analisis pengaruh beban nonlinier terhadap kinerja

ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP
KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA
Sofian Hanafi Harahap, Masykur Sjani
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: [email protected]
Abstrak
Energi listrik yang digunakan oleh pelanggan diukur dengan kWh meter. Alat ukur kWh meter memiliki
piringan yang berputar berdasarkan torsi yang dihasilkan. Torsi ini juga dipengaruhi oleh harmonisa.
Harmonisa ditimbulkan oleh beban nonlinier. Pada tulisan ini dianalisis seberapa besar pengaruh beban
nonlinier terhadap kinerja kWh meter induksi satu fasa. Dari hasil pengujian diperoleh bahwa semakin besar
kandungan harmonisa beban nonlinier maka energi sebenarnya dan persentase kesalahan pembacaan kWh
meter semakin besar. Komposisi harmonisa arus dan tegangan tiap-tiap beban yang paling dominan adalah
harmonisa ke-3, harmonisa ke-5, dan harmonisa ke-7, serta persentase kesalahan pembacaan kWh meter dan
THDI terbesar pada penelitian ini terjadi pada pembebanan laptop yaitu sebesar 41.69 % dan 143.64 %.
Kata kunci: kWh meter, Harmonisa, Beban Nonlinier
1.
2
Pendahuluan
Harmonisa pada kWh Meter
Alat ukur kWh meter adalah alat penghitung
pemakaian energi listrik. Alat ini bekerja
menggunakan metode induksi medan magnet
dimana medan magnet tersebut menggerakan
cakram yang terbuat dari alumunium. Pada
cakram alumunium itu terdapat poros yang mana
poros tersebut akan menggerakkan counter digit
sebagai tampilan jumlah kWh nya. Pada kWh
meter terdapat magnet permanen yang tugasnya
menetralkan piringan alumunium dari induksi
medan magnet, medan magnet memutarkan
piringan alumunium. Arus listrik yang melalui
kumparan arus mengalir sesuai dengan
perubahan arus terhadap waktu. Hal ini
menimbulkan adanya medan magnet di
permukaan kawat tembaga pada kumparan arus.
Kumparan tegangan membantu mengarahkan
medan magnet agar menerpa permukaan
alumunium sehingga terjadi suatu gesekan
antara piringan alumunium dengan medan
magnet disekelilingnya. Dengan demikian maka
piringan tersebut mulai berputar, dan kecepatan
putarnya dipengaruhi oleh besar kecilnya arus
listrik. Koneksi kWh meter dimana ada empat
buah terminal yang terdiri dari dua buah
terminal masukan dari jala – jala listrik PLN dan
dua terminal lainnya merupkan terminal
keluaran yang akan menyuplai tenaga listrik ke
rumah. Dua terminal masukan di hubungkan ke
Pada suatu sistem distribusi tenaga listrik
baik komersial maupun industri, pembacaan
energi listrik dangan benar sangat penting untuk
mendapat perhatian baik oleh pelanggan maupun
penyedia energi listrik. Alat ukur listrik yang
digunakan oleh PLN untuk mengukur besaran
energi listrik adalah kWh meter. Harmonisa
merupakan suatu fenomena yang timbul yang
diakibatkan pemakaian beban nonlinier seperti
lampu hemat energi (LHE), komputer, printer,
inverter, dan peralatan yang menggunakan
bahan semikonduktor. Beban nonlinier adalah
peralatan yang menghasilkan gelombanggelombang arus yang berbentuk sinusoidal
berfrekuensi tinggi yang disebut dengan arus
harmonisa. Harmonisa adalah suatu gelombang
arus atau tegangan sinusoidal yang frekuensinya
merupakan kelipatan bilangan bulat dari
frekuensi fundamentalnya. Jika frekuensi
fundamentalnya 50 HZ, maka harmonisa kedua
adalah gelombang sinusoidal dengan frekuensi
100 HZ dan seterusnya [1]. Dalam Tugas Akhir
ini penulis mencoba menjelaskan pengaruh
beban nonlinier terhadap kinerja kWh meter
induksi satu fasa.
-49-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
dan arus induksi i1 menghasilkan momen T2 [3],
seperti persamaan (5) dan (6).
kumparan tegangan secara paralel dan antara
terminal masukan dan keluaran di hubungkan ke
kumparan arus secara seri. Gambar 1 berikut
menunjukkan konstruksi kWh meter induksi satu
fasa [2]:
T1 = k1 Ф1 i2
=
T2 = k2 Ф2 i1
= sin
sin(
cos(
− )
(5)
(6)
− ) cos
Maka momen total yang memutar piring
ditunjukkan pada persamaan (7).
T = k3 Ф1m Ф2m sin
(7)
Momen putar dari persamaan (7) dapat
diganti dengan persamaan (8).
T = k3 VI sin(900-φ)
= k3 VI cosφ
= k3 P
Gambar 1. Konstruksi kWh meter
Dimana: P = VIcosφ = daya pada beban
Pada saat arus beban mengalir pada
kumparan arus yaitu I1, arus akan menimbulkan
flux magnit Ф1, sedangkan pada kumparan
tegangan terjadi perbedaan fase antara arus dan
tegangan sebear 900, hal ini karena kumparan
tegangan bersifat induktor. Arus yang melalui
kumparan tegangan yaitu I2 akan menimbulkan
flux magnit Ф2 yang berbeda fase 900 dengan
Ф1. Fluksi-fluksi ini akan memotong piring
aluminium, sehingga didalam piring terinduksi
tegangan induksi [3], seperti persamaan (1) dan
(2).
E1 = (
= E2 = (
=
sin
cos
Maka persamaan (8) dapat diganti dengan
persamaan momen putar yang berharmonisa,
seperti ditunjukkan pada persamaan (9).
=
(1)
sin(
− ))
− )
cos(
=
=
=
(
(2)
(9)
= (10)
=
.
×
(kWh)
(11)
Kesalahan dalam persen dapat dinyatakan
pada persamaan (12).
(3)
)
∑
Jika untuk membuat N putaran diperlukan
waktu t detik, sedangkan daya yang masuk
sebesar P watt, maka jumlah energi sebenarnya
ES dapat dilihat pada persamaan (11) [3].
Tegangan induksi ini akan mengalirkan arus
induksi dalam piring, seperti persamaan (3) dan
(4).
=
∑
Jika daya yang mengalir konstan, maka
untuk suatu kWh meter dapat kita tuliskan
hubungannya pada persamaan (10).
)
(8)
% kesalahan =
x 100 %
(12)
(4)
Dimana:
EP
= Jumlah energi yang dicatat oleh
meteran yang terpasang
= Jumlah energi yang sebenarnya
ES
Interaksi antara fluksi Ф1 dan arus induksi i2
menghasilkan momen T1 dan interaksi antara Ф2
-50-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
Untuk suatu jumlah putaran tertentu
dibutuhkan waktu, seperti ditunjukkan pada
persamaan (13).
=
(13)
Jika dihitung dengan waktu, maka waktu
yang sebenarnya diperlukan untuk membuat N
putaran pada daya P watt dapat dilihat pada
persamaan (14).
=
=
.
.
.
Maka kesalahan dalam persen
dinyatakan pada persamaan (15).
%
ℎ
=
× 100%
Gambar 2. Gelombang fundamental, harmonisa
ketiga dan hasil penjumlahannya
(14)
Standar harmonisa yang digunakan pada
penelitian ini adalah standar dari IEEE 5191992. Batas distorsi arus dan tegangan yang
diakibatkan harmonisa yang diijinkan oleh IEEE
519-1992 ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel 2
berikut ini [5].
dapat
(15)
Harmonisa adalah suatu gelombang
sinusoidal tegangan, arus atau daya yang
berfrekuensi tinggi dimana frekuensinya
merupakan kelipatan diluar bilangan satu
terhadap frekuensi fundamental [1]. Harmonisa
dari suatu gelombang arus dan tegangan pada
suatu sistem tenaga listrik dihasilkan oleh suatu
sumber harmonisa yang disebut beban nonlinier,
seperti lampu hemat energi (LHE), komputer,
printer, televisi, dispencer, mesin cuci, inverter,
dan peralatan lainnya yang menggunakan bahan
semikonduktor. Nilai frekuensi dari gelombang
harmonisa yang terbentuk merupakan hasil kali
antara frekuensi fundamental dengan bilangan
harmonisanya (f, 2f, 3f, dst). Bentuk gelombang
yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari
gelombang fundamental dan gelombang
harmonisa (h1, h2, dan seterusnya) pada
frekuensi
kelipatannya.
Makin
banyak
gelombang harmonisa yang diikutsertakan pada
gelombang fundamentalnya, maka gelombang
akan semakin mendekati gelombang persegi atau
gelombang akan berbentuk non-sinusoidal. Pada
Gambar 2 ditunjukkan
bentuk gelombang
harmonisa [4].
Tabel 1. Batas distorsi arus yang diakibatkan
harmonisa menurut
IEEE 519-1992
ISC/ n< 11≤n 17≤n 23≤n n≥ TH
IL
11
D
<17
<23
<35
35
<2 4.0 2.0% 1.5% 0.6% 0.3 5.0
0
%
%
%
20- 7.0 3.5% 2.5% 1.0% 0.5 8.0
50
%
%
%
50- 10. 4.5% 4.0% 1.5% 0.7 12.
100 0%
% 0%
100 12. 5.5% 5.0% 2.0% 1.0 15.
0%
% 0%
100
0
>1 15. 7.0% 6.0% 2.5% 1.4 20.
000 0%
% 0%
Tabel 2. Batas distorsi tegangan yang
diakibatkan harmonisa menurut
IEEE 519-1992
Tegangan Bus
Individual
THD
Pada PCC
Harmonik
69 kV dan
3.0%
5.0%
dibawah
69.001 kV-161
1.5%
2.5%
kV
Diatas 161 kV
1.0%
1.5%
-51-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
harmonisa, dan waktu (detik) untuk 3
putaran piringan kWh meter.
Secara umum, sumber harmonisa pada
sistem tenaga listrik dapat dibagi menjadi tiga
bagian [6], yaitu :
1. Sumber
Harmonisa
Pada
Sisi
Pembangkitan
Contoh : Generator Sinkron
2. Sumber
Harmonisa
Pada
Sisi
Penyaluran
Contoh : Transformator
3. Beban Non-linier
Contoh : Printer, Komputer, dll
Individual harmonic distortion (IHD)
berlaku untuk tegangan dan arus dapat dilihat
pada persamaan (16) [4].
=
(16)
Gambar 3. Rangkaian pengujian
Total
Harmonic Distortion
(THD)
tegangan dan arus dapat dituliskan pada
persamaan (17) dan (18) [5] [6].
∑∞ THDV =
∑∞ THDI =
3
× 100%
× 100%
4
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Penelitian ini di analisis seberapa besar
pengaruh beban nonlinier terhadap kesalahan
pembacaan kWh meter induksi satu fasa.
Penelitian dari tanggal 04 sampai tanggal 06
Desember 2012 di Laboratorium Pengukuran
Besaran Listrik, diperoleh hasil pengukuran
beban nonlinier dan campuran, dapat dilihat
pada Gambar 4, 5, 6,7, dan 8 dibawah ini.
Gambar 4 dibawah ini menunjukkan spektrum
gelombang keluaran arus dan tegangan pada
beban 5 XL.
(17)
(18)
Pengujian
Metode penelitian ini merupakan suatu cara
yang harus ditempuh dalam kegiatan penelitian
agar pengetahuan yang akan dicapai dari suatu
penelitian dapat memenuhi harga ilmiah.
Dengan demikian penyusunan metode ini
dimaksudkan agar peneliti dapat menghasilkan
suatu kesimpulan yang dapat dipertanggung
jawabkan secara ilmiah. Metode penelitian ini
mencakup beberapa hal yang masing-masing
menentukan keberhasilan pelaksana penelitian.
langkah-langkah dalam penelitian ini adalah
sebagai berikut:
100
80
60
40
20
0
% IHD Tegangan
% IHD Arus
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21
Orde Harmonisa
Gambar 4. Spektrum gelombang arus dan
tegangan beban 5 XL
1. Rangkaian pengujian disusun seperti
Gambar 3
2. Beban dipasang berupa lampu hemat energi
(XL, dan TL), dan laptop
3. Autotrafo diatur sehingga kelurannya
sebagai catu tegangan 220 Volt.
4. Power System Multimeter (PSM) di-Onkan sehingga dapat diukur besar tegangan
(V), arus (I), cos φ, daya aktif (W),
Gambar 5 dibawah ini menunjukkan
spektrum gelombang keluaran arus dan tegangan
pada beban 2 TL.
-52-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
20
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
15
% IHD Tegangan
% IHD Arus
15
% IHD Tegangan
% IHD Arus
10
10
5
5
0
0
3
5
7
9
3
11 13 15 17 19 21
5
7
9
11 13 15 17 19 21
Orde Harmonisa
Orde Harmonisa
Gambar 5. Spektrum gelombang arus dan
tegangan beban 2 TL
Gambar 8. Spektrum gelombang arus dan
tegangan beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL
Gambar 6 dibawah ini menunjukkan
spektrum gelombang keluaran arus dan tegangan
pada beban 5 XL dan 2 XL.
Gambar 9 dibawah ini menunjukkan grafik
% kesalahan pembacaan terhadap % THDI
sedangkan Gambar 10 menunjukkan grafik
energi sebenarnya terhadap % THDI
60
50
40
30
20
10
0
% IHD Tegangan
% IHD Arus
5
7
9
% kesalahan
Pembacaan
3
Grafik % Error VS % THD Arus
11 13 15 17 19 21
50
40
30
20
10
0
13.5
Orde Harmonisa
Gambar 6. Spektrum gelombang arus dan
tegangan beban 5 XL dan 2 TL
Gambar 9. Grafik % kesalahan pembacaan
terhadap % THDI
Energi Sebenarnya
(Es)
Gambar 7 dibawah ini menunjukkan
spektrum gelombang keluaran arus dan tegangan
pada beban laptop.
100
80
60
40
20
0
% IHD Tegangan
% IHD Arus
3
5
7
22.81 72.91 104.51 143.64
% THD Arus
Grafik Energi Sebenarnya VS %
THD Arus
0.03
0.02
0.01
0
13.5
22.81 72.91 104.51 143.64
% THD Arus
9 11 13 15 17 19 21
Gambar 10. Grafik energi sebenarnya (ES)
terhadap % THDI
Orde Harmonisa
Gambar 7. Spektrum gelombang arus dan
tegangan beban Laptop
Dari gambar 9 dan 10 terlihat bahwa
semakin besar % THDI, maka energi sebenarnya
dan persentase kesalahan pembacaan kWh meter
semakin besar. Hasil pengujian ditunjukkan
pada Tabel 3.
Gambar 8 dibawah ini menunjukkan
spektrum gelombang keluaran arus dan tegangan
pada beban 2 TL, 2 Pijar, dan 1 XL.
-53-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 2 NO. 2/Mei 2013
Tabel 3. Data pengujian untuk beban nonlinier
dan campuran
Beban
P
u
t
t
(detik)
5 XL
3
174
2 TL
3
363
5 XL
dan
2 TL
3
114
V
(Volt)
218.4
5
218.8
9
I (A)
6. Ucapan Terimakasih
Ucapan terima kasih kepada Samsul Rizal
Hrp dan Nur Asiah Nst selaku orangtua, Ir.
Masykur Sj, MT, Ir. Eddy Warman, Ir. Raja
Harahap, MT, dan Ir. Syamsul Amin, M.Si yang
sudah membantu dalam menyelesaikan paper
ini, serta teman-teman yang sudah memberikan
dukungan selama pembuatan paper ini.
P (W)
0.786
104.59
0.562
52.152
218.1
53
0.974
158.54
0.461
57.171
1.075
216.11
Laptop
3
1044
219.5
16
2 TL,
2 Pijar
dan
1 XL
3
84
217.0
9
0.866
ES
(kWh)
0.00718
(%)
THDV
2.41
0.485
0.00601
1.94
22.81
12.64
0.931
0.00626
2.27
72.91
19.8
0.966
0.0283
2.17
143.64 41.69
0.939
0.00511
1.75
7.
[1] Dugan, Roger C. dkk. 2004. Electric Power
System Quality. Edisi Kedua. McGraw-Hill.
[2] Soedjana,
S.,
Nishino,
O.
1976.
Pengukuran dan Alat-alat Ukur Listrik.
Jakarta : PT. Pradnya Paramita.
[3] Sj, Masykur, 2008. Pengukuran Besaran
Listrik, USU, Medan.
[4] Sankaran, C. 2002. Power Quality. New
York: CRC Press.
[5] IEEE Std 519-1992, IEEE Recommended
Practices and Requirements for Harmonic
Control Power System, IEEE-SA Standard
Board ,PiscatawaY,USA
[6] Arrillaga, Jos dan Neville E. Watson. 2003.
Power System Harmonics. Edisi Kedua.
Chichester: John Wiley & Sons.
……..
Cos φ
(%)
(%)
THDI Error
104.51 29.66
13.5
Daftar Pustaka
1.36
5 Kesimpulan
Setelah melakukan analisa dari data yang
diperoleh, maka penulis dapat mengambil
kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin besar kandungan harmonisa,
maka energi sebenarnya dan persentase
kesalahan pembacaan kWh meter
semakin besar juga.
2. Persentase kesalahan pembacaan kWh
meter dan THDI terbesar pada penelitian
ini terjadi pada pembebanan laptop yaitu
sebesar 41.69 % dan 143.64 % .
3. Komposisi harmonisa arus dan tegangan
tiap-tiap beban yang paling dominan
adalah harmonisa ke-3, harmonisa ke5,dan harmonisa ke-7.
-54-
copyright @ DTE FT USU