Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

Sekitar tahun 2000an,  harmonisa pada sistem tenaga listrik begitu menarik perhatian para pemerhati kelistrikan di Indonesia. Bahkan mendominasi penelitian-penelitian maupun seminar di banyak tempat. Termasuk juga menjadikannya bab baru dalam mata kuliah. Artikel ini hanya sekedar mencoba menjelaskan harmonisa secara singkat. 

Apa yang dimaksud dengan harmonisa?

Harmonisa adalah gelombang yang terdiri dari gelombang sinusoidal dengan beberapa frekuensi. Prinsip ini diambil dari transformasi Fourier yang dijelaskan pada rumus berikut:

Transformasi ini bisa menguraikan sebuah bentuk gelombang menjadi komponen-komponen DC, cosinus dan atau sinus dengan beberapa frekuensi berbeda.  Komponen DC diwakili (ao/2) dan n adalah harmonisa ke n. Oleh sebab itu, ada istilah harmonisa ke 3, ke 5 dan seterusnya yang menunjukkan frekuensi kelipatan 3, 5 dst dari frekuensi fundamental. Gambar dibawah ini menunjukkan bagaimana sebuah gelombang kotak bisa diurai menjadi beberapa gelombang sinus dengan beberapa frekuensi yaitu n=3,5 dan7.

Apabila harmonisa terdapat di sebuah sistem tenaga listrik, maka frekeuensi fundamentalnya adalah frekeunsi sistem tersebut mis 50Hz atau 60Hz. Harmonisa pada sistem tenaga listrik bisa dalam bentuk tegangan harmonisa atau arus harmonisa.

Apa penyebab munculnya harmonisa pada sistem tenaga listrik?

Penyebabnya adalah beban non linier, misal: A/VSD (Adjustable/Variable Speed Drives), SMPS(Switch Mode Power Supply) dll. Dalam bentuk riilnya, beban non linier adalah beban yang menggunakan komponen power electronics. Yang dimaksud dengan beban non linier adalah beban yang beraksi seperti impedansi yang berubah-ubah. Ada impedansi beban non linier yang berubah secara periodik seperti A/VSD, namun ada pula yang berubah secara non-periodik seperti arc furnace. 

Gambar di atas ini menunjukkan arus sebuah beban non  linier yang berubah ubah secara periodik dengan nilai  resistansi 10Ohm dan open circuit. Disampingnya menunjukkan arus beban linier dengan resistansi 10Ohm.  Tegangan sumber, Vs, berbentuk murni sinusoidal dengan frekuensi 50Hz. Arus beban non linier berbentuk sinusoidal pada periode sinus bernilai positif dan nol pada periode sinus negatif. Pada arus beban linier, selalu berbentuk sinus.  Hasil analisa dengan menggunakan transformasi fourier atau yang biasa disebut spectrum harmonisa ditunjukkan pada gambar di bawahnya. Spectrum berfungsi menunjukkan amplitude pada frekuensi yang dianalisa. Pada tegangan sumber dan arus beban linier nampak bahwa frekuensi hanya muncul pada 50Hz. Sedangkan pada arus beban non linier nampak ada komponen DC (frek=0Hz) dan beberapa komponen sinus/cosinus dengan nilai magnitude terbesar pada frekuensi fundamental (frek=50Hz). Pada prakteknya, beban non linier dengan bentuk arus seperti di atas bisa didapatkan pada half wave rectifier satu fasa.

Contoh lain bentuk arus non linier pada A/VSD (atau biasa disebut inverter drives) bisa dilihat pada gambar di bawah ini dengan spectrum harmonisanya. Spektrum harmonisa muncul pada n=5,7, 11, 13 dst atau secara umum 6x+1 dan 6x-1 (x =bil. asli).

Apa efek harmonisa pada sistem tenaga listrik?

Arus harmonisa bisa menyebabkan munculnya tegangan harmonisa pada sistem tenaga listrik. Hal ini karena arus harmonisa mengaliri impedansi pada sistem. Impedansi bisa berasal dari saluran, trafo dll. Efek negatif keberadaan arus harmonisa diantaranya:

- Gangguan pada kWh meter analog

- Meningkatnya rugi-rugi dan pemanasan abnormal pada trafo
- Meningkatnya rugi-rugi dan pemanasan abnormal pada motor
- Kemungkinan meledaknya kapasitor bank

- dll

Meskipun begitu efek ini tidak selalu muncul dan terjadi bila ada kondisi-kondisi lain yang mendukung. Oleh sebab itu keberadaan arus harmonisa tidak selalu disertai gangguan tersebut. Besarnya arus harmonisa pada sistem secara umum meningkatkan kemungkinan munculnya gangguan. Adanya arus harmonisa pada sistem tidak harus direduksi dengan memasang filter harmonisa. Pemasangan filter perlu ditinjau kemanfaatannya baik teknis maupun secara ekonomis.

Mudah-mudahan bermanfaat dan Selamat Bekerja!

Referensi:

- Surya Santoso, H. Wayne Beaty, Roger C. Dugan, and Mark F. McGranaghan,"Electrical Power Systems Quality," McGraw-Hill, 2002.