Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya

1. Pendahuluan

Hampir semua energi listrik dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dalam bentuk sistem tiga-fasa. Idealnya, tegangan yang dirasakan peralatan adalah tegangan tiga-fasa dengan bentuk sinusoidal dan seimbang. Akan tetapi adanya pembebanan yang tak seimbang serta ketidakseimbangan impedansi saluran menyebabkan tegangan yang dirasakan oleh peralatan menjadi tidak seimbang. Ketidakseimbangan menyebabkan efisiensi motor induksi menurun dan menyebabkan munculnya harmonisa orde rendah pada penyearah.

Dalam artikel ini akan dibahas bermacam definisi ketidakseimbangan, pengaruhnya pada motor induksi dan penyearah, serta beberapa langkah yang bisa dilakukan untuk mengatasinya. Pada motor induksi, ketidakseimbangan tegangan bisa menyebabkan ketidakseimbangan arus yang lebih besar serta pemanasan lebih pada motor. Pada penyearah, ketidakseimbangan bisa menyebabkan munculnya harmonisa orde rendah baik pada sisi masukan maupun pada sisi keluaran. Pada artikel ini kita hanya akan membahaspengaruh ketidakseimbangan tegangan pada beban tiga-fasa tiga-kawat seperti halnya motor dan penyearah tiga-fasa.

2. Definisi

Gambar 1 memperlihatkan fasor tegangan yang seimbang dan tak seimbang. Pada sistem yang seimbang, setiap tegangan fasa mempunyai besar yang sama dan mempunyai beda sudut fasa 120 der. Menurut definisi, arah urutan fasa tegangan abc disebut positif jika mempunyai arah mengikuti arah putaran jarum jam. Tegangan tak seimbang bisa berbeda besarnya, mempunyai beda sudut yang tidak 120 der, atau keduanya.

Menurut literatur, tegangan tiga-fasa yang tak seimbang bisa diuraikan menjadi tiga sistem yang seimbang atau simetris. Ketiga sistem simetris ini disebut komponen urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol. Gambar 2 memperlihatkan tiga sistem simetris tersebut. Komponen urutan positif mempunyai urutan fasa mengikuti putaran jarum jam, urutan negatif berlawanan dengan arah putaran jarum jam, sedangkan urutan nol mempunyai arah fasa yang sama. Setiap tegangan yang tak seimbang selalu bisa diuraikan menjadi tiga sistem simetris tersebut. Gambar 3 memperlihatkan tegangan tak seimbang yang dibentuk oleh tiga sistem simetris.

Jika tegangan sistemnya seimbang maka hanya urutan positif yang ada. Urutan negatif dan nol tidak ada. Oleh sebab itu, adanya urutan negatif dan nol bisa dijadikan indikasi seberapa besar ketidakseimbangan dari tegangan sistem. Tentu saja, semua definisi tersebut diatas juga berlaku untuk arus. Pada sistem tiga-fasa tiga-kawat, urutan nol tidak perlu kita perhitungkan karena arus urutan nol tidak bisa mengalir.

Menurut IEC, besarnya ketidakseimbangan tegangan bisa dinyatakan dengan

$\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)= \frac{V_2}{V_1}\times 100\%$

Pada sistem tiga-fasa tiga kawat yang bisa kita ukur secara langsung hanyalah tegangan antar fasa, sehingga besarnya ketidakseimbangan biasanya dihitung dengan persamaan berikut:

$\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)=\sqrt{\frac{1-\sqrt{3-6\beta}}{1+\sqrt{3-6\beta}}}\times 100\%$

yang mana

$\beta=\frac{V_{ab}^4+V_{bc}^4+V_{ca}^4}{\left(V_{ab}^4+V_{bc}^4+V_{ca}^4\right)^2}$

Sedangkan menurut NEMA, besarnya ketidakseimbangan dihitung dengan cara berikut:

$\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)=\frac{\textrm{Deviasi maksimum}\left(V_{ab}V_{bc}V_{ca}\right)\textrm{dari rata-rata}}{\textrm{Rata-rata dari}\left(V_{ab}V_{bc}V_{ca}\right)}$

Jangan menggunakan tegangan fasa-ke-netral karena adanya tegangan urutan nol bisa membuat hasilnya kurang akurat. Secara teoritis, definisi menurut IEC memberikan hasil yang lebih akurat dibanding definisi NEMA.

3. Pengaruh tegangan tidak seimbang pada motor

Rangkaian ekivalen motor induksi diperlihatkan di Gb. 4. Slip didefinsikan sebagai

$s=\frac{N_s-N_r}{N_s}$

yang mana $N_s$ menyatakan kecepatan sinkron dan $N_r$ adalah kecepatan rotor. Tegangan urutan negatif akan menyebabkan medan putar yang berputar pada kecepatan sinkron tetapi dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam. Akibatnya, slip terhadap tegangan urutan negatif adalah

$s_2=\frac{-N_s-N_r}{-N_s}=2-s$

Karena nilai slip $s$ biasanya sangat kecil, mendekati nol, maka slip urutan negatif mempunyai nilai mendekati dua. Akibatnya, impedansi rotor terhadap tegangan urutan negatif akan sangat kecil mendekati impedansi motor saat hubungsingkat. Oleh sebab itu, besar impedansi urutan positif relatif terhadap urutan negatif bisa didekati dengan persamaan

$\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{I_{start}}{I_{running}}$

Atau

$\frac{I_2}{I_1}=\frac{V_2}{V_1}\times\frac{I_{start}}{I_{running}}$

Arus start motor biasanya berkisar antara 6 sampai 8 kali arus beban penuh. Oleh sebab itu, ketidakseimbangan tegangan 5% akan menghasilkan ketidakseimbangan arus antara 30 sampai 40%. Karena resistansi rotor terhadap arus frekuensi urutan negatif lebih besar dibanding terhadap arus urutan positif, susut daya di rotor akan meningkat dengan cepat. Selain itu, pemanasan tambahan di stator dan rotor akan menyebabkan umur isolasi stator akan berkurang dengan cepat.

Untuk mengkompensasi pengaruh ketidakseimbangan tegangan, NEMA telah membuat kurva derating bagi motor yang bekerja pada tegangan tak seimbang. Gb. 5 memperlihatkan kurva derating factor versus persen ketidakseimbangan. Persen ketidakseimbangan yang diijinkan tanpa melakukan derating adalah 1%. Persen ketidakseimbangan yang diijinkan maksimum adalah 5%.

4. Pengaruh ketidakseimbangan tegangan pada penyearah

Penyearah dioda tiga-fasa banyak digunakan dalam bermacam penerapan seperti halnya VSD (Variable Speed Drives) dan sistem catu daya. Idealnya, penyearah dioda semacam ini hanya menghasilkan harmonisa dengan orde $6k\pm1$ yang mana k bilangan bulat. Gb. 6(a) memperlihatkan bentuk gelombang arus masukan dioda pada tegangan yang seimbang. Pada kondisi tak seimbang, harmonisa orde tiga dan kelipatannya bisa mengalir di sumber sehingga kwalitas gelombang dan faktor-daya arus masukan memburuk. Adanya harmonisa orde rendah ini bisa mengganggu kinerja sistem atau menyebabkan resonansi pada kapasitor koreksi faktor daya. Gb. 6(b) memperlihatkan gelombang arus masukan penyearah dioda pada kondisi tak seimbang.

Pada kondisi seimbang, riak tegangan dc yang dihasilkan oleh penyearah dioda mengandung harmonisa orde kelipatan enam.Pada kondisi tak seimbang, riak tegangan dc yang dihasilkan mengandung harmonisa orde dua, empat, dan kelipatannya. Riak yang besar ini bisa menurunkan kwalitas tegangan keluaran yang dihasilkan inverter (jika digunakan pada VSD) dan mempercepat penuaan kapasitor dc. Gb. 7 memperlihatkan gelombang tegangan kapasitor pada kondisi seimbang dan tak seimbang.

5. Solusi

Solusi paling mudah untuk mengatasi masalah akibat ketidakseimbangan adalah mengurangi besarnya ketidakseimbangan. Cara ini bisa dilakukan dengan menyeimbangkan pembebanan sumber. Ini cara yang lebih mudah karena sumber pada dasarnya adalah seimbang. Ketidakseimbangan muncul karena beban yang tak seimbang. Jika cara tersebut tidak bisa dilakukan maka satu-satunya cara adalah dengan memasang kompensator untuk menyeimbangkan beban. Kompensator ini bisa berupa kompensator statis berbasis SVC atau STATCOM.

Cara Ikuti

Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya

Related Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya: