BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Harmonisa

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Teori Harmonisa
Dalam sistem tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan yang
disalurkan ke peralatan dan bentuk gelombang arus yang dihasilkan adalah
gelombang sinus murni terlihat bentuk ideal dari gelombang tegangan dan arus
pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Gelombang sinus arus dan tegangan
Harmonisa merupakan gangguan yang dalam distribusi tenaga listrik yang
disebabkan oleh adanya distorsi gelombang arus dan tegangan yang menyebabkan
adanya pembentukan gelombang-gelombang yang tidak sinusoidal atau dengan
frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Sehingga harmonisa
Universitas Sumatera Utara
dapat menyebabkan cacat gelombang atau cacat Harmonisa adalah perubahan
bentuk gelombang akibat adanya komponen frekuensi tambahan. Pada sistem
tenaga listrik frekuensi kerja normal adalah 50 Hz atau 60 Hz tetapi, dalam
aplikasi pemakaiannya berdasarkan beban yang digunakan frekuensi arus dan
tegangan dapat menjadi tidak normal atau menjadi kelipatan dari frekuensi normal
50/60 Hz, hal inilah yang disebut dengan harmonisasi.
Jika frekuensi (f) adalah frekuensi normal dari suatu sistem, maka
frekuensi orde n (1,2,3...n) adalah nf atau factor kelipatan dari frekuensi normal,
sehingga frekuensi dapat berubah menjadi 100 Hz, 150 Hz dan seterusnya.
Gelombang inilah yang kemudian menumpang pada gelombang normal sehingga
terbentuklah gelombang tidak sinusoidal yang merupakan hasil dari penjumlahan
antara gelombang normal sesaat dengan gelombang harmonisanya. seperti tampak
pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Bentuk gelombang dasar, harmonisa dan gelombang terdistorsi
Universitas Sumatera Utara
Harmonisa bisa muncul akibat adanya beban-beban non linier yang
terhubung ke sistem distribusi. Beban non linier ini umumnya adalah peralatan
elektronik yang di dalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor.
Komponen ini dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada
setiap siklus gelombang tegangan. Beberapa contoh beban non linier antara lain
: variable speed drive, UPS, komputer, printer, televisi, microwave oven,
lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast [7][8][9].
Keberadaan harmonisa arus dalam suatu sistem tenaga listrik memberikan
efek secara langsung maupun tidak langsung terhadap kualitas dan keandalan
sistem tersebut. Pada beberapa kasus, keberadaan harmonisa orde ketiga yang
dihasilkan oleh beban-beban satu fasa menyebabkan terjadinya ketidak
seimbangan aliran daya pada sistem tiga fasa sehingga arus pada kawat netral
yang seharusnya bernilai nol menjadi bernilai tertentu yang seringkali melebihi
kapasitas kawat tersebut. Pengaruh keberadaan harmonisa juga sangat tampak
pada peralatan-peralatan sistem tenaga listrik seperti generator, transformator,
motor, dan kapasitor. Selain itu umur pakai peralatan tersebut juga mengalami
penyusutan dikarenakan vibrasi dan temperatur operasi yang meningkat jauh lebih
tinggi
akibat
keberadaan
harmonisa
arus.
Pada
kapasitor,
harmonisa
menyebabkan reduksi kapasitas penyimpanan daya reaktif sehingga jelas lebih
baik proses koreksi terhadap faktor daya juga mengalami gangguan.
Universitas Sumatera Utara
Harmonisa berdasarkan dari urutan ordenya dapat dibedakan menjadi
harmonisa ganjil dan harmonisa genap, sesuai dengan namanya harmonisa ganjil
adalah harmonisa ke 1,3,5,7,9,11 dan seterusnya, perpaduan harmonisa ganjil
dengan harmonisa kosong adalah paling merugikan yaitu harmonisake 3,9,15 dan
seterusnya seperti pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Spektrum urutan orde harmonisa
Teori yang dipakai untuk memahami gelombang harmonisa adalah deret
Fourier, dimana deret Fourier dapat menunjukkan komponen genap dan
komponen ganjil, dan persamaan umum dari deretfourier dapat ditulis dengan
sistematis menggunakan Persamaan (2.1) berikut :
f (t) = A0 +
∞
𝑛=1
2𝜋𝑛𝑥
(An Cos ( 2𝜋𝑛𝑥
)
+
B
))......(2.1)
n Sin (
𝑇
𝑇
Universitas Sumatera Utara
Persamaan (2.1) di gunakan untuk gelombang yang berperiode
berkelanjutan dalam teori fourier hal- hal yang mengacu kepada Persamaan (2.1)
yaitu A0 (nilai rata – rata dari fungsi x (t), An dan Bn (koefisien deret) ketiga
koefisien tersebut dapat diturunkan seperti Persamaan (2.2),(2.3) dan (2.4).
𝑇
A0
1
= 𝑇2
𝑇
𝑓 𝑡 𝑑𝑡.................................................(2.2)
2
𝑇
An
2
= 𝑇2
𝑇
𝑓 𝑡 𝐶𝑜𝑠 𝑛𝑤𝑡 𝑑𝑡.................................(2.3)
𝑇
𝑇
Bn
2
= 𝑇2
𝑇
𝑓 𝑡 𝑆𝑖 𝑛𝑤𝑡 𝑑𝑡...................................(2.4)
2
dimana : n adalah indeks harmonisa
Banyaknya aplikasi beban non linier pada sistem tenaga listrik telah
membuat arus menjadi sangat terdistorsi dengan persentase harmonisa arus,
Tingginya persentase kandungan harmonisa arus Total Harmonic Distortion atau
disingkat dengan THD pada suatu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan
timbulnya beberapa persoalan harmonisa yang serius pada sistem kelistrikan,
menimbulkan berbagai macam kerusakan pada peralatan listrik yang sensitive dan
menyebabkan penggunaan energi listrik tidakteratur [10][11][12].
Universitas Sumatera Utara
2.2
Sumber Harmonisa
Harmonisa dihasilkan karena berbagai jenis penggunaan peralatan yang
memiliki kondisi saturasi, peralatan elektronika daya dan beban non-linier, yaitu
sebagai berikut [10]:
1. Peralatan yang memiliki kondisi saturasi biasanya memiliki komponen
yang bersifat magnetik seperti transformator, mesin-mesin listrik, tanur
busur listrik, peralatan yang menggunakan power supply dan magnetic
ballast.
2. Peralatan elektronika daya biasanya menggunakan komponenkomponen elektronika seperti tirystor, dioda, dan lain-lain. Contoh
peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya adalah
konverter PWM, Inverter, pengendali motor listrik, electronic ballast,
dan sebagainya.
3. Pada rumah tangga, beban non-linier terdapat pada peralatan seperti
Lampu Hemat Energi, Televisi, Video player, AC, Komputer dan
lainnya.
2.3
Pengaruh Penggunaan Peralatan Elektronika
Daya
Terhadap
Harmonisa
Rangkaian elektronika daya merupakan suatu rangkaian listrik yang dapat
mengubah sumber daya listrik dari bentuk gelombang tertentu seperti bentuk
Universitas Sumatera Utara
gelombang sinusoidal menjadi sumber daya listrik dengan bentuk gelombang lain
tidak sinusoidal dengan menggunakan piranti semi-konduktor daya. Semikonduktor daya memiliki peran penting dalam rangkaian elektronika daya. Semikonduktor daya dalam rangkaian elektronika daya umumnya dioperasikan sebagai
pensakelar
switching, pengubah converting, dan pengatur controlling sesuai
dengan unjuk kerja rangkaian elektronika daya yang diinginkan. Penggunaan
peralatan elektronika daya juga dapat merusak kualitas tegangan dan arus sistem
pada titik-titik tertentu di jaringan sistem tenaga.Pada titik- titik tersebut
ditemukan komponen tegangan dan arus dengan frekuensi-frekuensi kelipatan dari
frekuensi fundamental, sehingga menimbulkan harmonisa [12][13].
Dalam analisis harmonik, beberapa indeks Persamaan (2.5) dan (2.6) yang
digunakan untuk melukiskan pengaruh harmonisa pada komponen sistem tenaga
listrik.
∞ 𝑉2
ℎ =2 ℎ
THD tegangan : THDV
=
𝑉1
X 100%...............(2.5)
∞ 𝐼2
ℎ =2 ℎ
THD arus : THDi =
𝐼1
X 100%.......................(2.6)
Persamaan (2.5) dan (2.6) didefinisikan sebagai perbandingan nilai rms
komponen harmonik terhadap komponen dasar dalam (%). Indeks ini digunakan
untuk mengukur penyimpangan deviation dari bentuk gelombang satu periode
Universitas Sumatera Utara
yang mengandung harmonik pada satu gelombang sinus sempurna. Untuk satu
gelombang sinus sempurna pada frekuensi dasar THD adalah nol. Demikian pula
pengukuran distorsi harmonik individual untuk tegangan dan arus pada orde ke h
didefinisikan sebagai Vh/V1 dan Ih/I1 [13].
Harmonik yang dihasilkan untuk meningkatkan jumlah beban non linier
seperti yang dijelaskan dibawah ini:
1. Ketika tegangan sistem linier tetapi beban non-linier, saat akan
terdistorsi dan menjadi non-sinusoidal. Arus yang sebenarnya akan
menjadi lebih tinggi dari arus yang akan diukur oleh ammeter atau alat
ukur lainnya pada frekuensi dasar.
2. Ketika sistem suplai itu sendiri mengandung harmonisa dan tegangan
sudah terdistorsi, beban linier akan menghadapi beban harmonik
tegangan tersebut dan menarik arus harmonik terhadap sistem dan
menghasilkan urutan harmonisa arus yang sama.
3. Bila tegangan sistem dan beban keduanya non-linier (suatu kondisi
yang lebih umum) tegangan harmonik akan memperbesar
dan
harmonik tambahan akan dihasilkan, sesuai dengan linieritas non-of
beban dan karenanya akan lebih mindistorsi bentuk gelombang
tegangan sudah terdistorsi.
Universitas Sumatera Utara
2.4 Standar Distorsi Harmonisa IEC
Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang
dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur
batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun tiga fasa yang nilai arusnya
lebih kecil dari 16 amper perfasa. Untuk beban beban tersebut umumnya digunakan
standar IEC 61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang
dihasilkan oleh IEEE. Pada standar IEC 61000-3-2, beban beban kecil tersebut
diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D, dimana masing masing kelas mempunyai
batasan harmonisa yang berbeda beda yang dijelaskan sebagai berikut [8],[9] :
1).
Kelas A menyangkut semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan
penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16
amper perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain
dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan
untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana
batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A
Arus Harmonisa Maksimum
yang di izinkan (A)
Harmonisa ke (n)
Harmonisa Ganjil
3
5
7
9
11
13
2,3
1,14
0,77
0,4
0,33
0,21
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1. (sambungan)
15≤ 𝒏 ≤ 𝟑𝟗
2
4
6
𝟖 ≤ 𝒏 ≤ 𝟒𝟎
2).
2,25/n
Harmonisa Genap
1,08
0,43
0,3
1,83/n
Kelas B meliputi semua peralatan tool portable dimana batasan arus harmonisanya
merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat dimana
batasan arus harmonisanya diperlihatkan Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B
Arus Harmonisa Maksimum
yang di izinkan (A)
Harmonisa ke (n)
Harmonisa Ganjil
3
5
7
9
11
13
15≤ 𝒏 ≤ 𝟑𝟗
2
4
6
𝟖 ≤ 𝒏 ≤ 𝟒𝟎
3).
3,45
1,17
1,155
0,6
0,495
0,315
3,375/n
Harmonisa Genap
1,62
0,645
0,45
2,76/n
Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya input
aktifnya lebih besar 25 Watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk
Universitas Sumatera Utara
persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk
masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C
Harmonis ke (n)
2
3
5
7
9
11≤ 𝒏 ≤ 𝟑𝟗
Arus harmonisa maksimum yang
diizinkan (% fundamental)
2
30 x pf
10
7
5
3
4). Kelas D termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 Watt khusus-nya
personal komputer, monitor, TV. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk
mA/W dan dibatasi pada harga absolut yang nilainya diperlihatkan oleh Tabel 2.4
Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D
Harmonisa ke (n)
3
5
7
9
11
13
15≤ 𝒏 ≤ 𝟑𝟗
Arus Harmonisa Maksimum
yang diizinkan (mA/W)
75< P < 600 W
3,4
1,9
1
0,5
0,35
0,296
3,85/n
Arus Harmonisa Maksimum
yang diizinkan (A)
P > 600 W
2,3
1,14
0,77
0,4
0,33
0,21
2,25/n
Universitas Sumatera Utara
2.5.
X Ray (X-Ray )
X-Ray adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
antara 10-9 sampai 10-8 m (0,1-100 A). Berarti peralatan X-Ray ini mempunyai
panjang gelombang yang jauh lebih pendek dari pada cahaya tampak, sehingga
energinya lebih besar. Besar energinya dapat ditentukan dengan menggunakan
Persamaan (2.7) sebagai berikut:
E=
ℎ𝑐
λ
............................................... (2.7)
E = energi (Joule)
h = konstanta plank (6,627 x 10-34 J.s)
c = kecepatan cahaya (3.108 m/detik)
λ = panjang gelombang (m/A)
Gelombang elektromagnetik terdiri atas radio, inframerah, ultraviolet, X-Ray dan
sinar gamma. X-Ray mempunyai sifat umum seperti dibawah ini [14]:
1. Daya tembus
X-Ray dapat menembus bahan atau massa yang padat dengan daya tembus
yang sangat besar. Semakin kecil panjang gelombang X-Ray, makin besar
daya tembusnya.
Universitas Sumatera Utara
2. Pertebaran
Apabila berkas X-Ray melalui suatu bahan atau suatu zat, maka berkas
Sinar tersebut akan mengalami pertebaran keseluruh arah, menimbulkan
radiasi sekunder (radiasi hambur) pada bahan atau zat yang dilalui.
3. Penyerapan
X-Ray akan diserap oleh bahan atau zat sesuai dengan berat atom atau
kepadatan bahan atau zat tersebut. Makin tinggi kepadatannya atau berat
atomnya makin besar penyerapannya.
4.
Efek Ionisasi
Efek Ionisasi disebut juga efek primer dari X-Ray yang apabila mengenai
suatu bahan atau zat dapat menimbulkan ionisasi pada partikel-partikel
atau zat yang dilaluinya.
5. Efek biologi
X-Ray akan menimbulkan perubahan-perubahan biologi pada jaringan.
Efek biologi ini yang dipergunakan dalam pengobatan radioterapi.
2.6.
Proses Terjadinya X-Ray (Sinar –X)
Bagian X-Ray yang menjadi sumber radiasi adalah inserasi yang terdapat
dalam wadah tabung X-Ray. Model tabung insersi beserta bagian-bagaiannya dari
suatu X-Ray di tujukan pada Gambar 2.4 Tabung X-Ray.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4. Tabung X-Ray
Di dalam tabung insersi terdapat filamen yang juga sebagai katoda dan
target yang juga sebagai anoda. Tabung X-Ray dibuat hampa udara agar elektron
yang berasal dari filamen tidak terhalang oleh molekul udara dalam perjalanannya
menuju anoda. X-Ray terjadi apabila pada filamen dialirkan arus listrik yang
cukup besar maka filamen menjadi berpijar sehingga elektron dalam terlepas dari
atom filamen dan membentuk kabut elktron di sekitar filamen.
Jika antara katoda dan anoda diberi beda potensial yang tinggi maka
elektron dalam elektron ini disebut arus tabung. Apabila arus elektron menumbuk
target di anoda, pada X-Ray
konvensional, elektron tersebut sebagai besar akan
berubah bentuknya menjadi energi lain yaitu panas sedangkan sebagian kecil
sekitar 1 % akan berubah menjadi X-Ray [15].
Universitas Sumatera Utara
2.7.
Komponen Utama X-Ray
X-Ray atau Rontgen adalah suatu alat yang digunakan untuk melakukan
diagnosa medis dengan menggunakan X-Ray. X-Ray
yang dipancarkan dari
tabung insersi diarahkan pada bagian tubuh yang akan didiagnosa. Berkas X-Ray
tersebut akan menembus dan melewati bagian tubuh kemudian akan ditangkap
oleh film, sehingga terbentuk citra dari bagian tubuh yang disinari sebagaimana
ditunjukan pada Gamabar 2.5. X-Ray.
Gambar 2.5. X-Ray
Komponen utama X-Ray adalah:
1. Tabung Inserse
2. Wadah Tabung
3. Generator
4. Kolimator
Universitas Sumatera Utara
Peralatan X-Ray mempunyai sejumlah komponen yang menata kembali,
mengendalikan, dan menyimpan energi listrik sebelum digunakan ke tabung XRay. Komponen-komponen tersebut secara kolektif dinyatakan sebagai catu daya
atau pembangkit (generator) fungsi utama dari generator adalah untuk menjadikan
operator dapat mengendalikan 3 (tiga) parameter kuantifikasi yaitu memiliki
fungsi sebagai berikut:
1. Menaikkan tegangan listrik (menghasilkan kV)
2. Mengkonversikan arus listrik bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC)
3. Mengubah bentuk gelombang (filter)
4. Menyimpan energi (untuk X-Ray mobile)
5. Mengendalikan tegangan tabung (kilovoltage-kV)
6. Mengendalikan arus tabung (milliampere-mA)
7. Mengendalikan waktu paparan (exposure time)
Komponen lainnya adalah Kolimator yang merupakan salah satu bagian
dari X-Ray yang memiliki fungsi untuk pengaturan besarnya ukuran radiasi. Pada
Gambar 2.6 Kilometer X-Ray ini memiliki beberapa komponen yaitu lampu
kolimator, plat timbal pembentuk lapangan, meteran untuk mengukur jarak dari
fokus ke detektor atau ke film, tombol untuk menghidupkan lampu kombinasi,
dan filter aluminium (AI) dan tembaga (Cu) sebagai filter tambahan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6. Kilomator X-Ray
Selain ke-empat komponen diatas juga terdapat komponen lain yang tak
kalah pentingnya dalam beroperasinya X-Ray yaitu, sistem kontrol yang berfungsi
mengatur dan mengendalikan operasi peralatan X-Ray dalam menghasilkan
kuantitas dan kualitas X-Ray, meja pasien, bucky, film dan tiang penyangga
tabung. Pengaturan tegangan melalui trafo variabel atau auto transformator.
Keluaran trafo variabel berupa tegangan rendah 120 Volt sampai 240 Volt.
Tegangan hasil seting ini masuk ke dalam lilitan primer trafo High Voltage (HV)
dan keluarannya dari HV berupa tegangan tinggi pada display. Nilai tegangan
hasil seting yang ditampilkan pada display merupakan tegangan kerja tabung
untuk menghasilkan X-Ray [15][16].
Pengaturan arus tabung (mA kontrol) yang masuk ke tabung akan
memanaskan filamen sehingga menghasilkan elektron cepat (elektron yag
bergerak dari katoda ke anoda). Besar kecil arus yang masuk harus diatur untuk
Universitas Sumatera Utara
menentukan intensitas X-Ray yang dikeluarkan oleh tabung. Arus hasil seting itu
elektron. Nilai arus hasil seting yang ditampilkan pada display merupakan besaran
arus tabung untuk menghasilkan X-Ray.
Pengaturan waktu paparan (timer) waktu eksposi ditentukan oleh timer
pada peraalatan X-Ray konvensional digunakan timer dengan sistem mekanik.
Ketetapan sistem mekanik biasanya kurang karena adanya gesekan gesekan yang
menghambat kerja timer, sehingga tingkat presisinya rendah. Hal ini akan
mempengaruhi hasil X-Ray yang dikeluarkan tabung. Panel kontrol harus sesuai
dengan penyinaran X-Ray
secara otomatis sudah beberapa waktu tertentu atau
secara otomatis pada keadaan apapun dengan menggerakan kembali panel
kontronya. Apabila pengatur waktu yang secara mekanis tersedia, penyinaran
yang diulang tidak dimungkinkan tanpa pengaturan kembali waktu penyinaran.
Pengaturan waktu (timer) harus mampu menghasilkan kembali waktu penyinaran
yang singkat secara tepat dengan selang waktu maksimum yang tidak lebih dari 5
detik. Alat penyinaran harus dibuat sebaik mungkin, sehingga penyinaran
tambahan tidak terjadi [15].
2.8.
Pengaruh kuat arus listrik sumber X-Ray
Kenaikan arus listrik yang diberikan pada tabung X-Ray akan
menyebabkan kenaikan jumlah pelepasan elektron dari filamen yang akan
Universitas Sumatera Utara
menumbuk sasaran. Hal ini menyebabkan kenaikan intensitas X-Ray yang
dihasilkan oleh sumber tanpa mcngubah pola distribusi X-Ray yang dihasilkan.
Oleh sebab itu kenaikan kuat arus ini akan menaikan cacah X-Ray karakteristik
(antara kuat arus dengan cacah X-Ray karakteristik mcmbcrikan hubungan tinier).
pemakaian kuat arus listrik sumber semakin tinggi dan tegangan listrik 20 kV
akan
menaikkan deviasi hasil pengukuran. Sehingga sensitifitas pengukuran
meningkat dengan menggunakan kuat arus listrik semakin tinggi seperti Gambar
2.7.
Gambar 2.7. Pengaruh kuat arus lislrik sumber X-Ray terhadap luas puncak
X-Ray karakteristik [2].
Untuk dapat menghasilkan suatu pencitraan X-Ray diperlukan beberapa
instrumetasi yang baku sebagai berikut :
1.
Tabung X-Ray
Tabung X-Ray berisi filament yang juga sebagai katoda dan berisi anoda. Filamen
terbuat dari tungsten, sedangkan anoda terbuat dari logam anoda (Cu, Fe
Universitas Sumatera Utara
atau Ni). Anoda biasanya dibuat berputar supaya permukaannya tidak lekas
rusak yang disebabkan tumbukan elektron.
2.
Transformator Tegangan Tinggi
Trafo tegangan tinggi berfungsi pelipat tegangan rendah dari sumber
menjadi tegangan tinggi antara 30 kV sampai 100 kV. Pada trafo tegangan
tinggi diberi minyak sebagai media pendingin. Trafo tegangan tinggi
berfungsi untuk mempercepat elektron di dalam tabung [16].
2.9. Filter Harmonisa
Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu
frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter
harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber
harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan
sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat
mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya
sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya
meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada
beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban non- linier
[17] diantaranya:
Universitas Sumatera Utara
a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat terutama pada daerah yang
dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa
terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b. Penggunaan filter aktif.
c.
Kombinasi filter aktif dan pasif.
d. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.
Disamping sistem diatas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa tetapi
juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan
faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung
harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan
membesar, proses ini mengakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang
dipasang dengan induktor sistem [13].
2.10. Filter Pasif
Untuk meredam harmonisa dalam sistem tenaga, maka kita perlu
menggunakan filter harmonisa yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter pasif terdiri
dari induktansi, kapasitansi, dan unsur-unsur tahanan untuk mengendalikan
harmonisa lihat Gambar 2.8. Teknik filter pasif yang menggunakan double tuned
filter atau Type-C filter yang memiliki impedansi yang rendah untuk arus
Universitas Sumatera Utara
harmonisa pada frekuensi tertentu atau frekuensi tinggi atau band-pass filter dapat
memfilter harmonisa di atas frekuensi tertentu frequency bandwidth.
Gambar 2.8. Model filter pasif
Filter pasif secara ekonomi relatif murah dibandingkan dengan metoda
lain untuk meredam distorsi harmonisa. Bagaimanapun, mereka mempunyai
kelemahan atau kerugian karena berpotensi saling berinteraksi dengan sistem
tenaga, dan penting sekali untuk menganalisa semua interaksi sistem yang
mungkin terjadi saat mereka dirancang. Filter pasif bekerja sangat efisien bila
filter tersebut dipasang dilokasi pembangkit harmonisa (beban non linier).
Frekuensi resonansi harus dihindari dari setiap harmonisa atau pada frekuensi
harmonisa lain yang dihasilkan oleh beban. Filter umumnya di tuning lebih rendah
dari frekuensi harmonisa untuk keamanan sistem. Rancangan filter fasif harus
mempertimbangkan perkembangan sumber arus harmonisa atau konfigurasi dari
Universitas Sumatera Utara
beban sebab akan menyebabkan beban lebih yang dapat berkembang menjadi
panas yang berlebihan. Perancangan filter pasif memerlukan suatu pengetahuan
yang tepat dari beban pembangkit harmonisa pada sistem tenaga. Banyak simulasi
yang dilakukan untuk menguji kriteria di bawah kondisi beban yang berubah
sesuai topologi jaringan tersebut [13][18]:
1. Double tuned filter adalah filter harmonisa yang terdiri 2 buah single
tuned filter yang digunakan untuk mengurangi harmonisa 2 buah orde
harmonisa diantara orde harmonisa yang ada. Didalam perhitungan
penentuan nilai L dan C mengacu pada 2 buah orde harmonisa tersebut.
2. Third-orde filter adalah jenis filter high pass yang digunakan hanya
melewatkan frekuensi diatas frekuensi cut-off juga. Third-orde high-pass
filter adalah filter frekuensi tinggi yang lebih efektif dalam filter, tetapi
memiliki rugi-rugi daya yang lebih besar dibanding second-orde high-pass
filter.
Filter pasif selalu menyediakan kompensasi daya reaktif sampai batas
tertentu sesuai besar Volt-Ampere dan tegangan dari bank kapasitor yang
digunakan, mereka dapat dirancang untuk dua tujuan yaitu sebagai filter dan
kompensasi faktor daya yang diinginkan. Jika saringan lebih dari satu digunakan
sebagai contoh, sebuah double tuned filter untuk harmonisa ke 5 dan sebuah lagi
untuk harmonisa ke 7, atau harmonisa ke 11 dan ke 13. yang terpenting yang perlu
Universitas Sumatera Utara
diingat bahwa filter pasif menyediakan kompensasi daya reaktif. Filter pasif
merupakan suatu kombinasi rangkaian seri sebuah induktansi dan sebuah
kapasitansi. Pada kenyataannya, tidak ada sebuah resistor yang secara fisik
dipasang, tapi dalam perhitungan resistor selalu ada dalam rangkaian seri, tahanan
dalam dari reaktor yang terhubung secara seri terkadang menimbulkan panas yang
berlebih pada filter. Semua arus harmonisa pada frekuensi bersamaan dengan
tuned filter akan didapat impedansi rendah yang melalui filter tersebut.
2.11. Single-tuned passive filter
Merancang single-tuned passive filter adalah kombinasi seri induktansi
dan kapasitansi. Pada kenyataannya, dengan tidak adanya resistor secara fisik
dirancang, akan ada selalu menjadi hambatan seri, yang merupakan resitensi
intrinsik dari reaktor seri kadang-kadang digunakan sebagai sarana untuk
menghindari overheating filter. Semua frekuensi harmonik arus yang bertepatan
dengan filter single-tuned akan menemukan jalur impedansi rendah melalui filter
[13].
a. Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam
bentuk segitiga daya seperti Pada Gambar 2.9:
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9. Vektor segitiga daya untuk menentukan kebutuhan daya reaktif Q [18]
Kebutuhan daya reaktif dapat dihitung dengan pemasangan kapasitor
untuk memperbaiki faktor daya beban. Komponen daya aktif (P) umumnya
konstan, daya Semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya
beban pada Persamaan (2.8):
Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) x tan φ.............................(2.8)
Dengan merujuk vektor segitiga daya pada gambar 2.9 maka daya reaktif dapat
dituliskan pada Persamaan (2.9) dan (2.10):
Daya reaktif pada PF awal yaitu :
Q1 = P x tan φ1 ......................................................................(2.9)
Daya reaktif pada PF diperbaiki yaitu :
Q2 = P x tan φ2 ....................................................................(2.10)
Menentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya reaktif
untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor pada Persamaan (2.11):
Universitas Sumatera Utara
𝑄𝑐 = 𝑃 𝑡𝑎𝑛 𝑐𝑜𝑠 −1 𝑝 𝑓1 𝑡𝑎𝑛 𝑐𝑜𝑠 −1 𝑝 𝑓2 ...........(2.11)
dimana :
P = beban (kW)
𝑝𝑓1 = faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki
𝑝𝑓2 = faktor daya setelah diperbaiki
b.
Menentukan Reaktansi kapasitor pada Persamaan (2.12):
𝑋𝑐 =
c.
Menentukan kapasitansi dari kapasitor pada Persamaan (2.13):
C=
d.
1
2 𝜋 𝑓𝑜 𝑋𝑐
𝑋
= 2𝑐
ℎ
..........................................................................(2.14)
𝑛
Menentukan Induktansi dari Induktor pada Persamaan (2.15):
L=
f.
.....................................................................(2.13)
Menentukan Reaktansi Induktif dari Induktor pada Persamaan (2.14):
𝑋𝐿
e.
𝑉2
.........................................................................(2.12)
𝑄𝑐
𝑋𝐿
2 𝜋 𝑓𝑜
......................................................................... (2.15)
Menentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning pada
Persamaan (2.16):
𝑋𝑛 = ℎ𝑛 𝑋𝐿 ..................................................................(2.16)
Universitas Sumatera Utara
g.
Menentukan Tahanan (R) dari induktor pada Persamaan (2.17):
R =
𝑋𝑛
𝑄
..............................................................................(2.17)
Atau
Ra =
2𝜋 × 𝑓 × 𝑛 × 𝐿𝑎
𝑄
dan Rb =
2𝜋 × 𝑓 × 𝑛 × 𝐿𝑏
𝑄
..(2.18)
2.12 Double Tuned Filter
Double tuned passive filter mempunyai nilai impedamsi yang kecil jika
frekuensinya besar. Sehingga filter ini harus mempertimbangkan parameter
kaitannya dengan frekuensi harmonisa. Bebarapa aspek berkaitan dengan faktor
kualitas pada single tuned filter yaitu:
1. Tahanan R pada filter harmonisa single tuned filter adalah nilai tahanan
dari kumparan reaktor.
2. Tahanan R dapat juga digunakan untuk setiap faktor kualitas dari filter dan
menyediakan suatu cara untuk mengendalikan jumlah arus harmonisa yang
diinginkan yang melaluinya.
3. Besar nilai Q menyiratkan mengenai frekuensi resonansi filter dan oleh
karena itu filter dilakukan pada nilai paling besar dari frekuensi harmonisa.
Gambar 2.10 menunjukkan gambar rangkaian ekivalen Double tuned filter
yang terdiri dari dua buah single tuned filter dihubung paralel.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10. Double tuned passive filter [19]
Single tuned filter yang terdiri dari kapasitor (C) dihubung seri dengan
induktor (L) dan tahanan (R). Penggunaan double tuned filter yaitu[ 19][20]:
1. Biasanya digunakan pada High Voltage Direct Current (HVDC) stasiun
modern pada sistem tegangan tinggi dimana kapasitor utama C1 lebih
besar agar lebih mudah untuk mengoptimalkan biaya /kVAR.
2. Menurunkan pembangkitan daya reaktif di cabang transmisi tenaga yang
lebih rendah.
Universitas Sumatera Utara
3. Masing-Masing
filter pada dua harmonisa untuk mengurangi filter
cabang dan rugi-rugi filter. Karakteristik impedansi terhadap frekuensi
harmonisa dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11. Karakteristik impedansi double tuned passive filter
Dari Gambar 2.11 terlihat impedansi paling rendah kondisi sekitar harmonisa orde
ke 11 dan 13 yaitu pada frekuensi 550 dan 650 Hz. Jika Pada frekuensi tersebut
parameter filter tidak diperhatikan maka akan mengakibatkan sistem mengalami
beban besar atau hubung singkat. Setiap filter memiliki kelebihan dan kelemahan
dalam melakukan peredaman harmonisa pada sistem.
Kelebihan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Terjadi resonansi pada impedansi yang sangat rendah.
2. Sangat effisien pada daerah frekuensi yang sempit.
Universitas Sumatera Utara
3. Single tuned filter secara normal mampu mengeliminasi frekuensi
harmonisa yang paling besar yaitu harmonisa ke 11 dan 13.
4. Lebih sensitif terhadap tuning yang tidak tepat.
5. Dengan memberikan kapasitor utama yang besar maka kerja filter lebih
optimal dan menurunkan biaya kVAR.
6. Double tuned filter merupakan model filter yang sederhana, dengan
criteria yang baik.
Kelemahan dari double tuned passive filter yaitu:
1. Membutuhkan kVAR yang tinggi untuk mencapai performance yang sama
seperti single tuned filter.
2. Terjadi rugi-rugi daya tambahan pada resistor yang dipasang.
Langkah merancang double tuned passive filter yaitu:
a. Menentukan nilai kapasitansi ΔQ untuk memperbaiki faktor daya,
perbaikan faktor daya umumnya sekitaran 0,95 atau lebih tinggi lagi pada
Persamaan (2.19):
ΔQ = P(tan φ awal – tan φ target).............................(2.19)
b. Menghitung reaktansi kapasitor pada frekuensi fundamental yaitu pada
Persamaan (2.20) :
XC1 =
𝑉2
∆𝑄
..................................................................(2.20)
Universitas Sumatera Utara
Sehingga C1 diperoleh pada Persamaan (2.21) :
C1 =
1
..........................................................(2.21)
2𝜋𝑓𝑥 𝑐
Selanjutnya daya reaktif Qc dibagi untuk orde 3 dan 5 yaitu Qa dan Qb
dengan demikian nilai reaktansi masing-masing orde harmonisa menjadi
pada Persamaan (2.22):
XCa =
𝑉2
∆𝑄𝑎
dan XCb =
𝑉2
∆𝑄𝑏
................................(2.22)
Nilai kapasitor yaitu pada Persamaan (2.23) :
Ca =
1
2𝜋𝑓𝑋𝐶 𝑎
dan
Cb =
1
2𝜋𝑓𝑋𝐶 𝑏
...................(2.23)
Sehingga pada Persamaan (2.24) :
C1 = Ca + Cb ...........................................................(2.24)
c. Menghitung nilai reaktor yang digunakan untuk meredam harmonisa ke-n
pada Persamaan (2.25):
XL =
𝑋𝐶
𝑛2
.................................................................(2.25)
Universitas Sumatera Utara
Dengan demikian nilai XL untuk orde 3 (XLa) dan orde 5 (XLb)
masingmasing yaitu pada Persamaan (2.26):
XLa =
𝑋𝐶𝑎
𝑋𝐶 𝑏
dan XLb =
....................................(2.26)
𝑛2
𝑛2
Nilai induktansi masing-masing orde harmonisa yaitu pada Persamaan
(2.27):
La =
𝑋𝐿 𝑎
2𝜋𝑓𝑛
dan Lb =
𝑋𝐿 𝑏
2𝜋𝑓𝑛
..............................(2.27)
Sehingga diperoleh nilai L1 pada rangkaian ekivalen double tuned yaitu
pada Persamaan (2.28) berikut[21]:
L1 =
𝐿𝑎 𝐿𝑏
𝐿𝑎 +𝐿𝑏
.........................................................(2.28)
d. Menghitung tahanan reaktor untuk menentukan nilai faktor kualitas Q,
dimana pada Persamaan (2.29) dan (2.30):
R=
𝑋𝑛
..................................................................(2.29)
𝑄
Atau
Ra =
2𝜋 × 𝑓 × 𝑛 × 𝐿𝑎
𝑄
dan Rb =
2𝜋 × 𝑓 × 𝑛 × 𝐿𝑏
𝑄
...........(2.30)
Universitas Sumatera Utara
Menentukan nilai tahanan R1 yaitu pada Persamaan (2.31):
R1 =
2𝜋 × 𝑓 × 𝐿1
𝑄
.............................................................(2.31)
dan nilai Q diambil sebesar 100 untuk menentukan nilai R2 dari rangkaian
ekivalen double tuned yaitu pada Persamaan (2.32):
R2 = Ra
Rb
e.
𝑎 2 ( 1−𝑋 2 )
(1+𝑎𝑥 )2 (1+𝑥 2 )
𝑎(1−𝑎)( 1−𝑋 2 )
− Rb
( 1−𝑋 2 )
(1+𝑎𝑥 )2 (1+𝑥 2 )
+
..............................................(2.32)
(1+𝑎𝑥 )2 (1+𝑥 2 )
Menentukan kapasitas C2 yaitu pada Persamaan (2.33):
𝐶𝑎 𝐶𝑏 𝐶𝑎 +𝐶𝑏 (𝐿𝑎 +𝐿𝑏 )2
C2 =
......................................(2.33)
( 𝐿𝑎 𝐶𝑎 −𝐿𝑏 𝐶𝑏 )2
f.
Besar L2 yaitu pada Persamaan (2.34):
L2 =
g.
( 𝐿𝑎 𝐶𝑎 −𝐿𝑏 𝐶𝑏 )2
(𝐶𝑎 +𝐶𝑏 )2 𝐿𝑎 +𝐿𝑏
................................................(2.34)
Menentukan R3 yaitu pada Persamaan (2.35):
R3 = -Ra
R1
𝑎 2 𝑋 4 ( 1−𝑋 2 )
(1+𝑎𝑥 )2 (1+𝑥 2 )
( 1−𝑋 2 )( 1−𝑎𝑋 2 )
( 1+𝑎𝑋 2 )2 (1+𝑥 2 )
+ Rb
( 1−𝑋 2 )
(1+𝑎𝑥 )2 (1+𝑥 2 )
+
........................................(2.35)
Universitas Sumatera Utara
Dimana nilai a dan nilai X yaitu pada Persamaan (2.36) dan (2.37):
𝐶
a = 𝐶𝑎 ...........................................................................(2.36)
𝑏
X
=
𝐿𝑏 𝐶 𝑏
𝐿𝑎 𝐶 𝑎
.................................................(2.37)
Universitas Sumatera Utara