Harmonik pada Transformator

Keberadaan harmonik dalam sistem tenaga secara substansi telah menaikkan penggunaan alat pengontrol beban dan alat-alat penghasil frekuensi lainnya. Pertimbangan yang penting pada saat mengevaluasi pengaruh harmonik adalah adanya efek yang ditimbulkannya pada peralatan maupun pada beban system tenaga. Transformator adalah komponen utama dalam system tenaga. Losses yang naik dikarenakan adanya distorsi harmonik dapat menyebabkan kerguian pada belitan dan kenaikan temperatur yang tidak normal.

Standar-standar yang ada telah memberikan suatu prosedur untuk menentukan kapasitas dari suatu trafo guna melayani arus beban yang nonsinusiodal didasarkan pada asumsi-asumsi yang konservatif. Kerugian arus eddy ditimbulkan oleh adanya medan elektromagnetik dan diasumsikan dengan arus rms kuadrat dan kwadrat dari frekuensi (harmonic tingkat h). Pada dasarnya, berdasarkan pada efek kulit (skin effect), fluk elektromagnetik tidak menetrasi secara penuh pinggir belitan pada frekuensi yang tinggi. Sehingga, temperature diperkirakan akan naik pada arus beban harmonik yang konstan dan pada saat dilakukan pemeliharaan temperature rata-rata harian dan bulanan di trafo menjadi sangat penting adanya.


Beban non sinusoidal pada trafo

Harmonik dan distorsi pada bentuk gelombang arus dan tegangan system tenaga sudah lama ada sejak pertama keberadaan sitem tenaga AC. Dan pada saat sekarang, peralatan-peralatan yang menimbulkan harmonic telah berkembang dengan pesat baik dari segi kualitas maupun kuantitas. Peralatan ini banyak menggunakan dioda, silicon controlled rectifier (SCR), transistor dan lain-lain. Disamping keuntungan yang ada seperti efisiensi dan kemampuan kontrol yang tinggi, beban elektronik diperkirakan akan meningkat secara signifikan pada masa mendatang dan dapat mempengaruhi pada hampir semua tingkat tenaga mulai dari peralatan tegangan yang rendah sampai ke konverter tegangan tinggi. Salah satunya adalah kenaikan yang signifikan tingkat harmonic dan distorsi pada jaringan system tenaga. Trafo adalah komponen utama dalam system tenaga dan kenaikan distrosi harmonic dapat menyebabkan rugi-rugi pada belitan dan kenaikan temperatur yang tidak normal. Kenaikan rugi-rugi diasumsikan berubah-rubah sesuai dengan kuadrat dari frekuensi.

Prinsip Dasar Harmonik adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Pada dasarnya, harmonik adalah gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Hal ini disebut frekuensi harmonik yang timbul pada bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonik. Misalnya, frekuensi dasar/fundamental suatu sistem tenaga listrik adalah 60 Hz, maka harmonik keduanya adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 120 Hz, harmonik ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 180 Hz dan seterusnya. Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacad yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang hormoniknya.

Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedensi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi). Perbedaaan antara beban linear dan tidak linear dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2.

Beban non linier yang umumnya merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dari sumber tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semi konduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan bentuk gelombang ini tidak terkait dengan sumber tegangannya. Beberapa peralatan yang dapat menyebabkan timbulnya harmonik antara lain komputer, printer, lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast, kendali kecepatan motor, motor induksi, batere charger, proses eletroplating, dll. Peralatan ini dirancang untuk menggunakan arus listrik secara hemat dan efisien karena arus listrik hanya dapat melalui komponen semi konduktornya selama periode pengaturan yang telah ditentukan. Namun disisi lain hal ini akan menyebabkan gelombang mengalami gangguan gelombang arus dan tegangan yang pada akhirnya akan kembali ke bagian lain sistem tenaga listrik. Penomena ini akan menimbulkan gangguan beban tidak linier satu phase. Hal di atas banyak terjadi pada distribusi yang memasok pada areal perkantoran/komersial. Sedangkan pada areal perindustrian gangguan yang terjadi adalah beban non linier tiga phase yang disebabkan oleh motor listrik, kontrol kecepatan motor, batere charger, electroplating, dapur busur listrik, dll.

Setiap komponen sistem distribusi dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan akibat yang berbeda. Namun demikian komponen tersebut akan mengalami penurunan kinerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Salah satu dampak yang umum dari gangguan harmonik adalah panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik ketiga yang dibangkitkan oleh peralatan listrik satu phase. Pada keadaan normal, arus beban setiap phase dari beban linier yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengurangi sehingga arus netralnya menjadi nol. Sebaliknya beban tidak linier satu phase akan menimbulkan harmonik kelipatan tiga ganjil yang disebut triplen harmonik (harmonik ke-3, ke-9, ke-15 dan seterusnya) yang sering disebut zero sequence harmonik. Harmonik ini tidak menghilangkan arus netral tetapi dapat menghasilkan arus netral yang lebih tinggi dari arus phase.

Seperti terlihat pada tabel 1, Harmonik pertama urutan polaritasnya adalah positif, harmonik kedua urutan polaritasnya adalah negatif dan harmonik ketiga urutan polaritasnya adalah nol, harmonik keempat adalah positif (berulang berurutan sampai seterusnya).

Akibat Polaritas dari Komponen Harmonik :

Urutan


Pengaruh pada Motor


Pengaruh pada sistem distribusi

Positif


Menimbulkan medan magnet
putar arah majau (forward)


- Panas

Negatif


Menimbulkan medan magnet
putar arah mundur (reverse)


- Panas
- Arah putaran motor berubah

Nol


Tidak ada


- Panas
- Menimbulkan/menambah arus
pada kawat netral

Akibat yang dapat ditimbulkan oleh urutan polaritas komponen harmonik antara lain tingginya arus netral pada sistem 3 phase 4 kawat (sisi sekunder transformator) karena arus urutan nol (zero sequence) dan arus ini akan terinduksi ke sisi primer transformator dan akan berputar pada sisi primer transformator yang biasanya memiliki belitan delta (D). Hal ini akibat pada kawat netral tidak memiliki peralatan pemutus arus untuk proteksi tegangan atau arus lebih.

Pengaruh harmonic pada trafo

Secara tradisional, rugi-rugi trafo dibagi menjadi “no load losses” dan “load losses”

Sedangkan pengaruh dari harmonic terhadap rugi-rugi tersebut adalah :

* Pengaruh dari tegangan harmonik :

Sesuai dengan hukum Faraday, tegangan terminal menentukan tingkat flux dari trafo

Persamaan ini menunjukkan bahwa flux magnitude sebanding proporsional dengan tegangan harmonik dan berbanding terbalik dengan urutan dari harmonik. Dalam kebanyakan system tenaga, harmonic distorsi dari tegangan system THD adalah baik jika dibawah 5 % dan magnitude dari komponen tegangan harmonic lebih kecil dibandingkan dengan komponen fundamentalnya (berkisar pada level 2-3%). Ini ditentukan oleh impendasi internal yang rendah dari supply system yang membawa harmonik. Sehingga, no load losses tidak hanya dipengaruhi oleh komponen tegangan fundamental, tetapi juga oleh tagangan harmonik yang ada.

* Pengaruh dari Arus harmonik :

Dalam system tenaga, keberadaan arus harmonik lebih signifikan. Komponen arus harmonic dapat menyebabkan rugi-rugi dalam belitan dan bagian-bagian yang lain.

* Pdc Losses

Jika nilai rms dari arus beban naik yang disebabkan oleh adanya komponen harmonic, maka rugi-rugi tersebut akan naik sebanding dengan kuadrat dari arus.

* Rugi-rugi belitan Eddy

Secara konvensional, rugi-rugi arus eddy ditimbulkan oleh flux elektromagnetik yang diasumsikan berubah-ubah sesuai dengan kuadrat dari arus rms dan kuadrat dari frekuensi tingkatan harmonik.

Sesungguhnya, berdasarkan skin effect, flux elektromagnetik tidak secara total mempengaruhi rangkaian dalam belitan pada frekuensi yang tinggi.

Kenaikan dari rugi-rugi arus eddy dihasilkan oleh arus beban yang non sinusoidal dan dapat menyebabkan rugi belitan yang berlebih dan kenaikan temperature yang tidak normal. Karena itu pengaruh dari arus harmonik sangat penting, tidak hanya karena diasumsikan tingkatan dari kuadrat harmonik tetapi juga disebabkan oleh kehadiran arus harmonik yang relatif besar dalam system tenaga.

* Rugi-rugi lainnya

Rugi-rugi lainnya terjadi karena adanya stray flux sebagai akibat adanya losses di inti, clamps, tangki dan bagian besi lainnya. Stray losses akan menaikkan temperatur dari bagian-bagian struktural. Untuk trafo yang berisi minyak, stray losses diasumsikan dengan kuadrat dari arus rms dan frekuensi harmonik dengan power factor 0,8.

* Kenaikan temperatur

Semua pengaruh dari arus harmonic seperti yang telah dibicarakan diatas dapat menaikkan rugi pada trafo. Kenaikan rugi-rugi ini dikarenakan adanya kenaikan temperatur trafo dari nilai sinusiodalnya. Sehingga, kenaikan rugi-rugi yang disebabkan oleh spektrum arus harmonic harus dipikirkan.

Faktor rugi harmonik dapat digunakan untuk memprediksi rugi-rugi eddy. Ini sangat penting pada waktu perhitungan kenaikan temperatur, dimana faktornya dibatasi oleh beban trafo.

Faktor rugi-rugi harmonic adalah indicator kunci dari pengaruh arus harmonik pada rugi-rugi belitan eddy.