Apa itu Harmonisa listrik dan Bagaimana Mengidentifikasi Sumber Harmonisa dengan Hioki PQ3198

Apa itu Harmonisa Listrik dan Bagaimana Harmonisa tersebut dihasilkan?

Apa itu Harmonisa Listrik dan Bagaimana Harmonisa tersebut dihasilkan, adalah topik yang selalu menarik untuk dibahas. Untuk memahami konsep dasar harmonisa, kita mulai dulu dengan mengenal rangkaian listrik AC yang ideal. Pada rangkaian listrik ideal, gelombang tegangan (V) berbentuk sinusodial, demikian juga dengan arus (I). Pada rangkaian linier dimana beban/resistor yang dilalui arus listrik juga linier maka bentuk gelombang dari arus tersebut adalah sinusodial. Bentuk gelombang sinusoidal dari tegangan (V) dan arus (I) ini disebut gelombang fundamental (fundamental waveform). Gelombang fundamental ini disebut harmonisa orde 1 (satu) yang mempunyai frekuensi sama dengan supply listriknya. Frekuensi ini disebut frekuensi fundamental (frekuensi dasar), dan merupakan frekuensi terendah dari sistem kelistrikan tersebut. Pada dasarnya gelombang tegangan dan arus yang didistribusikan dari sumber (pembangkit) sebenarnya berbentuk sinusoidal murni.

Namun hampir sebagian besar beban-beban kelistrikan saat ini adalah Non-Linier. Sehingga karakteristik tegangan dan arus yang didistribusikan menjadi non-linier (mengalami distorsi). Dimana gelombang arus tidak sebanding dengan tegangan dan berfluktuasi dengan impedansi beban bolak balik. Bentuk gelombang yang dihasilkan tidak lagi sinusoidal karena gelombang tersebut telah memiliki frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamentalnya (frekuensi dasar). Fenomena ini disebut distorsi harmonisa. Bagaimana dengan urutan orde harmonisa? Jika frekuensi harmonisa ini adalah n kelipatan dari frekuensi dasar maka harmonisa listrik yang terjadi disebut juga harmonisa orde n (urutan ke n) dari frekuensi dasar. Sebagai contoh, untuk tegangan dengan frekuensi dasar 50Hz, maka frekuensi harmonisa listrik orde 2 (urutan kedua) adalah 2×50=100Hz, frekuensi harmonisa listrik orde 3 (urutan ketiga) adalah 3×50=150Hz, demikian seterusnya. Superimposisi dari bentuk gelombang dengan frekuensi berkelipatan dari frekuensi dasar inilah yang akan menghasilkan bentuk gelombang non-sinusoidal yang disebut harmonisa listrik. Lebih jelasnya silakan lihat Gambar 1.0 dibawah ini yang mengilustrasikan konsep harmonisa tegangan dengan frekuensi dasar 50Hz.

Gambar 1.0 Bentuk Gelombang Harmonisa Tegangan untuk Tegangan Dengan Frekuensi Dasar 50 Hz

Beban-beban Penghasil Harmonisa pada Sistem Tenaga Listrik

Beban non-linear adalah sumber penghasil harmonisa pada sistem tenaga listrik, dimana pada beban tersebut arus tidak proporsional perbandingannya dengan tegangan. Berikut contoh beban-beban non-linier:

IT Equipment Power Supply Unit (PSU) component (to convert from AC to DC)

Lighting with Power Factor Correction (PFC) Circuit (to increase energy efficiency)

Variable Frequency Drive (VFD) and Variable Speed Drive (VSD) (to control motor speed)

Efek yang diakibatkan oleh harmonisa

Pada Tabel 1.0 berikut menjelaskan beberapa efek akibat gangguan harmonisa pada berbagai peralatan.

Tabel 1.0 Efek Harmonik pada Berbagai Peralatan

Source: https://www.electricalindia.in/harmonics-causes-effect/

Secara umum efek yang mudah dikenali dari gangguan harmonisa ini adalah menurunkan Faktor Daya (Cos phi) pada sistem tenaga listrik. Power faktor merepresentasikan perbandingan daya aktif (Watt) dan daya semu (VA). Sehingga apabila power faktor nilainya jauh dibawah 1, maka bisa dipastikan sistem tenaga listrik tersebut mempunyai efisiensi yang rendah.

Pengukuran Harmonisa Listrik

Dalam pengukuran parameter harmonisa dikenal istilah Total Harmonic Distortion (THD) dan Total Demand Distortion (TDD). Apa perbedaan THD dan TDD? Pada Tabel 2.0 berikut dapat dilihat perbandingan kedua parameter tersebut dari aspek yang berbeda.

Items	Total Harmonics Distortion (THD)	Total Demand Distortion (TDD)
Indikasi Parameter	Nilai Persentase antara total komponen harmonisa baik tegangan maupun arus dengan komponen fundamentalnya	Nilai Persentase antara total komponen harmonisa baik tegangan maupun arus dengan nilai komponen tersebut pada beban maksimum di frekuensi fundamentalnya
Representasi
Indikasi Berdasarkan Nilai	Nilai yang lebih tinggi, mengindikasikan sistem tersebut mempunyai power faktor yang rendah, arus puncak menjadi lebih tinggi, biaya tinggi (tidak efisien)	Nilai yang lebih tinggi mengindikasikan dampak distorsi harmonisa pada keseluruhan sistem juga lebih tinggi
Batasan Standard	IEC 61000-3-2	IEEE 519

Table 2.0 Perbandingan THD and TDD

Untuk arus, TDD arus memberikan gambaran yang lebih jelas tentang dampak distorsi harmonisa pada sistem tenaga listrik. Misalnya jika nilai THD arus bisa jadi sangat tinggi tetapi jika kondisi beban rendah, maka dampak harmonisa pada sistem juga rendah (TDD rendah). Untuk tegangan, nilai THD tegangan masih menjadi parameter yang sering dipakai dan menjadi acuan untuk menggambarkan distorsi harmonisa tegangan pada sebagian besar aplikasi power quality.

Hioki PQ3198 untuk Pengukuran dan Identifikasi Sumber Harmonisa Listrik

Sebelum melakukan pengukuran harus dipastikan urutan fasa koneksi tegangan dan arus pada alat sudah benar. Hioki PQ3198 memiliki fitur display diagram vektor V dan I yang simple, display ini akan menunjukkan apakah urutan fasanya sudah benar. Bentuk tampilannya ibarat ‘needle-and-box’, jarum dan bar dengan kode warna. Apabila koneksi benar urutan fasanya, maka display jarum akan akan mengarah ke warna bar yang sama. Lebih jelasnya silakan lihat Gambar 2.0 berikut:

Gambar 2.0 Tampilan diagram vektor pada PQ3198 untuk verifikasi koneksi

Pada pengukuran harmonisa, alat ukur Power Quality PQ3198 juga membantu memastikan jenis beban yang akan diukur, apakah beban induktif atau kapasitif. Dengan cara menunjukkan tanda pada nila faktor daya (PF), apakah positif atau negatif. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.0 di bawah ini.

Gambar 3.0 Tampilan nilai Faktor Daya pada PQ3198 untuk menentukan jenis beban

Beban induktif, ditunjukkan dengan nilai faktor daya (PF) positif (+). Seperti kita tahu, hal ini terjadi karena aliran arus tertahan sehingga gelombang arus bergeser secara horizontal dan tertinggal terhadap tegangan (lagging). Beban induktif secara umum adalah perangkat dengan gulungan kawat (coil) atau perangkat yang fungsikerjanya berdasarkan Prinsip Induksi Magnetik (Gambar 4.0); beban induktif mengkonsumsi daya aktif dan menghasilkan daya reaktif.

Gambar 4.0 Contoh Beban Induktif

Beban kapasitif, ditunjukkan oleh nilai faktor daya (PF) negatif (-). Kebalikan dari beban induktif, pada beban kapasitif gelombang tegangan yang tertahan, sehingga gelombang arus mendahului gelombang tegangan (leading). Sifat Beban kapasitif mampu menyerap dan menyimpan energi listrik dalam waktu sesaat (kapasitansi) (Gambar 5.0).

Gambar 4.0 Contoh Beban Kapasitif

Pengguna juga dapat memastikan arah aliran harmonisa listrik berdasarkan tanda polaritas pada nilai daya harmonik pada orde tertentu dan nilai sudut fasa harmonisanya. Gambar 6.0 menunjukkan contoh pengukuran dengan PQ3198 untuk kedua parameter, untuk harmonik orde ke-3

Gambar 6.0 Daya Harmonik (kiri) dan Sudut Fasa (kanan) untuk Harmonik Orde ke-3

Namun, semakin tinggi orde harmonisa maka nilai daya harmoniknya akan menurun menjadi sangat kecil, sehingga sulit untuk menilai polaritasnya. Nah pada kondisi seperti ini nilai sudut fasa harmonik bertindak sebagai parameter kedua sebagai acuan menentukan arah aliran harmonik (Gambar 7.0).

Gambar 7.0 Daya Harmonik (kiri) dan Sudut Fasa (kanan) untuk Harmonik Orde ke-11

Tabel 3.0 berikut ini menyimpulkan metode untuk menentukan arah aliran harmonisa listrik berdasarkan tanda polaritas dari nilai daya harmonik dan nilai sudut fasa.

Tabel 3.0 Daya Harmonik dan Sudut Fasa untuk Menentukan Arah Aliran Harmonisa

Nilai THD dan TDD dapat diukur menggunakan PQ3198. Nilai-nilai ini kemudian dapat dianalisis dan ditampilkan menggunakan software PQ One (Gambar 8.0).

Gambar 8.0 Analisis THD dan TDD menggunakan Software PQ One

Pada PQ3198 ada fitur tambahan untuk melihat vektor harmonisa masing-masing orde dalam tampilan linier dan logaritmik. Fitur ini sangat berguna ketika kita ingin melihat nilai vektor untuk sudut fasa yang kecil. (Gambar 9.0).

Gambar 9.0 Tampilan Vektor Harmonik Linier (kiri) dan Logaritmik (kanan)

Fitur unggulan lainnya dari Power Quality Analyzer PQ3198 untuk pengukuran harmonisa yaitu:

• Metode pengukuran alat sudah sesuai standar IEC 61000-4-30 Ed. 3 Class A standard
• Auto-recovery mode. Apabila terjadi padam listrik saat recording pengukuran kemudian power supply alat akan shut down, alat ukur kemudian memakai sumber energi dari baterai yang terpasang dialat. Apabila baterai habis dan alat ukur PQ3198 shut down, kita tidak perlu mengulangi recording dari awal. Karena begitu listrik menyala kembali, PQ3198 akan restart dan secara otomatis alat ukur tersebut akan melanjutkan recording pengukuran kembali. Data pengukuran akibat proses ini juga tetap tersimpan dengan aman. PQ3198 memudahkan kita untuk melakukan recording data pengukuran yang berkelanjutan dengan aman dan akurat.

• Built in HTTP server function. Fitur ini memungkinkan pengguna untuk memeriksa hasil pengukuran dan mengkonfigurasi alat melalui browser pada laptop/pc. (harus dilakukan konfigurasi ip terlebih dahulu melalui koneksi LAN)
• Built in FTP function. Fitur ini memungkinkan pengguna untuk mengambil data pengukuran kapan saja dan dimana saja secara remote. Bisa melaluli jaringan LAN maupun internet melalui router yang sudah terkoneksi dengan PQ3198
• Pengguna juga bisa melakukan remote monitoring & logging dengan integrasi menggunakan freeware Hioki Gennect One. Gennect One sendiri bisa meremote beberapa alat ukur dalam satu frame (max. 15 alat ukur Hioki) mampu menampilkan sampai dengan 512 parameter dan juga stand-alone BMS function. Note: Hanya untuk alat ukur yang kompatible dengan aplikasi Gennect One.

Bagaimanapun, harmonisa adalah parameter yang dapat diukur. Untuk itu distorsi harmonisa juga dapat dikontrol menggunakan beberapa metode dasar sebagai berikut:

• Mengurangi arus harmonisa pada beban dengan menambahkan line reaktor atau transformator secara seri
• Menambahkan filter untuk menyerap atau memblokir arus harmonisa dari sistem, misalnya fliter shunt yang bekerja untuk hubung singkat arus harmonisa sedekat mungkin dengan sumber dan filter harmonik aktif yang secara elektronik mengkompensasi komponen harmonisa ke beban non-linier
• Memodifikasi respon frekuensi sistem terhadap harmonik, misalnya dengan mengubah ukuran kapasitor, memindahkan atau melepas kapasitor, dan menambahkan detune reactor pada sistem

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa pengukuran harmonisa listrik sangat penting karena berdampak pada efisiensi daya, fungsionalitas, dan masa pakai peralatan; sumber harmonik perlu diidentifikasi dan dikendalikan sebelum membahayakan peralatan. Hioki PQ3198 dilengkapi dengan beberapa fitur yang memungkinkan pengukuran harmonisa secara yang benar dan sangat berguna untuk identifikasi sumber harmonisa pada sistem kelistrikan di tempat Anda. Ingin berdiskusi lebih lanjut tentang aplikasi PQ3198 untuk pengukuran harmonisa, silakan HUBUNGI KAMI, dengan senang hati Team Hioki Indonesia akan membantu Anda.

Download Catalog HIOKI Power Quality Analyzer Series – PDF

Referensi:
1. https://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/harmonics.html
2. https://www.riello-ups.co.uk/questions/39-what-s-the-difference-between-linear-and-non-linear-loads
3. https://www.mtecorp.com/blog/2018/04/09/effects-of-harmonics-in-power-system/
4. http://www.elnet.cc/thd-and-tdd/
5. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/the-importance-of-total-harmonic-distortion/
6. https://corpwebstorage.blob.core.windows.net/media/36814/understanding-current-voltage-harmonics.pdf
7. https://www.ecmweb.com/design/article/20890327/understanding-harmonic-indices
8. https://diary-of-electric.blogspot.com/2020/02/explanations-about-resistive-inductive-and-capacitive-loads.html
9. https://electrical-engineering-portal.com/principles-for-controlling-harmonics