Filter Harmonisa TINJAUAN PUSTAKA

48 Seperti diketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik bekerja dengan sumber tegangan arus searah sehingga dalam operasinya dibutuhkan peralatan penyearah dan dihubungkan langsung ke sumber tegangan bolak-balik. Untuk penyearah yang gelombang arusnya terdistorsi cukup tinggi dan banyak dipakai secara bersamaan dimasukkan dalam kategori kelas D. Sementara untuk penyearah dengan arus yang terdistorsi cukup rendah dapat dimasukkan dalam kategori kelas A. Tabel 2.5 memperlihatkan batas harmonisa untuk kelas D dan penyearah dengan daya 100 watt. Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas D [16] Harmonisa ke-n Batas Kelas D untuk input 100W A 3 0,34 5 0,19 7 0,10 9 0,05 11 0,035 13≤n≤39 0,386n

2.6. Filter Harmonisa

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya Universitas Sumatera Utara 49 sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang di timbulkan oleh beban tidak linier yaitu diantaranya: 1. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumbernya dan mengurangi peyebaran arusnya. 2. Penggunaan filter aktif. 3. Kombinasi filter aktif dan pasif. 4. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain. Disamping sistem di atas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar, proses ini mengakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan induktor sistem. 2.6.1. Filter pasif Filter pasif dipasang pada sistem dengan tujuan utama untuk meredam harmonisa dan tujuan lain yaitu untuk memperbaiki faktor daya, berupa komponen R, L dan C yang dapat ditala untuk satu atau dua frekuensi. Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonisa. Universitas Sumatera Utara 50 Dalam beberapa kasus, reaktor saja tidak akan mampu mengurangi distorsi harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Dalam kasus ini sangat diperlukan filter yang lebih baik [17]. L C Vo R Gambar 2.14 Rangakain filter pasif [18] Filter pasif yang terdiri dari susunan seri resistor, kapasitor dan induktor yang ditunjukkan Gambar 2.11 yang diatur pada frekuensi harmonisa tunggal dan mempunyai impedansi sangat rendah. Jika filter harmonisa diatur sebagai teknik peredaman harmonisa, maka kita perlu memberikan filter ganda untuk memenuhi batas distorsi yang ditentukan. Saat menggunakan filter harmonisa, selanjutnya kita juga perlu mengambil tindakan pencegahan khusus untuk mencegah interferensi antara filter dan sistem tenaga. Sebuah filter harmonisa dengan impedansi rendah untuk frekuensi harmonisa tertentu terlepas dari sumbernya. Oleh karena itu, peredam harmonisa mencoba untuk menyerap semua harmonisa yang mungkin ada dari semua sumber gabungan beban tidak linier pada sistem. Saat filter harmonisa jenis shunt dihubungkan dengan sistem daya, akan menyebabkan pergeseran frekuensi resonansi Universitas Sumatera Utara 51 alami pada sistem tenaga. Jika frekuensi baru ini di dekat frekuensi harmonisa, maka kemungkinan untuk mengalami suatu kondisi resonansi yang merugikan yang dapat mengakibatkan amplifikasi harmonisa dan kegagalan kapasitor atau induktor. 2.6.2. Filter single tune Filter single tune ST adalah rangkaian R, L dan C yang dihubungkan secara seri yang ditala untuk meredam satu frekuensi harmonisa saja, umumnya memiliki karakteristik impedansi harmonisa yang rendah. Total impedansi yang diberikan adalah [19,20]: Gambar filter single tune ditunjukkan oleh Gambar 2.15 berikut ini: L n C n Vo R n Vi induktif kapasitif R |Z| R 2 1 2 ɷ n Gambar 2.15. Rangkaian filter single tune dan kurva impedansi vs frekuensi [19] Dari Gambar 2.15 terlihat karakteristik dari filter sngle tune adalah impedansi filter akan bernilai sama dengan R pada saat frekuensi resonansi. Universitas Sumatera Utara 52 Zc Beban motor equivalen Zm Trafo Zt Impedansi sumber Zu Filter pasif single tune Beban non linier Sumber tenaga listrik Gambar 2.16. Filter single tune pada saluran sistem tenaga [20] Gambar 2.16 memperlihatkan contoh penempatan filter single tune pada jaringan distribusi tenaga listrik. Filter dipasang paralel dengan beban motor untuk mereduksi harmonisa yang dihasilkan oleh motor tersebut agar tidak masuk ke sumber. Arus harmonisa diinjeksikan dari sumber harmonisa melalui impedansi Zc, dibagi menjadi filter dan sistem. Impedansi sistem pada hal ini diperlihatkan dengan Zs, terdiri dari impedansi sumber Zu yang terpasang seri dengan impedansi transformator Zt dan terhubung paralel dengan impedansi motor. Arus harmonisa yang diinjeksikan ke sistem dinyatakan oleh Persamaan 2.22 [20]: Universitas Sumatera Utara 53 Dimana = arus harmonisa yang diinjeksikan ke sistem, = arus yang melalui filter dan = arus yang melalui impedansi sistem. Tegangan harmonisa yang melalui impedansi filter sama dengan tegangan harmonisa yang melalui impedansi sistem tenaga equivalen seperti dinyatakan oleh Persamaan 2.24 dan 2.25 [20]: dan adalah nilai kompleks yang terdistribusi dari arus harmonisa pada filter dan impedansi sistem atau dapat ditulis sebagai admitansi. Rancangan filter yang baik mempunyai mendekati satu, biasanya 0,095 dan pada sistem adalah 0,05. Sudut impedansi dari dan adalah -81 O dan -2,6 O . Tegangan harmonisa diusahakan nilainya serendah mungkin. Rangkaian ekuivalen pada Gambar 2.16 memperlihatkan impedansi mempunyai peranan yang penting dalam mendistribusikan arus harmonisa. Pada impedansi sistem yang tidak terbatas, maka filterisasi akan menjadi sangat baik, sehingga arus harmonisa tidak masuk ke impedansi sistem. Filter single tune mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi, sehingga arus yang mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi resonansi akan Universitas Sumatera Utara 54 dibelokkan melalui filter. Dari Gambar 2.15 besarnya impedansi filter single tune pada frekuensi fundamental dapat dilihat pada Persmaan 2.26 berikut ini [21]: Sedangkan besarnya impedansi filter single tune pada frekuensi resonansi dari Persamaan 2.26 menjadi: Jika frekuensi sudut pada saat resonansi dirumuskan dengan Persamaan 2.28, maka Persamaan 2.27 atau impedansi filter menjadi sebagai berikut: Nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif saat resonansi sama besar maka impedansi filter adalah: Universitas Sumatera Utara 55 Dari Persamaan 2.30 terlihat bahawa pada frekuensi resonansi filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil, lebih kecil daripada impedansi beban yaitu sama dengan tahanan induktor R, sehingga arus harmonisa yang mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi resonansi yang akan dialirkan atau dibelokkan melalui filter dan tidak mengalir ke sistem. Pada dasarnya sebuah filter single tune dipasang untuk semua orde harmonisa yang akan dihilangkan. Filter ini dihubungkan pada busbar dimana pengurangan tegangan harmonisa ditentukan. Besarnya tahanan induktor R biasanya ditentukan oleh quality faktor Q atau faktor kualitas. Faktor kualitas adalah kualitas listrik dari suatu induktor, dimana secara matematis Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan R. Jika nilai Q yang dipilih besar maka nilai R kecil dan kualitas filter semakin bagus karena energi yang dipakai oleh filter semakin kecil yang artinya rugi-rugi panas filter semakin kecil [20]: Pada frekuensi tuning reaktansi adalah: Quality faktor Q: Tahanan induktor akan diperoleh berdasarkan Persamaan 2.33: Universitas Sumatera Utara 56 2.6.3. Faktor detuning Faktor detuning atau relative frequency deviation δ menyatakan perubahan frekuensi dari frekuensi nominal penyetelannya. Faktor detuning berkisar antara 3- 10 dari resonansi harmonisa [22,23]. Faktor detuning dapat dinyatakan sebagai berikut: Bila temperatur menyebabkan perubahan induktansi dari induktor dan perubahan kapasitansi dari kapasitor maka faktor detuning menjadi Persamaan 2.35 dan 2.36 [24]: Dari Persamaan 2.35 maka diperoleh frekuensi tuning: Dimana: Universitas Sumatera Utara 57 2.6.4. Perancangan filter single tune Perancangan filter single tune untuk menentukan besarnya komponen- komponen dari filter single tune tersebut, dimana filter single tune terdiri dari hubungan seri komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan [16,17,19]. Adapun langkah-langkah dalam merancang filter single tune untuk orde harmonisa ke-h: a. Menentukan ukuran kapasitor Q, berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya, dimana daya reaktif kapasitor Q c dapat ditentukan dengan Persamaan 2.38 [17]. Dimana: P= beban kW , b. Menentukan reaktansi kapasitor Xc: Dimana, V: tegangan terminal filter c. Menentukan kapasitansi dari kapasitor C: Universitas Sumatera Utara 58 d. Menentukan reaktansi induktif dari induktor pada saat resonansi seri: dimana : orde harmonisa yang dituning. e. Menentukan induktansi dari induktor L n : f. Menentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning: g. Menentukan tahanan R dari inductor dimana Q: faktor kualitas filter. Universitas Sumatera Utara 59 2.6.5. Filter double tune Rankaian dari sebuah filter double tune ditunjukkan oleh Gambar 2.17 berikut ini: C1 L1 R1 L2 R2 C2 R3 Gambar 2.17 Rangkaian dasar filter double tune [20] Sebuah filter double tune adalah diturunkan dari dua buah filter single tune seperti Gambar 2.18 sebagai berikut: Ca Cb Lb La Rb Ra C1 L1 R1 L2 R2 C2 R3 a b Gambar 2.18. Konversi filter single tune menjadi double tune. a filter single tune paralel, b ekuivalen filter double tune [8,20] Universitas Sumatera Utara 60 Penggambaran karakteristik filter berupa hubungan antara impedansi filter Z versus frekuensi sudut ω antara dua buah filter single tune dan satu buah filter double tune ekuivalennya terlihat pada Gambar 2.19 berikut ini: Gambar 2.19. Grafik hubungan impedansi Z vs frekuensi ω filter single tune paralel dan filter double-tune ekuivalen [20] Dari grafik Z versus ω pada Gambar 2.19 dapat kita terlihat bahwa pemasangan 2 buah single tune secara parallel identik dengan pemasangan satu buah filter double tune dengan mengkonversikan nilai-nilai dari filter single tune menjadi double tune, namun demikian filter single tune lebih tepat karena mempunyai impedansi yang mendekati nol tepat pada frekuensi harmonisa tuning-nya. Dalam grafik tersebut juga terlihat kecuraman kurva pada kedua jenis kombinasi filter tersebut adalah sama. Berikut ini merupakan transformasi atau konversi dua buah filter single tune pada frekuensi yang berbeda menjadi filter double tune [8,20]. Universitas Sumatera Utara 61 Dimana: Umumnya R1 tetap sedangkan R2 dan R3 dimodifikasi sehingga impedansi mendekati resonansi yang mana dalam prakteknya sama. Sedangkan L1 akan mempunyai tahanan yang sama yang mana nilainya sesuai dengan Persamaan 2.50. Universitas Sumatera Utara 62 Adapun yang menjadi keuntungan daripada dua filter single tune adalah rugi- rugi daya pada frekuensi fundamental lebih kecil dan satu induktor dari dua yang ada diberikan tegangan impulse penuh. Ketahanan isolasi filter pada reaktor L2 adalah berkurang pada saat reaktor L1 menerima tegangan impulse penuh. 2.6.6. Resonansi Keadaan dimana reaktansi induktif X L dari sistem dan reaktansi kapasitif X C dari kapasitor untuk perbaikan faktor daya sama besar pada suatu frekuensi harmonisa tertentu disebut resonansi. Rangkaian sistem distribusi pada umumnya adalah elemen induktif, maka adanya kapasitor yang digunakan untuk perbaikan faktor daya dapat menyebabkan siklus transfer energi antara elemen induktif dan kapasitif pada frekuensi resonansi, dimana pada frekuensi resonansi ini besarnya reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar. Kombinasi elemen induktif L dan kapasitif C dilihat dari suatu rel dimana arus harmonisa diinjeksikan oleh beban tidak linier, interaksi antara arus harmonisa dengan impedansi sistem yang terdiri dari L dan C dapat menghasilkan resonansi seri akan menghasilkan arus harmonisa yang besar melalui elemen tertentu dari rangkaian. Selain menghasilkan resonansi seri bisa juga menghasilkan resonansi paralel. Resonansi paralel ini menghasilkan tegangan yang besar pada elemen tertentu pada rangkaian. Arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan, hal itu terjadi pada sumber distribusi dimana arus harmonisa yang dibangkitkan sumber harmonisa akan menuju ke sumber daya sistem distribusi, karena impedansi dari sistem adalah sangat Universitas Sumatera Utara 63 kecil jika dilihat dari rel dimana arus harmonisa diinjeksikan sehingga menyebabkan arus harmonisa mengalir menuju sumber tegangan seperti terlihat pada Gambar 2.20. Generator Transformator Beban non linier 1 Beban non linier 2 Gambar 2.20. Arus harmonisa beban yang mengalir menuju sumber tegangan [17] Untuk memperbaiki faktor daya dapat mengubah pola aliran arus harmonisa dapat digunakan kapasitor [17], sebab arus harmonisa akan mengalir menuju impedansi terkecil dan karena pada frekuensi harmonisa reaktansi kapasitor adalah kecil dan dapat lebih kecil daripada impedansi sistem, sehingga sebagian aliran arus harmonisa akan menuju kapasitor seperti Gambar 2.21. Generator Transformator Beban non linier 1 Beban non linier 2 Arah arus harmonisa secara normal Arus harmonisa berubah arah menuju C C Gambar 2.21. Arus harmonisa beban yang mengalir menuju kapasitor [17] Universitas Sumatera Utara 64 Arus harmonisa yang sebagian mengalir menuju kapasitor seperti Gambar 2.21 akan menyebabkan terjadinya panas berlebihan pada kapasitor dan dapat merusak isolasi kapasitor tersebut. 2.6.7. Resonansi seri Rangkaian resonansi seri terdiri dari elemen-elemen R, L dan C yang terhubung secara seri seperti Gambar 2.22 [25]. jX L R V + - jX C Gambar 2.22. Rangkaian resonansi seri [25] Dari rangkaian yang diperlihatkan Gambar 2.19, dapat ditentukan impedansi seri seperti pada Persamaan 2.43, berikut ini: Arus dalam rangkaian: Universitas Sumatera Utara 65 Jika reaktansi , maka rangkaian dikatakan mengalami resonansi, sehingga Persamaan 2.44 menjadi: Pada saat resonansi: Persamaan 2.51 menjadi: Persamaan 2.54, memperlihatkan bahwa impedansi total rangkaian hanya terdiri dari R saja yang relatif kecil, sehingga arus yang mengalir menjadi besar pada kondisi resonansi seri ini. Dari persamaan 2.55 diperoleh frekuensi resonansi adalah: Jika digambarkan impedansi rangkaian terhadap frekuensi akan diperoleh bentuk seperti Gambar 2.23. Universitas Sumatera Utara 66 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 10 10,05 9,95 x 10 -4 Impedansi Vs Frekuensi Im pe da ns i ohm Frekuensi Hz fr = 650 Gambar 2.23. Impedansi vs frekuensi untuk resonansi seri [25] 2.6.8. Resonansi paralel Rangkaian resonansi paralel terdiri dari elemen resistor dan induktor yang terhubung secara paralel dengan kapasitor, seperti yang terlihat pada Gambar 2.24. jX L R + - jX C I Gambar 2.24. Rangkaian resonansi parallel [25] Universitas Sumatera Utara 67 Dari Gambar 2.24, besarnya impedansi total rangkaian adalah: Dalam keadaan resonansi: Tegangan adalah: Pada Persamaan 2.60, jika impedansi Z atau , maka tegangan V akan menjadi sangat besar. Untuk menentukan frekuensi resonansi paralel sama dengan menentukan harga dari frekuensi resonansi seri: Universitas Sumatera Utara 68 Gambar 2.25, memperlihatkan respon frekuensi atau impedansi total rangkaian terhadap frekuensi. Dari grafik tersebut dapat dilihat impedansi terbesar rangkaian terdapat pada frekuensi resonansi , artinya terjadi peningkatan tegangan dari frekuensi resonansi paralel . 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0,2 0,3 0,1 x 10 -4 Impedansi Vs Frekuensi Im pe da ns i ohm Frekuensi Hz 0,4 f r = 245 Hz Gambar 2.25. Impedansi vs frekuensi saat resonansi paralel [25] Universitas Sumatera Utara 69

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN