Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum ISSN : 1693-752X STUDI ANALISA DISTORSI HARMONIK PADA UNIT KILN INDARUNG II PT. SEMEN PADANG Oleh: Zulkarnaini1, Dasman1, Michel A.A2 1 Dosen Program Studi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Padang 2 Mahasiswa Program Studi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Padang [email protected] Abstract Harmonisa yang ditimbulkan beban non linier dapat menyebar ke seluruh bagian sistem tenaga listrik. Harmonik merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat dioperasikannya beban listrik nonlinier, beban listrik nonlinier adalah beban listrik yang memiliki sifat menyimpang dari hukum Ohm, peralatan beban non linear seperti motor listrik, komputer, printer, inverter dan sebagainya. Tingkat harmonik yang melewati standar dapat menyebabkan terjadinya tingkat panas pada peralatan. Distorsi bentuk gelombang tegangan dan arus yang ditimbulkan akan menjadi potensi gangguan yang serius bagi peralatan supply maupun beban listrik yang terhubung secara bersama bila melebihi batas yang ditetapkan. Data THD diambil melalui software pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang . Pengelompokan beban atas tingkatan bus pada kasus ini dipandang cara yang cukup baik untuk mengamati perambatan harmonisa pada sistem. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis harmonik yang ada pada sistem kelistrikan Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang, Untuk menentukan tingkat harmonik tertinggi pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang, Dengan simulasi harmonik menggunakan software ETAP, data total harmonik distortion THDi bus incoming sebesar 64,15% yang dimana nilai tersebut sudah melebihi dari standar IEEE. Maka filter yang dipasang adalah filter tipe single tuned filter pada orde ke-3, orde ke-5, orde ke-7, ke-9, ke-11, ke-13, ke-15 dan ke-17. Setelah pemasangan filter harmonik diatas terjadi penurunan nilai THDi dari 64.15% menjadi 3.25%. Kata Kunci : Harmonik, THD, Filter. 1. PENDAHULUAN Pada dasarnya, gelombang tegangan dan arus yang ditransmisikan dan didistribusikan dari sumber ke beban berupa gelombang sinusoidal murni. Akan tetapi, pada proses transmisi dan distribusi ini terjadi berbagai macam gangguan sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal murni. Salah satu fenomena penyimpangan bentuk gelombang sinusoidal ini adalah distorsi harmonik. 1.2. Studi Literatur Secara umum, di Indonesia masalah kualitas daya belum sampai menjadi perhatian secara nasional dan detail, beberapa hal memang sudah cukup diperhatikan dari pengguna namun masih dalam kaitan tegangan rendah, tidak stabil atau pemadaman listrik. Padahal kualitas daya listrik bukan hanya masalah tegangan saja atau terputusnya catuan tetapi menyangkut karakteristik parameter kelistrikannya seperti arus dan frekuensi dan kaitannya dengan harmonik, arus bocor, tegangan transient, DOI 10.21063/JM.2017.V19.1.40-46 © 2017 ITP Press. All right reserved. sag/dips, surge, swell, ripple, noise, dan lain sebagainya yang dapat merusak peralatan dan mengurangi umur perangkat/device. Sebelum era elektronika modern, sumber daya listrik dimaksudkan untuk memberikan energi listrik pada beban lampu pijar, pemanas, penyearah dengan dioda, dan sebagainya. Beban tersebut tidak mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi, dan bentuk gelombang, artinya bentuk tidak berubah (tetap) maka beban demikian disebut beban linier. Seiring dengan perkembangan teknologi elektronika, teknologi sistem konversi dan kontrol, bebanbeban sumber daya listrik ternyata ada yang mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus, frekuensi dan bentuk gelombang, artinya bentuk gelombang berubah atau cacat, beban yang mengakibatkan hal ini disebut beban non linier. Ada beberapa penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya oleh beberapa peneliti yang terus berkembang dalam kajian penyebab harmonik dan penggunaan filter harmonik. Mark Mc G. (2009) Filter aktif bisa memiliki aplikasi yang luas untuk 40 Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum mengendalikan harmonik arus dari beban. yang tidak liner. Kinerja yang terbaik diperoleh untuk beban seperti Pulse Width Wave Modulatiom (PWM) dan Alternating Speed Divices (ASDs), dimana gelombang tidak memiliki perubahan yang rumit untuk filter aktif.Transien switching kapasitor bisa juga menyebabkan kelebihan beban dari dioda parallel di inverter. Perangkat lain di pelanggan juga dapat memiliki masalah dengan transien. Filter harmonik telah menjadi alternatif untuk mengendalikan tingkat harmonik dalam industri dan fasilitas komersial. Bila terjadi superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi harmonik maka terbentuklah gelombang yang terdistorsi sehingga bentuk gelombang tidak lagi sinusoidal. Fenomena ini disebut dengan distorsi harmonik. Berdasarkan pemparan diatas analisa ini bertujuan untuk mempelajari kondisi harmonik pada suatu sisitem kelistrikan serta mengaplikasikan suatu filter harmonik berbasis simulasi dan program pada suatu system kelistrikan ini. Maka dari itu penilitan ini kami beri judul “Analisa Perancangan Filter Harmonik Pada Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang Menggunakan Program ETAP. ISSN : 1693-752X Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmoniknya. Gambar 2 dan 3.menunjukkan komponen gelombang sinus fundamental dan komponen harmonik yang terkandung didalamnya. Gambar 2. Gelombang fundamental dan gelombang harmonik ke-3 berbeda fasa 180o, serta bentuk gelombang fundamental yang terdistorsi olehharmonik ke-3 Gambar 3. Gelombang fundamental dan gelombang harmonik yang ke-3 berbeda fasa 0°, serta bentuk gelombang fundamental yang terdistorsi oleh harmonik ke-3. 1.3 Landasan Teori Harmonisa merupakan suatu fenomena yang terjadi akibat dioperasikannya beban listrik nonlinier, beban listrik nonlinier adalah beban listrik yang memiliki sifat menyimpang dari hukum ohm. Beban non linier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, yang dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan Prasetyadi, Willy dkk (2012) Fenomena ini akan menimbulkan ganggguan beban tidak linier satu phase. Hal di atas banyak terjadi pada distribusi yang memasok pada areal perkantoran/komersial. Sedangkan pada areal perindustrian gangguan yang terjadi adalah beban non linier tiga phase yang disebabkab oleh motor listrik, kontrol kecepatan motor, batere charger, electroplating, dapur busur listrik, dll. Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan akibat yang berbeda. Namun demikian komponen tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase. Gambar 1. Konsep dasar gelombang harmonik 41 Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum Pada keadaan normal, arus beban setiap phase dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier satu phase akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga yang disebut triplen harmonik (harmonik ke3, ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang sering disebut zero sequece harmonik (lihat Tabel.1). Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari satu phase. harmonisa terhadap sinyal sinus. Pengaruh keseluruhan harmonisa diperbandingkan terhadap komponen fundamental, karena komponen fundamentalah yang memberikan transfer energi nyata. Untuk tegangan nonsinus, THD didefinisikan sebagai berikut Karena begitu besar dan bervariasi dampak harmonisa pada peralatan dan sistem secara teknis dan ekonomis maka diperlukan standarisasi harmonisa. Standar yang mengatur distorsi harmonisa ini adalah standar IEEE 512-1992, standar ini mengatur batasan harmonisa yang diijinkan. Total harmonik distorsion (THD) THD tegangan : 1. Kuantitas Listrik pada Kondisi Tidak Sinusoidal Jika harmonik dalam keadaan mantap (Steady state), maka tegangan dan arus dapat direpresentasikan oleh deret Fourier sebagai berikut: v(t ) v h (t ) = h 1 i (t ) ih (t ) = h 1 h 1 h 1 𝑇𝐻𝐷𝑖 = 2 I h sin( hw0 t h ), ...2 ....4 Jika persamaan (1) dan (2) disubsitusikan dengan persamaan (3) dan dengan menggunakan relasi orthogonal, i j (t )dt 0,.i j ,.i j , h i h 1 ................7 : 2 √∑∞ ℎ=2 𝐼ℎ 𝑇𝐷𝐷 = 𝐼1 𝑥 100% ...............8 2 √∑∞ ℎ=2 𝐼ℎ 𝐼𝐿 ....9 Dengan IL adalah permintaan arus beban maksimum, dalam 15 atau 30 menit dalam frekuensi dasar pada titik sambung. Standar Harmonik IEEE 519-1992 Standar IEEE 519-1992 menilik batas distorsi arus harmonik pada PCC. Batas harmonik tergantung pada beban konsumen yang berkaitan dengan arus SC pada PCC yang terlihat pada tabel 2.4. dibawah Tabel 1. Batas distorsi arus dan tegangan harmonik ....5 𝑥 100% Yang didefinisikan perbandingan nilai rms komponen harmonik terhadap komponen dasar dalam persen (%). Indeks ini digunakan untuk mengukur penyimpangan (deviation) dari bentuk gelombang satu periode yang mengandung harmonik pada satu gelombang sinus sempurna. Untuk satu gelombang sinus sempurna pada frekwensi 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 Total demand distorsion (TDD) T (t ) 𝑉1 THD arus dengan bagian dc biasanya diabaikan untuk kesederhanaan, Vh dan Ih nilai rms untuk harmonik orde ke h pada masing-masing tegangan dan arus, maka daya sesaat adalah, p(t) = v(t) . i(t) .....3 dan daya rerata dalam suatu periode T dari 2 √∑∞ ℎ=2 𝑉ℎ 𝑇𝐻𝐷𝑉 = 2Vh sin( hw0 t h ), ...1 1 p(t) didefinisikan P p(t )dt , T0 ISSN : 1693-752X P Vh .I h cos( h h ) Ph , .....6 Persamaan (6) memperlihatkan bahwa tiap harmonik memberikan konstribusi pada daya rerata, daya rerata yang dibangkitkan harmonik biasanya kecil bila dibandingkan dengan daya rerata dasar. Harmonisa Arus dan Tegangan Tingkat kecacatan seringkali dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), Total Harmonic Distortion digunakan sebagai ukuran untuk melihat berapa besar pengaruh keseluruhan adanya 42 Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum ISSN : 1693-752X a. Untuk kebutuhan data yang diperlukan, pengambilan data berupa single line diagram dari instansi terkait dalam hal ini adalah PT. Semen Padang. b. Pemilihan landasan teori pengaruh harmonik akibat perubahan tegangan sistem distribusi. c. Analisis dan pemilihan tegangan yang paling optimal berdasarkan landasan teori yang ada. Dengan: - Ih merupakan magnitude dari komponen harmonik (rms amp) - ISC merupakan arus hubung singkat pada PCC - IL merupakan beban maksimum pada PCC Distorsi pada PCC yang mengakibatkan DC offset tidak dibenarkan TDD merupakan maksimum harmonisa yang terjadi pada arus beban maksimum pada system. 2. Gambar 4. Diagram alir penelitian METODOLOGI PENELITIAN 3. Jenis penelitian ini mengkaji tentang pengaruh beban non linier dalam system distribusi yang digunakan pada unit Kiln Indarung II, kemudian menganilisis kondisi harmonik yang terjadi akibat beban non linier sehingga dapat ditentukan total distorsi harmonik. Single line diagram Indarung II PT. Semen Padang. Data peralatan dan ratingnya yang sesuai dengan single line diagram Data beban Data perangkat yang ada agar dapat disesuaikan dengan program ETAP (Single Line Diagram) Buku teks yang berkaitan dengan permasalahan harmonik HASIL DAN PEMBAHASAN Data-data yang digunakan dalam analisa Tugas Akhir ini adalah: Single line diagram Kiln W1 (Indarung II) PT. Semen Padang sebagai berikut : Gambar 5. Single Line Diagram Kiln W1 (Indarung II) Penelitian ini dilakukan dengan tahap-tahap sebagai berikut: 43 Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum Data-data beban yang terdapat pada Unit Kiln W1 (Indarung II) sebagai berikut : Motor ID Fan J1P01M1 - Merk : AEG - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 1500 Kw - N : 993 rpm - Cos phi : 0.79 - Ampere : 183 A Kiln Drive W1W05M1 - Merk : AEG - Tegangan : 600V DC - Daya : 230 Kw - Ampere : 383.3 A Kiln Drive W1W03M1 - Merk : AEG - Tegangan : 600V DC - Daya : 230 kW - Ampere : 383.3 A Motor ESP Fan J1P02M1 - Merk : Siemens - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 600 kW - N : 987 rpm - Cos phi : 0.84 - Ampere : 68.8 A Motor Coal Mill K1M03M1 - Merk : AEG - Tegangan : 6000 V AC - Frekuensi : 50 Hz - Daya : 400 kW - N : 989 rpm - Cos phi : 0.84 - Ampere : 45.8 A Beban Trafo 3.2 - Tegangan : 6,3 kV / 400 V - Daya : 1250 kVA - Vektor Grup : Dyn11 - Arus 2nd : 3125 A Beban Trafo 3.2 - Tegangan : 6,3 kV / 400 V - Daya : 1250 kVA - Vektor Grup : Dyn11 - Arus 2nd : 3125 A Tabel 2. Hasil Data ETAP Harm N onik o Order ke1 3 509. Indu ktor (mH ) 2.53 Resi stor (Ω) 5 3 7 4 9 5 11 6 13 7 15 8 17 817 558. 989 571. 714 576. 805 579. 341 580. 784 581. 683 582. 281 8 0.78 8 0.38 3 0.27 7 0.15 0 0.10 7 0.08 0 0.00 62 99 0.00 62 0.00 30 0.00 18 0.00 12 0.00 08 0.00 06 0.00 05 Gambar 6. Hasil THDi Bus Incoming tanpa filter Gambar 7. Gelombang Bus Incoming tanpa filter Hasil dari pemasangan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17 Gambar 8. Hasil THDi Bus Incoming dengan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 dan 17 Perhitungan Parameter untuk Kapa sitor (𝜇𝐹) 2 ISSN : 1693-752X THDi Bus Incoming awal sebesar 64,15 % setelah pemasangan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17 menjadi 3,25 % terjadi K et. 0.01 44 Jurnal Momentum penurunan sebesar 94.93 %. Dengan bentuk gelombang sebagai berikut. N o. 3 3&5 2 6 7 8 3, 5 & 7 3, 5, 7 & 9 64,15 % 3, 5, 7, 9 & 11 3, 5, 7, 9, 11 & 13 3, 5, 7, 9, 11, 13 & 15 3, 5, 7, 9,11, 13, 15 & 17 17 Harmo nik Setela K h e pemas t angan filter 26.18 % 14.28 % 9.67 % 7.21 % 13 Sesudah 9 Besar Harmonik Harmon ik Sebelum Pemasangan pemasan Filter Orde kegan filter 1 3 4 5 dan 80 60 40 20 0 5 3.2. Analisa Setelah dilakukan perhitungan dan pemasangan filter harmonik secara bertahap pada Bus Incoming dari mulai filter harmonik ke-3 hingga ke-17 terlihat pada pemasangan filter ke-3 hingga ke-17 harmonik mengalami penurunan yang signifikan, penurunan nilai THDi Bus dari 64,15% menjadi 3.25%. Dengan grafik dibawah ini: Gambar 9. Gelombang Bus Incoming dengan filter orde 3, 5, 7, 9, 11 ,13, 15 & 17 Hasil THDi Sebelum Pemasangan Filter ISSN : 1693-752X Funda… Vol.19 No.1 Februari 2017 Grafik Harmonik Filter Harmonik ke- Gambar 11. Grafik penurunan THDi dari pemasangan filter harmonik ke-3 hingga ke17 4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Setelah dilakukan proses simulasi harmonik pada sistem kelistrikan Unit Kiln Indarung II PT. Semen Padang maka didapatkan simpulan : 1. Setelah dibuat simulasi harmonik menggunakan software ETAP 7, data total harmonik distortion THDi bus incoming sebesar 64,15% yang diamana nilai tersebut sudah melebihi dari standar IEEE. 2. Filter yang akan dipasang adalah filter tipe single tuned filter pada orde ke-3, orde ke-5, orde ke-7, ke-9, ke-11, ke-13, ke-15 dan ke-17. Setelah pemasangan filter harmonik diatas terjadi penurunan nilai THDi dari 64.15% menjadi 3.25 % 5.67 % 4.61 % 3.83 % 3.25 % Setelah didapat beberapa orde dari Filter Harmonik, kemudian filter-filter ini dipasang pada bus Incoming unit Kiln Indarung 2 PT. Semen Padang. Sehingga setelah dibangun sistem pada simulasi didapatkan bentuk diagram menjadi: 4.2. Saran Adapun saran-saran yang dapat diambil dari penelitian ini adalah : 1. Perlu dilakukan analisa yang lebih mendalam untuk perancangan dan pemasangan filter harmonik, karena dalam analisa tugas akhir ini di fokuskan pada perhitungan besar harmonik dan filter harmonik. 2. Perlu dilakukan penelitian/pengecekan lebih lanjut Gambar 10. Permodelan ETAP-Program setelah pemasangan filter 45 Vol.19 No.1 Februari 2017 Jurnal Momentum terhadap kandungan harmonik di peralatan PT. Semen Padang khususnya pada unit Kiln Indarung II. ISSN : 1693-752X Surbakti, Eka Rahmat. (2013). Analisa Pengaruh Harmonisa Terhdap FaktorK Pada Transformator. Medan : Universitas Sumatera Utara (USU) Syahwil, Muhammad dkk (2010). Studi Dampak Harmonisa Terhadap Susut Teknis Pada Industri Semen (kasus Industri Semen Tonasa). Makassar : Hasanuddin University. DAFTAR PUSTAKA Adly A. Girgis,(1993). Harmonics and Transient Overvoltages Due to Capasitor Switching. Vol.29 No.6, IEE Asaad A. Elmoudi, (2006). Evaluation of Power System Harmonic Effects on Transformer. Doctoral Dissertation. Helsinki University of Technology. Transacttions on Industry Applications Afandi, A.N. (2010). Operasi Sistem Tenaga Listrik. Edisi Pertama. Jogjakarta: Penerbit GAVA MEDIA. Zulkarnaini. (2012). Perancangan filter Harmonik Untuk Kelistrikan Rumah Tangga. Institut Teknologi Padang. Daryanto. (2008). Pengetahuan Teknik Elektronika. Cetakan Kelima. Jakarta: Penerbit PT Bumi Aksara. Zulkarnaini. (2013). Pengaruh Harmonik Terhadap MCCB Rumah Tangga. Institut Teknologi Padang. De La Rosa, Frank C. (2006). Harmonics and Power Systems. New York: Taylor Francis Group,LLC. Dugan, Roger C, Mcgranaghan, Mark F, Santoso, Surya, Beaty, H Wayne. (2002). Electrical Power Systems Quality. Second Edition. McGraw Hill. Hasan, Basri. (2011). Distribusi Tenaga Listrik. Bahan Ajar ITP. Padang: Institut Teknologi Padang. Hutauruk, T.S. (1990). Transmisi Daya Listrik. Cetakan Kedua. Jakarta: Penerbit Erlangga. IEEE Std 519-1992. Recommendee Practice And Requairment For Harmonic. Control In Electric Power System Petruzella, Frank D. (1971). Elektronik Industri (Terjemahan Drs. Sumanto. MA). Second Ed. Jogjakarta: Penerbit ANDI. Prasetyadi, Willy dkk (2012). Evaluasi Harmonisa dan Perencanaan Filter Pasif pada Sisi Tegangan 20 kV Akibat Penambahan Beban pada Sistem Kelistrikan Pabrik Semen Tuban. Surabaya : Institut Sepuluh November (ITS) 46
