ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)
TESIS
Oleh
SILMI 087034010/TE
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
Universitas Sumatera Utara
ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh SILMI 087034010/TE
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
Universitas Sumatera Utara
Judul Tesis
: ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 KVA POLITEKNIK NEGERI MEDAN)
Nama Mahasiswa : S i l m i NIM
: 087034010
Program Studi
: Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing
(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai)
(Ir. Ashuri, MT)
Ketua
Anggota
Ketua Program Studi,
Dekan,
(Prof. Dr. Ir. Usman Baafai)
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Tanggal Lulus : 13 Agustus 2011 Telah Diuji Pada
Universitas Sumatera Utara
Tanggal : 13 Agustus 2011
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Prof. Dr. Ir. Usman Baafai
Anggota
: 1. Ir. Ashuri, MT 2. Ir. Riswan Dinzi, MT 3. Ir. Suprapto, MT 4. Dr. Eng. Ariadi Hazmi
`
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier, yang merupakan sumber terbentuknya gelombang frekuensi tinggi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Frekuensi tinggi ini dapat mengganggu sistem kelistrikan, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan yang idealnya adalah sinusoidal murni menjadi cacat. Dampak dari tegangan dan arus ini dapat menimbulkan panas yang berlebihan, rugi-rugi energi dan menurunnya faktor daya sehingga pada akhirnya penggunaan energi listrik menjadi tidak efisien. Beban listrik non linier umumnya menggunakan komponen elektronika daya yang pada prosesnya bekerja sebagai saklar, menghasilkan gangguan gelombang yang tidak sinusoidal. Untuk meredam harmonisa yang terjadi, diperlukan filter agar Distortion Harmonisa Total (THD) arus dan tegangan tidak melebihi standard IEEE 519-1992. Filter yang dirancang dalam penelitian ini adalah filter pasif dengan tipe second order damped. Untuk melihat besarnya kandungan harmonisa yang ditimbulkan oleh beban non linier digunakan alat ukur Power Quality Analyzer. Penelitian ini dilakukan pada sistem tegangan rendah 380 volt dari transformator distribusi dengan kapasitas 400 kVA di Politeknik Negeri Medan. Perancangan filter dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan program MATLAB/SIMULINK. Melalui simulasi dapat diketahui THDi dan THDv sebelum dan setelah menggunakan filter, kemudian akan dibandingkan dengan standar IEEE 519-1992. Dengan menggunakan filter second order, THDi dapat berkurang dari 24,85% menjadi 6,62%, sedangkan THDv bertambah dari 2,99% menjadi 3,47% dan faktor daya dapat ditingkatkan dari 0,73 menjadi 0,978 lagging. Kata kunci: Harmonisa, faktor daya, filter second order damped, THD.
i Universitas Sumatera Utara
12
ABSTRACT
Harmonics is a phenomenon which arises as the effect of operating non linear electrical load it becomes the source of the formation of high frequency waves, multiplied from its fundamental frequency. This high frequency can disrupt the electrical system so that the ideal pure sinusoidal current waveform and tension become defective. The effects of these tension and current can cause excessive heat, energy losses, and the decrease in power factor which eventually the use of electrical energy becomes inefficient. The non-linear electrical load generally uses electronic power components which, in its process, function as the switch and causes non-sinusoidal wave distortion. In order to muffle the incident of harmonics, a filter is used so that the Total Harmonics Distortion (THD) of current and waves do not exceed the IEEE 519-1992 standard. The filter, designed in this research, was the passive filter with second order damped type. The measuring instrument of Power Quality Analyzer was used to know the harmonics content caused by the non linear load. This research was conducted with the system of low voltage of 380 volts from the distributive transformer with the capacity of 400 kVA at Politeknik Negeri, Medan. The filter design was modeled and simulated by using MATLAB/SIMULINK program. Through the simulation, the THD and THDv could be known before and after using the filter; it was then compared with the IEEE 519-1992 standard. By using the second order filter, the THDi could decrease from 24.85% to 6.62%, whereas THDv could increase from 2.99% to 3.47%, and the power factor could be increased from 0.73 to 0.978 lagging. Keywords: Harmonics, Power Factor, Second Order Damped Filter, THD
ii Universitas Sumatera Utara
13
KATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur kepada ALLAH SWT, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul: ANALISIS KEBUTUHAN FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI GANGGUAN HARMONISA DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA MENGGUNAKAN SECOND ORDER DAMPED (STUDI KASUS PADA TRANSFORMATOR 400 KVA 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. Bustami Syam, MSME sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera 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 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, Bapak Ir. Suprapto MT dan Bapak Dr. Eng. Ariadi Hazmi, selaku Pembanding Utama I, II dan III. 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. Teristimewa kepada istri tercinta Ir. Rina Anugrahwaty MT dan anak-anakku tersayang, Insidini Fawwaz, Sharfina Faza dan Faizzufar Taqy yang telah memberikan semangat, sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan S2 Teknik Elektro. Bapak-bapak dosen, rekan-rekan
iii Universitas Sumatera Utara
14
mahasiswa dan rekan sejawat di Politeknik Negeri Medan
yang telah 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 tulisan ini. Semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat kepada siapa saja yang membaca. Terima kasih.
Medan,
Oktober 2011 Penulis
Silmi
iv Universitas Sumatera Utara
15
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Saya yang bertanda tangan dibawah ini, Nama
: Silmi
Tempat/Tanggal lahir
: Medan, 28 Oktober 1959
Jenis Kelamin
: Laki – laki
Agama
: Islam
Bangsa
: Indonesia
Alamat
: Jl. Dahlia Raya, Perumahan Dahlia No. 18 Helvetia Medan
Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa: PENDIDIKAN 1. Tamat SD Negeri 96, Medan
Tahun 1969
2. Tamat SMP Negeri I, Medan
Tahun 1975
3. Tamat SMA Harapan Medan
Tahun 1979
4. Tamat Akademi Teknik Harapan Medan
Tahun 1983
5. Tamat Sarjana Teknik Elektro UMA, Medan
Tahun 1989
PEKERJAAN 1. Staf Pengajar Politeknik Negeri Medan
Tahun 1991 - sekarang.
v Universitas Sumatera Utara
16
Demikianlah riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya. Medan,
Oktober 2011
Tertanda,
Silmi
vi Universitas Sumatera Utara
17
DAFTAR ISI Halaman
ABSTRAK…………………………………………………………....
i
ABSTRACT …………………………………………………………. ii KATA PENGANTAR …………………………………………….… iii DAFTAR ISI………………………………………………................ iv DAFTAR TABEL …………………………………………………... vi DAFTAR GAMBAR………………………………………...............
v
PENDAHULUAN …………………………………………………...
1
Latar Belakang Masalah……………………………….............. Rumusan Masalah……………………………………………... Batasan Masalah………………………………………………. Tujuan Penelitian…………………………………………….… Manfaat Penelitian………………………………………….….. Metodologi Penelitian…………………………………….….… Sistematika Pembahasan………………………………............. Relevansi……………………………………………….............
1 6 6 7 7 7 7 8
BAB 1
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA ………………………………………….…
9
Resonansi………………………………………………………. Resonansi Seri…………………………………………………. 2.2 Resonansi Paralel………………….……………………... 2.3 Rangkaian RLC kombinasi……………… ……………… 2.4 Harmonisa……….……………………………………………... 2.5 Kapasitor Bank…………………………………......................... 2.6 Sumber-sumber dan Dampak Harmonisa……………………… 2.6.1 Sumber-sumber harmonisa…………………………….… 2.6.2 Dampak Harmonisa…………………………………….. 2.7 Scan Impedansi dengan Metode Norton……………………..… 2.8 Filter Harmonisa……………………………………………….. 2.9 Batasan Harmonisa………………………………………….…. 2.10 Filter Pasif……………………………………………………... 2.11 Filter Second Order Damped…………………………………..
9 10 12 16 17 21 26 26 26 29 31 33 35 37
2.1 2.1
vii Universitas Sumatera Utara
18
BAB 3
2.12 Rancangan Filter……………………………………………….. 2.13 Menentukan Komponen Filter Second Order Damped..……… 2.13.1 Kapasitansi (C)…………………………………….… 2.13.2 Induktansi (L)……………………………….……… 2.13.3 Resistansi. (R)………………………………….……
38 38 38 39 40
METODE PENELITIAN …………………………………………..
41
Lokasi Penelitian….………………………………………….. Data Sistem Distribusi………………………………………... Pengukuran Harmonisa …………………………………….… Simulasi Sebelum Pemasangan Filter ………………………. Simulasi Dengan Pemasangan Filter ………... ………………
41 42 44 45 46
HASIL DAN ANALISIS ……………………………………….….
47
Hasil pengukuran dan simulasi .............………………..……. 4.1.1 Hasil pengukuran ……..…………..........…………….. Analisis Perhitungan Impedansi Sistem ……………………... 4.2.1 Impedansi Saluran …………………….........……...… 4.2.2 Impedansi Transformator …….…………………….... 4.2.3 Impedansi Sistem …………………...….……………. 4.2.4 Impedansi Beban ………………………………….…. Hasil Simulasi SebelumPemasangan Filter … ……………… Analisis Perhitungan Filter ………………………………….. Hasil Simulasi Setelah Pemasangan Filter …………………..
47 47 51 51 52 52 53 54 57 60
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 BAB 4
4.1 4.2
4.3 4.4 4.5
KESIMPULAN DAN SARAN …………………………..……… 5.1 Kesimpulan ………………………………………………….. 5.2 Saran ……………………………………………………….
65 65 67
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………. ……...
71
BAB 5
LAMPIRAN
viii Universitas Sumatera Utara
19
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
2.1
Limit tegangan harmonisa standar IEEE 519-1992……...............
32
2.2
Limit arus harmonisa standar IEEE 519-1992………………….
32
3.1
Data spesifikasi transformator distribusi 400 kVA……………..
43
3.2
Impedansi Kabel …….………………………………………….
44
4.1
Hasil Pengukuran Arus …………………………………….....…
47
4.2
Impedansi Sistem dan Impedansi Beban…………………………
54
4.3
Impedansi dan Komponen Filter………………………………….
58
4.4
Perbandingan THD hasil simulasi sebelum dan setelah pemasangan filter ……………………………………………………..…. …… 68
ix Universitas Sumatera Utara
110
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
1.1
Bentuk gelombang, spektrum beban linier, beban non linier……
3
2.1
Rangkaian RLC seri……………………….……………………..
10
2.2
Rangkaian ekivalen sistem distribusi resonansi seri…………….….. 11
2.3
Impedansi vs frekuensi resonansi seri…………………………..
12
2.4
Rangkaian RLC paralel..…………………………………...........
12
2.5
Sistem distribusi berpotensi resonansi paralel.…………………..
14
2.6
Impedansi vs frekuensi resonansi paralel.……………………….
14
2.7
Impedansi vs frekuensi berbagai ukuran kapasitor………...........
15
2.8
Kurva Impedansi vs frekuensi RLC kombinasi.………................
16
2.9
Bentuk gelombang terdistorsi oleh harmonisa…………..............
18
2.10
Koreksi faktor daya dari kapasitor bank…………………………
21
2.11
Sistem kapasitor bank dan diagram phasor………………............
23
2.12
Dampak harmonisa terhadap peralatan……………………..........
27
2.13
Letak PCC pada sebuah sekunder transformator………………...
28
2.14
Letak PCC pada sebuah primer transformator ………….............
28
2.15
Diagram satu garis sistem dengan filter………………………….
29
2.16
Rangkaian ekivalen Norton pada frekuensi harmonisa…………..
30
2.17
Tipe-tipe filter harmonisa pasif………………………..................
36
2.18
Filter second order damped……………………………...............
37
3.1
Diagram satu garis distribusi Politeknik Negeri Medan…… ……
41
3.2
Rangkaian simulasi sistem sebelum pemasangan filter .…………
45
3.3.
Rangkaian simulasi dengan filter second order damped…..…
46
x Universitas Sumatera Utara
111
4.1
Bentuk gelombang arus dan tegangan hasil pengukuran ………..
48
4.2
Bentuk spektrum harmonisa arus hasil pengukuran………………
49
4.3
Besaran daya dan faktor daya hasil hasil pengukuran …….….….
50
4.4
Bentuk gelombang arus setelah pemasangan filter ……… ……….
52
4.5
Bentuk gelombang tegangan sebelum menggunakan filter ………. 52
4.6
Spektrum harmonisa arus sebelum pemasangan filter …….............
56
4.7
Spektrum harmonisa tegangan sebelum pemasangan filter ............
56
4.8
Bentuk gelombang arus setelah pemasangan filter …….…………..
61
4.9
Bentuk gelombang tegangan setelah pemasangan filter ………….
61
4.10
Spektrum harmonisa arus setelah pemasangan filter …….….…...
62
4.11
Spektrum harmonisa tegangan setelah pemasangan filter .……....
62
xi Universitas Sumatera Utara
112
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1
Data arus hasil simulasi sebelum pemasangan filter
Lampiran 2
Data tegangan hasil simulasi sebelum pemasangan filter .
Lampiran 3
Data arus hasil simulasi setelah pemasangan filter
Lampiran 4
Data arus hasil simulasi setelah pemasangan filter
Lampiran 5
Data spesifikasi kabel.
Lampiran 6
Data spesifikasi PQA merek FLUKE
xii Universitas Sumatera Utara
