1. Pengertian Harmonisa

Pada sistem tenaga listrik ac ideal, energy listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula. Tetapi dengan perkembangan beban listrik yang semakin besar dan komplek, terutama penggunaan beban-beban tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya.

Cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya seperti ditunjukkan pada gambar 1.

2. Sumber Sumber Harmonisa

Dalam sistem tenaga listrik AC sumbersumber harmonisa dapat berasal dari pemakaian beban-beban tak linier seperti :

a. Konverter

b. Tanur busur listrik

c. Lampu Florence

Gambar 1. Gelombang arus jala-jala akibatPenggunaan beban nonlinear( konverter 6 pulsa)

Selain itu pada beban linier seperti transformator dan motor-motor induksi juga dapat membangkitkan harmonisa pada jaringan. Tetapi harmonisa yang dibangkitkan cukup kecil jika dibandingkan dengan menggunakan beban-beban tak linier.

3. Distorsi Harmonisa

Dalam harmonisa khususnya pada sistem tenaga listrik dipakai istilah Total Harmonic Distortion (THD) yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya. Total Harmonic Distortion (THD) dituliskan sebagai :

Dimana :

Un = komponen harmonisa

U1 = komponen fundamental

k = komponen harmonisa maksimum yang diamati

Perhitungan tersebut tidak sama untuk setiap negara tergantung standar yang dipakai. Dalam paper ini diberikan standar dari IEEE Std. 519-1992 seperti pada tabel 1.

4. Tujuan filter harmonisa

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dalam sistem yang terdapat konverter, harmonisa arus biasanya dicegah memasuki sistem yang lain dengan menyediakan jalur yang rendah impedansinya pada frekuensi-frekuensi harmonisa. Kombinasi filter seri dan shunt dapat didesain untuk meminimalisasi arus dan tegangan harmonisa dalam sistem ac. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem.

Ada 3 macam jenis filter yaitu, filter pasif, filter aktif, dan filter hybrid. Filter pasif yang terdiri dari komponen LC (inductor dan kapasitor) dapat menekan orde harmonisa pada system misalkan orde harmonisa arus ke-3, orde yang terdekat kemungkinan juga bisa tereduksi. Sedangkan Filter aktif merupakan perangkat elektronika daya yang mereduksi nilai harmonisa pada setiap fasa, sehingga gelombang arus tetap sinusoidal. Filter hybrid merupakan gabungan dari filter pasif dan filter aktif (Petrov, 2009).

Filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus mengalihkan arus harmonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga.

Secara umum filter harmonisa dapat dibedakan dalam tiga jenis :

a.Filter dengan penalaan tunggal (Single Tuned Shunt Filter)

b.Filter dengan penalaan ganda (Double Tuned Filter)

c. High Pass Damp Filter Type

5. Desain filter harmonisa

5.1 Desain Filter dengan penalaan tunggal (Single Tuned Shunt Filter)

Tipe filter pasif yang paling umum adalah single tuned filter. Contoh dari filter yang umum digunakan pada tegangan rendah (480 V) ditunjukkan oleh gambar 2.

Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonisa. Filter ini terdiri dari rangkaian seri kapasitor, reactor dan resistor (RLC). Impedansi dari rangkaian gambar 2 dinyatakan dalam persamaan

Pada penelitian ini menggunakan filter pasif jenis single tuned filter. Single tuned filter digunakan untuk mengurangi penyimpangan tegangan pada sistem tenaga dan juga sebagai koreksi faktor daya. Filter ini dirangkai dengan menggunakan komponen RLC. Nilai-nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi ditentukan oleh parameter sebagai berikut :

daya reaktif (var)

frekuansi tuning (Hz)

faktor kualitas (Q)

Perencanaan desain filter antara lain :

a. Menentukan nilai kapasitansi kapasitor sesuai kebutuhan kompensasi faktor daya

Qc=P(tanawal-tanakhir)

b. Menentukan nilai kapasitor

dengan :

QC = besarnya kompensasi daya reaktif yang Diperlukan

V = tegangan sistem yang digunak an (380V)

f = frekuensi fundamental (50Hz)

c. Menentukan nilai induktor

Nilai induktor dicari berdasarkan prinsip resonansi XC=XL

.

d. Faktor kualitas (Q) filter didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi pada saat resonansi dengan besaran resonansi

dengan XL = XC = X0 pada keadaan resonansi

e.metode

Pada penelitian ini untuk mendapatkan grafik harmonisa tegangan dan arus (%) dari beberapa sampel lampu hemat energi dan beberapa macam beban-beban non-linier. Flowchart dan gambar dari cara kerja Filter dengan penalaan tunggal (Single Tuned Shunt Filter) yaitu :

5.2 Desain High Pass Damp Filter Type

High Pass Filter orde dua diperlihatkan pada gambar 2 yang terdiri atas resistansi yang diparalelm dengan induktor/ reaktor dan diseri dengan kapasitor.

Impedansi rangkaian :

Pada saat resonansi bagian imajiner = 0 sehingga :

Agar terdapat nilai L maka dibawah akar harus 0, sehingga :

Untuk mendapatkan kualitas tegangan yang lebih baik maka filter penalaan tunggal pada bus mainsub akan dimodifikasi menjadi filter harmonisa karena terjadi resonansi pada bus-bus tersebut dan distorsi tegangan yang melebihi standar. Jenis filter yang digunakan adalah high pass filter. Sebuah high pass filter adalah rangkaian resistor dan induktansi yang diparalel dan diseri dengan kapasitor. Pada frekuensi penalaan yang telah ditetapkan, rangkaian ini menghasilkan impedansi minimal sehingga menjadi jalan bagi arus-arus harmonisa pada frekuensi penalaan dan arus-arus harmonisa pada frekuensi diatas frekuensi penalaan yang ada di jaringan. Sehingga akan memperbaiki plot impedansi jaringan dan menurunkan tingkat distorsi harmonisa dibawah standar IEEE 519-1992 (VTHD < 5%).

Perbandingan nilai filter

Perhitungan Filter

Nilai komponen kapassitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Kapasitor

Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar 2809 kVar pada tegangan 20 kV. dengan :

C = kapasitansi dalam micro farad (uF)

f = frekuensi sistem (Hz)

V = tegangan jala-jala (Volt)

Nilai komponen kapasitor, resistor dan inductor dapat dihitung sebagai berikut :

Induktor

Frekuensi resonansi f0 = 550 Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Resistor

Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan :

Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai

berikut :

Spesifikasi Kapasitor

Kapasitas kapasitor = 22,36 F

Arus kapasitor pada tegangan sistem dan frekuensi fundamental :

Tegangan kapasitor pada tegangan base system :

Spesifikasi Induktor / Reactor

Induktansi nominal = 3,75 mH

Arus nominal filter = 57,77 A

Arus nominal diperoleh dari simulasi Circuit Maker.

Spesifikasi Resistor

Resistansi nominal = 25,89 Ohm

Rating daya resistor = 321,1 W

Rating daya diperoleh dari simulasi Circuit Maker

Filter F13 / 650 Hz / 2191 kVar di Main Sub 2. Perencanaan filter F13 menggunakan jenis high pass filter orde dua. Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Kapasitor

Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar 2037 Kvar pada tegangan 20 kV.

kVar = 2 f CV 2 10-9

Nilai komponen kapasitor, resistor dan inductor dapat dihitung sebagai berikut :

Induktor

Frekuensi resonansi f0 = 650 Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Resistor

Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan :

Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai berikut :

Spesifikasi Kapasitor

Kapasitas kapasitor = 17,45 uF

Arus kapasitor pada tegangan sistem dan frekuensi fundamental :

Tegangan kapasitor pada tegangan base system :

Spesifikasi Induktor / Reactor

Induktansi nominal = 3,44 mH

Arus nominal filter = 44,8 A

Arus nominal diperoleh dari simulasi Circuit Maker.

Spesifikasi Resistor

Resistansi nominal = 28,08 Ohm

Rating daya resistor = 160,2 W

Rating daya diperoleh dari simulasi Circuit Maker Setelah semua parameter dihitung, maka hasil filter yang direncanakan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

7