ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA Sofian Hanafi Harahap, Masykur Sjani Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 2155 INDONESIA e-mail: hanafi.alkolingi@gmail.com Abstrak Energi listrik yang digunakan oleh pelanggan diukur dengan kwh meter. Alat ukur kwh meter memiliki piringan yang berputar berdasarkan torsi yang dihasilkan. 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 semakin besar kandungan harmonisa beban nonlinier maka energi sebenarnya dan persentase kesalahan pembacaan kwh meter semakin besar. 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 kunci: kwh meter, Harmonisa, Beban Nonlinier 1. Pendahuluan Pada suatu sistem distribusi tenaga listrik baik komersial maupun industri, pembacaan energi listrik dangan benar sangat penting untuk mendapat perhatian baik oleh pelanggan maupun penyedia energi listrik. Alat ukur listrik yang digunakan oleh PLN untuk mengukur besaran energi listrik adalah kwh meter. Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul yang diakibatkan pemakaian beban nonlinier seperti lampu hemat energi (LHE), komputer, printer, inverter, dan peralatan yang menggunakan bahan semikonduktor. Beban nonlinier adalah peralatan yang menghasilkan gelombanggelombang arus yang berbentuk sinusoidal berfrekuensi tinggi yang disebut dengan arus harmonisa. Harmonisa adalah suatu gelombang arus atau tegangan sinusoidal yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Jika frekuensi fundamentalnya 5 H Z, maka harmonisa kedua adalah gelombang sinusoidal dengan frekuensi 1 H Z dan seterusnya [1]. Dalam Tugas Akhir ini penulis mencoba menjelaskan pengaruh beban nonlinier terhadap kinerja kwh meter induksi satu fasa. 2 Harmonisa pada kwh Meter Alat ukur kwh meter adalah alat penghitung pemakaian energi listrik. Alat ini bekerja menggunakan metode induksi medan magnet dimana medan magnet tersebut menggerakan cakram yang terbuat dari alumunium. Pada cakram alumunium itu terdapat poros yang mana poros tersebut akan menggerakkan counter digit sebagai tampilan jumlah kwh nya. Pada kwh meter terdapat magnet permanen yang tugasnya menetralkan piringan alumunium dari induksi medan magnet, medan magnet memutarkan piringan alumunium. Arus listrik yang melalui kumparan arus mengalir sesuai dengan perubahan arus terhadap waktu. Hal ini menimbulkan adanya medan magnet di permukaan kawat tembaga pada kumparan arus. Kumparan tegangan membantu mengarahkan medan magnet agar menerpa permukaan alumunium sehingga terjadi suatu gesekan antara piringan alumunium dengan medan magnet disekelilingnya. Dengan demikian maka piringan tersebut mulai berputar, dan kecepatan putarnya dipengaruhi oleh besar kecilnya arus listrik. Koneksi kwh meter dimana ada empat buah terminal yang terdiri dari dua buah terminal masukan dari jala jala listrik PLN dan dua terminal lainnya merupkan terminal keluaran yang akan menyuplai tenaga listrik ke rumah. Dua terminal masukan di hubungkan ke -49- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 2/Mei 213 kumparan tegangan secara paralel dan antara terminal masukan dan keluaran di hubungkan ke kumparan arus secara seri. Gambar 1 berikut menunjukkan konstruksi kwh meter induksi satu fasa [2]: dan arus induksi i 1 menghasilkan momen T 2 [3], seperti persamaan (5) dan (6). T 1 = k 1 Ф 1 i 2 = sin cos( ) (5) T 2 = k 2 Ф 2 i 1 = sin( ) cos (6) Maka momen total yang memutar piring ditunjukkan pada persamaan (7). T = k 3 Ф 1m Ф 2m sin (7) Momen putar dari persamaan (7) dapat diganti dengan persamaan (8). Gambar 1. Konstruksi kwh meter Pada saat arus beban mengalir pada kumparan arus yaitu I 1, arus akan menimbulkan flux magnit Ф 1, sedangkan pada kumparan tegangan terjadi perbedaan fase antara arus dan tegangan sebear 9, hal ini karena kumparan tegangan bersifat induktor. Arus yang melalui kumparan tegangan yaitu I 2 akan menimbulkan flux magnit Ф 2 yang berbeda fase 9 dengan Ф 1. Fluksi-fluksi ini akan memotong piring aluminium, sehingga didalam piring terinduksi tegangan induksi [3], seperti persamaan (1) dan (2). E 1 = ( sin ) = cos (1) E 2 = ( sin( )) = cos( ) (2) Tegangan induksi ini akan mengalirkan arus induksi dalam piring, seperti persamaan (3) dan (4). = = (3) = = ( ) (4) Interaksi antara fluksi Ф 1 dan arus induksi i 2 menghasilkan momen T 1 dan interaksi antara Ф 2 T = k 3 VI sin(9 -φ) = k 3 VI cosφ = k 3 P (8) Dimana: P = VIcosφ = daya pada beban Maka persamaan (8) dapat diganti dengan persamaan momen putar yang berharmonisa, seperti ditunjukkan pada persamaan (9). = (9) Jika daya yang mengalir konstan, maka untuk suatu kwh meter dapat kita tuliskan hubungannya pada persamaan (1). = (1) Jika untuk membuat N putaran diperlukan waktu t detik, sedangkan daya yang masuk sebesar P watt, maka jumlah energi sebenarnya E S dapat dilihat pada persamaan (11) [3]. =. (kwh) (11) Kesalahan dalam persen dapat dinyatakan pada persamaan (12). kesalahan = x 1 (12) Dimana: E P = Jumlah energi yang dicatat oleh meteran yang terpasang E S = Jumlah energi yang sebenarnya -5- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 2/Mei 213 Untuk suatu jumlah putaran tertentu dibutuhkan waktu, seperti ditunjukkan pada persamaan (13). = (13) Jika dihitung dengan waktu, maka waktu yang sebenarnya diperlukan untuk membuat N putaran pada daya P watt dapat dilihat pada persamaan (14). = =... (14) Gambar 2. Gelombang fundamental, harmonisa ketiga dan hasil penjumlahannya Maka kesalahan dalam persen dapat dinyatakan pada persamaan (15). h = 1 (15) Harmonisa adalah suatu gelombang sinusoidal tegangan, arus atau daya yang berfrekuensi tinggi dimana frekuensinya merupakan kelipatan diluar bilangan satu terhadap frekuensi fundamental [1]. Harmonisa dari suatu gelombang arus dan tegangan pada suatu sistem tenaga listrik dihasilkan oleh suatu sumber harmonisa yang disebut beban nonlinier, seperti lampu hemat energi (LHE), komputer, printer, televisi, dispencer, mesin cuci, inverter, dan peralatan lainnya yang menggunakan bahan semikonduktor. Nilai frekuensi dari gelombang harmonisa yang terbentuk merupakan hasil kali antara frekuensi fundamental dengan bilangan harmonisanya (f, 2f, 3f, dst). Bentuk gelombang yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari gelombang fundamental dan gelombang harmonisa (h 1, h 2, dan seterusnya) pada frekuensi kelipatannya. Makin banyak gelombang harmonisa yang diikutsertakan pada gelombang fundamentalnya, maka gelombang akan semakin mendekati gelombang persegi atau gelombang akan berbentuk non-sinusoidal. Pada Gambar 2 ditunjukkan bentuk gelombang harmonisa [4]. Standar harmonisa yang digunakan pada penelitian ini adalah standar dari IEEE 519-1992. Batas distorsi arus dan tegangan yang diakibatkan harmonisa yang diijinkan oleh IEEE 519-1992 ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2 berikut ini [5]. Tabel 1. Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992 I SC / I L n< 11 11 n <17 17 n <23 23 n <35 n 35 TH D <2 4. 2. 1.5.6.3 5. 2-5 7. 3.5 2.5 1..5 8. 5-1. 4.5 4. 1.5.7 12. 1 1-1 >1 12. 15. 5.5 5. 2. 1. 7. 6. 2.5 1.4 Tabel 2. Batas distorsi tegangan yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992 Tegangan Bus Individual THD Pada PCC Harmonik 69 kv dan 3. 5. dibawah 69.1 kv-161 1.5 2.5 kv Diatas 161 kv 1. 1.5 15. 2. -51- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 2/Mei 213 Secara umum, sumber harmonisa pada sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi tiga bagian [6], yaitu : 1. Sumber Harmonisa Pada Sisi Pembangkitan Contoh : Generator Sinkron 2. Sumber Harmonisa Pada Sisi Penyaluran Contoh : Transformator 3. Beban Non-linier Contoh : Printer, Komputer, dll Individual harmonic distortion (IHD) berlaku untuk tegangan dan arus dapat dilihat pada persamaan (16) [4]. = (16) Total Harmonic Distortion (THD) tegangan dan arus dapat dituliskan pada persamaan (17) dan (18) [5] [6]. THD V = THD I = 3 Pengujian 1 (17) 1 (18) Metode penelitian ini merupakan suatu cara yang harus ditempuh dalam kegiatan penelitian agar pengetahuan yang akan dicapai dari suatu penelitian dapat memenuhi harga ilmiah. Dengan demikian penyusunan metode ini dimaksudkan agar peneliti dapat menghasilkan suatu kesimpulan yang dapat dipertanggung jawabkan secara ilmiah. Metode penelitian ini mencakup beberapa hal yang masing-masing menentukan keberhasilan pelaksana penelitian. langkah-langkah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Rangkaian pengujian disusun seperti Gambar 3 2. Beban dipasang berupa lampu hemat energi (XL, dan TL), dan laptop 3. Autotrafo diatur sehingga kelurannya sebagai catu tegangan 22 Volt. 4. Power System Multimeter (PSM) di-onkan sehingga dapat diukur besar tegangan (V), arus (I), cos φ, daya aktif (W), harmonisa, dan waktu (detik) untuk 3 putaran piringan kwh meter. Gambar 3. Rangkaian pengujian 4 Hasil Penelitian dan Pembahasan Penelitian ini di analisis seberapa besar pengaruh beban nonlinier terhadap kesalahan pembacaan kwh meter induksi satu fasa. Penelitian dari tanggal 4 sampai tanggal 6 Desember 212 di Laboratorium Pengukuran Besaran Listrik, diperoleh hasil pengukuran beban nonlinier dan campuran, dapat dilihat pada Gambar 4, 5, 6,7, dan 8 dibawah ini. Gambar 4 dibawah ini menunjukkan spektrum gelombang keluaran arus dan tegangan pada beban 5 XL. 1 8 6 4 2 IHD Tegangan IHD Arus Gambar 4. Spektrum gelombang arus dan tegangan beban 5 XL Gambar 5 dibawah ini menunjukkan pada beban 2 TL. -52- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 2/Mei 213 2 15 1 5 IHD Tegangan IHD Arus 15 1 5 IHD Tegangan IHD Arus Gambar 5. Spektrum gelombang arus dan tegangan beban 2 TL Gambar 6 dibawah ini menunjukkan pada beban 5 XL dan 2 XL. 6 5 4 3 2 1 IHD Tegangan IHD Arus Gambar 6. Spektrum gelombang arus dan tegangan beban 5 XL dan 2 TL Gambar 7 dibawah ini menunjukkan pada beban laptop. 1 8 6 4 2 IHD Tegangan IHD Arus Gambar 7. Spektrum gelombang arus dan tegangan beban Laptop Gambar 8 dibawah ini menunjukkan pada beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL. Gambar 8. Spektrum gelombang arus dan tegangan beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL Gambar 9 dibawah ini menunjukkan grafik kesalahan pembacaan terhadap THD I sedangkan Gambar 1 menunjukkan grafik energi sebenarnya terhadap THD I kesalahan Pembacaan Gambar 9. Grafik kesalahan pembacaan terhadap THD I Energi Sebenarnya (Es) 5 4 3 2 1.3.2.1 Grafik Error VS THD Arus 13.5 22.81 72.91 14.51 143.64 THD Arus Grafik Energi Sebenarnya VS THD Arus 13.5 22.81 72.91 14.51 143.64 THD Arus Gambar 1. Grafik energi sebenarnya (E S ) terhadap THD I Dari gambar 9 dan 1 terlihat bahwa semakin besar THD I, maka energi sebenarnya dan persentase kesalahan pembacaan kwh meter semakin besar. Hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 3. -53- copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM VOL. 2 NO. 2/Mei 213 Tabel 3. Data pengujian untuk beban nonlinier dan campuran Beban P u t t (detik) 5 XL 3 174 2 TL 3 363 5 XL dan 3 114 2 TL Laptop 3 144 2 TL, 2 Pijar dan 3 84 1 XL.. V (Volt) 218.4 5 218.8 9 218.1 53 219.5 16 217. 9 I (A) P (W).786 14.59.562 52.152.974 158.54.461 57.171 1.75 216.11 E Cos φ S () () () (kwh) THD V THD I Error.866.718 2.41 14.51 29.66.485.61 1.94 22.81 12.64.931.626 2.27 72.91 19.8.966.283 2.17 143.64 41.69 6. Ucapan Terimakasih Ucapan terima kasih kepada Samsul Rizal Hrp dan Nur Asiah Nst selaku orangtua, Ir. Masykur Sj, MT, Ir. Eddy Warman, Ir. Raja Harahap, MT, dan Ir. Syamsul Amin, M.Si yang sudah membantu dalam menyelesaikan paper ini, serta teman-teman yang sudah memberikan dukungan selama pembuatan paper ini. 7. Daftar Pustaka [1] Dugan, Roger C. dkk. 24. Electric Power System Quality. Edisi Kedua. McGraw-Hill. [2] Soedjana, S., Nishino, O. 1976. Pengukuran dan Alat-alat Ukur Listrik. Jakarta : PT. Pradnya Paramita. [3] Sj, Masykur, 28. Pengukuran Besaran Listrik, USU, Medan. [4] Sankaran, C. 22. Power Quality. New York: CRC Press. [5] IEEE Std 519-1992, IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control Power System, IEEE-SA Standard Board,PiscatawaY,USA [6] Arrillaga, Jos dan Neville E. Watson. 23. Power System Harmonics. Edisi Kedua. Chichester: John Wiley & Sons..939.511 1.75 13.5 1.36 5 Kesimpulan Setelah melakukan analisa dari data yang diperoleh, maka penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Semakin besar kandungan harmonisa, maka energi sebenarnya dan persentase kesalahan pembacaan kwh meter semakin besar juga. 2. Persentase kesalahan pembacaan kwh meter dan THD I terbesar pada penelitian ini terjadi pada pembebanan laptop yaitu sebesar 41.69 dan 143.64. 3. Komposisi harmonisa arus dan tegangan tiap-tiap beban yang paling dominan adalah harmonisa ke-3, harmonisa ke- 5,dan harmonisa ke-7. -54- copyright @ DTE FT USU