Analisis Filter Pasif Single Tuned Untuk Mengurangi Arus Harmonisa Pada Mixer

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sitem kelistrikan berkembang begitu cepat. Semakin berkembangnya kelistrikan maka konsumsi daya semakin meningkat. Seperti halnya komputer, pendingin ruangan (AC), komputer, Lampu Hemat Energi (LHE), fluorescent lamp (lampu TL), Unterruptable Power Supplies (UPS), Baterry charger dan peralatan elektronik lainnya tidak bisa terlepas dari kebutuhan konsumsi daya listrik. Peralatan tersebut disebut dengan beban non linier yaitu beban yang memiliki bentuk gelombang non sinusoidal karena telah terdistorsi oleh arus harmonisa yang ditimbulkan oleh berbagai peralatan elektronik. Pada beban nonlinier (peralatan elektronik) terdapat penyearah yang mengkonversikan tegangan bolak balik ke tegangan searah untuk operasi komponen elektronik. Penyearah digunakan untuk memaksimalkan penggunaan daya aktif dan memudahkan dalam pengaturan beban pada peralatan tersebut [1].

Penggunaan beban non linier dapat menghasilkan harmonisa yang tinggi dan faktor daya yang rendah, sehingga dapat menambah pembebanan pada transformator distribusi, bahkan dapat mempengaruhi kinerja peralatan lain dengan sumber listrik tersebut. Masalah keberadaan harmonisa pada kualitas daya sudah ditetapkan batas yang diijinkan sesuai Standar Internasional yaitu IEC 61000-3-2.

Seperti halnya juga peralatan-peralatan listrik untuk beban rumah tangga, seperti: blender/juicer, mixer, microwave, kulkas, televisi, dan lain sebagainya. Tanpa disadari peralatan tersebut juga ikut menyumbang arus harmonisa. Peralatan-peralatan ini menggunakan penyearah berupa komponen semi-konduktor yang dirancang untuk menggunakan arus listrik secara hemat dan efisien karena arus listrik hanya dapat melalui komponen semi-konduktornya selama periode pengaturan yang telah ditentukan. Namun di sisi lain hal ini akan menyebabkan gangguan gelombang arus dan tegangan yang pada akhirnya akan kembali ke bagian lain sistem tenaga listrik. Fenomena ini akan menimbulkan gangguan beban non-linier satu fasa [2].

Penelitian difokuskan pada mixer. Sebuah peralatan rumah tangga yang bekerja menggunakan peralatan semi konduktor pada penyearah agar dapat mengatur kecepatan putaran (variabel putaran). Pada mixer terdapat motor induksi yang diatur oleh komponen elektronika, didalamya terdapat inverter, penyearah, dan peralatan lain yang bersifat beban non-linier sehinggga mnyebabkan arus harmonisa.

Pengukuran yang telah dilakukan pada mixer didapat hasil bahwa pada alat tersebut terdapat arus harmonisa yang tidak sesuai standart IEC 61000-3-2 hanya pada arus harmonisa orde ke-3. Sedangkan arus harmonisa orde ke-5, ke-7, ke-9, dan seterusnya masih dalam batas standart IEC 61000-3-2 yang telah ditentukan. Berbeda dengan peralatan rumah tangga lainnya, seperti pengukuran yang telah dilakukan terdahulu pada televisi yang hampir pada setiap orde harmonisanya didapati hasil

Mixer menghasilkan arus harmonisa yang lebih tinggi pada orde ke-3,

akan tetapi jika dilihat dari perkembangan arus usaha saat ini banyak usaha kecil dan menengah yang bergerak dibidang pembuatan makanan ringan seperti usaha pembuatan roti, kue-kue kering, maupun restoran menggunakan mixer sebagai alat pembantu untuk meringankan pekerjaan mereka. Penggunaan mixer pada skala besar tidak bisa dianggap remeh, mixer-mixer tersebut juga ikut menyumbang arus harmonisa yang kemudian berpengaruh pada pembebanan lebih pada transformator, pemanasan pada circuit breaker, faktor daya pada sistem lebih rendah, dan penggunaan energi listrik menjadi tidak efisien.

Salah satu upaya pengurangan harmonisa yakni dengan menggunakan filter. Dengan menggabungkan antara komponen R, L, dan C akan berbentuk filter yang disebut dengan filter pasif. Penggunaan filter pasif merupakan salah satu solusi yang tepat untuk mengurangi harmonik pada gelombang keluaran converter dari peralatan listrik. Salah satu filter yang umum digunakan adalah Single-Tuned Passive

Filter. _{Single-Tuned Passive Filter adalah salah satu filter pasif yang paling umum}

digunakan karena harganya yang relatif murah dan instalasi yang mudah dan juga sesuai dengan karakteristik dari mixer.

Besar harmonisa yang dibangkitkan oleh beberapa merk mixer dapat dilihat pada Tabel 1.1. sebagai gambaran besar IHDI yang dihasilkan oleh mixer (lihat

Tabel 1.1. IHDI yang dibangkitkan oleh mixer.

Merk Mixer

Daya

(Watt) Orde-3 Orde-5 Orde-7 Orde-9

Orde-11

Orde-13

Orde-15 THDi

Mixer A 78.4 61.30% 26.50% 3% 0.80% 0.60% 0.50% 1% 46.10% Mixer B 76 72.10% 14.60% 2.80% 0.90% 0.40% 0.10% 0.10% 51.70% Mixer C 120 14.20% 4.10% 0.40% 0.50% 0.30% 0.20% 0.20% 14.20% Mixer D 106.8 63.90% 22% 2.30% 2% 0.90% 0.60% 1.10% 42.20% Mixer E 110 55.80% 21.20% 6.20% 3.40% 1.90% 0.12% 0.10% 59.40%

Seperti yang ditunjukan Tabel 1.1. terlihat hasil pengukuran 5 merk mixer yang berbeda. Dari ke-5 merk mixer tersebut, mixer E memiliki THDi paling tinggi sebesar 59.40% sehingga IHDi yang dihasilkan mixer E jauh lebih besar dari standart IHDi IEC 610003-2 Kelas D. Data yang diperlihatkan mixer E pada harmonisa orde ke-3 55.8%, orde ke-5 21.2%, orde ke-7 6.2%, orde ke-9 3.4%, orde ke-11 1.9%, orde ke-13 0.12%, orde ke-15 0.1%. Atas dasar data ini nantinya akan digunakan dalam menentukan besarnya parameter filter pasif yang diperlukan untuk mereduksi harmonisa mixer E sehingga sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar IHD dan faktor daya yang dihasilkan oleh alat rumah tangga tersebut, kemudian akan dilakukan perancangan filter pasif yang dapat mereduksi atau mengurangi harmonisa sekaligus memperbaiki faktor daya daya pada mixer. Pengukuran pada mixer ini dilakukan di laboraturium PT. PLN (Persero) Wilayah Sumatera.

Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai teknologi dan diuraikan sebagai berikut ini:

1. G. W. Chang, S. Y. Chu, dan H. I. Wang pada tahun 2002 melalui jurnal IEEE pp 814-817, yang berjudul “A New Approach for

Placement of Single Tuned Passive Harmonics Filters in a Power System” menggunakan metode simulasi program merancang besaran

R, L, C untuk menentukan alogaritma pada filter pasif yang menghasilkan rancangan alogaritma untuk single tuned filter yang dapat menurunkan awal > 3% menjadi < 3% dan awal > 5% menjadi < 5% [3].

2. P. Mathan Mohan dan G. Amuthan pada tahun 2012 melalui jurnal IEEE pp 622-627, yang berjudul “Comparative Evaluation of Various

Single Phase Harmonic filters for Non-linear load” menggunakan

simulasi program MATLAB merancang Passive Power Filter (PPF),

Shunt Active Power Filter (SAPF), dan Hybrid Active Power Filter

(HAPF) yang menghasilkan penelitian THD pada PPF menjadi 11,84% dengan power factor 0,9123, THD pada SAPF menjadi 2,159% dengan power factor 0,9192, THD pada HAPF menjadi 1,641% dengan power factor 0,92 [4].

3. Young-Sik Cho dan Hanju Cha pada tahun 2011 melalui jurnal International Council on Electrical Engineering Vol 1, No 1, pp 7-13, yang berjudul “Single-Tuned Passive Harmonic Filter Design

Considering Variances of Tuning And Quality Factor” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan penelitian yang menunjukkan setelah pemakaian single-tuned filter THDi (harmonisa arus) yang terdapat pada harmonisa ke-5, 7, 11, dan 13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 dari 72.6% menjadi 7.9%, harmonisa ke-7 dari 61.8% menjadi 11.2%, harmonisa ke-11 dari 20.9% menjadi 4.5% dan harmonisa ke-13 dari 13.2% menjadi 2.9% [5].

4. Endi Sofyandi pada tahun 2010 dari jurnal Universitas Indonesia, yang berjudul “Perancangan Single-Tuned Filter Untuk Mereduksi

Harmonik Arus Dengan Simulasi Program ETAP PowerStation 5.0.3”

menggunakan simulasi program ETAP powerstation 5.0.3 merancang

single tuned filter yang menghasilkan Pemasangan filter untuk setiap

beban, sebagian besar beban mengalami penurunan THDi, beban TL 8 sebesar 50.71 %, beban TL 14 sebesar 45.51%, beban TL 14 sebesar 29.86%, beban TV sebesar 45.3%, dan beban PC sebesar 19.64%, sedangkan beban yang mengalami kenaikan THDi, beban AC sebesar

5. J. A. Bonner, W. M. Hurst, R. G. Rocamaro, R. F. Dudley, M. R. Sharp, dan J. A. Twist dari jurnal IEEE Vol 10, No 1, pp 547-555, yang berjudul ”Selecting Ratings For Capacitors and Reactorss in

Applications Involving Multiple Single-Tuned Filters” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan rancangan metodhe untuk menentukan nilai besaran filter dengan menentukan parameter pada reaktor dan kapasitor [7].

Dari penelitian yang dilakukan tersebut, telah banyak dihasilkan teknologi sehingga banyak terdapat nilai yang sangat bervariasi dalam mengurangi harmonisa.

.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka perumusan masalah mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan

Single-Tuned Passive Filter, yaitu:

a. Seberapa besar nilai IHDI yang dapat diredam oleh Single-Tuned

Passive Filter.

b. Seberapa besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan

Single-Tuned Passive Filter.

c. Merancang simulasi Single-Tuned Passive Filter menggunakan MATLAB/Simulink.

d. Bagaimana hasil simulasi pemakaian Single-Tuned Passive Filter. e. Bagaimana perbandingan IHDI sebelum dan sesudah penggunaan

Single-Tuned Passive Filter tersebut terhadap standar IEC 61000-3-2.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan Single-Tuned Passive Filter yang dapat digunakan untuk mereduksi arus harmonisa yang dihasilkan mixer dengan menggunakan MATLAB/Simulink. Perhitungan paramater pada Single-Tuned

Passive Filter diharapkan dapat mereduksi IHDi harmonisa yang dihasilkan mixer,

sehingga dapat memenuhi tingkat harmonisa sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 Kelas D.

1.4. Batasan Masalah

Mengingat luasnya Permasalahan mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan Single-Tuned Passive Filter, maka permasalahan ini dibatasi hanya difokuskan pada masalah peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya pada mixer tersebut dengan menggunakan Single-Tuned

Passive Filter.

pada mixer. Sehingga pengurangan harmonisa dapat dilakukan untuk

mengoptimalkan kualitas daya yang lebih baik pada sistem.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan sebagai berikut:

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

Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan sumber pembangkit harmonisa, pengaruh harmonisa, reduksi pengaruh harmonisa, batasan harmonisa, Single-Tuned Passive Filter, prinsip pereduksian harmonisa dari Single-Tuned Passive Filter, merancang Single-Tuned Passive Filter, dan faktor daya tanpa dan dengan kondisi harmonisa.

Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran yang dilakukan, diagram alir penelitian, data hasil pengukuran, klasifikasi arus harmonisa mixer berdasarkan standar IEC61000-3-2 kelas D, perhitungan R, L, dan C dari Tuned Passive Filter, rangkaian simulasi

Single-Tuned Passive Filter.

Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan arus harmonisa setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter dan perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter. Bab 5: Berisikan kesimpulan dan saran.

Tabel 1.1. IHDI yang dibangkitkan oleh mixer.

Merk

Mixer

Daya

(Watt) Orde-3 Orde-5 Orde-7 Orde-9

Orde-11

Orde-13

Orde-15 THDi Mixer A 78.4 61.30% 26.50% 3% 0.80% 0.60% 0.50% 1% 46.10% Mixer B 76 72.10% 14.60% 2.80% 0.90% 0.40% 0.10% 0.10% 51.70% Mixer C 120 14.20% 4.10% 0.40% 0.50% 0.30% 0.20% 0.20% 14.20% Mixer D 106.8 63.90% 22% 2.30% 2% 0.90% 0.60% 1.10% 42.20% Mixer E 110 55.80% 21.20% 6.20% 3.40% 1.90% 0.12% 0.10% 59.40%

Seperti yang ditunjukan Tabel 1.1. terlihat hasil pengukuran 5 merk mixer yang berbeda. Dari ke-5 merk mixer tersebut, mixer E memiliki THDi paling tinggi sebesar 59.40% sehingga IHDi yang dihasilkan mixer E jauh lebih besar dari standart IHDi IEC 610003-2 Kelas D. Data yang diperlihatkan mixer E pada harmonisa orde ke-3 55.8%, orde ke-5 21.2%, orde ke-7 6.2%, orde ke-9 3.4%, orde ke-11 1.9%, orde ke-13 0.12%, orde ke-15 0.1%. Atas dasar data ini nantinya akan digunakan dalam menentukan besarnya parameter filter pasif yang diperlukan untuk mereduksi harmonisa mixer E sehingga sesuai standar IEC61000-3-2 Kelas D.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui berapa besar IHD dan faktor daya yang dihasilkan oleh alat rumah tangga tersebut, kemudian akan dilakukan perancangan filter pasif yang dapat mereduksi atau mengurangi harmonisa sekaligus memperbaiki faktor daya daya pada mixer. Pengukuran pada mixer ini dilakukan di laboraturium PT. PLN (Persero) Wilayah Sumatera.

Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai teknologi dan diuraikan sebagai berikut ini:

1. G. W. Chang, S. Y. Chu, dan H. I. Wang pada tahun 2002 melalui jurnal IEEE pp 814-817, yang berjudul “A New Approach for

Placement of Single Tuned Passive Harmonics Filters in a Power System” menggunakan metode simulasi program merancang besaran

R, L, C untuk menentukan alogaritma pada filter pasif yang menghasilkan rancangan alogaritma untuk single tuned filter yang dapat menurunkan awal > 3% menjadi < 3% dan awal > 5% menjadi < 5% [3].

2. P. Mathan Mohan dan G. Amuthan pada tahun 2012 melalui jurnal IEEE pp 622-627, yang berjudul “Comparative Evaluation of Various

Single Phase Harmonic filters for Non-linear load” menggunakan

simulasi program MATLAB merancang Passive Power Filter (PPF),

Shunt Active Power Filter (SAPF), dan Hybrid Active Power Filter

(HAPF) yang menghasilkan penelitian THD pada PPF menjadi 11,84% dengan power factor 0,9123, THD pada SAPF menjadi 2,159% dengan power factor 0,9192, THD pada HAPF menjadi 1,641% dengan power factor 0,92 [4].

3. Young-Sik Cho dan Hanju Cha pada tahun 2011 melalui jurnal International Council on Electrical Engineering Vol 1, No 1, pp 7-13, yang berjudul “Single-Tuned Passive Harmonic Filter Design

Considering Variances of Tuning And Quality Factor” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan penelitian yang menunjukkan setelah pemakaian single-tuned filter THDi (harmonisa arus) yang terdapat pada harmonisa ke-5, 7, 11, dan 13 berkurang yaitu untuk harmonisa ke-5 dari 72.6% menjadi 7.9%, harmonisa ke-7 dari 61.8% menjadi 11.2%, harmonisa ke-11 dari 20.9% menjadi 4.5% dan harmonisa ke-13 dari 13.2% menjadi 2.9% [5].

4. Endi Sofyandi pada tahun 2010 dari jurnal Universitas Indonesia, yang berjudul “Perancangan Single-Tuned Filter Untuk Mereduksi

Harmonik Arus Dengan Simulasi Program ETAP PowerStation 5.0.3”

menggunakan simulasi program ETAP powerstation 5.0.3 merancang

single tuned filter yang menghasilkan Pemasangan filter untuk setiap

beban, sebagian besar beban mengalami penurunan THDi, beban TL 8 sebesar 50.71 %, beban TL 14 sebesar 45.51%, beban TL 14 sebesar 29.86%, beban TV sebesar 45.3%, dan beban PC sebesar 19.64%, sedangkan beban yang mengalami kenaikan THDi, beban AC sebesar 0.21% dan beban kulkas sebesar 5.57% [6].

5. J. A. Bonner, W. M. Hurst, R. G. Rocamaro, R. F. Dudley, M. R. Sharp, dan J. A. Twist dari jurnal IEEE Vol 10, No 1, pp 547-555, yang berjudul ”Selecting Ratings For Capacitors and Reactorss in

Applications Involving Multiple Single-Tuned Filters” menggunakan

simulasi program merancang single tuned filter yang menghasilkan rancangan metodhe untuk menentukan nilai besaran filter dengan menentukan parameter pada reaktor dan kapasitor [7].

Dari penelitian yang dilakukan tersebut, telah banyak dihasilkan teknologi sehingga banyak terdapat nilai yang sangat bervariasi dalam mengurangi harmonisa.

.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka perumusan masalah mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan

Single-Tuned Passive Filter, yaitu:

a. Seberapa besar nilai IHDI yang dapat diredam oleh Single-Tuned Passive Filter.

b. Seberapa besar faktor daya yang dapat diperbaiki dengan penggunaan

Single-Tuned Passive Filter.

c. Merancang simulasi Single-Tuned Passive Filter menggunakan MATLAB/Simulink.

d. Bagaimana hasil simulasi pemakaian Single-Tuned Passive Filter. e. Bagaimana perbandingan IHDI sebelum dan sesudah penggunaan

Single-Tuned Passive Filter tersebut terhadap standar IEC 61000-3-2.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah mensimulasikan Single-Tuned Passive Filter yang dapat digunakan untuk mereduksi arus harmonisa yang dihasilkan mixer dengan menggunakan MATLAB/Simulink. Perhitungan paramater pada Single-Tuned

Passive Filter diharapkan dapat mereduksi IHDi harmonisa yang dihasilkan mixer,

sehingga dapat memenuhi tingkat harmonisa sesuai dengan standar IEC 61000-3-2 Kelas D.

1.4. Batasan Masalah

Mengingat luasnya Permasalahan mengenai peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya dengan menggunakan Single-Tuned Passive Filter, maka permasalahan ini dibatasi hanya difokuskan pada masalah peredaman harmonisa dan perbaikan faktor daya pada mixer tersebut dengan menggunakan Single-Tuned

Passive Filter.

1.5. Manfaat

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini ialah dapat mengetahui besarnya arus harmonisa pada peralatan listrik rumah tangga, dalam hal ini dilakukan

pada mixer. Sehingga pengurangan harmonisa dapat dilakukan untuk

mengoptimalkan kualitas daya yang lebih baik pada sistem.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan sebagai berikut:

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

Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan sumber pembangkit harmonisa, pengaruh harmonisa, reduksi pengaruh harmonisa, batasan harmonisa, Single-Tuned Passive Filter, prinsip pereduksian harmonisa dari Single-Tuned Passive Filter, merancang Single-Tuned Passive Filter, dan faktor daya tanpa dan dengan kondisi harmonisa.

Bab 3: Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran yang dilakukan, diagram alir penelitian, data hasil pengukuran, klasifikasi arus harmonisa mixer berdasarkan standar IEC61000-3-2 kelas D, perhitungan R, L, dan C dari Tuned Passive Filter, rangkaian simulasi

Single-Tuned Passive Filter.

Bab 4: Berisikan hasil dan pembahasan yang berkaitan dengan arus harmonisa setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter dan perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah penggunaan Single-Tuned Passive Filter. Bab 5: Berisikan kesimpulan dan saran.