Analisa Tegangan Lebih Transien Pada Pensaklaran Komputer

UNIVERSITAS INDONESIA

STUDI TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

PADA PENSAKLARAN KOMPUTER

SEMINAR

FELIX LARRY F SINAGA

1006758754

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

DESEMBER 2013

i

UNIVERSITAS INDONESIA

STUDI TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

PADA PENSAKLARAN KOMPUTER

SEMINAR

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

FELIX LARRY F SINAGA

1006758754

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

DESEMBER 2013

ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Seminar ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Felix Larry F Sinaga

NPM : 1006758754

Tanda Tangan :

Tanggal : 23 Desember 2013

iii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :


NPM : 1006758754

Program Studi : Teknik Elektro

Judul Seminar : Studi Tegangan Lebih Peralihan Pada Pensaklaran Komputer

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian

persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program

Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Iwa Garniwa M.K., M.T. ( )

Ditetapkan di : Depok

Tanggal : 23 Desember 2013

iv

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat dan anugerhanya-Nya, saya

dapat menyelesaikan tugas seminar ini, sebagai salah satu syarat dalam menyelesaikan kuliah di

Departemen Teknik Elektro Universitas Indonesia.

Pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan terimakasih saya kepada semua pihak

yang sudah membantu dalam mengerjakan tugas seminar ini terkhususnya kepada Prof. Dr. Ir.

Iwa Garniwa M.K, M.T selaku pembimbing tugas seminar ini.

Saya juga haturkan terimakasih sebanyak-banyakanya kepada dua orang tua saya dan

kepada teman-teman atas dukungan moril maupun material dan mendoakan saya menyelesaikan

tugas seminar ini.

Depok, Desember 2013

Penulis

v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI SEMINAR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah

ini:


NPM : 1006758754


Departemen : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik

Jenis karya : Seminar

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas

Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty- Free Right) atas karya

ilmiah saya yang berjudul :

“Studi Tegangan Lebih Peralihan Pada Pensaklaran Komputer”

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini

Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam bentuk

pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok

Pada tanggal : 23 Desember 2013

Yang menyatakan

(Felix Larry F Sinaga)

vi

ABSTRAK



Judul : Studi Tegangan Lebih Peralihan Pada Pensaklaran Komputer

Fenomena tegangan lebih peralihan merupakan salah satu permasalahan kualitas daya

sistem tenaga listrik karena akan terjadi kenaikan tegangan dengan waktu yang sangat cepat yang

menggangu sistem.Tegangan lebih peralihan pada sistem tenaga listrik secara garis besar

bersumbernya dari surja hubung dan surja petir. Surja hubung ini terjadi pada saat pensaklaran

beban listrik, sedangkan surja petir berasal dari adanya sambaran petir pada rangkaian listrik.

Surja hubung merupakan sumber tegangan lebih peralihan yang paling sering terjadi pada

peralatan listrik karena hampir semua peralatan listrik mempunyai saklar untuk menyambung

dan memutus beban tersebut dengan sumber listrik. Pada saat terjadi pensaklaran pada suatu

rangkaian listrik yang memiliki komponen kapasitor akan terjadi pengisian dan pelepasan energi

secara cepat yang menimbulkan perubahan paramater listrik berupa arus dan tegangan yang

sangat cepat pada sistem.

Komputer merupakan salah satu beban peralatan listrik yang dapat menimbulkan

tegangan lebih ketika dilakukan penutupan saklar. Pada komputer terdapat komponen resistor,

induktor dan kapasitor yang mempengaruhi bentuk dan besarnya tegangan lebih peralihan yang

terjadi. Tegangan lebih peralihan ini juga dilakukan pemodelannya dengan simulasi pada Power

System Simulator untuk melihat tegangan lebih yang terjadi saat dilakukan pensaklaran terhadap

variasi beban resistor, induktor dan kapasitor. Dengan adanya simulasi ini akan digunakan untuk

membandingkan tegangan lebih yang terjadi dengan tegangan lebih pada beban komputer.

Kata kunci : tegangan lebih peralihan, pensaklaran, komputer

vii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ii

HALAMAN PENGESAHAAN iii

KATA PENGANTAR iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI SEMINAR v

ABSTRAK vi

DAFTAR ISI vii

DAFTAR GAMBAR x

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang 1

I.2. Tujuan Penulisan 2

I.3. Batasan Masalah 2

I.4. Metodologi Penulisan 2

I.5. Sistematika Penulisan 3

BAB II TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

II.1. Pengertian Tegangan Lebih Peralihan 4

II.2. Tegangan Lebih Peralihan Pada Rangkaian Listrik 4

II.3. Jenis Tegangan Lebih Peralihan 8

II.3.1. Peralihan Impulsif (Impusive Transient) 8

II.3.2. Peralihan Osilasi (Oscillatory Transient) 9

II.4. Sumber Tegangan Lebih Peralihan 11

viii

II.4.1. Surja Petir 11

II.4.2. Surja Hubung 13

BAB III STUDI TEGANGAN LEBIH PERALIHAN PADA KOMPONEN

LISTRIK KOMPUTER

III.1. Fenomena Tegangan Peralihan Pada Voltage Regulator 15

III.2. Fenomena Tegangan Peralihan Pada Beban Resistif 21

III.3. Fenomena Tegangan Peralihan Pada Datacenter 26

III.3.1. Analisis Sistem AC 27

III.3.2. Analisis Sistem DC 29

III.4. Fenomena Tegangan Peralihan Pada Pensaklaran Tegangan Tinggi 31

BAB IV RANCANGAN METODE PENGUJIAN TEGANGAN LEBIH

LEBIH PERALIHAN PADA POWER SYSTEM SIMULATOR DAN

BEBAN KOMPUTER

IV.1. Peralatan dan Rangkaian Pengujian 33

IV.1.1. Peralatan Pengujian 33

IV.1.2. Rangkaian Pengujian 35

IV.1.2.1.Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Saat Pensaklaran

Menggunakan Power System Simulator (PSS) 35

IV.1.2.2.Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Pensaklaran Komputer 36

IV.2. Pengujian Karateristik Tegangan Peralihan 37

IV.2.1. Persiapan pengujian 37

IV.2.2. Jalannya pengujian 38

IV.3. Diagram Pengujian Tegangan Lebih Peralihan 39

ix

IV.3.1. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Power System Simulator 39

IV.3.2. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Beban Komputer 40

BAB V KESIMPULAN 41

DAFTAR ACUAN 42

DAFTAR PUSTAKA 43

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Rangkaian paralel RLC 5

Gambar 2.2 Gelombang peralihan impulsif 9

Gambar 2.3 Gelombang peralihan osilasi 10

Gambar 2.4 Tegangan impuls petir 12

Gambar 2.5 Tegangan lebih karena adanya pengisian kapasitor bank 14

Gambar 3.1 Simulasi model prosesor pentium 16

Gambar 3.2 Gelombang tegangan peralihan pada keluaran VRM 17

Gambar 3.3 Model prosesor pada masing-masing loop dengan frekuensinya 18

Gambar 3.4 Rangkaian topologi Fast Transient Response LDO 19

Gambar 3.5 Respon peralihan pada saat variasi arus beban dari 0 mA menjadi 150 mA

dan dari 150 mA menjadi 0 mA 20

Gambar 3.6 Arus beban dari 0 mA menjadi 150 mA 20

Gambar 3.7 Arus beban dari 150 mA menjadi 0 mA 21

Gambar 3.8 Blok SMPS 22

Gambar 3.9 Model SMPS pada topologi Forward, Half-Bridge dan Full-Bridge 23

Gambar 3.10 Hasil simulasi SPICE 24

Gambar 3.11 Model impedansi tegangan tinggi dari SMPS 24

Gambar 3.12 Model impedansi frekuensi tinggi : a. Vpe=Vne, b. Vpe≠Vne 25

Gambar 3.13 Hasil simulasi SPICE : mengatur kemiringan dv/dt pada masukan model

xi

umum (a), mencapai 50 mV pada keluaran 26

Gambar 3.14 Tegangan peralihan pada masukan suplai daya AC datacenter 27

Gambar 3.15 Diagram sistem AC 28

Gambar 3.16 Jaringan distribusi utilitas pada arsitektur sistem AC 28

Gambar 3.17 Tegangan peralihan pada sisi primer dan sekunder trafo 29

Gambar 3.18 Diagram sistem DC 30

Gambar 3.19 Tegangan peralihan pada masukan suplai daya DC datacenter 30

Gambar 3.20 Diagram sirkuit ekuivalen percobaan 31

Gambar 3.21 Tegangan lebih peralihan pada sistem pada saat penutupan saklar 31

Gambar 3.22 Tegangan lebih peralihan pada beban saat penutupan saklar 32

Gambar 3.23 Tegangan lebih peralihan pada sistem pada saat pembukaan saklar 32

Gambar 3.24 Tegangan peralihan pada beban pada saat pembukaan saklar 33

Gambar 4.1 Rangkaian pengujian tegangan lebih peralihan pada Power System

Simulator 36

Gambar 4.2 Rangkaian pengujian tegangan lebih peralihan pada komputer 37

Gambar 4.3 Diagram proses pengujian tegangan lebih peralihan menggunakan PSS 39

Gambar 4.4 Diagram proses pengujian tegangan lebih peralihan pada pensaklaran

Komputer 40

1

BAB I

PENDAHULUAN

II.1. LATAR BELAKANG

Di zaman sekarang ini kebutuhan akan energi listrik meningkat tajam. Sejalan

dengan peningkatan kuantitas akan daya listrik tentu harus dibarengi dengan peningkatan

kualitas daya listrik yang ada pada sistem karena kualitas daya sistem salah satu

komponen pada sistem tenaga listrik yang sangat diperhitungkan. Kualitas daya sistem ini

merupakan salah satu bentuk penilaian terhadap penyimpangan nilai arus, tegangan dan

frekuensi kondisi normalnya yang akan dapat memberi pengaruh buruk pada kinerja

peralatan konsumen. Permasalahan-permasalahan yang terdapat pada sistem tenaga listrik

tidak adakn dapat dihilangkan karena akan selalu ada gangguan-gangguan pada sistem

tenaga listrik baik itu dari gangguan dari dalam sistem maupun dari luar sistem.

Salah satu permasalahan kualitas daya sistem adalah tegangan peralihan yang

merupakan salah satu bentuk penyimpangan nilai tegangan dari kondisi normalnya. Besar

penyimpangan nilai tegangan yang terjadi dapat mencapai beberapa kali lipat dari

tegangan normalnya yang terjadi dalam waktunya yang sangat cepat. Akibat dari

tegangan yang cukup besar ini dapat merusak peralatan lain karena telah melebihi

tegangan normal peralatan tersebut. Salah satu penyebab dari tegangan peralihan ini

adalah adanya sambaran petir dan proses pensaklaran pada beban beban sistem tenaga

listrik.

Proses pensaklaran merupakan salah satu penyebab tegangan peralihan yang

paling banyak pada sistem tenaga listrik karena proses pensaklaran dapat terjadi kapan

saja, dimana saja dan berapa banyak. Setiap adanya pensaklaran akan menimbulkan

tegangan peralihan yang besarnya dipengaruhi beban yang disaklar. Beban rumah tangga

merupakan salah satu komponen yang dapat menyebabkan tegangan peralihan tersebut.

Seperti kita ketahui beban rumah tangga seperti Komputer, AC, TV, lampu, pompa air

2

Universitas Indonesia

dan lain sebagaianya ketika terjadi proses pensaklaran (pembukaan dan penutupan) akan

menyumbangkan tegangan peralihan pada sistem yang dapat menggangu kinerja

peralatan lainnya.

II.2. TUJUAN PENULISAN

Penulisan seminar ini bertujuan untuk mempelajari fenomena tegangan lebih

peralihan yang terjadi pada pensaklaran beban komputer.

II.3. BATASAN MASALAH

Pada penulisan seminar ini akan dibahas seperti berikut ini, yaitu:

1. Fenomena dasar tegangan peralihan dan penyebab tegangan peralihan terjadi.

2. Jenis-jenis tegangan peralihan

3. Mempelajari bentuk tegangan lebih peralihan dari beberapa jenis beban listrik.

4. Metodologi pengujian yang akan dilakukan untuk melihat berbagai bentuk tegangan

peralihan dari pensaklaran beban R,L dan C menggunakan simulator dan pensaklaran

beban komputer .

II.4. METODOLOGI PENULISAN

Metodologi yang digunakan dalam pembuatan seminar ini adalah melakukan

studi literatur dari jurnal, skripsi, buku, hasil penelitian dan pencarian lewat internet

mengenai fenomena tegangan peralihan seperti penyebabnya tegangan peralihan, bentuk

tegangan peralihan pada beberapa jenis komponen peralatan komputer. Selain itu,

dilakukan juga pemodelan metode pengujian yang akan dilakukan di Laboratorium

Sistem Tenaga Listrik FTUI di Depok untuk melihat tegangan peralihan yang terjadi dari

proses pensaklaran variasi beban komputer dan kombinasi komponen R L dan C pada

Power System Simulator.

3


II.5. SISTEMATIKA PENULISAN

Pembahasan mengenai tegangan peralihan ini tertuang pada beberapa bab secara

sistematis. Pada bab yang pertama dijelaskan mengenai latar belakang masalah tegangan

lebih peralihan, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metodologi penulisan dan

sistematika penulisan. Bab dua berisi mengenai pengertian tegangan lebih peralihan,

tegangan lebih peralihan pada rangkaian listrik, jenis tegangan lebih peralihan, dan

sumber dari tegangan lebih peralihan.

Pada bab tiga ditinjau bagaimana fenomena tegangan peralihan pada berbagai

komponen listrik komputer. Bab empat membahas mengenai metodologi pengujian yang

akan dilakukan yang berisi peralatan, bentuk rangkaian pengujiannya, dan proses

pengujian yang akan dilakukan. Kemudian bab kelima adalah kesimpulan dari penulisan

yang dilakukan.

Universitas Indonesia 4

BAB II

TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

II.1. PENGERTIAN TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

Tegangan lebih peralihan adalah kondisi naiknya tegangan hingga beberapa kali

lipat dari nilai normalnya dalam durasi waktu yang sangat cepat. Tegangan lebih

peralihan ini berupa tegangan impuls yang mempunyai muka gelombang dan ekor

gelombang. Tegangan lebih peralihan ini akan berisolasi hingga mencapai keadaan

tunaknya (Steady State). Kenaikan tegangan lebih peralihan ini biasanya dapat terjadi

antara 1.0 sampai 2.0 p.u tergantung dari sistemnya dalam durasi mikro detik.

Pada dasarnya gejala peralihan ini timbul pada suatu rangkaian karena adanya

perubahan bentuk energi yang terkandung pada rangkaian atau sistem secara mendadak

oleh karena adanya pengisian maupun pelepasan muatan pada rangkaian atau sistem

tersebut. Secara umum tegangan lebih peralihan ini disebabkan oleh 2 faktor, yaitu faktor

luar seperti petir dan faktor dalam seperti pensaklaran [1].

II.2. TEGANGAN PERALIHAN PADA RANGKAIAN LISTRIK

Pada sistem tenaga listrik, peralihan merupakan suatu fenomena dasar sebagai

suatu bentuk respon secara alamiah pada tegangan atau arus pada sistem. Pada saat

terjadinya peralihan pada rangkaian listrik, akan terjadi gejala perubahan paramater arus

dan tegangan. Gejala perubahan parameter arus sering disebut arus inrush [1]. Sedangkan

gejala perubahan paramater tegangan disebut tegangan peralihan atau tegangan transien.

Bentuk respon yang akan terjadi dipengaruhi oleh komponen resistif, kapasitif dan

induktif yang merupakan komponen dasar rangkaian listrik.

Terdapat 3 bentuk respon yang diakibatkan oleh komponen-komponen rangkaian

listrik [1], yaitu:

5


1. Respon alami kurang teredam (underdamped)

2. Respon teredam kristis (critically damped)

3. Respon sangat teredam (overdamped).

Gambar 2.1 Rangkaian paralel RLC

Ketiga komponen rangkaian listrik diatas, secara matematis dapat dijelaskan

hubungannya terhadap bentuk respon yang akan terjadi. Pada gambar 2.1 diatas terdiri

dari komponen R L dan C yang dihubungkan secara paralel karena pada analisa respon

yang dilakukan adalah terhadap respon tegangan. Pada rangkaian diatas dilakukan

analisis mesh sehingga diturunkan persamaan arusnya, yaitu:

𝑉𝑅

+ 𝐶 𝑑𝑉𝑑𝑡

+ 1𝐿 ∫ 𝑉(𝑡)𝑡

𝑡0𝑑(𝑡) = 0

kemudian didiferensialkan sehingga menjadi:

1𝑅𝑑𝑉𝑑𝑡

+ 𝑐𝑑2𝑉𝑑𝑡2

+1𝐿𝑉 = 0

dan dengan mendiferensialkan dengan orde 2, dimisalkan 𝑉 = 𝐾𝑒𝑠𝑡

sehingga :

1𝑅𝑑𝐾𝑒𝑠𝑡 + 𝐶

𝑑2𝐾𝑒𝑠𝑡

𝑑𝑡2+

1𝐿𝐾𝑒𝑠𝑡 = 0

𝐾𝑒𝑠𝑡 �𝑠𝑅

+ 𝐶𝑠2 +1𝐿� = 0

6


𝑠2 +1𝑅𝐶

𝑠 +1𝐿𝐶

= 0

dengan 𝑠1,2 = − 12𝑅𝐶

± �� 12𝑅𝐶

�2− � 1

𝐿𝐶�

atau 𝑠1,2 = −𝛼 ± �𝛼2 + 𝜔02

dimana 𝛼 = 12𝑅𝐶

; 𝜔0 = � 1𝐿𝐶

Untuk 𝛼 < 𝜔0 merupakan kondisi underdamped

𝑉(𝑡) = 𝑒𝑠𝑡(𝑏1 cos𝜔𝑑𝑡 + 𝑏2 sin𝜔𝑑𝑡)............................................(2.1)

Untuk 𝛼 = 𝜔0 merupakan kondisi critically damped

𝑉(𝑡) = 𝐾1𝑒𝑠𝑡 + 𝐾1𝑡𝑒𝑠𝑡.................................................................. (2.2)

Untuk 𝛼 > 𝜔0 merupakan kondisi overdamped

𝑉(𝑡) = 𝐾1𝑒𝑠1𝑡 + 𝐾1𝑒𝑠2𝑡............................................................... (2.3)

Dalam analisa rangkaian listrik dapat dibedakan menjadi 2, yaitu analisa statis

atau keadaan tunak dan analisa dinamis atau keadaan peralihan. Rangkaian listrik

dikatakan dalam keadaan statis atau tunak adalah saat variabel-variabel berupa tegangan

arus dan lain-lain menunjukkan perilaku yang tidak berubah terhadap waktu (pada

rangkaian searah) dan berubah secara periodik (rangkaian arus bolak-balik). Sedangkan

rangkain listrik dalam keadaan dinamis ketika variabel-variabelnya berubah tidak secara

periodik.

Seperti kita ketahui dalam rangkaian listrik terdapat energi yang mengalir yang

berasal dari sumber tegangan dan arus. Energi ini dapat disimpan dalam bentuk

induktansi dan kapasitansi. Pada kondisi tunak energi yang tersimpan tersebut dalam

rangkaian searah adalah tetap sedangkan pada rangkaian bolak balik energi tersebut akan

berubah-ubah secara periodik dalam bentuk medan magnet dan medan listrik.

Ketika terjadi perubahan yang tiba-tiba pada rangkaian listrik akan

mengakibatkan pendistribusian ulang energi yang tersimpan dalam L dan C dan

perubahan pengiriman energi dari sumber untuk menyesuaikan kondisi baru tersebut.

7


Pendistribusian ulang ini membutuhkan waktu dan tidak bisa dalam keadaan seketika,

sehingga menghasilkan keadaan peralihan pada rangkaian.

Perubahan distribusi energi yang seketika ini membutuhkan daya yang tidak

terbatas, yang diasosiasikan dengan induktor dan kapasitor. Secara matematis turunan

pertama dari energi, dE/dt, ketika terjadi perubahaan yang begitu cepat (t mendekati 0)

menghasilkan daya (P) yang tidak terbatas. Namun, dalam keadaan sebenarnya daya yang

tidak terbatas itu tidak ada pada sistem, sehingga energi tidak dapat terjadi seketika, tapi

terjadi dalam periode waktu tertentu, yaitu pada saat peralihan terjadi.

Energi yang tersimpan pada induktor berupa energi magnetik dapat diubah

dengan adanya perubahan arus. Perubahaan arus ini menimbulkan tegangan induksi

dengan besar nilai L=(di/dt) dimana perubahaan ini tidak dapat terjadi seketika karena

secara teoritis dapat menimbulkan arus yang tidak terbatas yang tidak ada terjadi pada

keadaan sebenarnya.

Energi yang tersimpan pada kapasitor berupa energi listrik dapat diubah dengan

adanya perubahan tegangan sesuai persamaan v = q/C , dengan q merupakan muatan.

Perubahan tegangan maupun muatan ini tidak dapat terjadi seketika. Perubahaan

tegangan ini dengan besar dv/dt = (1/C) dq/dt = i/C dengan keadaan seketika dapat

menimbulkan arus yang nilainya tidak terbatas, tapi dalam keadaan sebenarnya hal itu

tidak mungkin. Dari penjabaran diatas terlihat bahwa perubahaan apapun dalam

rangkaian listrik akan menimbulkan keadaan peralihan pada sistem.

Perubahan energi pada rangkaian listrik didasari dari prinsip konversi energi yaitu

jumlah energi yang disuplai harus sama dengan jumlah energi yang disimpan ditambah

dengan energi yang terdisipasi. Disipasi energi yang terjadi berupa resistansi rangkaian

dan energi yang tersimpan dalam bentuk induktansi dan kapasitansi. Disipasi energi ini

mempengaruhi tingkat waktu peralihannya. Artinya makin tinggi disipasi energi, semakin

cepat waktu peralihan.

Gejala peralihan yang terjadi pada sistem ini secara garis besar merupakan suatu

hal yang tidak diinginkan dan mengganggu kualitas daya sistem. Gejala peralihan ini

8


dapat meningkatkan level tegangan, arus dan kerapatan energi pada sistem sehingga dapat

menimbulkan distorsi peralatan, kenaikan suhu, interferensi stabilitas sitem dan bahkan

kerusakan dari keseluruhan sistem.

Namun gejala peralihan ini dibutuhkan pada sebagian peralatan yang

peralihannya dapat dikendalikan dan diperlukan seperti pada peralatan komunikasi,

kendali, sistem komputasi yang beroperasi pada keadaan normalnya dengan prinsip

pensaklaran.

II.3. JENIS TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

Pada sistem tenaga listrik ada 2 jenis peralihan [2], yaitu:

1. Impulsive Transient, yang memiliki bentuk respon peralihan seperti keadaan

overdamped dan critically damped.

2. Oscillatory Transient, yang memiliki bentuk respon peralihan seperti

underdamped.

II.3.1. Peralihan Impulsif (Impusive Transient)

Peralihan impulsif adalah suatu respon kenaikan tegangan atau arus tanpa

mengubah besar dari frekuensi kondisi tunak dari tegangan atau arusnya dengan bentuk

gelombang searah. Bentuk gelombangnya adalah sama seperti gelombang dari persamaan

ekponensial murni pada gambar 2.2. Peralihan impulsif ini biasanya diakibatkan oleh

surja petir.

Dalam peninjauan peralihan impulsif ini dilakukan terhadap beberapa karateristik

yang menunjukkan kondisi impulsifnya, seperti besarnya arus maksimum atau tegangan

maksimumnya, durasi waktu untuk mencapai keadaan maksimum dan durasi waktu untuk

kembali menjadi kondisi normal. Berikut contoh notasi untuk menunjukkan karateristik

dari peralihan impulsif, seperti 1,1 x 60 μs 3000 V. Arti dari notasi tersebut adalah waktu

yang dibutuhkan untuk mencapai tegangan puncak 3000 V adalah 1,1 mikrodetik dan

9


waktu yang dibutuhkan untuk turun menjadi setengah dari tegangan maksimumnya

adalah 60 mikrodetik.

Gambar 2.2 Gelombang peralihan impulsif

Bentuk dari peralihan impulsif ini yang berada dalam frekuensi yang cukup tinggi

dapat berubah secara cepat oleh karena bentuk dari komponen rangkainnya.

II.3.2. Peralihan Osilasi (Oscillatory Transient)

Peralihan osilasi adalah suatu respon kenaikan tegangan atau arus tanpa

mengubah besar dari frekuensi kondisi steady-state dari tegangan atau arusnya dengan

bentuk gelombang bolak-balik. Bentuk gelombangnya seperti gelombang dari persamaan

eksponensial sinusoidal. Peralihan osilasi ini diakibatkan oleh adanya gangguan dan

pensaklaran.

Dalam peninjauan peralihan osilasi ini dilakukan terhadap beberapa karateristik

yang menunjukkan kondisi osilasinya sama seperti peninjauan peralihan impulsif, yakni

besarnya arus maksimum atau tegangan maksimumnya, durasi waktu untuk mencapai

keadaan maksimum dan durasi waktu untuk kembali menjadi kondisi normal.

Peralihan osilasi ini dapat dibagi menjadi 3 berdasarkan besarnya frekuensi

gelombang, yaitu: [1]

10


1. Peralihan osilasi frekuensi tinggi (high-frequency transient).

Peralihan osilasi ini besar frekuensinya adalah diatas 500 KHz dengan

durasi mikrodetik. Peralihan ini biasanya terjadi dari respon sistem terhadap

peralihan impulsif. Tegangan lebih peralihan frekuensi tinggi ini biasanya

diakibatkan oleh adanya pensaklaran beban dan petir.

2. Peralihan osilasi frekuensi menengah (medium- frequency transient)

Peralihan osilasi ini besar frekuensinya adalah 5-500KHz dengan durasi

dalam waktu mikrodetik. Peralihan ini juga terjadi karean respon sistem terhadap

peralihan impulsif. Tegangan lebih peralihan frekuensi menengah ini biasanya

diakibatkan oleh adanya pengisian muatan kapasitor.

3. Peralihan osilasi frekuensi rendah (low- frequency transient).

Peralihan osilasi ini besar frekuensinya adalah dibawah 5 KHz dengan

durasi waktu 0,3 sampai 50 mikrodetik. Peralihan ini biasanya terjadi karena

adanya pelepasan energi dari kapasitor. Biasanya kapasitor menghasilkan

peralihan osilasi dengan besar frekuensi 300-900 Hz.

Gambar 2.3 Gelombang peralihan osilasi

Tegangan peralihan juga dapat dibagi menjadi beberapa jenis berdasarkan

penyebabnya, yaitu:

11


1. Temporary transient, tegangan lebih peralihan yang disebabkan oleh kegagalan

isolasi, ferro resonansi, kompensasi daya reaktif berlebih dan sebagainya.

2. Switching overvoltage transient, tegangan lebih peralihan yang disebabkan oleh

proses pensakalaran dari beban normal, pensakalaran hidup-mati arus induktif

rendah serta pensaklaran dari kapasitor bank.

3. Lightning overvoltage transient, tegangan lebih peralihan yang disebabkan oleh

sambaran petir.

II.4. SUMBER TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

Secara garis besar tegangan lebih peralihan pada sistem tenaga listrik dapat

diakibatkan oleh 2 hal, yaitu surja petir dan surja hubung. Surja petir ini terjadi karena

adanya petir yang menyambar sistem tenaga listrik. Sedangkan surja hubung ini terjadi

karena adanya proses penskalaran pada sistem tenaga listrik.

II.4.1. Surja Petir

Petir merupakan suatu gejala alam yang dianalogikan seperti kapasitor. Pada

kapasitor terjadi pelepasan muatan antara dua lempengan yaitu lempengan positif atau

lempengan negatif. Hal tersebutlah yang terjadi pada petir. Muatan akan dilepas dari

awan sebagai lempengan negatif yang berisi muatan listrik ke awan lain yang bermuatan

positif sebagai lempengan positif atau ke bumi sebagai lempengan netral. Awan yang

dapat menimbulkan petir disebut awan Comulunimbus.

Proses terjadinya petir diawali dari pergerakan muatan yang terjadi pada awan

yang terdiri dari partikel-partikel yang bergerak terus menerus sehingga awan yang satu

dengan awan yang lainnya akan saling berinteraksi. Hasil dari interaksi ini menyebabkan

muatan-muatan negatif akan berkumpul menjadi awan negatif sedangkan muatan positif

akan berkumpul menjadi awan negatif. Jika pada antar awan maupun awan dengan bumi

12


terjadi perbedaan potensial yang cukup tinggi, maka akan terjadi pelepasan muatan

negatif menuju awan bermuatan positif maupun dengan bumi.

Pada saat terjadi petir yang menyambar saluran transmisi maupun distribusi akan

menyebabkan terjadinya tegangan lebih peralihan. Tegangan lebih peralihan ini berasal

dari muatan-muatan yang jumlahnya sangat besar dan mengalir sepanjang saluran.

Tegangan lebih peralihan ini berbentuk gelombang yang pada saat awal akan terjadi

kenaikan nilai yang sangat besar dan lama-kelamaan akan berosilasi sehingga semakin

lama semakin meredam.

Gambar 2.4 Tegangan impuls petir

Gelombang tegangan lebih ini dapat ditunjukkan menjadi fungsi eksponensial,

yaitu :

𝑒 = 𝐸(ε−at − ε−bt) ..........................................(2.4)

dimana :

e = tegangan osilasi

E = amplitudo sistem

ε = basis logaritma natural dengan besar 2,71828183

a = konstanta gelombang pertama

b = konstanta gelombang kedua

Dari persamaan diatas terlihat bahwa gelombangnya terdiri dari dua yaitu gelombang

𝐸ε−at dan gelombang kedua 𝐸ε−bt.

13


Surja petir ini menimbulkan gelombang berjalan dengan nilai maksimum pada

awal gelombang. Akibatnya menimbulkan arus yang sangat tinggi pada saluran dalam

waktu yang sangat cepat. Arus yang terjadi dapat mencapai 10.000 A sampai 200.000 A.

Surja petir yang sangat cepat inilah disebut tegangan lebih peralihan yang akan semakin

teredam hingga pada saluran kembali kekeadaan normal.

II.4.2. Surja Hubung

Kapasitor adalah salah satu komponen yang digunakan untuk menjaga utilitas

sistem tenaga listrik. Kapasitor digunakan untuk mengurangi rugi-rugi daya yang terjadi

pada sistem tenaga listrik dimana kapasitor ini merupakan komponen yang menyuplai

daya reaktif kesistem. Selain itu, kapasitor ini digunakan juga untuk menaikkan tegangan

pada sistem.

Namun, penggunaan kapasitor ini juga ternyata dapat menggangu kualitas daya

sistem tenaga listrik. Ketika terjadi pensaklaran pada kapasitor dapat mengakibatkan

tegangan lebih peralihan pada sistem tenaga listrik. Hal ini terjadi karena saat setelah

terjadi pensaklaran, kapasitor tersebut akan melakukan pengisian muatan (penutupan)

sehingga tegangan pada sistem akan menurun secara tiba-tiba dalam waktu yang sangat

cepat yang biasanya dalam waktu mikrodetik. Pada saat pembukaan kapasitor, terjadi

pelepasan muatan. Besar muatan yang terjadi pada kapasitor 𝑞 = 𝐶𝑣.

Pada saat terjadinya pemulihan inilah akan terjadi osilasi yang sangat tinggi yang

menimbulkan ripple effect pada sistem tenaga listrik sampai mencapai keadaan steady

state. Inilah yang menyebabkan tegangan lebih peralihan.

Pada saat terjadinya pensaklaran kapasitor, biasanya dapat mencapai sekitar 1.3

sampai 1.4 p.u dari tegangan normalnya. Secara umum tegangan peralihan tidak lebih

dari 2.0 p.u pada distribusi utama, meskipun untuk kapasitor bank yang tidak ditanahkan

bisa nilainya lebih besar. Pemasangan kapasitor bank di daerah konsumen dapat

meningkatkan besar tegangan peralihan yang bisa terjadi dari 3.0 sampai 4.0 pu pada

tegangan rendah.

14


Tegangan lebih peralihan juga dapat terjadi oleh karena adanya operasi

pensaklaran pada sistem tenaga listrik. Pada operasi pensaklaran dapat berupa pembukaan

atau penutupan dapat menimbulkan gejala surja hubung atau peralihan energi listrik yang

berupa tegangan lebih peralihan (transients over voltage) yang berupa gelombang impuls

yang mempunyai muka dan ekor gelombang.

Gambar 2.5 Tegangan lebih karena adanya pengisian kapasitor bank

Besar kenaikan tegangan yang terjadi pada waktu pelepasan beban, yang mana

besarnya kenaikan tegangannya tergantung dari besarnya kapasitas dan impedansi beban.

𝑉 = 𝑓𝑓0𝐸 ��1 − 𝑓

𝑓0� 𝑋𝑠𝑋𝑐�...................................................(2.5)

dengan: v = kenaikan tegangan pada ujung saluran, f = frequensi pada saat tegangan

maksimum, f0

= frequensi dasar 50 Hz, E = tegangan subtransien generator, Xs= reaktansi

sumber, Xc= reaktansi kapasitif saluran.

Besar amplitudo tegangan lebih peralihan pada saat pelepasan beban selalu

berkorelasi dengan tegangan sistem dan frekuensi osilasi yang dipengaruhi oleh

impedansi sistem tersebut.


15

BAB III

STUDI TEGANGAN LEBIH PERALIHAN PADA KOMPONEN LISTIK KOMPUTER

III.1. FENOMENA TEGANGAN PERALIHAN PADA VOLTAGE REGULATOR

Voltage regulator merupakan salah satu komponen pada peralatan elektronika

yang berguna sebagai pengatur tegangan sehingga dihasilkan tegangan sesuai yang

dibutuhkan oleh peralatan tersebut. Komputer merupakan salah satu peralatan yang

menggunakan voltage regulator untuk mengatur tegangan masukkanya. Atas dasar

adanya penghematan energi, komputer mempunyai mode sleep yang akan bekerja ketika

komputer yang menyala tidak digunakan. Ketika mode ini bekerja, energinya lebih hemat

dimana komputer akan menggunakan energi minimum untuk kembali ke mode biasa

dalam beberapa detik [3].

Ketika komputer berubah dari mode sleep ke mode active mode, pada prosesor

komputer akan terjadi peralihan yang besar pada arus masukannya. Peralihan ini terjadi

sangat cepat. Arus peralihan yang terjadi dapat mencapai 1,6 A/nS bahkan mencapai 30

A/nS tergantung dari jumlah pemutusan kapasitor yang terdapat diluar maupun didalam

prosesor [3].

Transisi arus yang cepat ini menyebabkan adanya jatuh tegangan pada suplai daya

prosesor yang diatur oleh Voltage Regulator Mode (VRM). Prosesor bekerja pada

tegangan rendah yaitu 3.1/2.8 V dengan arus 13 A. Jatuh tegangan saat transisi arus dapat

mencapai 150mV [3]. Kondisi dengan tegangan rendah, arus yang tinggi dan kebutuhan

untuk beralih kekeadaan normal dalam waktu yang sangat cepat mengakibatkan

terjadinya perubahan daya pada prosesornya.

Seperti kita ketahui bahwa kapasitor merupakan salah satu komponen yang

terdapat pada rangkaian listrik yang dapat menyimpan energi. Komponen ini berperan

penting dalam mempengaruhi kondisi peralihan pada tegangan sistem.

16


Dalam analisa tegangan peralihan yang dilakukan, kapasitor disini sudah tidak

menjadi kapasitor murni lagi, namun terdapat komponen resistor dan induktor yang akan

mempengaruhi respon peralihan yang akan terjadi.

Gambar 3.1 Simulasi model prosesor pentium [3]

Pada gambar 3.1 terlihat rangkaian dari VRM dan prosesornya dengan besar

masukan 5 V dan keluaran 3.1 V. Pada daerah beban dianggap sebagai sumber arus yang

akan berubah secara eksponensial dari 1 A menjadi 13 A dengan kecepatan 1.6 A/nS.

Dengan adanya kenaikan arus ini mengakibatkan tegangan tersebut mengalami jatuh

secara tiba-tiba yang terjadi pada keluaran VRM,Vo, dan tegangan decoupling kapasitor,

Vd seperti pada gambar 3.2.

Setelah terjadinya jatuh tegangan ini, akan menimbulkan tegangan peralihan

untuk kembali menuju tegangan normal kerjanya atau keadaan tunaknya. Pada gambar

3.2 baik itu tegangan keluaran VRM maupun tegangan masukan prosesor ketika terjadi

peralihan juga mempunyai spike bahkan sampai 3 buah spike. Spike yang terjadi ini

17


adalah diakibatkan oleh adanya arus yang tidak stabil ketika terjadi tegangan peralihan.

Terlihat pada gambar rangkain 3.3, setiap loop yang ada memiliki nilai R, L dan C yang

berbeda-beda sehingga menghasilkan frekuensi resonansi yang berbeda-beda juga.

Persamaan frekuensi masing-masing loopnya adalah

𝐹0 = 12𝜋�𝐿𝑒𝑞.𝐶𝑒𝑞

...................................................(3.1)

dengan besar frekuensi F1>F2>F3. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa kapasitor disini

bukanlah kapasitor murni lagi namun sudah ada pengaruh dari induktor dan kapasitor

yang memberi pengaruh dari arus yang dilepaskan oleh kapasitor tersebut. Setiap

komponen ini yang mempengaruhi besar frekuensi resonasi setiap loopnya akan

menimbulkan spike selama peralihan terjadi.

Gambar 3.2 Gelombang tegangan peralihan pada keluaran VRM [3]

18


Gambar 3.3 Model prosesor pada masing-masing loop dengan frekuensinya[3]

𝑡𝑝 = 12.𝐹0√1−𝜖2

...............................................................(3.2)

Masing-masing loop tersebut menghasilkan output arus yang berbeda-beda,

artinya arus yang berada pada loop 1 akan mempunyai arus peak dengan waktu peak, tp,

yang berbeda-beda setiap loop-nya sehingga menghasilkan spike pada tegangan

peralihannya.

Peralatan elektronika yang sangat sensitif dengan namanya gangguan karena

dapat merusak peralatan tersebut sehingga dibutuhkan suplai tegangan yang stabil

walaupun adanya variasi beban. Baterai sebagai penyimpanan listrik digunakan

dikebanyakan peralatan elektronika seperti pada kamera, telepon genggam dan lain-

lainnya. Pada kenyataanya tegangan keluaran dari baterai inipun berubah-ubah karena

adanya kondisi pengisian dan pelepasan. Contohnya ketika terjadi pengisian penuh

tegangannya adalah 3.6 V, sedangkan ketika terjadi pelepasan tegangannya mencapai 1.9

V. Hal ini menimbulkan adanya suatu dilema bahwa ketika dalam mendesain tingkatan

tegangan pada sirkuitnya perlunya pertimbangan terhadap kondisi tersebut. Jika desain

yang dibuat tegangannya adalah 3.6 V, berarti sirkuit itu tidak dapat bekerja pada

tegangan 1.9 V, dan sebaliknya jika desain tegangannya 1.9 V, sirkuit itu sudah melebihi

19


batas tegangan toleransinya yang mencapai 3.6 V. Oleh karena itu, perlu adanya regulasi

tegangan untuk mengatasi kondisi peralihan yang terjadi oleh pengaruh beban tersebut

[6].

Sistem regulasi yang dapat digunakan adalah Low Drop-Out (LDO) Regulator

dengan prinsip kerjanya adalah meminimilisasi perbedaan tegangan masukan dan

keluaran sekecil mungkin dengan mengacu terhadap batas toleransi yang diatur oleh

MOS.

Gambar 3.4 Rangkaian topologi Fast Transient Response LDO [6]

Pada gambar 3.4 adalah rangkaian topologi dari Fast Transient Rersponse LDO

terdapat resistor yang menghasilkan keluaran kecil membuat waktu lebih cepat pada

gerbangnya PMOS sehingga memungkinkan pengisian dan pelepasan yang sangat cepat

pada kapasitor; oleh karena itu, respon dari LDO sangat cepat terhadap perubahan beban

[6].

Pada simulasi yang dilakukan variasi arus dari 0 mA menjadi 150 mA dalam

durasi waktu 10 ns dan sebaliknya dari 150 mA menjadi 0 mA. Terlihat pada gambar 3.5

ini merupakan variasi yang dilakukan selama 8 uS. Pada saat terjadinya perubahan arus

beban ini dari 0 mA menjadi 150 mA ternyata menyebabkan adanya gejala tegangan

20


peralihan yang sangat cepat sekitar 0.050 uS. Peralihan yang sangat cepat ini diakibatkan

adanya resistor dan MOS yang mengatur regulasi peralihannya sehingga tegangan

perlihannya hanya mencapai 28 mV dimana terjadinya pengisian muatan pada kapasitor.

Gambar 3.5 Respon peralihan pada saat variasi arus beban dari 0 mA menjadi 150 mA

dan dari 150 mA menjadi 0 mA [6]

Gambar 3.6 Arus beban dari 0 mA menjadi 150 mA [6]

21


Gambar 3.7 Arus beban dari 150 mA menjadi 0 mA [6]

Gejala peralihan juga ternyata pada saat adanya perubahan arus beban dari 150

mA menjadi 0 mA yang terjadi pada saat pelepasan beban. Adanya perubahan arus ini

menyebabkan adanya tegangan lebih peralihan. Hal ini terjadi karena pada saat pelepasan

beban ini, kapasitor turun andil melepas muatannya sehingga terjadi kenaikkan tegangan.

Selama proses perlihan ini LDO tersebut akan mengatur besar tegangan sebelum dan

sesudah dilepas bebannya perbedaan tingkatannya tidak terlalu jauh sehingga tegangan

lebihnya tidak terlalu besar. Durasi waktu untuk peralihannya juga sangat cepat mencapai

sekitar 0.05 uS.

III.2. FENOMENA TEGANGAN PERALIHAN PADA BEBAN SENSITIF

Di era sekarang ini peralatan-peralatan elektronika sudah sangat berkembang

pesat baik digunakan untuk peralatan rumah tangga maupun perindustrian. Listrik

menjadi sumber energi dari peralatan elektronika ini ternyata dapat mengakibatkan

peralatan elektronika yang sangat sensitif dapat rusak ketika adanya gangguan pada listrik

seperti terjadinya tegangan lebih diatas tegangan nominal peralatan tersebut. Hal ini dapat

mengakibatkan kerugian yang cukup besar [4].

22


Pada kebanyakan peralatan elektronika, arus yang digunakan adalah arus searah

(DC) sehingga biasanya setiap peralatan elektronika mempunyai suplai daya yang berisi

penyearah. Sekarang ini dikenal suplai daya yang terbaru yang dinamakan Switching

Mode Power Supplies (SMPS) yang bekerja pada frekuensi tinggi dengan kelebihan lebih

efisien, harga lebih murah dan ukurannya lebih kecil.

Komponen utama dari SMPS ini [4] adalah :

1. DC-DC Konverter

2. AC-DC Konverter

3. Input Filter

4. Proteksi

Gambar 3.8 Blok SMPS [4]

Pada penggunaan SMPS ini, tegangan peralihan yang masuk ke SMPS akan

menyebabkan tegangan peralihan juga disisi keluarannya yang menuju ke beban. Oleh

kerena itu, perlu adanya analisa terhadap batas maksimal dan durasi yang ditoleransi

ketika terjadi peralihan karena dapat mempengaruhi beban yang sangat sensitif. Aspek

lainnya juga adalah kemiringan dari peralihan yang terjadi.

23


Gambar 3.9 Model SMPS pada topologi Forward, Half-Bridge dan Full-Bridge [4]

Dari rangkaian pada gambar 3.10 dapat didapatkan persamaan penggantinya,

sehingga terlihat besar tegangan keluarannya yang memiliki gain sehingga ketika terjadi

tegangan peralihan pada sisi masukan, VCTR, akan mempengaruhi tegangan

keluarannya, Vo, dimana tegangan yang dihasilkan oleh kapasitor menjadi faktor

menyebabkan tegangan peralihan ini terjadi.

Pada gambar 3.10 terlihat hasil simulasi dari tegangan peralihan ketika tegangan

kapasitor Vcf mengalami kenaikan tegangan sebanyak 20%, kecepatan kenaikkanya

berubah menjadi dari 0.1 V/uS menjadi 1 V/us. Terlihat bahwa dengan tegangan

peralihan pada Vcf dengan kecepatan tersebut pada tegangan keluarnya lebih besar 1%

dari tegangan nominalnya, Vo.

24


Gambar 3.10 Hasil simulasi SPICE [4]

Gambar 3.11 Model impedansi tegangan tinggi dari SMPS [4]

1. Peralihan phasa ke netral

Terdapat 2 pendekatan yang dilakukan, yaitu:

a. Pengaruh dari Vcf tegangan peralihan pada tegangan keluaran dan pada

arus magnetisasi pada trafo

b. Pengaruh dari tegangan peralihan netral ke bumi dan phasa ke netral pada

tegangan keluaran.

25


2. Peralihan netral ke bumi

Tegangan peralihan pada phasa ke netral dan netral kebumi dapat dihasilkan oleh

keluaran dari tegangan SMPS yang disebabkan oleh leakage kapasitansi pada trafo

isolation. Untuk menganalisanya perlu membuat model rangkaian menggunakan

impedansi.

Gambar 3.12 Model impedansi frekuensi tinggi : a. Vpe=Vne, b. Vpe≠Vne [4]

Dua model rangkian impedansi diatas dikarateristikan oleh 2 jenis frekuensi yaitu

impedansi Z1 dan Z2. Impedansi Z1 merupakan referesentasi dari paralel 4 impedansi

antara input dan output dimana leakage kapasitansi pada trafo diperhitungkan dimana

nilainya sama besar. Sedangkan Z2 merupakan referenstasi dari output impedansi

kapasitor.

Gambar 3.12 a merupakan model dari tegangan peralihan antara phasa ke bumi

dan netral ke bumi ketika Vpe=Vne pada tegangan keluarannya sedangkan gambar 3.12

b merupakan tegangan peralihan antara phasa ke bumi dan netral ke bumi ketika kedua

nilainya berbeda.

26


Gambar 3.13 Hasil simulasi SPICE : mengatur kemiringan dv/dt pada masukan model

umum (a), mencapai 50 mV pada keluaran [4]

Pada gambar 3.13, terlihat bahwa ketika sebuah tegangan peralihan diberi pada

masukkan. Terlihat bahwa sebuah tegangan impuls dengan kecepatan dv/dt 120v/us

terjadi pada tegangan netral ke bumi atau phasa ke bumi, menghasilkan peralihan yang

signifikan pada outputnya (1% dari Vo).

III.3. FENOMENA TEGANGAN PERALIHAN PADA DATACENTER

Di era zaman modern sekarang ini kebutuhan akan datacenter sebagai

penyimpanan data semakin meningkat. Perindustrian, pemerintah, organisasi dan insistusi

membutuhkan datacenter tersebut untuk penyimpanan data mereka. Oleh karena itu, data

ini sangat penting tetap tersimpan dan dapat diakses setiap saat sehingga dibutuhkan

datacenter yang memiliki kehandalan yang tinggi, dapat tetap beroperasi dengan baik

meskipun terjadi gangguan listrik.

27


Tegangan peralihan pada datacenter sering terjadi yang berasal dari pensaklaran

kapasitor baik itu berasal dari tegangan AC maupun DC pada distribusi listriknya

rangkaian datacenter. Arsitektur distribusi arusnya menggunakan pemodelan

menggunakan PSCAD/EMTDC. Arsitektur dengan arus AC ini harganya lebih murah,

peralatan lebih banyak, dan utilisasinya buruk. Sedangkan arsitektur DC ini sangat mudah

terganggu oleh peralihan. Distibusi arus dengan DC leboh efisiein dibanding didistribusi

listrik AC [5].

III.3.1. Analisis Sistem AC

Pada gambar 3.14 terlihat bahwa tegangan peralihan yang terjadi pada masukan

suplai daya ke datacenter pada saat simulasi. Sebelum terjadi peralihan, besar

tegangannya RMS nya adalah 121 V AC, sedangkan saat terjadi peralihan tegangannya

dapat mencapai 188 V AC dan tegangannya menjadi rata-rata 185 V AC. Besar kenaikan

tegangan lebih ini mencapai 52,9 % dari tegangan normalnya.

Gambar 3.14 Tegangan peralihan pada masukan suplai daya AC datacenter [5]

28


Gambar 3.15 Diagram sistem AC [5]

Namun, tegangan lebih disini terjadi mencapai 7 sekon, padahal berdasarkan

standar ITIC, tegangan perlihan yang terjadi tidak boleh lebih dari 3 ms. Hal ini terjadi

karena pada simulasi yang dilakukan, analisa terhadap peralihannya dilakukan selama

durasi simulasi, yaitu 10 sekon.

Gambar 3.16 Jaringan distribusi utilitas pada arsitektur sistem AC [5]

Pada simulasi yang akan dilakukan pada arsitektur AC ini, tegangan peralihan

akan berasal dari pensaklaran kapasitor bank yang terdapat pada rangkaian inputan. Pada

rangkaian tersebut terdapat trafo yang mengubah tegangan dari 4160 V menjadi 480/227

V.

29


Ketika terjadi peralihan, pengukurannya dilakukan pada sisi primer dan sekunder

trafo untuk melihat karateristik perambatan peralihan tersebut. Terlihat pada gambar 3.17

ini ketika tegangan peralihan terjadi yang berasal dari pengisian dari kapasitor terjadi

pada detik ke 3. Hal inilah yang menyebabkan pada inputan suplai daya juga akan terjadi

tegangan peralihan pada detik ke 3 juga

Gambar 3.17 Tegangan peralihan pada sisi primer dan sekunder trafo [5]

III.3.2. Analisis Sistem DC

Pada sistem DC, pada awalnya tegangan kerjanya adalah 380 V. Namun, ketika

terjadi peralihan, tegangan lebihnya mencapai 739 V. Hal ini menunjukkan kenaikkan

30


tegangan peralihannya mencapai 194 % dari tegangan operasinya. Setelah 1,6 detik,

tegangannya menjadi 423 V saat mencapai kestabilannya hingga durasi simulasi selesai.

Berdasarkan standar EPRI, peralihannya tidak dizinkan lebih dari 1 ms.

Gambar 3.18 Diagram sistem DC [5]

Gambar 3.19 Tegangan peralihan pada masukan suplai daya DC datacenter [5]

Hal ini juga terjadi akibat adanya pelepasan muatan dari muatan saat pensaklaran

kapasitor di rangkaian inputan yang menjalar hingga mencapai masukan suplai daya

sistem DC.

31


III.4. FENOMENA TEGANGAN PERALIHAN PADA PENSAKLARAN TEGANGAN

TINGGI

Gejala peralihan biasanya terjadi pada saat proses pembukaan dan penutupan

saklar. Selama proses pensaklaran ini akan terjadi proses pengisian dan pelepasan

muatan.

Gambar 3.20 Diagram sirkuit ekuivalen percobaan [7]

Pada gambar 3.20 terlihat rangkaian pada laboratorium tegangan tinggi yang

disusun untuk mensimulasikan proses pensaklaran pada bus sehingga terlihat tegangan

peralihan yang terjadi. Pada percobaan yang dilakukan ini, tegangan yang digunakan

adalah 15 kVrms. Arus yang digunakan adalah arus AC dengan beban berupa kapasitor

[7]. V

t

Gambar 3.21 Tegangan lebih peralihan pada sistem pada saat penutupan saklar [7]

32


Pada gambar 3.21 merupakan fenomema tegangan peralihan yang terjadi pada sisi

beban ketika dilakukan penutupan saklar. Terlihat ketika terjadi penambahan beban yang

berupa kapasitor (C2) ditutup, kapasitor tersebut akan mengalami pengisian dimana

menimbulkan turun tegangan sistem. Dalam durasi yang sangat cepat, tegangan yang

jatuh tersebut akan naik kembali menuju tegangan awalnya yang menibulkan tegangan

peralihan pada sistem tersebut. Hal ini akan menimbulkan tegangan peralihan terus

menerus pada sistem ketika pada kapasitor mengalami pengisian.

V

t

Gambar 3.22 Tegangan lebih peralihan pada beban saat penutupan saklar [7]

V

t

Gambar 3.23 Tegangan lebih peralihan pada sistem pada saat pembukaan saklar [7]

Pada proses pembukaan beban, pada gambar 3.23 akan terlihat ketika kapasitor C

2 dibuka maka akan terjadi pelepasan muatan pada sistem sehingga menimbulkan

33


tegangan lebih peralihan pada sistem. Kenaikkan tegangan disini melebihi 1 p.u pada

sistem.

V

t Gambar 3.24 Tegangan peralihan pada beban pada saat pembukaan saklar [7]

Pada gambar 3.24 kapasitor C 2 yang sudah dilepas, akan mengalami pelepasan

muatannya sehingga tegangan kapasitor semakin lama akan habis hingga tidak ada

tegangan yang tersisa pada kapasitor tersebut.

Dari proses pensaklaran berupa pembukaan maupun penutupan pada beban akan

menimbulkan terjadinya tegangan peralihan dalam durasi yang sangat cepat. Pada

dasarnya hal ini diakibatkan adanya proses pengisian dan pelepasan muatan terhadap

kapasitor yang turut andil menimbulkan peralihan pada sistem.


34

BAB IV

RANCANGAN METODE PENGUJIAN TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

PADA POWER SYSTEM SIMULATOR DAN BEBAN KOMPUTER

Pada bab ini akan dijelaskan metode pengujian yang akan dilakukan dalam

menganalisis tegangan lebih peralihan pada surja hubung karena adanya pensaklaran,

menjelaskan peralatannya, dan menjelaskan proses dan tahapan-tahapan yang akan

dilakukan dalam pengujian untuk mencari data.

Pengujian tegangan lebih peralihan disini akan dilakukan pada dua keadaan,

yaitu:

1. Percobaan pengujian tegangan lebih peralihan saat pensaklaran menggunakan

Power System Simulator (PSS)

2. Percobaan pengujian tegangan lebih peralihan terhadap pensaklaran beban

komputer.

IV.1. PERALATAN DAN RANGKAIAN PENGUJIAN

IV.1.1. Peralatan Pengujian

Pada pengujian ini dilakukan di Laboratorium Sistem Tenaga Listrik (STL)

Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universiitas Indonesia. Berikut peralatan-

peralatan yang dilakukan untuk pengujian tegangan lebih peralihan pada proses

pensaklaran menggunakan Power System Simulator dan pensaklaran pada beban

komputer, yaitu:

1) Power System Simulator (PSS-NE9070)

Merupakan peralatan simulator sistem tenaga listrik dari mulai pembangkitan,

saluran transmisi, saluran disitribusi dan beban listrik berupa komponen resistor,

35


induktor dan kapasitor. Dengan menggunakan PSS ini akan dilakukan variasi

beban listrik pada komponen R, L dan C.

2) Beban komputer

Merupakan beban listrik yang akan diamati tegangan lebih peralihan yang terjadi

akibat adanya pensaklaran terhadap komputer tersebut yang mewakili beban

listrik yang terdiri dari komponen R, L dan C.

3) Osiloskop (GW INSTEK GDS-820C) dan Probe

Merupakan alat ukur untuk melihat tegangan lebih peralihan yang terjadi pada

sistem. Dengan alat ini dapat terlihat bentuk gelombang yang terjadi sehingga

terlihat berapa besar tegangan peaknya dan durasi waktu peralihannya.

4) Resistor Variabel

Merupakan peralatan yang terdiri dari beberapa resistor yang digunakan sebagai

pembagi tegangan.

5) Saklar

Merupakan alat yang digunakan untuk membuka dan menutup rangkaian

pengujian

6) Kamera digital

Merupakan alat yang digunakan untuk merekam tegangan lebih peralihan yang

terjadi yang tampak pada osiloskop.

IV.1.2. Rangkaian Pengujian

IV.1.2.1. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Saat Pensaklaran Menggunakan Power

System Simulator (PSS)

36


Pada pengujian yang dilakukan ini, PSS digunakan sebagai simulasi sebuah

sistem tenaga listrik yang terdiri dari komponen generator sebagai sumber listrik, trafo

step-up dan step-down, saluran transmisi dan distribusi, dan beban R L dan C. Pada PSS

ini akan dipasang resistor variabel sebagai pembagi tegangan. Osiloskop akan melakukan

pengukuran tegangan peralihan pada tegangan resistor.

Berikut gambar rangkaian pengujian :

Gambar 4.1 Rangkaian pengujian tegangan lebih peralihan pada Power System Simulator

IV.1.2.2. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Pensaklaran Komputer

Pada pengujian tegangan lebih peralihan ini, akan dilakukan pensaklaran terhadap

beban listrik, yaitu komputer. Komputer merupakan peralatan listrik yang terdiri dari

komponen R, L dan C. Komponen ini akan mempengaruhi besar dan bentuk tegangan

lebih peralihannya. Untuk melihat tegangan lebih peralihannya diamati pada resistor

variabel sebagai pembagai tegangan menggunakan osiloskop.

37


Berikut gambar rangkaian percobaannya

Gambar 4.2 Rangkaian pengujian tegangan lebih peralihan pada komputer

IV.2. PENGUJIAN KARATERISTIK TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

Pada pengujian tegangan peralihan menggunakan osiloskop di Power System

Simulator ini, dilakukan variasi terhadap beban R L dan C. Dari pengujian ini akan

didapatkan hubungan variasi beban terhadap besar tegangan peralihannya. Sedangkan

untuk pengujian tegangan lebih peralihan pada pensaklaran komputer menggunakan

osiloskop ini, dilakukan variasi terhadap jumlah beban komputer. Dari pengujian ini akan

didapatkan variasi beban terhadap besar tegangan lebih peralihan yang terjadi.

IV.2.1. Persiapan pengujian

Persiapan pengujian ini dilakukan untuk tahap awal untuk pengujian terhadap

setiap selesai variasi beban. Berikut hal-hal yang dilakukan untuk persiapan pengujian :

1) Menyiapkan alat

2) Memasang peralatan dan menyusun rangkaian pengujian

3) Memastikan semua peralatan tersusun dengan baik.

38


4) Menyalakan peralatan

5) Melakukan kalibrasi terhadap osiloskop.

IV.2.2. Jalannya pengujian

Pada pengujian tegangan peralihan ini, dilakukan pensaklaran terhadap berbagai

macam variasi beban secara terpisah. Pada pengujian menggunakan PSS variasi beban itu

seperti beban R C, R L C, variasi besar R L dan C nya itu sendiri. Sedangkan untuk

pengujian terhadap beban komputer dilakukan variasi terhadap jumlah komputer itu

sendiri.

Variasi beban yang dilakukan ini ditujukan untuk melihat karateristik tegangan

peralihan yang terjadi ketika dilakukan pensaklaran. Tegangan peralihan yang terjadi

akan ditampilkan pada osiloskop. Karateristik dari tegangan peralihan yang nilainya

dapat mencapai 2 pu menghasilkan tegangan peralihan yang cukup tinggi yang dapat

merusak alat ukur,osiloskop karena dapat melebihi maksimal tegangan yang dapat

terukurnya. Oleh karena itu, pada rangkaian percobaan dipasang resistor variabel sebagai

pembagi tegangan. Osiloskop akan melakukan pengukuran tegangan yang terjadi pada

resitor tersebut. Bentuk gelombang tegangan yang terjadi pada resistor ini dapat

direpresentasikan sebagai gelombang tegangan peralihan yang terjadi pada sistem.

Pada osiloskop akan dilakukan pencuplikan terhadap tegangan peralihan yang

terjadi pada resitor pembagi tegangan. Hasil dari cuplikan ini akan terlihat bentuk

gelombang yang terjadi saat terjadinya peralihan sehingga terlihatlah besar amplitudo

gelombang yang terjadi dan waktunya pada layar osiloskop.

Paramater-parameter tegangan peralihan seperti amplitudo dan waktu yang

didapatkan ini kemudian dicatat dan melihat karateristik penting tegangan peralihan

seperti besar puncak tegangan peralihannya, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai

tegangan puncaknya dan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan tunak.

Dari dua pengujian tersebut akan didapatkan dua hasil tegangan lebih peralihan

yaitu pada beban R, L dan C dan pada beban komputer. Dari kedua tegangan lebih

39


peralihan ini hasilnya akan dilakukan analisa masing-masing dan akan diperbandingkan

bagaimana karateristik tegangan lebih peralihan pada beban murni seperti R, L dan C dan

karateristik beban komputer.

IV.3. DIAGRAM PENGUJIAN TEGANGAN LEBIH PERALIHAN

IV.3.1. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Power System Simulator

Berikut diagram jalannya pengujian tegangan lebih peralihan pada PSS

Gambar 4.3 Diagram proses pengujian tegangan lebih peralihan menggunakan PSS

Persiapan Rangkaian dan Peralatan Pengujian

Menghidupkan Sumber Tegangan AC

Melakukan Pensaklaran Pembukaan dan

Penutupan Beban

Mengamati Karateristik Tegangan Lebih

Peralihan Pada Osiloskop

Melakukan Variasi Terhadap Beban R, L, C atau kombinasinya pada

PSS.

40


IV.3.2. Pengujian Tegangan Lebih Peralihan Pada Beban Komputer

Berikut diagram jalannya pengujian tegangan lebih peralihan pada beban

komputer.

Gambar 4.4 Diagram proses pengujian tegangan lebih peralihan pada pensaklaran komputer

Persiapan Rangkaian dan Peralatan Pengujian

Menghidupkan Sumber Tegangan AC

Melakukan Pensaklaran Untuk Menghidupkan

Komputer dan Mematikan Komputer

Mengamati Karateristik Tegangan Lebih

Peralihan Pada Osiloskop

Melakukan Variasi Jumlah Komputer


41

BAB V

KESIMPULAN

Pada dasarnya secara teori gejala peralihan pada sistem terjadi karena adanya

perubahan energi (dE/dt) yang sangat cepat (t mendekati 0) sehingga menimbulkan daya

(P) yang nilainya tidak terbatas. Namun, dalam keadaan sebenarnya daya yang tidak

terbatas itu tidak ada pada sistem, sehingga energi tidak dapat terjadi seketika, tapi terjadi

dalam periode waktu tertentu, yaitu pada saat peralihan terjadi.

Adanya perubahan energi yang sangat cepat ini pada sistem menimbulkan

perubahan nilai pada paramater listrik, yaitu tegangan dan arus. Perubahaan paramater ini

dapat menimbulkan terganggunya kualitas daya sistem kelistrikan.

Tegangan lebih peralihan bersumber dari 2 hal, yaitu surja hubung dan surja petir.

Pada surja hubung disebabkan adanya pensaklaran (buka atau tutup) yang mengakibatkan

perubahan energi secara tiba-tiba yang disumbangkan oleh pengisian dan pelepasan

muatan kapasitor. Sedangkan surja petir disebabkan oleh sambaran petir akan memberi

tambahan energi yang sangat besar pada sistem sehingga terjadi kenaikkan tegangan yang

akan teredam hingga mencapai keadaan tunaknya.

Komputer merupakan peralatan listrik yang terdiri dari komponen resistor,

kapasitor dan induktor. Pada inputan suplai daya, terdapat komponen kapasitor, sehingga

ketika terjadi pensaklaran terhadap komputer, akan menimbulkan pengisian atau

pelepasan muatan kapasitor tersebut.

Gejala tegangan peralihan pada masukkan komputer di suplai daya, akan

menimbulkan tegangan peralihan juga tegangan keluaran suplai daya yang akan masuk ke

komponen-komputer dalam komputer. Pada SPMS terjadi gain terhadap tegangan

keluarannya saat terjadi peralihan.


42

DAFTAR ACUAN

1. Febrianto, Dwi, “Analisis Karateristik Arus Inrush Pada Operasi Pensaklaran Lampu

Hemat Energi”,Universitas Indonesia,2010.

2. Dugan, R.C., M. F. McGranaghan, S. Santoso and H. W. Beaty, “Electrical Power

System Quality”, Mc Graw-Hill, Inc., New York , 2004.

3. Wong, P.L, F.C. Lee, X. Zhou and J. Chen, “Voltage Regulator Module (VRM)

Transient Modeling and Analysis”, IEEE,1999.

4. Ribeiro, H., H. Marques, B. V. Borges, “Characterizing and Monitoring Voltage

Transients as Problem to Sensitive Loads”, Electrical Power and Energy Systems,

2012.

5. Taylor, E., M. Korytowski, Dr. G. Reed, “Voltage Transient Propagation in AC and

DC Datacenter Distribution Architectures”, IEEE, 2012.

6. Abbasi, M. U., T. A. Abbasi, M. Suhaib, “A Fast Transient Response Low Drop-out

Voltage Regulator”, IEEE World Congress on Computer Science and Information

Engineering 2009, 2009.

7. Schutte, A., H. Rodrigo, “Transient Phenomena Due To Disconnect Switching in

High Voltage Substations”, IEEE, 1999.


43

DAFTAR PUSTAKA

Deshpande, M.V, “Switchgear And Protection”, Tata McGraw-Hill Publishing Company

Limited, 1993.

Dugan, Roger C., McGranaghan, Mark F., Santoso, S., Beaty, H.W., “Electric Power

Quality”, McGraw-Hill Education Pvt Limited, 2012.

Kimbark, E. W.,“Power System Stability”, John Wiley & Sons, 1950.

Taylor, Carson W.,“Power System Voltage Stability”,McGraw-Hill, Inc, 1994.

Analisa Tegangan Lebih Transien Pada Pensaklaran Komputer

Documents

Transcript of Analisa Tegangan Lebih Transien Pada Pensaklaran Komputer