58
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Simulasi dan Pembahasan
4.1.1. Tegangan sumber seimbang 4.1.1.1. Sebelum pengurangan
Spektrum arus fasa dan netral sebelum pengurangan arus harmonisa pada kondisi tegangan seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.1. Nilai arus rms pada masing-
masing fasa dan netral ditunjukkan pada Tabel 4.1.
Gambar 4.1 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa Pada Kondisi Tegangan Seimbang
1 2
3 4
5 IR
1 2
3 4
5 IS
1 2
3 4
5 IT
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
59
Tabel 4.1 Nilai Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa dengan Tegangan Seimbang
Sisi Sumber Arus rms A Fasa R
4,6118 Fasa S
4,6126 Fasa T
4,6121 Netral
7,3517
Dari Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa arus fasa yang dihasilkan oleh penyearah yang dibebani oleh tahanan R dan kapasitor C yang diparalel mengandung
banyak arus harmonisa urutan nol orde ke-3, ke-9, ke-15, urutan negatif orde ke-5, ke-11, ke-17 dan urutan positif orde ke-7, ke-13, ke-19. Pada penghantar netral
arus harmonisa urutan positif dan negatif saling meniadakan sedangkan arus harmonisa urutan nol saling menjumlah sehingga pada netral yang ada hanya arus
harmonisa urutan nol saja dimana nilainya adalah tiga kali arus harmonisa urutan nol pada masing-masing fasa sesuai dengan Persamaan 2.4.
Dari Tabel 4.1. dapat dilihat bahwa arus netral yang dihasilkan adalah sebesar 7,3517 A. Nilai ini jauh lebih besar dari arus pada masing-masing fasa. Perbandingan
antara arus netral dan fasa adalah 1,6.
60
4.1.1.2. Pengurangan arus harmonisa urutan nol oleh transformator zig-zag pada tegangan seimbang
Spektrum arus fasa dan netral setelah pengurangan arus harmonisa oleh transformator zig-zag pada kondisi tegangan seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.2. Nilai arus
rms pada masing-masing fasa dan netral ditunjukkan pada Tabel 4.2. Untuk penyederhanaan penulisan dalam tabel transformator zig-zag ditulis trafo ZZ.
Setelah menggunakan transformator zig-zag terjadi pengurangan arus netral pada sisi sumber dari 7,3517 A menjadi 5,1176 A. Dengan nilai impedansi yang
digunakan dalam simulasi ini, arus netral hanya berkurang 30,4 saja sedangkan perbandingan antara arus netral dan fasa turun menjadi 1,21. Pengurangan arus netral
ini disebabkan karena transformator zig-zag telah mengurangi arus urutan nol menuju sumber dengan cara melalukan arus urutan nol dari beban kembali ke beban. Sesuai
dengan Persamaan 2.34 keefektifan dari transformator zig-zag dalam mengurangi arus harmonisa urutan nol tergantung kepada perbandingan antara impedansi urutan
nol dari transformator zig-zag Z
ZZ
dengan impedansi lainnya.
61
Gambar 4.2 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Pengurangan Oleh Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Seimbang
Tabel 4.2 Nilai Arus Fasa dan Netral Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang
Uraian Arus rms A
1. Sisi Sumber Fasa R
4,2341 Fasa S
4,2273 Fasa T
4,2319 Netral
5,1176 2. Pada trafo ZZ
Fasa R 0,8654
Fasa S 0,8643
Fasa T 0,8637
Netral 2,5836
1 2
3 4
5 IrS
1 2
3 4
5 IsS
1 2
3 4
5 ItS
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
62
4.1.1.3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol oleh zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag pada tegangan seimbang
Spektrum arus fasa dan netral pada sumber dan pada transformator zig-zag setelah pengurangan arus harmonisa oleh zero sequence blocking transformer ZSBT dan
transformator zig-zag pada kondisi tegangan seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Nilai arus rms pada masing-masing fasa dan netral ditunjukkan pada
Tabel 4.3.
Gambar 4.3 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Pada Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa
Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag
Dengan menggunakan kombinasi zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag terjadi pengurangan arus penghantar netral yang cukup drastis
yakni dari 7,3517 A berkurang menjadi 0,0098 A seperti terlihat pada Tabel 4.3. Dengan kata lain terjadi pengurangan arus netral sebesar 99,8 . Pengurangan ini
1 2
3 4
5 IrS
1 2
3 4
5 IsS
1 2
3 4
5 ItS
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
63
terjadi karena arus harmonisa urutan nol pada penghantar fasa berkurang. Dari Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa arus fasa tidak lagi mengandung arus harmonisa
urutan nol. Ini membuktikan bahwa zero sequence blocking transformer telah bekerja efektif dalam mengurangi arus harmonisa urutan nol pada arus fasa. Terkait dengan
Persamaan 2.38, terjadinya pengurangan yang cukup signifikan ini disebabkan semakin besarnya penyebut pada persamaan tersebut. Artinya arus urutan nol yang
akan mengalir ke sumber diperkecil oleh zero sequence blocking transformer. Karena impedansi urutan nol transformator zig-zag lebih kecil dari impedansi urutan nol zero
sequence blocking transformer maka arus urutan nol ini dipaksa mengalir melalui transformator zig-zag kembali ke beban.
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag dengan Tegangan Seimbang
Uraian Arus rms A
1. Sisi Sumber Fasa R
3,5199 Fasa S
3,5177 Fasa T
3,5243 Netral
0,0098 2. Pada
Transformator ZZ
Fasa R 2,2769
Fasa S 2,2767
Fasa T 2,2766
Netral 6,8275
64
Uraian Arus rms A
3. Sisi Beban Fasa R
4,2023 Fasa S
4,1969 Fasa T
4,2023 Netral
6,8285
Dari Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa arus yang mengalir pada netral dan fasa transformator zig-zag hanyalah arus harmonisa urutan nol saja dan magnitud arus
netral sama dengan tiga kali arus fasanya. Hal ini membuktikan kebenaran Persamaan 2.16 dan 2.17. Jadi arus harmonisa urutan nol yang besar mengalir melalui
transformator zig-zag. Arus harmonisa urutan nol ini berasal dari beban. Hampir semua arus netral yang berasal dari sumber mengalir melalui transformator zig-zag
kembali ke beban. Hal ini dapat dilihat dari Tabel 4.3 dimana pada tabel tersebut terlihat bahwa nilai arus netral pada sumber hampir sama besarnya dengan arus netral
pada transformator zig-zag dan arus ini terdistribusi secara merata pada masing- masing fasa.
Lanjutan Tabel 4.3
65
Gambar 4.4 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Transformator Zig-zag Pada Kondisi Tegangan Seimbang Sesudah Pengurangan Harmonisa
Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag
4.1.2. Tegangan sumber tidak seimbang 4.1.2.1. Sebelum penggunaan transformator zig-zag
Spektrum arus fasa dan netral sebelum penggunaan transformator zig-zag pada kondisi tegangan tidak seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.5. Nilai arus rms pada
masing-masing fasa dan netral ditunjukkan pada Tabel 4.4.
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 IrZ
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 IsZ
0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 ItZ
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
66
Gambar 4.5 Spektrum Arus Fasa dan Netral Sebelum Pengurangan Harmonisa Pada Kondisi Tegangan Sumber Tidak Seimbang
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Sebelum Pengurangan Harmonisa Dengan Tegangan Tidak Seimbang
Sisi Sumber Arus rms A
Fasa R 4,6465
Fasa S 4,3781
Fasa T 5,0098
Netral 7,4161
Nilai puncak dan sudut fasa tegangan bolak balik pada fasa-fasa R, S dan T yang digunakan pada simulasi ini berturut-turut adalah 311
∠ 0 V, 283
∠ 115 V, dan
339 ∠ 250
V. Dengan adanya ketidak seimbangan tegangan fasa akan menimbulkan tegangan urutan nol. Dengan mensubstitusikan nilai-nilai ini ke dalam Persamaan
1 2
3 4
5 IR
1 2
3 4
5 IS
1 2
3 4
5 6
IT
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
67
2.32 akan diperoleh tegangan urutan nol sumber sebagai berikut, V
SO
= 13311
∠
+ 283
∠
115 + 339
∠
250 = 32,568
∠ -
39,44 Volt Jadi tegangan urutan nol yang terdapat pada tegangan sumber yang tidak seimbang
pada simulasi ini adalah 32,568
∠ -
39,44 Volt.
Ketidakseimbangan tegangan sumber akan menyebabkan ketidak seimbangan arus harmonisa urutan positif, nol dan negatif pada masing-masing arus fasa seperti
terlihat pada Gambar 4.5. Dengan adanya ketidakseimbangan arus-arus urutan ini akan menyebabkan arus pada masing-masing fasa tidak sama seperti terlihat pada
Tabel 4.4. Disamping itu arus pada penghantar netral sedikit lebih besar dibandingkan dengan arus yang sama pada kondisi tegangan seimbang. Hal ini disebabkan karena
pada penghantar netral mengalir pula sedikit arus harmonisa urutan positif dan negatif.
4.1.2.2. Arus harmonisa urutan nol sesudah penggunaan transformator zig-zag pada tegangan sumber tidak seimbang
Spektrum arus fasa dan netral setelah penggunaaan transformator zig-zag pada kondisi tegangan tidak seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.6. Nilai arus rms pada
masing-masing fasa dan netral ditunjukkan pada Tabel 4.5.
68
Sesuai dengan yang dinyatakan oleh Persamaan 2.36 bahwa pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat dengan tegangan sumber mengandung tegangan
urutan nol dan dengan beban yang mengandung arus harmonisa urutan nol, arus netral menuju sumber adalah penjumlahan dari arus urutan nol yang berasal dari
sumber dan arus urutan nol yang berasal dari beban. Oleh karena itu arus harmonisa urutan nol yang mengalir pada netral menuju sumber akan bertambah besar sebab
arus harmonisa urutan nol yang ditimbulkan oleh tegangan urutan nol pada sumber mengalir pula melalui transformator zig-zag menuju sumber. Jadi pada transformator
zig-zag mengalir dua jenis arus harmonisa urutan nol, pertama dari beban dan kedua dari tegangan sumber. Dengan demikian arus netral dan fasa dari sistem distribusi
tiga fasa empat kawat pada kondisi tegangan tidak seimbang menjadi bertambah besar sesudah penggunaan transformator zig-zag.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 4.6 dan Tabel 4.5 arus netral pada sisi sumber sekarang menjadi 12,188 A, sebelumnya hanya 7,4161 A. Jadi arus netral
pada sisi sumber sekitar 1,6 kali dari sebelum penggunaan transformator zig-zag. Pada saat yang sama arus yang mengalir pada transformator zig-zag menjadi
bertambah besar yakni 10,742 A sementara arus pada ketiga fasanya masing-masing adalah 3,6185 A, 3,6025 A dan 3,5226 A. Nilai ini melebihi rating arus dari
transformator zig-zag yang digunakan yakni 2,36 A. Tentu saja hal ini tidak diinginkan karena akan merusak transformator zig-zag itu sendiri.
69
Gambar 4.6 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Penggunaan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak Seimbang
Tabel 4.5 Hasil Simulasi Setelah Penggunaan Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Tidak Seimbang
Uraian Arus rms A
1. Sisi Sumber Fasa R
6,0753 Fasa S
2,5693 Fasa T
7,2150 Netral
12,188
2. Pada trafo ZZ Fasa R
3,6185 Fasa S
3,6025 Fasa T
3,5226 Netral
10,742
2 4
6 8
IrS
0.5 1
1.5 2
2.5 IsS
2 4
6 8
10 ItS
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
70
Lanjutan Tabel 4.5 Uraian
Arus rms A 3. Sisi Beban
Fasa R 4,5391
Fasa S 4,4479
Fasa T 5,0306
Netral 7,5716
Berdasarkan kenyataan di atas patut dicermati pentingnya analisis ketidak seimbangan tegangan sumber pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat sebelum
menggunakan transformator zig-zag. Jika tidak, penggunaan transformator zig-zag bukan saja tidak bermanfaat bahkan akan merusak transformator itu sendiri. Arus
yang besar mengalir pula pada penghantar netral sehingga dikhawatirkan akan merusak penghantar tersebut. Disamping itu penggunaan transformator zig-zag pada
tegangan tidak seimbang akan memperbesar ketidakseimbangan pada arus fasa sumber.
4.1.2.3. Pengurangan arus harmonisa urutan nol oleh zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag pada tegangan tidak seimbang
Dari analisis yang telah disampaikan pada 4.1.2.2 diketahui bahwa ketidakseimbangan tegangan sumber menyebabkan arus netral bertambah besar
setelah penggunaan transformator zig-zag. Untuk mengurangi arus netral yang besar ini, maka sesuai dengan Persamaan 2.37 perlu disisipkan suatu impedansi antara
71
sumber dengan transformator zig-zag dan impedansi ini diperoleh dengan memasang zero sequence blocking transformer diantara sumber dengan transformator zig-zag.
Spektrum arus fasa dan netral pada sisi sumber setelah pengurangan arus harmonisa oleh zero sequence blocking transformer ZSBT dan transformator zig-
zag pada kondisi tegangan tidak seimbang ditunjukkan pada Gambar 4.7. Nilai arus rms pada masing-masing fasa dan netral ditunjukkan pada Tabel 4.6.
Dari Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa arus harmonisa urutan nol pada fasa-fasa R, S dan T berturut-turut adalah 0,4453 A, 0,6062 A dan 0,4167 A. Arus harmonisa
urutan nol ini sudah jauh berkurang dari sebelumnya yakni lebih dari 3,2 A pada setiap fasa. Ini membuktikan bahwa zero sequence blocking transformer telah
berhasil mengurangi arus harmonisa urutan nol pada fasa. Dengan berkurangnya arus harmonisa urutan nol pada fasa berdampak pada pengurangan arus harmonisa urutan
nol pada netral. Seperti terlihat pada Tabel 4.6, arus netral pada sisi sumber sekarang tinggal 0,0676 A di mana sebelumnya 7,4161 A. Berarti telah terjadi pengurangan
arus netral sebesar 99 . Hasil ini sangat konsisten dengan Persamaan 2.37.
72
Gambar 4.7 Spektrum Arus Fasa dan Netral Pada Sisi Sumber Sesudah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Pada Kondisi Tegangan Tidak
Seimbang
Tabel 4.6 Hasil Simulasi Setelah Pengurangan Harmonisa Oleh ZSBT dan Transformator Zig-Zag Dengan Tegangan Tidak Seimbang
Uraian Arus rms A
1. Sisi Sumber Fasa R
3,3354 Fasa S
3,4712 Fasa T
3,7566 Netral
0,0676 2. Pada Trafo ZZ
Fasa R 2,2585
Fasa S 2,2588
Fasa T 2,2593
Netral 6,7739
1 2
3 4
5 IrS
1 2
3 4
5 IsS
1 2
3 4
5 6
ItS
100 200
300 400
500 600
700 800
900 1000
1100 1200
1300 1400
1500 Frequency Hz
73
Uraian Arus rms A
3. Sisi Beban Fasa R
3,9039 Fasa S
4,0833 Fasa T
4,5690 Netral
6,7757
Penggunaan kombinasi antara zero sequence blocking transformer dan transformator zig-zag berhasil menyeimbangkan arus fasa pada sumber dan pada
transformator zig-zag seperti terlihat pada Tabel 4.6.
4.1.3. Rangkuman hasil simulasi Rangkuman hasil pengukuran arus pada sisi sumber pada keadaan sebelum,
setelah pengurangan arus harmonisa urutan nol menggunakan transformator zig-zag, dan kombinasi transformator zig-zag dan zero sequence blocking transformer dengan
tegangan seimbang dan tidak seimbang melalui simulasi dapat dilihat pada Tabel 4.7. Untuk menyederhanakan penulisan zero sequence blocking transformer ditulis
dengan ZSBT dan transformator zig-zag ditulis transformator ZZ. Lanjutan Tabel 4.6
74
Tabel 4.7 Rangkuman Hasil Pengukuran Arus Pada Sisi Sumber Berdasarkan Simulasi
Parameter Arus Amp
Tegangan seimbang Tegangan tidak seimbang
Sebelum Sesudah
Oleh trafo
ZZ Sesudah
oleh ZSBT
dan trafo ZZ
Sebelum Sesudah
Oleh trafo ZZ
Sesudah oleh
ZSBT dan trafo
ZZ
Arus fasa R 4,6118
4,2341 3,5199
4,6465 6,0753
3,3354 Arus Fasa S
4,6126 4,2273
3,5177 4,3781
2,5693 3,4712
Arus Fasa T 4,6121
4,2319 3,5243
5,0098 7,2150
3,7566 Arus Netral
7,3517 5,1176
0,0098 7,4161
12,188 0,0676
Perbandingan arus netral
dengan arus fasa
159 121
0,27 158,5
230,5 1,9
Pengurangan arus netral
30,38 99,80
- 64,34 99,08
4.2. Hasil Eksperimen dan Pembahasan
Kategori