PERANCANGAN FILTER PASIF ORDE TIGA UNTUK MENGURANGI HARMONISA AKIBAT BEBAN NON LINEAR (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 kVA DI POLITEKNIK NEGERI MEDAN)
TESIS
Oleh: M. Syahruddin 087034003
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan di bawah ini, Nama
: M. Syahruddin
Tempat/Tanggal Lahir
: Langkat, 03 September 1962
Jenis Kelamin
: Laki-laki
Agama
: Islam
Bangsa
: Indonesia
Alamat
: Jl.Pintu Air IV Komp. Politeknik No. 26 Medan.
Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :
PENDIDIKAN 1. Tamatan SD Muhammadiyah, Kab.Langkat
Tahun 1974
2. Tamatan SMP Negeri 2 Binjai
Tahun 1977
3. Tamatan STM YP. Medan Putri Jurusan Listrik
Tahun 1981
4. Tamatan D3 Politeknik ITB Jurusan Listrik
Tahun 1988
5. Tamatan S1 Fak. Teknik USU Jurusan Elektro
Tahun 1998
PEKERJAAN 1. PNS (Staf Pengajar Politeknik Negeri Medan) s.d Sekarang
PENGHARGAAN
1. Satyalancana Karya Satya 20 Tahun dari Presiden RI pada Tahun 2010, Sebagai penghargaan atas pengabdian, kesetiaan, kejujuran, kecakapan dan kedisiplinan dalam melaksanakan tugas sebagai PNS selama 20 Tahun.
Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Medan, Juli 2012 Tertanda,
M. Syahruddin
ABSTRAK
Harmonisa adalah merupakan gangguan dalam sistem distribusi yang disebabkan oleh adanya penggunaan beban non linier. Beban non linier adalah peralatan listrik yang pada umumnya terdiri dari komponen elektronika daya. Karakteristik dari komponen elektronika daya tersebut mengakibatkan munculnya harmonisa. Masalah-masalah yang dapat ditimbulkan oleh harmonisa antara lain adalah meningkatnya rugi-rugi energi, overheating dan faktor daya yang rendah, sehingga diperlukan cara mengurangi gangguan harmonisa tersebut dengan cara memasang filter. Pada penelitian ini filter harmonisa yang dirancang adalah jenis filter pasif orde tiga yang berfungsi untuk mengurangi harmonisa pada sistem distribusi tegangan rendah 380 volt dari transformator distribusi dengan kapasitas 400 kVA. Perancangan filter pasif orde tiga dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan Matlab/Simulink. Melalui simulasi dapat diketahui THD tegangan dan THD arus sebelum dan sesudah dipasang filter, kemudian dibandingkan dengan standar IEEE 519-1992. Untuk Total Distorsi Harmonisa arus (THD i ) dari 25% dengan pemasangan filter pasif orde tiga mampu dikurangi menjadi 5,23% sedangkan untuk Total Distorsi Harmonisa tegangan (THD v ) dari 8,97% berkurang menjadi 6,26%. Selain sebagai sarana untuk mengurangi THD i dan THD v , filter pasif orde tiga bisa juga sekaligus sebagai kompensasi daya reaktif atau perbaikan faktor daya. Dalam penelitian ini faktor daya awal 0,73 (lagging) ditingkatkan menjadi sebesar 0,96 (lagging).
Kata-kata kunci: filter pasif orde tiga, THD v ,THD i, faktor daya
ABSTRACT
Harminsa is an outage of the distribution system which is caused by the use of nonlinear load. The non-linear load is electric equipment which generally consists of the components of electric power. The characteristics of the electric power components cause the exixtence of harmonisa. Some problems caused by harmonisa are, among others, the increase of the energy losses, overheating, and low power so that it is nesecessary to find the solution of how to decrease the constraint of harmonisa by installing filter. In this research, the designed harmonisa filter was the type of order three passive filter which was function to decrease harmonisa in the distribution system of 380 volt low voltage from the transformer distribution with the capacity of 400kVA. The design of order three passive filter was modeled and simulated by using Matlab/Simulink of 7.1 Power System Blockset Version. Through the simulation, we could know the THD voltage and the THD of the flow before and after the filter was installed, and then it was compared with the standard of IEEE 519-1992. The total flow of 25% harmonisa distortion (THDi) with the installment of order three passive filter could be decreased to 5.23%, whereas the total of 8.9% of voltage harmonisa distortion (THDv) could be decreased to 6.26%. Besides it was used as a means for decreasing THDi and THDv order three passive filter could also be used as the compensation of reactive voltage or the reparation of voltage factor. In this research, the early 0.73 (lagging) of voltage factor (pf) was targeted to increase to 0.96 (lagging) of voltage factor (pf).
Keywords : Order Three Passive Filter, THD, Voltage
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur kepada ALLAH SWT, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul: PERANCANGAN FILTER PASIF ORDE TIGA UNTUK MENGURANGI HARMONISA AKIBAT BEBAN NON LINIER
(STUDI
KASUS
PADA
TRANSFORMATOR
400
kVA
DI
POLITEKNIK NEGERI MEDAN), yang merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Pascasarjana pada Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pada kesempatan yang berbahagia ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan sekaligus sebagai Ketua Komisi Pembimbing, yang telah banyak memberikan dorongan semangat, arahan, petunjuk serta nasehat yang bermanfaat dalam menentukan langkah-langkah penelitian dan penulisan, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Bapak Ir. Ashuri, MT, selaku Komisi Pembimbing yang telah bekerja keras siang dan malam memberikan banyak bantuan, arahan, petunjuk dan nasehat yang bermanfaat kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini tepat pada waktunya. Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT dan Bapak Ir. Suprapto, MT selaku Komisi Penguji pada Sidang Tesis, yang banyak memberikan saran dan masukan kepada penulis demi perbaikan tesis ini. Bapak Ir. Zulkifli Lubis, M. I.
Komp., Direktur Politeknik Negeri Medan yang telah memberikan izin belajar, dorongan semangat serta dukungan materil dan moril kepada penulis. Bapak-bapak Dosen pada Program Magister Teknik Elektro, rekan-rekan mahasiswa dan rekan sejawat di Politeknik Negeri Medan yang telah begitu banyak berpartisipasi membantu sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberikan bantuan dan dukungan baik moril maupun materil kepada penulis. Semoga Allah memberikan kebahagiaan, berkah dan karunia kepada semua pihak yang telah membantu penulis sehingga selesainya tesis ini. Semoga tesis ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membaca. Terima kasih.
Medan,
April 2012
M. Syahruddin NIM: 087034003
DAFTAR ISI
Halaman ABSTRAK…………………………………………………………….......
i
ABSTRACT………………………………………………………………..
ii
KATA PENGANTAR……………………………………………………
iii
DAFTAR ISI……………………………………………………………...
v
DAFTAR TABEL………………………………………………………...
vii
DAFTAR GAMBAR……………………………………………………..
viii
BAB 1 PENDAHULUAN………………………………………………..
1
Latar Belakang Masalah…………………………………... Perumusan Masalah……………………………………….. Batasan Masalah…………………………………………... Tujuan Penelitian………………………………………….. Manfaat Penelitian………………………………………… Metodologi Penelitian…………………………………….. Sistematika Pembahasan………………………………….. Relevansi………………………………………………..
1 5 5 6 6 7 7 7
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………
8
1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8.
2.1. 2.2. 2.3. 2.4.
Faktor Daya………………………………………………... Kompensasi Daya Reaktif…………………………………. Harmonisa…………………………………………………. Definisi dan Standard Harmonisa Yang Umum Digunakan…………………………………………………. 2.4.1. Orde harmonisa……………………………………... 2.4.2. Spektrum harmonisa………………………………… 2.4.3. Harga rms tegangan dan arus……………………….. 2.4.4. Total Harmonic Distortion (THD)………………….. 2.4.5. Total Demand Distortion (TDD)……………………. 2.5. Pengaruh Negatif dari Harmonisa…………………………. 2.6. Transformator……………………………………………… 2.6.1. Losses (rugi-rugi) pada transformator……………….
8 9 11 14 14 14 15 16 16 18 20 21
2.6.2. Harmonisa pada Transformator……………………... 2.7. Filter Pasif…………………………………………………. 2.7.1. Resonansi……………………………………………. 2.7.2. Resonansi seri……………………………………….. 2.7.3. Resonansi paralel……………………………………. 2.8. Filter Pasif Orde Tiga……………………………………… 2.9. Perhitungan Impedansi Sistem…………………………….. BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN………………………………
21 22 23 25 28 30 34 36
3.1. Sistem Kelistrikan di Politeknik Negeri Medan…………… 3.2. Data Sistem Distribusi……………………………………... 3.3. Harmonisa…………………………………………………. 3.3.1. Hasil pengukuran………………………………….… 3.4. Simulasi……………………………………………………. 3.5. Analisis Perhitungan Impedansi Sistem…………………… 3.5.1. Impedansi saluran…………………………………… 3.5.2. Impedansi transformator……………………………. 3.6. Analisis Perhitungan Komponen Filter…………………….
36 37 38 39 41 45 46 46 47
BAB 4 HASIL DAN ANALISIS……………………………………….
51
4.1. Hasil Simulasi………………………………………………. 4.2. Perbandingan Bentuk Gelombang Arus dan Spektrum THD i ………………………………………………………... 4.3. Perbandingan Bentuk Gelombang Tegangan dan Spektrum THD v ……………………………………………..
51 53 55 58
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN………………………………… 5.1. Kesimpulan…………………………………………………. 5.2. Saran………………………………………………………...
58 58 60
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………. 62 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
2.1.
Maksimum harmonisa arus menurut standar IEEE 519-1992.
17
2.2.
Batas harmonisa tegangan pada frekuensi fundamental……..
18
2.3.
Polaritas dari komponen harmonisa……………..…………...
19
2.4.
Akibat dari polaritas komponen harmonisa………………….
19
3.1.
Data spesifikasi transformator distribusi 400 kVA…………..
37
3.2.
Impedansi kabel……………………………………………...
38
3.3.
Tabel hasil pengukuran………………………………………
40
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
1.1.
Gelombang fundamental, harmonisa ke-3 dan hasil penjumlahannya……………………………………………...
2
2.1.
Hubungan segitiga daya pada rangkaian arus bolak-balik…...
9
2.2.
Gambar vektor perbaikan faktor daya…………..……………
10
2.3.
Gelombang tegangan fundamental dan harmonisa ke-3……..
12
2.4.
Gelombang non linier dengan menjumlahkan gelombang…..
12
2.5.
Spektrum harmonisa arus…………………………………….
15
2.6.
Bentuk konfigurasi dari filter pasif…………………………..
23
2.7.
Arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan…………
24
2.8.
Arus harmonisa sebahagian mengalir menuju kapasitor…….
25
2.9.
Rangkaian resonansi seri…………………………………….
25
2.10.
Impedansi vs frekuensi untuk resonansi seri………………...
26
2.11.
Sistem distribusi tenaga listrik yang berpotensi resonansi seri
27
2.12.
Rangkaian resonansi paralel…………………………………
28
2.13.
Impedansi vs frekuensi untuk resonansi parallel…………….
29
2.14.
Sistem distribusi industri yang berpotensi resonansi paralel...
30
2.15.
Filter Pasif orde tiga………………………………………….
30
3.1.
Diagram satu garis sistem kelistrikan di Politeknik Negeri Medan………………………………………………………..
36
3.2.
Bentuk gelombang arus dan tegangan hasil pengukuran…….
39
3.3.
Spektrum harmonisa arus hasil pengukuran dengan THDi =
40
3.4.
Besaran daya hasil pengukuran………………………………
41
3.5.
Rangkaian simulasi sistem pada kondisi awal……………….
42
3.6.
Spektrum harmonisa arus sebelum menggunakan filter……..
42
3.7.
Gelombang arus sebelum menggunakan filter……………….
43
3.8.
Spektrum harmonisa tegangan sebelum menggunakan filter..
43
3.9.
Gelombang tegangan sebelum menggunakan filter………….
44
3.10.
Gambar simulasi dengan filter pasif orde tiga……………….
45
4.1.
Bentuk gelombang arus setelah dipasang filter……………...
51
4.2.
Spektrum harmonisa arus setelah dipasang filter…………….
51
4.3.
Bentuk gelombang tegangan setelah dipasang filter…………
52
4.4.
Spektrum harmonisa tegangan setelah dipasang filter……….
52
4.5.
Bentuk gelombang arus sebelum dipasang filter…………….
53
4.6.
Bentuk gelombang arus setelah dipasang filter……………...
54
4.7.
Spektrum harmonisa arus sebelum dipasang filter…………..
54
4.8.
Spektrum harmonisa arus setelah dipasang filter…………….
55
4.9.
Bentuk gelombang tegangan sebelum dipasang filter……….
55
4.10.
Bentuk gelombang tegangan setelah dipasang filter…………
56
4.11.
Spektrum harmonisa tegangan sebelum dipasang filter……...
56
