1 Analisis Harmonik pada Lampu Light Emitting Diode Adi Jaya Rizkiawan, Rudy Setiabudy Departemen Elektro, Fakultas Teknik, ABSTRAK Lampu Light Emitting Diode (LED) termasuk beban non-linear yang meng-injeksi distorsi harmonik pada sistem tenaga listrik. Penelitian ini disusun sebagai bentuk studi untuk mengetahui karakteristik harmonik lampu LED yang telah tersedia di pasaran. Studi tersebut dilakukan dengan melakukan pengukuran terhadap 9 buah sampel lampu LED dengan berbagai merk dan rating daya. Dari hasil pengukuran diketahui bahwa harmonik tegangan dan arus pada lampu LED adalah harmonik orde ganjil dengan nilai harmonik tegangan terbesar pada orde kelima dan nilai harmonik arus terbesar pada orde ketiga. Selain itu, masing-masing lampu LED memiliki bentuk gelombang terdistorsi yang berbeda satu sama lain. 1. PENDAHULUAN Dalam beberapa dekade terakhir, manusia tersadarkan akan perlunya dilakukan penghematan konsumsi energi. Kesadaran global tersebut kemudian menemukan bentuk langkah konkritnya terutama dalam penghematan penggunaan energi listrik. Di sisi lain, para produsen peralatan listrik pun terus mengupayakan terobosan untuk dapat memproduksi peralatan yang lebih hemat energi. Salah satu terobosan tersebut adalah dengan diproduksinya lampu Light Emitting Diode (LED). Namun demikian, lampu tersebut termasuk jenis beban non-linear yang menimbulkan distorsi harmonik pada sistem tenaga listrik. Jika lampu jenis ini terpasang dalam jumlah besar pada suatu sistem tenaga listrik, maka ada kemungkinan akan terjadi peningkatan distorsi harmonik yang cukup signifikan pada sistem[1]. Peningkatan distorsi harmonik ini dapat menimbulkan efek-efek negatif yang akan menurunkan kualitas daya sistem tenaga listrik. Maka dari itu karakteristik harmonik lampu LED ini perlu dipelajari guna mengantisipasi kemungkinan-kemungkinan gangguan yang dapat muncul apabila lampu tersebut telah dipakai oleh
2 konsumen dalam jumlah besar. Tulisan ini disusun untuk mempelajari dan mendokumentasikan karakteristik harmonik lampu LED yang telah tersedia di pasaran. Tujuan dari penulisan skripsi ini adalah studi tentang karakteristik distorsi harmonik yang ditimbulkan oleh lampu LED yang tersedia di pasaran. Sampel yang dipakai dalam pengukuran adalah lampu LED yang dapat langsung dipakai menggantikan lampu CFL(Lampu Hemat Energi) dan lampu pijar. Artinya, lampu tersebut telah menggunakan socket sebagaimana lampu CFL dan pijar. Adapun permasalahan yang dibahas dalam skripsi ini dibatasi hanya mengenai analisis terhadap Total Harmonic Distortion (THD) yang terukur, analisis mengenai bentuk gelombang harmonik yang terukur serta analisis terhadap spektrum harmonik arus dan tegangan yang terukur. 2. HARMONIK Pada dasarnya, harmonik adalah gejala pembentukan gelombanggelombang sinusoidal dengan frekuensi berbeda yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasarnya. Bilangan bulat pengali frekuensi dasar tersebut merupakan 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/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang hormoniknya[2]
3 Gambar 2.1 Gelombang Harmonik Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non-linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non-linier adalah beban dengan bentuk gelombang keluaran tidak sebanding dengan bentuk gelombang masukan. Ketidaklinieran ini menimbulkan fenomena yang disebut distorsi harmonik, yaitu salah satu jenis gangguan yang terjadi pada sistem tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan[3]. Beban - beban listrik non-linier yang dapat menimbulkan distorsi harmonik umumnya merupakan peralatan elektronik yang mengandung komponen semi konduktor. Beberapa peralatan yang dapat menyebabkan timbulnya distorsi harmonik antara lain komputer, printer, lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik, lampu LED, pengendali kecepatan motor, motor induksi, charger baterai, dll[3]. Dalam menganalisis fenomena harmonik, harus dibedakan antara distorsi harmonik arus dengan distorsi harmonik tegangan. Beban nonlinier dapat dianggap sebagai sumber distorsi harmonik arus yang menginjeksikan arus harmonik ke sistem tenaga listrik. Sementara
4 tegangan harmonik timbul karena gelombang arus yang cacat (terdistorsi) setelah melewati beban non-linier mengalir melalui impedansi sistem[3]. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar 2.2 berikut : Gambar 2.3 Model Sistem Listrik Sederhana Pada gambar 2.2 ini bus sumber diasumsikan hanya mengandung tegangan frekuensi dasar. Arus harmonik mengalir melalui impedansi sistem dan menyebabkan terjadi drop tegangan untuk tiap harmonik. Hal ini menghasilkan tegangan harmonik di beban. Besar distorsi tegangan tergantung pada impedansi dan arus. Dengan asumsi distorsi yang terjadi pada bus beban relatif kecil (lebih kecil dari 5%) maka besar arus harmonik yang dihasilkan oleh beban akan mendekati konstan. Untuk mengukur nilai efektif dari komponen-komponen harmonik dari gelombang cacat (terdistorsi) digunakan besaran THD (Total Harmonic Distortion) yaitu perbandingan antara nilai rms komponen harmonik sebuah besaran (arus atau tegangan) terhadap nilai arus atau tegangan tersebut pada frekuensi dasarnya dan biasanya dihitung dalam persen. Untuk harmonik arus nilai THDnya :
5 = 100 %...(2.1) Keterangan : THDi : Total Harmonic Distortion arus In : Nilai arus harmonik orde ke-n I 1 : Nilai arus pada frekuensi dasar Sementara untuk harmonik tegangan nilai THDnya : = 100%...(2.2) Keterangan : THDv : THD tegangan Vn : Tegangan harmonik orde ke-n V 1 : Tegangan pada frekuensi dasar Besar nilai THD arus bervariasi dari beberapa persen sampai lebih dari 100%. Sedangkan nilai THD tegangan biasanya lebih kecil dari 5%. Untuk nilai THD tegangan dibawah 5 % umumnya dapat diterima tetapi jika diatas 10 % tidak dapat diterima dan akan mengakibatkan masalah untuk beban-beban dan peralatan yang sensitif.[7] Dengan mengetahui besar nilai THD dapat diperkirakan seberapa banyak panas yang dihasilkan ketika tegangan yang terdistorsi dikenakan pada beban resistif. THD juga dapat menjadi indikasi seberapa banyak penambahan rugi sistem yang disebabkan arus yang mengalir melalui sebuah konduktor. [5] Secara umum, adanya distorsi harmonik akan menyebabkan biaya tambahan untuk filter dan pengurangan masa pakai komponen akibat ketidak-tepatan parameter. Berikut efek-efek negatif yang dapat ditimbulkan oleh harmonik pada berbagai komponen pada sistem tenaga listrik :
6 Tabel 2.1 Efek-Efek Negatif Harmonik Komponen Efek Kabel Netral Overloading Kapasitor Beban panas berlebih Motor Rugi-rugi bertambah dan vibrasi Switches/breakers Malfungsi deteksi gangguan Trafo Rugi-rugi bertambah Konduktor Skin effect Proteksi Fuses meleleh terlalu cepat Sumber : Emerson, Robert. 2010. Updates in International Standards: Harmonics and Flicker. San Diego: Zes Zimmer, Inc[8] Sebagaimana perangkat elektronik lainnya, produsen lampu LED direkomendasikan untuk mengikuti standar peraturan yang berlaku secara internasional, misalnya standar IEC 61000-3-2 yang mengatur harmonik untuk perangkat elektronik dengan arus input 16A per fase. Khusus untuk lampu, batasan distorsi harmonik yang diberlakukan adalah untuk lampu dengan daya input 25 W. Lampu tersebut harus memenuhi salah satu dari dua kriteria dibawah ini. Kriteria pertama adalah untuk harmonik arus orde ketiganya tidak boleh melebihi 86 % dari arus fundamentalnya dan arus harmonik orde kelimanya tidak boleh melebihi 61 % dari arus fundamental sehingga THD arusnya dibatasi kurang lebih hanya 105 %[4]. Kriteria kedua ditunjukkan oleh tabel 2.1 berikut :
7 Tabel 2.2 Batasan Harmonik Standar IEC 61000-3-2[4] 3. PENGUKURAN Lampu LED yang digunakan dalam percobaan adalah lampu LED untuk keperluan penerangan. Lampu ini didesain untuk dapat langsung menggantikan lampu pijar dan lampu hemat energi yang telah tersedia di pasaran. Sampel yang dipakai dalam percobaan ini adalah sebagai berikut : Tabel 3.1 Sampel Percobaan Jenis Lampu Rating Daya Lumen Klaim Usia LED (W) (lm) (Jam) LED 1 9 - - LED 2 9 700 40000 LED 3 9 765 - LED 4 9 770 40000 LED 5 9 730 40000 LED 6 7 600 40000 LED 7 5 430 40000 LED 8 4 350 40000 LED 9 3 260 40000
8 Alat ukur yang digunakan dalam percobaan ini adalah PQ analyzer Clamp on Power hitester yang merupakan inventaris Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik Departeman Elektro Fakultas Teknik. Pengukuran dilakukan di ruang Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik Departemen Elektro Fakultas Teknik pada hari Senin tanggal 14 Januari 2013. Pada pengukuran ini diambil 9 buah sampel Lampu LED dengan berbagai merk. Mula-mula alat disusun membentuk rangkaian seperti gambar berikut ini : SUMBER TEGANGAN Gambar 3.1 Rangkaian Percobaan Kemudian pengambilan data melalui pengukuran dimulai pada pukul 11.40 WIB dengan sampel pertama yang diukur adalah LED 1. Tiap pengukuran dilakukan selama 5 menit dimulai 5 menit setelah lampu dinyalakan. Lampu diukur satu-persatu untuk mendapatkan data-data yang dibutuhkan. Semua data hasil pengukuran disimpan di memori PC Card yang terpasang pada PQ Analyzer. Kemudian data ini dibaca menggunakan card reader sehingga data dapat dilihat melalui komputer menggunakan software khusus.
9 4. PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran THD THD Harmonik Lampu Tegangan Arus Arus(%) (%) (%) Orde 3 Orde 5 LED 1 1,53 108,38 74,84 44,2 LED 2 1,54 49,82 31,24 20,48 LED 3 1,57 147,17 87,88 68,29 LED 4 1,58 43,64 37,1 11 LED 5 1,59 59,93 50,19 17,53 LED 6 1,65 45,39 38,5 11,88 LED 7 1,59 63,34 53,01 18,94 LED 8 1,51 45,16 38,15 11,62 LED 9 1,57 43,04 35,53 11,63 Dari data hasil pengukuran terlihat bahwa lampu LED yang tersedia di pasaran memang menimbulkan distorsi harmonik baik harmonik arus maupun tegangan. Selain itu, terlihat pula bahwa lampu LED memiliki sifat kapasitif sehingga nilai PFnya negatif yang menunjukkan PFnya leading. Berdasarkan data tersebut, terlihat bahwa semua LED sampel memiliki nilai THD tegangan yang relatif kecil, yaitu masih dibawah 2 %. Hal ini sesuai dengan literatur yang menyatakan bahwa THD tegangan umumnya bernilai kurang dari 5 %. Kecilnya nilai THD tegangan ini biasanya memang senantiasa diupayakan oleh operator sistem tenaga listrik. Untuk arus, lampu LED sampel memiliki nilai THD arus yang terbentang mulai dari 43,04 % - 147,17 %. Khusus untuk LED 1 dan LED 3 keduanya memiliki %THDi yang cukup besar yaitu 108,38 % dan 147,17 %, sedangkan LED 2, 4, 5, 6, 7, 8, dan 9 memiliki nilai THD arus yang relatif sama dengan nilai terbesar dimiliki oleh LED 7 sebesar 63, 34 % dan nilai terkecil dimiliki oleh LED 9 sebesar 43,04 %.
10 Dari data terlihat bahwa LED 3 telah melebihi standar batas % THDi yang ditetapkan oleh IEC 61000-3-2, terutama untuk kriteria pertama. Standar tersebut membatasi nilai harmonik orde ketiga maksimal 86 % dari arus fundamental dan harmonik arus orde kelima maksimal 61 % dari arus fundamental. Sementara pada LED 3 terukur nilai harmonik arus orde ketiganya mencapai 87,88 % dan harmonik arus orde kelimanya mencapai 68,29 % dengan nilai THD 147,17 %. Adapun LED yang lain dapat dikatakan jauh dari batas maksimal yang telah ditetapkan, hanya LED 1 dengan nilai harmonik arus orde ketiga yang mencapai 74,84 % dari arus fundamental dan nilai harmonik arus orde kelima mencapai 44,20 % dari arus fundamental serta nilai %THDi sebesar 108,38 % yang dapat dikatakan telah mendekati ambang batas yang telah ditetapkan IEC 61000-3-2. Nilai THD arus ini merepresentasikan potensi panas tambahan yang akan mengalir pada beban-beban resistif akibat dari mengalirnya arus harmonik pada konduktor. Artinya, semakin besar % THD yang terukur, maka semakin besar potensi rugi-rugi panas yang akan muncul sebagaimana yang telah dinyatakan pada tabel 2.1. Namun demikian, besarnya %THDi ini tidak cukup dijadikan satu-satunya parameter dalam memperkirakan potensi panas yang ada. Ada parameter lain yang perlu diperhatikan, yaitu magnitude arus yang mengalir. Bisa saja %THDi yang terukur memiliki nilai sangat besar tetapi sebenarnya magnitude arusnya sangat kecil sehingga efek panas yang ditimbulkan sangat kecil apabila ditinjau secara individual per-sampel lampu LED.
11 Gambar 4.1 Gelombang LED 1 Gambar 4.2 Gelombang LED 2 Gambar 4.3 Gelombang LED 4
12 Dari gambar gelombang diatas terlihat bahwa arus harmonik antara LED satu dengan LED yang lain menghasilkan bentuk gelombang yang berbeda. Hal ini dapat terlihat jelas pada bentuk gelombang LED 1, 2, dan 4 yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1 sampai Gambar 4.3. Menurut Sohel Uddin dkk [4], adanya perbedaan bentuk gelombang arus ini terkait dengan pemilihan rangkaian filter yang berbeda antara satu produsen LED dengan produsen yang lain, meskipun rating dayanya sama. Gambar 4.4 berikut adalah bentuk gelombang hasil eksperimen yang dilakukan oleh Sohel Uddin dkk [4] Gambar 4.4 Gelombang Harmonik pada lampu LED[4] Dengan mengamati bentuk gelombang arus yang terukur kemudian membandingkan dengan literatur yang ada, dapat diduga kuat bahwa untuk LED 1 dan LED 3 tidak menggunakan rangkaian filter, sementara LED 2 menggunakan filter jenis valley fill, dan LED 4, 5, 6, 7, 8, dan LED 9 menggunakan filter pasif. Untuk LED 5 sampai LED 9 menunjukkan bentuk gelombang arus harmonik yang mirip. Kemiripan bentuk gelombang ini dikarenakan LED 5 sampai LED 9 adalah lampu LED dengan merk atau produsen yang sama, dan sangat mungkin
13 menggunakan filter yang sama yaitu filter pasif. Selain itu, terlihat bahwa besarnya %THD tidak berkorelasi dengan daya rating. Hal ini disebabkan THD dihitung dalam persentase, bukan magnitude arus yang mengalir. Nilai puncak arus terbesar terukur pada LED 3 yang mencapai 0,35 A dan peak magnitude(nilai puncak) terkecil terukur pada LED 9 yang hanya mencapai 0,07 A. Gambar 4.5 Spektrum Arus LED 1 Gambar 4.6 Spektrum Arus LED 3
14 Gambar 4.7 Spektrum Arus LED 2 Dari data hasil pengukuran terlihat bahwa harmonik arus pada lampu LED merupakan harmonik orde ganjil, hal ini sesuai dengan simetri gelombang sinusoidal. Persentase harmonik arus terbesar yang terukur untuk semua sampel LED adalah harmonik orde ke-3 dengan nilai ratarata 49,60 % dari arus fundamentalnya. Harmonik orde tersebut memiliki frekuensi 3 x 50 Hz = 150 Hz. Terlihat jelas bahwa semakin tinggi orde harmonik maka nilai harmoniknya semakin kecil. Gambar 4.8 Spektrum Tegangan LED 1
15 Gambar 4.9 Spektrum Tegangan LED 2 Dari gambar spektrum harmonik tegangan terlihat bahwa harmonik tegangan pada lampu LED merupakan harmonik tegangan orde ganjil sebagaimana yang terlihat pada spektrum harmonik arus. Disamping itu, terlihat jelas bahwa harmonik tegangan yang terjadi sangat kecil. Semua sampel LED yang diukur menunjukkan nilai THD < 2 % dari tegangan frekuensi fundamentalnya dengan nilai persentase distorsi harmonik terbesar pada harmonik orde ke-5 yang memiliki frekuensi 5 x 50 Hz = 250 Hz..
16 5. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian skripsi ini adalah sebagai berikut : a) Lampu LED sampel memiliki nilai THD arus yang terbentang mulai dari 43,04 % - 147,17 %. Khusus untuk LED 1 dan LED 3 keduanya memiliki %THDi yang cukup besar yaitu 108,38 % dan 147,17 %, sedangkan LED 2, 4, 5, 6, 7, 8, dan 9 memiliki nilai THD arus yang relatif sama dengan nilai terbesar dimiliki oleh LED 7 sebesar 63, 34 % dan nilai terkecil dimiliki oleh LED 9 sebesar 43,04 % b) Distorsi harmonik arus yang ditimbulkan oleh LED 3 melebihi batas yang ditetapkan oleh IEC 61000-3-2, terutama untuk kriteria pertama. c) Bentuk gelombang harmonik arus pada LED sampel berbeda merk berbeda-beda satu sama lain. Hal ini dikarenakan masing-masing merk menggunakan rangkaian filter yang berbeda. d) LED 5 sampai LED 9 menunjukkan bentuk gelombang arus harmonik yang mirip, meskipun peak magnitude arus harmoniknya berbanding lurus dengan besar daya rating. e) Harmonik pada lampu LED didominasi oleh harmonik orde ganjil baik pada harmonik arus maupun harmonik tegangan. Untuk harmonik arus nilai terbesar yang terukur adalah pada harmonik orde ke-3 dan untuk harmonik tegangan nilai terbesar yang terukur adalah harmonik orde ke-5.
17 DAFTAR REFERENSI [1] Singh, Ranjana. & Singh, Amarjit. (2010) Energy Loss Due to Harmonic in Residential Campus. Jabalpur: IEEE. [2] Pengaruh Harmonik pada Transformator Distribusi diakses pada 31 Oktober 2012 dari http://elektroindonesia.com/elektro/ener25.html [3] Azim, Abdul. & Rahardjo, Amin. (2004) Analisis Harmonik pada Lampu Hemat Energi. Depok: FTUI. [4] Sohel, Uddin., Husain, Shareef., Azah, Mohamed. (2012). An Analysis of Harmonics from LED Lamps. Bangi : IEEE. [5] Dugan, Roger C., McGranaghan, Mark F., Beaty, H.Wayne. (2004) Electrical Power System Quality (2nd ed.). New York: McGraw-Hill. [6] Weir, Bernie. (2012). IEEE Spectrum. [7] W. Mack Grady, Surya Santoso, Understanding Power System Harmonics, IEEE Power Engineering Review, 0272-1724/01, (November 2001), hal 8-10. [8] Emerson, Robert. 2010. Updates in International Standards: Harmonics and Flicker. San Diego: Zes Zimmer, Inc.