BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi listrik merupakan peran penting dalam kehidupan diberbagai sektor seperti di industri, perkantoran, rumah tangga dan sebagainya. Seiring dengan perkembangan teknologi dibidang kelistrikan khususnya elektronika daya (power electronic). Komponen elektronika daya seperti Dioda, Thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet banyak digunakan sebagai switching pada peralatan elektronik seperti komputer, power supply, elektronik ballast, pengaturan listrik pada saluran tegangan rendah dengan programmable logic control (PLC). Perkembangan penerapan teknologi elektronika daya ini bukan hanya memberikan dampak positif tetapi juga dampak negatif. Harmonisa merupakan salah satu dampak negatif yang ditimbulkan dari penerapan teknologi. Harmonisa biasanya dihasilkan oleh beban non-linier. Komponen elektronika daya adalah beban yang bersifat tidak linier dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang, baik arus maupun tegangan. Distorsi gelombang ini biasa disebut harmonisa, yang merupakan salah satu parameter dalam menentukan kualitas dari sistem tenaga listrik. Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain faktor daya rendah, panas lebih, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi listrik serta menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain pada intalasi listrik [1]. 1
2 Motor induksi merupakan motor yang paling banyak digunakan pada berbagai peralatan industri dan rumah tangga. Konstruksi yang kokoh merupakan keuntungan yang luar biasa dari motor induksi disamping harga yang murah, efesiensi tinggi pada keadaan normal, mudah didapat, mudah untuk merawatnya dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya listrik alternating carent (AC). Motor induksi satu fasa yaitu motor dengan gulungan stator yang beroperasi dengan pasokan daya satu fasa. Motor induksi ini banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air, lemari es, pendingin ruangan karena motor induksi satu fasa mempunyai daya keluaran rendah dan untuk keperluan industri yang membutuhkan daya listrik [2,3]. Motor induksi penerapanya sebagai peralatan industri tidak bekerja sendiri tapi menggunakan peralatan pengontrol diantaranya dengan menggunakan programmable logic control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang dibuat untuk keperluan dunia industri [4,5]. programmable logic control (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan (user frendly) yang memiliki fungsi kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan yang beraneka ragam yang digunakan peroses dalam indutri atau pengontrol mesin. Programmable logic control (PLC) ini mempunyai karakteristik beban tidak linier yang mengakibatkan bentuk gelombang sisi masukan menjadi tidak sinusoidal murni akibat adanya interaksi gelombang sinusoidal frekuensi fundamental dengan gelombang lain yang dikenal sebagai harmonisa. Kadar harmonisa yang tinggi dalam sistem tidak dikehendaki yang dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD),
3 karena dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti penurunan kualitas sistem tenaga listrik yang mengakibatkan pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi dari peralatan elektronika yang sensitif dan menurunkan efisiensi. Sinyal harmonisa yang timbul berada pada daerah frekuensi diatas frekuensi aslinya (fundamental), permasalahan tersebut dapat diselesaikan dengan salah satu cara menggunakan filter pasif [6,7]. Menggabungkan antara komponen R, L, dan C akan berbentuk filter yang disebut dengan filter pasif. Penggunaan filter pasif merupakan solusi yang tepat untuk mengurangi kadar harmonisa yang timbul akibat pemakaian beban non-linear. Arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah, dengan pemasangan C arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melalui kapasitor, karena kapasitor memiliki impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Penggunaan filter pasif ini berfungsi sebagai penyedia jalur pada impedansi rendah untuk frekuensi resonansi yang diinginkan Filter pasif mempunyai berbagai tipe, pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif adalah single tuned filter, filter orde dua, filter pasif LC, filter orde tiga, serta filter tipe C [8,9,10,11]. Hasil pengukuran yang telah dilakukan dengan menggunakan alat ukur Power Q Fluke 43B pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa di laboratorium elektronika dan sistem digital Kampus Pendidikan Teknologi Kimia Industri (PTKI) Medan (Lampiran 1. Gambar 1, 3 dan 4). Nilai pengukuran Total Harmonisa Distorsi arus (THDi) 116,4 % dan Total Harmonisa
4 Distorsi tegangan (THD V ) 1,5 % dan daya terukur 70 Watt. Tabel 1.1 menunjukkan hasil klasifikasi pengukuran pada input Programmable Logic Control (PLC). Tabel 1.1 Klasifikasi Arus Harmonisa Pengukuran Berdasarkan Standar IEC 61000-3-2 Kelas D Programmable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt. Hasil Pengukuran IHDi Standar IEC 61000 3-2 Harmonisa Programmable Logic Control Kelas D (ma/w) Keterangan ke-n % Ampere P = 70 W (Ampere) 3 86.80 0.2951 0.238 Tidak Sesuai 5 63.20 0.2149 0.133 Tidak Sesuai 7 38.80 0.1319 0.070 Tidak Sesuai 9 16.14 0.0549 0.035 Tidak Sesuai 11 3.90 0.0133 0.024 Sesuai 13 7.20 0.0245 0.021 Tidak Sesuai 15 4.20 0.0143 0.018 Sesuai 17 5.90 0.0201 0.016 Tidak Sesuai 19 1.30 0.0044 0.014 Sesuai 21 0.70 0.0024 0.013 Sesuai 23 2.00 0.0068 0.012 Sesuai 25 3.90 0.0133 0.011 Tidak Sesuai 27 2.00 0.0068 0.010 Sesuai 29 0.10 0.0003 0.009 Sesuai 31 0.70 0.0024 0.010 Sesuai 33 1.30 0.0044 0.008 Sesuai 35 1.30 0.0044 0.008 Sesuai 37 0.10 0.0003 0.007 Sesuai 39 THDi % 0.70 116,4 0.0024 0.007 Sesuai Terlihat pada Tabel 1.1 menunjukkan hasil pengukuran IHDi pada Programmable Logic Control (PLC), untuk harmanisa orde ke-3, ke-5, ke-7, ke-9, ke-13, ke-17 dan ke-25 tidak sesuai dengan standar International Electrotechnical Commission (IEC) 61000-3-2 Kelas D yang mengatur batasan harmonisa untuk
5 konsumen maka harmonisanya harus disesuaikan [12,13]. Penelitian ini bermaksud menganalisa perbandingan pengunaan filter single tuned dan second order untuk mereduksi harmonisa yang dihasilkan programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan dengan model filter pasif untuk meredam harmonisa seperti pada Tabel 1.2. Tabel 1.2 Penelitian yang sudah dilakukan No Peneliti Judul Metode Jenis Filter yang Dirancang Hasil yang diperoleh 1 M. Shuja Khan, I. Intesar, M S Raheel, 2011 [ 7] 2 3. Sungkowo Heri, 2013 [8] Young-Sik Cho, Hanju Cha, 2011 [ 9] Implementation of a Passive Tune Filter to Reduce Harmonics in Single Phasa Induction Motor with varying Load Perancangan Filter Pasif Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonisa Pada Beban Non Linear Single-Tuned Passive Harmonic Filter Design Considering Variances of Tuning and Quality Factor Simulasi mengunakan Program MATLAB/ Simulink mengunakan Program MATLAB/ Simulink Percobaan Fiiter Pasif Single tuned Fiiter Pasif Single tuned Filter Pasif Singletuned Reduksi harmonisa individual IHDv awal >3% menjadi <3% THDi awal >5% menjadi <5%Yang dihasilkan Adjustable Speed Drives (ASD s). THD arus menjadi 10,2%, orde ke 3 menjadi 9,9%, orde ke 5 menjadi 1,9% ored ke 7 menjadi 1,3% dan orde ke 15 menjadi 0,1% sudah sesuai standar IEEE 519-1992. Penurunan IHD i ke-5, 7, 11, dan 13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 berkurang dari 72,6% menjadi 7,9% harmonisa ke-7 berkurang dari 61,8% menjadi 11,2% harmonisa ke-11 berkurang dari
6 Tabel 1.2 Lanjutan No Peneliti Judul Metode Jenis Filter yang Dirancang Hasil yang diperoleh 20,9% menjadi 4,5% dan harmonisa ke-13 berkuranmg dari 13,2% menjadi 2,9% 4 Ahmed Zubair Memon,Aslam Mohammad Uquaili,Aliunar Mukhtar, 2012[10] Harmonic Mitigation of Industrial Power System Using Passive Filters Simulasi mengunakan Program MATLAB/ Simulink Kombinasi filter Single tuned dan Second order Beban Non linear converter, menurunkanthdi dari 20,77% menjadi 4,23% 5 Srivastava Kuldeep Kumar, Al.Saquib Shakil, Anand Vardhan Pandey, 2013[11] Harmonics & Its Mitigation Technique by Passive Shunt Filter Perhitungan parameter filter Filter pasif Second order Sampai diperoleh THD yang diizinkan 6 Basu Supriatim, Bollen. J. H. M, Undeland M. Tore, 2008[12] PFC Strategies in Light of EN 61000-3-2 Analisis Pemasangan Capasitor Koreksi power faktor Penentuan kelas (IEC 61000-3-2) Penelitian yang telah dilakukan peneliti sebelumnya Tabel 1.2 baik yang menggunakan filter pasif single tuned maupun second order keduanya dapat meredam harmonisa sesuai dengan standar yang digunakan. Perbedaan yang terdapat pada filter pasif single tuned dan second order hanya pada hubungan rangkaiannya, untuk rangkaian single tuned komponen R, L dan C terhubung seri sedangkan rangkaian Second order R, L dihubungkan paralel kemudian diseri dengan C,
7 berdasarkan latar belakang penelitian yang sudah dilakukan peneliti bermaksud untuk mengangalisis perbandingan seberapa besar hasil dari kedua filter pasif tersebut dapat menurangi harmonisa dengan data yang diperoleh dari hasil pengukuran pada programmable logic control (PLC) dengan cara melakukan perancangan dan simulasi dengan software MATLAB/Simulink. Dari besaran yang dihasil baik dari perhitungan dan simulasi yang berupa nilai, grafik dan signal dari harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter akan dianalisa dan dibandingkan. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang diuraikan diperlu perbaikan dengan demikian peneliti merumuskan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana mengidentifikasi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa. 2. Bagaimana merancang simulasi filter pasif single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control (PLC). 3. Bagaimana perbandingan harmonisa setelah filterisasi dengan menggunakan filter passive single tuned dan passive second order pada programmable logic control (PLC). 1.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah: 1. Motor Induksi satu fasa yang digunakan1 HP 220 V/50 Hz.,tanpa beban.
8 2. Tidak membahas tentang sumber harmonisa pada Programmable Logic Control (PLC). 3. Mengenai resonansi dan pengaruh terhadap system lain yang ditimbulkan oleh pemakaian filter single tuned dan second order tidak dibahas. 4. Tidak memperhitungkan nilai ekonomis. 1.4 Tujuan Penelitian Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Merancang simulasi filter single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa, agar tercapai standar IEC 61000-3-2 kelas D. 2. Untuk mengidentifikasi dan menganalisis sejauh mana pengaruh penggunaan filter single tuned dan second order sebagai pereduksi akibat munculnya harmonisa pada programmable logic control (PLC). 3. Untuk mengetahui perbandingan penggunaan filter single tuned dan second order dalam mereduksi harmonisa (IHD I dan IHD V ) yang dihasilkan programmable logic control (PLC). 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penelitian ini adalah: 1. Mendapatkan kualitas daya yang lebih baik pada system kelistrikan.
9 2. Hasil penelitian ini dapat memberikan alternatif solusi yang dapat digunakan untuk mengatasi masalah harmonisa pada Programmable Logic Control (PLC) dengan beban motor induksi satu fasa. 4. Dapat meningkatkan umur peralatan-peralatan yang digunakan pada laboratorium elektronika dan sistem digital. 5. Sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan sebagai berikut: Bab 1: Berisikan pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan. Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan motor induksi satu fasa programmable logic control (PLC), harmonisa, perhitungan harmonisa, mengurangi harmonisa, filter pasif, passive single tuned filter, merancang passive single tuned filter dan passive second order filter. Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran, teknik analisa data, hasil pengukuran, klasifikasi arus harmonisa pada programmable logic control (PLC) berdasarkan standar IEC61000-3-2
10 kelas D, perhitungan passive single tuned filter, perhitungan passive second order filter, perhitungan impedansi filter passive single tuned, perhitungan impedansi filter passive second order dan rangkaian simulasi MATLAB/ Simulink. Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan harmonisa arus setelah pemasangan passive single tuned filter maupun harmonisa arus setelah pemasangan passive second order filter, perbandingan hasil harmonisa dengan menggunakan passive single tuned filter dan passive second order filter untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control (PLC) sebelum dan setelah pemakaian filter dan perbandingan impedansi yang digunakan pada programmable logic control (PLC). Bab 5: Berisikan kesimpulan dan saran.