analisis dan perancangan filter harmonisa single- …
Post on 06-Nov-2021
12 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
ANALISIS DAN PERANCANGAN FILTER HARMONISA SINGLE-
TUNED PASSIVE FILTER UNTUK MENETUKAN SPESIFIKASI
FILTER OPTIMAL PADA MOTOR INDUKSI LABORATORIUM
KONVERSI ENERGI LISTRIK UNIVERSITAS INDONESIA
Syamsul Hidayat, I Made Ardita Y
1. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia
Email : syamsul.live@gmail.com
Abstrak
Harmonisa pada saat ini menjadi perhatian karena memiliki dampak yang dapat merugikan pada sistem tenaga listrik. Harmonisa adalah permasalahan kualitas daya yang berupa distorsi terhadap gelombang tegangan dan arus akibat pemakaian beban non linier. Salah satu sumber harmonisa adalah saturable device. Motor induksi tiga fasa merupakan salah satu jenis saturable device. Saat motor induksi mencapai kondisi saturasi, maka hubungan tegangan dengan arus sudah tidak linier lagi. Sehingga motor induksi menghasilkan harmonisa tegangan dan arus ke sistem. Pada skripsi ini akan dianalisis pengaruh tegangan masukan dan torsi motor yang mempengaruhi besarnya harmonisa yang dihasilkan oleh motor induksi tiga fasa. Kenaikan tegangan masukan dan torsi akan menaikan besar THD tegangan dan THD arus. Selain itu, harmonisa urutan yang doniman muncul adalah harmonisa urutan ke-2, ke-3, dan ke-5. Lalu dirancang single-tuned passive filter untuk mereduksi distorsi harmonisa dengan beberapa variasi filter untuk mendapatkan filter yang paling optimal. Didapatkan penurunan presentase THD-i paling optimum sebesar 23,89%, dengan spesifikasi nilai kapasitor sebesar 7313 µF dan nilai induktor untuk orde-2, orde-3, dan orde-5 masing-masing sebesar 0,382 H, 0,164 H, dan 0,578 H.
Kata Kunci : harmonisa, motor induksi tiga fasa tipe sangkar tupai, single-tuned passive filter
Analysis and Design Harmonic Filter of Single-Tuned Passive Filter Specifications To Determine Optimal Filter On Induction Motor At Electrical Energy Conversion
Laboratory, University of Indonesia
Abstract Harmonics at this time of concern because it has an impact that could be problem to the power system. Harmonics are power quality problems such as distortion of voltage and current waves due to the use of non-
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
2
linear load. One source of harmonics is saturable device. Three phase induction motor is one kind of saturable device. When an induction motor reaches saturation, the voltage to the current relationship is not linear anymore. So that the induction motor generates voltage and current harmonics to the system. In this thesis analyzed the effect of input voltage and torque motor that affect the amount of harmonics generated by a three phase induction motor. The increase in input voltage and torque will be a large increase THD voltage and current THD. In addition, the order harmonics doniman order harmonics arise is the 2nd, 3rd, and 5th. Then designed single-tuned passive filters to reduce harmonic distortion with some variation filter to get the most optimal filter. . Obtained decline in the percentage of THD-i most optimum of 23.89%, with the specification value of 7313 µF capacitor and inductor values for order-2, 3-order and order-5 each at 0,382 H, 0,164 H and 0,578 H.
Keywords: harmonic, three phase induction motor squirrel cage type, single-tuned passive filter
1.Pendahuluan
Motor induksi sangat banyak digunakan dalam dunia industri karena konstruksinya
yang sederhana, perawatan yang mudah, ketahanan yang baik, dan mudah dalam perawatan.
Penggunaan motor induksi dalam industri menimbulkan masalah terhadap kualitas daya.
Motor induksi menjadi sumber harmonisa dalam sistem kelistrikan.
Dalam sistem tenaga listrik kualitas daya merupakan suatu aspek yang penting.
Permasalahan kualitas daya dapat berupa penyimpangan nilai tegangan, arus, dan frekuensi
dari kondisi normalnya. Penyimpangan yang terjadi pada kualitas daya dapat menyebabkan
buruknya kinerja peralatan listrik. Salah satu masalah yang penting untuk diperhatikan adalah
harmonisa.
Harmonisa menurut International Electrotechnical Commision (IEC) 6100-2-1-1990
didefenisikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang mempunyai kelipatan frekuensi
sistem pasokan tenaga listriknya sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan. Harmonisa
disebabkan oleh penggunaan beban non-linear dimana hubungan antara tegangan dan arus
tidak linear.
Pengaruh harmonisa pada sistem tenaga listrik di sisi pemasok adalah menyebabkan
meningkatnya impedansi pada jaringan saluran transmisi sehingga meningkatkan rugi-rugi
tembaga dan fluks. Pada transformator daya akan menyebabkan meningkatnya rugi-rugi besi,
arus bocor dan stress pada isolasi yang mengakibatkan pemanasan berlebihan pada
transformator daya. Sedangkan pada sisi beban atau konsumen listrik, pengaruh harmonisa
akan menyebabkan peralatan listrik tidak bekerja semestinya. Beberapa upaya dilakukan
untuk mereduksi harmonisa dan efeknya, salah satunya dengan penggunaan filter pasif.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
3
Pada skripsi ini akan dilakukan analisis pengaruh tegangan input dan torsi motor
terhadap harmonisa pada motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai dan perancangan
single-tuned passive filter optimum untuk mereduksi distorsi harmonisa.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan menganalisis motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai
sebagai sumber harmonisa dengan pengaruh tegangan masukan dan torsi motor terhadap
besar harmonisa yang dihasilkan motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai. Serta
merancang single-tuned passive filter yang dapat mereduksi distorsi harmonisa pada motor
induksi secara optimal.
Batasan Masalah
Masalah yang akan menjadi pembahasan difokuskan dan dibatasi sebagai berikut:
a. Motor yang dianalisis adalah motor induksi tiga fasa tipe rotor sangkar tupai.
b. Alat ukur yang digunakan adalah HIOKI 3169 Power Analyzer.
c. Filter yang digunakan adalah tipe single-tuned passive filter.
d. Beban pada sistem yang dianggap sebagai sumber harmonisa adalah variable speed drives.
e. Variasi tuning factor adalah -0.1 dari orde harmonisa dominannya.
f. Variasi quality factor adalah 80.
g. Simulasi yang dilakukan menggunakan bantuan preangkat lunak ETAP 12.6.
Metodologi Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dalam penulisan ini adalah
1. Studi literatur dengan mempelajari buku dan jurnal sebagai referensi yang terkait dengan
topik penelitian.
2. Pengukuran dan analisis distorsi harmonisa pada motor induksi tiga fasa tipe rotor
sangkar tupai.
3. Simulasi hasil perancangan single-tuned passive filter dengan menggunakan software
ETAP 12.6.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
4
2. Tinjauan Teoritis
Harmonisa
Harmonisa menurut International Electrotechnical Commision (IEC) 6100-2-1-1990
didefenisikan sebagai tegangan ataupun arus sinusoidal yang mempunyai kelipatan
frekuensi sistem pasokan tenaga listriknya sebagaimana yang dirancang untuk dioperasikan
(50 Hz ataupun 60 Hz). Harmonisa menyebabkan distorsi periodik dari gelombang tegangan
dan arus yang pada awalnya berbentuk sinusoidal murni.
Total Harmonic Distortion (THD) adalah indeks penting yang secara luas digunakan
untuk mengetahui kualitas daya listrik pada sistem transmisi dan distribusi. THD
menyatakan besarnya distorsi yang ditimbulkan oleh semua komponen. THD dapat
dibedakan menjadi THD tegangan dan THD arus. Untuk THD tegangan, dapat dihitung
dengan rumus berikut.
!!"# =!!!!
!!!
!!!100%
dengan
Vn = Nilai tegangan harmonisa (V)
V1 = Nilai tegangan fundamental (V)
n = Komponen harmonisa maksimum
Sedangkan untuk menghitung THD pada arus adalah sebagai berikut
!!"# =!!!!
!!!
!!!100%
dengan
In = Nilai arus harmonisa (A)
I1 = Nilai arus fundamental (A)
n = Komponen harmonisa maksimum
Saat ini, beban-beban yang terpasang pada sistem tenaga listrik kebanyakan
merupakan penghasil arus harmonisa. Menurut [1] sumber harmonisa terbagi menjadi
sumber harmonisa dari beban komersial dan sumber harmonisa dari beban industri sebagai
berikut :
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
5
a. Sumber Harmonisa dari Beban Komersial
Fasilitas komersial seperti kantor yang kompleks, pusat perbelanjaan, rumah sakit, dan
akses data internet didominasi oleh lampu flourecent dengan ballast elektronik, Pengatur
kecepatan (adjustable-speed driver) digunakan pada pemanasan (heating),
Ventilasi (Ventilation), dan pendingin ruangan (AC) disingkat HVAC, elevator, dan
peralatan elektronik sensitive lainnya pada umumnya disuplai dari single-phase switch-
mode power supplies (SMPS). Beban komersial merupakan beban dengan produksi
harmonisa yang kecil, tergantung pada keragaman jenis beban.
b. Sumber Harmonisa dari Beban Industri
Industri modern saat ini banyak menggunakan beban nonlinier. Sumber harmonisa dari
kelompok beban industri ini merupakan sumber harmonisa yang sangat penting, karena
beban industri pada umunnya menghasilkan harmonisa yang cukup besar dibandingkan
dengan beban komersial. Industri sering memanfaatkan fasilitas kapasitor bank untuk
memperbaiki faktor daya untuk menghindari biaya penalti. Aplikasi kapasitor untuk
perbaikan faktor daya memperbesar harmonisa arus dari beban nonlinier, sehingga
menimbulkan resonansi. Beban nonlinear industri secara umum dapat dikelompokkan
menjadi tiga kategori : Konverter daya tiga fasa ( three-phase power converters ),
peralatan tungku ( arcing devices )dan perangkat saturasi ( saturable devices).
Filter harmonisa berfungsi untuk menyaring komponen-komponen harmonisa
agar keluar dari sistem, sehingga efeknya pada sistem dapat berkurang.
Berdasarkan prinsip kerjanya, filter diklasifikasikan menjadi filter aktif dan filter pasif.
a. Filter aktif meminimalisasi arus harmonisa yang diinjeksikan ke sumber dengan cara
membentuk arus kompensasi untuk melengkapi bagian sinusoidal yang hilang pada
arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban. Keuntungan filter ini adalah tidak
beresonansi dengan sistem karena bekerja tanpa pengaruh karakteristik impedansi
sistem, dan fiter ini dapat merespon perubahan beban dan kondisi harmonisa [4].
b. Filter pasif meminimalisasi arus harmonisa yang diinjeksikan ke sistem dengan cara
menyediakan jalur impedansi rendah antara beban non-linier dengan filter. Tujuannya
agar arus harmonisa dengan frekuensi tertentu yang dihasilkan beban mengalir
melalui filter untuk ditanahkan, sehingga tidak menganggu sistem.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
6
Motor Induksi
Motor induksi adalah mesin listrik yang mengubah energi elektris ke energi mekanis
dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dimana kecepatan medan magnet putar
pada stator tidak sama dengan kecepatan rotor. Prinsip induksi elektromagnetis yakni motor
ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor
berasal dari arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor
dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.
Motor induksi merupakan jenis motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas
digunakan. Motor induksi adalah alat penggerak yang paling banyak digunakan dalam dunia
industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai kontruksi yang lebih sederhana,
kokoh, harganya relatif murah serta perawatannya yang mudah.
Prinsip kerja motor induksi adalah menggunakan induksi elektromagnetik. Dimana
prinsip induksi elektromagnetik ini membuat motor induksi mempunyai sifat saturasi atau
kejenuhan, yaitu suatu keadaan di mana pada titik tertentu, arus listrik yang dihasilkan
tidak sebanding dengan kenaikan tegangan yang diberikan pada motor, dan bahkan akan
cenderung tetap. Karena sifat kejenuhan tersebut, maka motor induksi dikelompokkan ke
dalam jenis beban tak linier.
Di dalam sistem tenaga listrik, beban tak linier menghasilkan arus harmonisa. Medan
magnet putar yang dihasilkan stator akan menginduksikan tegangan pada rotor, dimana arus
yang mengalir pada rotor akan menghasilkan frekuensi harmonisa akibat keadaan saturasi
pada inti besi motor.
Pada pola winding yang tidak simetris menyebabkan pada saat tegangan masukan
sinusoidal murni akan menghasilkan medan magnet putar yang tidak seimbang antar fasa
motor. Besar dari magnet putar pada motor bergantung pada frekuensi harmonisa dan
panjang gelombang medan magnet. Induksi elektromagnetik yang terjadi pada rotor akan
menghasilkan arus urutan positif dan urutan negatif yang masing-masing mengalir pada arah
forward dan reverse. Arus rotor ini akan menghasilkan arus harmonisa dengan besar
frekuensi yang bergantung dengan slip pada motor.
Single-Tuned Passive Filter
Single-tuned passive filter merupakan jenis filter yang paling ekonomis dan sering
digunakan. Filter ini bekerja dengan mengalirkan arus frekuensi harmonisa dari beban non
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
7
linier ke filter dengan mengatur komponen L dan C agar beresonansi pada frekuensi
harmonisa tertentu. Arus dengan frekuensi harmonisa dominan yang ditanahkan akan keluar
dari sistem dan membuat distorsi harmonisa pada sistem akan menurun
Resonansi dari komponen L dan C akan menciptakan impedansi rendah pada filter.
Impedansi ini lebih rendah dibandingkan impedansi sistem agar arus harmonisa hanya
bersirkulasi antara beban dan filter dan tidak menganggu keseluruhan sistem. Frekuensi
tuning adalah frekuensi yang disetel untuk single-tuned filter agar beresonansi. Saat
beresonansi, reaktansi induktif sama dengan reaktansi kapasitif sehingga nilai impedansi
filter bernilai rendah.
Gambar 1. Rangkaian pada single-tuned filter
Perancangan Single-tuned Passive Filter
Berdasarkan [1], dalam perancangan filter ini ada beberapa prosedur yang harus
dilakukan antara lain:
a. Memilih frekuensi tuning
Frekuensi tuning dipilih berdasarkan frekuensi yang paling dominan dalam
menyebabkan arus harmonisa. Nilai tuning factor tidak boleh tepat pada frekuensi yang
dominan untuk menghindari terjadi hubung singkat pada filter [1].
b. Menghitung besar Xc, Xl dan R
Menghitung daya reaktif diperlukan untuk mengkompensasi daya reaktif agar filter
menghasilkan faktor daya yang diinginkan, dengan menggunkan persaman 4.1 :
!!"#$ = ! sin !"#!! !"!"!# − ! sin(!"#!! !"!"#$ !""#$"#%&#) (KVAR)
Berdasarkan besarnya daya reaktif yang dibutuhkan kemudian ditentukan impedansi
dari kapasitor dengan persamaan 2.16 berikut :
!" = !"! !"#
! (Ω)
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
8
Besar kapasitansi kapasitor dapat dihitung dengan persamaan 2.17 berikut :
! = !!!"#$
(µF)
Setelah itu ditentukan besar impedansi reaktor filter dengan persamaan 2.18 berikut :
!" = !"!!
(Ω)
Besar induktansi induktor dapat dihitung dengan persamaan 2.19 berikut :
! = !"!!"
(H)
Selanjutnya menghitung resistansi filter menggunakan persamaan 2.20 berikut :
! = !!" !"#$%
(Ω)
3. Metode Penelitian
Pengukuran Harmonisa Pada Motor Induksi
Diagram alir pengukuran ini ditunjukan pada flow chart berikut
Gambar 2. Diagram Alir Pengukuran Motor Induksi
Pada penelitian ini metode yang dilakukan adalah dengan memasang power quality
analyzer (PQA) pada motor induksi tiga fasa jenis sangkar tupai. Interval pencuplikan data
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
9
oleh alat ukur setiap 1 menit selama 5 menit. Hasil dari pengukuran oleh PQA selanjutnya
diolah menggunakan bantuan software power measurement support.
Pada variasi tegangan input pada tegangan rating dari motor dan tegangan dibawah
rating motor. Hal ini dikarenakan pada sistem tenaga listrik besar tegangan akan turun karena
penambahan beban. Untuk variasi torsi motor pada torsi full load dan torsi diatas dan
dibawah full load. Hal tersebut karena beban dari motor berubah-ubah dibawah dan diatas
dari torsi full loadnya
Peralatan pengukuran ini adalah Power Quality Analyzer HIOKI Seri 3169-20. Alat ini
dapat mengukur tegangan, arus, frekuensi, daya aktif, daya reaktif, daya semu, konsumsi
energi, faktor daya dan harmonisa. Besaran harmonisa yang dapat diukur pada alat ukur ini
sampai harmonisa orde ke-40. Dengan rangkaian pengukuran sebagai berikut :
Gambar 3. Rangkaian Pengukuran
Spesifikasi motor induksi tiga fasa jenis rotor sangkar tupai yang digunakan pada
penilitian ini adalah sebegai berikut:
Tabel 1. Tabel Spesifikasi Motor Induksi
Tipe Motor Induksi Tiga Fasa Tipe Rotor Sangkar
Tupai
Daya 1,1 kW
Kecepatan 1380 rpm
Tegangan 220 – 240 V (delta)
380 – 415 V (wye)
Arus 5 A (delta)
2,9 A (wye)
Frekuensi 50/60 Hz
Faktor Daya 0.78
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
10
4. Hasil dan Analisis Pengukuran Harmonisa Pada Motor Induksi
Pengaruh Tegangan Input Terhadap THD
Pada pengukuran pengaruh tegangan input terhadap THD arus dan THD tegangan,
didapatkan data sebagai berikut.
Tabel 2. THD Tegangan dengan Variasi Tegangan
Tegangan (V) THD Tegangan
THD R (%) THD S (%) THD T (%)
160 0,86 0,84 0,86
190 0,94 0,95 1
220 0,89 0,9 0,94
Tabel 3. THD Arus dengan Variasi Tegangan
Tegangan (V) THD Arus
THD R (%) THD S (%) THD T (%)
160 5,54 5,28 5,2
190 14,6 11,7 11,42
220 10,3 11,85 13,77
Pada data pengukuran diatas, nilai THD tegangan untuk fasa R, S dan T mengalami
kecenderungan naik untuk kenaikan tegangan masukan. Meskipun untuk kenaikan tegangan
masukan dari 190 V ke 220 V terjadi sedikit penurunan pada THD tegangan.
Sedangkan pada pengukuran THD arus, kenaikan tegangan juga cenderung menaikan
THD arus untuk fasa R, S dan T. Pada fasa R, S dan T, kenaikan tegangan dari 160 ke 190 V
akan menaikan THD arus. Lalu pada pada fasa T kenaikan tegangan menjadi 220 V, THD
arus bertambah sedikit dan pada fasa S tidak ada perubahan. Namun saat kenaikan tegangan
dari 160 V ke 220 V penurunan besar THD arus cukup besar pada fasa R.
Dari hasil pengukuran diatas, secara umum kenaikan tegangan masukan motor induksi
menyebabkan kecenderungan kenaikan dari besar THD arus dan THD tegangan. Hal ini
dikarenakan, saat kenaikan tegangan masukan akan langsung menaikan medan magnet yang
dihasilkan oleh motor induksi ini. Kondisi kenaikan medan magnet ini akan membuat
keaadan saturasi pada motor induksi. Karena saturasi tersebut, maka motor induksi
dikelompokkan ke dalam jenis beban tak linier. Sehingga motor yang sudah tidak linier lagi
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
11
akan menghasilkan arus harmonisa, oleh karena itu motor dapat dikatagorikan sebagai
sumber harmonisa
Pengaruh Torsi Motor Terhadap THD
Dari hasil pengukuran didapatkan hasil sebagai berikut.
Tabel 4. THD Tegangan dengan Variasi Torsi
Torsi (Nm) THD Tegangan
THD R (%) THD S (%) THD T (%)
2.5 0,89 0,9 0,94
5 0,92 0,9 0,94
6 0,94 1 0,99
Tabel 5. THD Arus dengan Variasi Torsi
Torsi (Nm) THD Arus
THD R (%) THD S (%) THD T (%)
2.5 10,3 11,85 13,77
5 10,46 14,88 16,72
6 11,63 17,01 16,15
Pada data pengukuran diatas, nilai THD tegangan untuk fasa R, S dan T mengalami
kecenderungan naik untuk kenaikan torsi masukan. Pada saat kenaikan torsi dari 2.5 Nm ke 5
Nm fasa S dan T nilainya tetap, sedangkan untuk fasa R mengalami kenaikan. Untuk
kenaikan torsi dari 5 Nm ke 6 Nm semua fasanya mengalami kenaikan. Sedangkan pada
pengukuran THD arus, kenaikan torsi juga cenderung menaikan THD arus untuk fasa R, S
dan T. Saat kenaikan torsi dari 2.5 Nm ke 5 Nm, semua fasa mengalami kenaikan. Sedangkan
pada saat kenaikan torsi dari 5 Nm ke 6 Nm fasa R dan S mengalami kenaikan, tetapi fasa T
mengalami sedikit penurunan nilai THD arusnya.
Dari hasil pengukuran diatas, secara umum kenaikan torsi motor induksi menyebabkan
kecenderungan kenaikan dari besar THD arus dan THD tegangan.
Kenaikan pada torsi motor merepresentasikan kenaikan pembebanan pada motor, saat
kenaikan torsi akan berpengaruh kepada kecepatan putar mekanik pada rotor slip dan arus
rotor. Kenaikan torsi akan membuat kecepatan putar mekanik rotor akan mengalami
penurunan. Penurunan kecepatan motor berpengaruh terhadap arus yang mengalir pada rotor.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
12
Hal tersebut menyebabkan naiknya arus pada rotor,dimana kenaikan tersebut akan
membuat naiknya medan magnet rotor. Kenaikan medan magnet rotor yang besar membuat
saturasi pada motor lebih tinggi dan lebih cepat. Seperti pada percobaan sebelumnya yang
mana keadaan saturasi menimbulkan harmonisa tegangan dan harmonisa arus.
5. Perancangan dan Simulasi Filter Harmonisa
Gambar 4. Diagram Alir Simulasi
Orde Penyumbang Harmonisa Terbanyak
Pada kondisi idealnya orde-orde dominan pada harmonisa hanya pada orde ganjil,
tetapi pada pengukuran ini orde genap khususnya orde 2 memiliki nilai IHD yang cukup
besar. Munculnya orde genap yang besar merupakan petunjuk bahwa ada sesuatu yang salah
baik pada beban atau pada transduser digunakan untuk melakukan pengukuran[1] .
Berdasarkan pengukuran, orde-orde penyumbang harmonisa arus terbanyak adalah
pada orde ke-2, ke-3, dan ke-5. Oleh karena itu, filter pasif dapat dirancang untuk memotong
harmonisa yang ditimbulkan oleh frekuensi 100 Hz, 150 Hz, dan 250 Hz.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
13
Konsumsi Daya dan Faktor Daya
Tabel 6. Konsumsi Daya dan Faktor Daya
Parameter 160 V,2.5
Nm
190 V,2.5
Nm
220 V, 2.5
Nm
220 V,5
Nm
220 V, 6
Nm
Rata-
rata
S
(kVA)
Maks 0,54 0,53 0,74 0,94 1 0,75
rata-
rata 0,51 0,5 0,7 0,87 0,95 0,706
Min 0,44 0,46 0,66 0,81 0,88 0,65
Q
(kVA
R)
Maks -0,28 -0,35 -0,49 -0,41 -0,37 -0,38
rata-
rata -0,26 -0,25 -0,44 -0,28 -0,2 -0,286
Min -0,24 -0,17 -0,37 -0,11 -0,2 -0,218
P
(kW)
Maks 0,47 0,47 0,56 0,91 1 0,682
rata-
rata 0,44 0,43 0,54 0,82 0,91 0,628
Min 0,36 0,39 0,51 0,74 0,84 0,568
Fakto
r
Daya
rata-
rata -0,82 -0,74 -0,73 -0,88 -0,91 -0,816
Besar konsumsi daya dan faktor daya diperlukan untuk perancangan pada filter. Tabel
4.3 menunjukan data hasil pengukuran daya semu (S), daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan
faktor daya pada setiap variasinya. Lambang negatif (-) menunjukkan motor dalam keadaan
lagging hal ini dikarenakan prinsip kerja pada motor induksi yang menggunakan prinsip
induksi elektromagnetik.
Perhitungan Perancangan Single-tuned Passive Filter
Filter yang akan dirancang pada skripsi ini adalah filter pasif jenis single tuned.
Langkah-langkah yang dilakukan dijelaskan pada diagram alir yang tertera pada gambar 4.1.
Filter single tuned idealnya hanya akan bekerja mereduksi distorsi harmonisa pada satu
orde saja. Oleh karena itu akan dirancang filter single tuned pada tiga orde dominan, yaitu
orde ke-2, ke-3 dan ke-5.
Pada filter ini dilakukan penyetelan atau tuning factor sebesar -0.1. Sebagai contoh jika
harmonisa yang ingin di filter orde 3 maka diturunkan sedikit dibawahnya yakni pada nilai
2,9. Penyetelan dilakukan sebagai toleransi komponen filter untuk mencegah resonansi yang
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
14
terjadi dalam sistem pada frekuensi yang mengganggu. Quality factor yang digunakan adalah
80, hal ini dikarenakan Q yang tinggi memberikan bandwidth yang rendah sehingga frekuensi
yang terfilter dapat secara presisi.
Dalam penulisan ini terdapat 5 variasi filter, dimana variasi filter ini didapatkan dari
parameter yang telah diukur dari variasi pengukuran harmonisa.
Filter yang telah dirancang nantinya akan aplikasikan pada semua variasi pengukuran
untuk melihat besarnya reduksi filter terhadap besarnya nilai THD-i.
Berikut ini adalah hasil contoh perhitungan untuk perancangan filter variasi 1 pada orde
dominan 3:
• Didapatkan nilai besar kompensasi kapasitor sebesar Qcomp = 0,1906 KVAR
• DIdapatkan nilai impedansi dari kapasitor sebesar Xc = 90.1 Ω
• Didapatkan nilai impedansi dari kapasitansi kapasitor sebesar C = 4203 µF
• Didapatkan nilai impedansi dari reaktor filter sebesar Xl = 90,1 Ω
• Didapatkan nilai impedansi dari induktansi induktor sebesar L = 0,286 H
Dengan melakukan perhitungan yang sama untuk orde 2 dan 5 didapatkan hasil perancangan
filter single tuned seperti terlihat pada tabel dibawah ini
Tabel 7. Spesifikasi Filter
Variasi Orde QVAR XC (Ω) XL (Ω) C (µF) L (H) R (Ω)
1
2
0,1906 757,6
209,86
4203
0,668 4,98
3 90,1 0,286 3,26
5 31,55 0,1 1,93
2
2
0,2369 609,53
168,84
5224
0,537 4
3 72,47 0,23 2,62
5 25,38 0,081 1,55
3
2
0,3316 435,46
120,62
7313
0,382 2,86
3 51,77 0,164 1,87
5 18,13 0,578 1,11
4 2
0,2403 600,91 166,45
5299 0,53 3,95
3 71,45 0,227 2,59
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
15
5 25,03 0,079 1,53
5
2
0,2050 704,39
195,12
4521
0,621 4,63
3 83,75 0,266 3
5 29,34 0,093 1,78
Simulasi Rancangan Filter
Setelah mendapat hasil perancangan filter, maka dilakukan simulasi untuk
mendapatkan spesifikasi filter yang paling optimum mereduksi harmonisa. Simulasi
dilakukan dengan menggunakan software ETAP 12.6.
Pemodelan diagram satu garis dari sistem yang digunakan dalam skripsi ini adalah
sebagai berikut:
Gambar 5. Diagram satu garis sistem tenaga listrik
Pemodelan diagram satu garis sistem tenaga listrik merupakan modifikasi dari [6].
Modifikasi yang dilakukan berupa penyederhanaan sistem dengan hanya menggunakan motor
induksi dan penambahan beban variable frequency drives sebagai pengontrol kecepatan
motor induksi.
Kondisi Sebelum Pemasangan Filter
Sebelum melakukan simulasi maka dibuat harmonic library baru sebanyak 15 buah
yang karakteristiknya sesuai dengan karakteristik THD-i hasil pengukuran variasi tegangan
dan torsi. Data IHD masing-masing orde yang di dapat saat pengukuran dimasukkan ke
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
16
masing-masing orde pada library yang baru. Hal ini dilakukan agar besar distorsi harmonisa
yang sama dengan kondisi yang sebenarnya pada software ETAP 12.6.
Selanjutnya dilakukan simulasi harmonic analysis untuk mengetahui apakah besar
THD-i pada simulasi sama dengan THD-i saat pengukuran. Setelah dilakukan simulasi
harmonic analysis dilakukan didapatkan nilai THD-i pada motor seperti terlihat pada tabel 8
dibawah ini
Tabel 8. THD-i sebelum dan sesudah dilakukan simulasi
Variasi Fasa THD-i(%) Persentase Perbedaan
(%) Real Simulasi
160 V, 2.5 Nm
R 5,54 5.38 2.89
S 5,28 5.16 2.27
T 5,2 5.09 2.12
190 V, 2.5 Nm
R 14,6 14.33 1.85
S 11,7 11.4 2.56
T 11,42 10.15 11.12
220 V, 2.5 Nm
R 10,3 10.4 -0.97
S 11,85 12.21 -3.04
T 13,77 13.68 0.65
220 V, 5 Nm
R 10,46 10.33 1.24
S 14,88 14.66 1.48
T 16,72 16.36 2.15
220 V, 6 Nm
R 11,63 11.44 1.63
S 17,01 16.72 1.70
T 16,15 15.81 2.11
Rata-rata 1,98
Perbedaan antara THD-i pengukuran dengan simulasi hanya berbeda 1.98%, sehingga
simulasi pada ETAP 12.6 dianggap sama dengan kondisi pengukuran.
Kondisi Setelah Pemasangan Filter
Filter single tuned orde 2,3, dan 5 yang telah dirancang sebelumnya kemudian
diimplementasikan pada rangkaian simulasi dengan memvariasikan 15 buah library harmonic
yang merepresentasikan THD-i per variasi dan per fasa
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
17
Gambar 6. Rangkaian setelah pemasangan filter
Setelah dilakukan simulasi didapatkan nilai THD-i dan nilai harmonisa pada orde-orde
dominan sesudah dipasang filter serta dihitung besar persentase reduksi sehingga nantinya di
dapat variasi filter yang paling optimal, berikut ini data dari hasil simulasi.
Tabel 9. Persentase penurunan THD
Variasi % Penurunan
1 11,73
2 15,63
3 23,89
4 15,42
5 12,26
Setelah dilakukan simulasi, di dapatkan filter yang bekerja paling optimum adalah filter
pada variasi ke-3, dimana filter ini dapat mereduksi harmonisa dengan rata-rata hingga
23.89%. Orde dominan yang paling besar reduksinya adalah orde ke-5 yang tereduksi dengan
kisaran antar 50% hingga 70%.
Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa (contoh saat tegangan 220 V dan torsi 5
Nm fasa R) sebelum dan sesudah dipasang filter dapat dilihat pada gambar 7 dan 8 berikut
ini:
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
18
Gambar 7. Gelombang THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sebelum
Pemasangan Filter)
Gambar 8. Gelombang THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sesudah
Pemasangan Filter)
Gambar 9. Spektrum THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sebelum
Pemasangan Filter)
Gambar 10. Spektrum THD-i Saat Tegangan 220 V dan torsi 5 Nm Fasa R (Sesudah
Pemasangan Filter)
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
19
Dari gambar diatas, gelombang tegangan setelah difilter bentuk gelombang tegangan
mendekati gelombang sinusoidal yang murni dan sprektrum harmonisa yang terbentuk lebih
kecil dari sebelum yang difilter.Spesifikasi filter variasi 3 atau filter optimum dapat dilihat
pada tabel 10 berikut ini :
Tabel 10. Spesifikasi Filter Optimum Hasil Rancangan
Spesifikasi Orde 2 Orde 3 Orde 5
QVAR 0.3316
kVAR
0.3316
kVAR
0.3316
kVAR
XC 435,46 Ω 435,46 Ω 435,46 Ω
XL 120,62 Ω 51,77 Ω 18,13 Ω
C 7313 µF 7313 µF 7313 µF
L 0,382 H 0,164 H 0,578 H
R 2,86 Ω 1,87 Ω 1,11 Ω
Q factor 80 80 80
6. Kesimpulan
1. Besarnya tegangan masukan dan torsi motor mempengaruhi besarnya THD arus dan
tegangan
2. Semakin tinggi tegangan masukan, maka THD arus dan tegangan akan cenderung naik.
Semakin besar torsi, maka THD arus dan tegangan akan cenderung naik.
3. Orde penyumbang harmonisa terbanyak adalah orde ke-2, ke-3, dan ke-5.
4. Pemasangan filter single tuned orde ke-2, orde ke-3 dan orde ke-5 yang dirancang
berdasarkan variasi ke-3 adalah yang paling optimun dapat mengurangi harmonisa arus
dengan rata-rata 23,89%.
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
20
7. Daftar Referensi
[1] Roger C. Dugan, Mark. F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty,x “Electrical
Power System Quality,” The McGraw-Hill Companies 2004.
[2] Bestion Alzari, “Rancang Bangun Single Tuned Filter sebagai Alat Pereduksi Harmonisa
untuk Karakteristik Beban Rumah Tangga 2200 VA,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas
Teknik UI, Depok, 2011.
[3] Young-Sik Cho & Hanju Cha, “Single-tuned Passive Harmonic Filter Design Considering
Variances of Tuning and Quality Factors,” Journal of International Council on Electrical
Engineering, 1:1, 7-13 2014.
[4] Power Quality, C. Sankaran, CRC Press LLC. Boca Raton, Florida. 2002.
[5] Alexandre B. Nassif and Wilsun Xu, “Passive Harmonic Filter for Medium- Voltage
Industrial System: Practical Considerations and Topology Analysis,” 39th North American
Power Symposium (NAPS) 2007.
[6] Moses T. Daniel, “Evaluasi Kualitas Daya Listrik Pada Gedung Departemen Teknik
Elektro Universitas Indonesia,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2016.
[7] IEEE Recommended and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power
Systems, IEEE Standard 519-1992
Analisis Perancangan ..., Syamsul Hidayat, FT UI, 2017
top related