ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Oleh : NAMA : SOFIAN HANAFI HARAHAP NIM : 080402003 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA Oleh : NAMA : SOFIAN HANAFI HARAHAP NIM : 08 0402 003 Tugas akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 19 bulan Januari tahun 2013 di depan penguji : 1) Ir. Eddy Warman : Ketua Penguji : 2) Ir. Raja Harahap, MT : Anggota Penguji : 3) Ir. Syamsul Amin, M.Si : Anggota Penguji : Disetujui Oleh : Pembimbing Tugas Akhir (Ir. Masykur Sjani, MT) NIP : 19511030198103 1 001 Diketahui oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU (Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si) NIP :19540531 198601 1 002
ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA NAMA Oleh : : SOFIAN HANAFI HARAHAP NIM : 08 0402 003 Tugas akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 19 bulan Januari tahun 2013 di depan penguji 1) Ir. Eddy Warman : Ketua Penguji 2) Ir. Raja Harahap, MT : Anggota Penguji 3) Ir. Syamsul Amin, M.Si : Anggota Penguji Diketahui oleh : Disetujui Oleh : Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir (Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si) (Ir. Masykur Sjani, MT) NIP :19540531 198601 1 002 NIP : 19511030 198103 1 001
ABSTRAK Energi listrik aktif yang digunakan oleh pemakai atau pelanggan diukur atau dicatat dengan kwh meter. Pada penelitian ini, kwh meter yang dipakai penulis untuk mengukur atau mencatat energi yang terpakai adalah kwh meter jenis induksi. kwh meter memiliki piringan yang berputar berdasarkan torsi yang dihasilkan yang sebanding dengan daya yang dipakai. Torsi ini juga dipengaruhi oleh harmonisa. Harmonisa ditimbulkan oleh beban nonlinier. Pada tulisan ini dianalisis seberapa besar pengaruh beban nonlinier terhadap kinerja kwh meter induksi satu fasa. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa adanya harmonisa mengakibatkan energi yang terukur dan persentase kesalahan pembacaan kwh meter semakin besar jika dibandingkan tanpa harmonisa.komposisi harmonisa arus dan tegangan tiap-tiap beban yang paling dominan adalah harmonisa ke-3, harmonisa ke-5, dan harmonisa ke-7 serta persentase kesalahan pembacaan kwh meter dan THD I terbesar pada penelitian ini terjadi pada pembebanan laptop yaitu sebesar 41.69 % dan 143.64 %.
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 Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan ke junjungan Rasulullah Muhammad SAW. Tugas akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu ayahanda (Samsul Rizal Harahap ), dan ibunda ( Nur Asiah Nasution ), serta adik-adikku yang sangat saya sayangi (Maya Sari, Azizah Fitri, Abdul Rouf assalam, Azwir Amir Sadi, Ilham Suhairi, Aulia Rahman, Misna Arwani, Ummi Hani, Erda Mustika, Dina lestari, Sri Indah Juliani, Afifah Fajri Aini, Lutfi Aditya) yang senantiasa mendukung dan mendo akan dari sejak penulis kuliah hingga sekarang. Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah : ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA
Selama masa perkuliahan sampai masa penyelesaian tugas akhir ini, penulis banyak memperoleh bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada: 1. Bapak Ir. Masykur Sjani, MT, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas segala bimbingan, pengarahan dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Yulianta Siregar ST, MT selaku dosen Wali penulis atas bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.si selaku Pelaksana Harian Ketua Departemen Teknik Elektro FT-USU dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU. 4. Bang Isroy, ST, selaku pegawai di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU yang telah banyak membantu Penelitian ini. 5. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU. 6. Semua keluarga yang ada di Pijorkoling, Bandar Selamat, dan Sei Rotan. 7. Roihan Anshori, yang selalu mendukung penulis dan tak henti-hentinya memberi semangat kepada penulis. 8. Teman-teman angkatan 08, Harmoko (terimakasih atas motivasinya), Teguh Eko (terimakasih atas masukan-masukannya), Syahrizal, Eka Rahmad (terimakasih atas kerjasamanya), Syukur, Fakhrurazi, Prajiwajhari, dan seluruh teman-teman Elektro 08 lainnya, terimakasih atas dukungannya.
9. Semua abang senior bang Irham 07, bang Habibi 07, bang Binsar 07, bang Fauzan 07, dan adik junior yang telah mau berbagi pengalaman, masukkan, dan motivasi kepada penulis. 10. Asisten Laboratorium Pengukuran Besaran Listrik Agung, Dimas, Rizal, Tondi, dan tidak lupa juga kepada Wangto, Rizki, Budi, Doni, Reza yang telah banyak membantu dan mendukung penulis dalam penelitian. 11. Dan pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. 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 Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat khususnya bagi penulis pribadi maupun bagi semua pihak yang membutuhkannya. Kepada Allah SWT jualah penulis menyerahkan diri. Medan, Januari 2013 Penulis Sofian Hanafi Harahap NIM : 080402003
DAFTAR ISI ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... i ii v DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Batasan Masalah... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum... 6 2.2 Prinsip Kerja kwh Meter Satu Fasa... 6 2.3 Kesalahan kwh Meter... 14 2.3.1 kwh Meter Pada Pembebanan Konstan.... 14 2.3.2 Menghitung Kesalahan kwh Meter... 15 2.4 Rangkaian Ekivalen kwh Meter Satu Fasa... 17 2.5 Jaringan Meter Listrik... 18
2.5.1 1 Phasa (phasa tunggal)... 18 2.6 Perhitungan kwh Meter... 19 2.7 Beban... 19 2.7.1 Beban Linier.... 19 2.7.2 Beban Nonlinier.... 21 2.8 Harmonisa... 22 2.8.1 Standard Distorsi Harmonisa.... 24 2.8.2 Persamaan Harmonisa.... 26 2.8.3 Sumber Harmonisa.... 32 2.8.3.1 Pada Sisi Pembangkitan.... 32 2.8.3.2 Pada Sisi Penyaluran.... 33 2.8.3.3 Pada Sisi Beban.... 33 2.8.4 Jenis-Jenis Harmonisa.... 34 2.8.5 Dampak Harmonisa Pada Peralatan.... 38 2.8.6 Identifikasi Harmonisa Pada kwh Meter Induksi.... 41 2.8.7 Alat Ukur Harmonisa.... 41 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Umum... 43 3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 43 3.3 Lama Penelitian... 43 3.4 Pendekatan Penelitian... 44 3.5 Obyek Penelitian... 44 3.6 Variabel Penelitian... 44
3.7 Metode Pengumpulan Data... 45 3.7.1 Metode Dokumentasi... 45 3.7.2 Metode Observasi... 45 3.8 Langkah-Langkah Penelitian... 45 3.8.1 Tahap Persiapan.... 45 3.8.2 Tahap Pengambilan Data.... 46 3.9 Teknik Analisis Data... 47 3.10 Alat dan Bahan.... 48 3.11 Rangkaian Pengujian.... 49 3.12 Prosedur Pengujian.... 49 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Umum... 51 4.2 Hasil Penelitian... 51 4.2.1 Pengujian Beban Linier... 52 4.2.1.a Analisa Data Persen Kesalahan Beban Linier 52 4.2.2 Pengujian Beban Nonlinier dan Campuran... 55 4.2.3 Pengujian Pada Beban 5XL... 55 4.2.3.a Analisa IHD Tegangan Untuk Beban 5 XL... 56 4.2.3.b Analisa IHD Arus Untuk Beban 5 XL... 56 4.2.3.c Analisa THD Arus dan Tegangan Untuk Beban 5 XL... 57 4.2.3.d Analisa Persen Kesalahan Pada Beban 5 XL. 57 4.2.3.e Analisa Persen Kesalahan Tiap
Orde Harmonisa Pada Beban 5 XL... 58 4.2.3.f Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Pada Beban 5 XL... 59 4.2.4 Pengujian Pada Beban 2 TL... 61 4.2.4.a Analisa IHD Tegangan Untuk Beban 2 TL... 61 4.2.4.b Analisa IHD Arus Untuk Beban 2 TL... 62 4.2.4.c Analisa THD Arus dan Tegangan Untuk Beban 2 TL... 62 4.2.4.d Analisa Persen Kesalahan Pada Beban 2 TL. 63 4.2.4.e Analisa Persen Kesalahan Tiap Orde Harmonisa Pada Beban 2 TL... 63 4.2.4.f Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Pada Beban 2 TL... 64 4.2.5 Pengujian Pada Beban 5 XL dan 2 TL... 65 4.2.5.a Analisa IHD Tegangan Untuk Beban 5 XL dan 2 TL... 66 4.2.5.b Analisa IHD Arus Untuk Beban 5 XL dan 2 TL... 66 4.2.5.c Analisa THD Arus dan Tegangan Untuk Beban 5 XL dan 2 TL... 67 4.2.5.d Analisa Persen Kesalahan Pada Beban 5 XL dan 2 TL... 67 4.2.5.e Analisa Persen Kesalahan Tiap Orde Harmonisa Pada Beban 5 XL dan 2 TL. 68
4.2.5.f Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Pada Beban 5 XL dan 2 TL... 70 4.2.6 Pengujian Pada Beban Laptop... 71 4.2.6.a Analisa IHD Tegangan Untuk Beban Laptop... 72 4.2.6.b Analisa IHD Arus Untuk Beban Laptop... 72 4.2.6.c Analisa THD Arus dan Tegangan Untuk Beban Laptop... 73 4.2.6.d Analisa Persen Kesalahan Pada Beban Laptop... 73 4.2.6.e Analisa Persen Kesalahan Tiap Orde Harmonisa Pada Beban Laptop... 73 4.2.6.f Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Pada Beban Laptop... 75 4.2.7 Pengujian Pada Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 76 4.2.7.a Analisa IHD Tegangan Untuk Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 77 4.2.7.b Analisa IHD Arus Untuk Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 77 4.2.7.c Analisa THD Arus dan Tegangan Untuk Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 78 4.2.7.d Analisa Persen Kesalahan Pada Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 78 4.2.7.e Analisa Persen Kesalahan Tiap Orde
Harmonisa Pada Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 79 4.2.7.f Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Pada Beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 81 4.3 Grafik... 82 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 83 5.2 Saran... 83 DAFTAR PUSTAKA... 84
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Prinsip suatu meter penunjuk energi listrik arus bolak-balik (jenis induksi)... 7 Gambar 2.2 Arus -arus eddy pada suatu piring... 8 Gambar 2.3 Diagram phasor tegangan dan arus pada alat ukur induksi... 10 Gambar 2.4 Diagram phasor tegangan dan arus pada kwh meter 12 Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen kwh meter satu fasa... 18 Gambar 2.6 Skema diagram 1 phasa 2 kawat... 18 Gambar 2.7 Kurva Arus-Tegangan beban linier... 20 Gambar 2.8 Bentuk gelombang pada beban linier... 20 Gambar 2.9 Rangkaian pengganti untuk beban linier... 21 Gambar 2.10 Kurva Arus-Tegangan beban nonlinier... 22 Gambar 2.11 Rangkaian pengganti untuk beban nonlinier... 22 Gambar 2.12 Bentuk gelombang pada beban nonlinier... 23 Gambar 2.13 Gelombang fundamental, harmonisa ketiga dan hasil penjumlahannya... 24 Gambar 2.14 Bentuk grafik fungsi ganjil... 29 Gambar 2.15 Bentuk grafik fungsi genap... 30 Gambar 2.16 Perubahan bentuk gelombang akibat adanya harmonisa... 34 Gambar 2.17 Fundamental fasor... 36
Gambar 2.18 Fasor harmonik urutan negatif... 36 Gambar 2.19 Fasor harmonik urutan nol... 37 Gambar 2.20 Power System Multimeter... 42 Gambar 2.21 Sistem pengawatan PSM... 42 Gambar 3.1 Rangkaian pengujian... 49 Gambar 4.1.a Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 XL... 60 Gambar 4.1.b dan c Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 XL... 60 Gambar 4.1.d Grafik % error terhadap orde harmonisa beban 5 XL... 60 Gambar 4.2.a Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 2 TL... 64 Gambar 4.2.b dan c Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 2 TL... 65 Gambar 4.2.d Grafik % error terhadap orde harmonisa beban 2 TL... 65 Gambar 4.3.a Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 5 XL dan 2 TL... 70 Gambar 4.3.b dan c Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 5 XL dan 2 TL... 70 Gambar 4.3.d Grafik % error terhadap orde harmonisa beban 5 XL dan 2 TL... 71 Gambar 4.4.a Bentuk gelombang arus dan tegangan beban
Laptop... 75 Gambar 4.4.b dan c Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban Laptop... 76 Gambar 4.4.d Grafik % error terhadap orde harmonisa beban Laptop... 76 Gambar 4.5.a Bentuk gelombang arus dan tegangan beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 81 Gambar 4.5.b dan c Spektrum dari gelombang tegangan dan arus beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 81 Gambar 4.5.d Grafik % error terhadap orde harmonisa beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL... 82 Gambar 4.6 Grafik energi sebenarnya (E S ) terhadap % THD I... 82 Gambar 4.7 Grafik % kesalahan pembacaan terhadap % THD I... 82
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Perbandingan penelitian terdahulu dengan penelitian yang akan dilakukan... 2 Tabel 2.1 Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992... 25 Tabel 2.2 Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992... 25 Tabel 2.3 Urutan polaritas harmonisa pada sistem tiga phasa... 37 Tabel 2.4 Akibat dari polaritas dari komponen harmonisa... 38 Tabel 2.5 Dampak Harmonisa pada Peralatan... 40 Tabel 4.1 Data pengujian untuk beban linier tegangan tetap beban berubah... 52 Tabel 4.2 Data pengujian untuk beban nonlinier dan campuran... 55 Tabel 4.3 Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL... 55 Tabel 4.4 Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 TL... 61 Tabel 4.5 Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 5 XL dan 2 TL... 65 Tabel 4.6 Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban Laptop... 71 Tabel 4.7 Data kandungan harmonisa arus dan tegangan pada beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL..... 76