HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 39

Teknik Pengurangan Arus Inrush danPengurangan Harmonisa Pada Kapasitor Bank

Untuk Beban Non LinierHendik Eko H S, Yahya Chusna Arif, dan Indhana Sudiharto

Abstrak—Dengan semakin mahalnya harga energi listrik disebabkan karena harga bahan bakar yang semakinmembumbung serta terbatasnya penyedian data listrik oleh PLN maka saat perlu dilakukan upaya-upaya penghematanpemakaian energi listrik. Pemerintah sejak tahun 1980 sudah sudah mencanangkan kebijakan penghematan pemakaianenergi khususnya energi listrik yang dirumuskan dengan kebijakan energi nasional. Pada saat ini pemerintah bahkansudah menerapkan tarif progresif berupa disinsentif sistem akibat pemakaian beban induktif, sehingga power factordapat diperbaiki mendekati unity dan kualitas daya menjadi lebih baik. Namun kelemahan kapasitor bank adalah bilasistem menggandung harmonisa sangat mungkin terjadi resiko resonansi sistem yang bisa merusak peralatan utilitasseperti trafo maupun kapasitor itu sendiri. Sehingga dipasang seri dengan kapasitor, cara ini akan menurunkan arusinrush menjadi 1/4 nya bila dibandingkan dengan tanpa menggunakan aircoil. Untuk pemakaian pada beban dinamiscara yang tepat adalah menggunakan menggunakan kapasitor bank .

Kata Kunci—power quality, kapasitor bank, filter

F

1 PENDAHULUAN

D ENGAN semakin mahal dan terbatas-nya penyedian energi listrik akibar kri-

sis energi, subsidi BBM yang memberatkananggaran Negara dan masih banyak pem-borosan serta losses dalam pemakaian energilistrik maka perlu dilakukan langkah-langkahpenghematan pemakaian daya listrik padasisi konsumen, langkah penghematan dapatdilakukan dengan perbaikan kualitas daya,pemilihan lampu hemat energi, pemakaian per-alatan untuk perbaikan efisiensi maupun en-ergi manejemen system (EMS). Kualitas dayayang baik dalam hal ini perbaikan power fac-tor (cosφ) akan memperbaiki drop cukup sig-nifikan bisa mencapai 5 sampai 30% tergantung

• Hendik Eko H S adalah staf pengajar di Jurusan Teknik ElektroIndustri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Kampus PENSSukolilo Surabaya. E-mail: hendik@eepis-its.edu

• Yahya Chusna Arif dan Indhana Sudiharto adalah staf pengajardi Jurusan Teknik Elektro Industri, Politeknik ElektronikaNegeri Surabaya,Kampus PENS Sukolilo Surabaya. E-mail:yahya@eepis-its.edu, indhana@eepis-its.edu.

jenis beban yang digunakan.Soft-switch yang berupa switch thyristor yang

disulut pada 270o sehingga tdak menimbulkanarus inrush. Penghematan daya diperlukanfilter untuk mengurangi harmonisa maupununtuk menggeser frekuensi resonansi sistem.Sehingga tidak terjadi resiko resonansi. Ke-mudian untuk mengurangi arus inrush agartidak terjadi gangguan transien maka cara yangpaling murah adalah menggunakan air coilyang bagi pemakai listrik yang tidak berhemat.Dari beberapa seminar yang diselenggarakanoleh Epcoss-Simens Indonesia - Singapura diJakarta dan Surabaya beberapa waktu yanglalu yang dipresentasikan oleh penulis da-pat disimpulkan bahwa ada beberapa teknikpenghematan daya yang sangat bisa dilakukan,yaitu salah satunya penghematan menggu-nakan kapasitor bank untuk menurunkan pe-makaian daya total kVA dan menggurangi rugidaya saluran sehingga juga menurunkan dayakW. Teknik penghematan daya dengan kapa-sitor bank digunakan untuk mengkompensasikekurangan daya reaktif pada siste, tegangan,faktor daya, rugi-rugi daya, kapasitas daya dan

ISSN: 2088-0596 c⃝ 2010 Published by EEPIS

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 40

effisiensi energi listrik.Seperti kita ketahui bahwa ada 3 jenis daya

yang dibutuhkan oleh beban yaitu; daya aktif(kW) yang dipakai untuk gerak, panas, dayareaktif (kVAR) untuk magnetisasi, dan daya to-tal (kVA) yang harus kita bayar. Perbandinganantara daya aktif (kVA) dan daya nyata (kW)akan menghasilkan power factor(cosφ). Kuali-tas daya yang baik adalah jika power factor> 0, 85(cosφ > 0, 85) sehingga meningkatkanefisiensi tenaga listrik.

Seperti kita ketahui bahwa sebagian besarbeban industri terdiri dari motor - motor yangmemerlukan daya reaktif untuk membangk-itkan medan listrik sehingga bersifat induktif.Beban dengan jenis induktif ini menyebabkanrendahnya power factor (cosφ) .

Untuk memperbaiki power factor (cosφ) padasistem tenaga listrik dengan beban induktifdiperlukan suatu kompensator daya reaktifyang dikontrol secara otomatis oleh kontroler.Fungsi dari power factor regulator (PFR) adalahuntuk mengatur penggunaan kapasitor sesuaidengan nilai yang diinginkan dari faktor dayayang akan diperbaiki.

2 KONSEP PERBAIKAN POWER FAC-TOR

Sistem jaringan distribusi dengan beban yangbersifat induktif akan mengakibatkan arus be-ban tertinggal terhadap tegangan sumber. Bilasumber tegangan AC adalah V = Vm sinωt,maka arus dengan beban induktif tertinggalsebesar φ, IL = Im sin(ωt − φ). Arus bebanIm ini terdiri dari 2 komponen yaitu induk-tif IL dan komponen resistif IR yang sefasadengan tegangan V . Apabila kapasitor dayaAC sebagai kompensator yang dihubungkanjaringan maka akan mengakibatkan arus bebanmendahului 90 derajat, Ic = Im sin(ωt + 90o)dan apabila arus IC ini diset sebesar arus IL.,maka akan resultannya akan saling menghi-langkan. Sehingga akan mengakibatkan arusbeban menjadi sephasa dengan tegangan. Di-mana arus beban yang tertinggal 90 derajatakan terkompensasi arus kapasitor mendahu-lui sebesar 90 derajat, IB = Ib sin(ωt − 90o +90o) = Ib sinωt. seperti terlihat pada Gambar 1dibawah[1].

Gambar 1. Diagram Phasor Konsep Compen-sator

Atau dalam bentuk daya perbaikan powerfactor dapat ditunjukan dengan segittiga dayaseperti Gambar 2.

Gambar 2. Diagram Segitiga Daya

Dari Gambar 2 segitiga daya ini menggam-barkan hubungan antara daya aktif P, dayareaktif Q dan daya total S. Pada gambar tam-pak bahwa harga S lebih besar akibat adanyaharga Q beban sehingga menyebabkan sudutdaya φ > 0o, hal ini menyebabkan faktor dayacosφ turun. Apabila ingin agar faktor dayadiperbaiki maka kebutuhan Q beban bisa diku-rangi dengan cara memasang kapasitor dayasebesar QCAP , sehingga nilai Q beban akanturun menjadi QDES dengan demikian sudutdaya φ mengecil nilai S mengecil sehinggadiperoleh penurunan pemakaian daya total S.Apabila QCAP diset sebesar QLOAD maka φ = 0o

dan nilai S akan mengecil menjadi S = P dandisini akan diperoleh penurunan daya S yangmaksimal. Untuk menghitung kebutuhan kap-asitor QCAP supaya diperoleh faktor daya yangdikehendaki dapat menggunakan Persamaan 1di bawah.

QCAP = PLOAD(tanφ1 − tanφ2) (1)

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 41

Dimana φ1 adalah sudut daya yang dikehen-daki dan φ2 adalah sudut daya mula-mula.

Suatu sistem tanpa kapasitor bank digam-barkan pada Gambar 3 dibawah:

Gambar 3. Sistem tanpa Kapasitor

Gambar 4. Sistem dengan Kapasitor Bank

Sedangkan pada Gambar 4 menunjukkan sis-tem dikompensasi dengan kapasitor bank un-tuk perbaikan kualitas daya. pada hasil simu-lasi tampak bahwa sistem sebelum dan sesu-dah kompensasi ada perbaikan kualitas dayasebagai berikut.

Tabel 1Sistem Dikompensasi dengan Kapasitor

Data Hasil Simulasi

Parameter Daya Sebelum SetelahKompensasi Kompensasi

Power factor (PF) 0,82 lag 1P (kW) 735,97 706,75S (kVA) 890,12 706,81Q (kVAR) 500 9,49Teg.Terminal (kV) 0,360 0,372Arus Line (Amp) 1352,40 1079,89Rugi saluran (kW) 79,07 49,86

Efisiensi (kVA) 100-(706,81/890,12) = 21%

Jadi dengan menggunakan kapasitor bankdisamping dapat memperbaiki kualitas daya

seperti Tabel 1 di atas juga akan diperolehpenghematan daya sebesar 21%. Berarti padapersoalan di atas masih ada persediaan dayasebesar 890, 12 − 706, 81 = 183, 31kV A yangmasih bisa digunakn untuk keperluan lainnya.

Pemasangan kapasitor bank ini bisa ditem-patkan di mana saja, baik pada sisi tegan-gan rendah maupun pada sisi tegangan tinggi.Gambar 5 mengilustrasikan letak penempatankapsitor bank.

Gambar 5. Penempatan Instalasi KapasitorBank

3 KONSEP PENGURANGAN ARUS IN-RUSH KAPASITOR

Pada umumnya kapasitor bank bekeja secaraotomatis yang dikontrol oleh Power FactorController (PFC) untuk mengaktifkan kontak-tor kapasitor bank sesuai dengan kebutuhan,bekerjanya kapasitor adalah secara step bystep. Banyaknya step kapasitor bank umum-nya adalah 6 atau 12 step. Untuk jumlah stepyang banyak maka akan sering terjadi prosesswitching yang lebih sering seiring dengan pe-rubahan beban dibandingkan dengan jumlahstep yang lebih kecil. frekuensi switching yangsering akan mengakibatkan gangguan kualitasdaya yang lain yaitu berupa oscilatory transtienakibat arus switching kapasitor yang disebutdengan arus inrush.

Besarnya arus inrush kapasitor pada saatswitching ditentukan dengan persamaan 2 dan3. Bila kapasitor yang terhubung adalah kap-asitor single maka besarnya arus inrush adalahseperti Persamaan 2 di bawah.

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 42

i =

√√√√2× SUSC

Qc

× IN (2)

dimana:i = arus inrush kapasitor

S = daya trafo untuk suplai (kVA)

USC= tegangan hubung singkat trafo (%)

QC = besarnya kapasitor yang dipasang

IN = arus nominal kapasitor

Arus inrush untuk single kapasitor bisa men-capai 20 sampai 40 kali arus nominal kapasitorIN.

Sedangkan untuk kapasitor yang tersusunparalel (array) berupa kapasitor bank maka be-sarnya arus inrush kapasitor pada saat switchingditentukan dengan persamaan 3 di bawah [4].

Inrush =

√2× Un√Xc ×XL

(3)

dengan

Xc = 3× U2N × ( 1

Q1+ 1

Q2+ ...)

XL = ω × L = 2ϕ× f × L

dimana

UN = 3 tegangan suplai

XC = reaktansi kapasitor yang bekerja

XL = reaktansi saluran menuju kapa-sitor

Q1,2,...= daya kapasitor (kVAR)

Besarnya arus inrush untuk kapasitor bankarray ini adalah lebih besar, sekitar 200 sam-pai 250 kali arus nominal kapasitor IN. Arusinrush sebesar itu akan mengganggu kualitasdaya berupa gangguan oscillatory transtien padaarus dan tegangan, bentuk arus inrush adalahseperti tampak pada Gambar 6 di bawah.

Arus transtien ini akan mempengaruhitegangan sehingga bentuk tegangan juga akan

Gambar 6. Bentuk Arus Inrush Akibat Switch-ing Kapasitor

mengalami gangguan transtien seperti tampakpada Gambar 7 di bawah.

Gambar 7. Gangguan Transient pada Tegangan

Gangguan transtien ini bisa menyebabkankerusakan pada peralatan maupun kerusakanisolasi yang pada akhirnya bisa menyebabkanproduction stop.

Gangguan arus inrush switching kapasitor da-pat dikurangi atau bahkan dihilangkan deganmenggunakan 3 metode yaitu:

• Metode penambahan air coil• Metode pilot swith Penggunaan filter• Metode soft-switch menggunakan SVCPemasangan air coil adalah cara yang

paling umum dilakukan karena palingekonomis dan mudah dilakukan yaitudengan menghubungkan seri kabel yangdililit sebanyak kurang lebih 8 lilitan denganmasing-masing kapasitor. Hal ini dilakukanagar nilai XL lebih besar, sehingga bilamengacu pada persamaan 3, maka arusinrush akan turun / lebih rendah. Dengan 8

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 43

lilitan saja arus akan turun menjadi 1/4nya.Pemasangan air coil adalah seperti tampakpada Gambar 8 di bawah [10].

Gambar 8. Pemasangan Air Coil pada Kapa-sitor Bank

Cara lain adalah menggunakan pilot kontak-tor, cara ini agak mahal karena menggunakankontak bantu dan resistor yang dipasang seridengan kapasitor, fungsi resistor adalah un-tuk membatasi arus inrush, kemudian sete-lah beberapa detik baru kontak utama masukdan kontak bantu lepas. Gambar 9 adalah je-nis kontaktor yang dilengkapi dengan kotakbantu dan resistor seri terletak di kotak bantu,sedangkan gambar 10 menggambarkan carakerja pembatasan arus inrush kapasitor meng-gunakan kontak bantu atau pilot kontantor.

Gambar 9. Kontaktor dengan Pilot Kontak

Pada saat switch on maka kontak bantu akanmenutup dan arus akan mengalir melalui re-sistor sehingga besarnya arus inrush dapat di-batasi.

Untuk sistem yang menggandung kadarharmonisa tinggi biasanya kapasitor bank

Gambar 10. Time Delay antara Kontak Bantudan Kontak Utama 2-10ms

dilengkapi dengan filter detuned ataupuntuned, dengan pemasangan filter tersebut akanmenaikkan nilai XL pada persamaan 3 se-hingga bisa mengurangi arus inrush cukupsignifikan.

4 PENGURANGAN ARUS INRUSH DEN-GAN SOFT SWITCH

Pada aplikasi kapasitor bank untuk beban di-namis yang mempunyai fluktuasi tinggi makaswitchingkapasitor akan menjadi lebih seringdan ini akan menimbulkan gangguan transtienyang cukup serius, untuk itu harus menggu-nakan cara switching kapasitor menggunakanteknik soft-switch yang tidak menimbulkan arusinrush.

Gambar 11 adalah Topologi Soft SwitchedStatic Var Compensator yang terdiri dari beber-apa blok besar, yaitu: Tranduser/sensor, Kon-trol dan thyristor swtich dan kapasitor bank.

Prinsip kerja Soft Switched Static Var Compen-sator; Bila pada sistem jaringan terdapat bebaninduktif akan terjadi penurunan faktor daya.Tegangan dan arus listrik melalui komperatorakan menghasilkan besaran faktor daya beban.Pada rangkaian kontrol membandingkan fak-tor daya beban dengan set poin (faktor dayayang diinginkan).

Apabila faktor daya beban lebih kecil dari-pada set point maka kapasitor satu C1 ter-hubunng paralel dengan beban. Apabila faktordaya beban (PF) masih lebih kecil dari set point,

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 44

Gambar 11. Topologi Soft Switched Static VarCompensator

maka kapasitor dua (C2) terhubung paralleldengan beban.

Apabila faktor daya beban berubah lebihbesar daripada set point maka kapaitor dua (C2)akan terlepas dengan paralel beban. Apabilafaktor daya beban masih lebih besar dari setpoint maka kapasitor satu (C1) terlepas denganparalel beban, begitu seterusnya jika ada pe-rubahan faktor daya beban.

Strategi yang digunakan pada penelitian iniadalah bila thyristor disulut pada saat teganganpuncak (dv/dt = 0) [7], maka tidak timbul arusinrush, kemudian dilakukan simulasi denganketentuan yaitu:

Tegangan thyristor = 0, VThy = 0, jika nilaisinωt = −1

VThy = Vt − Vc (4)

Vc = −Vm (5)

Substitusi persamaan 4 ke 5 diperoleh:

VThy = Vm sinωt+ Vm = Vm(1 + sinωt) (6)

Nilai sinωt = −1 dicapai pada saat sudutωt = 270o, jika sinωt = −1, maka teganganthyristor:

VThy = Vm(1− 1) = Vm.0 = 0

Jadi dari persamaan diatas maka diperolehtegangan thyristor (VThy) sama dengan nol ter-jadi hanya pada saat ωt = 270o. Pada ωt = 270o,thyristor diswitch on, maka kapasitor mulaidischarge.

Untuk ωt = 270o ⇒ sinωt = sin 270o =− cos 0o dan tegangan kapasitor vc(t) untuk ωt

diatas 270o akan menjadi Vc(t) = −Vm cosωt.

Selanjutnya arus start kompensator kapasitorpada saat t0 akan menjadi:

Ic = CdVc

dt(7)

⇒ = C.Vmd(−Vmcosωt0)

dt

= C.Vm.ωsinωto

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwaarus start kapasitor dari nol seperti bentukgelombang sinusoidal tampa mengalami dis-torsi dan inrush. Jadi arus kapasitor pada saatdipswitch on sesuai dengan analisa persamaandiatas. Hal tersebut dapat menjelaskan bahwaic tidak menimbulkan distorsi. Dan untuk men-dapatkan hasil ic tanpa distorsi maka perlumemenuhi syarat awal seperti diatas.

Sehingga diperoleh hasil simulasi sepertipada Gambar 12. dibawah, terlihat bahwa padasaat diswitch on kapasitor tidak timbul inrushpada arus kapasitor.

Gambar 12. Simulasi Switching Kapasitor pada270o Tidak Menimbulkan Arus Inrush

Sehingga diperoleh hasil simulasi sepertipada Gambar 12. Dibawah, terlihat bahwapada saat diswitch on kapasitor tidak timbulinrush pada arus kapasitor.

4.1 Simulasi dan AnalisisSimulasi Soft Switch Static Var Compensator di-gunakan untuk mengetahui beberapa parame-ter yang berhubungan dengan kualitas daya,

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 45

misal nilai atau bentuk gelombang daya ak-tif, daya reaktif, daya nyata, arus, teganganoutput dan power faktor. Simulasi rangkaianSitch Static Var Compensator diperoleh denganmenjalankan program SIMCAD.

Data yang digunakan dalam simulasidengan program SIMCAD dan ditunjukkanpada Gambar 13 adalah sebagai berikut :

Vs = 220V rms ⇒ Vm =√2.220 = 311

Vs = Vm sinωt ⇒ Vs = 311 sinωt

f = 50 Hz

pf = 0.7

C1 = 115µF

C2 = 155µF

Daya beban P = 6 KW

pf target = 0.93 Hz

ESR kapasitor dari pengukuran diperoleh0.34

Gambar 13. Rangkaian Soft Switch Static VarCompensator

Hasil simulasi diperoleh denganmenjalankan rangakaian Soft Switch Static VarCompensator dengan program SIMCAD dannilai komponen diperoleh dari perhitungansebelumnya.

Simulasi pertama dilakukan untuk nilai t =105ms (∆θ = 90o) dan PF= 0.93. Nilai t =105ms artinya bahwa kapasitor mulai switch on

ditunda lima cycle setara dengan 100ms dan90o setara dengan 5ms. Dan dari rangkaianpenghasil pulsa penyulutan menghasilkan pe-nundaan satu cycle. Penundaan selama 5 cycledimaksudkan untuk memperlihatkan peruba-han beban sebelum dikompensasi dan sesu-dah dikompensasi. Sedangkan 5 ms setara 90o

untuk melihat kebenaran syarat yang tidakdipenuhi sehingga akan timbul distorsi sepertitelah dijelaskan sebelumnya.

Simulasi kedua dilakukan untuk nilai t =115ms dan PF = 0.93. Nilai t = 115ms artinyabahwa kapasitor mulai switch on ditunda limacycle setara dengan 100 ms dan 270o setara den-gan 15ms. Dan dari rangkaian penghasil pulsapenyulutan menghasilkan penundaan satu cy-cle. Penundaan selama 5 cycle dimaksudkanuntuk memperlihatkan perubahan beban se-belum dikompensasi dan sesudah dikompen-sasi. Sedangkan 15 ms setara 270 adalah agarsistem menghasilkan nilai arus kapasitor ICsinusoidal murni tanpa distorsi seperti telahdijelaskan sebelumnya.

4.2 Hasil Uji Coba Alat SVC yang telahdibuat

Pada Gambar 14 menunjukan tidak terjadi arusinrush pada saat thyristor disulut pada α =270o

Gambar 14. Tidak ada Arus Inrush saat Thyris-tor Disulut pada 2700

Pembuatan Soft Switch Static Var kompensatorini sangat baik dan tepat untuk dikembangkandengan lebih banyak step kapasitor. Karenadengan Soft Switch Static Var compensator den-gan pengaturan sudut penyulutan thyristor

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 46

pada α = 270o, maka tidak terjadi arush in-rush sama sekali, sehingga tidak menimbulkantransien yang dapat mengganggu kualitas dayaserta dapat mempercepat umur kerusakan per-alatan akibat arus inrush tersebut.

5 KAPASITOR BANK UNTUK SISTEMYANG MENGGANDUNG HARMONIK

Tidak bisa dipungkiri lagi bahwa dewasaini pemakaian beban elektronik untuk pen-gontrolan proses sudah menjadi kebutuhanutama, namun pemakain beban-beban elek-tronik atau yang kita kenal dengan beban nonlinier ini akan menghasilkan harmonisa yangbisa mengganggu sistem. Untuk pengoperasiankapasitor bank pada sistem yang menggan-dung harmonisa tinggi perlu hati-hati, karenaarus harmonisa yang dihasilkan oleh bebannon linier pada sistem yang menggunakankapasitor bank akan menyebabkan resikokerusakan peralatan akibat efek resonance risk.Arus harmonisa akan meningkat tajam padasaat terjadi resonansi akibat pengoperasian ka-pasitor bank[2]. Gambar 15 menggambarkanamplifikasi arus harmonisa bila terjadi reso-nansi.

Gambar 15. Ampifikasi Arus Harmonisa saatResonansi

Ih = Q× In (8)

dimana Q = ωLRh

Resiko resonasi ada 2 jenis yaitu yang dise-but dengan Series resonace, dan Paralel resonace.Series resonace adalah bila sumber harmonisaberasal dari luar atau upstream trafo sepertitampak pada Gambar 16, sedangkan paralel

resonace adalah bila sumber harmonisa be-rasal dari beban-beban di bawah trafo tersebutseperti tampak pada Gambar 17 [9],[11].

Gambar 16. Resonasi Seri

Gambar 17. Resonasi Paralel

Akibat dari resonansi dapat dilihat padaTabel 2 dibawah. Pada tabel tampak bahwapada saat terjadi resonansi pada frekuensi har-monisa maka pada sistem yang dipasang ka-pasitor bank arus harmonisa akan membesar.Arus harmonisa ke 5 pada sistem tanpa kapa-sitor sebesar 225A naik menjadi 668A demikianjuga untuk I7 dan I11, kenaikan arus harmon-isa akan mempengaruhi Total Harmonic Dis-tortion(THD) arus THD-i dan THD-v, THD-vberubah dari 5,12% menjadi 10,14 %, meskipunPF meningkat dari 0,62 menjadi 0,92.

Tabel 2Akibat Resonansi

Arus Sistem SistemHarmonik Tanpa Kapasitor dengan Kapasitor

1 1200 AA 740 A

5 225 AA 740 A

7 70 AA 740 A

11 50 AA 740 A

THD-v 4.12 % 10.14%

PF 0.62 0.92

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 47

6 PENGURANGAN HARMONISA DEN-GAN MENGGUNAKAN FILTER

Harmonisa yang terkandung dalam sistemharus dikurangi karena kehadirannya sangatmengganggu seperti yang telah dijelaskan diatas. Ada bebarapa cara untuk mengurangiharmonisa yaitu seperti tampak pada Gambar18 di bawah[2][3].

Gambar 18. Pemilihan Jenis Filter

Pertimbangan pemasangan filter adalahberdasarkan teknologi dan biaya, biaya yangpaling mahal adalah menggunakan filteraktif. Filter aktif pamasangan sangat mudah,harmonisa apapun yang ditimbulkan baikpada sistem 1 fasa maupun 3 fasa dapatdikurangi karena prinsipnya adalah cencelationyaitu menginjeksi harmonisa sehinggakandungan harmoisa bisa dihilangkan.Kelemahan filter aktif adalah tidak bisamemperbaiki PF dengan baik.

Jika sistem sudah menggunakan kapasitorbank untuk perbaikan PF maka yang paling co-cok dan paling murah adalah menggunakan de-tuned filter. Kalau menggunakan de-tuned filterakan sedikit kesulitan karena biasanya kapa-sitor yang terpasang sudah tertentu besarnyadan sudah terpasang secara seragam untukmasing-masing step. Sehingga apabila harusmelakukan tuning pada frekuensi harmonisaakan kesulitan komponen.

Keuntungan penggunaan de-tuned filteradalah:

• Memperbaiki faktor daya PF• Terhindar dari terjadinya resiko resonasi• Mengurangi kandungan harmonisa• Mempebaiki kualitas daya

Prinsip kerja de-tuned filter adalah mengeserfrekuensi resonansi sistem agar tidak terjadidi frekuensi harmonisa. Gambar 19 menggam-barkan penempatan de-tuned filter yang di-pasang seri dengan kapasitor, detuned filteradalah berupa reaktor. Sedangkan Gambar 20adalah kurva karakteristik apabila sistem den-gan kapasitor yang dipasang detuned filter.

Gambar 19. Penempatan De-tuned Filter

Gambar 20. Pengaruh De-tuned Filter padaFrekuensi Resonansi Sistem

Karena frekuensi resonansi digeser dibawahfrekuensi harmonisa maka tidak akan terjadiefek resonansi yang dipicu oleh adanya har-monisa.

Penentuan besanya detuned filter ditentukandengan cara menghitung frekuensi resonansisistem yang ditentkan dengan persamaan 8 dibawah.

ωR =1√LNC

(9)

dimana

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 48

fR = 50√

Sr.100QCuk

ST = daya trafo (kVA)

QC = besar kapasitor bank

Uk = tegangan hubung singkat trafo (%)

fr = frekuensi resonansi sistem

setelah fr diketahui maka, menentukan be-sarnya detuned P , dimana besarnya P diten-tukan dengan persamaan 9.

P =

(fnfres

)2

100 (10)

dengan fn adalah frekuensi normal sistem.Tabel untuk menetukan detuned bisa dilihat

pada Tabel 3 di bawah.

Tabel 3Akibat Resonansi

p fres

5% 22 Hz

5.5% 213 Hz

5.67% 210 Hz

6% 204 Hz

7% 189 Hz

8% 177 Hz

12.5% 141 Hz

14% 134 Hz

Dengan dipasangnya de-tuned filter untukmenggeser frekuensi sehingga menghindari re-siko resonansi, maka tegangan kapasitor akannaik, naiknya tegangan kapasitor ditentukandengan persamaan 10 di bawah.

Uc = UN100

100− p(11)

dimanaUC = kenaikan tegngan pada kapasitor

UN = tegangan suplai nominal

Dengan naiknya tegangan kapasitor makanilai kapasitor yang baru akan berubah men-jadi persamaan 11 di bawah.

Qc = (1− p

100)(

Uc

UN

) (12)

Nilai kapasitor QC ini akan menjadi lebihbesar dari nilai semula.

Dengan dipasangnya detuned filter maka per-baikan kualitas daya berupa naiknya nilai PF,dan turunnya THD sehingga rugi-rugi dayaberkurang efiensi meningkat dan akan diper-oleh penghematan yang seknifikan. Tabel 4di bawah menunjukkan perbaikan kualitasdaya akibat dipasangnya kapasitor bank yangdilengkapi dengan detuned filter.

Tabel 4Sistem Dikompensasi dengan Kapasitor

Arus Sistem Sistem SistemHarmonik tanpa dengan dengan

kapasitor kapasitor filter

1 1200 A 740 A 740 A5 225 A 740 A 135 A7 70 A 740 A 60 A11 50 A 740 A 42 A

THD-v 5.12 % 10.14% A 4.5 %PV 0.62 A 0.92 0.95

Pada tabel tampak bahwa sistem dengankapasitor bank yang dilengkapi filter dapatmemperbaiki kualitas daya dengan baik biladibandingkan dengan kapasitor yang tidakdilengkapi filter, dalam hal ini adalah detunedfilter. Arus harmonisa ke 5 turun menjadi 135Ademikian juga I7 dan I11, THD-v turun men-jadi 4,50% dan PF meningkat menjadi 0,95.sehingga nilai

Perbaikan kualitas daya cukup signifikan.Hal ini disebabkan karena detuned filter bek-erja sehingga menghindari terjadinya resikoresonansi. Gambar 21 menggambarkan perge-seran frekuensi resonansi sistem oleh detunedfilter. Pergeseran frekuensi jauh di bawahfrekuensi harmonisa yang merupakan spek-trum rawan terjadinya resiko resonansi.

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 49

Gambar 21. Pergeseran Frekuensi ResonansiSistem dibawah Harmonic Spectrum

7 KESIMPULAN

Jenis beban pada peralatan industri ke-banyakan adalah jenis beban induktif sehinggamengakibatkan PF rendah. Beban modern jugabanyak digunakan sehingga menyebabkan tim-bulnya harmonisa tinggi.

Kapasitor bank umumnya digunakan untukperbaikan PF. Bila rata-rata PF beban di in-dustri adalah 0,8lag maka bila ditingkatkanmenjadi unity dengan menggunakan kapasitorbank akan diperoleh penghematan pemakaiandaya total sebesar kurang lebih 20%. Sehinggakapasitor bank adalah solusi yang tepat untukpenghematan daya.

Kapasitor bank disamping memperbaiki PFtetapi juga menimbulkan gangguan kuali-tas daya yang lain yaitu gangguan osila-tory transien pada saat switching kapasitordan gangguan resonasi bila sistem mengan-dung harmonisa. Gangguan-gangguan ini da-pat merusak peralatan.

Arus inrush kapasitor sangat besar bisa men-capai 40 sampai 250 kali I nominal, sehinggaperlu dikurangi supaya gangguan transien bisadiperkecil. Pengurangan yang paling seder-hana adalah menggunakan air coil yang akanmenurunkan arus inrush hingga 1/4 nya biladibandingkan dengan tanpa air coil, atau kalausistem mengandung harmonisa penggunaanfilter bisa menurunkan besarnya arus inrush.

Untuk beban dengan dinamis yang tingkatfluktuasinya tinggi maka akan mengakibatkanswitchingkapasitor lebih sering lagi, cara tepatuntuk mengurangi arus inrush adalah menggu-nakan soft-switch berupa thyristor yang disulut

pada sudut 270o.Untuk sistem yang mengandung harmonisa

menyebabkan terjadinya resiko resonansi an-tara kapasitor dengan trafo, sehingga arus har-monisa meningkat dan THD juga meningkatseknifikan. Peningkatan ini tergantung darifaktor kualitas Q.

Untuk menghindari resonansi maka cara ter-murah dan mudah adalah menggunakan de-tuned filter, sehingga bila dipasangkan den-gan kapasitor akan diperoleh keuntungan bisameningkatkan PF dan memperbaiki THD.

Penggunaan filter aktif tidak untuk sistemdengan daya besar sangat mahal, untuk itupenggunaannya dipasang hibrid dengan fil-ter pasif, sehingga diperoleh keuntungan per-baikan PF oleh kapasitor filter dan sisa har-monic dicancel oleh kerja dari filter aktif.

UCAPAN TERIMAKASIH

PENS-ITS sebagai memberi dana penelitiandengan judul Teknik Pengurangan Arus Inrushpada Kapasitor Bank dengan Beban Dinamis.DIKTI sebagai pemberi dana penelitian denganJudul Teknik Pengurangan Arus Inrush padaSwitching Power Capasitor menggunakan StaticVar Compensator dengan Beban Dinamik”.

DAFTAR PUSTAKA[1] Power Factor Regulator (PFR) menggunakan PLC, EEPIS

Jurnal 2001, volume 6, Yahya Chusna Asrif, IndhanaSudiharto

[2] Seimen journal, Malaga seminar, Spanyol, 2003[3] Scheneider journal, King Mongkut University seminar,

Bangkok, 2004[4] Jinn-Chang Wu, Hurng-Liahng Jou, Kuen-Der Wu, and

Nan-Tsun Shen,” Hybrid Switch to Suppress the InrushCurrent of AC Power Capacitor”, IEEE Transactions OnPower Delivery, Vol. 20, No. 1, January 2005

[5] J. H. Tovar-Hernndez, C. R. Fuerte-Esquivel, dan V. M.Chavz-Ornelas, ” Modeling of Static VAR’s Compensatorsin Fast Decoupled Load Flow ”IEEE Transactions OnPower Systems, Vol. 20, No. 1, February 2005.

[6] Theodora R.Bosela, ”Introduction Electrical Power SytemTecnology, Printice Hall, unitet State of America, 1997

[7] Yahya Chusna Arif, Indhana Sudiarto, Hendik Eko HS,Teknik pengurangan arus inrush pada kapasitor bankdengan beban dinamis, Jurnal EEPIS 2007

[8] Indhana Sudiarto, Mochamad Ashari ”Desain Soft SwitchStatic Var Compensator untuk mengurangi Inrush Cur-rent pada Kapasitor Bank”, Seminar Nasional Pasca Sar-jana VI, 2006, Volume 1 hal 6-19

[9] Yahya Chusna Arif, buku diktat kualitas daya PENS,Yahya. dkk, ”Diktat Training PQ”, Kerjasama Reset grupPQ PENS - ITS dengan EPCOS Siemens, mei 2005.

HENDIK EKO H S, YAHYA CHUSNA ARIF, DAN INDHANA SUDIHARTO 50

[10] Yahya Chusna Arif, dkk ”seminar power quality” diJakarta dan Surabaya, Penyelenggara Epcoss-SimensJakarta-Singapore, Sangrila Hotel 2005

Hendik Eko Hadi Suharyanto lahir diSurabaya, 22 Nopember 1962, telah lulusSarjana Teknik Elektro ITS th 1985 diSurabaya, dan telah lulus Master TeknikElektro ITS tahun 2003 di Surabaya,Bidang Keahlian adalahTeknik SistemTenaga, sebagai dosen sejak tahun1989 di jurusan Teknik Elektro Industri,Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.

Aktif sebagai Asessor GEMA PDKB sejak tahun 2005.

Yahya Chusna Arief lahir di Jember, 09Juni 1960, telah lulus Sarjana Teknik Elek-tro ITS th 1987 di Surabaya, dan telahlulus Master Teknik Elektro ITS tahun 1999di Surabaya Bidang Keahlian adalahTeknikSistem Tenaga, sebagai dosen sejak tahun1989 di di jurusan Teknik Elektro Indus-tri, Politeknik Elektronika Neheri Surabaya.Aktif sebagai Asessor ATKIs (Indonesia

Power Engineer’s Assessor IATKI’s Assessor)sejak tahun 2002.

Indhana Sudiharto lahir di Madiun, 27Pebruari 1966, telah lulus Sarjana TeknikElektro ITS th 1996 di Surabaya, dan telahlulus pendidikan Master Teknik Elektrotahun 2006 di ITS Bidang Keahlian TeknikSistem Tenaga, sebagai dosen sejak tahun1996 di jurusan Teknik Elektro Industri, Po-liteknik Elektronika Neheri Surabaya. AktifSebagai Asessor ATKIs (Indonesia Power

Engineer’s Assessor IATKI’s Assessor) sejak tahun 2002.