63
distorsi ini juga semakin besar dan pada akhirnya distorsi tegangan yang sampai ke beban juga akan semakin besar. Sebaliknya semakin dekat suatu beban dari sisi
pembangkit, distorsi tegangan yang sampai ke beban akan semakin kecil. Pada pembahasan sebelumnya, telah diuraikan bahwa distorsi tegangan yang
dihasilkan oleh beban non-linier berawal dari distorsi arus yang mengalir pada impedansi saluran. Namun, tidak semua distorsi tegangan dihasilkan oleh distorsi
arus yang mengalir pada impedansi saluran, misalnya pada keluaran konverter. Tegangan keluaran dari konverter mengalami distorsi karena proses pensaklaran
switching yang dilakukan oleh komponen semikonduktor di dalamnya. Proses pensaklaran ini dapat berupa penyearahan ac ke dc dan pembalikan dc ke ac. Pada
analisis rangkaian listrik, beban non-linier dapat diwakili dengan sumber arus pada rangkaian ekivalennya dengan anggapan sumber arus inilah yang akan menghasilkan
arus harmonisa sehingga pada akhirnya merambat ke sumber dan ke beban lainnya.
3.5 Dampak Harmonisa
Dampak yang dihasilkan harmonisa tidak terlalu jelas sampai suatu saat terjadi kegagalan. Beberapa dampak kerugian yang dihasilkan harmonisa adalah:
1. Dengan hadirnya harmonisa akan meningkatkan nilai efektif RMS arus listrik sehingga rugi-rugi tembaga I
2
R juga semakin meningkat. 2. Dengan hadirnya harmonisa yang berfrekuensi lebih tinggi, akan
meningkatkan rugi-rugi inti histeresis dan arus pusar pada mesin-mesin listrik.
3. Harmonisa akan meningkatkan nilai efektif tegangan sehingga akan meningkatkan kerapatan medan magnet pada inti besi yang juga akan
meningkatkan rugi-rugi inti.
4. Dengan meningkatnya rugi-rugi pada poin pertama sampai dengan poin ketiga di atas, suhu kerja peralatan juga semakin tinggi dan pada akhirnya
Universitas Sumatera Utara
64
akan mengurangi umur peralatan. Selain itu, meningkatnya rugi-rugi akan menurunkan efisiensi peralatan.
5. Tegangan efektif yang meningkat akibat adanya harmonisa ini juga akan
meningkatkan kuat medan listrik yang dipikul oleh isolasi peralatan.
6. Dampak pada transformator Dampak pada transformator akan sama seperti poin pertama sampai dengan
poin kelima yang telah diuraikan di atas, ditambah dengan: • Jika harmonisa mengandung komponen dc, maka inti trafo dapat
beroperasi pada daerah daerah saturasi. Pada daerah saturasi ini, kenaikan ggm yang besar hanya menaikkan fluks magnet dalam jumlah yang kecil
sehingga membutuhkan daya eksitasi yang lebih besar. • Vibrasi pada inti trafo sewaktu beroperasi menjadi lebih jelas.
7. Dampak pada motor Dampak pada motor akan sama dengan poin pertama sampai dengan poin
kelima yang telah diuraikan di atas. Selain itu, harmonisa juga akan mengganggu karakteristik torsi pada motor. Seperti yang akan diuraikan berikut ini.
Dengan anggapan gelombang tegangan yang diterima merupakan fungsi simetris setengah gelombang maka harmonisa orde genap tidak muncul pada
motor. Pada motor hubungan bintang tanpa konduktor netral, tidak mengalir arus urutan nol pada kumparan. Pada hubungan segitiga, arus harmonisa urutan nol
akan bersikulasi pada ketiga fasa kumparan jangkar, tetapi tidak menimbulkan pengaruh apa-apa pada torsi motor tiga fasa karena resultan medan magnet yang
dihasilkannya sama dengan nol setiap saat. Jadi, dapat disimpulkan bahwa harmonisa urutan nol tidak mengganggu karakterisitik torsi motor.
Harmonisa urutan positif 7, 13, 19, 24, … memiliki urutan fasa yang sama dengan komponen fundamental sehingga arah medan putar dan torsi yang
Universitas Sumatera Utara
65
dihasilkannya searah dengan yang dihasilkan komponen fundamental. Dengan kata lain, torsi yang dihasilkan harmonisa urutan positif akan menambah torsi
yang dihasilkan pada komponen fundamental. Harmonisa urutan negatif 5, 11, 17, 23, … memiliki urutan fasa yang
berlawanan dengan komponen fundamental sehingga arah medan putar dan torsi yang dihasilkannya juga berlawanan dengan yang dihasilkan komponen
fundamental. Dengan kata lain, torsi yang dihasilkan harmonisa urutan negatif akan mengurangi torsi yang dihasilkan pada komponen fundamental.
Pada harmonisa urutan negatif, harmonisa ke-5 memiliki ampitudo yang lebih besar daripada harmonisa orde yang lebih tinggi sehingga terhadap torsi yang
dihasilkannya memiliki dampak yang lebih menonjol. Begitu juga dengan harmonisa ke-7 pada urutan positif yang memberikan dampak yang lebih
menonjol daripada harmonisa orde yang lebih tinggi. Harmonisa ke-5 menghasilkan medan putar yang berlawanan arah dengan kecepatan lima kali
lebih besar daripada komponen fundamental dan Harmonisa ke-7 menghasilkan medan putar yang searah dengan kecepatan tujuh kali lebih besar daripada
komponen fundamental. Interaksi antara harmonisa ke-5 dan ke-7 ini akan menghasilkan medan putar dengan kecepatan enam kali lebih besar daripada
komponen fundamental. Medan putar resultan ini akan menginduksikan arus listrik pada rotor dengan frekuensi enam kali lebih besar. Interaksi antara medan
putar dan arus induksi pada rotor akibat harmonisa ini menghasilkan torsi yang berosilasi seperti ditunjukkan pada gambar 3.8. Jika frekuensi osilasi yang
dihasilkan sama dengan frekuensi putar rotor, maka dapat terjadi kerusakan besar. Getaran dan kebisingan yang dihasilkan oleh harmonisa harus ditinjau
lebih lanjut untuk menghindari kerusakan. Dari gambar 3.8 dapat dilihat bahwa terjadi osilasi torsi pada saat pengasutan
starting motor, ini mengakibatkan proses pengasutan tidak semulus biasanya. Selain itu, harmonisa juga dapat mengakibatkan slip motor induksi lebih tinggi
dari biasanya.
Universitas Sumatera Utara
66
8. Dampak pada generator Dampak pada generator akan sama poin pertama sampai dengan poin kelima
yang telah diuraikan di atas, ditambah dengan: • Adanya harmonisa ketiga akan menimbulkan arus sirkulasi pada
penghantar netral generator yang sedang diparalel. • Selain itu, harmonisa akan mengakibatkan osilasi torsi seperti pada halnya
motor. Osilasi ini akan terjadi pada turbin yang menggerakkan generator tersebut sehingga turbin rentan terhadap kerusakan.
9. Dampak pada kapasitor Kapasitor dipasang pada sistem untuk memperbaiki faktor daya. Reaktansi
kapasitif pada kapastitor berbanding terbalik dengan frekuensi. Harmonisa mempunyai frekuensi yang lebih tinggi sehingga reaktansi kapasitif akan turun.
Dengan menurunnya reaktansi kapasitif, akan dihasilkan arus harmonisa yang lebih besar lagi sehingga kapasitor dapat mempertinggi distorsi. Selain itu, arus
harmonisa yang besar ini akan menambah nilai efektif arus total yang mengalir melalui kapasitor sehingga dapat menimbulkan panas yang berlebih pada isolasi
kapasitor. Gambar
3.8 Torsi vs Putaran yang Telah Mengandung Harmonisa Pada Motor Induksi
Universitas Sumatera Utara
67
Dengan hadirnya harmonisa, tegangan efektif pada kapasitor akan lebih tinggi sehingga meningkatkan medan listrik yang dipikul oleh isolator di dalam
kapasitor tersebut. Untuk mencegah kegagalan isolasi maka kapasitor tersebut harus dirancang agar isolasinya mampu memikul medan listrik yang lebih tinggi
akibat timbulnya harmonisa. Selain itu, dengan meningkatnya tegangan efektif, rugi-rugi dielektrik pada kapasitor juga akan semakin meningkat.
Harmonisa pada kapasitor juga dapat memicu terjadinya efek resonansi. Resonansi adalah peristiwa dimana reaktansi induktif dari saluran ataupun
transformator sama dengan reaktansi kapasitif. Resonansi hanya terjadi pada frekuensi tertentu yang dapat dicari melalui persamaan:
X
L
X
C
1 ωC ωL
ω 1
LC ω
1 √LC
f 1
2π√LC Frekuensi resonansi harus diusahakan agar tidak berdekatan dengan frekuensi
harmonisa yang mungkin muncul. Untuk tujuan ini, induktansi sistem harus diketahui agar dapat menentukan nilai kapasitansi yang tepat. Resonansi ini
dapat dibagi menjadi resonansi seri L seri dengan C dan resonansi paralel L paralel dengan C. Efek resonansi ini dapat mengakibatkan kenaikan arus
maupun tegangan sehingga bisa memperpendek umur kapasitor tersebut ataupun peralatan listrik lainnya.
3.20
Universitas Sumatera Utara
68
10. Dampak pada kabel • Dengan adanya harmonisa, efek kulit skin effect akan meningkat pada
kabel sehingga menaikkan resistansi ac Rac yang meningkatkan rugi- rugi.
• Pada saat terjadi resonansi, akan terjadi korona di sekitar kabel dan isolasi kabel dapat mengalami stress yang dapat memicu kepada
terjadinya kegagalan isolasi. 11. Dampak pada alat proteksi
Alat proteksi tidak bekerja secara tepat. Sekring dapat bekerja pada arus di bawah nilai nominalnya, relai bisa bekerja pada selang waktu yang lebih cepat
ataupun lebih lambat dibandingkan dengan waktu yang diharapkan ketika bekerja pada frekuensi fundamental. Oleh karena itu dalam merencanakan alat
proteksi, faktor harmonisa harus juga diperhitungkan. 12. Beberapa peralatan elektronika menjadi kurang teratur dalam menjalankan
fungsinya dan bahkan bisa mengalami gagal fungsi. 13. Menimbulkan kesalahan pengukuran pada alat ukur.
14. Menimbulkan interferensi pada saluran komunikasi radio, telepon, PLC Power Line Carrier melalui kopling induktif.
15. Kesalahan pengukuran waktu pada jam digital. 16. Arus yang mengalir pada konduktor netral terlalu besar dikarenakan adanya
harmonisa urutan nol. Selain itu, arus harmonisa urutan nol yang mengalir pada konduktor netral akan meningkatkan beda potensial antara konduktor
netral dengan tanah. 17. Memperburuk faktor daya.
Universitas Sumatera Utara
69
3.21 Kandungan sebuah harmonisa dapat dinyatakan dalam THD Total Harmonic
Distortion dan IHD Individual Harmonic DistortionHF Harmonic Factor. THD didefinisikan sebagai perbandingan jumlah nilai efektif RMS seluruh
komponen harmonisa dengan orde ≥ 2 terhadap komponen fundamentalnya. THD
menunjukkan penyimpangan gelombang yang terdistorsi terhadap gelombang idealnya sinus murni. THD disebut juga faktor distorsi distortion factor.
Persamaan THD adalah:
Keterangan: A
1
= Komponen harmonisa pertama fundamental A
2
= Komponen harmonisa
kedua A
3
= Komponen harmonisa ketiga A
n
= Komponen harmonisa
ke-n Pada perhitungan THD, Gelombang yang ideal sinus murni adalah komponen
fundamental. Komponen yang menimbulkan distorsi terhadap gelombang ideal ini adalah komponen mulai dari harmonisa kedua. Oleh karena itu, deret penjumlahan
kuadrat pada sisi pembilang dari persamaan 3.21 dimulai dari A
2
. Pada sistem tenaga listrik, besaran A
n
ini dapat berupa tegangan maupun arus listrik, tetapi lebih sering menggunakan besaran tegangan. THD untuk tegangan dapat dirumuskan sebagai
berikut:
THD untuk arus listrik dapat dirumuskan sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
70
3.22 HF didefinisikan sebagai perbandingan komponen harmonisa ke-n terhadap
komponen fundamental. HF menunjukkan kontribusi dari harmonisa orde tertentu terhadap gelombang yang terdistorsi. Persamaan HF adalah:
Besaran A
n
ini juga dapat berupa tegangan maupun arus listrik. HF untuk tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut:
HF untuk arus listrik dapat dirumuskan sebagai berikut:
Pada persamaan THD dan HF ini, seluruh komponen A
1
dan A
n
dapat menggunakan nilai maksimum puncak, nilai efektif, maupun nilai rata-rata tanpa
mengubah hasil akhir.
3.6 Sumber Harmonisa Pada Generator Sinkron
