Harmonic Voltage and Currents

Refresh sejenak yuk? Ini ada qoute yang sangat menarik menurut saya ” Kepercayaan (trust) itu ibarat sebuah penghapus, ia akan semakin menipis dan habis seiring dengan kesalahan yang kita buat.” Penuh banget kan? Ya , itulah kepercayaan, begitu mahal dan mudah sekali rusak. Maka dari itu jagalah kepercayaan yang telah diberikan dari orang – orang yang sangat percaya kepada kita. Just Intermezoo.

So lets continue our discussion! Well selanjutnya dalam topik kali ini saya ingin sedikit berbagi ilmu tentang ” Harmonic Voltage and Current” apa itu? Sebenarnya bahasan topik ini ada di buku : “Handbook of electricaql for practitioners in the Oil Gas Petrochemical Industry”. Bidang perminyakan sangat erat kaitannya dengan elektronika. Mungkin hampir kesuluruhan sistem menggunakan perangkat elektronik dari yang ukuranya macro sampai micro. Maka dari itu sangat penting sekali mempelajari dasar-dasar elektrik dan elektronika yang banyak diaplikasikan dalam dunia perminyakan. Lalu apakah Harmonic Voltage and Current itu ? 

Harmonisa adalah distorsi periodik dari gelombang sinus untuk tegagan, arus atau daya dengan bentuk gelombang yang frekuensinya merupakan kelipatan diluar bilangan satu terhadap frekuensi fundamentalnya.  

Seperti yang ditunjukan pada gambar diatas, distorsi atau perubahan penyimpangan dari gelombang sinusoidal yang normal ( misal 50 Hz untuk Indonesia) mengalami perubahan frekuensi dimana frekuensi berubah terhadap kelipatan frekuensi dasarnya.

Frekuensi fundamental / dasar yang di beberapa negara digunakan adalah 50 – 60 Hz.

Pada dasarnya efek harmonisa ini terjadi pada gelombang listrik AC ( listrik bolak – balik).

Pada dasarnya gelombang AC adalah gelombang bentuk sinusoidal. Bentuk grafik dari gelombang sinusoidal diperlihatkan pada gambar diatas. Karena terjadi efek harmonisa maka terjadi distorsi dari gelombang sinusoidal semula. Efek distorsi ini mengakibatkan perubahan frekuenis gelombang fundamental menjadi gelombang yang terdistorsi. Nilai frekuensi dari gelombang harmonisa yang terbentuk merupakan hasil kali antara frekuensi fundamental dengan bilangan harmonisa nya yaitu f, 2f, 3f dst. Bentuk gelombang harmonisa yang diiukutsertakan pada gelombang fundamentalnya, maka gelombang yang terbentuk akan mendekati gelombang persegi atau gelombang akan berbentuk non – sinusoidal. Hal ini akan sangat jauh sekali dengan gelombang inputannya. Sketsa grafis dari peristiwa distorsi gelombang sinusoidal mejadi gelombang harmonisa yang non sinusoida seperti animasi dibawah ini.

Lalu apa yang mengakibatkan harmonisa ini? Harmonisa terjadi sebagai akibat dari penggunaan beban non – linier. Istilah beban sendiri dalam penggunaanya adalah untuk istilah suatu device atau peralatan yang penggunaannya mengguanakan listrik. Beban sendiri secara kontek sederhana adalah alat – alat elektronik yang sering kita gunakana seperti TV, komputer, dispenser, rice cookr dsb. Beban dalam istilah elektronika dibagi menjadi 2 bagian yaitu :

1. Beban linier

2. Beban non – linier

Beban linier adalah suatu beban / divice dimana input arus / tegangannya sama dengan output tegangan atau arusnya. Artinya pada beban linier tidak terjadi harmonisa. Misal dalam penggunaanya menggunakan arus listri dengan frekuensi 50 Hz, maka output yang dihasilkan tetap sama dengan gelombang inputannya. Bisa juga dikatakan bahwa beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier, artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Beban linier ini tidak memberikan efek harmonisa ataupun efek buruk terhadap perubahan gelombang arus maupun tegangan.

Beban non linier adalah bentuk gelomban outputnya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang inputannya. Dengan kata lain gelombang inputannya telah mengalami distorsi. Gangguan inilah yang dinamakan dengan harmonisa. Gelombang mengalami distorsi yang sebanding dengan frekuensi dasarnya atau dengan frekuensi fundamentalnya. Pada beban non – linier arus arus bisa merupakan gelombang non – sinusoidal walaupun tegangannya merupakan gelombang sinusoidal.

Contoh peralatan beban non – linier adalah :

• Televisi
• Komputer
• Alat penghemat daya
• Tungku api busur
• Las
• Inti magnet pada trafo dan mesin – mesin berputar
• Mesin – mesin sinkron
• Adjustable speed drives
• Solid state switch
• Hig Voltage DC Transmisi
• Photovoltaik In vertors

Jadi efek harmonisa terjadi sebagai akibat dari penggunaan konsumen beban non – linier pada peralatan mereka. Padahal penyedia listrik menginginkan penggunaan alat – alat dengan beban non – linier bisa diminimalisir. Lalu apa rugi dan bahaya yang diakibatkan oleh adanya harmonisa pada pengunaan beban non – linier ini?  Harmonisa pada jaringan yang ditimbulkan oleh konsumen akan menimbulkan arus urutan. Arus urutan yang akan dijelaskan disini adalah analisa secara mikroskopik terlebih dahulu sebelum kita mengkaji dampak makroskopis yang ditimbulkannya. Dibawah ini disajikan tahapan distorsi gelombang input dalam pengunaan beban non – linier, berikut dengan frekuensi harmonisaya dan arus urutan yang ditimbulkannya.

Misal penggunaan sumber arus / tegangan menggunakan sumber AC 50 Hz, maka ketika kita mengurutkan harmonik dari kelipatan frekuensi dasarnya, maka ada pola arus urutan. Dari tabel dapat dilihat bahwa harmonisa pada kelipatan 3, memiliki polaritas 0, Harmonisa uruta nol dapat menimbulkan panas pada peralatan tapi tidak berpengaruh terhadap putaran medan. Adapun efek yang ditimbulkan selain urutan nol dilihat pada tabel dibawah ini.

Efek dari arus urutan nol yang lainnya adalah adanya residu yang akan mengalir pada titik netral ( trafo atau generator). Sementara itu arus urutan negatif akan menimbulkan flux balik di stator generator dan belita medan. Dimana efeknya akan sangat membahayakan belitan tersebut. Oleh karena itu PLN menginginkan harmonisa tegangan dari PLN serendah mungkin. Intinya pada pembahasan ini, sampai sejauh ini kita setuju bahwa harmonisa harus dikurangi. Walaupn demikian pengetahuan sekarang tidak memungkinkan bagi kita untuk menghilangkan efek dari harmonisa secara permanen, kita hanya bisa mengurangi efek yang ditimbulkan harmonisa tersebut. Karena bagaimana pun kita tidak bisa menghindari efek harmonisa ini. Karena beban – beban non – linier masih banyak kita aplikasikan dalam kehidupan sehari – hari.

Total Harmonic Distortion ( THD) merupakan nilai prosentase antara total komponen harmonisa dengan komponen fundamentalnya. Semakin besar prosentase THD ini menyebabkan semakin besarnya resiko kerusakan peralatan akibat harmonisa yang terjadi pada arus maupun tegangan. Nilai THD yang diijinkan secara Internasional maksimal berkisar 5% dari tegangan atau arus frekuensi fundamentalnya.

Untuk mencari THD dari tegangan dapat digunakan persamaan

Sedangkan THD dari arus dapat digunakan persamaan

Ada suatu alat yang bisa digunakan untuk memantau gelombang harmonisa antara lain Osiloskop dan Spektrum Analyzer. Hasil dari spektrum analyzer ini diolah dalam bentuk garfis pada komputer seperti gambar ilustrasi dibawah ini:

Masih semangat dengan pembahasan kita dengan topic ” Harmonic Voltage and Current ” ini? Semangat ya! Karena kita akan melanjutkan dengan pembahasan bagaimana cara mengurangi harmonisa ini?  Telah kita sepakati bahwa harmonisa banyak memberikan dampak buruk, maka dari itu hal yang laping penting adalah dengan cara mengurangi efek harmonisa ini. Salah satu cara mengurangi harmonisa adalah dengan cara mendisain peralatan yang tidak menimbulkan harmonisa itu sendiri. Its so simple, karena letak solusi nya adalah dari alat yang meyebabkan harmonisa itu sendiri. Berarti fokus pembahasa kita adalah pada beban non – linier. Cara mendesain peralatan yang bebas harmonisa adalah denga menambahkan :

———–> Filter pasif

———–> Penambahan jumlah fase ( Phase Multipication)

———–>Kompensasi atau injeksi harmonisa negatif

Dalam penggunaannya Filer Pasif lebih luas penggunannnya karena keunggulannya. Mari kita bahas apa yang dimasksud denga  filter itu sendiri. Filter adalah suatu rangkaian yang digunakan untuk membuang tegangan output pada frekuensi tertentu. Untuk merancang rangkaian filter dapat digunakan komponen pasif (R,L,C) dan komponen aktif (Op-Amp, transistor). Dengan demikian filter dapat dikelompokkan menjadi filter pasif dan filter aktif. Pada makalah ini akan dibahas mengenai filter pasif dan filter aktif. Pada dasarnya filter dapat dikelompokkan berdasarkan response (tanggapan) frekuensinya menjadi 4 jenis:

1. Filter lolos rendah/ Low pass Filter.

2. Filter lolos tinggi/ High Pass Filter.

3. Filter lolos rentang/ Band Pass Filter.

4. Filter tolah rentang/Band stop Filter or Notch Filter.

Filter adalah suatu device yang memilih sinyal listrik berdasarkan pada frekuensi dari sinyal tersebut. Filter akan melewatkan gelombang/sinyal listrik pada batasan frekuensi tertentu sehingga apabila terdapat sinyal/gelombang listrik dengan frekuensi yang lain (tidak sesuai dengan spesifikasi filter) tidak akan dilewatkan. RAngkaian filter dapat diaplikasikan secara luas, baik untuk menyaring sinyal pada frekuensi rendah, frekuensi audio, frekuensi tinggi, atau pada frekuensi-frekuensi tertentu saja.

Filter adalah suatu sistem yang dapat memisahkan sinyal berdasarkan frekuensinya; ada frekuensi yang diterima, dalam hal ini dibiarkan lewat; dan ada pula frekuensi yang ditolak, dalam hal ini secara praktis dilemahkan. Hubungan keluaran masukan suatu filter dinyatakan dengan fungsi alih (transfer function). Magnitude (nilai besar) dari fungsi alih dinyatakan dengan |T|, dengan satuan dalam desibel (dB). Filter dapat diklasifikasikan menurut fungsi yang ditampilkan, dalam term jangkauan frekuensi, yaitu passband dan stopband. Dalam pass band ideal, magnitude-nya adalah 1 (= 0 dB), sementara pada stop band, magnitude-nya adalah nol.

Berdasarkan hal ini filter dapat dibagi menjadi 4:

1. Filter lolos bawah (low pass filter), pass band berawal dari w = 2pf = 0 radian/detik sampai dengan w = w0 radian/detik, dimana w0 adalah frekuensi cut-off.

2. Filter lolos atas (high pass filter), berkebalikan dengan filter lolos bawah, stop band berawal dari w = 0 radian/detik sampai dengan w = w0 radian/detik, dimana w0 adalah frekuensi cut-off.

3. Filter lolos pita (band pass filter), frekuensi dari w1 radian/detik sampai w2 radian/detik adalah dilewatkan, sementara frekuensi lain ditolak.

4. Filter stop band, berkebalikan dengan filter lolos pita, frekuensi dari w1 radian/detik sampai w2 radian/detik adalah ditolak, sementara frekuensi lain diteruskan.

Baik kita spesifikasikan saja bahasan kita mengenai filer pasif. Filter banyak digunakan untuk memberikan sirkuit seperti amplifier, osilator dan sirkuit power supply karakteristik frekuensi yang diperlukan. Beberapa contoh diberikan di bawah ini. Mereka menggunakan kombinasi dari R, L dan C. Induktor dan Kapasitor bereaksi terhadap perubahan frekuensi dengan cara yang berlawanan. Melihat sirkuit untuk filter lolos rendah, baik LR dan kombinasi CR menunjukkan telah efek yang sama, tapi perhatikan bagaimana posisi L dan C tempat perubahan dibandingkan dengan R untuk mencapai hasil yang sama.

1. Low Pass Filter

Rangkaian RC seri ini mirip dengan rangkaian pembagi tegangan dari dua buah hambatan seri, sehingga tegangan out putnya adalah

Filter lolos rendah digunakan untuk menghapus atau menipiskan frekuensi yang lebih tinggi di sirkuit seperti amplifier audio; mereka memberikan respon frekuensi yang diperlukan untuk rangkaian penguat. Frekuensi di mana filter low pass mulai mengurangi amplitudo sinyal dapat dibuat disesuaikan. Teknik ini dapat digunakan dalam penguat audio sebagai “TONE” atau “TREBLE CUT” kontrol. LR filter low pass filter dan high pass CR juga digunakan dalam sistem speaker untuk band rute yang sesuai frekuensi untuk desain yang berbeda dari speaker (yaitu ‘woofer’ untuk frekuensi rendah, dan ‘Tweeters’ untuk reproduksi frekuensi tinggi). Pada aplikasi ini kombinasi pass filter tinggi dan rendah disebut “crossover filter”. Kedua filter CR dan LC lulus rendah yang menghilangkan hampir SEMUA frekuensi di atas hanya beberapa Hz digunakan dalam rangkaian power supply, di mana hanya DC (nol Hz) diperlukan pada output.

2. High pass filter

Dengan memanfaatkan rangkaian pembagi tegangan maka dapatlah outputnya

Pass filter tinggi digunakan untuk menghilangkan atau meredam frekuensi yang lebih rendah di amplifier, terutama audio amplifier mana ia dapat disebut “BASS CUT” sirkuit.Dalam beberapa kasus ini juga dapat dilakukan disesuaikan.

3. Band pass filter

Band pass filter mengizinkan hanya sebuah band frekuensi yang diperlukan untuk lulus, dan menolak sinyal di semua frekuensi di atas dan di bawah band ini. Desain tertentu disebut filter T karena cara komponen digambar dalam diagram skematik. Filter T terdiri dari tiga unsur, dua seri terhubung LC sirkuit antara input dan output, yang membentuk jalan impedansi rendah untuk sinyal dari frekuensi yang diperlukan, namun memiliki impedansi tinggi untuk semua frekuensi lainnya. Selain itu, LC paralel sirkuit terhubung antara jalur sinyal (di persimpangan dari dua sirkuit seri) dan tanah untuk membentuk impedansi tinggi pada frekuensi yang diperlukan, dan impedansi rendah pada semua orang lain. Karena ini desain dasar membentuk hanya satu tahap penyaringan ia juga disebut filter ‘urutan pertama’. Meskipun dapat memiliki sebuah band lulus cukup sempit, jika dipotong lebih tajam dari yang diperlukan, filter kedua dapat ditambahkan pada output filter pertama, untuk membentuk filter ‘tingkat dua’.

 4. Stop band filter

Filter ini memiliki efek sebaliknya untuk filter band pass, ada dua paralel LC sirkuit di jalur sinyal untuk membentuk impedansi tinggi pada frekuensi sinyal yang tidak diinginkan, dan rangkaian seri membentuk jalur impedansi rendah ke tanah pada frekuensi yang sama, untuk menambahkan untuk penolakan. Band filter berhenti dapat ditemukan (sering dalam kombinasi dengan band pass filter) pada frekuensi antara (IF) amplifier radio tua dan penerima TV, di mana mereka membantu menghasilkan kurva respon frekuensi bentuk cukup kompleks diperlukan untuk penerimaan yang benar dari kedua suara dan gambar sinyal. Kombinasi berhenti band dan band pass filter, serta transformer tuned di sirkuit ini, memerlukan penyesuaian frekuensi-hati.

Cara yang dapat ditempuh agar arus atau tegangan harmonisa dapat diminimalisir antara lain dengan pemasangan:

1. Filter Pasif LFilter pasif L
Filter L biasanya dipasang secara seri terhadap beban. Dengan menggunakan filter L, arus yang mengalir melalui L akan sulit berubah berbanding lurus dengan besarnya L.

2.Filter Pasif C
Arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah. Dengan pemasangan C, arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melalui  kapasitor  karena kapasitor memiliki impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Agar tegangan beban bebas harmonisa, dipasang filter C yang paralel dengan beban. Dengan menggunakan filter C ini semua riak arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban.

3.Filter Pasif LC / Kombinasiow Pass Filter)

Untuk bisa merancang filter dengan baik, terlebih dahulu kita harus bisa  menganalisis bentuk gelombangnya, besarnya riak (gelombang selain fundamentalnya = jumlah komponen harmonisanya) secara akurat. Banyak cara telah diusulkan untuk menganalisis riak. Saat ini analisis riak lebih sering menggunakan deret Fourier.