PENGUJIAN HARMONISA DAN UPAYA PENGURANGAN GANGGUAN HARMONISA PADA LAMPU HEMAT ENERGI

Transkripsi

1 JETri, Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN PENGUJIAN HARMONISA DAN UPAYA PENGURANGAN GANGGUAN HARMONISA PADA LAMPU HEMAT ENERGI Liem Ek Bien & Sudarno* Dosen Jurusan Teknik Elektro FTI, Universitas Trisakti Abstract Harmonic (current or voltage) is one of the problems that has to be solved in electric power system, especially that caused by non-linear loads. Harmonic could cause bad impacts for the electric components that sensed it. It is almost certain that using of fluorescent lamp with electronic ballast or it is called energy saving lamp can cause harmonic in electric power system. Considering of the using of energy saving lamp is increased fairly fast as residence and office lighting, so it is important to analyze and solve the harmonic that caused by energy saving lamp. From the harmonic analysis, we can know the harmonic distortion caused by energy saving lamp. And there are some efforts to reduce such harmonic distortion by using a simple harmonic filter. Keyword: power quality, harmonic, harmonic filter. 1. Pendahuluan Mutu dari suatu produk sangat diperhatikan dalam suatu penjualan atau pembelian barang dan jasa. Pada bidang kelistrikan juga dikenal adanya mutu listrik. Pada dasarnya mutu listrik yang baik adalah listrik yang mempunyai tegangan dan frekuensi yang stabil (Sumani, 00: 40). Untuk di Indonesia, listrik yang bersumber dari PLN adalah dengan tegangan 0 volt dan frekuensi 50 Hz. Tegangan dan frekuensi yang tidak stabil bukan saja salah perusahaan listrik, tetapi peralatan-peralatan listrik yang digunakan konsumen juga dapat mempengaruhi mutu listrik. Terdapat banyak aspek yang dapat mempengaruhi berkurangnya mutu listrik. Salah satu aspek tersebut adalah timbulnya harmonisa pada gelombang listrik. Timbulnya harmonisa pada sistem tenaga listrik salah satunya disebabkan oleh adanya alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier. Contoh alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier adalah sebagai berikut (Marsudi, 00: ): a. Penyearah (Rectifier). b. Inverter, pengubah arus searah menjadi arus bolak-balik. * Alumni Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

2 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN c. Pengubah frekuensi (Frequency Converteer) untuk mengatur putaran motor listrik. d. Tungku busur listrik. e. Lampu dengan pelepasan gas (Gas Discharge Lamp). 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. Salah satu contoh peralatan dengan impedansi tidak linier yang sekarang pemakaiannya sangat berkembang adalah lampu hemat energi. Oleh karena itu perlu untuk menganalisa harmonisa yang disebabkan lampu hemat energi untuk mengetahui tingkat gangguan harmonisa yang dihasilkan.. Lampu Hemat Energi Pada prinsipnya lampu hemat energi merupakan lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik. Untuk itu, di bawah ini akan dijelaskan tentang lampu fluorescent dan ballast elektronik. Prinsip kerja lampu fluorescent adalah berdasarkan pelepasan elektron dari kutub negatif ke kutub positif. Elektron yang terlepas ini akan bertabrakan dengan atom gas yang diisikan ke dalam tabung tersebut. Tumbukan elektron dan atom gas ini akan menghasilkan elektron yang akan menabrak atom berikut, dan seterusnya. Adapun atom yang tidak cukup energi untuk lepas dari ikatan atom akan mengalami perpindahan dari tingkat energi rendah ke tingkat energi tinggi. Karena pada tingkat energi tinggi ini keadaan elektron tidak stabil maka ia akan kembali ke lintasan semula (tingkat energi lebih rendah) sambil mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang merupakan sinar ultra violet. Sinar ini oleh gas fluorescent dalam sisi tabung diubah menjadi sinar tampak. Tumbukan yang terjadi di dalam tabung kalau tidak dikendalikan, maka akan menyebabkan panas berlebihan dan tabung akan rusak. Untuk itu dipasang ballast yang berfungsi untuk mengendalikan arus yang mengalir ke dalam tabung lampu. Ballast dapat dibuat dari suatu kawat atau penghantar yang dililit sedemikian rupa atau berupa kumparan (choke coil) 54

3 Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan berinti besi. Selain itu juga ballast dapat dibuat dari rangkaian elektronik yang disenut ballast elektronik. Ballast ini mempunyai fungsi: a. Memberikan pemanasan mula pada elektroda untuk penyediaan elektron bebas dalam jumlah yang banyak. b. Memberikan gelombang potensial yang cukup besar untuk mengadakan bunga api antara kedua elektrodanya. c. Mencegah terjadinya peningkatan arus bunga api yang melebihi batas yang telah ditentukan dari setiap ukuran lampu. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya lampu hemat energi adalah lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik. Di bawah ini disebutkan beberapa keuntungan dari penggunaan dengan pemakaian ballast elektronik adalah: a. Start yang cepat tanpa kedip, dengan tidak menggunakan starter. b. Arusnya yang kecil yaitu 0,1 Ampere, sehingga pemakaian dayanya hemat. c. Tanpa efek stroboskop dan tidak menggunakan elektroda yang berkedip dan tidak berdengung (bising). d. Faktor daya rata-rata mendekati 0,85 sehingga tidak menggunakan kapasitor sebagai pengkoreksi faktor daya. Oleh karena itu lampu tabung fluorescent yang menggunakan ballast elektronik sangat cocok untuk ruangan yang membutuhkan tingkat keamanan yang tinggi, karena tingkat keamanan dan kuat penerangan yang dihasilkan sangat baik. 3. Harmonisa Harmonisa adalah deretan gelombang arus atau tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar tegangan atau arus itu sendiri. Bilangan bulat pengali pada frekuensi harmonisa adalah orde (n) dari harmonisa tersebut. Sebagai contoh, frekuensi dasar dari sistem kelistrikan di Indonesia adalah 50 Hz maka harmonisa kedua adalah x 50 Hz (100 Hz), ketiga adalah 3 x 50 Hz (150 Hz), dan seterusnya hingga harmonisa ke n yang memiliki frekuensi n x 50 Hz. Distorsi dari bentuk gelombang harmonisa-harmonisa yaitu kedua, ketiga dan seterusnya dijumlahkan dengan gelombang dasar, maka bentuk gelombang tegangan atau arus akan terdistorsi. 55

4 Ampere Ampere JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN Untuk lebih jelas, perhatikan Gambar di bawah ini. Pada gambar 1. menunjukkan sebuah gelombang dasar yang sempurna dengan nominal 3 Ampere pada frekuensi 50 Hz atau 0 milisecond per siklus. Sedangkan pada gambar. menunjukkan sebuah gelombang harmonisa arus orde ke-3. Jadi pada gambar tersebut besar arusnya adalah 1/3 dari arus gelombang dasar yaitu 1 ampere dengan frekuensi 150 Hz, atau 3 kali dari frekuensi gelombang dasar (Manumpil, 000: 7). 4 3 sin( 50 t) t Waktu (detik) Gambar 1. Bentuk Gelombang Arus Dasar yang Dihasilkan Generator 4 3 sin 50 3 ( t 3) t Waktu (detik) Gambar. Bentuk Gelombang Harmonisa Orde ke-3 56

5 Ampere Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan Suatu sinyal arus yang murni sinusoida, dihasilkan oleh suatu generator yang sedang mensuplai beban yang linear seperti yang terlihat pada Gambar 1. dan Gambar. menunjukkan suatu sinyal arus yang juga sinusoida namun memiliki amplitudo 1/3 kali dan frekuensi tiga kali sinyal pertama, dihasilkan bila suatu generator mensuplai beban non linier seperti lampu fluorescent atau komputer. Jadi, seandainya sinyal yang pertama dinyatakan dalam: i 1 = I sin (ωt) maka sinyal yang kedua adalah: i = (1/3) I sin (ωt). Apabila sinyal i 1 dan i di atas disuperposisikan, maka hasilnya adalah suatu sinyal yang dinyatakan sebagai: i 3 = i 1 + i = I [sin(ωt) + (1/3) sin(ωt)] yang bentuk sinyalnya adalah seperti Gambar 3. di bawah ini sin( 50 t) sin 50 3 ( t 3) t Waktu (detik) Gambar 3. Bentuk Gelombang Arus yang Terdistorsi Harmonisa Orde ke-3 57

6 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN Besar total gangguan dari harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), yang didefinisikan sebagai berikut: THD 100 Dimana: V n : tegangan harmonisa pada orde ke-n V 1 : tegangan fundamental (V rms ) V 1 V n (1) Dengan rumus yang sama, gangguan harmonisa total untuk arus juga dapat dihitung yaitu mengganti komponen V dengan I. Adanya harmonisa pada sistem tenaga listrik akan mengakibatkan berbagai efek, di bawah ini adalah pengaruh-pengaruh harmonisa pada sitem tenaga listrik (Sulistiyo, 003: 6). a. Saluran transmisi Aliran dari harmonisa arus pada konduktor akan menyebabkan bertambahnya rugi-rugi saluran sebagai akibat adanya pemanasan tambahan. Pemanasan tambahan ini disebabkan adanya arus harmonisa yang mengalir di saluran transmisi. b. Transformator Efek harmonisa pada transformator adalah harmonisa arus menyebabkan meningkatnya rugi-rugi tembaga yang dinyatakan dengan: Rugi Tembaga Pcu = I R () n n n 1 Selain dari itu harmonisa juga dapat menyebabkan pemanasan lebih pada isolasi, sehingga dapat mempersingkat umur penggunaan isolasi. c. Mesin-Mesin Berputar (Rotating Machines) Pada mesin-mesin berputar, harmonisa akan menimbulkan panas tambahan sehingga menambah rugi-rugi tembaga dan besi, yang berpengaruh pada efisiensi mesin. 58

7 Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan d. Bank Kapasitor (Capasitor Banks) Terjadinya distorsi tegangan menyebabkan rugi daya tambahan pada kapasitor yang ditunjukkan oleh: n 1 C tan n V n (3) dimana tan δ = R/(1/ωC) adalah faktor rugi; ω n = πnf dan V n adalah tegangan root mean square (V rms ) harmonisa ke-n. Pada frekuensi yang lebih tinggi, besar reaktansi dari kapasitor akan menurun sehingga arus harmonisa yang mengalir ke kapasitor juga semakin besar. e. Pengaruh harmonisa pada peralatan konsumen Peralatan elektronik pada konsumen juga dapat terpengaruh oleh harmonisa. a Pada televisi: harmonisa akan mempengaruhi nilai puncak tegangan yang dapat berdampak perubahan pada ukuran gambar TV dan kecerahan TV. b Komputer: dapat mengganggu sistem pemrosesan data karena tegangan supply terdistorsi. c Terjadi kesalahan pada pembacaan di alat pengkukuran, contohnya adalah kwh meter. 4. Pengujian Harmonisa Pada Lampu Hemat Energi Pengujian ini menggunakan alat power quality analyser dengan type Analyst 3Q buatan Lem Instrument-Austria. Analyst 3Q adalah alat yang digunakan untuk menguji kualitas daya (Power Quality), yang dapat digunakan pada sistem 3 phasa maupun 1 phasa. Alat ini dapat digunakan untuk mengukur tegangan, arus, daya baik aktif, reaktif maupun semu, frekuensi. Selain itu alat ini juga dapat digunakan untuk mengukur harmonisa baik arus maupun tegangan hingga orde ke-40. Untuk pengukuran arus, alat ini menggunakan transformator arus (CT), sehingga pada pengukuran arus alat ini dapat terpisah dari rangkaian yang akan diukur. 59

8 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN Lampu yang akan diuji adalah empat jenis lampu hemat energi dengan Watt yang berbeda-beda. Yaitu: Lampu A, 9 Watt. Lampu B, 14 Watt. Lampu C, 0 Watt. Lampu D, 6 Watt. Dan sebagai perbandingan, juga dilakukan pengujian pada lampu pijar dan lampu fluorescent dengan ballast konvensional. Berikut ini adalah data-data hasil pengujian yang telah dilakukan pada lampu hemat energi yang telah disebutkan di atas. Tabel 1. Data THD Total dan THD Orde ke-3, 5, 7 Harmonisa Arus No. Merek Watt THDtot (%) THD (%) ke-3 ke-5 ke-7 1 A 9 97,1 71,4 40,4 34, B 14 97,5 68,6 40,5 37, 3 C 0 98, 84,7 60,9 4,8 4 D 6 98,4 8,1 56,6 40, Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa lampu hemat energi menghasilkan harmonisa arus dengan THD yang besar sekali, khususnya harmonisa ganjil dengan yang paling dominan adalah harmonisa orde ke-3. Untuk lebih jelasnya dan untuk mengetahui besarnya harmonisa ganjil berikutnya perhatikan contoh gambar di bawah ini. 60

9 Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan Gambar 4. Contoh Data Hasil Pengujian Harmonisa Arus Pada Lampu A Sebagai perbandingannya perhatikan gambar-gambar di bawah ini. Gambar 5. THD Arus Pada Lampu Pijar Pada gambar 5. di atas dapat dilihat bahwa harmonisa arus yang dihasilkan lampu pijar adalah kecil sekali, yang paling besar hanya dengan THD %, yakni harmonisa orde ke-. 61

10 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN Gambar 6. THD Arus Pada Lampu Fluorescent Ballast Konvensional Besar THD harmonisa arus yang disebabkan lampu fluorescent dengan ballast konvensional dapat dilihat pada gambar di atas. Harmonisa arus yang dihasilkan umumnya adalah harmonisa ganjil dan yang paling dominan adalah harmonisa ke-3, tetapi THD-nya masih jauh lebih kecil jika dibanding pada lampu hemat energi. 5. Pengurangan Gangguan Harmonisa Yang Disebabkan Lampu Hemat Energi Dari data hasil pengujian, dapat dilihat bahwa THD yang disebabkan harmonisa arus besar sekali. Harmonisa arus yang menyebabkan THD yang besar adalah harmonisa ganjil. Hampir semua lampu hemat energi ini menghasilkan THD yang disebabkan harmonisa arus ini di atas 90 %. Hal ini tentunya akan menjadi sangat memprihatinkan jika pada sebuah instalasi terdapat beban yang besar berupa lampu hemat energi ini. Dari data yang diperoleh, diketahui bahwa harmonisa arus yang paling dominan atau yang menghasilkan THD paling besar adalah harmonisa arus orde ke-3 dan kemudian diikuti harmonisa arus orde ke-5 dan kemudian harmonisa arus ganjil lainya. Karena harmonisa arus yang menghasilkan THD paling besar pada lampu hemat energi adalah harmonisa arus orde ke-3, maka di bawah ini 6

11 Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan akan dianalisa penggunaan suatu penyaring (filter) sederhana dengan menggunakan rangkaian LC untuk menyaring harmonisa arus orde ke-3. Penyaring (filter) yang digunakan adalah filter shunt (paralel) yang berupa rangkaian LC saja dengan rangkaian seperti Gambar 7. AC L Lampu C Gambar 7. Rangkaian Penggunaan Filter Pada Lampu Hemat Energi Agar dapat menyaring harmonisa arus ke-3, besar induktansi induktor dan kapasitansi pada kapasitor harus dihitung dan pada frekuensi harmonisa ke- 3 harus memenuhi syarat sebagai berikut: X L = X C (4) Pada keadaan keadaan X L = X C dengan frekuensi 150 Hz ini, impedansi di jaringan LC tersebut akan kecil sekali, sehingga arus dengan frekuensi 150 Hz atau harmonisa arus orde ke-3 akan cenderung mengalir melewati rangkaian LC tersebut, sehingga harmonisa arus orde ke-3 tidak mengalir kembali ke sumber. 6. Kesimpulan Penggunaan lampu hemat energi sebagai penerangan dapat menghemat energi, tetapi sebaliknya penggunaan lampu hemat energi dapat menyebabkan gangguan harmonisa arus yang besar sekali. Penggunaan lampu hemat energi yang semakin meningkat dapat menyebabkan masalah baru pada sistem tenaga listrik. Lampu hemat energi menyebabkan harmonisa arus ganjil dengan THD yang besar sekali, dan harmonisa arus yang paling dominan adalah harmonisa arus orde ke-3. 63

12 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 004, Halaman 53-64, ISSN Mengingat harmonisa yang disebabkan penggunaan lampu hemat energi adalah harmonisa ganjil orde ke-3, maka pengurangan gangguan harmonisa yang disebabkan lampu hemat energi dapat dilakukan dengan menggunakan filter harmonisa ke-3. Daftar Pustaka 1. Manumpil, Godfried Bastian Pengurangan Harmonisa Pada Sistem Distribusi Listrik. Jakarta: Universitas Trisakti.. Marsudi, Djiteng, Ir. 00. Pengaruh Harmonisa Dalam Pasokan Tenaga Listrik. Prosiding Seminar Kiat Menghadapi Krisis Energi Listrik. Universitas Trisakti. Jakarta. 3. Sulistiyo, Tri Prabowo Studi Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik. Skripsi tidak diterbitkan. Jakarta: Universitas Trisakti. 4. Sumani, Sambodho, Ir. 00. Pengenalan Mutu Listrik. Prosiding Seminar Electric Power Quality. STT-PLN. Jakarta 64