ANALISIS DAN PERANCANGAN FILTER HARMONISA SINGLE- …

1

ANALISIS DAN PERANCANGAN FILTER HARMONISA SINGLE-

TUNED PASSIVE FILTER UNTUK MENETUKAN SPESIFIKASI

FILTER OPTIMAL PADA MOTOR INDUKSI LABORATORIUM

KONVERSI ENERGI LISTRIK UNIVERSITAS INDONESIA

Syamsul Hidayat, I Made Ardita Y

1. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia

Email : [email protected]

Abstrak

Harmonisa pada saat ini menjadi perhatian karena memiliki dampak yang dapat merugikan pada sistem tenaga listrik. Harmonisa adalah permasalahan kualitas daya yang berupa distorsi terhadap gelombang tegangan dan arus akibat pemakaian beban non linier. Salah satu sumber harmonisa adalah saturable device. Motor induksi tiga fasa merupakan salah satu jenis saturable device. Saat motor induksi mencapai kondisi saturasi, maka hubungan tegangan dengan arus sudah tidak linier lagi. Sehingga motor induksi menghasilkan harmonisa tegangan dan arus ke sistem. Pada skripsi ini akan dianalisis pengaruh tegangan masukan dan torsi motor yang mempengaruhi besarnya harmonisa yang dihasilkan oleh motor induksi tiga fasa. Kenaikan tegangan masukan dan torsi akan menaikan besar THD tegangan dan THD arus. Selain itu, harmonisa urutan yang doniman muncul adalah harmonisa urutan ke-2, ke-3, dan ke-5. Lalu dirancang single-tuned passive filter untuk mereduksi distorsi harmonisa dengan beberapa variasi filter untuk mendapatkan filter yang paling optimal. Didapatkan penurunan presentase THD-i paling optimum sebesar 23,89%, dengan spesifikasi nilai kapasitor sebesar 7313 µF dan nilai induktor untuk orde-2, orde-3, dan orde-5 masing-masing sebesar 0,382 H, 0,164 H, dan 0,578 H.

Kata Kunci : harmonisa, motor induksi tiga fasa tipe sangkar tupai, single-tuned passive filter

Analysis and Design Harmonic Filter of Single-Tuned Passive Filter Specifications To Determine Optimal Filter On Induction Motor At Electrical Energy Conversion

Laboratory, University of Indonesia

Abstract Harmonics at this time of concern because it has an impact that could be problem to the power system. Harmonics are power quality problems such as distortion of voltage and current waves due to the use of non-

Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017

2

linear load. One source of harmonics is saturable device. Three phase induction motor is one kind of saturable device. When an induction motor reaches saturation, the voltage to the current relationship is not linear anymore. So that the induction motor generates voltage and current harmonics to the system. In this thesis analyzed the effect of input voltage and torque motor that affect the amount of harmonics generated by a three phase induction motor. The increase in input voltage and torque will be a large increase THD voltage and current THD. In addition, the order harmonics doniman order harmonics arise is the 2nd, 3rd, and 5th. Then designed single-tuned passive filters to reduce harmonic distortion with some variation filter to get the most optimal filter. . Obtained decline in the percentage of THD-i most optimum of 23.89%, with the specification value of 7313 µF capacitor and inductor values for order-2, 3-order and order-5 each at 0,382 H, 0,164 H and 0,578 H.

Keywords: harmonic, three phase induction motor squirrel cage type, single-tuned passive filter

1.Pendahuluan

Motor induksi sangat banyak digunakan dalam dunia industri karena konstruksinya

yang sederhana, perawatan yang mudah, ketahanan yang baik, dan mudah dalam perawatan.

Penggunaan motor induksi dalam industri menimbulkan masalah terhadap kualitas daya.

Motor induksi menjadi sumber harmonisa dalam sistem kelistrikan.

Dalam sistem tenaga listrik kualitas daya merupakan suatu aspek yang penting.

Permasalahan kualitas daya dapat berupa penyimpangan nilai tegangan, arus, dan frekuensi

dari kondisi normalnya. Penyimpangan yang terjadi pada kualitas daya dapat menyebabkan

buruknya kinerja peralatan listrik. Salah satu masalah yang penting untuk diperhatikan adalah

harmonisa.

Harmonisa menurut International Electrotechnical Commision (IEC) 6100-2-1-1990

didefenisikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang mempunyai kelipatan frekuensi

sistem pasokan tenaga listriknya sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan. Harmonisa

disebabkan oleh penggunaan beban non-linear dimana hubungan antara tegangan dan arus

tidak linear.

Pengaruh harmonisa pada sistem tenaga listrik di sisi pemasok adalah menyebabkan

meningkatnya impedansi pada jaringan saluran transmisi sehingga meningkatkan rugi-rugi

tembaga dan fluks. Pada transformator daya akan menyebabkan meningkatnya rugi-rugi besi,

arus bocor dan stress pada isolasi yang mengakibatkan pemanasan berlebihan pada

transformator daya. Sedangkan pada sisi beban atau konsumen listrik, pengaruh harmonisa

akan menyebabkan peralatan listrik tidak bekerja semestinya. Beberapa upaya dilakukan

untuk mereduksi harmonisa dan efeknya, salah satunya dengan penggunaan filter pasif.


3

Pada skripsi ini akan dilakukan analisis pengaruh tegangan input dan torsi motor

terhadap harmonisa pada motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai dan perancangan

single-tuned passive filter optimum untuk mereduksi distorsi harmonisa.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan menganalisis motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai

sebagai sumber harmonisa dengan pengaruh tegangan masukan dan torsi motor terhadap

besar harmonisa yang dihasilkan motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai. Serta

merancang single-tuned passive filter yang dapat mereduksi distorsi harmonisa pada motor

induksi secara optimal.

Batasan Masalah

Masalah yang akan menjadi pembahasan difokuskan dan dibatasi sebagai berikut:

a. Motor yang dianalisis adalah motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai.

b. Alat ukur yang digunakan adalah HIOKI 3169 Power Analyzer.

c. Filter yang digunakan adalah tipe single-tuned passive filter.

d. Beban pada sistem yang dianggap sebagai sumber harmonisa adalah variable speed drives.

e. Variasi tuning factor adalah -0.1 dari orde harmonisa dominannya.

f. Variasi quality factor adalah 80.

g. Simulasi yang dilakukan menggunakan bantuan preangkat lunak ETAP 12.6.

Metodologi Penelitian

Metode penelitian yang digunakan dalam penulisan ini adalah

1. Studi literatur dengan mempelajari buku dan jurnal sebagai referensi yang terkait dengan

topik penelitian.

2. Pengukuran dan analisis distorsi harmonisa pada motor induksi tiga fasa tipe rotor

sangkar tupai.

3. Simulasi hasil perancangan single-tuned passive filter dengan menggunakan software

ETAP 12.6.


4

2. Tinjauan Teoritis

Harmonisa

Harmonisa menurut International Electrotechnical Commision (IEC) 6100-2-1-1990

didefenisikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang mempunyai kelipatan

frekuensi sistem pasokan tenaga listriknya sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan

(50 Hz ataupun 60 Hz). Harmonisa menyebabkan distorsi periodik dari gelombang tegangan

dan arus yang pada awalnya berbentuk sinusoidal murni.

Total Harmonic Distortion (THD) adalah indeks penting yang secara luas digunakan

untuk mengetahui kualitas daya listrik pada sistem transmisi dan distribusi. THD

menyatakan besarnya distorsi yang ditimbulkan oleh semua komponen. THD dapat

dibedakan menjadi THD tegangan dan THD arus. Untuk THD tegangan, dapat dihitung

dengan rumus berikut.

!!"# =!!!!

!!!

!!!100%

dengan

Vn = Nilai tegangan harmonisa (V)

V1 = Nilai tegangan fundamental (V)

n = Komponen harmonisa maksimum

Sedangkan untuk menghitung THD pada arus adalah sebagai berikut

!!"# =!!!!

!!!

!!!100%

dengan

In = Nilai arus harmonisa (A)

I1 = Nilai arus fundamental (A)

n = Komponen harmonisa maksimum

Saat ini, beban-beban yang terpasang pada sistem tenaga listrik kebanyakan

merupakan penghasil arus harmonisa. Menurut [1] sumber harmonisa terbagi menjadi

sumber harmonisa dari beban komersial dan sumber harmonisa dari beban industri sebagai

berikut :


5

a. Sumber Harmonisa dari Beban Komersial

Fasilitas komersial seperti kantor yang kompleks, pusat perbelanjaan, rumah sakit, dan

akses data internet didominasi oleh lampu flourecent dengan ballast elektronik, Pengatur

kecepatan (adjustable-speed driver) digunakan pada pemanasan (heating),

Ventilasi (Ventilation), dan pendingin ruangan (AC) disingkat HVAC, elevator, dan

peralatan elektronik sensitive lainnya pada umumnya disuplai dari single-phase switch-

mode power supplies (SMPS). Beban komersial merupakan beban dengan produksi

harmonisa yang kecil, tergantung pada keragaman jenis beban.

b. Sumber Harmonisa dari Beban Industri

Industri modern saat ini banyak menggunakan beban nonlinier. Sumber harmonisa dari

kelompok beban industri ini merupakan sumber harmonisa yang sangat penting, karena

beban industri pada umunnya menghasilkan harmonisa yang cukup besar dibandingkan

dengan beban komersial. Industri sering memanfaatkan fasilitas kapasitor bank untuk

memperbaiki faktor daya untuk menghindari biaya penalti. Aplikasi kapasitor untuk

perbaikan faktor daya memperbesar harmonisa arus dari beban nonlinier, sehingga

menimbulkan resonansi. Beban nonlinear industri secara umum dapat dikelompokkan

menjadi tiga kategori : Konverter daya tiga fasa ( three-phase power converters ),

peralatan tungku ( arcing devices )dan perangkat saturasi ( saturable devices).

Filter harmonisa berfungsi untuk menyaring komponen-komponen harmonisa

agar keluar dari sistem, sehingga efeknya pada sistem dapat berkurang.

Berdasarkan prinsip kerjanya, filter diklasifikasikan menjadi filter aktif dan filter pasif.

a. Filter aktif meminimalisasi arus harmonisa yang diinjeksikan ke sumber dengan cara

membentuk arus kompensasi untuk melengkapi bagian sinusoidal yang hilang pada

arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban. Keuntungan filter ini adalah tidak

beresonansi dengan sistem karena bekerja tanpa pengaruh karakteristik impedansi

sistem, dan fiter ini dapat merespon perubahan beban dan kondisi harmonisa [4].

b. Filter pasif meminimalisasi arus harmonisa yang diinjeksikan ke sistem dengan cara

menyediakan jalur impedansi rendah antara beban non-linier dengan filter. Tujuannya

agar arus harmonisa dengan frekuensi tertentu yang dihasilkan beban mengalir

melalui filter untuk ditanahkan, sehingga tidak menganggu sistem.


6

Motor Induksi

Motor induksi adalah mesin listrik yang mengubah energi elektris ke energi mekanis

dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dimana kecepatan medan magnet putar

pada stator tidak sama dengan kecepatan rotor. Prinsip induksi elektromagnetis yakni motor

ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor

berasal dari arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor

dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

Motor induksi merupakan jenis motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas

digunakan. Motor induksi adalah alat penggerak yang paling banyak digunakan dalam dunia

industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai kontruksi yang lebih sederhana,

kokoh, harganya relatif murah serta perawatannya yang mudah.

Prinsip kerja motor induksi adalah menggunakan induksi elektromagnetik. Dimana

prinsip induksi elektromagnetik ini membuat motor induksi mempunyai sifat saturasi atau

kejenuhan, yaitu suatu keadaan di mana pada titik tertentu, arus listrik yang dihasilkan

tidak sebanding dengan kenaikan tegangan yang diberikan pada motor, dan bahkan akan

cenderung tetap. Karena sifat kejenuhan tersebut, maka motor induksi dikelompokkan ke

dalam jenis beban tak linier.

Di dalam sistem tenaga listrik, beban tak linier menghasilkan arus harmonisa. Medan

magnet putar yang dihasilkan stator akan menginduksikan tegangan pada rotor, dimana arus

yang mengalir pada rotor akan menghasilkan frekuensi harmonisa akibat keadaan saturasi

pada inti besi motor.

Pada pola winding yang tidak simetris menyebabkan pada saat tegangan masukan

sinusoidal murni akan menghasilkan medan magnet putar yang tidak seimbang antar fasa

motor. Besar dari magnet putar pada motor bergantung pada frekuensi harmonisa dan

panjang gelombang medan magnet. Induksi elektromagnetik yang terjadi pada rotor akan

menghasilkan arus urutan positif dan urutan negatif yang masing-masing mengalir pada arah

forward dan reverse. Arus rotor ini akan menghasilkan arus harmonisa dengan besar

frekuensi yang bergantung dengan slip pada motor.

Single-Tuned Passive Filter

Single-tuned passive filter merupakan jenis filter yang paling ekonomis dan sering

digunakan. Filter ini bekerja dengan mengalirkan arus frekuensi harmonisa dari beban non


7

linier ke filter dengan mengatur komponen L dan C agar beresonansi pada frekuensi

harmonisa tertentu. Arus dengan frekuensi harmonisa dominan yang ditanahkan akan keluar

dari sistem dan membuat distorsi harmonisa pada sistem akan menurun

Resonansi dari komponen L dan C akan menciptakan impedansi rendah pada filter.

Impedansi ini lebih rendah dibandingkan impedansi sistem agar arus harmonisa hanya

bersirkulasi antara beban dan filter dan tidak menganggu keseluruhan sistem. Frekuensi

tuning adalah frekuensi yang disetel untuk single-tuned filter agar beresonansi. Saat

beresonansi, reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif sehingga nilai impedansi

filter bernilai rendah.

Gambar 1. Rangkaian pada single-tuned filter

Perancangan Single-tuned Passive Filter

Berdasarkan [1], dalam perancangan filter ini ada beberapa prosedur yang harus

dilakukan antara lain:

a. Memilih frekuensi tuning

Frekuensi tuning dipilih berdasarkan frekuensi yang paling dominan dalam

menyebabkan arus harmonisa. Nilai tuning factor tidak boleh tepat pada frekuensi yang

dominan untuk menghindari terjadi hubung singkat pada filter [1].

b. Menghitung besar Xc, Xl dan R

Menghitung daya reaktif diperlukan untuk mengkompensasi daya reaktif agar filter

menghasilkan faktor daya yang diinginkan, dengan menggunkan persaman 4.1 :

!!"#$ = ! sin !"#!! !"!"!# − ! sin(!"#!! !"!"#$ !""#$"#%&#) (KVAR)

Berdasarkan besarnya daya reaktif yang dibutuhkan kemudian ditentukan impedansi

dari kapasitor dengan persamaan 2.16 berikut :

!" = !"! !"#

! (Ω)


8

Besar kapasitansi kapasitor dapat dihitung dengan persamaan 2.17 berikut :

! = !!!"#$

(µF)

Setelah itu ditentukan besar impedansi reaktor filter dengan persamaan 2.18 berikut :

!" = !"!!

(Ω)

Besar induktansi induktor dapat dihitung dengan persamaan 2.19 berikut :

! = !"!!"

(H)

Selanjutnya menghitung resistansi filter menggunakan persamaan 2.20 berikut :

! = !!" !"#$%

(Ω)

3. Metode Penelitian

Pengukuran Harmonisa Pada Motor Induksi

Diagram alir pengukuran ini ditunjukan pada flow chart berikut

Gambar 2. Diagram Alir Pengukuran Motor Induksi

Pada penelitian ini metode yang dilakukan adalah dengan memasang power quality

analyzer (PQA) pada motor induksi tiga fasa jenis sangkar tupai. Interval pencuplikan data


9

oleh alat ukur setiap 1 menit selama 5 menit. Hasil dari pengukuran oleh PQA selanjutnya

diolah menggunakan bantuan software power measurement support.

Pada variasi tegangan input pada tegangan rating dari motor dan tegangan dibawah

rating motor. Hal ini dikarenakan pada sistem tenaga listrik besar tegangan akan turun karena

penambahan beban. Untuk variasi torsi motor pada torsi full load dan torsi diatas dan

dibawah full load. Hal tersebut karena beban dari motor berubah-ubah dibawah dan diatas

dari torsi full loadnya

Peralatan pengukuran ini adalah Power Quality Analyzer HIOKI Seri 3169-20. Alat ini

dapat mengukur tegangan, arus, frekuensi, daya aktif, daya reaktif, daya semu, konsumsi

energi, faktor daya dan harmonisa. Besaran harmonisa yang dapat diukur pada alat ukur ini

sampai harmonisa orde ke-40. Dengan rangkaian pengukuran sebagai berikut :

Gambar 3. Rangkaian Pengukuran

Spesifikasi motor induksi tiga fasa jenis rotor sangkar tupai yang digunakan pada

penilitian ini adalah sebegai berikut:

Tabel 1. Tabel Spesifikasi Motor Induksi

Tipe Motor Induksi Tiga Fasa Tipe Rotor Sangkar

Tupai

Daya 1,1 kW

Kecepatan 1380 rpm

Tegangan 220 – 240 V (delta)

380 – 415 V (wye)

Arus 5 A (delta)

2,9 A (wye)

Frekuensi 50/60 Hz

Faktor Daya 0.78


10

4. Hasil dan Analisis Pengukuran Harmonisa Pada Motor Induksi

Pengaruh Tegangan Input Terhadap THD

Pada pengukuran pengaruh tegangan input terhadap THD arus dan THD tegangan,

didapatkan data sebagai berikut.

Tabel 2. THD Tegangan dengan Variasi Tegangan

Tegangan (V) THD Tegangan

THD R (%) THD S (%) THD T (%)

160 0,86 0,84 0,86

190 0,94 0,95 1

220 0,89 0,9 0,94

Tabel 3. THD Arus dengan Variasi Tegangan

Tegangan (V) THD Arus


160 5,54 5,28 5,2

190 14,6 11,7 11,42

220 10,3 11,85 13,77

Pada data pengukuran diatas, nilai THD tegangan untuk fasa R, S dan T mengalami

kecenderungan naik untuk kenaikan tegangan masukan. Meskipun untuk kenaikan tegangan

masukan dari 190 V ke 220 V terjadi sedikit penurunan pada THD tegangan.

Sedangkan pada pengukuran THD arus, kenaikan tegangan juga cenderung menaikan

THD arus untuk fasa R, S dan T. Pada fasa R, S dan T, kenaikan tegangan dari 160 ke 190 V

akan menaikan THD arus. Lalu pada pada fasa T kenaikan tegangan menjadi 220 V, THD

arus bertambah sedikit dan pada fasa S tidak ada perubahan. Namun saat kenaikan tegangan

dari 160 V ke 220 V penurunan besar THD arus cukup besar pada fasa R.

Dari hasil pengukuran diatas, secara umum kenaikan tegangan masukan motor induksi

menyebabkan kecenderungan kenaikan dari besar THD arus dan THD tegangan. Hal ini

dikarenakan, saat kenaikan tegangan masukan akan langsung menaikan medan magnet yang

dihasilkan oleh motor induksi ini. Kondisi kenaikan medan magnet ini akan membuat

keaadan saturasi pada motor induksi. Karena saturasi tersebut, maka motor induksi

dikelompokkan ke dalam jenis beban tak linier. Sehingga motor yang sudah tidak linier lagi


11

akan menghasilkan arus harmonisa, oleh karena itu motor dapat dikatagorikan sebagai

sumber harmonisa

Pengaruh Torsi Motor Terhadap THD

Dari hasil pengukuran didapatkan hasil sebagai berikut.

Tabel 4. THD Tegangan dengan Variasi Torsi

Torsi (Nm) THD Tegangan


2.5 0,89 0,9 0,94

5 0,92 0,9 0,94

6 0,94 1 0,99

Tabel 5. THD Arus dengan Variasi Torsi

Torsi (Nm) THD Arus


2.5 10,3 11,85 13,77

5 10,46 14,88 16,72

6 11,63 17,01 16,15

Pada data pengukuran diatas, nilai THD tegangan untuk fasa R, S dan T mengalami

kecenderungan naik untuk kenaikan torsi masukan. Pada saat kenaikan torsi dari 2.5 Nm ke 5

Nm fasa S dan T nilainya tetap, sedangkan untuk fasa R mengalami kenaikan. Untuk

kenaikan torsi dari 5 Nm ke 6 Nm semua fasanya mengalami kenaikan. Sedangkan pada

pengukuran THD arus, kenaikan torsi juga cenderung menaikan THD arus untuk fasa R, S

dan T. Saat kenaikan torsi dari 2.5 Nm ke 5 Nm, semua fasa mengalami kenaikan. Sedangkan

pada saat kenaikan torsi dari 5 Nm ke 6 Nm fasa R dan S mengalami kenaikan, tetapi fasa T

mengalami sedikit penurunan nilai THD arusnya.

Dari hasil pengukuran diatas, secara umum kenaikan torsi motor induksi menyebabkan

kecenderungan kenaikan dari besar THD arus dan THD tegangan.

Kenaikan pada torsi motor merepresentasikan kenaikan pembebanan pada motor, saat

kenaikan torsi akan berpengaruh kepada kecepatan putar mekanik pada rotor slip dan arus

rotor. Kenaikan torsi akan membuat kecepatan putar mekanik rotor akan mengalami

penurunan. Penurunan kecepatan motor berpengaruh terhadap arus yang mengalir pada rotor.


12

Hal tersebut menyebabkan naiknya arus pada rotor,dimana kenaikan tersebut akan

membuat naiknya medan magnet rotor. Kenaikan medan magnet rotor yang besar membuat

saturasi pada motor lebih tinggi dan lebih cepat. Seperti pada percobaan sebelumnya yang

mana keadaan saturasi menimbulkan harmonisa tegangan dan harmonisa arus.

5. Perancangan dan Simulasi Filter Harmonisa

Gambar 4. Diagram Alir Simulasi

Orde Penyumbang Harmonisa Terbanyak

Pada kondisi idealnya orde-orde dominan pada harmonisa hanya pada orde ganjil,

tetapi pada pengukuran ini orde genap khususnya orde 2 memiliki nilai IHD yang cukup

besar. Munculnya orde genap yang besar merupakan petunjuk bahwa ada sesuatu yang salah

baik pada beban atau pada transduser digunakan untuk melakukan pengukuran[1] .

Berdasarkan pengukuran, orde-orde penyumbang harmonisa arus terbanyak adalah

pada orde ke-2, ke-3, dan ke-5. Oleh karena itu, filter pasif dapat dirancang untuk memotong

harmonisa yang ditimbulkan oleh frekuensi 100 Hz, 150 Hz, dan 250 Hz.


13

Konsumsi Daya dan Faktor Daya

Tabel 6. Konsumsi Daya dan Faktor Daya

Parameter 160 V,2.5

Nm

190 V,2.5

Nm

220 V, 2.5

Nm

220 V,5

Nm

220 V, 6

Nm

Rata-

rata

S

(kVA)

Maks 0,54 0,53 0,74 0,94 1 0,75

rata-

rata 0,51 0,5 0,7 0,87 0,95 0,706

Min 0,44 0,46 0,66 0,81 0,88 0,65

Q

(kVA

R)

Maks -0,28 -0,35 -0,49 -0,41 -0,37 -0,38

rata-

rata -0,26 -0,25 -0,44 -0,28 -0,2 -0,286

Min -0,24 -0,17 -0,37 -0,11 -0,2 -0,218

P

(kW)

Maks 0,47 0,47 0,56 0,91 1 0,682

rata-

rata 0,44 0,43 0,54 0,82 0,91 0,628

Min 0,36 0,39 0,51 0,74 0,84 0,568

Fakto

r

Daya

rata-

rata -0,82 -0,74 -0,73 -0,88 -0,91 -0,816

Besar konsumsi daya dan faktor daya diperlukan untuk perancangan pada filter. Tabel

4.3 menunjukan data hasil pengukuran daya semu (S), daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan

faktor daya pada setiap variasinya. Lambang negatif (-) menunjukkan motor dalam keadaan

lagging hal ini dikarenakan prinsip kerja pada motor induksi yang menggunakan prinsip

induksi elektromagnetik.

Perhitungan Perancangan Single-tuned Passive Filter

Filter yang akan dirancang pada skripsi ini adalah filter pasif jenis single tuned.

Langkah-langkah yang dilakukan dijelaskan pada diagram alir yang tertera pada gambar 4.1.

Filter single tuned idealnya hanya akan bekerja mereduksi distorsi harmonisa pada satu

orde saja. Oleh karena itu akan dirancang filter single tuned pada tiga orde dominan, yaitu

orde ke-2, ke-3 dan ke-5.

Pada filter ini dilakukan penyetelan atau tuning factor sebesar -0.1. Sebagai contoh jika

harmonisa yang ingin di filter orde 3 maka diturunkan sedikit dibawahnya yakni pada nilai

2,9. Penyetelan dilakukan sebagai toleransi komponen filter untuk mencegah resonansi yang


14

terjadi dalam sistem pada frekuensi yang mengganggu. Quality factor yang digunakan adalah

80, hal ini dikarenakan Q yang tinggi memberikan bandwidth yang rendah sehingga frekuensi

yang terfilter dapat secara presisi.

Dalam penulisan ini terdapat 5 variasi filter, dimana variasi filter ini didapatkan dari

parameter yang telah diukur dari variasi pengukuran harmonisa.

Filter yang telah dirancang nantinya akan aplikasikan pada semua variasi pengukuran

untuk melihat besarnya reduksi filter terhadap besarnya nilai THD-i.

Berikut ini adalah hasil contoh perhitungan untuk perancangan filter variasi 1 pada orde

dominan 3:

• Didapatkan nilai besar kompensasi kapasitor sebesar Qcomp = 0,1906 KVAR

• DIdapatkan nilai impedansi dari kapasitor sebesar Xc = 90.1 Ω

• Didapatkan nilai impedansi dari kapasitansi kapasitor sebesar C = 4203 µF

• Didapatkan nilai impedansi dari reaktor filter sebesar Xl = 90,1 Ω

• Didapatkan nilai impedansi dari induktansi induktor sebesar L = 0,286 H

Dengan melakukan perhitungan yang sama untuk orde 2 dan 5 didapatkan hasil perancangan

filter single tuned seperti terlihat pada tabel dibawah ini

Tabel 7. Spesifikasi Filter

Variasi Orde QVAR XC (Ω) XL (Ω) C (µF) L (H) R (Ω)

1

2

0,1906 757,6

209,86

4203

0,668 4,98

3 90,1 0,286 3,26

5 31,55 0,1 1,93

2

2

0,2369 609,53

168,84

5224

0,537 4

3 72,47 0,23 2,62

5 25,38 0,081 1,55

3

2

0,3316 435,46

120,62

7313

0,382 2,86

3 51,77 0,164 1,87

5 18,13 0,578 1,11

4 2

0,2403 600,91 166,45

5299 0,53 3,95

3 71,45 0,227 2,59


15

5 25,03 0,079 1,53

5

2

0,2050 704,39

195,12

4521

0,621 4,63

3 83,75 0,266 3

5 29,34 0,093 1,78

Simulasi Rancangan Filter

Setelah mendapat hasil perancangan filter, maka dilakukan simulasi untuk

mendapatkan spesifikasi filter yang paling optimum mereduksi harmonisa. Simulasi

dilakukan dengan menggunakan software ETAP 12.6.

Pemodelan diagram satu garis dari sistem yang digunakan dalam skripsi ini adalah

sebagai berikut:

Gambar 5. Diagram satu garis sistem tenaga listrik

Pemodelan diagram satu garis sistem tenaga listrik merupakan modifikasi dari [6].

Modifikasi yang dilakukan berupa penyederhanaan sistem dengan hanya menggunakan motor

induksi dan penambahan beban variable frequency drives sebagai pengontrol kecepatan

motor induksi.

Kondisi Sebelum Pemasangan Filter

Sebelum melakukan simulasi maka dibuat harmonic library baru sebanyak 15 buah

yang karakteristiknya sesuai dengan karakteristik THD-i hasil pengukuran variasi tegangan

dan torsi. Data IHD masing-masing orde yang di dapat saat pengukuran dimasukkan ke


16

masing-masing orde pada library yang baru. Hal ini dilakukan agar besar distorsi harmonisa

yang sama dengan kondisi yang sebenarnya pada software ETAP 12.6.

Selanjutnya dilakukan simulasi harmonic analysis untuk mengetahui apakah besar

THD-i pada simulasi sama dengan THD-i saat pengukuran. Setelah dilakukan simulasi

harmonic analysis dilakukan didapatkan nilai THD-i pada motor seperti terlihat pada tabel 8

dibawah ini

Tabel 8. THD-i sebelum dan sesudah dilakukan simulasi

Variasi Fasa THD-i(%) Persentase Perbedaan

(%) Real Simulasi

160 V, 2.5 Nm

R 5,54 5.38 2.89

S 5,28 5.16 2.27

T 5,2 5.09 2.12

190 V, 2.5 Nm

R 14,6 14.33 1.85

S 11,7 11.4 2.56

T 11,42 10.15 11.12

220 V, 2.5 Nm

R 10,3 10.4 -0.97

S 11,85 12.21 -3.04

T 13,77 13.68 0.65

220 V, 5 Nm

R 10,46 10.33 1.24

S 14,88 14.66 1.48

T 16,72 16.36 2.15

220 V, 6 Nm

R 11,63 11.44 1.63

S 17,01 16.72 1.70

T 16,15 15.81 2.11

Rata-rata 1,98

Perbedaan antara THD-i pengukuran dengan simulasi hanya berbeda 1.98%, sehingga

simulasi pada ETAP 12.6 dianggap sama dengan kondisi pengukuran.

Kondisi Setelah Pemasangan Filter

Filter single tuned orde 2,3, dan 5 yang telah dirancang sebelumnya kemudian

diimplementasikan pada rangkaian simulasi dengan memvariasikan 15 buah library harmonic

yang merepresentasikan THD-i per variasi dan per fasa


17

Gambar 6. Rangkaian setelah pemasangan filter

Setelah dilakukan simulasi didapatkan nilai THD-i dan nilai harmonisa pada orde-orde

dominan sesudah dipasang filter serta dihitung besar persentase reduksi sehingga nantinya di

dapat variasi filter yang paling optimal, berikut ini data dari hasil simulasi.

Tabel 9. Persentase penurunan THD

Variasi % Penurunan

1 11,73

2 15,63

3 23,89

4 15,42

5 12,26

Setelah dilakukan simulasi, di dapatkan filter yang bekerja paling optimum adalah filter

pada variasi ke-3, dimana filter ini dapat mereduksi harmonisa dengan rata-rata hingga

23.89%. Orde dominan yang paling besar reduksinya adalah orde ke-5 yang tereduksi dengan

kisaran antar 50% hingga 70%.

Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa (contoh saat tegangan 220 V dan torsi 5

Nm fasa R) sebelum dan sesudah dipasang filter dapat dilihat pada gambar 7 dan 8 berikut

ini:


18

Gambar 7. Gelombang THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sebelum

Pemasangan Filter)

Gambar 8. Gelombang THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sesudah

Pemasangan Filter)

Gambar 9. Spektrum THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sebelum

Pemasangan Filter)

Gambar 10. Spektrum THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sesudah

Pemasangan Filter)


19

Dari gambar diatas, gelombang tegangan setelah difilter bentuk gelombang tegangan

mendekati gelombang sinusoidal yang murni dan sprektrum harmonisa yang terbentuk lebih

kecil dari sebelum yang difilter.Spesifikasi filter variasi 3 atau filter optimum dapat dilihat

pada tabel 10 berikut ini :

Tabel 10. Spesifikasi Filter Optimum Hasil Rancangan

Spesifikasi Orde 2 Orde 3 Orde 5

QVAR 0.3316

kVAR

0.3316

kVAR

0.3316

kVAR

XC 435,46 Ω 435,46 Ω 435,46 Ω

XL 120,62 Ω 51,77 Ω 18,13 Ω

C 7313 µF 7313 µF 7313 µF

L 0,382 H 0,164 H 0,578 H

R 2,86 Ω 1,87 Ω 1,11 Ω

Q factor 80 80 80

6. Kesimpulan

1. Besarnya tegangan masukan dan torsi motor mempengaruhi besarnya THD arus dan

tegangan

2. Semakin tinggi tegangan masukan, maka THD arus dan tegangan akan cenderung naik.

Semakin besar torsi, maka THD arus dan tegangan akan cenderung naik.

3. Orde penyumbang harmonisa terbanyak adalah orde ke-2, ke-3, dan ke-5.

4. Pemasangan filter single tuned orde ke-2, orde ke-3 dan orde ke-5 yang dirancang

berdasarkan variasi ke-3 adalah yang paling optimun dapat mengurangi harmonisa arus

dengan rata-rata 23,89%.


20

7. Daftar Referensi

[1] Roger C. Dugan, Mark. F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty,x “Electrical

Power System Quality,” The McGraw-Hill Companies 2004.

[2] Bestion Alzari, “Rancang Bangun Single Tuned Filter sebagai Alat Pereduksi Harmonisa

untuk Karakteristik Beban Rumah Tangga 2200 VA,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas

Teknik UI, Depok, 2011.

[3] Young-Sik Cho & Hanju Cha, “Single-tuned Passive Harmonic Filter Design Considering

Variances of Tuning and Quality Factors,” Journal of International Council on Electrical

Engineering, 1:1, 7-13 2014.

[4] Power Quality, C. Sankaran, CRC Press LLC. Boca Raton, Florida. 2002.

[5] Alexandre B. Nassif and Wilsun Xu, “Passive Harmonic Filter for Medium- Voltage

Industrial System: Practical Considerations and Topology Analysis,” 39th North American

Power Symposium (NAPS) 2007.

[6] Moses T. Daniel, “Evaluasi Kualitas Daya Listrik Pada Gedung Departemen Teknik

Elektro Universitas Indonesia,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2016.

[7] IEEE Recommended and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power

Systems, IEEE Standard 519-1992


ANALISIS DAN PERANCANGAN FILTER HARMONISA SINGLE- …

Documents

Transcript of ANALISIS DAN PERANCANGAN FILTER HARMONISA SINGLE- …