pengujian harmonisa dan upaya pengurangan

JETri, Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
PENGUJIAN HARMONISA DAN UPAYA
PENGURANGAN GANGGUAN HARMONISA
PADA LAMPU HEMAT ENERGI
Liem Ek Bien & Sudarno*
Dosen Jurusan Teknik Elektro – FTI, Universitas Trisakti
Abstract
Harmonic (current or voltage) is one of the problems that has to be solved in electric power
system, especially that caused by non-linear loads. Harmonic could cause bad impacts for
the electric components that sensed it. It is almost certain that using of fluorescent lamp with
electronic ballast or it is called energy saving lamp can cause harmonic in electric power
system. Considering of the using of energy saving lamp is increased fairly fast as residence
and office lighting, so it is important to analyze and solve the harmonic that caused by
energy saving lamp. From the harmonic analysis, we can know the harmonic distortion
caused by energy saving lamp. And there are some efforts to reduce such harmonic
distortion by using a simple harmonic filter.
Keyword: power quality, harmonic, harmonic filter.
1. Pendahuluan
Mutu dari suatu produk sangat diperhatikan dalam suatu penjualan
atau pembelian barang dan jasa. Pada bidang kelistrikan juga dikenal
adanya mutu listrik. Pada dasarnya mutu listrik yang baik adalah listrik
yang mempunyai tegangan dan frekuensi yang stabil (Sumani, 2002: 40).
Untuk di Indonesia, listrik yang bersumber dari PLN adalah dengan
tegangan 220 volt dan frekuensi 50 Hz.
Tegangan dan frekuensi yang tidak stabil bukan saja salah
perusahaan listrik, tetapi peralatan-peralatan listrik yang digunakan
konsumen juga dapat mempengaruhi mutu listrik. Terdapat banyak aspek
yang dapat mempengaruhi berkurangnya mutu listrik. Salah satu aspek
tersebut adalah timbulnya harmonisa pada gelombang listrik.
Timbulnya harmonisa pada sistem tenaga listrik salah satunya
disebabkan oleh adanya alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier.
Contoh alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier adalah sebagai
berikut (Marsudi, 2002: 2):
a. Penyearah (Rectifier).
b. Inverter, pengubah arus searah menjadi arus bolak-balik.
* Alumni Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
c. Pengubah frekuensi (Frequency Converteer) untuk mengatur putaran
motor listrik.
d. Tungku busur listrik.
e. Lampu dengan pelepasan gas (Gas Discharge Lamp).
Dengan timbulnya harmonisa maka kualitas listrik yang disalurkan
menjadi menurun, ini karena bentuk gelombang dari tegangan atau arus
tidak lagi sinusoida murni namun sudah mengalami distorsi.
Salah satu contoh peralatan dengan impedansi tidak linier yang
sekarang pemakaiannya sangat berkembang adalah lampu hemat energi.
Oleh karena itu perlu untuk menganalisa harmonisa yang disebabkan lampu
hemat energi untuk mengetahui tingkat gangguan harmonisa yang
dihasilkan.
2. Lampu Hemat Energi
Pada prinsipnya lampu hemat energi merupakan lampu fluorescent
yang menggunakan ballast elektronik. Untuk itu, di bawah ini akan
dijelaskan tentang lampu fluorescent dan ballast elektronik.
Prinsip kerja lampu fluorescent adalah berdasarkan pelepasan
elektron dari kutub negatif ke kutub positif. Elektron yang terlepas ini akan
bertabrakan dengan atom gas yang diisikan ke dalam tabung tersebut.
Tumbukan elektron dan atom gas ini akan menghasilkan elektron yang akan
menabrak atom berikut, dan seterusnya.
Adapun atom yang tidak cukup energi untuk lepas dari ikatan atom
akan mengalami perpindahan dari tingkat energi rendah ke tingkat energi
tinggi. Karena pada tingkat energi tinggi ini keadaan elektron tidak stabil
maka ia akan kembali ke lintasan semula (tingkat energi lebih rendah)
sambil mengeluarkan gelombang elektromagnetik yang merupakan sinar
ultra violet. Sinar ini oleh gas fluorescent dalam sisi tabung diubah menjadi
sinar tampak.
Tumbukan yang terjadi di dalam tabung kalau tidak dikendalikan,
maka akan menyebabkan panas berlebihan dan tabung akan rusak. Untuk
itu dipasang ballast yang berfungsi untuk mengendalikan arus yang
mengalir ke dalam tabung lampu. Ballast dapat dibuat dari suatu kawat atau
penghantar yang dililit sedemikian rupa atau berupa kumparan (choke coil)
54
Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan
berinti besi. Selain itu juga ballast dapat dibuat dari rangkaian elektronik
yang disenut ballast elektronik. Ballast ini mempunyai fungsi:
a. Memberikan pemanasan mula pada elektroda untuk penyediaan
elektron bebas dalam jumlah yang banyak.
b. Memberikan gelombang potensial yang cukup besar untuk
mengadakan bunga api antara kedua elektrodanya.
c. Mencegah terjadinya peningkatan arus bunga api yang melebihi
batas yang telah ditentukan dari setiap ukuran lampu.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya lampu hemat energi
adalah lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik.
Di bawah ini disebutkan beberapa keuntungan dari penggunaan
dengan pemakaian ballast elektronik adalah:
a. Start yang cepat tanpa kedip, dengan tidak menggunakan starter.
b. Arusnya yang kecil yaitu 0,1 Ampere, sehingga pemakaian dayanya
hemat.
c. Tanpa efek stroboskop dan tidak menggunakan elektroda yang berkedip
dan tidak berdengung (bising).
d. Faktor daya rata-rata mendekati 0,85 sehingga tidak menggunakan
kapasitor sebagai pengkoreksi faktor daya.
Oleh karena itu lampu tabung fluorescent yang menggunakan
ballast elektronik sangat cocok untuk ruangan yang membutuhkan tingkat
keamanan yang tinggi, karena tingkat keamanan dan kuat penerangan yang
dihasilkan sangat baik.
3. Harmonisa
Harmonisa adalah deretan gelombang arus atau tegangan yang
frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar
tegangan atau arus itu sendiri. Bilangan bulat pengali pada frekuensi
harmonisa adalah orde (n) dari harmonisa tersebut. Sebagai contoh,
frekuensi dasar dari sistem kelistrikan di Indonesia adalah 50 Hz maka
harmonisa kedua adalah 2 x 50 Hz (100 Hz), ketiga adalah 3 x 50 Hz (150
Hz), dan seterusnya hingga harmonisa ke n yang memiliki frekuensi n x 50
Hz.
Distorsi dari bentuk gelombang harmonisa-harmonisa yaitu kedua,
ketiga dan seterusnya dijumlahkan dengan gelombang dasar, maka bentuk
gelombang tegangan atau arus akan terdistorsi.
55
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
Untuk lebih jelas, perhatikan Gambar di bawah ini. Pada gambar 1.
menunjukkan sebuah gelombang dasar yang sempurna dengan nominal 3
Ampere pada frekuensi 50 Hz atau 20 milisecond per siklus. Sedangkan
pada gambar 2. menunjukkan sebuah gelombang harmonisa arus orde ke-3.
Jadi pada gambar tersebut besar arusnya adalah 1/3 dari arus gelombang
dasar yaitu 1 ampere dengan frekuensi 150 Hz, atau 3 kali dari frekuensi
gelombang dasar (Manumpil, 2000: 7).
4
Ampere
2
3 sin( 2  50 t )
0
2
4
0
0.01
0.02
0.03
t
Waktu (detik)
Gambar 1. Bentuk Gelombang Arus Dasar yang Dihasilkan Generator
4
Ampere
2
3
3
 sin( 2  50 t  3)
0
2
4
0
0.01
0.02
0.03
t
Waktu (detik)
Gambar 2. Bentuk Gelombang Harmonisa Orde ke-3
56
Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan
Suatu sinyal arus yang murni sinusoida, dihasilkan oleh suatu
generator yang sedang mensuplai beban yang linear seperti yang terlihat
pada Gambar 1. dan Gambar 2. menunjukkan suatu sinyal arus yang juga
sinusoida namun memiliki amplitudo 1/3 kali dan frekuensi tiga kali sinyal
pertama, dihasilkan bila suatu generator mensuplai beban non linier seperti
lampu fluorescent atau komputer.
Jadi, seandainya sinyal yang pertama dinyatakan dalam:
i1 = I sin (ωt)
maka sinyal yang kedua adalah:
i2 = (1/3) I sin (ωt).
Apabila sinyal i1 dan i2 di atas disuperposisikan , maka hasilnya adalah
suatu sinyal yang dinyatakan sebagai:
i3 = i1 + i2 = I [sin(ωt) + (1/3) sin(ωt)]
yang bentuk sinyalnya adalah seperti Gambar 3. di bawah ini.
4
Ampere
2
3
3 sin( 250 t )   sin( 2  50 t  3)
3
0
2
4
0
0.01
0.02
0.03
t
Waktu (detik)
Gambar 3. Bentuk Gelombang Arus yang Terdistorsi Harmonisa Orde ke-3
57
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
Besar total gangguan dari harmonisa pada suatu sistem tenaga
listrik dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), yang
didefinisikan sebagai berikut:

V
2
n
THD  100
2
V1
(1)
Dimana:
Vn : tegangan harmonisa pada orde ke-n
V1 : tegangan fundamental (Vrms)
Dengan rumus yang sama, gangguan harmonisa total untuk arus juga dapat
dihitung yaitu mengganti komponen V dengan I.
Adanya harmonisa pada sistem tenaga listrik akan mengakibatkan
berbagai efek, di bawah ini adalah pengaruh-pengaruh harmonisa pada
sitem tenaga listrik (Sulistiyo, 2003: 6).
a. Saluran transmisi
Aliran dari harmonisa arus pada konduktor akan menyebabkan
bertambahnya rugi-rugi saluran sebagai akibat adanya pemanasan
tambahan. Pemanasan tambahan ini disebabkan adanya arus harmonisa
yang mengalir di saluran transmisi.
b. Transformator
Efek harmonisa pada transformator adalah harmonisa arus menyebabkan
meningkatnya rugi-rugi tembaga yang dinyatakan dengan:

Rugi Tembaga Pcu =
I
n 1
2
n
Rn
(2)
Selain dari itu harmonisa juga dapat menyebabkan pemanasan lebih pada
isolasi, sehingga dapat mempersingkat umur penggunaan isolasi.
c. Mesin-Mesin Berputar (Rotating Machines)
Pada mesin-mesin berputar, harmonisa akan menimbulkan panas tambahan
sehingga menambah rugi-rugi tembaga dan besi, yang berpengaruh pada
efisiensi mesin.
58
Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan
d. Bank Kapasitor (Capasitor Banks)
Terjadinya distorsi tegangan menyebabkan rugi daya tambahan pada
kapasitor yang ditunjukkan oleh:
 C tan   V 

n 1
n
2
n
(3)
dimana tan δ = R/(1/ωC) adalah faktor rugi; ωn = 2πnf dan Vn adalah
tegangan root mean square (Vrms) harmonisa ke-n.
Pada frekuensi yang lebih tinggi, besar reaktansi dari kapasitor akan
menurun sehingga arus harmonisa yang mengalir ke kapasitor juga semakin
besar.
e. Pengaruh harmonisa pada peralatan konsumen
Peralatan elektronik pada konsumen juga dapat terpengaruh oleh
harmonisa.
a Pada televisi: harmonisa akan mempengaruhi nilai puncak tegangan
yang dapat berdampak perubahan pada ukuran gambar TV dan
kecerahan TV.
b Komputer: dapat mengganggu sistem pemrosesan data karena
tegangan supply terdistorsi.
c Terjadi kesalahan pada pembacaan di alat pengkukuran, contohnya
adalah kWH meter.
4. Pengujian Harmonisa Pada Lampu Hemat Energi
Pengujian ini menggunakan alat power quality analyser dengan
type Analyst 3Q buatan Lem Instrument-Austria. Analyst 3Q adalah alat
yang digunakan untuk menguji kualitas daya (Power Quality), yang dapat
digunakan pada sistem 3 phasa maupun 1 phasa.
Alat ini dapat digunakan untuk mengukur tegangan, arus, daya baik
aktif, reaktif maupun semu, frekuensi. Selain itu alat ini juga dapat
digunakan untuk mengukur harmonisa baik arus maupun tegangan hingga
orde ke-40.
Untuk pengukuran arus, alat ini menggunakan transformator arus
(CT), sehingga pada pengukuran arus alat ini dapat terpisah dari rangkaian
yang akan diukur.
59
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
Lampu yang akan diuji adalah empat jenis lampu hemat energi
dengan Watt yang berbeda-beda. Yaitu:
 Lampu A, 9 Watt.
 Lampu B, 14 Watt.
 Lampu C, 20 Watt.
 Lampu D, 26 Watt.
Dan sebagai perbandingan, juga dilakukan pengujian pada lampu pijar dan
lampu fluorescent dengan ballast konvensional.
Berikut ini adalah data-data hasil pengujian yang telah dilakukan
pada lampu hemat energi yang telah disebutkan di atas.
Tabel 1. Data THD Total dan THD Orde ke-3, 5, 7 Harmonisa Arus
THD (%)
No.
Merek
Watt
THDtot (%)
ke-3
ke-5
ke-7
1
A
9
97,1
71,4
40,4
34,2
2
B
14
97,5
68,6
40,5
37,2
3
C
20
98,2
84,7
60,9
42,8
4
D
26
98,4
82,1
56,6
40,2
Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa lampu hemat energi
menghasilkan harmonisa arus dengan THD yang besar sekali, khususnya
harmonisa ganjil dengan yang paling dominan adalah harmonisa orde ke-3.
Untuk lebih jelasnya dan untuk mengetahui besarnya harmonisa
ganjil berikutnya perhatikan contoh gambar di bawah ini.
60
Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan
Gambar 4. Contoh Data Hasil Pengujian Harmonisa Arus Pada Lampu A
Sebagai perbandingannya perhatikan gambar-gambar di bawah ini.
Gambar 5. THD Arus Pada Lampu Pijar
Pada gambar 5. di atas dapat dilihat bahwa harmonisa arus yang dihasilkan
lampu pijar adalah kecil sekali, yang paling besar hanya dengan THD 2 %,
yakni harmonisa orde ke-2.
61
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
Gambar 6. THD Arus Pada Lampu Fluorescent Ballast Konvensional
Besar THD harmonisa arus yang disebabkan lampu fluorescent
dengan ballast konvensional dapat dilihat pada gambar di atas. Harmonisa
arus yang dihasilkan umumnya adalah harmonisa ganjil dan yang paling
dominan adalah harmonisa ke-3, tetapi THD-nya masih jauh lebih kecil jika
dibanding pada lampu hemat energi.
5. Pengurangan Gangguan Harmonisa Yang Disebabkan Lampu
Hemat Energi
Dari data hasil pengujian, dapat dilihat bahwa THD yang
disebabkan harmonisa arus besar sekali. Harmonisa arus yang
menyebabkan THD yang besar adalah harmonisa ganjil. Hampir semua
lampu hemat energi ini menghasilkan THD yang disebabkan harmonisa
arus ini di atas 90 %. Hal ini tentunya akan menjadi sangat memprihatinkan
jika pada sebuah instalasi terdapat beban yang besar berupa lampu hemat
energi ini.
Dari data yang diperoleh, diketahui bahwa harmonisa arus yang
paling dominan atau yang menghasilkan THD paling besar adalah
harmonisa arus orde ke-3 dan kemudian diikuti harmonisa arus orde ke-5
dan kemudian harmonisa arus ganjil lainya.
Karena harmonisa arus yang menghasilkan THD paling besar pada
lampu hemat energi adalah harmonisa arus orde ke-3, maka di bawah ini
62
Harsono, Liem Ek Bien & Sudarno, Pengujian Harmonisa Dan Upaya Pengurangan Gangguan
akan dianalisa penggunaan suatu penyaring (filter) sederhana dengan
menggunakan rangkaian LC untuk menyaring harmonisa arus orde ke-3.
Penyaring (filter) yang digunakan adalah filter shunt (paralel) yang
berupa rangkaian LC saja dengan rangkaian seperti Gambar 7.
AC
L
Lampu
C
Gambar 7. Rangkaian Penggunaan Filter Pada Lampu Hemat Energi
Agar dapat menyaring harmonisa arus ke-3, besar induktansi induktor dan
kapasitansi pada kapasitor harus dihitung dan pada frekuensi harmonisa ke3 harus memenuhi syarat sebagai berikut:
XL = X C
(4)
Pada keadaan keadaan XL = XC dengan frekuensi 150 Hz ini,
impedansi di jaringan LC tersebut akan kecil sekali, sehingga arus dengan
frekuensi 150 Hz atau harmonisa arus orde ke-3 akan cenderung mengalir
melewati rangkaian LC tersebut, sehingga harmonisa arus orde ke-3 tidak
mengalir kembali ke sumber.
6. Kesimpulan
Penggunaan lampu hemat energi sebagai penerangan dapat
menghemat energi, tetapi sebaliknya penggunaan lampu hemat energi dapat
menyebabkan gangguan harmonisa arus yang besar sekali. Penggunaan
lampu hemat energi yang semakin meningkat dapat menyebabkan masalah
baru pada sistem tenaga listrik.
Lampu hemat energi menyebabkan harmonisa arus ganjil dengan
THD yang besar sekali, dan harmonisa arus yang paling dominan adalah
harmonisa arus orde ke-3.
63
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 1, Agustus 2004, Halaman 53-64, ISSN 1412-0372
Mengingat harmonisa yang disebabkan penggunaan lampu hemat
energi adalah harmonisa ganjil orde ke-3, maka pengurangan gangguan
harmonisa yang disebabkan lampu hemat energi dapat dilakukan dengan
menggunakan filter harmonisa ke-3.
Daftar Pustaka
1. Manumpil, Godfried Bastian. 2000. Pengurangan Harmonisa Pada
Sistem Distribusi Listrik. Jakarta: Universitas Trisakti.
2. Marsudi, Djiteng, Ir. 2002. Pengaruh Harmonisa Dalam Pasokan
Tenaga Listrik. Prosiding Seminar Kiat Menghadapi Krisis Energi
Listrik. Universitas Trisakti. Jakarta.
3. Sulistiyo, Tri Prabowo. 2003. Studi Harmonisa Pada Sistem Tenaga
Listrik. Skripsi tidak diterbitkan. Jakarta: Universitas Trisakti.
4. Sumani, Sambodho, Ir. 2002. Pengenalan Mutu Listrik. Prosiding
Seminar Electric Power Quality. STT-PLN. Jakarta
64