FullBook Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik

32 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik menunjukkan durasi sag atau swell, dan sumbu vertikal menunjukkan persentase perubahan tegangan saluran. Selain itu, IEEE telah mengatasi kerentanan yang melorot dan ekonomi peristiwa yang disebabkan oleh penurunan di IEEE Std. 1346–1998 [15]. Dokumen ini mencakup data kualitas daya terukur yang diambil dari berbagai situs. Pada tahun 1990-an, kurva Information Technology Industry Council (ITIC) dikembangkan oleh kelompok kerja CBEMA [16]. Dalam beberapa tahun terakhir, kurva ITIC telah menggantikan kurva CBEMA dalam penggunaan umum untuk sistem fasa tunggal tegangan 120 V dan frekuensi 60 Hz. Kurva serupa telah diusulkan untuk peralatan pemrosesan semikonduktor yaitu kurva SEMI F47. Perbandingan ketiga kurva ini ditunjukkan pada Gambar 2.7 [17]. Gambar 2.5: Kurva CBEMA

Bab 2 Standar Kualitas Daya 33 Gambar 2.6: Kurva ITIC Gambar 2.7: Perbandingan kurva CBEMA, ITIC, dan SEMI F47

34 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik 2.6 Standar EMI Frekuensi Tinggi Standar EMI berkaitan dengan desain dan pengujian desain catu daya switching frekuensi tinggi. Ada batasan jumlah polusi Harmonisa yang boleh disuntikkan oleh catu daya ke saluran listrik. Batasan ini bergantung pada frekuensi operasi, dan tingkat daya catu daya yang digunakan. Pada Gambar 2.8 menunjukkan catu daya switching yang menyerap daya dari saluran AC. Tegangan saluran AC diperbaiki dengan kapasitor bus yang besar, CBUS. Tegangan kapasitor bus akan memiliki riak 120 Hz karena pengoperasian penyearah gelombang penuh. Suplai switching kemudian memotong tegangan bus pada frekuensi yang sangat tinggi (tinggi, dibandingkan dengan frekuensi saluran 60-Hz). Arus saluran Is berisi harmonisa frekuensi saluran 60 Hz serta harmonisa frekuensi tinggi dari catu daya switching. Gambar 2.8: Catu daya switching komponen frekuensi tinggi dari saluran listrik AC Melalui kombinasi desain metode switching dan penyaringan EMI, kami dapat mengurangi tetapi tidak pernah sepenuhnya menghilangkan frekuensi tinggi disuntikkan ke saluran AC. Harmonisa yang disuntikkan ke dalam saluran AC terkadang disebut \"emisi terkonduksi\". Efek lain dari harmonisa frekuensi tinggi yang disuntikkan ke saluran AC adalah bahwa saluran AC sekarang akan memancarkan interferensi elektromagnetik. Implementasi lain yang menghasilkan harmonisa frekuensi tinggi pada saluran adalah rangkaian koreksi faktor daya konverter pada Gambar 2. 9. Rangkaian ini digunakan di banyak konverter daya tinggi di ujung depan. Rangkaian ini menarik arus faktor daya tinggi dari saluran, tetapi peralihan frekuensi tinggi MOSFET menghasilkan harmonisa yang diserap dari saluran juga. Spektrum gelombang arus jalur untuk konverter DC / DC ditunjukkan pada Gambar 2.10.

Bab 2 Standar Kualitas Daya 35 Gambar 2 9: Ragkaian koreksi faktor daya boost converter Gambar 2.10: Jenis konduksi spektrum EMI dari konverter DC/DC [18] Federal Communications Commission (FCC), dalam peraturan mereka, subbagian J, menetapkan batasan untuk emisi konduksi yang diperbolehkan pada saluran listrik yang disuntikkan dari peralatan yang terhubung ke saluran [19]. Kelas A mencakup peralatan industri, dan kelas B mencakup peralatan perumahan. Ditunjukkan pada Gambar 2.11 adalah standar FCC, yang menetapkan batas pada kebisingan yang diizinkan untuk diinjeksikan ke saluran AC dalam rentang 450 kHz hingga 30 MHz. Badan lain yang mengatur EMI yang dilakukan adalah Internasional Electrotechnical Commission (IEC) dan the International Special Committee on Radio Interference (CISPR) [20]. CISPR tidak memiliki otoritas pengaturan tetapi telah diadopsi oleh sebagian besar negara Eropa.

36 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 2.11: Batas konduksi EMI oleh FCC untuk peralatan kelas A dan kelas B. Satu standar yang banyak digunakan di European Community (EC) adalah standar EN55022 [21] (Gambar 2.12) berdasarkan pada persyaratan yang ditetapkan oleh CISPR dan mencakup rentang frekuensi dari 150 kHz hingga 30 MHz [22]. Agensi lain seperti VDE Jerman dalam dokumen VDE 0871 menetapkan persyaratan untuk pasar Jerman. Saat menerapkan pasokan switching frekuensi tinggi, seseorang harus memperhatikan berbagai batasan yang ditetapkan oleh badan pengatur [23][24]. Agar catu daya memenuhi batas ini, puncak spektrum harus berada di bawah batas yang ditentukan. Selain melakukan EMI, CISPR dan FCC membatasi tingkat kebisingan yang dipancarkan dari catu daya juga.

Bab 2 Standar Kualitas Daya 37 Gambar 2.12: Batas konduksi EMI pada EN55022

38 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik

Bab 3 Harmonisa dan Interharmonisa 3.1 Bentuk Gelombang Periodik dan Harmonisa Gagasan bahwa setiap bentuk gelombang periodik dapat dipecah menjadi serangkaian gelombang sinus pada amplitudo yang tepat dan hubungan fasa pertama kali dikerjakan oleh Joseph Fourier, ahli matematika dan fisikawan Prancis [25]. Dia menunjukkan bahwa setiap bentuk gelombang periodik dapat diekspresikan sebagai jumlah gelombang sinus dan / atau cosinus, dengan amplitudo, frekuensi, dan hubungan fasa yang tepat antara gelombang tersebut. Misalnya, gelombang persegi (Gambar 3. 1) dapat jabarkan dengan deret Fourier tak hingga pada persamaan (3. 1) berikut ini : ������ (������) = '���4���* ������������������(������������) + '34������* sin(3������������) + '54������* ������������������(5������������) + ⋯ (3. 1) Di mana v adalah frekuensi dalam radian per detik. Perhatikan bahwa amplitudo dari harmonisa pertama adalah (4 / π), amplitudo dari harmonisa ketiga adalah sepertiga dari yang pertama, amplitudo dari harmonisa kelima adalah seperlima dari pada harmonisa pertama, dan seterusnya.

40 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Juga perlu untuk diperhatikan bahwa gelombang persegi hanya memiliki harmonisa ganjil (yaitu, harmonisa berorde 1, 3, 5 ..., dan seterusnya). Spektrum gelombang persegi ditunjukkan pada Gambar 3. 2. Demikian pula, gelombang segitiga (Gambar 3. 3) dapat dijabarkan dengan deret Fourier tak hingga pada persamaan (3. 2) berikut ini : ������ (������) = '���8���7* ������������������(������������) + '378������7* sin(3������������) + '578������7* ������������������(5������������) + ⋯ (3. 2) (a) Gambar 3.1: Gelombang persegi dengan nilai puncak 1 dan periode T Gambar 3.2: Spektrum gelombang persegi

Bab 3 Harmonisa dan Interharmonisa 41 Gambar 3.3: Bentuk gelombang segitiga Selanjutnya, kita akan membangun gelombang persegi dari harmonisa konstitutifnya. Pada Gambar 3.4 menunjukkan tiga harmonisa pertama dari gelombang persegi dan gelombang resultan ketika tiga harmonisa dijumlahkan. Gambar 3.4: Tiga harmonisa pertama dari gelombang persegi dan gelombang resultan ketika tiga harmonisa dijumlahkan

42 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 3.5: Bentuk gelombang trapesium Bentuk gelombang lain yang sering dijumpai pada sistem tenaga adalah bentuk gelombang trapesium seperti pada Gambar 3.5. Bentuk gelombang ini memodelkan bentuk gelombang switching pada saat waktu naik dan waktu turun yang terbatas. Deret Fourier untuk bentuk gelombang ini dijabarkan melalui persamaan (3. 3) dan (3. 4) [26][27]: ������9 = 1 (3. 3) ������������< ������7 = 1 (3. 4) ������������= 3.1.1 Root Mean Square Root-mean square adalah ukuran nilai kalor dari bentuk gelombang periodik ketika bentuk gelombang periodik ini menggerakkan beban resistif. Secara matematis, kuadrat rata-rata akar atau rms dari bentuk gelombang tegangan periodik dinyatakan pada persamaan (3. 5) sebagai berikut: ������=?@ = A���1��� E ������������ (3. 5) B [������(������)]7 F Dapat dilihat di dalam akar yang pertama dilakukan adalah dengan mengkuadratkan bentuk gelombangnya, dan kemudian mengambil nilai rata - rata dari bentuk gelombang selama satu periode. Untuk gelombang sinus

Bab 3 Harmonisa dan Interharmonisa 43 dengan nilai puncak Vpk, maka untuk memperoleh nilai rms-nya dengan menggunakan persamaan (3. 6) berikut ini : ������=?@ = ������HI (3. 6) √2 Untuk gelombang persegi (tanpa nilai DC) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1, di mana nilai rms merupakan nilai puncak gelombang persegi. Nilai rms dari suatu bentuk gelombang dapat diinterpretasikan dengan mempertimbangkan disipasi daya. Dari Gambar 3.6 dapat dilihat bahwa baterai DC 120 V menggerakkan 10Ω beban, dan sumber AC 120 V (dengan nilai rms 120 V) menggerakkan 10Ω beban. Disipasi daya pada kedua beban sama pada 1440 W. Gambar 3.6: Ilustrasi pengertian rms Berikut ini beberapa bentuk gelombang yang umum ditemui dalam sistem tenaga dan elektronika daya, dan nilai rms yang sesuai (root-mean square) [28]. Perlu diingat bahwa nilai rms gelombang periodik adalah akar kuadrat dari nilai rata-rata kuadrat bentuk gelombang selama suatu periode. Untuk arus periodik i (t), maka akan diperoleh nilai rms dengan menggunakan persamaan (3. 7) berikut ini : ������=?@ = A���1��� E ������������ (3. 7) B ������7(������) F

44 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik 3.1.2 Arus DC Arus DC ditunjukkan seperti pada Gambar 3.7, di mana besar nilai arus rms sama dengan besar nilai arus dalam keadaan ajeg (steady-state current) I_rms=I. Gambar 3.7: Arus DC 3.1.3 Gelombang sinus murni Gelombang sinusoidal murni dapat dilihat pada Gambar 3.8, pada gelombag sinusoidal murni nilai rms sama dengan nilai puncak dibagi dengan akar kuadrat dua. Dalam kasus gelombang sinus dengan puncak ±170 V, maka diperoleh nilai rms seperti pada persamaan (3.8) berikut ini : ������=?@ = ������HI = 170 = 120 ������ (3.8) √2 √2 Gambar 3.8: Gelombang sinusoidal murni

Bab 3 Harmonisa dan Interharmonisa 45 3.1.4 Gelombang persegi Gelombang persegi 50 persen dapat dilihat pada Gambar 3.9, di mana gelombang persegi ini dihasilkan oleh konverter daya jembatan penuh dan setengah jembatan. Nilai rms dari bentuk gelombang ini adalah I_rms=I_pk. Gambar 3.9: Gelombang persegi siklus 50 persen 3.1.5 Riak bentuk gelombang DC+ Bentuk gelombang DC dengan riak puncak-puncak terbatas dapat dilihat pada Gambar 3. 10, di mana gelombang ini dihasilkan oleh berbagai rangkaian sakelar, termasuk penggerak motor dan konverter DC/DC. Bentuk gelombang ini memiliki nilai DC I0 dan riak puncak-puncak ∆ipp. Nilai rms dari bentuk gelombang ini diperoleh dari persamaan (3. 9) sebagai berikut : ������=?@ = ������FA1 + '31* '∆2���������H���FH 7 (3. 9) *

46 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 3.10: Bentuk gelombang riak DC+ 3.2 Total Harmonic Distortion Total Harmonic Distortion atau THD adalah ukuran seberapa banyak kandungan harmonisa yang ada dalam bentuk gelombang. Total Harmonic Distortion dari suatu bentuk gelombang diperoleh dari persamaan (3. 10) berikut : ������������������ = A������=7?@������9−7,=?������9@7,=?@ (3. 10) di mana VRMS adalah nilai rms dari total gelombang, dan V1RMS adalah nilai rms dari harmonisa pertama. THD gelombang sinus adalah 0 persen, dan THD gelombang persegi adalah 48 persen. 3.3 Faktor Puncak (Crest Factor) Faktor puncak adalah istilah lain yang kadang-kadang digunakan dalam analisis sistem tenaga, dan mewakili rasio nilai puncak dengan nilai rms dari suatu bentuk gelombang. Untuk gelombang sinus seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.11, nilai puncaknya adalah 1.0 dan nilai rms adalah 0.707. Jadi, faktor puncaknya adalah 1,414. Untuk gelombang persegi seperti Gambar

Bab 3 Harmonisa dan Interharmonisa 47 3.12, nilai puncak dan rms keduanya 1,0 oleh karena itu, faktor puncaknya adalah 1,0. Gambar 3.11: Gelombang sinus dengan nilai puncak 1,0 Gambar 3.12: Gelombang persegi dengan nilai puncak 1.0

48 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik

Bab 4 Sumber Arus Harmonisa 5.1 Penyearah Fasa Tunggal Penyearah digunakan di semua jenis sistem tenaga dan subsistem elektronika daya untuk mengubah daya AC menjadi daya DC. Dalam aplikasi daya rendah yang menggunakan daya satu fasa, penyearah digunakan sebagai ujung depan catu daya switching dan penggerak motor kecil. Penyearah gelombang penuh fasa tunggal dengan beban sumber arus ditunjukkan pada Gambar 4.1 Penyearah gelombang penuh satu fasa. Rangkaian ini adalah model sistem yang ideal di mana beban menarik arus yang kira-kira konstan. Gambar 4. 2 menunjukkan gelombang arus dan tegangan pada saluran. Dalam model yang disederhanakan ini, arus saluran adalah gelombang persegi. Pada Gambar 4. 3 dapat dilihat spektrum arus saluran, di mana harmonisa pertama memiliki amplitudo 1.0, harmonisa ketiga amplitudo 1/3, harmonisa kelima amplitudo 1/5, dan seterusnya. Penyearah lainnya adalah penyearah gelombang penuh dengan filter kapasitif dapat dilihat pada Gambar 4.4. Dalam rangkaian jenis ini, dioda hanya aktif untuk sebagian kecil dari siklus 60 Hz, dan kapasitor mengisi daya di dekat puncak tegangan gelombang sinus masukan. Oleh karena itu, arus saluran mengandung distorsi harmonisa yang signifikan.

50 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 4.1: Penyearah gelombang penuh satu fasa Gambar 4.2: Gelombang arus dan tegangan saluran Gambar 4.3: Spektrum arus harmonisa pada saluran

Bab 4 Sumber Arus Harmonisa 51 Gambar 4.4: Penyearah gelombang penuh dengan sumber arus beban IL dan filter C (Cbus) 4.2 Penyearah Tiga-Fasa Aplikasi umum yang menggunakan penyearah tiga fasa enam pulsa adalah penggerak kecepatan yang dapat diatur (adjustable speed drive) dapat dilihat pada Gambar 4.5. Daya tiga fasa (fasa berlabel a, b, dan c) merupakan gelombang penuh yang diperbaiki oleh penyearah enam pulsa. Tegangan yang diperbaiki oleh filter kapasitor bus tegangan tinggi (Cbus) menghasilkan tegangan DC, di mana tegangan ini digunakan oleh inverter berikutnya. Inverter tiga fasa menghasilkan arus tiga fasa yang diperlukan untuk menggerakkan motor. Sebuah penyearah enam pulsa ditunjukkan pada Gambar 4.6. Dengan asumsi bahwa beban mendekati sumber arus (dengan induktansi beban yang sangat besar), arus saluran yang ditarik dari penyearah menghasilkan THD yang besar, dan tidak adanya harmonisa ketiga dan semua harmonisa triplen dapat dilihat pada Gambar 4.7. Kita dapat melihat bahwa amplitudo harmonisa arus fasa penyearah enam pulsa ideal dengan beban sumber arus IL pada persamaan (4.1) berikut : 4 ������% ������������������ *������2������, ������������������ *������3������, (4. 1) ������������

52 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 4.5: Adjustable speed drive motor induksi tiga fasa Gambar 4.6: Penyearah enam pulsa Gambar 4.7: Spektrum harmonisa arus ideal penyearah tiga fasa Penyearah dua belas pulsa dapat dilihat pada Gambar 4.8 yang terdiri dari dua penyearah enam pulsa yang disuplai dari transformator secara terpisah. Penyearah enam pulsa yang satu disuplai dari transformator hubungan Y / Y, dan yang lainnya disuplai dari transformator hubungan ∆/Y. Kedua tegangan

Bab 4 Sumber Arus Harmonisa 53 pada penyearah berbeda fasa sebesar 30 . Bentuk resultan gelombang arus fasa dapat dilihat pada Gambar 4. 9 yang lebih menyerupai gelombang sinus ideal daripada dalam kasus enam pulsa. Ini karena topologi 12 pulsa menghilangkan harmonisa ke-5, ke-7, ke-17, dan ke-19, akan tetapi meninggalkan harmonisa ke-11, ke-13, ke-23, dan ke-25. Gambar 4.8: Penyearah dua belas pulsa Gambar 4.9: Gelombang arus fasa 4.3 Ballast Fluoresen Frekuensi Tinggi Ballast fluoresen frekuensi tinggi dapat dilihat pada Gambar 4.10, yang mana ini merupakan sumber harmonisa arus untuk tegangan frekuensi tinggi. Bentuk gelombang pada saluran diperbaiki oleh koreksi faktor daya boost converter. Tegangan DC yang diperbaiki memberi daya pada inverter frekuensi tinggi

54 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik yang menghasilkan tegangan tinggi yang dibutuhkan oleh lampu. Rangkaian koreksi faktor daya beralih pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada frekuensi saluran. Biasanya, sisi saluran memiliki filter pasif untuk membantu mengurangi harmonisa frekuensi tinggi yang dihasilkan dari saluran AC. Gambar 4.10: Ballast fluoresen switching frekuensi tinggi dengan koreksi faktor daya. 4.4 Transformator Transformator secara historis merupakan sumber harmonisa pertama dalam sistem tenaga. Hubungan antara tegangan primer dan arus ditunjukkan pada Gambar 4.11 sebagai kurva magnetisasi yang sangat tidak linier karena lokasinya dalam wilayah saturasi menyebabkan distorsi arus magnetisasi (Gambar 4.12). Mekanisme pembangkitan harmonisa diilustrasikan pada Gambar 4.14. Untuk setiap waktu instan bentuk arus magnetisasi terdistorsi dapat direkonstruksi dengan mencari nilai-nilai bentuk gelombang berikutnya pada kurva magnetisasi. Transformator dirancang sedemikian rupa sehingga arus magnetisasi tidak akan melebihi 1 sampai 2% dari arus nominal. Titik operasi nominal kemudian ditempatkan di bawah lutut kurva magnetisasi dalam wilayah liniernya. Akibatnya, meskipun sejumlah besar transformator dioperasikan dalam sistem tenaga, mereka bukan merupakan sumber harmonisa yang signifikan dalam kondisi pengoperasian normal. Kondisi ini dapat berubah karena terjadi peningkatan tegangan. Di dalam wilayah saturasi bahkan kenaikan tegangan kecil di atas nilai nominal menghasilkan peningkatan besar dalam arus magnetisasi. Juga kandungan harmonisa meningkat secara signifikan. Misalnya, pada tegangan di atas UN nominal seperti pada Gambar 4.13, nilai harmonisa ketiga arus magnet dapat meningkat hingga 50%. Hal ini dapat terjadi dalam kondisi beban rendah di jaringan kabel atau sebagai akibat dari menghidupkan atau mematikan beban daya reaktif yang besar, misalnya mematikan reaktor shunt atau menyalakan bank

Bab 4 Sumber Arus Harmonisa 55 kapasitor. Efek dari pensaklaran adalah transien yang merambat dalam sistem dan dapat menyebabkan kejenuhan transformator, ini juga terkadang terjadi di area yang luas. Gambar 4.11: Skema diagram dan kurva megnetisasi transformator Gambar 4.12: Arus magnetisasi transformator terdistorsi

56 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 4.13: Spektrum harmonisa Gambar 4.14: Pembangkitan harmonisa pada arus magnetisasi transformator Dengan mempertimbangkan sejumlah besar transformator dalam sistem dan faktanya bahwa banyak dari transformator tersebut dioperasikan pada beban rendah, efeknya dapat berupa peningkatan distorsi tegangan yang signifikan. Dalam sistem transmisi biasanya digunakan transformator terhubung Y/Y. Dengan sambungan belitan ini, arus magnetisasi yang terdistorsi dapat menyebabkan distorsi yang signifikan pada tegangan sekunder transformator. Sebaliknya, hubungan ∆/Y akan menjamin rangkaian yang terhubung ∆ maka impedansinya lebih rendah untuk harmonisa ketiga. Oleh karena itu harmonisa ini tidak mengganggu bentuk gelombang tegangan sekunder. Dalam jaringan distribusi maupun jaringan pabrik, transformator ∆/Y biasanya lebih sering digunakan untuk mengatasi masalah distorsi harmonisa ketiga.

Bab 5 Distorsi Tegangan 5.1 Penurunan Tegangan (Voltage sag) Penurunan tegangan adalah kejadian di mana tegangan rms saluran berkurang dari tegangan saluran nominal untuk waktu yang singkat. Gambar 5.1 menunjukkan penurunan tegangan sebesar 80 persen dengan durasi beberapa siklus dengan frekuensi 60 Hz. Jenis variasi ini dapat terjadi jika beban besar pada saluran mengalami gangguan saluran ke tanah, seperti short motor tiga fasa atau gangguan pada pembangkit listrik. Pada Gambar 5.2, merupakan rangkaian yang membebani motor listrik. Perhatikan bahwa impedansi saluran menyebabkan penurunan tegangan ketika arus ditarik dari saluran. Ketika motor diberi energi, arus motor Im menyebabkan penurunan tegangan ke beban lain dalam sistem pada titik kopling umum (PCC). Gambar 5.3 menampilkan penurunan tegangan akibat start motor besar, seperti motor pompa atau AC. Perhatikan bahwa ketika motor induksi start, ia dapat menarik arus yang sangat tinggi hingga rotor mencapai kecepatannya. Arus tinggi ini menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan karena impedansi saluran [29].

58 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 5.1: Penurunan tegangan akibat gangguan satu fasa ke tanah Gambar 5.2: Rangkaian yang dapat menyebabkan penurunan tegangan akibat start motor

Bab 5 Distorsi Tegangan 59 Gambar 5.3: Voltage sag akibat start motor 5.2 Tegangan Swell Tegangan swell adalah kebalikan dari voltage sag, dan merupakan peningkatan pada tegangan rms saluran. Pada Gambar 5.4 menunjukkan tegangan swell yang disebabkan oleh gangguan fasa ke tanah. Gambar 5.4: Tegangan swell yang disebabkan oleh gangguan fasa ke tanah

60 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik 5.3 Transien Impulsif Transien impulsif adalah variasi searah pada tegangan, arus, atau keduanya dalam saluran listrik. Sumber transien impulsif yang paling umum adalah sambaran petir (Gambar 5.5). Transien impulsif akibat sambaran petir dapat terjadi karena sambaran langsung ke saluran listrik, atau dari induksi magnet atau kopling kapasitif dari sambaran pada saluran yang berdekatan. Perhatikan bahwa dalam kasus ini, amplitudo maksimum arus transien adalah ~ 23 kiloamp dan durasi arus transien adalah puluhan mikrodetik. Frekuensi dan amplitudo transien yang diinduksi petir bervariasi secara geografis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.6. Gambar 5.5: Transien impulsif

Bab 5 Distorsi Tegangan 61 Gambar 5.6: Jumlah hari badai per tahun 8 di AS [30] 5.4 Transien Osilasi Transien osilasi adalah variasi dua arah pada tegangan, arus, atau keduanya pada saluran listrik. Transien ini dapat terjadi karena resonansi selama peralihan. Rangkaian yang mampu menunjukkan fenomena ini ditunjukkan pada Gambar 5.7. Bus catu daya ditunjukkan dengan bus yang memiliki induktansi L. Sebuah bank kapasitor berlabel C1 dihubungkan di salah satu ujung bus. Capasitor bank ini dapat digunakan, misalnya untuk perbaikan faktor daya atau untuk perbaikan tegangan sag. Jika suatu saat, kita mengaktifkan kapasitor bank C2 dengan sakelar seperti yang ditunjukkan, kondisi resonansi diatur antara induktansi saluran dan bank kapasitor. Resonansi yang dihasilkan akan underdamped, dan arus di bank kapasitor mungkin terlihat seperti pada Gambar 5.8. Gambar 5.7: Rangkaian yang dapat menghasilkan transien osilasi

62 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 5.8: Sebuah transien osilasi 5.5 Interupsi Sebuah interupsi didefinisikan sebagai pengurangan tegangan saluran atau arus menjadi kurang dari 10 persen dari nominal pada waktu tidak melebihi 60 detik lamanya. Gangguan dapat disebabkan oleh kegagalan fungsi kontrol, kesalahan, atau pemutusan arus yang tidak tepat. Gambar 5.9 menunjukkan interupsi sekitar 1,7 detik.

Bab 5 Distorsi Tegangan 63 Gambar 5.9: Interupsi berdurasi sekitar 0,17 detik 5.6 Notching Peristiwa kualitas daya umum lainnya adalah \"notching\". Notching dapat terjadi selama \"pergantian\" arus pada penyearah fasa tunggal dan tiga fasa. Pada Gambar 5.10 menunjukkan penyearah tiga fasa dengan induktansi saluran Ls. Perhatikan bahwa di penyearah, jika kita mengasumsikan bahwa induktansi parasit adalah nol, maka dioda hidup dan mati secara instan. Dengan induktansi saluran terbatas, terdapat waktu peralihan terbatas dari pasangan dioda ke pasangan dioda lainnya.

64 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 5.10: Penyearah tiga fasa yang memiliki pergantian karena induktansi saluran Ls dan yang menghasilkan notching Gambar 5.11: Bentuk gelombang yang menunjukkan adanya notching 5.7 Fluktuasi Tegangan dan Flicker Fluktuasi tegangan relatif kecil (kurang dari 5 persen) dari variasi tegangan rms saluran. Tampak pada Gambar 5.17 merupakan pengaturan sistem yang dapat menyebabkan variasi tegangan. Sumber arus harmonisa yang bervariasi termasuk tukang las dan bank kapasitor. Variasi tegangan yang dibuat pasangan penyetelan ini untuk penerangan perumahan melalui sistem distribusi.

Bab 5 Distorsi Tegangan 65 Gambar 5.12: Sebuah rangkaian yang mampu melakukan perambatan flicker ke suatu tempat tinggal [31] Pada Tabel 5.1 menunjukkan tingkat harmonisa selama tungku busur beroperasi. Harmonisa yang dihasilkan oleh tungku busur tidak dapat diprediksi karena variasi busur selama peleburan logam. Dapat dilihat bahwa selama peleburan awal, kandungan harmonisa (baik harmonisa genap maupun ganjil dari tegangan saluran) relatif tinggi. Selama bagian terakhir dari siklus leleh tungku busur, busur lebih stabil dan arus harmonisa telah berkurang. Ditunjukkan pada Gambar 5.13 adalah contoh fluktuasi tegangan-saluran yang disebabkan oleh pengoperasian tungku busur. Fluktuasi tegangan seperti itu dapat menyebabkan fenomena lebih lanjut yang dikenal sebagai \"flicker\". Bentuk gelombang dari peristiwa flicker ditunjukkan pada Gambar 5.13. Flicker adalah persepsi manusia tentang variasi intensitas cahaya. Pada Gambar 5. 14 dapat dilihat \"kurva flicker,\" yang menunjukkan bahwa persepsi manusia tentang flicker bergantung pada amplitudo dan frekuensi kejadian. Tabel 5.1: Kandungan Harmonisa Arus Tungku Busur di Dua Tahapan dari Siklus Peleburan [32] % Arus Harmonisa dari Fundamental Orde harmonisa Kondisi tungku 23 4 5 7 Peleburan awal (busur aktif) 7,7 5,8 2,5 4,2 3,1 Pemurnian (busur stabil) 0,0 2,0 0,0 2,1 0,0

66 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 5.13: Fluktuasi tegangan Ketidakseimbangan Tegangan \"Ketidakseimbangan\" tegangan adalah variasi dalam amplitudo tegangan tiga fasa, relatif satu sama lain. Gambar 5.12 menunjukkan bentuk gelombang tegangan tiga fasa di mana fasa a, b, dan c memiliki amplitudo yang berbeda. Ketidakseimbangan ini dapat disebabkan oleh beban yang berbeda pada fasa, mengakibatkan penurunan tegangan yang berbeda melalui impedansi saluran fasa. Ketidakseimbangan tegangan dapat menyebabkan bidang celah udara berputar balik pada mesin induksi, meningkatkan kehilangan panas dan kenaikan suhu. Gambar 5.14: Batas fluktuasi tegangan

Bab 5 Distorsi Tegangan 67 Gambar 5.15: Ketidakseimbangan tegangan

68 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 6.1 Pendahuluan Sistem tenaga industri dan komersial biasanya menggabungkan kapasitor daya untuk meningkatkan faktor daya dan memberikan daya reaktif untuk dukungan tegangan [33]. Ketika sistem menyertakan sumber arus harmonisa, seperti konverter elektronik daya atau penggerak kecepatan yang dapat disesuaikan (adjustable speed drives = ASDS), kapasitor dapat digunakan dalam filter harmonisa daya untuk meminimalkan tegangan harmonisa yang diterapkan ke beban sistem pada titik sambungan umum (point of common coupling = PCC). Harmonisa arus yang dihasilkan oleh konverter daya seperti penyearah fasa banyak, dapat dikurangi dengan salah satu dari tiga cara: (1) reaktor seri pada jalur masukan; (2) penggunaan penyearah jembatan 12 pulsa atau lebih tinggi, dan (3) penggunaan modulasi lebar pulsa (pulse width modulation) pada arus saluran. Jika ketiga tindakan ini masih juga tidak mengurangi harmonisa arus ke tingkat yang diizinkan maka filter harmonisa daya dapat digunakan untuk mengurangi kandungan harmonisa arus. Harmonisa arus ini sendiri jarang menjadi masalah, seperti ketika harmonisa ketiga menghasilkan panas berlebih pada konduktor netral sumber tiga fasa. Masalahnya terjadi ketika harmonisa arus orde tinggi beresonansi dengan

70 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik kapasitor dan reaktansi sistem untuk menghasilkan tegangan lebih pada titik kopling umum (point of common coupling = PCC). Gambar 6.1: Sistem distribusi yang memungkinan lokasi untuk meletakkan filter harmonisa Model sistem distribusi yang memberi daya pada beban nonlinier ditunjukkan pada Gambar 6.1. Pembangkit dimodelkan sebagai sumber dengan impedansi yang terdiri dari resistansi saluran dan induktansi saluran. Sumber tersebut kemudian diturunkan dengan transformator. Tegangan yang dihasilkan (biasanya 380 V tegangan line to line dalam sistem tiga fasa) menggerakkan beban nonlinier seperti motor dan peralatan lainnya. Beberapa tujuan Standar IEEE 519 adalah bahwa pembangkit memberikan tegangan berkualitas baik ke beban, dan beban tidak menarik arus harmonisa yang terlalu tinggi dari pembangkit. Kita akan melihat beberapa metode di bagian selanjutnya yang dapat digunakan untuk mengurangi efek arus harmonisa. Pada Gambar 6.1 menunjukkan lokasi di mana filter harmonisa dapat ditambahkan. 6.2 Sistem Tenaga Listrik Versi sederhana dari sistem tenaga ditunjukkan pada Gambar 6.2 [34]. Kapasitor koreksi faktor daya telah diubah menjadi filter pasif yang dipasang seri. Pada beban nonlinier, misalnya ASD memerlukan arus frekuensi fundamental untuk pengoperasiannya, tetapi dapat direpresentasikan sebagai sumber arus harmonisa ke dalam sistem. Jalur arus harmonisa yang dihasilkan oleh \" beban nonlinier”dari Gambar 6 2 ditunjukkan pada diagram Gambar 6. 3. Arus dan tegangan harmonisa dijelaskan sebagai berikut: § Ih : Komponen arus harmonisa dari konverter, misalnya harmonisa kelima

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 71 § Ihc: Arus kapasitor faktor daya sebelum kapasitor C menjadi bagian filter di lokasi 3 § Ihf: Arus harmonisa filter § Ihc: Komponen harmonisa yang diperbaiki kemudian diinjeksikan ke point of common coupling (PCC) § Ihl: Ekuivalen arus beban motor pasif § Ihs: Komponen arus harmonisa yang kembali ke sumber pembangkit § PCC: Titik kopling umum § Vh: Komponen tegangan harmonisa di PCC Gambar 6.2: Sebuah rangkaian ekivalen sistem tenaga Sistem dirancang dengan tujuan agar memenuhi standar IEEE 519 dengan beban tertentu yang terhubung ke PCC kemudian arus harmonisa konverter dikontrol dengan cara merancang filter yang sesuai sesuan dengan dengan standar IEEE 519.

72 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 6.3: Model sistem kelistrikan dengan beban nonlinier 6.3 Reaktor Saluran Komponen magnetik ini sering digunakan dalam saluran secara seri dengan pengontrol motor dan konverter lain yang menarik arus harmonisa yang signifikan dapat dilihat pada. Reaktor menghadirkan impedansi tinggi ke arus frekuensi tinggi saat melewati fundamental. Bentuk gelombang teoritis dari arus saluran dari konverter enam pulsa ditunjukkan pada Gambar 6.5 (a). Angka pertama ini mengasumsikan tidak ada induktansi garis. Ketika kita menambahkan reaktor garis, induktansi reaktor menyebabkan konverter menunjukkan waktu pergantian yang signifikan. Gambar 6.4: Reaktor saluran dalam rangkaian pengontrol motor

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 73 Hasilnya adalah bentuk gelombang trapesium dari Gambar 6.5 (b), di mana waktu pergantian adalah interval µ. Reaktor tidak mengurangi harmonisa ke-5 dan ke-7 secara signifikan, tetapi mengurangi harmonisa ke-11 dan yang lebih tinggi , misalnya, ke-11 dikurangi dari 9,1 menjadi 6,5 persen dan ke-23 dari 4,3 menjadi 0,5 persen. Reaktor juga akan mengurangi besarnya arus hubung singkat di dalam konverter. (a) (b) (c) (d) Gambar 6.5: Bentuk gelombang konverter enam pulsa [6.2]

74 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 6.6: Foto reaktor tiga fasa 0,047 mH Pada Gambar 6.6, kita melihat foto reaktor saluran yang diberi nilai 0,047 mH, atau 0,0178 Ω pada 60 Hz. Untuk aplikasi reaktor saluran, reaktor biasanya dinilai dalam persen penurunan tegangan pada arus beban pengenal. Untuk beban pengenal 500 A pada sistem 480/277 V, reaktor akan diberi pengenal pada (500 A x 0,0178 Ω) x 100/277 V = 3,2 persen reaktansi. Pada Gambar 6.7 [35] merupakan bentuk gelombang arus saluran untuk beban variable speed drives. Pada diagram tersebut mengilustrasikan pengurangan individual harmonisa dan distorsi harmonisa total (THD) yang dapat dicapai melalui penggunaan reaktor saluran. di mana sebelum dipasang reaktor THD sebesar 80,6 persen. Dengan melakukan penambahan reaktor sebesar 3 persen maka diperoleh penurunan yang signifikan pada bentuk gelombang arus di mana THD turun menjadi sebesar 37,7 persen.

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 75

76 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Gambar 6.7: Bentuk gelombang input ke ASD 100 hp [6.4]. (a) Tanpa reaktor saluran, THD = 80,6 persen; (b) dengan reaktor saluran 3 persen, arus saluran THD = 37,7 persen 6.4 Shunt Pasif Filter Pemasangan filter pasif shunt adalah metode yang paling umum untuk mengontrol arus harmonisa dan memperoleh izin sesuai standar IEEE 519. Filter biasanya ditempatkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.3 untuk mengalihkan sebagian arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban nonlinier. Kapasitor filter juga memberikan daya reaktif pada frekuensi dasar (60 Hz) untuk koreksi faktor daya. Filter biasanya dipasang satu atau lebih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. 8 [36]. Filter RLC dengan tuning tunggal untuk setiap frekuensi harmonisa adalah yang paling umum digunakan. Impedansi Z dari single-tuned ditunjukkan pada Gambar 6.8 dan untuk memperoleh impedansinya maka digunakan persamaan (6. 1) berikut ini : ������ = ������ + ������ (������) − ������+) (6. 1) di mana, ������) = ������������ (6. 2) (6. 3) ������+ = 1 ������������

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 77 Gambar 6.8: Shunt filters [6.5] a). Single-tuned filter, b). First order high-pass filter, c). Second order high-pass filter, dan d). Third order high-pass filter Gambar 6.9: (a) Rangkaian series-tuned filter. (b) Simulasi PSPICE dari impedansi masukan Z dari bagian yang disetel (tuned) pada harmonisa kelima (300Hz) dengan L = 500 H, C = 563 µF, dan R = 0,01 Ω dan 0,1 Ω.

78 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik Hambatan R disebabkan oleh rugi – rugi kumparan dan rugi inti induktor. Faktor kualitas atau Q induktor diperoleh dari persamaan (6. 4) berikut : ������ = ������������ = ������������ (6. 4) ������ ������ Nilai Q untuk induktor filter adalah 30 hingga 50 pada frekuensi 60 Hz. Rangkaian resonansi seri akan mengalami penurunan karena impedansi induktif dan impedansi kapasitif akan saling menghilangkan. Filter single tuned akan beresonansi pada ������2, di mana XL= XC, atau ������2 = √3)+.. Pada saat resonansi, impedansi seri berkurang sehingga menjadi Z = R. Untuk selain resonansi, besaran Z diperoleh dari persamaan (6. 5) berikut : |������| = 6(������������������)7 + (1 − ������������������7)7 (6. 5) ������������ Impedansi dari filter single tuned sebesar 300 Hz, atau ω_r = 1884 rad /s, seperti ditunjukkan pada Gambar 6. 9(b). di mana besar nilai kedua hambatan R adalah 0,01 Ω dan 0,1 Ω, yang menjadi impedansi pada saat resonansi. Impedansi L dan C pada resonansi dipilih sebagai contoh adalah 0,94 Ω. Contoh 6.1: Filter resonansi seri. Filter resonansi seri yang digunakan pada saluran AC ditunjukkan pada Gambar 6. 10. Dapat dilihat bahwa rangkaian resonansi seri Lf, Cf, dan R telah ditambahkan ke saluran. Induktor Ls memodelkan induktansi sumber. Besarnya impedansi Z pada titik keluaran seperti pada persamaan (6. 6)

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 79 Gambar 6.10: Rangkaian dasar filter seri Gambar 6.11: Besarnya impedansi keluaran Z di PCC pada Gambar 6. 10 |������| = (������������8)9:1 − (������;������;������7)<7 (6. 6) 9=1 − :(������; + ������8)������;������7<>7 Dapat dilihat bahwa fungsi transfer memiliki nilai minimum pada komponen filter frekuensi resonansi seri. Ada juga puncak pada frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi resonansi seri pada frekuensi di mana (Ls + Lf)

80 Kualitas Daya Pada Sistem Tenaga Listrik beresonansi dengan kapasitor. Simulasi PSPICE dari filter harmonisa kelima yang menunjukkan besarnya impedansi Z ditunjukkan pada Gambar 6.11. Filter harmonisa yang dirancang untuk mereduksi komponen harmonisa kelima untuk aplikasi variable speed drives ditunjukkan pada Gambar 6.12. Pada Gambar 6.13, kita melihat puncak dan lembah karakteristik dari filter harmonisa jenis ini. Filter harmonisa juga telah digunakan untuk mengurangi gangguan harmonisa pada sistem telepon. Gambar 6.12: Rangkaian filter tiga fasa Gambar 6.13: Pengaruh bank kapasitor pada tegangan di PCC.

Bab 6 Filter Daya Harmonisa 81 6.5 Filter multiseksi Kita dapat menggunakan beberapa bagian filter harmonisa seperti pada Gambar 6.14 untuk mengurangi dampak harmonisa besar yang dihasilkan oleh beban nonlinier yang terhubung ke PCC. Filter dirancang untuk mereduksi harmonisa besar seperti pada orde ke-5, ke-7, dan ke-11 yang dihasilkan oleh beban nonlinier. Umumnya, komponen filter disetel beberapa persen di bawah frekuensi harmonisa untuk memperhitungkan variasi komponen, variasi suhu, penuaan komponen, dan perubahan sistem. Gambar 6.15a menunjukkan filter yang dirancang untuk melemahkan harmonisa ke-5, ke-7, dan ke-11. Dalam contoh desain ini, setiap filter disetel 4 persen di bawah harmonisa yang difilter. Frekuensi resonansi seri dari tiga rangkaian resonansi seri adalah ������3 = 1 = 1 = 288 ������������ 2������6������3������3 2������6(500������10EF)(611������10EF) ������7 = 1 = 1 = 403 ������������ 2������6������7������7 2������6(500������10EF)(312������10EF) ������M = 1 = 1 = 634 ������������ 2������6������M������M 2������6(500������10EF)(126������10EF) Gambar 6.14: Beberapa Filter dipasang untuk mereduksi harmonisa yang muncul pada beban yang dimodelkan dengan sumber arus nilai Ih. Frekuensi ini diharapkan dapat mereduksi harmonisa secara signifikan, sebagaimana dibuktikan dalam plot PSPICE pada Gambar 6.16. Ini adalah