Harmonisa pada 3 fasa

8/6/2019 Harmonisa pada 3 fasa

http://slidepdf.com/reader/full/harmonisa-pada-3-fasa 1/16

JETri, Volume 7, Nomor 2, Februari 2008, Halaman 53-68, ISSN 1412-0372

* Alumni Jurusan Teknik Elektro FTI, Universitas Trisakti

MENGURANGI HARMONISA PADA

TRANSFORMATOR 3 FASA

Chairul Gagarin Irianto, Maula Sukmawidjaja & Aditya Wisnu*

Dosen-Dosen Jurusan Teknik Elektro – Fakultas Teknologi IndustriUniversitas Trisakti

Abstract

Consumption of the electronic devices has been increase in the late of twenty years recently

and it will cause the problem which had been unexpected before. It will cause non sinusoidal

current, although it is supplied by sinusoidal voltage source. This current will interfere the

high frequent component at power system distribution grid and then it called ”harmonic

current”. The harmonic current can cause a lot of trouble to the consumer even power

provider as well. High cost operation, short lifetime any equipment as the most disadvantage

if the harmonic current appear on electric power distribution system. There are many

method to reduce the harmonic distortion. This papert will explain the use of Z transformer

with resonance arm filter to reduce harmonic distortion on the system.

Keywords: Harmonic current, threephase transformer, Z transformer

1. Pendahuluan

Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik

walaupun dengan akibat yang berbeda. Komponen tersebut juga akan

mengalami penurunan kinerja dan bahkan bisa menyebabkan kerusakan

karena distorsi tegangan dan arus akibat distorsi frekuensi dari harmonisa.

Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas

berlebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya

harmonik ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase.

Sebagai konsekuensi adanya beban-beban nonlinier dalam jumlah

besar dijaringan distribusi tegangan rendah, maka tingkat distorsi harmonisa

tegangan dan arus bertambah besar (Hoidalen, 2005: 2). Kebanyakan dari

beban nonlinier merupakan beban fasa-satu, contohnya lampu fluorescent

dengan balas elektronik dan peralatan elektronik. Dari penelitian (J.

Desmet, 2005: 4), arus-arus harmonisa beban nonlinier di sistem suplai

fasa-tiga seimbang dan simetris menyebabkan arus penghantar netral 3 kali

lebih besar dari arus-arus fasanya. Kenyataannya, distribusi beban-bebannonlinier selalu tidak seimbang di sistem suplai fasa-tiga empat-penghantar

(J. Arrillaga, 2003: 3). Pembebanan tidak seimbang dan beban nonlinier

berdampak negatif terhadap kualitas daya di sistem distribusi daya listrik.




54

2. Pengaruh Negatif dari Harmonisa

Pada keadaan normal, arus beban setiap phase dari beban linier

yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling menghapuskan

sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier satu

phase akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga ganjil yang disebut

triplen harmonik (harmonik ke-3 , ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang sering

disebut zero sequence harmonik (Tabel 1.).

Tabel 1. Polaritas dari Komponen Harmonik (Aditya, 2008: 1)

Harmonik 1 2 3 4 5 6 7 8

Frekuensi (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400

Urutan + - 0 + - 0 + -

Harmonik ini dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dariarus phasa karena saling menjumlah di tiap fasanya. Harmonik pertama

urutan polaritasnya adalah positif, harmonik kedua urutan polaritasnya

adalah negatif dan harmonik ketiga urutan polaritasnya adalah nol,

harmonik keempat adalah positif (berulang berurutan dan demikian

seterusnya).

Akibat yang ditimbulkan oleh arus urutan nol dari komponen

harmonik (Tabel 2.) antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 phase 4

kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol ( zero sequence)

kawat netral 3 kali arus urutan nol masing-masing fasa. Arus ini untuk transformator yang memiliki belitan delta (Δ) akan terus berputar didalam

kumparan Δ tersebut.

Tabel 2. Akibat dari Polaritas Komponen Harmonik

Urutan Pengaruh Pada Sistem Distribusi

Positif - Panas

Negatif - Panas

- Menghambat atau memperlambat putaran motor

Nol- Panas

- Menimbulkan atau menambah arus pada kawat netral



Chairul Gagarin Irianto, Maula Sukmawidjaja & Aditya Wisnu. Mengurangi Harmonisa Pada

55

Pengaruh harmonik pada transformator sering tanpa disadari

keberadaannya sampai terjadi gangguan yang penyebabnya tidak jelas. Hal

ini dapat juga terjadi bila perubahan konfigurasi atau jenis beban yang

dipasok. Transformator dan peralatan induksi lainnya, selalu terpengaruh

oleh harmonik karena trafo itu sendiri dirancang sesuai dengan frekuensi

kerjanya. selain itu transformator juga merupakan media utama antara

pembangkit dengan beban. Frekuensi harmonik yang lebih tinggi dari

frekuensi kerjanya akan mengakibatkan penurunan efisiensi atau terjadi

kerugian daya tambahan pada trafo.

3. Definisi dan Standard Harmonics Yang Umum Digunakan

Individual Harmonic Distortion (IHD) adalah rasio antara nilai

RMS dari harmonisa individual dan nilai RMS dari fundamental.

%100

2

1

S

Sh

I I IHD (1)

dimana :

IHD : Individual Harmonisa Distrotion (%)

ISh : Arus harmonisa pada orde ke-h (A)

IS1 : Arus fundamental (Irms) dalam A

Total Harmonic Distortion (THD) adalah rasio antara nilai RMS

dari komponen harmonisa dan nilai RMS dari fundamental. Hubungan

antara THD dengan IHD dapat dilihat dari persamaan berikut:

%100

2

1

1

hS

Sh

I

I THD (2)

dimana:

THD : Total Harmonisa Distrotion (%)

ISh : Arus harmonisa pada orde ke-h (A)

IS1 : Arus fundamental (Irms) dalam A

Pengaruh harmonisa total untuk tegangan dapat dihitung, dengan

mengganti notasi I menjadi V. Hasil perhitungan sebaiknya tidak melebihiatau sama dengan nilai yang ditetapkan oleh standar yang berlaku. Bila

hasilnya lebih maka tingkat harmonisa sistem membahayakan komponen-

komponen sistem dan sebaiknya harus dipikirkan cara menguranginya.




56

Ada dua kriteria yang digunakan dalam analisa distrosi harmonisa,

limitasi untuk distorsi arus harmonisa dan limitasi untuk distorsi tegangan

harmonisa. Standar yang dipakai untuk limitasi tegangan harmonisa adalah

IEEE 519. Untuk standard harmonisa arus, ditentukan oleh rasio Isc/IL

(arus hubung singkat dibagi dengan arus beban) seperti Tabel 3.

Tabel 3. Standard Harmonisa Arus

ISC /ILOAD

Orde Harmonisa (dalam %) Total

Harmonic

Distortion<11 11-16 17-22 23-24 >35

<20 4 2 1.5 0.6 0.3 5

20-50 7 3.5 2.5 1 0.5 8

50-100 10 4.5 4 1.5 0.7 12

100-1000 12 5.5 5 2 1 15

>1000 15 7 6 2.5 1.4 20

dimana:

ISC : arus hubung singkat pada PCC (Point of Common Coupling)

ILOAD : arus beban fundamental nominal

THD : Total Harmonic Distortion dalam %

ISC adalah arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of

Common Coupling) (Dugan, 2003: 6), IL adalah arus beban fundamental

nominal. Sedangkan untuk standard harmonisa tegangan ditentukan oleh

tegangan sistem yang dipakai seperti Tabel 4.

Tabel 4 Standard Harmonisa Tegangan

Maximum Distortion

(dalam %)

Tegangan Sistem

dibawah 69kV 69-138 kV >138 kV

Individual Harmonic 3 1.5 1

Total Harmonic 5 2.5 1.5




57

4. Harmonisa Pada Transformator

Transformator dirancang untuk menyalurkan daya yang dibutuhkan

ke beban dengan rugi-rugi minimum pada frekuensi fundamentalnya. Arus

harmonisa dan tegangan secara signifikan akan menyebabkan panas lebih.

Ada 2 pengaruh yang menimbulkan panas lebih pada transformator ketika

arus beban mengandung komponen harmonisa:

a. Harmonisa arus menyebabkan meningkatnya rugi-rugi tembaga yang

dinyatakan dengan:

Rugi tembaga Pcu =

1

2

n

nn R I (3)

b. Harmonisa tegangan menyebabkan meningkatnya rugi-rugi besi, seperti

eddy current dan rugi-rugi hysteresis. Eddy current terjadi bila inti dari

sebuah material jenis ferromagnetik (besi) secara elektrik bersifat

konduktif. Konsentrasi Eddy current lebih tinggi pada ujung-ujungbelitan transformator karena efek kerapatan medan magnet bocor pada

kumparan yang menyebabkan fenomena terjadinya arus pusar (arus yang

bergerak melingkar). Bertambahnya rugi-rugi Eddy current karena

harmonisa berpengaruh pada temperatur kerja transformator yang

terlihat pada besar rugi-rugi daya nyata (Watt) akibat Eddy current ini.

5. Metoda Pengurangan Harmonisa

Untuk trafo 3 fasa dapat ditentukan group trafo. Dalam

pelaksanaannya, tiga buah lilitan fasa pada sisi primer dan sisi sekunder

dapat dihubungkan dalam bermacam-macam hubungan, seperti bintang (Y)

dan segitiga / delta (∆) maupun zigzag (Z). Analisa suatu hubungan trafo

dengan cara membandingkan kombinasi standard yang biasa dipakai

menjadi trafo step-up pada sistem distribusi PLN yaitu kombinasi Δ-Y,

kemudian berusaha untuk mengurangi harmonisa pada rangkaian tersebut

dengan mencoba kombinasi lainnya yaitu trafo hubungan Δ - Z, dan

pengujian dengan menambahkan filter.

5.1. Hubungan Δ - Y

Hubungan ini biasanya untuk menaikan tegangan. Fasa netral dari

sekunder di ground dan dengan memasang kawat netral pada sistemdistribusi untuk mengasilkan kerja 4 kawat 3 fasa, sehingga sistem ini dapat

digunakan untuk pemakaian penerangan dan beban domestik. Hubungan Δ -

Y dapat dilihat pada Gambar 1.




58

Gambar 1. Hubungan Δ - Y

5. 2. Hubungan Δ - Z

Sebuah Trafo Δ-Z dengan di sisi primer Δ dan sekunder Z,

menggunakan sistem 4 kawat. Kemampuan kumparan Z yang dapat

mereduksi harmonisa urutan nol pada sisi sekunder dengan impedansi yang

rendah. Jika tiap fasa tidak seimbang, triplen harmonik tidak akan direduksi

dengan baik pada sisi primer Δ. Maka dari itu kebanyakan dari triplen

harmonik akan muncul di sisi primer. Mereduksi triplen pada sisi sekunder

dengan hubung Z, berarti triplen harmonik akan terlihat impedansinya

sangat kecil, dan konsekuensinya, kecil pula THDV pada sisi sekundernya.

Gambar 2. Hubungan Δ – Z

Tapi yang patut diingat trafo ini seperti trafo Δ – Y dan

hubungannya pun hampir sama.

Trafo Δ Wye

R

S

T

Is

It

In

O

Io

Beban

NonLinier

(Setiap

phasa trafo

terdapat

beban

nonlinier

satu phasa)

Ir

Trafo Δ Wye

R

S

T

Is

It

In

I0

Ir

Beban

NonLinier

(Setiap

phasa trafo

terdapat

beban

nonlinier

satu phasa)




59

6. Simulasi dan Pengujian

Pengujian, pengukuran maupun simulasi untuk mengukur harmonik

dilakukan di Laboratorium Teknik Tenaga listrik, Gedung E Jurusan Teknik

Elektro Trisakti. Pada bagian ini akan disajikan hasil dari pengukuran

distorsi harmonisa yang dihasilkan oleh beban-beban non-linier rumah

tangga. Beban-beban yang akan diamati antara lain:

1. Sebuah Televisi 14 inchi 300 W

2. 2 buah Lampu hemat energi @20 W

3. Sebuah Laptop 250 W

Untuk mengukur distorsi harmonisa yang dihasilkan dari beban-beban

diatas, maka diperlukan sumber tegangan 3 phasa PLN 220/380 V dan

sebuah alat yaitu Power Meter.

Power Meter adalah alat yang dapat mengukur tegangan dan arus

harmonisa sesuai dengan orde harmonisa yang diinginkan.

Gambar 3. Power Meter

Spesifikasi Power Meter

Model : WT 130

Merek : Yokogawa

Tipe : 2 Element




60

ac1

ac2

d1

d4

ac3

d2 d3

Ld

Cd

d5 d6

op

on

Spesifikasi Trafo 3 Fasa

Model : U-200908-E

Merek : RATIO

Tipe : Indoor dan Dry Trafo

Daya : 2 kVA

Tegangan Kerja : 220/380V

Beban non linier lainnya yang digunakan dalam simulasi adalah beban

penyearah tiga fasa hubungan jembatan, dilukiskan dalam Gambar 4.

(a) Diagram blok simulasi (b) Rangkaian penyearah yang digunakan

Gambar 4. Rangkaian beban non linier

Untuk sumber Δ yang digunakan dilukiskan dalam Gambar 5.

(a) Diagram blok simulasi (b) Rangkaian sumber hubungan Δ

Gambar 5. Rangkaian sumber tegangan 3 fasa hubungan Δ

A 1

B 2

C

3

V 3 FSD FSA = 0 FREK = 50 VRMS = 220

+

-

+

-

+

-

V b

a

c

AC

1

AC

2

3

OP

ON

BRIDGE3F

CD = 1000 UF LD = 1

AC

5

4




61

Rangkaian filter yang digunakan dalam simulasi adalah rangkaian filter

L-C, yang berupa resonance arm filter, dilukiskan dalam Gambar 6.

(a) Diagram blok simulasi (b) Rangkaian Filter

Gambar 6. Rangkaian filter, simpul masuk titik a1, b1,c1 dan keluarnya a3,b3,

dan c3

Rangkaian transformator untuk keperluan pengujian dan simulasi

diberikan dalam Gambar 7.

(a) Diagram blok simulasi (b) Rangkaian Transformator D-Z

Gambar 7. Rangkaian transformator Δ-Z yang digunakan

A1 1

B1 2

C1 3

A3 4

B3 5

C3 6

N 7

RES ARM3F

WL = 10

FR = 50

b 1 L1 2 C1 3

C 1 L1 2 C1 3

a 1 L1 2 C1 3

L2

n

C2

APR1 1

BPR1 2

CPR1 3

ASR6 4

BSR6 5

CSR6 6

N 7

U5 DZ6KUMP B

KOEFM=1.0LP=2

RP=0.2 Trafo Delta Wye

R

S

T

Ir

Is

It

In

o

Io




62

Pengujian harmonik beban non linier: rangkaian pengujian seperti dalam

Gambar 8.

Gambar 8: Pengujian harmonik beban non linier

Harmonik yang dihasilkan diberikan dalam Gambar 9.

Gambar 9. Harmonik Arus Pada Penyearah jembatan / beban Non Linier

(Harmonik arus yang dihasilkan beban non linear).

0 200 400 600 800

A m p l i t u d o H a r m o n i k , p e r - u n i t

Frekwensi (Hz)

f

I

1

0.8

0.6

0.4

0.2

AC11

AC22

AC33

OP4

ON5

BRIDGE3F

CD=1000uF

LD=1

A1

B2

C3

V3FSD

FSA=0

FREK=50

VRMS =22

R1

500

0

R2

1 meg




64

Gambar 12. Arus yang masuk ke Beban Non Linier Transformer (Harmonik

disisi sekunder trafo Δ-Y)

Untuk Pengujian trafo D-Z, rangkaiannya diberikan dalam Gambar 13.

Gambar 13. Pengujian trafo D-Z

A1

B2

C 3

V3FSD

FSA=0

FREK =50

VRMS =220

R1

1meg

R2

0

1meg

AC11

AC22

AC33

OP4

ON5

BRIDGE3F

CD=1000uF

LD=1500

V-

V

R3

APR11

BPR12

CPR13

ASR64

BSR65

CSR66

N 7

U4 D76KUMP_B

KOEFM=1.0

LP=8

RP=0.2

V-

V+

0 200 400 600 800 A m p l i t u d o H a r m

o n i k , p e r - u n i t

Frekwensi (Hz)

f

Ih

1

0.8

0.6

0.4

0.2




65

Gambar 14. Arus Sumber yang masuk ke Primer Trafo (Harmonik disisi

primer trafo)

Gambar 15. Arus yang masuk ke Beban Non Linier Transformer

(Harmonik disisi primer trafo D-Z)

Terakhir adalah Pengujian dengan filter tambahan pada trafo D-Z.

Rangkaian pengujian dan simulasinya diberikan dalam Gambar 16.

0 200 400 600 800 A m p l i t u d o H a

r m o n i k , p e r - u n i t

Frekwensi (Hz)

f

Ih

1

0.8

0.6

0.4

0.2

200 400 600 800 A m p l i t u d o H a r m o n i k , p e r - u n i t

Frekwensi (Hz)

f

Ih

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0




66

Gambar 16. Pengujian menggunakan filter pada trafo D-Z disisi primer

Gambar 17. merupakan Arus Sumber yang masuk ke Filter (Harmonik arus

yang masuk filter dari sumber tegangan) dan Gambar 18. merupakan

Tampilan simulasi menggunakan Pspice.

Gambar 17. Arus Sumber yang mesuk ke Filter (Harmonik arus yang masuk

filter dari sumber tegangan)

0

A1

B1

C1

4

5

6

N 7

WL 10

FR=50

A

V3FSD

FSA=0FREK=50

VRMS=220

V-

V

APR1 1

BPR1

2

CPR1

3

ASR64

BSR65

CSR6 6

N7

U4 D76KUMP_B

KOEFM=1.0

LP=8

RP=0.2

V-

V+

AC11

AC22

AC33

OP4

ON 5

BRIDGE3F

CD=1000uF

LD=1500

V-

V

R3

1

2

3

3

2

1

B

C

A3

B3

C3

R2 1meg

1meg

R1

RES_ARM3F

R4

1meg

A m p l i t u d o H a r m o n i k , p e r

- u n i t

1

0.8

0.6

0.4

0.2

Ih

f

Frekwensi (Hz)

0 200 400 600 800




67

Gambar 18. Tampilan simulasi menggunakan Pspice

A1

B1

C1

4

5

6

N 7

WL 10

FR=50

A

V3FSD

FSA=0FREK=50

VRMS=220

V-

V+

APR11

BPR1

2

CPR1

3

ASR64

BSR65

CSR6 6

N7

U4 D76KUMP_B

KOEFM=1.0

LP=8

RP=0.2

V-

V+

AC11

AC22

AC33

OP4

ON 5

BRIDGE3F

CD=1000uF

LD=1500

V-

V+

R3

1

2

3

3

2

1

B

C

A3

B3

C3

R2 1meg

1meg

R1

RES_ARM3F

R4

1meg




68

6. Kesimpulan

1. Berdasarkan analisa, semua trafo yang diuji melebihi standar, THD arus

pada transformator Δ – Z lebih kecil dibandingkan trafo lainnya.

2. Beban non linier yang dominan dan paling banyak mengandung

harmonisa terhadap trafo adalah Televisi 14 Inchi 300 W.

3. Kekurangan pemakaian transformator Z pada beban adalah

meningkatnya arus beban sekitar 2% pada tiap phasa dibandingkan

dengan fungsinya dalam meredam harmonisa pada system.

4. Pengurangan Harmonisa lebih efektip menggunakan rangkaian filter,

dibanding dengan merubah hubungan belitan trafo. Hal ini terlihat dari

pengujian terakhir, THD dapat ditekan hingga 6,7%. Pada pengujian

sebelumnya (tidak menggunakan filter), THD hanya mampu ditekan

hingga 26%.

Dafatar Pustaka

1. Aditya Wisnu Yogasaputra. 2008. Analisa Perbandingan HarmonisaPada Berbagai Hubungan Transformator 2KVA Dengan Beban Non

Linear , Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro Usakti.

2. H. K. Hoidalen, R. Sporild, Using Z Transformers with Phase-shift to

reduce Harmonics in AC-DC Systems, Presented at the International

Conference on Power Systems Transients (IPST’05) in Montreal,

Canada on June 19-23, 2005 Paper No. IPST05 – 44 Sy-Ruen Huang,

Bing-Nan Chen, Harmonic Study of Le Blanc Transformer for Taiwan

Railway’s Electrification System, IEEE Transactions on Power

Delivery, Vol.17 No.2 April 2002

3. J. Arrillaga, B.C. Smith, N.R. Watson, A.R. Wood. 2003. Power System Harmonic, Second Edition, McGraw-Hill

4. J. Desmet, I.Sweertvaegher G. Vanalme, K. Stockman, R. Belmans,

“ Analysis of the neutral conductor current in a three phase supplied

network with non-linear single phase loads”, IEMDC/IEEE Conf. MIT,

Cambridge, Masschusetts, USA, 17-21 June, electronic proc,2005.

5. Jeroen Van den Keybus, Johan Driesen, David Bartolive, RonnieBelmans, “ Analysis of the behavior fusing system in the present of non-

linear loads”, EMDC/IEEE Conf. MIT, Cambridge, Masschusetts,

USA, 17-21 June, 2005,electronic proc.

6. Roger C. Dugan/ Mark F. McGranaghan, Surya Santoso/ H. WayneBeaty,2003: Electrical Power Systems Quality, Second Edition,

McGraw-Hill

Harmonisa pada 3 fasa

Documents

Transcript of Harmonisa pada 3 fasa