Perbandingan Penggunaan Filter Single Tuned dan Second Order untuk Mereduksi Harmonisa pada Motor Induksi Satu Fasa yang dijalankan dengan Programmable Logic Control

TESIS

OLEH NAMA : A D A M

NIM : 107034004

PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

PERBANDINGAN PENGGUNAANFILTER SINGLE TUNEDDAN

FILTER SECOND ORDER NTUK MEREDUKSI HARMONISA

PADA MOTOR INDUKSI SATU FASA YANG DIJALANKAN

DENGANPROGRAMMABLE LOGIC CONTROL

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH A D A M 107034004/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

Telah diuji pada

Tanggal : 12 Desember 2014

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Eng. Ariadi Hazmi

2. Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D 3. Dr. Marwan Ramli, M.Si

(PLC) sebagai pengontrol dalam menjalankan motor induksi satu fasa untuk peroses diindustri, dimana Programmable Logic Control (PLC) mempunyai karaktristik beban tidak linear yang pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada Programmable Logic Control (PLC) dapat direduksi dengan menggunakan filter passive single tuned dan passive second order sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk mengurangi harmonisa tersebut dengan menggunakan program Matlab/Simulink dapat diketahui hasil yaitu dengan penggunaan passive single tuned filter dapat mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 16,55% sedangkan passive second order filter mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 17,59%. Pada setiap orde impedansi passive single tuned filter lebih kecil daripada impedansi passive second order filter, impedansi yang besar menyababkan panas lebih pada filter.

Kata-kata Kunci: Programmable Logic Control (PLC), THDi , passive single tuned filter. passive second order filter,impedansi harmonisa.

ABSTRACT

Programmable Logic Control (PLC) is a microcontroller made to meet the need of the industrial world. The use of Programmable Logic Control (PLC) as a control device in running one-phase induction motor to do a processing job in the world of industry, where the Programmable Logic Control (PLC) has a non-linear load characteristic generating harmonisa. Therefore, harmonisa arised in the Programmable Logic Control (PLC) can be reduced by using the passive single tuned filter and the passive second order filter that it can meet the standard of IEC61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to reduce the harmonisa by using Matlab/Simulink program as known their results such as by using passive single tuned filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 16.55% while by using passive second order filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 17.59%. At every order, the impedance of passive singled tuned filter was less than the impedance of passive second order filter. Greater impedance can cause the filter experience much more heat.

Keywords: Programmable Logic Control (PLC), THDi, Passive Single Tuned Filter, Passive Second Order Filter, Harmonisa Impedance

SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya. Shalawat beriring salam kepangkuan Nabi Muhammad SAW yang telah membawa umat manusia ke alam yang penuh dengan ilmu pengetahuan.

Alhamdulillah, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul “Perbandingan Penggunaan Filter Single Tuned dan Second Order untuk Mereduksi Harmonisa pada Motor Induksi Satu Fasa yang dijalankan dengan Programmable Logic Control”.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku ketua pembimbing, Bapak Dr. Eng. Ariadi Hazmi selaku anggota pembimbing yang telah banyak memberikan arahan dalam penyusunan tesis ini. Terima kasih juga saya ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si yang banyak memberikan masukan untuk kesempurnaan tesis ini.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk mengikuti pendidikan Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara. Bapak Suherman, Ph.D selaku Ketua Program Studi. Bapak Drs. Hasdari Helmi, MT selaku

Sekretaris Program Studi dan seluruh pegawai Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuan fasilitas yang telah diberikan. Kepada Bapak-Bapak staf pengajar penulis ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas bantuan dan kerjasamanya selama perkuliahan.

Kepada rekan-rekan sesama mahasiswa angkatan ketiga Tahun Akademik 2010/2011 Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan, penulis ucapkan terima kasih atas bantuan, dukungan, dan kerjasama yang baik selama ini.

Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih, isteri tercinta Yunelly Asra, SE. MM, anak tersayang Muhammad Shiddiq Al Amien serta

seluruh keluargaku atas segala motivasi, dorongan semangat, pengertian dan do’anya.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan ini, penulis tetap mengharapkan masukan, kritik dan saran demi kesempurnaan tesis ini.

Akhir kata semoga Allah SWT selalu merahmati kita semua dan hasil penelitian ini bermanfaat bagi kita semua, amiin.

Medan, Desembar 2014 Penulis,

ABSTRAK…………...... i

KATA PENGANTAR... iii

DAFTAR ISI... v

DAFTAR GAMBAR ... viii

DAFTAR TABEL... x

BAB 1 PENDAHULUAN... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 7

1.3 Batasan Masalah ... 7

1.4 Tujuan Penelitian ... 8

1.5 Manfaat Penelitian ... 1.6 SistematikaPenulisan ………... 8 9 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 11

2.1 Motor Induksi Satu Fasa ... 11

2.2 Programmable Logic Control(PLC) ... 16 2.3 Harmonisa ...

2.3.1 Perhitungan Harmonisa ... 2.3.2 Mengurangi Harmonisa ... 2.3.3 Batasan Harmonisa ...

21 22 24 25

2.4 Filter Pasif ... 2.4.1Passive Single Tuned Filter... 2.4.2 MerancangPassive Single Tuned Filter... 2.4.3 Passive Second Order Filter...

28 31 33 38

BAB 3 METODE PENELITIAN... 40

3.1 Teknik Pengukuran... 40

3.2 Teknik Analisa Data... 42

3.3 Hasil Pengukuran ... 43

3.4 Klasifikasi Arus HarmonisaProgrammable Logic Control (PLC) Berdasarkan StandarIEC 61000-3-2 Kelas D... 44

3.5 PerhitunganPassive Single Tuned Filter... 46

3.6 PerhitunganPassive Second Order Filter... 3.7 Perhitungan Impedansi FilterPassive Single Tuned……... 3.8 Perhitungan Impedansi FilterPassive Second Order…………... 49 52 54 3.9 Rangkaian Simulasi MATLAB/Simulink……… 55

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN... 63

4.1 Pendahuluan ... 63

4.2 Harmonisa Arus Setelah Pemasangan Passive SingleTuned Filter... 63

4.3 Harmonisa Arus Setelah Pemasangan Passive Single Second Order... 65

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 71

5.1 Kesimpulan... 71

5.2 Saran... 72

DAFTAR PUSTAKA... 73

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1 Konstruksi Motor Induksi Satu FasA (a) Bagian-bagin Motor Induksi

(b) Penempatan Stator dan Rotor ... 12

2.2 Susunan Bagian-bagianProgrammable Logic Control(PLC) ... 17

2.3 Rangkaian Komponen-komponenProgrammable Logic Control(PLC) .. 18

2.4 Sistem KomponenProgrammable Logic Control(PLC) ... 19

2.5 Bentuk Gelombang Gelombang Terdistorsi Harmonisa ke-3,5 dan 7 ... 21

2.6 Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem ... 29

2.7 FilterFassive Tuned(a).Single Tuned(b)Double Tuned ... 30

2.8 FilterFassive High-Pass, (a)First-Order, (b)Second Order, (c)Third-Order.. 30

2.9 Single Tuned Filter... 31

2.10 Prinsip Pereduksian Harmonisa... 32

2.11 Kompensasi Gelombang Filter ... 32

2.12 Segi tiga Daya Untuk Menentukan Kebutuhan Daya Reaktif Q ... 33

2.13 Frekuensi ResponSingle Tuned Filter ... 37

2.14 3.1 Passive Second Order Filter... Diagram Segaris Pengukuran dengan Alat Ukur Fluke 43B ………. 38 41 3.2 Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Filter Pasif ... 57

3.3 Hasil Simulasi Matlab/simulinkSebelum Pemasangan Filter ... 57

3.8 Rangkaian Simulasi dengan FilterPassive Single Tuned... 59

3.9 Rangkaian Simulasi dengan FilterPassive Second Order... 61

4.1 Bentuk Gelombang ArusPassive Single Tuned Filter... 64

4.2 Spektrum Harmonisa Arus Passive Single Tuned Filter... 64

4.3 Bentuk gelombang ArusPassive Second Order Filter ... 65

4.4 Spektrum Harmonisa Arus Passive Second Order Filter... 65

4.5 Diagram perbandingan sebelum pemasangan filter denganPassive Single Tuned Filterdan Passive Second Order Filter... 68

4.6 Grafik Hubungan Impedansi dengan Harmonisa ArusPassive Single Tuned FilterdanPassive Second Order Filter... 70

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1.1 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan

daya 70 Watt ... 4

1.2 Penelitian Yang Sudah Dilakukan... 5

2.1 MasukanProgrammable Logic Control(PLC) ... 20

2.2 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas A ... 26

2.3 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas B ... 27

2.4 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas C ... 27

2.5 Batas Arus Harmonisa IEC 61000-3-2 Kelas D ... 28

3.1 Impedansi Kabel Saluran... 42

3.2 Hasil Pengukuran Programmable Logic Control(PLC)... 43

3.3 Hasil Pengukuran Individual Distorsi Harmonisa Arus dan Tegangan.... 44

3.4 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standart IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt ... 45 3.5

3.6

4.1

Hasil simulasi IHDi setelah Pemasangan FilterPassive Single Tuned padaProgrammable Logic Control(PLC) ... Hasil simulasi IHDi setelah Pemasangan FilterPassive Second Order padaProgrammable Logic Control(PLC) ... Perbandingan arus harmonisa pada Programmable Logic Control (PLC) sebelum dan sesudah pemasangan passive single tuned filter dan passive second order filter...

60

62 67

ABSTRAK

Programmable Logic Control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang dibuat untuk keperluan dunia industri, penggunaan Programmable Logic Control (PLC) sebagai pengontrol dalam menjalankan motor induksi satu fasa untuk peroses diindustri, dimana Programmable Logic Control (PLC) mempunyai karaktristik beban tidak linear yang pembangkit harmonisa. Oleh sebab itu harmonisa yang timbul pada Programmable Logic Control (PLC) dapat direduksi dengan menggunakan filter passive single tuned dan passive second order sehingga memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D. Perbandingan penggunaan kedua filter pasif ini untuk mengurangi harmonisa tersebut dengan menggunakan program Matlab/Simulink dapat diketahui hasil yaitu dengan penggunaan passive single tuned filter dapat mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 16,55% sedangkan passive second order filter mereduksi total distorsi harmonisa arus (THDi) dari 116,4% menjadi 17,59%. Pada setiap orde impedansi passive single tuned filter lebih kecil daripada impedansi passive second order filter, impedansi yang besar menyababkan panas lebih pada filter.

Kata-kata Kunci: Programmable Logic Control (PLC), THDi , passive single tuned filter. passive second order filter,impedansi harmonisa.

control device in running one-phase induction motor to do a processing job in the world of industry, where the Programmable Logic Control (PLC) has a non-linear load characteristic generating harmonisa. Therefore, harmonisa arised in the Programmable Logic Control (PLC) can be reduced by using the passive single tuned filter and the passive second order filter that it can meet the standard of IEC61000-3-2 Class D. The comparison of the use of these two passive filters to reduce the harmonisa by using Matlab/Simulink program as known their results such as by using passive single tuned filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 16.55% while by using passive second order filter can reduce the total distortion of harmonisa current (THDi) from 116.4% to 17.59%. At every order, the impedance of passive singled tuned filter was less than the impedance of passive second order filter. Greater impedance can cause the filter experience much more heat.

Keywords: Programmable Logic Control (PLC), THDi, Passive Single Tuned Filter, Passive Second Order Filter, Harmonisa Impedance

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi listrik merupakan peran penting dalam kehidupan diberbagai sektor seperti di industri, perkantoran, rumah tangga dan sebagainya. Seiring dengan perkembangan teknologi dibidang kelistrikan khususnya elektronika daya (power electronic). Komponen elektronika daya seperti Dioda, Thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), Mosfet banyak digunakan sebagaiswitchingpada peralatan elektronik seperti komputer, power supply, elektronik ballast, pengaturan listrik pada saluran tegangan rendah dengan programmable logic control (PLC). Perkembangan penerapan teknologi elektronika daya ini bukan hanya memberikan dampak positif tetapi juga dampak negatif. Harmonisa merupakan salah satu dampak negatif yang ditimbulkan dari penerapan teknologi. Harmonisa biasanya dihasilkan oleh beban non-linier. Komponen elektronika daya adalah beban yang bersifat tidak linier dapat menimbulkan distorsi bentuk gelombang, baik arus maupun tegangan. Distorsi gelombang ini biasa disebut harmonisa, yang merupakan salah satu parameter dalam menentukan kualitas dari sistem tenaga listrik. Adanya harmonisa dapat menimbulkan permasalahan antara lain faktor daya rendah, panas lebih, dan dapat meningkatkan rugi-rugi energi listrik serta menurunkan kualitas sistem tenaga listrik yang dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain pada intalasi listrik [1].

Motor induksi merupakan motor yang paling banyak digunakan pada berbagai peralatan industri dan rumah tangga. Konstruksi yang kokoh merupakan keuntungan yang luar biasa dari motor induksi disamping harga yang murah, efesiensi tinggi pada keadaan normal, mudah didapat, mudah untuk merawatnya dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya listrik alternating carent (AC). Motor induksi satu fasa yaitu motor dengan gulungan stator yang beroperasi dengan pasokan daya satu fasa. Motor induksi ini banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci, pompa air, lemari es, pendingin ruangan karena motor induksi satu fasa mempunyai daya keluaran rendah dan untuk keperluan industri yang membutuhkan daya listrik [2,3].

Motor induksi penerapanya sebagai peralatan industri tidak bekerja sendiri tapi menggunakan peralatan pengontrol diantaranya dengan menggunakan programmable logic control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang dibuat untuk keperluan dunia industri [4,5]. programmable logic control (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan (user frendly) yang memiliki fungsi kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan yang beraneka ragam yang digunakan peroses dalam indutri atau pengontrol mesin.

Programmable logic control (PLC) ini mempunyai karakteristik beban tidak linier yang mengakibatkan bentuk gelombang sisi masukan menjadi tidak sinusoidal murni akibat adanya interaksi gelombang sinusoidal frekuensi fundamental dengan gelombang lain yang dikenal sebagai harmonisa. Kadar harmonisa yang tinggi dalam sistem tidak dikehendaki yang dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion(THD),

3

karena dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti penurunan kualitas sistem tenaga listrik yang mengakibatkan pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi dari peralatan elektronika yang sensitif dan menurunkan efisiensi.

Sinyal harmonisa yang timbul berada pada daerah frekuensi diatas frekuensi aslinya (fundamental), permasalahan tersebut dapat diselesaikan dengan salah satu cara menggunakan filter pasif [6,7]. Menggabungkan antara komponen R, L, dan C akan berbentuk filter yang disebut dengan filter pasif. Penggunaan filter pasif merupakan solusi yang tepat untuk mengurangi kadar harmonisa yang timbul akibat pemakaian beban non-linear. Arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah, dengan pemasangan C arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melalui kapasitor, karena kapasitor memiliki impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Penggunaan filter pasif ini berfungsi sebagai penyedia jalur pada impedansi rendah untuk frekuensi resonansi yang diinginkan Filter pasif mempunyai berbagai tipe, pada umumnya tipe dari rangkaian filter pasif adalah single tuned filter, filter orde dua, filter pasif LC, filter orde tiga, serta filter tipe C [8,9,10,11].

Hasil pengukuran yang telah dilakukan dengan menggunakan alat ukur Power Q Fluke 43B pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa di laboratorium elektronika dan sistem digital Kampus Pendidikan Teknologi Kimia Industri (PTKI) Medan (Lampiran 1. Gambar 1, 3 dan 4). Nilai pengukuran Total Harmonisa Distorsi arus (THDi) 116,4 % dan Total Harmonisa

Distorsi tegangan (THDV) 1,5 % dan daya terukur 70 Watt. Tabel 1.1 menunjukkan hasil klasifikasi pengukuran pada inputProgrammable Logic Control(PLC).

Tabel 1.1 Klasifikasi Arus Harmonisa Pengukuran Berdasarkan Standar IEC 61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt.

Hasil Pengukuran IHDi Standar IEC 61000 3-2

Harmonisa Programmable Logic Control Kelas D (mA/W) Keterangan

ke-n % Ampere P = 70 W (Ampere)

3 86.80 0.2951 0.238 Tidak Sesuai

5 63.20 0.2149 0.133 Tidak Sesuai

7 38.80 0.1319 0.070 Tidak Sesuai

9 16.14 0.0549 0.035 Tidak Sesuai

11 3.90 0.0133 0.024 Sesuai

13 7.20 0.0245 0.021 Tidak Sesuai

15 4.20 0.0143 0.018 Sesuai

17 5.90 0.0201 0.016 Tidak Sesuai

19 1.30 0.0044 0.014 Sesuai

21 0.70 0.0024 0.013 Sesuai

23 2.00 0.0068 0.012 Sesuai

25 3.90 0.0133 0.011 Tidak Sesuai

27 2.00 0.0068 0.010 Sesuai

29 0.10 0.0003 0.009 Sesuai

31 0.70 0.0024 0.010 Sesuai

33 1.30 0.0044 0.008 Sesuai

35 1.30 0.0044 0.008 Sesuai

37 0.10 0.0003 0.007 Sesuai

39 THDi %

0.70 116,4

0.0024 0.007 Sesuai

Terlihat pada Tabel 1.1 menunjukkan hasil pengukuran IHDi pada Programmable Logic Control (PLC), untuk harmanisa orde ke-3, ke-5, ke-7, ke-9, ke-13, ke-17 dan ke-25 tidak sesuai dengan standar International Electrotechnical Commission (IEC) 61000-3-2Kelas D yang mengatur batasan harmonisa untuk

5

konsumen maka harmonisanya harus disesuaikan [12,13].

Penelitian ini bermaksud menganalisa perbandingan pengunaan filter single tuned dan second order untuk mereduksi harmonisa yang dihasilkan programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan dengan model filter pasif untuk meredam harmonisa seperti pada Tabel 1.2.

Tabel 1.2 Penelitian yang sudah dilakukan

No Peneliti Judul Metode

Jenis Filter yang Dirancang

Hasil yang diperoleh

1 M. Shuja Khan, I. Intesar, M S Raheel, 2011 [ 7]

Implementation of a Passive Tune Filter to Reduce Harmonics in Single Phasa Induction Motor with varying Load Simulasi mengunakan Program MATLAB/ Simulink Fiiter Pasif Single tuned Reduksi harmonisa individual IHDv awal >3% menjadi <3% THDi awal >5% menjadi

<5%Yang dihasilkan Adjustable Speed Drives (ASD’s). 2 3. Sungkowo Heri, 2013 [8] Young-Sik Cho, Hanju Cha , 2011 [ 9]

Perancangan Filter Pasif Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonisa Pada Beban Non Linear Single-Tuned Passive Harmonic Filter Design Considering Variances of Tuning and Quality Factor mengunakan Program MATLAB/ Simulink Percobaan Fiiter Pasif Single tuned Filter Pasif Singletuned

THD arus menjadi 10,2%, orde ke 3 menjadi 9,9%, orde ke 5 menjadi 1,9% ored ke 7 menjadi 1,3% dan orde ke 15 menjadi 0,1% sudah sesuai standar IEEE 519-1992.

Penurunan IHD i ke-5, 7, 11, dan 13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 berkurang dari 72,6% menjadi 7,9% harmonisa ke-7 berkurang dari 61,8% menjadi 11,2% harmonisa ke-11 berkurang dari

Tabel 1.2 Lanjutan

No Peneliti Judul Metode

Jenis Filter yang Dirancang

Hasil yang diperoleh

20,9% menjadi 4,5% dan harmonisa ke-13 berkuranmg dari 13,2% menjadi 2,9% 4 Ahmed Zubair

Memon,Aslam Mohammad Uquaili,Aliunar Mukhtar, 2012[10] Harmonic Mitigation of Industrial Power System Using Passive Filters Simulasi mengunakan Program MATLAB/ Simulink Kombinasi filterSingle tuneddan Second order

Beban Non linear converter, menurunkanTHDi dari 20,77% menjadi 4,23% 5 Srivastava Kuldeep Kumar, Al.Saquib Shakil, Anand Vardhan Pandey, 2013[11]

Harmonics & Its Mitigation Technique by Passive Shunt Filter Perhitungan parameter filter Filter pasif Second order Sampai diperoleh THD yang diizinkan

6 Basu Supriatim, Bollen. J. H. M, Undeland M. Tore, 2008[12]

PFC Strategies in Light of EN 61000-3-2 Analisis Pemasangan Capasitor Koreksi power faktor Penentuan kelas (IEC 61000-3-2)

Penelitian yang telah dilakukan peneliti sebelumnya Tabel 1.2 baik yang menggunakan filter pasif single tuned maupun second order keduanya dapat meredam harmonisa sesuai dengan standar yang digunakan. Perbedaan yang terdapat pada filter pasif single tuned dan second order hanya pada hubungan rangkaiannya, untuk rangkaian single tuned komponen R, L dan C terhubung seri sedangkan rangkaian Second order R, L dihubungkan paralel kemudian diseri dengan C,

7

berdasarkan latar belakang penelitian yang sudah dilakukan peneliti bermaksud untuk mengangalisis perbandingan seberapa besar hasil dari kedua filter pasif tersebut dapat menurangi harmonisa dengan data yang diperoleh dari hasil pengukuran pada programmable logic control (PLC) dengan cara melakukan perancangan dan simulasi dengan software MATLAB/Simulink. Dari besaran yang dihasil baik dari perhitungan dan simulasi yang berupa nilai, grafik dan signal dari harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter akan dianalisa dan dibandingkan.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang diuraikan diperlu perbaikan dengan demikian peneliti merumuskan masalah sebagai berikut:

1. Bagaimana mengidentifikasi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa.

2. Bagaimana merancang simulasi filter pasif single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control(PLC).

3. Bagaimana perbandingan harmonisa setelah filterisasi dengan menggunakan filterpassive single tuned danpassive second orderpadaprogrammable logic control(PLC).

1.3 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah:

2. Tidak membahas tentang sumber harmonisa pada Programmable Logic Control(PLC).

3. Mengenai resonansi dan pengaruh terhadap system lain yang ditimbulkan oleh pemakaian filtersingle tuneddansecond ordertidak dibahas.

4. Tidak memperhitungkan nilai ekonomis.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun yang menjadi tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Merancang simulasi filter single tuned dan second order menggunakan MATLAB/Simulink untuk mereduksi harmonisa pada programmable logic control (PLC) yang menjalankan motor induksi satu fasa, agar tercapai standarIEC 61000-3-2kelas D.

2. Untuk mengidentifikasi dan menganalisis sejauh mana pengaruh penggunaan filter single tuned dan second order sebagai pereduksi akibat munculnya harmonisa padaprogrammable logic control(PLC).

3. Untuk mengetahui perbandingan penggunaan filter single tuned dan second order dalam mereduksi harmonisa (IHDI dan IHDV) yang dihasilkan programmable logic control(PLC).

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah:

9

2. Hasil penelitian ini dapat memberikan alternatif solusi yang dapat digunakan untuk mengatasi masalah harmonisa padaProgrammable Logic Control (PLC)

dengan beban motor induksi satu fasa.

4. Dapat meningkatkan umur peralatan-peralatan yang digunakan pada laboratorium elektronika dan sistem digital.

5. Sebagai bahan referensi untuk penelitian selanjutnya.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan sebagai berikut:

Bab 1: Berisikan pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan motor induksi satu fasa programmable logic control (PLC), harmonisa, perhitungan harmonisa, mengurangi harmonisa, filter pasif, passive single tuned filter, merancang passive single tuned filter dan passive second order filter.

Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran, teknik analisa data, hasil pengukuran, klasifikasi arus harmonisa pada programmable logic control (PLC) berdasarkan standar IEC61000-3-2

kelas D, perhitungan passive single tuned filter, perhitungan passive second order filter, perhitungan impedansi filter passive single tuned, perhitungan impedansi filter passive second order dan rangkaian simulasi MATLAB/Simulink.

Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan harmonisa arus setelah pemasangan passive single tuned filtermaupun harmonisa arus setelah pemasangan passive second order filter, perbandingan hasil harmonisa dengan menggunakan passive single tuned filter dan passive second order filter untuk mereduksi harmonisa padaprogrammable logic control (PLC) sebelum dan setelah pemakaian filter dan perbandingan impedansi yang digunakan padaprogrammable logic control(PLC). Bab 5: Berisikan kesimpulan dan saran.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Induksi Satu Fasa

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari baik diindustri maupun di rumah tangga. Di industri banyak digunakan di dalam berbagai bidang dengan kapasitas yang besar dan.motor induksi satu fasa dioperasikan pada sistem tenaga satu fasa banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor induksi satu fasa mempunyai daya keluaran yang rendah.

Motor induksi pada dasarnya mempunyai tiga bagian penting seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.1 stator merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang dapat menginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan rotornya, celah udara tempat berpindahnya energi dari startor ke rotor dan rotor merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.

(a) (b)

Gambar 2.1 Konstruksi Motor Induksi Satu Fasa (a) Bagian-bagin Motor Induksi (b) Penempatan Stator dan Rotor

Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl) atau tegangan induksi. Kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Kumparan rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator.

Belitan stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor pada rotor, sehingga terinduksi tegangan dan sesuai dengan hukum lenz,

13

sehingga rotor akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara putaran medan stator dan putaran rotor disebut slip (S) [14].

Berdasarkan cara penamaan dan proses terjadinya medan putar rotor, maka prinsip kerja motor induksi satu fasa adalah berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik dimana bila sumber tegangan satu fasa dipasang pada kumparan medan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan (n) yang ditunjukan pada Persamaan (2.1) [14,15]:

= . ………(2.1)

Di mana:

ns= kecepatan sinkron (rpm) f = frekuensi stator (Hz) p= jumlah kutub stator (buah)

Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan jangkar atau rotor akan timbul tegangan induksi (ggl). Karena kumparan jangkar merupakan kumparan tertutup, ggl akan mengalirkan arus pada kumparan rotor. Adanya arus dalam medan magnet akan menyebabkan timbulnya gaya pada rotor. Apabila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator. seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator, artinya agar tegangan terinduksi maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar

stator (ns) dengan kecepatan putaran rotor (nr).

Perbedaan kecepatan antara medan putar stator dengan perputaran rotor tersebut disebut dengan slip (S) dan dinyatakan dengan Persamaan (2.2) :

= 100% ...(2.2)

Persamaan (2.2) dapat ditulis dengan Persamaan (2.3), (2.4), (2.5) dan (2.6):

nr= ns(1–S)...(2.3)

) 1 ( . 120 S P fs

ns   ...(2.4)

) 1 ( . 120 S P f

ns   ...(2.5)

Kecepatan slip (S) = ns- nr ...(2.6) Dengan demikian persamaan kecepatan slip menjadi Persamaan (2.7):

(ns–nr) = S.ns...(2.7) Maka diperolehlah frekuensi slip dengan Persamaan (2.8):

f2= ( )

120 ns nr

P

 = S.f1 ...(2.8) Di mana:

ns= Kecepatan stator (rpm) nr= Kecepatan rotor (rpm) S = Slip

f = Frekuensi (Hz) p = Jumlah kutub (buah)

15

f1 =fs= Frekuensi suplai = frekuensi stator (Hz) f2 = Frekuensi slip = frekuensi rotor (Hz)

Pengaturan kecepatan motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara. Berdasarkan pada Persamaan (2.8), maka variabel p(jumlah kutub) dan f(frekuensi) akan berpengaruh besar terhadap kecepatan putar motor induksi:

a. Pengaturan kecepatan dengan mengubah jumlah kutub motor.

Jumlah kutub motor induksi jenis sangkar bajing dapat diubah dengan merancang kumparan stator sedemikian rupa, sehingga dapat menerima tegangan sehingga dapat menerima tegangan masuk dari dua posisi kumparan yang berbeda.

b. Pengaturan kecepatan dengan mengubah frekuensi jaringan.

Selain jumlah kutub, frekuensi yang berubah juga dapat berpengaruh pada kecepatan putar motor induksi. Hal ini harus diperhatikan, bahwa dengan mengubah frekuensi kerapatan fluks yang ada harus diusahakan tetap, agar kopel yang dihasilkan tidak berubah, untuk itu tegangan pada jaringan harus diubah seiring dengan perubahan frekuensi. Hal yang paling umum dalam penerapan cara ini adalah dengan menggunakan perangkat yang dikenal sebagai inverter.

c. Pengaturan kecepatan dengan mengubah resistansi tahanan rotor.

Seperti pada metoda pengasutan motor, motor induksi jenis rotor belitan yang dihubungkan dengan tahanan luar dapat diatur kecepatan putarnya. Dengan merubah nilai tahanan luar yang terhubung ke rotor, maka besarnya kopel juga

akan berubah, begitu juga dengan kecepatan putarnya. Adapun kerugian yang ditimbulkan adalah rendahnya efisiensi pada saat kecepatan putarnya dikurangi dan pengaturan kecepatan putarnya sangat dipegaruhi oleh perubahan beban yang dipikulnya.

d. Pengaturan kecepatan dengan mengubah besarnya slip.

Mengingat hubungan slip dengan daya listrik dan pengaruhnya terhadap tegangan dan kecepatan motor, maka metode ini pada prinsipnya menggunakan hubungan tersebut. Pengaturan kecepatan dengan mengubah nilai slip menggunakan suatu alat tambahan, baik elektrik, maupun elektronik. Peralatan tambahan tersebut berupa sistem yang cukup rumit.

Dari sekian banyak metode untuk mengatur kecepatan putar motor induksi, cara dengan mengubah frekuensi jaringan adalah yang paling umum digunakan yaitu dengan menggunakan inverter. Dengan cara tersebut daerah pengaturan kecepatan putarnya cukup lebar.

2.2 Programmable Logic Control(PLC)

Programmable logic control (PLC) merupakan suatu mikrokontroller yang digunakan untuk keperluan industri. Programmable logic control (PLC) dapat dikatakan sebagai suatu perangkat keras dan lunak yang dibuat untuk diaplikasikan dalam dunia industri [4,5]. Secara umum programmable logic control (PLC) memiliki bagian-bagian yang sama dengan komputer maupun mikrokontroler yaitu central processing unit, memori, input dan output (I/O). Susunan progammable

17

logic control (PLC) sepeti terlihat pada Gambar 2.2 masing-masing bagian mempunyai fungsi yang berbeda-beda dan merupakan saling berhubangan dalam memperoses suatu perintah untuk mengontrol peralatan yang dapat bekerja secara otomatis.

Gambar 2.2 Susunan bagian-bagianProgrammable logic Control(PLC) [4,5] Central processing unit merupakan bagian utama dan merupakan otak dari progammable logic control (PLC). Central processing unit ini berfungsi untuk melakukan komunikasi dengan prosonal computer, interkoneksi pada setiap bagian programmable logic control (PLC) mengeksekusi program-program, serta mengatur inputdanoutputsistem. Memori merupakan tempat penyimpanan data sementara dan tempat menyimpan program yang harus dijalankan, dimana program tersebut merupakan hasil terjemahan dari ladder diagram yang dibuat oleh user. Sistem memori dibagi dalam blok-blok dimana masing-masing blok memiliki fungsi sendiri-sendiri. Beberapa bagian dari memori digunakan untuk menyimpan stasus dari input

danoutput,sementara bagian memori yang lain digunakan untuk menyimpan variabel yang digunakan pada program. Catu daya (power supply) digunakan untuk memberikan tegangan pada programmable logic control (PLC). Tegangan masukan programmable logic control(PLC) biasanya sekitar 24 VDC atau 220 VAC. Gambar 2.3 Rangkain komponen-komponenprogrammable logic control(PLC).

Gambar 2.3 Rangkaian Komponen–komponenProgrammable logic Control(PLC) Kemampuan suatu sistem otomatis tergantung pada kemampuanprogrammable logic control (PLC) dalam membaca sinyal dari berbagai piranti input. Sinyal input dapat berupa logika 0 dan 1 (rendah dan tinggi) [4,5].

Suatu sistem otomatis tidak akan lengkap jika sistem tersebut tidak memiliki jalur output. Output sistem ini dapat berupa analog maupun digital. Output analog digunakan untuk menghasilkan sinyal analog output digital digunakan untuk menghubungkan dan memutuskan jalur piranti output yang sering dipakai dalam programmable logic control(PLC) adalah motor induksi satu fasa.

19

Programmable Logic Control (PLC) adalah komputer elektronik yang mudah digunakan (user frendly) yang memiliki fungsi kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan yang beraneka ragam, Gambar 2.4 Sistem komponen Programmable Logic Control(PLC).

Gambar 2.4 Sistem KomponenProgrammable Logic Control(PLC)

Definisi programmable logic control (PLC) adalah sistem elektronika yang beroperasi secara digital dan di desain untuk pemakaian di lingkungan industri, dimana sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan secara internal instruksi-instruksi yang mengimpelementasikan fungsi-fungsi spesifik seperti logika, urutan penentuan pencacah dan operasi aritmatika untuk mengontrol mesin atau proses dalam industri [4,5]. Dalam programmable logic control (PLC) memiliki dua masukan yaitu 0 dan 1 atau rendah dan tinggi. Tabel 2.1 masukan programmable logic control(PLC) 4 variabel.

PLC Program

Input module

Sensor

Central Control Unit Output

Module

Tabel 2.1 MasukanProgrammable Logic Control(PLC)

Berdasarkan namanya konsepProrammable Logic Control(PLC) adalah: a. Programmablemenunjukan kemampuan dalam hal memori untuk menyimpan

program yang telah dibuat dengan mudah diubah-ubah fungsi atau kegunaanya.

b. Logic menunjukan kemampuan dalam memproses input secara aritmatika dan logic yakni melakukan operasi membandingkan, menjumlahkan, mengalikan,

21

membagi, mengurangi dengan mengunakan gerbang logika OR, AND, NOT dan gerbang logika kombinasi.

c. Control menunjukan kemampuan dalam mengontrol dan mengatur proses sehingga menghasilkan output yang diinginkan. Memiliki bahasa pemograman yang mudah dipahami dan dioperasikan.

2.3 Harmonisa

Harmonisa adalah gangguan yang terjadi dalam sitem distribusi tenaga listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [9]. Terdistorsinya gelombang arus atau tegangan akibat adanya gelombang sinus kelipatan integer dari gelombang fundamental dan gelombang tersebut ditambahkan sehingga berakibat pada terdistorsinya bentuk gelombang fundamental menjadi tidak sinusoidal murni. Bila gelombang-gelombang tersebut dijumlahkan, maka bentuk gelombang yang dihasilkan adalah seperti Gambar 2.5 bentuk distorsi gelombang akan lebih kompleks

lagi bila semua gelombang harmonik yang terjadi pada harmonik ke 3, 5 dan 7 dijumlahkan dengan gelombang frekuensi dasar. I total merupakan gelombang yang terdistosi oleh harmonisa arus sinusoidal dari gelombang hamonisa arus ke 3, 5 dan 7. Besar amplitude harmonik biasanya hanya beberapa persen dari amplitude gelombang dasar (I1) yang berbentuk sinusoidal murni.

2.3.1 Perhitungan Harmonisa

Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban non-linier atau alat yang mengakibatkan arus non-sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deret fourier untuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yang ditunjukkan Persamaan (2.9) dan (2.10) [16,17].

( ) = + ( + ) ………....……(2.9) ( ) = + ( + ) ……….………….... (2.10) Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi 2dan secara deret fourier untuk tegangan dan arus dapat dilihat pada Persamaan (2.11) dan (2.12).

= ………….………...………….. (2.11)

= ……….………(2.12)

Pada umumnya untuk mengukur besar harmonisa yang disebut dengan Total Harmonic Distortion (THD). Untuk THD tegangan dan arus didefenisikan sebagai

23

nilai RMS harmonisa urutan diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan dc nya diabaikan.

Besar Total Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus Persamaan (2.13) dan (2.14).

= = ( ) ... ..

= = ( ) ...………...….. (2.14)

Individual Harmonic Distortion (IHD)adalah perbandingan nilaiRMSpada orde harmonisa terdistorsi terhadap nilaiRMSpada frekuensi fundamental ditunjukan Persamaan (2.15) dan (2.16).

IHDv= = ...(2.15)

IH = = ... (2.16) Dimana : = Tegangan harmonisa pada orde terdistorsi

= Arus harmonisa pada orde terdistorsi

Hubungan persamaan IHD dengan arus RMS dari persamaan (2.16) didapat Persamaan (2.17) dan (2.18).

2₌ 1 2

2

=1 ... ...(2.17)

2 ₌ 1 2 =2 2

2 1 2

= =1 2 21

12 ...(2.18)

Selanjutnya dari Persamaan (2.18) dapat diselesaikan menjadi Persamaan (2.19) dan (2.20).

Sehingga arusRMSterhadapIHDIyaitu :

2.3.2 Mengurangi Harmonisa

Filter harmonisa harus dilakukan untuk mengurangi dampak yang ditimbulkan terhadap sistem dan peralatan listrik. Banyak sekali cara yang digunakan

untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam atau mengurangi harmonisa yang di timbulkan oleh bebannon-linieryaitu diantaranya [17,18]:

a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.

b. Penggunaan filter aktif.

c. Kombinasi filter aktif dan pasif.

d. Konverter denganAlternating Carent(AC)- reactordan lain-lain.

Sistem diatas mampu bertindak sebagai peredam harmonisa, dan 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

= + . = (1 + )………...…...(2.19)

25

diakibatkan terjadinya resonansi antara kapasitor yang dipasang dengan reaktansi induktif system.

.

2.3.3 Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada tapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga nilainya dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknik dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Dalam hal ini standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa atau pun tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-3-2 [13]. Pada standar IEC 61000-3-2, beban-beban kecil tersebut diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D dimana masing-masing kelas mempunyai batasan harmonisa yang berbeda-beda yang dijelaskan sebagai berikut [12,14].

1. Kelas A

Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 amper perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan

untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A

2. Kelas B

Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable yang batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada Tabel 2.3.

3. Kelas C

Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan dayainput aktifnya lebih besar 25 watt. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.4

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A) Harmonisa Ganjil

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15≤n≤39 2,25/n

Harmonisa Genap

2 1,08

4 0,43

6 0,30

27

Tabel 2.3 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum

yang diizinkan (A) Harmonisa Ganjil 3 3,45 5 1,71 7 1,155 9 0,60 11 0,495 13 0,315 15≤n≤39 3,375/n Harmonisa Genap 2 1,62 4 0,645 6 0,45 8≤n≤40 2,76/n

Tabel 2.4 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C Harmonisa

ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

2 2

3 30xPF rangkaian

5 10

7 7

9 5

11≤n≤39 3

4. Kelas D

Kelas ini berisi semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 watt dan dianggap memiliki dampak terbesar pada jaringan listrik. Khususnya personal komputer, layar monitor dan penerima TV. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk mA/W untuk peralatan dengan daya pengenal melebihi 75 W tapi kurang dari

600 W atau dalam ampere untuk peralatan yang lebih besar dari 600 W. Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada oleh Tabel 2.5.

Tabel 2.5 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D Harmonisa

ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (mA/W)

75 < P < 600W

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

P > 600W

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 0,296 0,21

15≤n≤39 3,85/n 2,25/n

2.4 Filter Pasif

Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor seperti terlihat pada Gambar 2.6 Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit.

29

Gambar 2.6 Rangkaian Filter Pasif dalam Sistem

Terdapat dua jenis filter pasif yaitu filter seri dan filter paralel. Filter seri didesain untuk digunakan pada jaringan utama. Sementara filter pasif paralel hanya menapis arus harmonisa dan beberapa arus fundamental pada orde yang lebih kecil dari jaringan utama. Sehingga filter paralel lebih murah ketimbang filter seri pada tingkat efektifitas yang sama. Filter paralel juga memiliki kelebihan lain yaitu dapat mensuplai daya reaktif pada frekwensi fundamental, dalam banyak aplikasi paling umum digunakan filter paralel.

Gambar 2.7 dan 2.8 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif yang umum digunakan beserta konfigurasi dan impedansinya. Single tuned filter ataubandpass filter adalah yang paling umum digunakan. Dua buah single tuned filter akan memiliki karakteristik yang mirip dengan double bandpass filter. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single-tunedfilter. Umumnya filter ini biasa digunakan pada tegangan rendah [16,18,19]. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah. Prinsip kerja dari filter pasif yaitu dengan mengalirkan arus harmonisa orde tertentu dari sumber harmonisa (beban non-linier) melalui jaringan filter. Untuk

Gambar 2.7. FilterFassive Tuned(a).Single Tuned(b)Double Tuned

Gambar 2.8 FilterFassive High-Pass, (a)First-Order, (b)Second Order, (c)Third-Order

memaksa arus orde tertentu mengalir ke jaringan filter, maka harga kapasitor harus diatur sehingga terjadi resonansi pada jaringan. Saat terjadi resonansi , harga impedansi saluran akan minimum karena hanya tinggal komponen resistansi. Disamping dapat mengurangi harmonisa, Filter pasif juga dapat memperbaiki power factor [19,20]. Kapasitor bank yang telah terpasang pada jaringan dapat difungsikan sebagai filter. sehingga tinggal menambah resistor dan induktor.

31

2.4.1 Passive Single Tuned Filter

Single tuned filteradalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif R, L dan C terhubung seri, seperti pada Gambar 2.9.Single tuned filter akan mempunyai impedansi yang kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter.

Gambar 2.9Single Tuned Filter

Untuk mengatasi harmonisa di dalam sistem tenaga listrik yang paling banyak digunakan adalah passive single tuned filter. Filter single tuned yang diletakkan secara paralel akan menghubung singkatkan arus harmonisa yang ada dekat dengan sumber distorsi. Ini dilakukan untuk menjaga arus harmonisa yang masuk tidak keluar menuju peralatan lain dan ke sumber tenaga listrik. Filter single tuned yang merupakan hubungan seri komponen R, L, dan C memberikan keuntungan tersendiri bagi sistem tenaga listrik, disamping mampu mereduksi tingkat

harmonisa, penggunaan kapasitor dapat memperbaiki cos φ sistem, sedangkan

induktor berfungsi sebagai filter dan juga melindungi kapasitor dari over kapasitif akibat adanya resonansi. Sebuah rangkaian filter single tuned dipasang pada frekuensi harmonisa sebagai filter, pemasangannya secara paralel dengan peralatan yang mendistorsikan harmonisa. Filtersingle tunedakan mempunyai impedansi yang

kecil pada frekuensi resonansi sehingga arus yang memiliki frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dibelokkan melalui filter seperti pada Gambar 2.10.

Sumber Arus

Beban Non Linier Filter Single

tuned I1 Is

IF

Ih

Gambar 2.10 Prinsip Pereduksian Harmonisa

Kualitas dari sebuah filter (Q) adalah ukuran ketajaman penyetelan filter dalam mereduksi harmonisa. Filter dengan Q tinggi disetel pada frekuensi rendah (misalnya harmonisa kelima) dan nilainya biasanya berkisar antara 30 dan 100. Dalam filter single tuned faktor kualitas (Q) didefinisikan sebagai perbandingan antara induktansi atau kapasitansi terhadap resistansi. Pada Gambar 2.11 diperlihatkan gelombang hasil dari penggunaan filter harmonisa dengan simulasi

Gambar 2.11 Kompensasi Gelombang Filter

33

Hasil simulasi MATLAB/Simulink dapat menjelaskan proses eliminasi gelombang arus terdistorsi dimana distorsi gelombang arus yang terjadi akibat beban non-linier seperti yang ditunjukkan pada gelombang warna biru. Setelah kapasitor dan induktor yang digunakan sebagai filter untuk memperbaiki gelombang warna biru dengan sinyal gelombang warna hijau, sehingga menghasilkan gelombang yang terperbaiki seperti yang ditunjukkan gelombang warna merah dengan tingkat distorsi gelombang mendekati bentuk sinusoidal. Dengan demikian tingkat distorsi gelombang dapat diperbaiki oleh induktor dan kapasitor.

2.4.2 MerancangPassive Single Tuned Filter

Merancang passive single suned filter yang terdiri dari hubungan seri Komponen-komponen pasif induktor, kapasitor dan tahanan adalah bagaimana menentukan nilai parameter komponen-komponen dari passive single tuned filter [9,13,17].

Untuk menentukan kebutuhan daya reaktif dapat digambarkan dalam bentuk segitiga daya seperti Gambar 2.12.

Kebutuhan daya reaktif dapat dihitung dengan pemasangan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya beban. Komponen daya aktif (P) umumnya konstan, daya semu (S) dan daya reaktif (Q) berubah sesuai dengan faktor daya beban Persamaan (2.21):

Daya Reaktif (Q) = Daya Aktif (P) tan φ ………...……... (2.21) Dengan merujuk segitiga daya Gambar 2.12, maka daya reaktif pada paktor daya awal diperoleh Persamaan (2.22):

Q1= P tan φ1 ……….……(2.22) Daya reaktif pada faktor daya yang diperbaiki diperoleh dari Persamaan (2.22) menjadi Persamaan (2.23):

Q2= P tan φ2 ……….. (2.23)

Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya Persamaan (2.24) dan (2.25):

Daya reaktif Δ Q = Q1- Q2 ………. (2.24) Atau

Δ Q = P(tan 1- 2) ………...………….….(2.25)

Besar nilai Δ Q yang didapat, selanjutnya menentukan nilai reaktansi kapasitif yang besarnya ditentukan berdasarkan Persamaan (2.25) dan besar nilai kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya pada Persamaan (2.26).

Langkah-langkah perancangan Passive single tuned filteradalah:

35

untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor(Qc)Persamaan (2.26):

= {tan( ) tan( )}………....(2.26)

Dimana:

P= beban (kW)

pf1= faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki pf2= faktor daya setelah diperbaiki

b. Tentukan reaktansi kapasitor ( ) Persamaan (2.27):

= ………..………. (2.27)

c. Tentukan kapasitansi dari kapasitor(C)Persamaan (2.28):

= ……….….. (2.28)

d. Tentukan reaktansi induktif dari Induktor ( ) Persamaan (2.29):

= ………...(2.29)

e. Tentukan induktansi dari inductor ( ) Persamaan (2.30):

= ………...(2.30)

f. Tentukan reaktansi karakteristik dari filter pada orde tuning ( ) dengan Persamaan (2.31):

g. Tentukan tahanan(R)dari Induktor Persamaan (2.32):

= ………...…………. (2.32)

Besarnya impedansi single tuned filter pada frekuensi fundamental ditunjukan Persamaan (2.33) [4,9,13]:

= + ( ) ………...(2.33)

Pada frekuensi resonansi , Persamaan (2.33) menjadi Persamaan (2.34):

= + ………....(2.34)

Jika frekuensi sudut saat resonansi Persamaan (2.35):

= 2 ………(2.35)

Impedansi filter dapat ditulis Persamaan (2.36) dan (2.37):

= + 2 ………….……… (2.36)

= + ( ) ………. (2.37)

Saat resonansi terjadi nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif sama besar, maka diperoleh impedansisingle tuned filterseperti pada Persamaan (2.38):

………...(2.38)

Pada Persamaan (2.38) menunjukkan bahwa pada frekuensi resonansi, impedansi single tuned filter akan mempunyai impedansi yang sangat kecil, lebih

37

kecil dari impedansi beban yaitu sama dengan tahanan induktor R, sehingga arus harmonisa yang mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi akan dialirkan atau dibelokkan melalui single tuned filter dan tidak mengalir ke sistem. Frekuensi respon dari single tuned filter ditunjukkan seperti pada Gambar 2.13 dimana dapat dilihat bahwa pada frekuensi harmonisa atau orde ke-5 dari harmonisa

Gambar 2.13 Frekuensi Respon Single Tuned Filter[19]

(fr = 250 Hz), impedansi single tuned filter sangat kecil. Dengan demikian single tuned filterdiharapkan dapat mengurangi IHD tegangan dan IHD arus sampai dengan 10-30%. Besarnya tahanan R dari induktor dapat ditentukan oleh faktor kualitas dari induktor. Faktor kualitas (Q) adalah kualitas listrik suatu induktor, secara matematis. Q adalah perbandingan nilai reaktansi induktif atau reaktansi kapasitif pada frekuensi resonansi dengan tahanan semakin besar nilai Q yang dipilih maka semakin kecil nilai tahanan dan semakin bagus kualitas dari filter dimana energi yang dikonsumsi oleh filter akan semakin kecil, artinya rugi-rugi panas filter adalah kecil [19].

2.4.3 Passive Second Order Filter

Passive second-order filter adalah filter yang terdiri dari komponen-komponen pasif induktor (L) dan tahanan (R) yang terhubung paralel dan seri dengan kapasitor (C), seperti pada Gambar 2.14. passive second order filter yang sederhana dalam penggunaanya, filter yang cukup baik dan mengurangi rugi-rugi daya pada frekwensi dasar [10,11,21,22].

Gambar 2.14Passive Second Order Filter

Merancangan filter passive second orderdalam menentukan nilai parameter induktor (L), kapasitor (C) dan tahanan (R).

Langkah-langkah perancangan filter passive second order mulai dari langkah (a) sampai langkah (e) sama dengan langkah-langkah perancangan filter passive singletuned. Pada langkah (f) menentukan karakteristik dari reaktansi ( ) dengan Persamaan (2.39):

= = = = ... (2.39) Pada langkah (g) menentukan tahanan(R), dengan Persamaan (2.40):

39

Dimana Q adalah faktor kualitas filter, yang nilainya 0,5< < 5.

Impedansi untuk filter passive second order, impedansi harmonisa ke-h [ ( )] diperoleh menggunakan Persamaan (2.41), (2.42) dan (2.43):

( ) = + ………...(2.41)

(h) = - j ... (2.42)

(h) = ( )

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi yang dimulai dari pengumpulan data kemudian melakukan pengukuran harmonisa, pemodelan filter, dan perhitungan parameter filter. Pengukuran dilakukan pada programmable logic control (PLC). Hasil pengukuran berupa nilai harmonisa tegangan (IHDv) dan harmonisa arus (IHDi). Filter yang digunakan berupa filter passive single tuned dan filter passive second order selanjutnya dilakukan perhitungan untuk menentukan parameter dari filter tersebut yang akan digunakan. Dari data hasil pengukuran dan data hasil perhitungan selanjutnya pemodelan beban dan filter dan disimulasi dengan menggunakan program MATLAB/Simulink. Hasil yang diperoleh berupa nilai individual distorsi harmonisa arus (IHDi) setelah simulasi selanjutnya dibandingkan terhadap standar IEC61000-3-2 Kelas D.

3.1 Teknik Pengukuran

Perancangan filter akan dilakukan setelah melakukan pengukuran pada programmable logic control (PLC) untuk mengetahui besar nilai harmonisa yang terkandung didalamnya. Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada Laboratorium Elektronika dan Sistem Digital Pendidikan Teknologi Kimia Industri Medan (PTKI). Pengukuran dan pengambilan data dilakukan pada programmable logic control (PLC) dengan objek penelitian berupa tingkat individual distorsi

41

harmonisa arus (IHDi) terbanyak yang melebihi standar IEC 61000-3-2 kelas D. Pengukuran menggunakan alat ukur Fluke 43B Power Quality Analyzer, diagram segaris pengukuran seperti pada Gambar 3.1

Gambar 3.1 Diagram Segaris Pengukuran dengan Alat Ukur Fluke 43B

Data hasil pengukuran ditampilkan dalam bentuk daftar dan grafik secara langsung, dan data tersebut dapat disimpan di komputer. Parameter yang dapat diambil adalah komponen harmonisa tegangan, komponen harmonisa arus, faktor daya, daya aktif, daya reaktif dan daya semu. Dari pengukuran tersebut akan terlihat nilai setiap orde harmonisa dan daya yang terukur, terutama daya reaktif yang nantinya digunakan untuk data simulasi pada MATLAB/Simulink, serta digunakan menghitung besar komponen yang harus digunakan sebagai kompensasi faktor daya sistem.

Data impedansi kabel dari sumber ke pengukuran programmable logic conttrol(PLC) digunakan kabel jenis NYM 3 2,5 mm2sepanjang 16 m sesuai ukuran penggunaan diperoleh dari standar kabel.

Tabel 3.1. Impedansi Kabel Saluran Jenis kabel Luas

penampang (mm2)

Resistasi (r) ( /km)

Reaktansi (x) ( /km)

Impedansi kabel (z) ( )

NYM 3 2,5 7,41 0,104 0.11856+j0.001664

3.2 Teknik Analisa Data

Menghitung parameter filter yang akan digunakan untuk meredam harmonisa. Hasil pengukuran digunakan sebagai acuan dalam menentukan parameter filter yaitu kebutuhan kapasitor (C), induktor (L) dan resistor (R). Kapasitor, induktor dan resistor akan dihubungkan secara seri dan paralel. Pada Tabel 3.4 diperlihatkan perbandingan besar arus harmonisa antara hasil pengukuran dan standar IEC61000-3-2 kelas D, dimana arus harmonisa dari hasil pengukuran dikategorikan sesuai atau tidak sesuai standar IEC61000-3-2 kelas D.

Data hasil pengukuran berupa harmonisa arus dan harmonisa tegangan dari tiap orde harmonisa digunakan dalam memodelkan beban non-linier programmable logic control(PLC) dan filter yang digunakan nantinya model ini akan disimulasikan dengan program MATLAB/Simulink. Hasil dari simulasi ini akan memperlihatkan seberapa besar filter passive single tuned dan filter passive second order dapat mengurangi besarnya nilai harmonisa yang ditimbulkan programmable logic control (PLC). Nilai harmonisa setelah pemasangan filter akan dibandingkan dengan standar IEC61000-3-2 Kelas D jika berada pada standar maka filter tersebut dapat digunakan untuk mengurangi besarnya harmonisa pada programmable logic control (PLC).

43

Besaran-besaran yang dihasil baik dari perhitungan dan simulasi yang berupa nilai, grafik dan signal dari harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter akan dianalisa dan dibandingkan.

3.3 Hasil Pengukuran

Hasil yang diambil dari pengukuran pada programmable logic control(PLC) yang diukur melalui alat Fluke 43B power Quality Analyzer. Hasil pengukuran pada programmable logic control(PLC) dapat dilihat pada Tabel 3.2 dan 3.3 :

Tabel 3.2 Hasil PengukuranProgrammable Logioc Control(PLC) Parameter Satuan Programmable Logic

Control V (Phase Voltage) Volt 207,6 I(Phase Current) Ampere 0,52 S (Apparent Power) kVA 0,12 P (Active Power) kW 0,07 Q (Reaktive Power) kVAR 0,90 PF (Power Factor) 0,63

Freq Hz 50,1

THDv % 1,5

THDi % 116,4

Pada Tabel 3.3 dapat dilihat data hasil pengukuran Individual Harmonisa Distorsi arus (IHDi) dari setiap orde harmonisa. Orde harmonisa yang ditampilkan adalah orde harmonisa dari orde ke-1 sampai dengan orde ke-39 dengan nilai yang Berbeda untuk setiap harmonisa. Jika dibandingkan dengan standar Internasional

Elektrotechnical Commission(IEC) 61000-3-2 Kelas D, maka Individual Harmonisa Distorsi arus (IHDi) programmable logic control (PLC) hasil pengukuran ada yang tidak sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 Kelas D.

Tabel 3.3. Hasil Pengukuran Individual Distorsi Harmonisa Arus dan Tegangan Harmonisa

ke-n

Hasil pengukuran padaProgrammable Logic Control(PLC)

IHDi IHDv

(%) (Ampere) (Volt)

1 100 0,34 293,6

3 86,8 0,29512 2,4

5 63,2 0,21488 3,4

7 38,8 0,13192 1,7

9 16,14 0,05488 0,9

11 3,9 0,01326 0,7

13 7,2 0,02448 0,1

15 4,2 0,01428 0,1

17 5,9 0,02006 0,1

19 1,3 0,00442 0,1

21 0,7 0,00238 0,1

23 2,0 0,00680 0,1

25 3,9 0,01326 0,1

27 2,0 0,00680 0,1

29 0,1 0,00034 0,1

31 0,7 0,00238 0,1

33 1,3 0,00442 0,1

35 1,3 0,00442 0,1

37 0,1 0,00034 0,1

39 0,7 0,00238 0,1

THDi (%) 116,4 116,4 (%) 1,5 %

3.4 Klasifikasi Arus Harmonisa Programmable Logic Control (PLC) Berdasarkan StandarIEC 61000-3-2 Kelas D

Sebelum merancang filter haruslah diketahui orde arus harmonisa mana dari hasil pengukuran pada programmable logic control (PLC) yang tidak sesuai standar. Oleh karena data dari hasil pengukuran yang ditimbul programmable logic control

45

(PLC) menunjukan orde harmonisa yang tidak sesuai standar Internasional Elektrotechnical Commission (IEC) 61000-3-2Kelas D. Pada Tabel 3.4 menunjukkan klasifikasi arus harmonisa hasil pengukuran berdasarkan standar IEC 61000-3-2 Kelas D untuk programmable logic control (PLC) dimana arus harmonisa dari orde ke-3 sampai orde ke-39 dibandingkan terhadap standar IEC 61000-3-2 Kelas D. Tabel 3.4 Klasifikasi arus harmonisa pengukuran berdasarkan standar IEC

61000-3-2 Kelas DProgrammable Logic Control(PLC) dengan daya 70 Watt. Hasil Pengukuran IHDi Standar IEC 61000-3-2

Harmonisa _{Programmable Logic Control Kelas D (mA/W) Keterangan} ke-n (%) (Ampere) P = 70 W (Ampere)

3 86.80 0.2951 0.238 Tidak Sesuai

5 63.20 0.2149 0.133 Tidak Sesuai

7 38.80 0.1319 0.070 Tidak Sesuai

9 16.14 0.0549 0.035 Tidak Sesuai

11 3.90 0.0133 0.024 Sesuai

13 7.20 0.0245 0.021 Tidak Sesuai

15 4.20 0.0143 0.018 Sesuai

17 5.90 0.0201 0.016 Tidak Sesuai

19 1.30 0.0044 0.014 Sesuai

21 0.70 0.0024 0.013 Sesuai

23 2.00 0.0068 0.012 Sesuai

25 3.90 0.0133 0.011 Tidak Sesuai

27 2.00 0.0068 0.010 Sesuai

29 0.10 0.0003 0.009 Sesuai

31 0.70 0.0024 0.010 Sesuai

33 1.30 0.0044 0.008 Sesuai

35 1.30 0.0044 0.008 Sesuai

37 0.10 0.0003 0.007 Sesuai

39 0.70 0.0024 0.007 Sesuai

THDi % 116,4

Terlihat pada Tabel 3.4 arus harmonisa orde 3, 5, 7, 9, 13, ke-17 dan ke-25 hasil pengukuran tidak sesuai dengan standar Internasional

Elektrotechnical Commission (IEC) 61000–3-2 Kelas D pada programmable logic control (PLC) sehingga diperlukan perancangan filter untuk mereduksi arus harmonisa yang tidak sesuai standar tersebut dalam penelitian ini menggunakan filter passives single tuned filterdanpassive second order filter.

3.5 PerhitunganPassive Single Tuned Filter

Dalam menentukan besarnya parameter passive single tuned filter yang dibutuhkan terlebih dahulu menentukan nilai selisih terbesar dari orde harmonisa arus yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D dari programmable logic control (PLC). Dari Tabel 3.4 diperoleh orde harmonisa ke-5 tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D dengan nilai selisih terbesar, oleh karena itu passive single tuned filter yang digunakan adalah passive single tuned filter untuk harmonisa orde ke-5. Untuk menentukan kapasitor (C), induktor (L) dan resistor (R) dari passive single tuned filter digunakan Persamaan (2.26) sampai dengan Persamaan (2.32), dan nilai dasar perhitungan diperoleh dari data hasil pengukuran pada programmable logic control (PLC) pada Tabel 3.2.

a. Perhitungan nilai kapasitas kapasitor (Qc)

Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya, dengan memasukan nilai dari pengukuran pada Tabel 3.2 dapat dilihat nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif dan nilai faktor daya. Untuk memperbaiki faktor daya dari 0,63 menjadi 0,95 dibutuhkan kompensasi kapasitor. Untuk menghitung kapasitas kapasitor yang dibutuhkan dihitung menggunakan Persamaan (2.26) yaitu:

47

= {tan( 1) tan( 2)}

Maka :

= {tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan(50,950) tan(18,195)}

= 70{(1,233 0,329)} = 70{0,904}

= 63,28

Jadi kebutuhan kapasitas kapasitor (QC) sebesar 63,28 VAR b. Perhitungan nilai reaktansi kapasitor (XC)

Dengan menggunakan Persamaan (2.27) reaktansi kapasitor dari passive single tuned filter adalah :

= = (207,6)

63,28 = 681,064 c. Perhitungan nilai kapasitansi dari kapasitor (C)

Dengan menggunakan Persamaan (2.28), kapasitansi kapasitor dari passive single tuned filter adalah:

= 1

2 .

= 1

2. 3,14.50.681,064 = 4,680 6

d. Perhitungan nilai Reaktansi dari induktor (XL)

Dengan menggunakan Persamaan (2.29) reaktansi induktif dari induktor (XL) passive single tuned filterorde ke-5 adalah:

=

= = , = 27,243

e. Perhitungan nilai Induktansi dari induktor (L)

Dengan menggunakan Persamaan (2.30) induktansi dari induktor (L)passive single tuned filterorde ke-5 adalah:

= 2

= 27,243

2 3,14 50 = 0,08676

f. Perhitungan nilai reaktansi karakteristik dari filter( )

Dengan menggunakan Persamaan (2.31) nilai reaktansi karakteristik dari filter ( ) passive single tuned filterorde ke-5 adalah:

=

= 5 27,243 = 136,215

g. Perhitungan nilai tahanan (R) dari induktor

Dengan menggunakan Persamaan (2.32) nilai tahanan (R) dari induktor passive single tuned filter orde ke-5 dihitung dengan mengasumsikan faktor kualitas passive single tuned filter(Q) = 100 adalah:

49

=

= , = 1,36215

Maka dari perhitungan diatas diperoleh parameter passive single tuned filter yaitu : kapasitor (C) = 4.680 µF, Induktor (L) = 0,08676 H dan Tahanan (R) = 1,36215

3.6 PerhitunganPassive Second Order Filter

Dalam menentukan besarnya parameter filter passive second order yang dibutuhkan sama dengan menentukan parameter filter passive single tuned terlebih dahulu menentu nilai selisih terbesar dari orde harmonisa arus yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D padaprogrammable logic control (PLC). Dari Tabel 3.4 diperoleh orde harmonisa ke-5 tidak sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D dengan nilai selisih terbesar, oleh karena itu filter passive second order yang digunakan adalah filterpassive second orderuntuk harmonisa ke-5.Untuk menentukan nilai Kapasitor (C) Induktor (L) dari filter passive second order digunakan Persamaan (2.26) sampai dengan Persamaan (2.30) dan Resistor (R) dengan Persamaan (2.39) dan (2.40) nilai dasar perhitungan diperoleh dari data hasil pengukuran pada programmable logic control(PLC) dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Menentukan kebutuhan kapasitor sebagai perbaikan faktor daya, dengan memasukan nilai dari pengukuran pada Tabel 3.2 dapat dilihat nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif dan nilai faktor daya. Untuk memperbaiki factor daya dari 0,63

menjadi 0,95 dibutuhkan kompensasi kapasitor. a. Perhitungan nilai kapasitas kapasitor ( )

Untuk menghitung kapasitas kapasitor yang dibutuhkan dihitung menggunakan Persamaan (2.26) yaitu:

= {tan( 1) tan( 2)}

Maka :

= {tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan( (0.63)) tan( (0.95))} = 70{tan(50,950) tan(18,195)}

= 70{(1,233 0,329)} = 70{0,904}

= 63,28

Jadi kebutuhan kapasitas kapasitor (QC) sebesar 63,28 VAR

b. Perhitungan nilai reaktansi kapasitif ( )

Dengan menggunakan Persamaan (2.27) maka besar nilai reaktansi kapasitif ( ) adalah:

= = (207,6)

63,28 = 681,064 c. Perhitungan nilai kapasitansi dari kapasiitf (C)

Dengan menggunakan Persamaan (2.28), maka besar nilai kapasitansi dari kapasitif (C) adalah:

51

= 1

2 . .

= 1

2 3,14 50 681,064 = 4,680 6

= 4,680 F

d. Perhitungan nilai reaktansi dari induktor( )

Dengan menggunakan Persamaan (2.29), maka nilai reaktansi induktor( ) passive second order filterorde ke-5 adalah:

=

X = = , = 27,243

e. Perhitungan nilai induktansi dari induktor (L)

Dengan menggunakan Persamaan (2.30), maka nilai induktansi dari induktor (L)passive second order filterorde ke-5 adalah:

= 2

= 27,243

2 3,14 50= 0,08676

f. Perhitungan nilai reaktansi karakteristik ( ) filter

Dengan menggunakan Persamaan (2.39) nilai reaktansi karakteristik ( ) passive second order filterorde ke-5 adalah:

=

=

= 0,08676

0,00000468 = 136,1560Ω

g. Perhitungan nilai tahanan (R)

dengan menggunakan Persamaan (2.40) Untuk menentukan nilai tahanan (R) filterpassive second orderorde ke-5 adalah:

= . Q dimana Q ( Faktor kualitas) 0,5< < 5 asumsi Q = 4,9

= . 4,9 = 136,156 . 4,9 = 667,1644

Dari perhitungan diatas diperoleh parameterpassive second order filter adalah : kapasitor (C)= 4,68 μ F, Induktor (L) =0,08676 dan Tahanan (R) =667,1644

3.7 Perhitungan Impedansi FilterPassive Single Tuned

Pada filter passive single tuned, untuk menghitung impedansi dengan menggunakan Persamaan (2.36) maka impedansi yang dihasilkan adalah:

53

= + 2 1

2

= 2,27022 + 2 3,14 150 0,241 1

2 3,14 150 4,680 10 = 2,27022 + (227,022 226.8314)

= 2,27022 + (0,1906) = (2,27022) + (0,1906) = 2,2782

Dengan cara yang sama dapat dihitung: | | = 1.36694

| | = 0,97545 | | = 0,75993 | | = 0,62282 | | = 0,52456

| | = 0,45565 | | = 0,40505 | | = 0,36077 | | = 0,32644 | | = 0,29694

| | = 0,25330 | | = 0,23658 | | = 0,22485 | | = 0,20625

| | = 0,19732 | | = 0,18725 | | = 0,18580

3.8 Perhitungan Impedansi FilterPassive Second Order

Pada filterpassive second order, untuk menghitung impedansi harmonisa ke-h [ ( )] menggunakan Persamaan (2.43) maka impedansi yang diperoleh adalah :

( ) = ( )

( ) + [ ( ) ]

(3) = , ( , )

, ( , ) + [

, ,

, ( , )

,

] (3) = 44,49571 + (217,93743 227,0213)

(3) = 44,49571 + ( 9,08390)

(3) = = (44,49571) + (− 9,08390)

(3) = 45,41349 Ω Dengan cara yang sama diperoleh:

(5) = 27,44190 Ω (7) = 19,46363Ω

55

(9) = 15,13684 Ω (11) = 12,38479Ω (13) = 10,48179 Ω (15) = 9,08283 Ω (17) = 8,01290 Ω (19) = 7,17101 Ω (21) = 7,02588 Ω (23) = 6,37197 Ω (25) = 5,83756 Ω (27) = 5,37136Ω

(29) = 4,98012 Ω (31) = 4,39384 Ω (33) = 4,12768 Ω (35) = 3,89342 Ω (37) = 3,68360 Ω (39) = 3,50217 Ω

3.9 Rangkaian Simulasi MATLAB/Simulink

Untuk membuat simulasi MATLAB/Simulink digunakan data hasil pengukuran dan besaran daya, tegangan, arus RMS, arus IHDi pada setiap orde harmonisa pada programmable logic control(PLC), serta hasil perhitungan R, L dan C dari filterpassive single tuneddan passive second order. Adapun langkah-langkah

dalam membuat rangkaian simulasi programmable logic control (PLC) dengan pemfilteran passive single tuned filter dan passive second order filter pada program MATLAB/Simulink yaitu:

1. KlikAC Voltage Sourcekemudian masukkan nilai tegangan Vs = 220Volt dan frekuensi 50 Hz.

2. KlikAC Current Source, kemudian masukkan nilai arus Ih (h= 1, 3, 5, 7, 9, 11,

…, 39) dengan frekuensi tergantung yang diperoleh dari hasil pengukuran pada Tabel 3.3.

3. Pilih sebuah resistor kemudian nilai diatur agar mendekati nilai THDi dan THDvhasil pengukuran Tabel 3.2.

4. KlikSeries RLC Branch3, pilih sebuah kapasitor kemudian masukkan nilai Kapasitor (C) yang telah dihitung sebelumnya.

5. KlikSeries RLC Branch3, pilih sebuah induktor kemudian masukkan nilai Induktor (L) yang telah dihitung sebelumnya.

6. KlikSeries RLC Branch3, pilih sebuah resistor kemudian masukkan nilai Tahanan (R) yang telah dihitung sebelumnya.

7. PilihCurrent Measurementuntuk mengukur arus. 8. PilihVoltage Measurementuntuk mengukur tegangan. 9. PilihBlock Displayuntuk menampilkan besarnya THD.

10. PilihScopeuntuk menampilkan gelombang arus dan tegangan.

11.Block Power GUIuntuk memandu pemakai berkomunikasi dengan sistem simulasi.

57

Rangkaian simulasi pada Gambar 3.2 disimulasikan menggunakan program MATLAB/Simulink. Rangkaian simulasi tersebut terdiri dari individual distorsi harmonisa arus (IHDi) orde ke-1 sampai dengan orde ke-39. Data pada individual distorsi harmonisa yang didapat dari hasil pengukuran programmable logic control (PLC) yang telah dilakukan, ditunjukan pada Gambar 3.3:

Gambar 3.2 Rangkaian Simulasi Sebelum Pemasangan Filter Pasif

Pada Gambar 3.4 dan 3.5 merupakan bentuk gelombang tegangan dan spektrum tegangan diperoleh dari Block Power GUI bagian Fast Fourier Transform (FFT) Analysis. dan Gambar 3.6 dan 3.7 merupakan bentuk gelombang arus dan spektrum arus diperoleh dariBlock Power GUIbagianFast Fourier Transform (FFT) Analysishasil simulasi dari rangkaian Gambar 3.2:

Gambar 3.4 Gelombang Tegangan Simulasi Sebelum Pemasangan Filter

Gambar 3.5 Spektrum Tegangan Simulasi Sebelum Pemasangan Filter

Gambar 3.6 Gelombang Arus Simulasi Sebelum Pemasangan Filter

59

Gelombang arus terjadi cacat gelobang yang menyebabkan gelombang programmable logic lontrol (PLC) jauh dari gelombang sinusiodal, sehingga diupayakan untuk mereduksi harmonisa arus padaprogrammable logic control (PLC) dengan menggunakanpassive single tuned filterdanpassive second order filteruntuk mengetahui penurunan harmonisa dengan hubungan sebagai berikut:

a. Passive Single tuned filter terdiri dari sebuah kapasitor, induktor, dan resistor yang terhubung secara seri, nilainya telah diperhitungkan sebelumnya dan dihubungkan secara paralel terhadap sistem seperti pada pada Gambar 3.8:

Gambar 3.8 Rangkaian Simulasi dengan FilterPassive Single Tuned

Hasil simulasi setelah menggunakan filter passive second order diperoleh hasilIndividul Distorsi Harmonikarus terlihat pada Tabel 3.5:

5.2 Saran

1. Disarankan untuk peneliti selanjutnya untuk menggunakan filter lainnya untuk mereduksi harmonisaProgrammable Logic Control(PLC)..

2. Kepada pabrik pembuat Peralatan yang menggunakan komponen elektronika daya pada peralatan tersebut dilengkapi dengan filter harmonisa yang sudah memenuhi standar.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Mohan, Ned, Undeland, Tore M. and Robbins, William P., 1995, “Power Electronics Converters, Application, and Design”, John Wiley and Sons, Inc.

[2] Kyun-Won Jeon, Yong-Jae Kim and Sang-Yong Jung, 2013, “Design Characterteristies of Torque Harmonic Reduction of Induction Motors for Electric Vehicle”. Propulsion. Journal Of Magnetics 18(2), pp.212-215.

[3] Renato O. C.Lyra, Thomas A. Lipo, Fellow. 2002,“Torque Density

Improvement in a Six-Phase Induction Motor with Third Harmonic Current Ijection”.IEEE Transaction on Industry Application, Vol. 38, No. 5, pp. 1351-1360.

[4] Yousif I.Al Mashhadany, 2012, “Design and Implement of a Programmable Logic Controller (PLC) for Classical Control Laboratory”, Intelligent Control

and Automation”, Vol, 3, pp. 44-49.

[5] Yogesh Godhwani, Akshay Deshmukh, Rajendra Bhombe, 2014,” Programmable Logic Controller an Automation Technique for Protection of Induction Motor”, Journal IRJSSE, Vol 2, No.3.

[6] Dahono A. Pekik, Purwandi, Qamaruzzaman, 1995, “An LC Filter Design Method for single-Phase PWM Inverter”, IEEE, catalogue no. 95TH 80250-7803-2423-4/95/., pp. 571-576.

[7] M. Shuja Khan, I. Intesar, M S, Rahell, M, Babar Ali, U. Asad, M. Farid, U. Ahmed, P, Ali Ayub, 2011,“Implementation of a Passive Tune Filter to Reduce Harmonics in Single Phasa Induction Motor with varying Load”, Journal of Engineering and Technology IJET-IJENS vol: 11 No: 3, pp. 204-208.

[8] Sungkowo Heri, 2013, “Perancangan Filter Pasif Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonisa Pada Beban Non Linear”, Jurnal ELTEK, Vol 11, Nomor 01, pp.146-157.

[9] Young-Sik Cho and, Hanju Cha, 2011,“Single-tuned Passive Harmonic Filter Design Considering Variances of uning and Quality Factor”, Journal of International Coucil on Electrical Engineering Vol. 1, No.1, pp. 7-13.

[10] Ahmed Zubair Memon, Aslam Mohammad Uquaili, Aliunar Mukhtar, 2012,

Mehran university Research Jurnal of Engineering & Technology, Vol. 31,No. 2, pp. 355-360.

[11] Srivastava Kuldeep Kumar, Saquib Shakil, Anand Vardhan Pandey, 2013,

“Harmonics & Its Mitigation Technique by Passive Shunt Filter”, International Journal of SoftComputing and Engineering (IJSCE) ISSN, Volume-3, Issue-2, pp. 325-331.

[12] Basu Supriatim, Bollen. J. H. M, Undeland M. Tore, 2008,“PFC Strategies in Light of

EN 61000-3-2”, Norwegian University of Science and Techology Trondheim”,

Norway, Paper Indentification Number A123656, pp. 1-9.

[13] Francisco C. De La Rosa, 2006,” Harmonics and Power Systems” Distribution Control Systems, Inc.

[14] Zuhal, 1988, “ Dasar teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, PT. Gramedia, Jakarta.

[15] Muhammad Rashid, 2004,“Power Electronics Circuit Devices and Application”,Third Edition, Prentice Hall.

[16] Harum Rasyid, 2006, “Kajian penggunaan filter pasif sebagai pereduksi efek harmonisa”, Jurnal ELTEK, vol. 04, No.02. pp. 46-53.

[17] Konvernikova L. I, 2010, “Centralized Normalization of Harmonic Voltage by The Thrid Orde Passive Filter”, International Conference on Reneweble Energier and Power Quality (ICREPQ), Granada Spain 23rd to 25th.

[18] Rizkytama, Ardian, 2010 ,” Perencanaan High Pass dan Single Tuned Filter Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur”, Proceedings Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.

[19] Wakileh G.J, 2001, “Power System Harmonics: Fundamental, Analysis and Filter Design”,Springer Velag Press.

[20] James Frederick Lazar, 1997,”Analysis of Single Phase Rectifier Circuits”, California Institute of Technology, Pasadena California,.

[21] Chang, G.W, S.Y. Chu, and H.L. Wang, 2002, ”A New Approach for Placement of Single-Tuned Passive Harmonic Filter in a Power System, IEEE, pp. 814-817.

[22] Tawfeeq Omar Turath , Alabbawi Mohammed Ali Abbawi, Saleh Sultan Nashwan, 2014, “Simulation Studies of a Current Source Rectifier DC Motor Using High Pass Filter With PID Controller”, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Vol. 3, No. 10, pp.327-332. [23] Mohan, P. Mathan, G. Amuthan, 2012, ” Comparative Evaluation of Various

Single Phase Harmonics Filter for Non-Linier Load”, IEEE-ICAESM, India, pp. 622-627.

[24] Akagi H., 2006, “Modern active filters and traditional passive filters,” Bulletin

Of the Polis Academy Of Sciences Technical Sciences Vol.54, No.3, Department of Electrical and Electronic Engineering, Tokyo Institute of Technology 2-12-1 O-okayama, Meguro-ku, Tokyo, Japan, pp. 255-269.

[25] Kim Jong-Gyeum , Park Young-Jeen, and Lee Dong-Ju, 2011,” Harmonic Analysis of Reactor and Capacitor in Single-tuned Harmonic Filter Application”, Journal of Electrical Engineering & Technology Vol. 6, No. 2, pp. 239~244.

[26] Zargari, Navid R., Joos G., and Ziogas P. D., 1994, “Input Filter Design for PWM Current-Source Rectifiers”,IEEE, pp. 1573-1579.

[27] Spencer Prathap Sigh and Kesavan Nair, 2013, “Intelligent Controller For Reduction of Total Harmonics in Single Phase Inverters”, Journal of Applied

Lampiran 1.PengukuranProgrammable Logic Control(PLC) Mengunakan Alat Fluke 43B Power Analyzer

Gambar 1. Hasil Pengukuran Daya padaProgrammable Logic Control(PLC)

Gambar 2. Hasil PengukuranDaya Semu (S), Daya Aktif (P) dan Daya Reaktif (Q)

Gambar 3. Hasil Pengukuran Total Harmonisa Distorsi arus (THDi) dan Pengukuran Individual Harmonisa Distorsi arus (IHDi

Gambar 4. Hasil Pengukuran Total Harmonisa Distorsi Tegangan (THDv)