Penggunaan Filter Passive Single Tuned Untuk Mereduksi Harmonisa Pada Beban Non Periority Stasiun Kereta Api Bandara Kualanamu
PENGGUNAAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNEDUNTUK MEREDUKSI
HARMONISA PADA BEBAN NON PERIORITY STASIUN KERETA API
BANDARA KUALANAMU
TESIS
OLEH
MUHAMMAD FAISAL
117034017/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PENGGUNAAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNEDUNTUK MEREDUKSI
HARMONISA PADA BEBAN NON PERIORITY STASIUN KERETA API
BANDARA KUALANAMU
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Megister Teknik
Dalam Program Studi Megister Teknik Elektro
Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
MUHAMMAD FAISAL
117034017/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Untuk menunjang sarana transportasi dari dan menuju pada Bandara Internasional
Kualanamu terdapat fasilitas stasiun kereta api. Dimana energy listrik yang digunakan
untuk pengoperasian kereta api bersumber dari jaringan Non Periority LVMDB yang
di catu daya langsung dari PLN tanpa adanya back up daya, sedangkan jaringan satu
lagi Periority LVMDB catu daya oleh PLN dan diback up oleh Generator Set
(Genset). Harmonisa merupakan fenomena yang ditimbulkan dari pengoperasian
beban listrik non linier. Harmonisa arus individual yang ditimbulkan melebihi
batasan standard IEEE 519-1992 adalah ordo 5, 7, 11, 13 dan 23. Filter Passive
Single Tuned adalah salah satu dari filter harmonisa yang paling mudah dalam
aplikasi dan desaignnya. Filter yang digunakan pada penelitian ini adalah R =
0,00073 Ω ; L = 0,0000465 H dan C = 0,00870465 F. Berdasarkan hasil penelitian,
filter yang digunakan dapat menurunkan harmonisa arus dari 41,5 % menjadi 0,64 %.
Kata kunci : Beban Non Periority LVMDB, harmonisa, filter passive single tuned
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The railway station is provided to support transportation facility from and to
Kualanamu International Airport. The electric energy, used to operate the train,
comes from Non Priority LVMDB network which is supplied directly from PLN (State
Electric Power Company) without power back-up, while the Priority LVMDB is
supplied by PLN and backed up by Generator set. Harmonics is the phenomenon
which is caused by putting non linear electric load into practice. Individual current
harmonics which has surpassed the standard of IEEE 519-1992 was orders 5, 7, 11,
13, and 23. Passive Single Tuned filter is one of the easiest harmonic filters in it
application and design. The filters used in the research were R = 0.00073 Ω, L =
0.0000465 H, and C = 0.00870465 F. The result of the research showed that the
filters which had been used could decrease harmonic current from 41.5% to 0.64%.
Keywords: Non Priority LVMDB Load, Harmonics, Passive Single Tuned Filter
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah penulis sampaikan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat dan kemudahannya kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan penulisan tesis ini pada Program Studi Magister Teknik Elektro USU.
Penelitian ini berjudul “Penggunaan Filter Passive Single Tuned Untuk Mereduksi
Harmonisa Pada Beban Non Periority Stasiun Kereta Api Bandara Kualanamu”
Pada kesempatan ini penulis akan menyampaikan rasa terima kasih kepada
komisi pembimbing tesis ini yaitu Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr.
Eng Ariadi Hazmi. Ucapan terima kasih kepada Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D
dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si sebagai pembanding. Ucapan terima kasih
kepada Bapak Suherman, ST.Com,. Ph.D selaku ketua Program Studi serta seluruh
dosen pengajar dan staf administrasi Magister Teknik Elektro USU.
Kepada orang tua saya dan saudara - saudara saya yang telah memberikan
dukungan baik dalam bentuk materi, moril dan doa yang sungguh tidak terbalas
dengan apapun. Juga kepada seluruh rekan mahasiswa/i Magister Teknik Elektro
USU yang telah banyak memberikan dukungan bagi penulis, beserta semua pihak
yang telah membantu penulis dan tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun dari
pembaca, untuk kesempurnaan tulisan ini.
iii
Universitas Sumatera Utara
Akhirnya penulis berharap semoga usulan penelitian ini nantinya dapat
bermanfaat serta menambah pengetahuan bagi pembaca. Kritik dan saran yang
sifatnya membangun sangat penulis harapkan dari para pembaca.
Medan, Desember 2014
Penulis,
Muhammad Faisal
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK .......................................................................................................... i
ABSTRACT……………………………………………………………………...ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii
DAFTAR ISI ....................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... vii
DAFTAR TABEL .............................................................................................. ix
BAB 1 PENDAHULUAN .................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ……………………………………………………….1
1.2 Perumusan Masalah ........................................................................... 6
1.3 Batasan Masalah ................................................................................. 7
1.4 Tujuan Penelitian ...............................................................................7
1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................. 8
1.6 Sistematika Penulisan ........................................................................ 8
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 9
2.1 Sistem Catu Daya Listrik dan Distribusi Daya .................................. 9
2.2 Harmonisa .......................................................................................... 12
2.2.1 Harmonisa Pada Beban Non Linier ........................................... 15
2.2.2 Batasan Standard Harmonisa .................................................... 19
2.3 Faktor Daya ........................................................................................ 21
2.3.1 Faktor Daya Tanpa Harmonisa ................................................. 24
v
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Faktor Daya Dengan Harmonisa ...............................................25
2.4 Filter Pasif .......................................................................................... 26
2.5 Merancang Filter Pasif Single Tuned ................................................. 28
2.6 Arus Hubung Singkat (Isc) ................................................................. 32
2.7 Impedansi Fungsi Frekuensi .............................................................. 32
BAB 3 METODELOGI PENELITIAN ........................................................... 34
3.1 Metode Penelitian .............................................................................. 34
3.2 Teknis Pengukuran ............................................................................ 35
3.3 Data Hasil Pengukuran ...................................................................... 36
3.4 Perhitungan Sort Circuit Ratio ........................................................ 37
3.5 Perbandingan Standardt Individual Harmonic Distortion ...............40
3.6 Perhitungan Filter Harmonisa ........................................................... 43
3.7 Menghitung nilai Impedansi ( ) filter passive single tuned .......... 45
3.8 Simulasi Sebelum Menggunakan Filter Pasive Single Tuned .......... 51
3.9 Simulasi Setelah Menggunakan Filter Pasive Single Tuned ............ 57
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 61
4.1 Hasil Penelitian ................................................................................. 61
4.2 Pembahasan Hasil Penelitian ............................................................ 63
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 65
5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 65
5.2 Saran .................................................................................................. 65
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 66
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Judul
Halaman
1.1
Stasiun Kereta Api Bandara Internasional Kualanamu ................. 2
2.1
Diagram Satu Garis Instalasi Daya Listrik Stasiun Kereta Api
Bandara ......................................................................................... 11
2.2
Gelombang Sinusoidal dan Terditorsi ........................................... 12
2.3
Urutan Orde Harmonisa ................................................................ 12
2.4
Arus Magnetisasi Non Linier Saturasi pada Saat
Transformator Bekerja .................................................................. 15
2.5
Segitiga Daya untuk Kebutuhan Daya Reaktif.............................. 22
2.6
Sudut Fasa Gelombang Tegangan dan Arus ................................. 24
2.7
Sudut Fasa GelombangTegangan dan Arus Kondisi Hamonisa .. 25
2.8
Rangkaian Filter Pasif................................................................... 27
2.9
Jenis – jenis Filter Pasif ................................................................ 28
2.10
Passive Single Tuned Filter........................................................... 29
3.1
Diagram Distribusi Daya Listrik ................................................... 34
3.2
Alat Ukur Electrical Power Meter ................................................ 35
3.3
Grafik Impedansi Frekuensi Harmonisa ....................................... 50
3.4
Simulasi MATLAB/Simulink Sebelum Menggunakan
Filter Harmonisa............................................................................ 53
3.5
Gelombang Harmonisa Tegangan Sumber Sebelum
di Filter .......................................................................................... 54
3.6
Grafik Harmonisa Tegangan Kondisi Awal Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 55
3.7
Gelombang Harmonisa Arus Sumber Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 55
vii
Universitas Sumatera Utara
3.8
Grafik Harmonisa Arus Kondisi Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 56
3.9
Simulasi Matlab/Simulink dengan Menggunakan
Filter Harmonisa............................................................................ 57
3.10
Gelombang Harmonisa Tegangan Sumber Setelah
Menggunakan Filter ...................................................................... 58
3.11
Grafik Harmonisa Tegangan Sumber Setelah
Menggunakan Filter ..................................................................... 59
3.12
Gelombang Harmonisa Arus Sumber Setelah
Menggunakan Filter ...................................................................... 59
3.13
Grafik Harmonisa Arus Setelah Menggunakan filter ................... 60
4.1
Hasil Simulasi Gelombang Arus Sebelum
Menggunakan Filter ..................................................................... 61
4.2
Hasil Simulasi Gelombang Arus Setelah Menggunakan Filter..... 61
4.3
Grafik Simulasi Harmonisa Arus Sebelum di Filter...................... 62
4.4
Grafik Simulasi Harmonisa Arus Setelah di Filter........................ 62
4.5
Grafik Hasil Perbandingan Penggunaan Filter
Pasive Single Tuned ...................................................................... 64
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel
1.1
Judul
Halaman
Data Pengukuran Harmonisa Beban Non Periority Stasiun
Kereta Api .................................................................................... 3
1.2
Penelitian Filter Passive Single Tuned Harmonisa ....................... 5
2.1
Standard Harmonisa Tegangan IEEE 519-1992 ........................... 20
2.2
Standard Harmonisa Arus IEEE 519-1992 ................................... 20
3.1
Beban Non Periority LVMDB ..................................................... 35
3.2
Data HasilPengukuran Suplay Daya Listrik Gedung
Stasiun Kereta Api ....................................................................... 36
3.3
Data Perbandingan Standardt Harmonisa Tegangan
Individual (IHDv %) .................................................................... 40
3.4
Data Perbandingan Standardt HarmonisaArus
Individual ..................................................................................... 41
3.5
Hasil Perhitungan Nilai Filter Pasive Single Tuned ..................... 45
4.1
Perbandingan Hasil Penelitian Sebelum dan
Sesudah Penggunaan Filter .......................................................... 63
ix
Universitas Sumatera Utara
HARMONISA PADA BEBAN NON PERIORITY STASIUN KERETA API
BANDARA KUALANAMU
TESIS
OLEH
MUHAMMAD FAISAL
117034017/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PENGGUNAAN FILTER PASSIVE SINGLE TUNEDUNTUK MEREDUKSI
HARMONISA PADA BEBAN NON PERIORITY STASIUN KERETA API
BANDARA KUALANAMU
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Megister Teknik
Dalam Program Studi Megister Teknik Elektro
Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
MUHAMMAD FAISAL
117034017/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Untuk menunjang sarana transportasi dari dan menuju pada Bandara Internasional
Kualanamu terdapat fasilitas stasiun kereta api. Dimana energy listrik yang digunakan
untuk pengoperasian kereta api bersumber dari jaringan Non Periority LVMDB yang
di catu daya langsung dari PLN tanpa adanya back up daya, sedangkan jaringan satu
lagi Periority LVMDB catu daya oleh PLN dan diback up oleh Generator Set
(Genset). Harmonisa merupakan fenomena yang ditimbulkan dari pengoperasian
beban listrik non linier. Harmonisa arus individual yang ditimbulkan melebihi
batasan standard IEEE 519-1992 adalah ordo 5, 7, 11, 13 dan 23. Filter Passive
Single Tuned adalah salah satu dari filter harmonisa yang paling mudah dalam
aplikasi dan desaignnya. Filter yang digunakan pada penelitian ini adalah R =
0,00073 Ω ; L = 0,0000465 H dan C = 0,00870465 F. Berdasarkan hasil penelitian,
filter yang digunakan dapat menurunkan harmonisa arus dari 41,5 % menjadi 0,64 %.
Kata kunci : Beban Non Periority LVMDB, harmonisa, filter passive single tuned
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The railway station is provided to support transportation facility from and to
Kualanamu International Airport. The electric energy, used to operate the train,
comes from Non Priority LVMDB network which is supplied directly from PLN (State
Electric Power Company) without power back-up, while the Priority LVMDB is
supplied by PLN and backed up by Generator set. Harmonics is the phenomenon
which is caused by putting non linear electric load into practice. Individual current
harmonics which has surpassed the standard of IEEE 519-1992 was orders 5, 7, 11,
13, and 23. Passive Single Tuned filter is one of the easiest harmonic filters in it
application and design. The filters used in the research were R = 0.00073 Ω, L =
0.0000465 H, and C = 0.00870465 F. The result of the research showed that the
filters which had been used could decrease harmonic current from 41.5% to 0.64%.
Keywords: Non Priority LVMDB Load, Harmonics, Passive Single Tuned Filter
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah penulis sampaikan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat dan kemudahannya kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan penulisan tesis ini pada Program Studi Magister Teknik Elektro USU.
Penelitian ini berjudul “Penggunaan Filter Passive Single Tuned Untuk Mereduksi
Harmonisa Pada Beban Non Periority Stasiun Kereta Api Bandara Kualanamu”
Pada kesempatan ini penulis akan menyampaikan rasa terima kasih kepada
komisi pembimbing tesis ini yaitu Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Dr.
Eng Ariadi Hazmi. Ucapan terima kasih kepada Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si., Ph.D
dan Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si sebagai pembanding. Ucapan terima kasih
kepada Bapak Suherman, ST.Com,. Ph.D selaku ketua Program Studi serta seluruh
dosen pengajar dan staf administrasi Magister Teknik Elektro USU.
Kepada orang tua saya dan saudara - saudara saya yang telah memberikan
dukungan baik dalam bentuk materi, moril dan doa yang sungguh tidak terbalas
dengan apapun. Juga kepada seluruh rekan mahasiswa/i Magister Teknik Elektro
USU yang telah banyak memberikan dukungan bagi penulis, beserta semua pihak
yang telah membantu penulis dan tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun dari
pembaca, untuk kesempurnaan tulisan ini.
iii
Universitas Sumatera Utara
Akhirnya penulis berharap semoga usulan penelitian ini nantinya dapat
bermanfaat serta menambah pengetahuan bagi pembaca. Kritik dan saran yang
sifatnya membangun sangat penulis harapkan dari para pembaca.
Medan, Desember 2014
Penulis,
Muhammad Faisal
iv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK .......................................................................................................... i
ABSTRACT……………………………………………………………………...ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ iii
DAFTAR ISI ....................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... vii
DAFTAR TABEL .............................................................................................. ix
BAB 1 PENDAHULUAN .................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ……………………………………………………….1
1.2 Perumusan Masalah ........................................................................... 6
1.3 Batasan Masalah ................................................................................. 7
1.4 Tujuan Penelitian ...............................................................................7
1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................. 8
1.6 Sistematika Penulisan ........................................................................ 8
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 9
2.1 Sistem Catu Daya Listrik dan Distribusi Daya .................................. 9
2.2 Harmonisa .......................................................................................... 12
2.2.1 Harmonisa Pada Beban Non Linier ........................................... 15
2.2.2 Batasan Standard Harmonisa .................................................... 19
2.3 Faktor Daya ........................................................................................ 21
2.3.1 Faktor Daya Tanpa Harmonisa ................................................. 24
v
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Faktor Daya Dengan Harmonisa ...............................................25
2.4 Filter Pasif .......................................................................................... 26
2.5 Merancang Filter Pasif Single Tuned ................................................. 28
2.6 Arus Hubung Singkat (Isc) ................................................................. 32
2.7 Impedansi Fungsi Frekuensi .............................................................. 32
BAB 3 METODELOGI PENELITIAN ........................................................... 34
3.1 Metode Penelitian .............................................................................. 34
3.2 Teknis Pengukuran ............................................................................ 35
3.3 Data Hasil Pengukuran ...................................................................... 36
3.4 Perhitungan Sort Circuit Ratio ........................................................ 37
3.5 Perbandingan Standardt Individual Harmonic Distortion ...............40
3.6 Perhitungan Filter Harmonisa ........................................................... 43
3.7 Menghitung nilai Impedansi ( ) filter passive single tuned .......... 45
3.8 Simulasi Sebelum Menggunakan Filter Pasive Single Tuned .......... 51
3.9 Simulasi Setelah Menggunakan Filter Pasive Single Tuned ............ 57
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 61
4.1 Hasil Penelitian ................................................................................. 61
4.2 Pembahasan Hasil Penelitian ............................................................ 63
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 65
5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 65
5.2 Saran .................................................................................................. 65
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 66
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Judul
Halaman
1.1
Stasiun Kereta Api Bandara Internasional Kualanamu ................. 2
2.1
Diagram Satu Garis Instalasi Daya Listrik Stasiun Kereta Api
Bandara ......................................................................................... 11
2.2
Gelombang Sinusoidal dan Terditorsi ........................................... 12
2.3
Urutan Orde Harmonisa ................................................................ 12
2.4
Arus Magnetisasi Non Linier Saturasi pada Saat
Transformator Bekerja .................................................................. 15
2.5
Segitiga Daya untuk Kebutuhan Daya Reaktif.............................. 22
2.6
Sudut Fasa Gelombang Tegangan dan Arus ................................. 24
2.7
Sudut Fasa GelombangTegangan dan Arus Kondisi Hamonisa .. 25
2.8
Rangkaian Filter Pasif................................................................... 27
2.9
Jenis – jenis Filter Pasif ................................................................ 28
2.10
Passive Single Tuned Filter........................................................... 29
3.1
Diagram Distribusi Daya Listrik ................................................... 34
3.2
Alat Ukur Electrical Power Meter ................................................ 35
3.3
Grafik Impedansi Frekuensi Harmonisa ....................................... 50
3.4
Simulasi MATLAB/Simulink Sebelum Menggunakan
Filter Harmonisa............................................................................ 53
3.5
Gelombang Harmonisa Tegangan Sumber Sebelum
di Filter .......................................................................................... 54
3.6
Grafik Harmonisa Tegangan Kondisi Awal Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 55
3.7
Gelombang Harmonisa Arus Sumber Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 55
vii
Universitas Sumatera Utara
3.8
Grafik Harmonisa Arus Kondisi Sebelum
Menggunakan Filter ...................................................................... 56
3.9
Simulasi Matlab/Simulink dengan Menggunakan
Filter Harmonisa............................................................................ 57
3.10
Gelombang Harmonisa Tegangan Sumber Setelah
Menggunakan Filter ...................................................................... 58
3.11
Grafik Harmonisa Tegangan Sumber Setelah
Menggunakan Filter ..................................................................... 59
3.12
Gelombang Harmonisa Arus Sumber Setelah
Menggunakan Filter ...................................................................... 59
3.13
Grafik Harmonisa Arus Setelah Menggunakan filter ................... 60
4.1
Hasil Simulasi Gelombang Arus Sebelum
Menggunakan Filter ..................................................................... 61
4.2
Hasil Simulasi Gelombang Arus Setelah Menggunakan Filter..... 61
4.3
Grafik Simulasi Harmonisa Arus Sebelum di Filter...................... 62
4.4
Grafik Simulasi Harmonisa Arus Setelah di Filter........................ 62
4.5
Grafik Hasil Perbandingan Penggunaan Filter
Pasive Single Tuned ...................................................................... 64
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel
1.1
Judul
Halaman
Data Pengukuran Harmonisa Beban Non Periority Stasiun
Kereta Api .................................................................................... 3
1.2
Penelitian Filter Passive Single Tuned Harmonisa ....................... 5
2.1
Standard Harmonisa Tegangan IEEE 519-1992 ........................... 20
2.2
Standard Harmonisa Arus IEEE 519-1992 ................................... 20
3.1
Beban Non Periority LVMDB ..................................................... 35
3.2
Data HasilPengukuran Suplay Daya Listrik Gedung
Stasiun Kereta Api ....................................................................... 36
3.3
Data Perbandingan Standardt Harmonisa Tegangan
Individual (IHDv %) .................................................................... 40
3.4
Data Perbandingan Standardt HarmonisaArus
Individual ..................................................................................... 41
3.5
Hasil Perhitungan Nilai Filter Pasive Single Tuned ..................... 45
4.1
Perbandingan Hasil Penelitian Sebelum dan
Sesudah Penggunaan Filter .......................................................... 63
ix
Universitas Sumatera Utara