Harmonika dalam Sistem Daya Listrik
Novalio Daratha Program Studi Teknik Elektro, Universitas Bengkulu Jl. Raya Kandang Limun, Bengkulu. Telp. (0736) 21170 Email :
[email protected]
Abstrak
Harmonika dalam sistem daya listrik adalah permasalahan klasik yang kembali mendapatkan perhatian karena meningkatnya pemanfaatan saklar semikonduktor selama dekade terakhir. Beragam sumber harmonika karena histeresis inti magnet atau kehadiran saklar semikonduktor ditinjau ulang, Pengaruh harmonika pada berbagai peralatan juga didiskusikan. Kemudian, solusi terhadap masalah harmonika dengan filter aktif dan pasif disajikan secara ringkas. Tulisan ini adalah pengantar ke topik harmonika, khususnya, dan kualitas daya listrik umumnya. Kata-kata kunci : harmonika, Total Harmonics Distortion, Filter Aktif, Filter pasif
1.
Pengantar
tidak menghasil tegangan yang murni sinusoidal
Harmonika dalam sistem daya listrik
karena celah udara (air gap) yang tidak
bukanlah fenomena yang baru. Ia telah dikenal
seragam. Apabila beban bersifat nonlinear, arus
sejak masa-masa awal tumbuhnya sistem tenaga semakin
yang dibutuhkannya tidak sinusoidal walaupun
banyaknya penggunaan elektronika daya dalam
tegangan suplainya sinusoidal. Ketidaklinearan
beberapa dekade terakhir, permasalahan ini
tersebut dapat disebabkan oleh sifat magnetis
semakin
beban atau saklar semikonduktor. Transformer
listrik.
Tetapi,
penting
seiring
dan
dengan
menarik
perhatian.
Walaupun banyak referens yang tersedia dalam
bersifat
bahasa inggris mengenai topik ini, referens yang
magnetnya dan pengaruh inrush current saat ia
berbahasa Indonesia masih relatif sedikit. Dalam
dihubungkan pertama kali ke jaringan listrik.
artikel ini, penulis merangkum sumber-sumber
Motor-motor listrik juga bersifat tidak-linear
harmonika, akibat-akibat yang ditimbulkannya
karena tidak seragamnya celah udara antara
dan alternatif-alternatif penyelesaiannya.
stator dan rotor.
2.
nonlinear
karena
histeresis
inti
Selain mereka, alat-alat elektronika
Sumber-sumber harmonika Idealnya, arus dan tegangan dalam
daya juga adalah beban tidak-linear. Sumber
sistem tenaga listrik memiliki bentuk sinusoidal.
ketidaklinearannya
Hal ini terjadi jika sumber tegangan sinusoid
semikonduktor
memberi suplai kepada beban linear. Beban
transistor-transistor CMOS dan IGBT. Setiap
linear
alat yang menggunakan saklar-saklar tersebut
mencakupi
resistor,
kapasitor,
dan
induktor ideal.
adalah
seperti,
saklar-saklar
dioda,
thyristor,
akan membutuhkan arus yang tidak sinusoidal. Meskipun
Di lain pihak, banyak peralatan yang
tidak
lagi
berbentuk
dipakai masyarakat modern adalah beban
sinusoidal, sinyal-sinyal arus tersebut masih
nonlinear. Ditambah lagi, generator pun juga
periodik.
Oleh
karena
itu,
kita
dapat
menggunakan
deret
fourier
untuk
∞
mempelajarinya. Hasilnya, sinyal arus tersebut
i (t ) = i0 + ∑ 2 I k cos(kω0t + θ k )
dapat diwakilkan oleh jumlah sinyal-sinyal
Dimana
periodik yang frekuensinya terhubung secara
nilai rms harmonika ke-k dan
harmonik.
i0 adalah komponen DC arus; I k adalah
3.
phase
Ukuran Distorsi harmonika Kehadiran
harmonika-harmonika
sistem
listrik
secara harmonik dapat dinyatakan secara dalam
matematik dengan persamaan berikut
f k = kf 0
k = 1,2,3,...
tenaga
masalah tersebut dapat berupa terhentinya proses-proses
nilainya bisa 50 Hz atau 60 Hz tergantung sistem yang digunakan di suatu wilayah) dan
f k adalah frekuensi harmonika ke-k. Sinyal
dalam
industri,
(perusahaan penyedia listrik), berkurangnya pendapatan utilitas, panas berlebihan dalam mesin
dasar saja. Oleh karena itu, perubahan bentuk
peralatan telekomunikasi.
dapat
diasosiasikan
dengan
kehadiran harmonika-harmonika yang lain.
dan
interferensi
dengan
Dalam upaya mengatasi permasalahan
sebuah ukuran distorsi harmonika. Distorsi
kita
Harmonika Total (Total Harmonics Distortion,
eksponensialnya.
THD) adalah standard yang umum dipakai
Sebuah sinyal arus listrik periodik i (t ) dapat
selama ini. Secara matematis, ia dihitung
direpresentasikan sebagai deret fourier dalam
dengan rumus berikut ini
bentuk persamaan
THD =
fourier
[1].
Dalam
menggunakan
∞
i (t ) =
∑a e
k =−∞
representasi
jkω0t
ini,
berputar,
yang ditimbulkan oleh harmonika, diperlukan
Ada beragam representasi dari deret
tulisan
kerusakan
permanen pada peralatan konsumen dan utilitas
arus yang sinusoidal hanya memiliki komponen
arus
menimbulkan
beragam masalah yang harus diatasi. Masalah-
(1)
f 0 disebut frekuensi dasar (yang
sinyal
θ k adalah
harmonika ke-k.
Frekuensi-frekuensi yang terhubung
dimana
(4)
k =1
(2)
k
f 0 adalah frekuensi komponen sinyal dasar yang berhubungan dengan k = 1 ; dan ak adalah koefisien harmonika ke-k yang dapat
di mana
dihitung dengan berikut ini
menggunakan
Akibat-akibat Harmonika Harmonika
menimbulkan masalah
pada mesin-mesin listrik, transformator, kabel, kapasitor, kabel netral, relay pelindung dan alat
Pada mesin-mesin listrik harmonika
(3)
menyebabkan deformasi elastis, torka parasitik,
T0 adalah periode sinyal dasar. Bentuk
(5)
ukur listrik, serta telepon [2].
1 ak = ∫ i (t )e − jk 2πf0t T0 T0 di mana
persamaan
4.
I k2 ∑ 2 k ≠1 I1
deret
fourier
dalam
derau getaran dan dapat menurunkan kecepatan (2)
bukanlah bentuk yang umum digunakan dalam analisa harmonika daya listrik. Padanannya yang lebih sering digunakan adalah
putar. Kerugian daya juga meningkat karena harmonika memperbesar rugi-rugi rotor dan rugi-rugi
tembaga.
Kemampuan
generator
sinkron untuk menyuplai beban yang tidak seimbang juga berkurang karena harmonika.
Isolasi pada motor juga akan terganggu karena
pengguna
tingginya dv / dt yang disebabkan oleh suply
Pengguna listrik akan menggunakan pendekatan
daya yang menggunakan modulasi lebar pulsa
preventif dan perusahaan listrik bertanggung
(Pulse-width modulation).
jawab untuk melakukan pendekatan kuratif.
listrik
atau
perusahaan
listrik.
Transformator yang melayani beban
Pendekatan kuratif dapat dilakukan
non-linear harus dipakai pada rating yang lebih
dengan menggunakan filter dan reorganisasi
rendah karena harmonika meningkatkan rugi-
jaringan listrik. Dengan filter, harmonika-
rugi termasuk rugi karena arus eddy.
hamonika tertentu dapat dikurangi amplitudnya
Pada kabel arus bolak-balik, rugi
sampai
ke
tingkat
yang
dapat
diterima.
karena pengaruh kedekatan (proximity effect)
Resonansi harmonik dapat diatasi atau dicegah
dan pengaruh kulit (skin effect) semakin besar
dengan
jika frekuensi harmonika semakin tinggi. Oleh
jaringang distribusi. Namun hal ini sering kali
karena
harmonika-harmonika
itu,
juga
utama
harmonika
terjadi secara seri atau paralel. Oleh karena itu, perluasan atau tata ulang jaringan distribusi mempertimbangkan
kemungkinan
Harmonika ketiga dan kelipatannya bisa memperbesar arus netral. Oleh karena itu, harmonika
ketiga
dan
kelipatannya
mungkin terjadi dalam sebuah sistem, kabel
Solusi-solusi
ukuran
menjadi dua kelompok: filter pasif (FP) dan filter aktif (FA). Filter pasif terdiri dari susunan kapasitor, induktor dan resistor. Beberapa konfigurasi filter pasif ditujukkan pada Gambar
dirancang. Akan tetapi, mereka rentan terhadap resonansi apabila terjadi perubahan konfigurasi jaringan. Selain itu, karena dirancang untuk harmonika-harmonika rendah, biasanya mereka berukuran besar yang juga berarti harganya
netral sebaiknya ditingkatkan ratingnya. 5.
besarnya
dalam
1. Filter pasif relatif sederhana sehingga mudah
terjadinya resonansi harmonik ini.
jika
karena
kapasitor
Filter-filter harmonika dapat dibagi
pada
kapasitor adalah resonansi. Resonansi ini dapat
harus
dilakukan
lokasi
kapasitor yang akan dipindahkan.
meningkatkan rugi-rugi pada kabel. Pengaruh
sulit
merubah
Permasalahan
mahal. Mereka juga terpengaruh imepedansi jaringan. Apabila jaringan berubah, kinerjanya
Harmonika Solusi permasalahan harmonika dapat bersifat preventif ataupun kuratif. Pendekatan
akan
terpengaruh
dan
peluang
terjadinya
resonansi harus diperiksa.
preventif biasanya dilakukan pada masingmasing beban tidak linear. Dengan beragam cara, harmonika yang dihasilkan oleh sebuah beban
dapat
pendekatan
dikurangi. kuratif
Di
lain
dilakukan
pihak,
terhadap
harmonika yang telah menjalar ke sistem tenaga listrik. Dari sudut pandang yang berbeda, mitigasi
harmonika
berdasarkan
pihak
dapat yang
juga
Gambar 1 Tiga alternatif filter harmonika pasif.
dilihat
Dalam dekade terakhir, telah muncul
melakukannya:
saklar-saklar semikonduktor yang dapat bekerja
dengan frekuensi yang sangat tinggi. Ini
beban
memungkinkan
dengan
disusun paralel untuk menyediakan arus yang
kebebasan yang lebih luas. Sebuah aplikasi
lebih tinggi. Akibatnya, mereka tersedia untuk
penting mereka adalah untuk pembuatan filter
interval daya yang cukup lebar. Kelebihan
harmonika aktif.
lainnya
arus
dapat
diatur
yang
berubah-ubah.
adalah
ia
hanya
Mereka
dapat
membawa
arus
Filter harmonika aktif sering disebut
kompensasi dan komponen dasar (k=1) yang
sebagai Filter Daya Aktif (Active Power Filter,
hilang karena rugi-rugi. FA shunt cocok untuk
APF). Tetapi, dalam tulisan ini istilah yang
beban nonlinear yang berperilaku sebagai
digunakan adalah Filter Aktif agar sesuai
sumber arus seperti penyearah dengan induktor
dengan istilah filter pasif yang telah kita
sebagai DC link-nya.
gunakan di atas. Mereka dapat dibagi menjadi
Kemudian, konfigurasi dasar sebuah
tiga kelompok: Filter Aktif (FA) shunt, seri dan
FA seri ditunjukkan dalam Gambar 3. Dengan
hibrid. Masing-masing memiliki keunggulan
filter
dan kekurangannya[3, 4].
memasukkan
FA shunt adalah filter yang paling populer,
memiliki
topology
dan
prosedur
ini,
harmonika
diisolasi
dengan
harmonika V f .
tegangan
Akibatnya sesuai dengan harapan: arus sumber
intalasi yang telah dipahami dengan baik.
I s tidak
Skema rangkaian sebuah FA yang menggunakan
harmonik arus beban I Lk . Oleh karena itu, FA
Inverter
seri dapat dianggap sebagai isolator harmonika.
bersummber
Tegangan
(Voltage
Sourced Inverter) dapat dicermati pada Gambar
perlu
menyediakan
Secara
ringkas,
komponen
Tabel
1
2. Prinsip kerjanya dapat dijelaskan sebagai
membandingkan
berikut. FA shunt harus menyediakan komponen
berdasarkan konfigurasi, sirkuit daya, peran,
harmonika
tipe beban dan manfaat tambahan mereka.
yang
dibutuhkan
oleh
beban
filter
aktif
dan
pasif
nonlinear. Dengan demikian, jika arus beban
Selanjutnya, ada dua tujuan utama
I L dapat dinyatakan sebagai jumlah komponen
pemakaian filter hibrid: penghematan biaya dan
dasar I L1 dan harmonika-harmonika yang lebih
pengurangan
biaya
awal
instalasi
filter.
Berdasarkan konfigurasinya, filter hibrid dapat tinggi
I Lk , yang secara matematis dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut,
I L = I L1 + ∑ I Lk k ≠1
Akibatnya, FA shunt harus menyediakan arus harmonik I f sebesar
dibagi menjadi tiga kelompok yang masingmasing ditunjukkan pada Gambar 4, Gambar 5,dan Gambar 6. Perbandingan ketiga kelompok tersebut berdasar beberapa faktor dapat dilihat pada
I f = ∑ Ik k ≠1
Hasilnya, sumber listrik akan menganggap beban tidaklinear tersebut hanya membutuhkan
I L1 saja. Melalui sudut pandang yang berbeda, FA shunt dapat dianggap sebagai impedansi
Gambar 2 Konfigurasi FA paralel/shunt dengan Inverter Sumber Tegangan
FA shunt dan FA seri dan FP shunt FP shunt Konfigurasi sistem Sirkuit daya Fungsi FA
Gambar 3 konfigurasi jaringan FA seri dengan inverter sumber tegangan
Manfaat
Kelemahan
Gambar 4 Filter hibrid: filter aktif shunt dan filter pasif shunt Situasi pada 2002
Gambar 4
Gambar 5
FA seri yang diserikan pada FP shunt Gambar 6
Konverter modulasi lebar pita dengan sumber tegangan Kompensasi Isolasi Kompensasi harmonika harmonika dan isolasi harmonika - FA shunt - FP shunt - FP shunt yang ada yang ada yang ada dapat dapat dapat dipakai. digunakan digunakan - Daya - Tidak ada - Perlindunga reaktif arus n FA relatif dapat harmonika mudah dikendalika yang n mengalir melalui filter aktif - Kedua filter - Perlindunga - Tidak ada mungkin n FA akibat kendali mengataso arus-lebih daya reaktif frekuensi relatif susah yang sama - Tidak ada kendali daya reaktif Komersial laboratorium komersial
Tabel 2 Perbandingan 3 jenis filter hibrid 6. Gambar 5 Filter hibrid: filter aktif seri dan filter pasif shunt
Penutup
Sumber-sumber harmonika, akibat-akibatnya dan
cara-cara
dirangkum.
untuk
Dengan
mengatasinya demikian,
telah
pembaca
diharapkan untuk memperoleh gambaran umum tentang masalah yang akan semakin penting ini.
REFERENCE Gambar 6 Filter hibrid: filter aktif yang diserikan dengan filter pasif shunt
Konfigurasi sistem Sirkuit daya yang digunakan FA berperan sebagai... Tipe beban yang sesuai
Fungsi Tambahan
Filter Aktif Shunt Gambar 2 Konverter modulasi pita
lebar
Sumber arus:
If
Penyearah dioda/thyristor dengan beban yang induktif Kompensasi daya reaktif
Filter Aktif Seri Gambar 3
[1].
[2].
Konverter modulasi lebar pita Sumber tegangan:
Vf Penyearah dioda/thyristor dengan beban yang kapasitif Pengaturan tegangan
Tabel 1. Perbandingan filter aktif shunt dan seri.
[3].
[4].
Oppeinhem, A.V., A.S. Willsky, and S.H. Nawab, Signals and Systems. 1997, Prentice Hall. Das, J.C., Power System Analysis: Short-circuit Power Flow and Harmonics. Power Engineering, ed. H.L. Wilis. 2002, Basel: Marcel Dekker Inc. Salam, Z., T.P. Cheng, and A. Jusoh, Harmonics Mitigation Using Active Power Filter: A Technological Review. ELEKTRIKA, 2006. 8(2): p. 10. Akagi, H., Active Filters for Power Conditioning, in The Power Electronics Handbook, T.L. Skvarenina, Editor. 2002, CRC Press: Boca Raton.
