ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA

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-


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-


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-


SINGUDA ENSIKOM

20

VOL. 2 NO. 2/Mei 2013

15


15


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


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


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-


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-


ANALISIS PENGARUH BEBAN NONLINIER TERHADAP KINERJA KWH METER INDUKSI SATU FASA

Recommend Documents