Analisis Harmonik Pada Lampu Hemat Energi Abdul Azim, Amien Rahardjo Fakultas Teknik, Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia e-mail:
[email protected] ,
Abstrak Program Lampu Hemat Energi (LHE) yang dikampanyekan PLN ke rumah tangga kecil memberikan keuntungan dari sisi hemat energi, akan tetapi hal ini juga memiliki kerugian yaitu dari sisi harmonik yang ditimbulkannya. Karakteristik harmonik LHE dapat dilihat dari pengukuran THD (Total Harmonic Distortion) tegangan dan THD arus. Dari hasil pengukuran diperoleh harmonik tegangan dan arus pada LHE adalah harmonik orde ganjil dengan harmonik tegangan terbesar pada orde ke_5 dan harmonik arus terbesar pada orde ke_3. Dari hasil perhitungan juga diperoleh bahwa harmonik pada LHE memiliki pengaruh yang buruk yaitu menurunkan nilai PF.
Abstract Energy Saving Lamp program announced by PLN to small residential customers gives advantage on energy saving side, but it has disadvantage on the harmonic produced. Harmonic characteristic of Energy Saving Lamp can be seen from THD (Total Harmonic Distortion) measurement of it’s voltage and current. Measurement results shows the voltage and current harmonic of Energy Saving Lamp are odd order harmonics. The voltage is predominantly fifth harmonic but the current is predominantly third harmonic. The harmonic produced has a significant negative effect on power factor. It decreases true power factor.
1. Pendahuluan Program Lampu Hemat Energi (LHE) yang disosialisasikan PLN ke rumah tanggga kecil adalah untuk menekan kenaikan beban yang dipikul oleh jaringan distribusi terutama untuk beban penerangan. Program ini mensosialisasikan penggantian Lampu Pijar dengan Lampu Hemat Energi (LHE). Tujuan program ini adalah untuk mengalihkan beban (load shifting), mengurangi beban puncak (peak clipping), dan penghematan tenaga listrik (conservation)[1]. Bagi PLN penghematan sebesar ini sangat besar dampaknya karena berarti bisa menghemat investasi di sisi pembangkitan. Di sisi lain, konsumen juga akan diuntungkan karena rekening listriknya akan turun[2]. Selain keuntungan dari sisi hemat energi, Lampu Hemat Energi ini memiliki kerugian yaitu dari sisi harmonik yang ditimbulkannya. Masalah harmonik ini perlu dikaji karena Lampu Hemat Energi ini adalah salah satu sumber harmonik terbesar yang dapat
menimbulkan gangguan baik pada sistem kelistrikan maupun pada sistem telekomunikasi. 2. Distorsi Harmonik Cacat atau distorsi harmonik disebabkan oleh peralatan yang tidak linier pada sistem tenaga listrik. Ketidaklinieran ini yaitu arusnya tidak sebanding dengan tegangan yang diberikan. Beban nonlinier merupakan sumber arus harmonik yang dapat dimodelkan dengan sumber arus yang terpasang paralel. Arus harmonik mengalir melalui impedansi sistem dan menyebabkan terjadi drop tegangan untuk tiap harmonik. Hal ini menghasilkan tegangan harmonik di beban. Besar distorsi tegangan tergantung pada impedansi dan arus[3]. Arus beban nonlinier mengalir terjadi karena kebanyakan peralatan-peralatan elektronika modern membutuhkan tenaga arus searah (DC) untuk operasinya. Karena tegangan yang disuplai ke pelangan adalah arus bolak-balik (AC), maka
peralatan –pealatan elektronik ini harus mengubah tegangan ini ke DC. Proses pengubahan ini disebut konversi dan peralatannya disebut konverter[4] 3. THD (Total Harmonic Distortion ) Untuk mengukur nilai efektif dari komponen-komponen harmonik dari gelombang cacat (terdistorsi) digunakan besaran THD (Total Harmonic Distortion) yaitu perbandingan antara nilai rms komponen harmonik sebuah besaran (arus atau tegangan) terhadap nilai rms arus atau tegangan tersebut pada frekuensi dasarnya misalkan untuk arus harmonik nilai THD nya :
THD =
I 2 2 + I 2 3 ............. + I 2n I1
.....(2.1)
dengan In adalah nilai arus rms harmonik ke_n atau I n =
I nm
.[3].
2
THD arus bervariasi dari beberapa persen sampai lebih dari 100%.THD tegangan biasanya lebih kecil dari 5%. Dibawah 5% umumnya dapat diterima tetapi jika diatas 10% maka ini tidak dapat diterima dan akan mengakibatkan masalah untuk beban-beban dan peralatan yang sensitif[5]. Tabel 1 berikut adalah standar IEEE 519-1992 untuk harmonik tegangan :
rugi-rugi daya yang berakibat negatif pada sistem tenaga listrik. Faktor daya dari sistem didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dengan daya kompleknya (persamaan 2.2):
Pav g
p f tru e =
S
=
Pavg
.........(2.2)
Vrm s I rm s
Ada 3 jenis faktor daya pada sistem tenaga listrik yaitu : 1. Faktor daya displacement (pfdisp) adalah perbandingan antara daya aktif dan daya kompleks pada kondisi normal. Atau dapat dikatakan bahwa faktor daya displacement adalah selisih sudut antara arus dan tegangan pada kondisi normal . 2. Faktor daya distorsi (pfdist) adalah faktor daya yang terjadi akibat adanya distorsi tegangan dan distorsi arus pada kondisi harmonik. 3. Faktor daya sebenarnya (pftrue) adalah perbandingan antara daya aktif dan daya kompleks. Pada kondisi sistem dengan beban linier hanya ada satu faktor daya karena faktor daya sebenarnya sama dengan faktor daya displacement. Ketika beban non linier terdapat pada sistem tenaga listrik maka akan timbul arus dan tegangan harmonik: ¥
∑
v(t) =
Vk sin(kω 0t + δ k )........(2.3)
Tabel 1 .Batasan harmonik tegangan untuk beban nonlinier Bus voltage at Individual Total voltage PCC voltage distortion distortion THD (%) (%) ≤ 69 kV 3.0 5.0
dengan nilai RMS:
69kV
1.5
2.5
Vrms = V1rms 1 + (THD V 100) .........(2.5)
>161 kV
1.0
1.5
I rms = I1rms 1 + ( THDI 100 ) .........(2.6)
Sumber:[6] 4. Harmonik dan Faktor Daya[7] Tegangan dan arus harmonik yang diakibatkan oleh beban non-linier meningkatkan
k =1 ¥
∑
i(t) =
I sin(kω 0 t + θ k )......... (2.4)
k
k =1
2
2
Sehingga akan diperoleh persamaan umum faktor daya sebenarnya (pftrue) baik untuk kondisi sinusoidal maupun nonsinusoidal yaitu:
Pavg x ftrue = V1rms I1rms
p
(
1+ THDV /100
)
2 1 2
(
)
1+ THDI /100
2
....(2.7)
Dengan membuat asumsi sebagai berikut: 1. Dalam banyak kasus pengaruh harmonik terhadap daya rata-rata tidak terlalu besar. Oleh karena itu Pavg ≈ P1avg. 2. Oleh karena distorsi tegangan biasanya tidak melebihi 10% maka dari persamaan 2.5 bisa didapatkan Vrms ≈ V1rms. Akan didapatkan persamaan untuk faktor daya sebenarnya (pftrue) untuk kondisi sinusoidal maupun tidak.
pftrue ≈
Pavg1 V1rms I1rms
x
karakteristik harmonik ketika di pasang paralel. Mengukur harmonik pada lampu pijar 100 Watt, hal ini untuk melihat perbandingan harmoniknya terhadap Lampu Hemat Energi.
Rangkain uji pada proses pengukuran harmonik ini ditunjukkan pada gambar 1 berikut:
HIOKI
1 1 + ( THDI 100 )
2
≈ pfdisp x pfdist ......................(2.8)
SUMBER TEGANGAN
LHE
Gambar .1 Rangkain pengukuran harmonik 5. Metode Pengujian Pada pengukuran harmonik ini diambil 10 buah sampel Lampu Hemat Energi dari beberapa produsen LHE dengan besar Watt yang seragam yaitu 5 Watt dengan harga sebagai variabel pembanding. Pengukuran harmoniknya menggunakan HIOKI 3169-20 POWER TESTER. Data yang diukur adalah tegangan (volt), arus (amper), daya aktif (watt), daya reaktif (var), daya semu (VA), faktor daya (PF), THD tegangan (%) dan THD arus (%), spektrum harmonik serta bentuk gelombang tegangan dan arusnya. Tiap pengukuran dilakukan selama 1 menit dimulai saat lampu mulai dinyalakan. Semua data hasil pengukuran disimpan di PC Card. Ada 2 pengukuran yang dilakukan yaitu: 1 Mengukur harmonik pada tiap LHE dan pada semua LHE yang dipasang paralel. Pengukuran ini untuk mengetahui karakteristik harmonik tiap LHE dan
Data hasil pengukuran untuk tiap LHE, untuk semua LHE dipasang paralel dan lampu pijar ditunjukkan pada tabel 2 berikut: Tabel 2 Hasil pengukuran harmonik LHE dan lampu pijar Lampu
S P Q (VA) (WATT) (VAR)
PF
THD Tegangan
THD Arus
(%)
(%)
LHE A
6.2
-5.4
3.1
0.8695
1.65
66.8
LHE B
7.7
-6.6
4
0.859
1.6
62.31
LHE C
5.4
-4.8
2.3
0.9
1.61
70.82
LHE D
6.7
-5.8
3.4
0.8636
1.59
64.64
LHE E
5
-4.5
2.3
0.8941
1.62
69.53
LHE F
5.5
-4.9
2.5
0.888
1.72
69.6
LHE G
5.7
-5.3
2.1
0.9313
1.69
77.9
LHE H
4.9
-4.6
1.6
0.9428
1.72
78.31
LHE I
5.1
-4.6
2.3
0.8931
1.62
71.07
LHE J
5.1
-4.6
2.2
0.901
1.53
72.54
LHE PARALEL 59.7 PIJAR
88
-53.2 -88
27.1 0.8908
1.6
64.83
1.6
2.64
2.36
0.9998
6. Perhitungan dan Analisis 6.1 Spektrum Tegangan Dari hasil pengukuran diperoleh spektrum harmonik tegangan yang hampir sama untuk semua LHE seperti diperlihatkan pada grafik spektrum harmonik tegangan untuk LHE A, B dan C . Dari hasil pengukuran diperoleh bahwa harmonik tegangan pada LHE terjadi pada orde ganjil dan harmonik tegangan yang terbesar adalah pada orde ke_5 yaitu 5 x 50 Hz = 250 Hz dengan rata-rata persentase tegangan harmonik pada frekuensi ini sebesar 1.266 %.
Gambar 4 Spektrum harmonik tegangan LHE C Untuk semua LHE yang diparalel grafik harmonik tegangannya ditunjukkan pada gambar 5 berikut:
Gambar 5. Spektrum harmonik tegangan10 LHE yang diparalel
Gambar 2 Spektrum harmonik tegangan LHE A
Gambar 3 Spektrum harmonik tegangan LHE B
Dari grafik harmoik tegangan untuk LHE yang diparalel di atas juga terlihat frekuensi harmonik tegangan yang terbesar adalah pada orde ke_5 yaitu 5 x 50 Hz = 250 Hz dengan persentase tegangan harmonik pada frekuensi orde ke _5 ini sebesar 1.25 %. Dari kedua nilai persentase tegangan harmonik pada frekuensi orde ke _5 ini (1.266 % dan 1.25 %) terlihat perbedaannya hanya sebesar 0.016 %. Hal ini dikarenakan semua LHE disusun paralel dengan sumber sehingga tegangannya hampir sama dengan tegangan sumber. Jadi jumlah lampu sangat kecil pengaruhnya terhadap kenaikan persentase tegangan harmonik di sumber Jika dibandingkan dengan standar IEEE 519-1992 dimana batas maksimum tegangan harmonik untuk tegangan dibawah 69 KV adalah 3 % maka dari semua grafik harmonik
tegangan LHE di atas terlihat tegangan harmonik terbesar pada orde ke_5 masih dibawah batas standar IEEE. Jadi penggunaan LHE pada konsumen listrik masih dalam batas aman untuk sistem tenaga listrik. Untuk lampu pijar spektrum harmonik tegangannya ditunjukkan pada gambar 6 berikut:
Gambar 7. Spektrum harmonik arus LHE A
Gambar 6 Spektrum harmonik tegangan lampu pijar Dari spektrum harmonik tegangan lampu pijar ini terlihat frekuensi harmonik tegangan yang terbesar adalah pada orde ke_3 yaitu 3 x 50 Hz = 150 Hz. Jika dibandingkan antara grafik harmonik tegangan LHE dengan lampu pijar terlihat kedua jenis lampu ini memiliki harmonik tegangan yang sangat kecil .
Gambar 8. Spektrum harmonik arus LHE B
6.2 Spektrum Arus Untuk spektrum harmonik arus dari hasil pengukuran diperoleh spektrum harmonik arus yang hampir sama untuk semua LHE seperti diperlihatkan pada grafik spektrum harmonik arus untuk LHE A, B dan C. Dari semua grafik harmonik arus ini terlihat harmonik juga terjadi pada orde ganjil dan harmonik arus yang terbesar adalah pada orde ke_3 yaitu 3 x 50 Hz = 150 Hz dengan rata-rata persentase arus harmonik dari 10 LHE pada frekuensi orde ke _3 ini adalah 72.55%.
Gambar 9. Spektrum harmonik arus LHE C
Untuk semua LHE yang diparalel grafik harmonik arusnya ditunjukkan pada gambar 10 berikut:
Gambar 10. Spektrum harmonik arus untuk 10 LHE yang diparalel Dari grafik harmonik arus untuk 10 LHE yang diparalel di atas terlihat pula frekuensi harmonik arus yang terbesar adalah pada orde ke_3 yaitu 3 x 50 Hz = 150 Hz dengan persentase arus harmonik pada frekuensi orde ke _3 ini sebesar 70.23 %. Dari kedua nilai persentase arus harmonik pada frekuensi orde ke _3 ini (72.55 % dan 70.23 %) terlihat perbedaannya sebesar 2.32 %. Hal ini dikarenakan tiap lampu mesuplai arus harmonik ke sumber. Jadi jumlah lampu mempengaruhi kenaikan persentase arus harmonik di sumber. Dari spektrum harmonik arus LHE diatas yang perlu sangat diperhatikan adalah persentase harmonik kelipatan ganjil orde 3 (triplen harmonic) yaitu orde 3, 9, 15, 21 dan seterusnya. Contohnya adalah triplen orde ke_3, arus harmonik orde ini dapat mengalir di kawat netral untuk sistem bintang yang ditanahkan dengan besar hampir 3 kali arus orde ke tiga dari arus kawat fasanya (untuk sistem seimbang) sehingga kawat mengalami pemanasan berlebih (overload). Untuk lampu pijar spektrum harmonik arusnya ditunjukkan pada gambar 11. Dari spektrum harmonik arus lampu pijar ini terlihat frekuensi harmonik arus yang terbesar adalah pada orde ke_5 yaitu 5 x 50 Hz = 250 Hz. Jika dibandingkan antara grafik harmonik arus LHE dengan lampu pijar terlihat jelas lampu pijar
memiliki harmonik yang sangat dibandingkan harmonik pada LHE.
kecil
Gambar 11. Spektrum harmonik arus untuk lampu pijar 6.3 Pengaruh Harmonik Terhadap Faktor Daya Untuk melihat perbedaan antara Faktor daya sebenarnya (PFtrue), Faktor daya distorsi (PFdist) dan Faktor daya displacement (PFdisp) dari setiap LHE dan lampu pijar dapat dihitung menggunakan persamaan 2.8 yaitu:
pftrue ≈
Pavg1 V1rmsI1rms
x
1 1 + ( THDI 100 )
2
≈ pfdisp x pfdist ......................(2. 8) Berdasarkan data hasil pengukuran diperoleh nilai daya rata-rata (Pavg) untuk setiap LHE mendekati daya rata-ratanya pada frekuensi dasar (P1avg ) dan nilai THD tegangan setiap LHE masih dibawah 2% sehingga persamaan 2.8 di atas dapat digunakan untuk perhitungan nilai PF. Pada persamaan 2.8 di atas nilai P avg1, V1rms, I1rms, dan THDI diperoleh dari data pengukuran. Dari data ini dapat dihitung Faktor daya distorsi (PFdist), Faktor daya displacement (PFdisp) dan Faktor daya sebenarnya (PFtrue). Grafik perbandingan PF pengukuran dengan PF displacement diperlihatkan pada grafik 12 berikut:
1.2
1.05
1
1
0.8 PF
0.9
0.4
0.85
0.2
0.8
pa ra le l PI JA R
I
LH E
J
H
F
G
E
D
Lampu
Gambar 13. Grafik perbandingan PF true (PF sebenarnya) dengan PF displacement. Dari grafik 13 diatas terlihat nilai PF displacement lebih besar dibandingkan dengan PF true (PF sebenarnya) untuk setiap LHE dan LHE yang diparalel. Grafik ini menunjukkan bahwa nilai PF yang sebenarnya untuk semua LHE adalah dibawah 0.8 (sekitar 0.73). Dari sini dapat disimpulkan bahwa harmonik memiliki pengaruh yang jelek yaitu menurunkan nilai PF. Nilai PF yang sebenarnya sekitar 0.73 ini menunjukan hanya sekitar 73 % energi yang diubah menjadi cahaya. Untuk lampu pijar nilai PF sebenarnya (PF true) dengan PF pada frekuensi dasar (PF displacement) nya terlihat sama. Hal ini disebabkan beban linier nilai THD arusnya mendekati nol sehingga PF distorsinya bernilai satu dan dari persamaan 2.8 didapatkan nilai PF true_nya akan sama dengan PF displacement. Perbandingan PF sebenarnya (PF true) dengan PF distorsi dapat dilihat pada grafik 14 berikut:
PIJAR
J
I
H
G
F
D
E
Lampu
LHE paralel
PFdist PFtrue
C
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 A
PF
Dari grafik 12 di atas terlihat nilai PF pengukuran hampir sama dengan PF displacement. Hal ini menunjukkan bahwa nilai PF yang diukur menggunakan HIOKI 3169-20 POWER TESTER adalah nilai PF displacement yang bukan nilai PF yang sebenarnya (hanya PF pada frekuensi dasar (50 HZ)). Dari grafik 12 di atas juga terlihat tiap LHE memiliki nilai PF yang berbeda. Sampel LHE yang diambil untuk pengukuran ini adalah berdasarkan harga dari yang murah (LHE A) sampai yang mahal (LHE J). Dari sini dapat dilihat bahwa harga tidak memiliki hubungan terhadap nilai PF dan tiap produsen LHE memiliki standar nilai PF yang berbeda, hampir semuanya memiliki nilai PF diatas 0.85 baik PF pengukuran maupun PF displacement. Dari grafik 12 juga terlihat lampu pijar memiliki PF pengukuran dan PF displacement sama dengan 1 hal ini sesuai dengan jenis beban dari lampu pijar ini yaitu mendekati resistif murni sehingga tegangan dan arusnya sefasa. Pada kondisi sinusoidal faktor daya berhubungan dengan daya reaktif. Faktor daya mendekati satu maka daya reaktif yang dikonsumsi beban mendekati nol artinya beban hanya menyerap daya aktif saja. Untuk membandingkan PF sebenarnya (PF true) dengan PF pada frekuensi dasar (PF displacement) dapat dilihat pada grafik 13 berikut:
C
A
PFdisp PFtrue
Lam pu
Gambar 12. Grafik perbandingan PF hasil pengukuran dengan PF displacement.
B
0
0.75 PFpengukuran PFdisp
0.6
B
PF
0.95
Gambar 14. Grafik perbandingan PF distorsi dengan PF true (PF sebenarnya)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
A B C D E F G LH H E pa I PIraleJ JA l R
PF
1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75
THD I
Pada grafik 14 di atas terlihat nilai PF sebenarnya (PF true) lebih kecil dibandingkan PF distorsi untuk setiap LHE begitu pula untuk semua LHE yang diparalel. Untuk memperbaiki faktor daya sebenarnya ini tidak bisa hanya dengan memasang kapasitor pada rangkaian ballastnya seperti menggunakan PFC (Power Factor Correction). Hanya faktor daya pada frekuensi dasar (PF displacement ) yang dapat dikompensasi dengan pemasangan kapasitor. Untuk mengkompensasi faktor daya sebenarnya (PF true), maka faktor daya distorsi harus dikompensasi terlebih dahulu. Untuk mengkompensasi faktor daya distorsi harus menggunakan filter baik aktif maupun pasif sehingga dapat dihasilkan faktor daya distorsi yang mendekati 1. Dari grafik 14 juga terlihat untuk lampu pijar PF distorsi dengan PF true (PF sebenarnya) sama dengan 1 hal ini karena nilai THD arus hasil pengukuran lampu pijar ini sangat kecil (hanya 2.36 %). Untuk melihat hubungan THD arus terhadap PF pengukuran dapat dilihat pada grafik 15 berikut:
Lampu
PFpengukuran THD I
Gambar 15. Grafik THD arus terhadap PF pengukuran Dari grafik 15 di atas terlihat LHE yang memiliki THD arus yang besar nilai PF hasil pengukurannya juga besar dan sebaliknya LHE yang memiliki THD arus yang kecil nilai PF hasil pengukurannya juga kecil. Hal ini sesuai dengan persamaan 2.8 dengan asumsi PF true (PF sebenarnya) seragam untuk semua LHE yaitu 0.73 dan PF displacement nya adalah PF pengukuran maka PF pengukuran akan
sebanding dengan akar dari THD arus yang dikuadratkan. Dari grafik 15 juga terlihat untuk lampu pijar nilai PF pengukurannya mendekati satu dengan THD arusnya mendekati nol. Hal ini karena lampu pijar ini adalah beban linier sehingga harmoniknya hamper tidak ada dan karena lampu pijar ini hamper resistif murni maka PF_nya mendekati satu. 7. Kesimpulan Harmonik tegangan pada LHE didominasi oleh harmonik orde ganjil dengan harmonik tegangan yang terbesar adalah pada orde ke_5 yaitu 5 x 50 Hz = 250 Hz. Rata-rata harmonik tegangan pada frekuensi ini sebesar 1.266 % dan masih dibawah batas maksimum standar IEEE 519-1992 (3% untuk tegangan dibawah 69 KV). Harmonik arus pada LHE juga didominasi oleh harmonik orde ganjil dengan harmonik arus yang terbesar adalah pada orde ke_3 yaitu 3 x 50 Hz = 150 Hz. Rata-rata harmonik arus pada frekuensi ini sebesar 72.55 % Harmonik pada LHE memiliki pengaruh yang buruk yaitu menurunkan nilai PF. Selain itu nilai PF sebenarnya (PF true) pada LHE lebih kecil dibandingkan PF distorsinya. Daftar Acuan [1] ”Lampu Hemat Energi Menghemat Tenaga Listrik”. Diakses 20 September 2007, dari Kompas.
http://kompas.com/kompas-cetak/0307/28/metro /456061.htm [2] A Susana Kurniasih. “Kampanye Hemat Energi, Efektifkah ?”. Diakses 20 September 2007, dari LIPI. http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&&7 [3] Roger C.Dugan, Mark F.McGranaghan , H.Wayne Beaty, Electrical Power System Quality (New York: McGraw-Hill,1996) , hal 127-130. [4] Coleman W. Smith, Jr, “Power systems & harmonic factors causes, effects and remedies”, IEEE
Potensials, 0278-6648/01, 2001/Januari 2002) ,hal 10.
(Desember
[5] W. Mack Grady, Surya Santoso, “Understanding Power System Harmonics”, IEEE Power Engineering Review, 0272-1724/01, ( November 2001), hal 8-10. [6] ”IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems” , IEEE 519-1992, (15 Juni 2004), hal 72,78. [7] W. Mack Grady, Robert J. Gilleskie, “Harmonics and how they relate to power factor”, Proc. of the EPRI Power Quality Issues & Opportunities Conference (PQA’93),( November 1993), hal 1-5.
