga harmonisa beban akan diperkuat dan mengakibatkan sisi sumber bisa terjadi arus lebih dan tegangan lebih. Merujuk standart IEEE ada tiga solusi untuk mengendalikan arus harmonik, yaitu: Pergeseran fasa ( phase multiplication ) Injeksi atau kompensasi arus harmonik (harmonic compensation or injection) Tapis paralel (shunt filter) Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisis besarnya pengaruh harmonisa pada sistem tenaga. Dengan megetahui harmonisa yang ada maka timbul perkiraan mengunakan TPP sebagai minimisator. TEORI Harmonisa Harmonisa adalah satu komponen sinusoidal dari satu perioda gelombang yang mempunyai satu frekuensi yang merupakan kelipatan integer dari gelombang E-

2 Prosiding Seminar Nasional Teknoin 8 Bidang Teknik Elektro fundamental. Jika frekuensi fundamental suatu sistem adalah ƒo, maka frekuensi harmonisa orde ke-h adalah hƒo. Harmonisa biasa digunakan untuk mendefenisikan distorsi gelombang sinus arus dan tegangan pada amplitudo dan frekuensi yang berbeda.. Tegangan harmonisa ini muncul sebagai akibat dari adanya arus harmonisa yang mengalir pada jaringan arus bolakbalik. Tegangan ini akan berinterferensi dengan tegangan frekuensi dasar yang akan menyebabkan naiknya tegangan efektif. Gelombang arus maupun tegangan pada frekuensi harmonisa akan menghasilkan gelombang total. Gelombang ini dihasilkan dari superposisi pada bentuk gelombang dengan frekuensi berbeda. Gelombang dasar dan kelipatannya berbentuk deret harmonisa. Gelombang dasar disebut sebagai harmonisa pertama. Harmonisa kedua mempunyai frekuensi kedua dan seterusnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar. π/ π 3/ π Gambar Bentuk gelombang harmonisa Harmonik dasar Harmonik Harmonik ketiga Penyebab Harmonisa Harmonisa disebabkan oleh beban yang tidak seimbang, yang merupakan peralatan elektronik yang didalamnya terdapat komponen semikonduktor. Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linear dan beban non linier. Beban linier yang memberikan bentuk gelombang keluaran linier dimana arus yang mengalir akan sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan, sedang beban non linear bentuk gelombang keluarnya tidak sebanding dengan tegangan dalam tiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukan.beban non-linier yang terpasang pada sistem. Penggunaan beban ini yang mengakibatkan arus dan tegangan terdistorsi. Beban nonlinier yang terpasang menyebabkan arus bervariasi sehingga tak sebanding dengan tegangan selama setiap setengah perioda. A. Sinussoidal Murni B. Tegangan Harmonik C. Arus Harmonik Gambar. Bentuk gelombang arus dan tegangan harmonisa Total Harmonic Distortion (Thd) Untuk menyatakan besarnya kandungan arus dan tegangan harmonisa diperlukan suatu indeks umum yang disebut Total Harmonic Distortion (THD), yang didefenisikan sebagai berikut : THD tegangan : THD arus : THD h x () h THDI x () I Indeks ini didefenisikan sebagai perbandingan nilai rms komponen harmonik terhadap komponen dasar dan biasanya dinyatakan dalam persen (%). Induks ini digunakan untuk mengukur penyimpangan (deviation) dari bentuk gelombang satu perioda yang mengandung harmonik pada gelombang sinus sempurna. Untuk gelombang sinus ideal pada frekuensi fundamen, THD akan bernilai nol. Perhitungan Harmonisa Pada Jaringan Distribusi Untuk menghitung harmonisa pada jaringan distribusi, digunakan persamaan-persamaan berikut ini: Tegangan harmonisa Tegangan harmonisa ditentukan dengan persamaan mh x x sin ϕ v Arus Arus harmonisa ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: I mh I x x sin ϕ i (4) Faktor daya Faktor daya harmonisa ditentukan dengan persamaan ϕ h ϕ v - ϕ i (5) I h h E-

3 ISBN : Yogyakarta, November 8 Daya reaktif Daya reaktif harmonisa ditentukan dengan persamaan Q h h x I h x Sin ϕ h (6) Daya aktif Daya aktif harmonisa ditentukan dengan persamaan P h h x I h x Cos ϕ h (7) Daya semu Daya semu harmonisa ditentukan dengan persamaan S h P h + jq (8) Sehingga jika dibandingkan dengan nilai THD arus yang terukur akan didapatkan persentase kesalahannya ( THDukur THDhitung) % E THD x% THDukur (9) Filter Pasif (Passive Filter) Filter pasif terdiri dari elemen induktansi, capasitansi dan resistansi (RLC). Rangkaian tapis pasif pelewat rendah yang terdiri dari komponen induktan L, tahanan dalam R dan kapasitor C, maka kwalitas atau ketajaman penalaan tapis sangat dipengaruhi oleh faktor kualitas (quality factor) Q yang dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan (). ωl Q R ω CR R L C () Pada penelitian ini nilai induktansi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan () dengan menetukan nilai kapasitornya L Hendry () ω C C Farad () L ω Gambar 3. Rangkaian filter pasif pelewat rendah Tipe filter pasif yang digunakan adalah tipe LC, dimana nilai impedans rangkaian filternya dapat ditentukan dengan persamaan (7) pada sisi sumber atau input, dan pada sisi out put nilai impedans dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (3). Z R + jωl + (3) jωc Z (4) jωc Bagian imajiner impedans pada persamaan (.) akan mempunyai nilai nol jika : ωl (5) ωc sehingga nilai ω adalah ω (6) LC dimana ω πf dengan f merupakan frekuensi resonansi atau cut-off dimana nilai impedansi bagian imajiner pada frekuensi ini adalah nol (David Irwin, 996) Tipe yang paling sederhana dari filter pasif adalah Tapis Penala Tunggal (TPP), tersusun dari tahanan R induktans L dan capasitans C yang terhubung seri seperti pada gambar 3a Hubungan antara impedansi tapis dan frekuensi untuk nilai R, L dan C tertentu diperlihatkan pada gambar 3b dengan frekuensi resonansi 5 Hz Impedansi tapis: Z R + j ωl (7) ω C Nilai impedansi tergantung pada nilai R, L, C dan f. Sedangkan Q didefinisikan sebagai perbandingan induktans (atau kapasitans) dan tahanan pada frekuensi resonansi. Nilai impedansi terkecil terjadi pada ω apabila: ω L ωc (8) Nilai Q menentukan Ketajaman penalaan dengan Q adalah: X Q (9) R Tapis peredam orde pertama terdiri atas tahanan R dan indukatans L yang tersusun seri. Hubungan antara impedansi dan frekuensi untuk nilai R dan L tertentu dengan Impedansi tapis adalah: Z R + jωl () Nilai impedansi tergantung pada nilai R, L dan f, sedangkan kecuraman grafik pada tergantung pada Q dengan Q adalah: Q X () R Filter pasif tersusun dari kapasitor dan induktor yang bekerja pada frekuensi yang di serttingkan dengan cara menahan sebahagian frekuensi sesuai dengan rancangan filter. E-3

4 Prosiding Seminar Nasional Teknoin 8 Bidang Teknik Elektro Hubungan Harmonisa Dengan Dengan adanya harmonisa yang mencemari sistem distribusi elektrik maka sistem akan bekerja dari peralatan-peralatan elektronik juga terganggu, selain itu harmonisa mengakibatkan pengaruh buruk pada faktor daya. Semakin besar kandungan harmonisa maka semakin besar pula nilai THD. Akibatnya, semakin besar nilai THD maka semakin besar pula perbedaan antara nilai rms arus total dengan nilai rms arus dasar. C φ. π.f.x C THD sebelum penempatan filter pasif: THD Cosϕ x% THD setelah penempatan filter pasif: THD x% Cosϕ (35) (36) (37) Daya sesaat yang diserap beban adalah: P S I S () Daya ini mempunyai nilai rata-rata P S I S cos φ (3) Jadi hanya komponen dasar aruslah yang ikut berkontribusi pada daya rata-rata beban. Daya komplek atau data tampak (apparent power) dari beban adalah: S S I S (4) Faktor daya beban didefinisikan P I PF cosφ (5) S I S Dimana cos φ adalah faktor daya konvensional atau faktor daya beban jika arusnya sinusoidal. Perhitungan Pemasangan Filter Pasif Untuk Mengurangi Harmonisa Daya semu beban dihitung dengan persamaan: MW MA beban (6) PF Daya reaktif sebelum kompensasinya adalah: MAR MA (sin cos - φ) (7) Daya reaktif sesudah kompensasi adalah: MW MA (sin cos - φ ) (8) Daya aktif sesudah kompensasi adalah: MW MA (cos φ ) (9) Maka didapatkan: MAR kapasitor MAR sebelum kompensasi MAR sesudah kompensasi (3) MA sistem sesudah kompensasi MW + jmar (3) Sehingga didapat : MW cos φ (3) MA Filter terhubung Y (wye) dan kapasitansi kapasitor sama untuk setiap filter, yaitu: Qφfilter I C-φ (33) L L 3 sinφ3 ph X C (34) IC METODE PENELITIAN Dalam penelitian ini dilakukan perhitungan pengaruh harmonisa yang terjadi di Kampus Institut Teknologi Padang, terutama akibat dari beban non-liner yang digunakan. Metode Pengambilan Data Metode pengambilan data yang digunakan adalah dengan melakukan observasi langsung kelapangan, setelah itu melakukan analisa perhitungan yang terkait dengan data yang telah diperoleh. Metode Perhitungan Dan Analisa Data Jalannya penelitian mempunyai aturan-aturan khusus dalam memasukkan data untuk dianalisis, yang disebut sebagai prosedur simulasi seperti ditunjukkan pada Gambar 4 Pengumpulan data yang telah didapat I,,P, Q, Cosϕ dan S. Menentukan jenis filter. menghitung besarnya filter Membandingkan kondisi sebelum dan sesudah pemakaian filter LC Tidak Mulai Ya Selesai Gambar 4. Diagram Alir langkah Penelitian E-4

5 ISBN : Yogyakarta, November 8 HASIL DAN PERANCANGAN Untuk mengatasi permasalahan harmonisa pada system tenaga di kampus ITP, dapat dilakukan penyaringan harmonisa dengan menggunakan filter pasif terdiri dari elemen induktansi, capasitansi dan resistansi (R, L dan C). Elemen-elemennya relative murah dibandingkan dengan elemen yang lain dan digunakan untuk mengurangi distorsi harmonik. Data Hasil Pengukuran Dan Perhitungan Harmonisa Pada Main Distribution Panel Kampus ITP Tabel. Besaran Data Sistem Kelistrikan Main Panel Distribution kampus ITP Nilai R S T Keterangan I rms 469A 54A 89A Arus efektif rms 4, 3,3,9 Tegangan efektif P 4.8 kw. kw 79.7 kw Daya aktif Q.3KAR 7.KAR 34.4KAR Daya reaktif cos ϕ,75,79,8 Faktor daya Tabel. O rd e F 5 HZ 5 HZ 5 HZ Frekuensi (olt) Data Harmonisa di Kampus ITP, hasil Perhitungan Phasa R I (A) Harmonisa Q P (W) (AR) S (A) cos ϕ -96,68,98 -,6 -,6 5,4,77-4,98,99 3 3,9,33 7,53 77,7 6,78, 4,33-5,3 -,4 -,65,,3 5-3,44 -,86,775, 4,,94 6,7 -,64 7 -,36-5,345 3,63 6,4 -,663,5 8,74,654,9,6,3,83 9,73-4,433,3 -,9,43, Phasa R Orde Harmonik Gambar 5. Grafik fungsi hasil perhitungan orde harmonisa terhadap faktor daya pada phasa R Tabel 3. Data Harmonisa di Kampus ITP, hasil Perhitungan Phasa S Or de (olt) I (A) P (W) Harmonisa Q (AR ) S (A) cos ϕ 7,55 687, ,8,97 3 5,4,8,56 5,9-8,9-3,,3,93 3,57,55 4,34-5,43 3,7,84 4,6,48,8 -,3,,93 5 4,9,66 3,85 45,7 4,6,58 6 8,48,49 4,95,75 4,9,34 7,85 6,9 -,8-5,,,7 8,47,43 9,8,456,3 5,4,, Phasa S Orde Harmonik Gambar 6. Grafik fungsi hasil perhitungan orde harmonisa terhadap faktor daya pada phasa S Tabel 4. Data Harmonisa di Kampus ITP, hasil Perhitungan Phasa T Orde (olt) Harmonisa I (A) P (W) Q (AR) S (A) cos ϕ 68,4 86, 493,66 386,5 5487,7,99,7 7,3,53,,6,78 3 3, 6,38-9,93 9,73 56,9,5 4, 3,6,39,7,36,99 5 3,39,85 5,85 5,8 88,3,7 6,9,3,7 98,99 7,67,9,74-8,8,56 -,83 8,4,93 9,9, Phasa T Orde Harmonik Gambar 7. Grafik fungsi hasil perhitungan orde harmonisa terhadap faktor daya pada phasa T Dari hasil pengukuran dan perhitungan harmonisa yang terjadi sangat berpengaruh terhadap faktor daya pada Main Distribution Panel ITP. Jika harmonik besar, faktor daya akan mengecil sebaliknya jika harmonik kecil, maka faktor daya akan membaik. E-5

6 Prosiding Seminar Nasional Teknoin 8 Bidang Teknik Elektro Selanjutnya akan dilakukan perhitungan dengan memperbaiki data faktor daya yang terburuk. Sehingga dapat ditentukan kapasitas filter yang akan dipasang. S Pada Phasa R Faktor daya (cos φ) :,75 Faktor daya yang diinginkan (cos φ) :,9 Maka : MW MA beban PF,48,75,39 MA Daya reaktif sebelum kompensasinya adalah: MAR MA (sin cos - φ ),39 (sin cos-, 75) j,9 MAR Daya reaktif sesudah kompensasi adalah: MAR MA (sin cos - φ ),39 (sin cos-, 9) j,686 MAR Daya aktif sesudah kompensasi adalah: MW MA (cos φ ),39 (, 9),5 MW Maka didapatkan: MARkapasitor MARsebelum kompensasi MARsesudah kompensasi j,9 j,6 MAR j,3 MAR MARsistem sesudah kompensasi j,9 j,3 j,6 MAR MA Sitim sesudah kompensasi MW + jmar,5 + j,6,387 /5,6 MAR Sehingga: MW P.5 Cos φ,9 MA S.38 Dari analisa diatas didapatkan daya reaktif kapasitor sebesar,3 MAR atau sebesar 3 kar maka kapasitor daya reaktifnya Q filter 3 kar φ 3 φ - φ 4,4 5,84 5,56o Sin (φ 3 ) Sin (5,56 ),68 Q φfilter 3 I C ϕ L L x 3xsinϕ3 38x 3x,68,75A X C ph , 4Ω I,75 C Berdasarkan hasil perhitungan di atas maka didisain filter dengan pemasangan kombinasi keduanya dapat mereduksi harmonisa Filter yang digunakan merupakan tapis filter pasif. Dalam perencanaan ini nilai kapasitor yang didapatkan adalah sebesar,5µf untuk phasa R dan,7µf untuk phasa S, maka kita tetapkan nilai Kapasitor atau C µf. Setelah nilai kapasitor ditetapkan maka nilai L dapat ditentukan dengan persamaan yaitu : L Hendry ω C maka untuk C, µf L ϖ C ( π f). µf 5,7 H,979 Jadi rangkaian kombinasi yang dapat digunakan untuk meredukasi harmonisa yang terjadi adalah : C µf dan L 5,7H. Rangkaian filter untuk harmonisa adalah 38. 5Hz 3 s C µf L 5,7 H Gambar 8. Komponen Filter Pasif Data Hasil Pengukuran Pada Main Distribution Panel Kampus ITP Setelah Pemasangan Filter Berdasarkan hasil pengukuran setelah pemasangan filter, maka didapat data-data sebagai berikut. Tabel 5 Data harmonisa phasa R main panel distribution ITP: Orde Tegangan, (olt) Arus, I (A) Nilai Sudut (ϕ v) Nilai Sudut (ϕ i) 8, 455,8A -9,4-7,8A -79 3, ,9A 34.5,6A 46,3 69 6A - 63, -44,6A -63,3-48 3,6a -76, 33 5,9A ,3A - 38 THD (%),4 6,5 E-6

7 ISBN : Yogyakarta, November 8 Tabel 6. Orde Data harmonisa phasa S main panel distribution ITP Tegangan, (olt) Arus, I (A) Nilai Sudut (ϕ v) Nilai Sudut (ϕ i) 6, -4 58,3A -55,8-65 3,8A -64,3-86,4A -58,9-33,4A -34 5,5-65 4,5A -98,98-84,3A -8 3, -36 9,A ,3A -6,4-64,A - 35 THD (%), 8, Perubahan Phasa S orde Phasa S Sebelum Pemasangan Filter Phasa S Setelah Pemasangan Filter Gambar. Grafik Perubahan faktor daya pada phasa S (Sebelum dan Setelah pemasangan filter) Tabel 7. Orde Data harmonisa phasa T main panel distribution ITP Tegangan, (olt) Arus, I (A) Nilai Sudut (ϕ v) Nilai Sudut (ϕ i) 3,3-73,8-9,4-6 8,8A -84, ,9A -59, -3 3,7A 6 5, - 6,4A -54,4-3,A -34,9-49,9A 9, -49,A 9, -54,6A -5 THD (%),6 9,5 Dengan mengunakan persamaan dan langkah perhitungan yang sama untuk masing-masinmg orde pada tiap phasanya pada hasil pengukuran setelah dipasang filter, maka dapat ditentukan besar harmonik dan faktor daya (Cos ϕ) pada phasa R,pada phasa S, dan phasa T. Perubahan faktor daya sebelum dan setelah pemasangan filter untuk masing-masing phasa adalah sebagai berikut. Tabel 8. Perubahan faktor daya Sebelum dan Setelah Pemasangan Filter. Or de Sebelum Pemasan gan Filter Phasa R Phasa S Phasa T Setelah Setelah Sebelum Sebelum Pemasa Pemasa Pemasan Pemasan ngan ngan gan Filter gan Filter Filter Filter Setelah Pemasa ngan Filter faktor daya Perubahan Faktor daya pada Phasa R orde Phasa R Sebelum Pemasangan Filter Phasa R Setelah Pemasangan Filter Gambar 9. Grafik Perubahan faktor daya pada phasa R (Sebelum dan Setelah pemasangan filter) Perubahan Faktor daya Phasa T Orde Phasa T Sebelum Pemasangan Filter Phasa T Setelah Pemasangan Filter Gambar. Grafik Perubahan faktor daya pada phasa T (Sebelum dan Setelah pemasangan filter) PENUTUP Kesimpulan Dari penelitian dan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada sistem kelistrikan kampus ITP, maka dapat diambil kesimpulan. Harmonisa yang terjadi pada main panel distribution kampus Institut Teknologi Padang dapat dikurangi dengan cara pemasangan filter pasif dengan C µf dan L 5,7 H. Filter pasif dapat memperkecil harmonik dan memperbaiki faktor daya, Pada phasa R. faktor daya yang disebabkan adanya harmonisa,3, tapi setelah pemasangan filter dapat diperbaiki menjadi,56. Pada phasa S faktor daya dari, dapat diperbaiki menjadi,99, sedangkan pada phasa T faktor daya yang disebabkan adanya harmonisa yaitu,5 dapat diperbaiki menjadi,4. Saran. Tapis filter dapat dirancang sesuai dengan keadaan dan kondisi jaringan.. Untuk mengurangi harmonisa dapat dilakukan dengan penyaringan harmonisa, injeksi harmonisa dan pergeseran fasa. DAFTAR PUSTAKA [] IEEE Standard 59 99, IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. [] Arillaga.J, Smith BC, Watso. NR., 997, Power System Harmonics Analysis, John Wiley. [3] Stevenson.W.D, 99, Analisa Sistem Tenaga Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta. E-7

8 Prosiding Seminar Nasional Teknoin 8 Bidang Teknik Elektro [4] Nababan. S, November, Tapis Paralel Pasif untuk mengurangi distorsi harmonik beban taklinier (permodelan, analisis dan desain), UGM E-8