PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA
TESIS
Oleh ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
PENGURANGAN ARUS HARMONISA URUTAN NOL DENGAN ZERO SEQUENCE BLOCKING TRANSFORMER DAN TRANSFORMATOR ZIG-ZAG YANG MENGGUNAKAN TIGA BUAH TRANSFORMATOR SATU FASA
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Pada Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh ZULKARNAEN PANE 097034019/MTE
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Telah Diuji Pada Tanggal: 28 Januari 2014
PANITIA PENGUJI TESIS Ketua
: Syafii, M.T., Ph.D
Anggota
: 1. Dr. Marwan Ramli, M.Si. 2. Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D 3. Ir. Refdinal Nazir, M.S., Ph.D
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Pada sistem sistem disribusi tiga fasa empat kawat arus harmonisa urutan nol atau arus harmonisa ketiga yang ditimbulkan oleh beban nonlinier dapat menimbulkan masalah pada kualitas daya. Penelitian ini memaparkan suatu metode untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dengan menggunakan zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag yang masing-masing menggunakan tiga buah transformator satu fasa. Zero sequence blocking transformer dihubungkan seri dengan sumber memberikan suatu impedansi urutan nol yang besar sementara transformator zig-zag dihubungkan paralel dengan beban dan memberikan suatu impedansi urutan nol yang kecil. Dengan susunan seperti itu maka arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber ditahan oleh zero sequence blocking transfomer agar tidak mengalir ke beban dan arus harmonisa urutan nol yang berasal dari sumber dilalukan oleh transformator zig-zag kembali ke beban agar tidak mengalir ke sumber. Untuk mendapatkan impedansi urutan nol yang kecil digunakan transformator satu fasa dengan belitan bifilar. Guna mengevaluasi kinerja zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag untuk mengurangi arus harmonisa urutan nol dan sekaligus juga berarti mengurangi arus pada penghantar netral dilakukan dengan simulasi menggunakan program komputer PSIM dan eksperimen di laboratorium. Hasil simulasi dan eksperimen di laboratorium menunjukkan bahwa penggunaan kombinasi zero sequence blocking transfomer dan transformator zig-zag secara efektif dapat mengurangi arus pada penghantar netral hingga lebih dari 95 %. Kata kunci: arus harmonisa urutan nol; arus netral; beban non linier; zero sequence blocking transformer; transformator zig-zag
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The zero-sequence harmonics current or the third sequence of harmonic current generated by non-linear loads potentially cause power quality problems on 4wires 3-phase distributed systems. This research exposes an harmonic current suppression method by utilizing a zero sequence blocking transformer and a zig-zag transformer which employ three single-phase transformers. The zero sequence blocking transformer is connected serially to the power source to generate a high zero sequence impedance, while the zig-zag transformer is connected in paralel to the load to produce a low zero sequence impedance. This transformer network resists zero sequence harmonic current from flowing to the load and forwards the zero sequence harmonic current from power source to the load. In order to produce a low zero sequence impedance, bifilar winding is employed for the single-phase transformers. To evaluate the performance of the zero sequence blocking transfomer and the zig-zag transformer in reducing zero sequence harmonic current as well as decreasing neutral current, the PSIM simulation software was employed and the laboratory-based experiments were performed. The simulation and experiment results show that the combined zero sequence blocking transfomer and zig-zag transformer are able to reduce zero sequence harmonic current so that the neutral current reduced up to more than 95% effectively. Keywords: zero sequence harmonic current; neutral current; non-linear load; zerosequence blocking transformer; zig-zag transformer.
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas berkat rahmat dan ridho-Nya tesis ini dapat disusun dan diselesaikan. Selama menempuh pendidikan dan penulisan serta penyelesaian tesis ini penulis banyak memperoleh dukungan baik secara moril maupun materiil dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis haturkan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada yang terhormat: Bapak Syafii, M.T., Ph.D dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.si. selaku pembimbing yang di dalam berbagai kesibukan dapat menyempatkan diri membimbing dan mengarahkan serta memberi petunjuk dan saran yang sangat berharga bagi penulisan tesis ini; Bapak Ir. Refdinal Nazir, M.S., Ph.D dan Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D sebagai dosen penguji yang telah banyak memberikan masukan-masukan untuk perbaikan tesis ini; Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM & H, M.Sc (CTM), Sp.A (K) selaku Rektor USU dan Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan FT USU, Bapak Surya Tarmizi Kasim, M.Si. selaku Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah memberikan fasilitas dan kesempatan yang diberikan selama mengikuti pendidikan Program Magister; Pengelola, Staf pengajar dan Staf sekretariat Magister Teknik Elektro serta rekanrekan Staf pengajar Departemen Teknik Elektro FT USU yang telah banyak membantu penulis selama mengikuti perkuliahan; Asisten Laboratorium Transmisi dan Distribusi yang telah membantu penulis dalam pengambilan data pada eksperimen yang penulis laksanakan pada laboratorium tersebut; Istri dan anakku yang telah memberikan semangat kepada penulis. Semoga Allah SWT senantiasa memberikan berkat dan anugerah-Nya berlimpah bagi beliau-beliau yang tersebut di atas. Akhirnya harapan penulis semoga tesis ini bermanfaat bagi kita semua.
Medan, Januari 2014 Penulis
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan di bawah ini, Nama
: Zulkarnaen Pane
Tempat/Tanggal Lahir
: Lubuk Pakam / 20 Juli 1957
Jenis Kelamin
: Laki-laki
Agama
: Islam
Bangsa
: Indonesia
Alamat
: Jln. Budi Pembangunan No. 5 B Pulo Brayan Kota, Medan.
menerangkan dengan sesungguhnya bahwa:
PENDIDIKAN 1. Tamatan SD Negeri Tanjung Garbus
Tahun 1969
2. Tamatan SMP Negeri Stabat
Tahun 1972
3. Tamatan SMA Swasta Hang Kesturi Medan
Tahun 1975
4. Tamatan Teknik Elektro FT USU
Tahun 1982
5. Tamatan Magister Teknik Elektro FT USU
Tahun 2014
PEKERJAAN 1. Staf Pengajar Fakultas Teknik USU Medan
Tahun 1983 - Sekarang
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, Januari 2014 Tertanda Zulkarnaen Pane
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI Halaman
ABSTRAK ......................................................................................................... i KATA PENGANTAR ....................................................................................... iii DAFTAR RIWAYAT HIDUP ......................................................................... iv DAFTAR ISI ..................................................................................................... v DAFTAR TABEL..............................................................................................viii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x DAFTAR LAMPIRAN .....................................................................................xiii BAB I.
PENDAHULUAN ............................................................................. 1.1. Latar Belakang............................................................................. 1.2. Perumusan Masalah ..................................................................... 1.3. Tujuan Penelitian ......................................................................... 1.4. Batasan Masalah .......................................................................... 1.5. Manfaat ........................................................................................
1 1 5 7 7 8
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ................................................................... 9 2.1. Umum ......................................................................................... 9 2.2. Harmonisa dan Komponen Urutan Fasa ...................................... 10 2.3. Harmonisa Triplen ...................................................................... 12 2.4. Analisis Arus Konduktor Netral ................................................ 14 2.4.1. Sistem Simetris dan Seimbang ......................................... 15 2.4.2. Sistem Tidak Simetris dan Tidak Seimbang .................... 17 2.4.3. Perbandingan RMS Dari Arus Konduktor Netral dan Arus Fasa Pada Sistem Simetris dan Seimbang......................... 19 2.5. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol .................... 21 2.6. Metode Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol yang Diusulkan Pada Penelitian Ini .................................................... 24 2.6.1. Transformator Zig-Zag ..................................................... 25 2.6.2. Zero-Sequence Blocking Transformer ............................. 28 2.6.2.1. ZSBT dengan Inti Bentuk E dan Toroidal .......... 28
Universitas Sumatera Utara
2.6.2.2. ZSBT Menggunakan Tiga Buah Transformator Satu Fasa .................................... 31 2.6.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Menggunakan Transformator Zig-Zag .............................. 34 2.6.4. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Dengan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Blocking Transformer ...................................................................... 39 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ...................................................... 43 3.1. Tempat dan Waktu ...................................................................... 43 3.2. Pemilihan Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer .................................................................. 43 3.2.1. Transformator Zig-Zag ...................................................... 43 3.2.2. Zero Sequence Blocking Transformer ............................... 45 3.3. Simulasi ....................................................................................... 46 3.3.1. Rangkaian Simulasi ........................................................... 47 3.4. Eksperimen .................................................................................. 51 3.4.1. Bahan dan Peralatan yang Digunakan ............................... 51 3.4.2. Rangkaian Eksperimen ...................................................... 52 3.4.3. Teknik Pengukuran ............................................................ 54 BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN................................ 58 4.1. Hasil Simulasi dan Pembahasan ................................................... 58 4.1.1. Tegangan Sumber Seimbang .............................................. 58 4.1.1.1. Sebelum Pengurangan ........................................... 58 4.1.1.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang............................................................... 60 4.1.1.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Seimbang............................................................... 62 4.1.2. Tegangan Sumber Tidak Seimbang ..................................... 65 4.1.2.1. Sebelum Penggunaan Transformator Zig-Zag ....... 65 4.1.2.2. Arus Harmonisa Urutan Nol Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Sumber Tidak Seimbang ....................... 67 4.1.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag Pada Tegangan Tidak Seimbang...................................................... 70
Universitas Sumatera Utara
4.1.3. Rangkuman Hasil Simulasi .................................................. 73 4.2. Hasil Eksperimen dan Pembahasan ............................................... 74 4.2.1. Sebelum Pengurangan Harmonisa ....................................... 74 4.2.2. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag ......................................................... 78 4.2.3. Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Menggunakan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer........................................................... 84 4.2.4. Rangkuman Hasil Eksperimen............................................. 90 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 92 5.1. Kesimpulan .................................................................................... 92 5.2. Saran .............................................................................................. 93 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 94 LAMPIRAN ....................................................................................................... 96
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL Nomor
Judul
Halaman
1.1
Penelitian yang Pernah Dilakukan………………………………..
2.1
Urutan Fasa Komponen Arus Harmonisa………………………... 12
3.1
Parameter yang Digunakan Dalam Simulasi…………………….. 46
3.2
Titik Pengukuran Pada Eksperimen……………………………… 57
4.1
Nilai Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Seimbang…………………………. 59
4.2
Nilai Arus Fasa dan Netral Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang…………………………………………………………. 61
4.3
Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang………... 63
4.4
Hasil Simulasi Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Tidak Seimbang……………………………………….. 66
4.5
Hasil Simulasi Setelah Penggunaan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang………………………………. 69
4.6
Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Tidak Seimbang… 72
4.7
Rangkuman Hasil Pengukuran Arus Pada Sisi Sumber Berdasarkan Simulasi…………………………………………….. 74
4.8
Hasil Pengukuran Sebelum Pengurangan Harmonisa……………
75
4.9
Hasil Pengukuran Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag……………………………………..
79
4.10
3
Hasil Pengukuran Setelah Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Menggunakan Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer …………………………... 85
Universitas Sumatera Utara
4.11
Rangkuman Hasil Eksperimen…………………………………… 91
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR Nomor
Judul
2.1
2.2
Halaman
Arus Netral Yang Besar Pada Sistem Yang Melayani Beban Non Linear Satu Fasa……………………………………………... 13 `
Aliran Arus Harmonisa Ketiga Pada Transformator Tiga Fasa...... 14
2.3
Beban Tiga Fasa Seimbang Arus Netral Nol……………………... 16
2.4
Beban Tiga Fasa Nonlinear Arus Netral Lebih Besar Dari Arus Fasa…………………………………………………..... 17
2.5
Transformator Zig-Zag…………………………………………… 26
2.6
ZSBT dengan Inti Magnet Bentuk E…………………………….. 28
2.7
ZSBT dengan Inti Magnet Toroidal……………………………… 29
2.8
Konfigurasi ZSBT dengan Tiga Buah Transformator Satu Fasa… 31
2.9
Hubungan Tiga Transformator Satu Fasa Yang Disederhanakan... 32
2.10
Konfigurasi Sistem Distribusi Daya Tiga Fasa Empat Kawat dengan Transformator Zig-Zag…………………………………... 35
2.11
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol…………………………………. 35
2.12
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Tegangan Sumber Dihubung Singkat………………………………………………... 37
2.13
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol, Sumber Arus Rangkaian Terbuka…………………………………………………………... 38
2.14
Kombinasi Zero-Sequence Blocking Transformer dengan Transformator Zig-Zag…………………………………... 40
2.15
Rangkaian Ekivalen Urutan Nol Dari Kombinasi ZSBT dan Transformator Zig-Zag………………………………………. 41
3.1
Rangkaian Simulasi Sebelum Pengurangan Arus Harmonisa
Universitas Sumatera Utara
Urutan Nol dengan Tegangan Seimbang………………………… 48 3.2
Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Seimbang……... 49
3.3
Rangkaian Simulasi Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Seimbang………………………………………………………....
50
Rangkaian Eksperimen Sebelum Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol……………………………………………………….
52
3.4
3.5
Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Transformator Zig-Zag……………………………………. 53
3.6
Rangkaian Eksperimen Pengurangan Arus Harmonisa Urutan Nol Oleh Zero Sequence Blocking Transformer dan Transformator Zig-Zag………………………………………………………….. 54
3.7
Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada Sisi Sumber……………………………………………………....
55
Diagram Penyambungan Pengukuran Oleh PQ Meter Pada Sisi Transformator Zig-Zag……………………………………...
56
3.8
4.1
Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa Pada Kondisi Tegangan Seimbang ……………………………... 58
4.2
Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Pengurangan Oleh Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Seimbang……………………………………………...
61
4.3
Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Pada Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag…………….. 62
4.4
Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag…………………………. 65
4.5
Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa Pada Kondisi Tegangan Sumber Tidak Seimbang…... 66
Universitas Sumatera Utara
4.6
Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak Seimbang………………………………………………….. 69
4.7
Spektrum Arus Fasa Dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak Seimbang………………. 72
4.8
Sebelum Pengurangan Harmonisa Dengan Beban Seimbang: (A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa S; (B) Spektrum Arus Harmonisanya………………………………………………. 77
4.9
Sebelum Pengurangan Harmonisa: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral; (B) Spektrum Harmonisanya……………………….. 78
4.10
Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Jala-Jala Fasa R Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya…………… 81
4.11
Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya……………………………….. 82
4.12
Setelah Pengurangan Harmonisa Menggunakan Transformator Zig-Zag: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag; (B) Spektrum Arus Harmonisanya…………………….. 83
4.13
Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Jala-Jala Fasa R Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya…………………………………………………….. 88
4.14
Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer: (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Sisi Sumber; (B) Spektrum Arus Harmonisanya…………………………………………………….. 89
4.15
Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Kombinasi Transformator Zig-Zag dan Zero Sequence Blocking Transformer : (A) Bentuk Gelombang Arus Netral Pada Transformator Zig-Zag; (B) Spektrum Arus Harmonisanya………………………………... 90
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Halaman
1.
Parameter Transformator.................................................................. 96
2.
Hasil Pengukuran Tegangan, Arus, Frekuensi, Harmonisa, Daya dan Energi ............................................................................... 102
3.
Foto Dokumentasi ............................................................................ 110
Universitas Sumatera Utara
