analisis harmonisa dampak harmonisa

Analisis HarmonisaDampak Harmonisa

Dampak Harmonisa

Adanya harmonisa menyebabkan terjadinya peningkatan susut energi yaitu energi “hilang” yang tak dapat dimanfaatkan, yang secara alamiah berubah menjadi panas

Dampak Pada Sistem

Harmonisa juga menyebabkan terjadinya peningkatan temperatur pada konduktor kabel, pada kapasitor, induktor, dan transformator, yang memaksa dilakukannya derating pada alat-alat ini dan justru derating ini membawa kerugian (finansial) yang lebih besar dibandingkan dengan dampak langsung yang berupa susut energi

Harmonisa dapat menyebabkan kenaikan tegangan yang dapat menimbulkan micro-discharges bahkan partial-discharges dalam piranti yang memperpendek umur, bahkan mal-function bisa terjadi pada piranti.

Pembebanan nonlinier tidaklah selalu kontinyu, melainkan fluktuatif. Oleh karena itu pada selang waktu tertentu piranti terpaksa bekerja pada batas tertinggi temperatur kerjanya bahkan mungkin terlampaui pada saat-saat tertentu. Hal ini akan mengurangi umur ekonomis piranti.

Harmonisa juga menyebabkan overload pada penghantar netral; kWh-meter memberi penunjukan tidak normal; rele proteksi juga akan terganggu, bisa tidak mendeteksi besaran rms bahkan mungkin gagal trip.

Dampak Harmonisa

Dampak Pada Instalasi di Luar Sistem

Harmonisa menimbulkan noise pada instalasi telepon dan komunikasi kabel.

Digital clock akan bekerja secara tidak normal.

Dalam kuliah ini hanya akan dibahas Dampak Pada Sistem

Dampak Tidak Langsung

Selain dampak pada sistem dan instalasi di luar sistem yang merupakan dampak teknis, terdapat dampak tidak langsnug yaitu dampak ekonomi.

Dampak Pada Konduktor

Konduktor

Dampak Harmonisa, Konduktor

221

221

2 1 Isrmsshrmsrmssrmss THDRIRIIRIP

Daya diserap konduktor

Resistansi konduktor

Menyebabkan kenaikan temperatur / susut energi

Temperaratur konduktor tanpa arus, sama dengan temperatur sekitar, Ts

Konduktor yang dialiri arus mengalami kenaikan temperatur sebesar T

Temperaratur konduktor yang dialiri arus adalah Ts + T

= cp I2Rt

Kapasitas panas pada tekanan konstan

Konduktor dialiri arus non-sinus:

sebanding I2R

CONTOH-1. Kabel: resistansi total 80 m, mengalirkan arus 100 A frekuensi 50 Hz, temperatur 70o C, pada suhu sekitar 25o C.

Perubahan pembebebanan menyebabkan munculnya harmonisa 350 Hz dengan nilai efektif 40 A

W80008,010021 PSusut daya semula (tanpa harmonisa):

W12808,04027 PSusut daya tambahan karena arus harmonisa:

W928128800 kabelPSusut daya berubah menjadi:

Terjadi tambahan susut daya sebesar 16%

70o 25o = 45o C Kenaikan temperatur semula:

C 52C 2,7C45 ooo TKenaikan temperatur akibat adanya hormonisa:

C 775225 ooo TTemperatur kerja akibat adanya harmonisa:

C 2,74516,0 oo TPertambahan kenaikan temperatur:

Temperatur kerja naik 10%


CONTOH-2.

W802,0202 kabelP

resistif

0,2 kabel

Irms= 20 A

I = I1rms = 20 A

Jika daya tersalur ke beban dipertahankan:

THDI = 100% (penyearah ½ gel)

W160112,020 22 kabelP

resistif

0,2 kabel

I

Susut naik 100%

Jika susut daya di kabel tidak boleh meningkat:

W802,0202 kPI = Irms = 20 A

rmsmshmsmsrms ITHDIIII 122

122

12 2)1(

2/201 rmsI

Arus fundamental turun menjadi 70%Daya tersalur ke beban harus diturunkan menjadi 70%

Susut tetap

derating kabel


Dampak pada Kapasitor

Kapasitor

Dampak Harmonisa, Kapasitor

Pengaruh Frekuensi Pada r

frekuensi

frekuensi listrik frekuensi optik

poweraudio

radio

r

loss factorr

rtan

Im

ReIRp

ICItot

VC

tanCrmsCrmsRpC IVP IV

tan π2tan))(ω( 2000 rr CfVCVVP

Diagram Fasor Kapasitor

faktor desipasi (loss tangent)

faktor kerugian (loss factor)

fCX C

2

1

d

AC r

0

r menurun dengan naiknya frekuensi

C menurun dengan naiknya frekuesi.

Namun perubahan frekuensi lebih dominan dalam menentukan reaktansi dibanding

dengan penurunan r; oleh karena itu dalam

analisis kita menganggap kapasitansi konstan.

CONTOH-3.

f = 50 Hz500 F v = 150 sint + 30 sin5t V v

ttvC 300sin30100sin150

ttiC 500cos5001050030100cos10010500150 66

-200

-100

0

100

200

0 0.005 0.01 0.015 0.02t [detik]

[V][A]

vC

iC

Kurva tegangan dan kurva arus kapasitor berbeda bentuk pada tegangan non-sinus

Peran tegangan dan peran arus pada kapasitor perlu ditinjau secara terpisah


CONTOH-4.

f = 50 Hz500 F v = 150 sint + 30 sin3t + 30 sin3t V v

Rating 110 V rms, 50 Hzlosses dielektrik 0,6 W

37,610500502

161CX A 7,16

37,6

2/1501 rmsCI

12,23

13

CC

XX A 10

12,2

2/303 rmsCI

27,15

15

CC

XX A 8,2

27,1

2/55 rmsCI

62%atau 62,0

7,16

8,210 22

1

rmsC

hrmsI I

ITHD

% 20atau 20,0106

5,21

2/150

2

5

2

30

22

1

rms

hrmsV V

VTHD

V 2

1501 rmsV

V 2

303 rmsV

V 2

55 rmsV

Berbanding lurus dengan frekuensi dan kuadrat tegangan

Rugi daya dalam dielektrik tan π2 20 rCfVP


f = 50 Hz500 F v = 150 sint + 30 sin3t + 30 sin3t V v

Rating 110 V rms, 50 Hzlosses dielektrik 0,6 W

W6,0V110,Hz 50 P

W134,0 6,0110

30

50

1502

V30,Hz 150

P

W006,0 6,0110

5

50

2502

V5,Hz 250

P

Losses dielektrik total:

W74,0006,0134,06,0 totalP

Berbanding lurus dengan frekuensi dan kuadrat tegangan


Dampak pada Induktor

Induktor

Dampak Harmonisa, Induktor

Diagram Fasor Induktor Ideal

V=Ei

If =I

LjNj fi IEV

L

If

+Ei

-

+V-

CONTOH-5. v = 150 sint + 30 sin3t + 30 sin3t V V = Ei = 75 V rms

f = 50 Hz

V 11100505044,41 LLV rmsL

V 66601015044,43 LLV rmsL

V 5550525044,45 LLV rmsL V 75

V 3,14084

5550666011100 222

L

LVLrms

H 0053,03,14084

75L

2

2 f

L= ?

Fluksi Dalam Inti

Nf

Vrmsm

44,4

jumlah lilitan nilai puncak fluksi

nilai efektif tegangan sinus

Bagaimana jika non-sinus?

CONTOH-6. vL 1200 lilitan)1355sin(250sin2150 o00 ttvL

Wb 563 12005044,4

1501

m

Wb )90sin(563 o01 t

Wb 6,62120050344,4

503

m Wb )2253sin(6,62

)901353sin(6,62o

0

oo03

t

t

Wb )2253sin(6,62

)90sin(563

0

o0

t

t

-600

-400

-200

0

200

400

600

0 0.01 0.02 0.03 0.04 t [detik]

[V][Wb]

vL

Bentuk gelombang fluksi berbeda dengan bentuk gelombang tegangan


Rugi-Rugi Inti

I

Ic

If

V=Ei

Adanya rugi inti menyebabkan fluksi magnetik tertinggal dari arus magnetisasi If sebesar yang disebut sudut histerisis.

)90cos( o fcc IVVIP

Arus untuk mengatasi rugi inti

Arus magnetisasi

Arus untuk membangkitkan fluksi

rugi arus pusar

Formulasi empiris untuk frekuensi rendah

nmhh BKvfP v222 mee BfKP

Bm : nilai kerapatan fluksi maksimum, : ketebalan laminasi inti, dan v : adalah volume material inti

rugi histerisis

fvwP hh

luas loop kurva histerisis

frekuensi volume


Rugi Tembaga

Daya masuk yang diberikan oleh sumber, untuk mengatasi rugi-rugi inti, Pc

untuk mengatasi rugi-rugi tembaga, Pcu

cos 12

ffccucin IVRIPPPP

I

Ic

If

If RV

Ei

Arus untuk mengatasi rugi tembaga

Arus magnetisasi

Arus untuk membangkitkan fluksi

Tegangan jatuh pada belitan

RIP fcu2


Dampak pada Transformator

Transformator

Dampak Harmonisa, Transformator

Rangkaian Ekivalen dan Diagram Fasor

jXe = j(X2+ X1)Re = R2+R1

I2 = I1

V1/a V2

I2

I2Re

V2

V1/a

jI2Xe

Rugi-Rugi Pada Belitan

Selain rugi-rugi tembaga terjadi rugi-rugi tambahan arus pusar, Pl ,

yang ditimbulkan oleh fluksi bocor.

Fluksi bocor selain menembus inti juga menembus konduktor belitan.Rugi arus bocor timbul baik di inti maupun di konduktor belitan.

Rugi arus pusar pada belitan (stray losses): 22mll BfKP

Fluksi Dan Rugi-Rugi Karena Fluksi

Fluksi magnetik, rugi-rugi histerisis, dan rugi-rugi arus pusar pada inti dihitung seperti halnya pada induktor

Namun formula ini tak digunakan

Rugi arus pusar dihitung sebagai proporsi dari rugi tembaga, dengan tetap mengingat bahwa rugi arus pusar sebanding dengan kuadrat ferkuensi.

Proporsi ini berkisar antara 2% sampai 15% tergantung dari ukuran transformator


CONTOH-7.

Resistansi belitan primer 0,05

I

Irms = 40 A

Arus ini menimbulkan juga fluksi bocor.Fluksi bocor ini menembus konduktor belitan dan menimbulkan rugi arus pusar di konduktor belitan.Rugi arus pusar ini = 5% dari rugi tembaga

W8005,0402 cuP

W48005.0%5 cuP

Rugi tembaga

Rugi arus pusar

Rugi daya total pada belitan 80 + 4 = 84 W.


CONTOH-8.

Rugi arus pusar diperhitungkan 10% dari rugi tembaga


I

I1rms = 40 A I7rms = 6 A

W8,8105,0)640( 222 RIP rmscu

W805,0401,01,0 2211 RIP rmsl

W8,805,0671,071,0 2227

27 RIP rmsl

W6,988,888,8171 llcutotal PPPP

Rugi tembaga total:

Rugi arus pusar komponen fundamental:

Rugi arus pusar harmonisa ke-7:

Rugi daya total:


Faktor K

Faktor K digunakan untuk menyatakan adanya rugi arus pusar pada belitan. Ia menunjukkan berapa rugi-rugi arus pusar yang timbul secara keseluruhan.

Nilai efektif total arus nonsinus A 1

2

k

nnrmsTrms II

W1

220

k

nnrmsK IngRP

proporsi terhadap rugi tembaga

Rugi tembaga total W 2

01

20

20 Trms

k

nnrmsrmscu IRIRIRP

Rugi arus pusar total

Resistansi belitan

21

22

Trms

k

nnrms

I

In

K faktor rugi arus pusar (stray loss factor)


Faktor K dapat dituliskan sebagai

k

npun

k

n Trms

nrms InI

InK

1

2)(

2

12

22

Trms

nrmspun I

II )(

Faktor K bukan karakteristik transformator melainkan karakteristik sinyal.

Walaupun demikian suatu transformator harus dirancang untuk mampu menahan pembebanan nonsinus sampai batas tertentu.


CONTOH-9.

Rugi arus pusar diperhitungkan 5% dari rugi tembaga


I

I1rms = 40 A I3rms = 15 A I11rms = 5 A

A 4351540 222 TrmsI

59,343

511153402

22222

K

W14808,0432 cuP

W6,2659,314805,0 KgPP cul

W6,1746,26148 totP

Nilai efektif arus total:

Faktor K:


Tegangan Maksimum

Tegangan Maksimum Pada Piranti

Dampak Harmonisa, Tegangan Maksimum

Kehadiran komponen harmonisa dapat menyebabkan piranti mendapatkan tegangan

lebih besar dari yang seharusnya.

Piranti-piranti yang mengandung elemen dinamis, berisiko mengalami resonansi pada frekuensi

harmonisa tertentu

Apabila terjadi resonansi, tegangan fundamental akan bersuperposisi dengan tegangan resonansi dan tegangan maksimum yang terjdi akan lebih

tinggi dari tegangan fundamental

CONTOH-10.

Tak ada beban di ujung kabel

kabel

2,9 F50 Hz, 12 kV

XL internal 6,5 R internal 1

tte 00 13sin170sin17000

5,61int1 jZ ernal

5,6131int13 jZ

6,1097

109,2 60

1 jj

ZC

4,84

109,213 60

13 jj

ZC

6,10975,611 jjZ tot

4,845,613113 jjZ tot

1,10911totZ

0,113totZ

V 17101170001,1091

6,10971

1

11 m

tot

Cm e

Z

ZV

V 143151700,1

4,8413

13

1313 m

tot

Cm e

Z

ZV

tegangan maksimum pada kabel

impedansi total sumber dan kabel


Nilai puncak V1m dan V13m terjadi pada waktu yang sama yaitu pada seperempat perioda, karena pada harmonisa ke-13 ada 13 gelombang penuh dalam satu perioda fundamental atau 6,5 perioda dalam setengah perioda fundamental. Jadi tegangan maksimum yang diterima kabel adalah jumlah tegangan maksimum fundamental dan tegangan maksimum harmonisa ke-13

-1

-0.5

0

0.5

1

0 1 2 3 4

kV 31,4 V 314161431517101131 mmm VVV

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 0.005 0.01 0.015 0.02

[kV]

v1

v1+v13

[detik]


Partial Discharge

Contoh-10. memberikan ilustrasi bahwa adanya hamonisa dapat menyebabkan tegangan maksimum pada suatu piranti jauh

melebihi tegangan fundamentalnya.

Tegangan lebih yang diakibatkan oleh adanya harmonisa bisa menyebabkan terjadinya partial discharge pada piranti, walaupun

sistem bekerja normal, dalam arti tidak ada gangguan

Akibatnya adalah umur piranti akan menjadi lebih pendek dari yang diperkirakan sebelumnya, yang akan menimbulkan

kerugtian besar secara finansial.


Dampak Harmonisa, kWh-meter

kWh-meter Elektromekanik

piringan Al

S1 S1S2

S2

Kumparan tegangan S1 dihubungkan pada tegangan sumber sementara kumparan arus S2 dialiri arus beban

Masing-masing kumparan menimbulkan fluksi magnetik bolak-balik yang menginduksikan arus bolak-balik di piringan aluminium

Interaksi arus induksi dan fluksi magnetik menimbulkan momen putar pada piringan

sinive kfM

Harmonisa di kumparan arus, akan muncul juga pada i

Frekuensi harmonisa sulit untuk direspons oleh kWh meter tipe induksi. Pertama karena kelembaman sistem yang berputar, dan kedua karena kWh-meter ditera pada frekuensi f dari komponen fundamental, misalnya 50 Hz. Dengan demikian penunjukkan alat ukur tidak mencakup kehadiran arus harmonisa.

Courseware

Analisis Harmonisa#4 Dampak Harmonisa

Sudaryatno Sudirham

analisis harmonisa dampak harmonisa

Documents