## Analisa Pemanfaatan Harmonisa Sebagai Sumber Energi Alternatif dengan Filter Pasif

## Muhammad Ridwan Arif Cahyono
Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Gajah Tunggal
* Corresponding author, e-mail: ridwan@poltek-gt.ac.id
Abstrak — Motor  induksi  3  fasa  biasanya  menggunakan  inverter  untuk  mengatur  kecepatannya.  Dalam inverter  terdapat  rangkaian  penyearah  gelombang  penuh  yang  menghasilkan  harmonisa.  Rangkaian penyearah  ini  umumnya  menggunakan  konverter  6  pulsa.  Untuk  mengurangi  harmonisa  tersebut,  maka dipasang filter. Pada makalah ini filter yang digunakan adalah filter LC untuk mereduksi harmonisa ke-5 dan harmonisa ke-7. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa pemanfaatan harmonisa tersebut sebagai sumber energi dengan cara mengganti komponen induktor (L) dari filter LC dengan sebuah transformator sehingga arus harmonisa akan menginduksi tegangan ke sisi sekunder transformator dan selanjutnya bisa dimanfaatkan  sebagai  sumber  daya.  Dari  hasil  simulasi  PSIM  dihasilkan  daya  keluaran  transformator sebesar  138  Watt.  Perbaikan  kualitas  daya  semula  0,955  naik  menjadi  0,967  dan  besar  THD  arus harmonisa turun dari 21,2% menjadi 7,1%.

## Kata Kunci : harmonisa, filter LC, Transformator and PSIM
Abstract — A  three  phase  induction  motor  usually  uses  an  inverter  to  adjust  the  speed.  In  the  inverter there  is  a  full  wave  rectifier  circuit  that  produces  harmonics.  This  rectifier  circuit  generally  uses  a  six pulse converter. A filter is installed to reduce the harmonics. In this paper, LC filter is used to reduce the 5th and 7th harmonics. This research aims to analyze utilization of the harmonic as a source of energy by replacing the  inductor (L) component of the filter with a transformer. Harmonic currents will induce the transformers  and  generate  voltage  on  secondary  side  which  can  be  use  as  source  of  power.  The simulation of PSIM results the generated output power of the transformer is 138 Watts. The power quality rise from 0.955 to 0.967 and the magnitude of THD drops from 21.2% to 7.1%.
Keywords : Harmonic, LC Filters, Transformer and PSIM

## Pendahuluan
Harmonisa  adalah  cacat  gelombang  yang disebabkan  oleh  interaksi  antara  gelombang sinusoidal  sistem  dengan  komponen  gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari  komponen  fundamentalnya.  Secara  umum besar  distorsi  harmonid  dinyatakan  dalam  Total Harmonic Distortion (THD) [1].
Harmonisa memberikan dampak jangka pendek  dan  jangka  panjang.  Apabila  distorsi tegangan  diatas  10%  maka  akan  selalu menyebabkan trip jaringan dan pemanasan trafo. Selain  itu  timbul  masalah  dalam  pengukuran, yaitu meningkatkan tegangan RMS, dan menurunkan  faktor  daya.  Pada  Tabel  1 ditunjukan  hubungan  Total  Harmonic  Distortion (THD)  arus  dengan  faktor  daya  sebenarnya secara teori [1].
Untuk  mengatasi  masalah  harmonisa  tersebut dan meningkatkan mutu kualitas daya, salah satu metoda yang digunakan yaitu dengan memanfaatkan  filter.  Umumnya  filter  yang digunakan yaitu filter RC, LC, dan filter aktif [2]. Fungsi  filter  adalah  menghilangkan  frekuensi gelombang  pengganggu  atau  gelombang  selain pada frekuensi fundamental.
Tabel 1. Maksimum Faktor Daya Sebenarnya pada sistem non linier [1] THD Arus Maximum PF Sebenarnya 20% 0.98 50% 0.89 100% 0.71
Selama ini harmonisa hanya di filter saja tanpa dimanfaatkan lebih lanjut. Disisi lain,  salah  satu komponen  filter  yaitu  induktor  dapat  digantikan oleh transformator merupakan peralatan elektronik  yang  terdiri  dari  2  jenis  kumparan induktor. Tujuan penelitian ini adalah mengganti induktor  pada  filter  dengan  transformator, sehingga  akan  didapat  sumber  tegangan  yang diinduksi  pada  sisi  sekunder  transformator  yang selanjutnya daya yang tersebut dapat dimanfaatkan. Daya yang dihasilkan ini merupakan energi dari arus harmonisa.
Konsep  dasar  pemanfaatan  harmonisa  sebagai sumber  energi  sudah  pernah  dilakukan  dengan menggunakan  filter  LC  [2].  Output  tegangan digunakan  untuk  menggerakkan  motor  atau disimpan  dalam  batterai  seperti  ditunjukan  pada Gambar  1.  Hasil  penelitian  tersebut,  masih memiliki  kekurangan  yaitu  performansi  filter yang masih rendah.
Gambar 1.  Konsep pemamfaatan harmonisa sebagai sumber energi [2]
Penelitian  mengenai  parameter  filter  yang efektif  pada  filter  LC  sudah  pernah  dilakukan sebelumnya,  disebutkan  bahwa  rentang  efektif untuk  induktor  (L)  dan  kapasitor  (C)  berturut-
turut  yaitu  0-250mH  and  0- 20μF [3]. Penelitian lain  mengenai  filter  LC  dilejaskan  dalam  [4], disebutkan  bahwa  LC  filter  dapat  melakukan redaman  lebih  baik,  mengurangi  rugi-rugi,  dan mengurangi biaya.

## Tinjauan Pustaka

## 2.1. Harmonisa
Harmonisa  merupakan  suatu  fenomena  yang timbul  akibat  pengoperasian  beban  listrik  non linier,  yang  merupakan  sumber  terbentuknya gelombang  frekuensi  tinggi  (kelipatan  dari frekuensi  fundamental,  misal:  100Hz,  150Hz, 200Hz, 300Hz, dan seterusnya) [5].
Sumber-sumber harmonisa [5] :
1. Penyearah
2. Lampu Hemat Energi (LHE).

## 2.2. Filter Pasif
Aplikasi  filter  pasif  merupakan  metode penyelesaian  yang  efektif  dan  ekonomis  untuk masalah  harmonisa.  Filter  pasif  sebagian  besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan  arus  haromonisa  yang  tidak diinginkan  dalam  sistem  tenaga.  Filter  pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian  daya  reaktif  akibat  adanya  harmonisa pada  sistem  instalasi.  Rangkaian  filter  pasif terdiri dari komponen R, L, dan C [5].

## 2.3. Standar IEEE 519-1992
Tabel  2  dan  Tabel  3  menunjukan  Standar IEEE  519-1992,  mengenai  batas  maksimum THD yang disarankan.
Tabel 2. Standar THD Tegangan [6]
Tabel 3. Standar THD Arus [6]

## Desain Sistem

## 3.1. Konsep Desain Sistem
Desain rancang sistem ditunjukan seperti pada Gambar 2. Dalam desain sistem ditujukan untuk memfilter  beban  harmonisa  dari  motor  dengan inverter  motor  3  phasa.  Inverter  tersebut dimodelkan  dalam  rangkaian  konverter  6  pulsa. Induktansi  filter  diganti  dengan  transformator. Filter  tersebut  diterapkan  pada  sistem  3  fasa, sehingga  terdapat  3  buah  filter  untuk  mereduksi harmonisa  pada  frekuensi  ke-n.  Berdasarkan penelitian  yang  dilakukan  oleh  A  Reznik,  pada filter  LCL  akan  lebih  efektif  apabila  ketika kapasitor  terhubung  secara  hubung  Delta  [7], sehingga  dalam  makalah  ini  filter  LC  juga dimodelkan dengan hubung Star.
Gambar 2. Konsep Desain Sistem
Arus  dengan  frekuensi  diatas  frekuensi  dasar, akan dimanfaatkan dengan transformator sebagai sumber energi. Dalam makalah ini akan dianalisa frekuensi harmonisa tersebsar. Tegangan keluaran dari transformator berupa tegangan AC, lalu  dikonversi  menjadi  tegangan  DC  dengan rectifier.  Pada  makalah  ini  akan  dianalisa  daya tegangan  DC  yang  mampu  dihasilkan  dari  filter harmonisa.

## 3.2. Desain Filter LC
Desain filter LC ditunjukan pada Gambar 3.

## Gambar 3. Desain filter LC
Dari Gambar 3 tampak bahwa sebuah filter LC terbuat  dari  Kapasitor  (C)  dan  induktor  (L). Filter LC dapat mereduksi harmonisa arus karena arus  harmonisa  akan  mengalir  pada  reaktansi yang  lebih  rendah.  Dengan  pemasangan  C,  arus dengan  frekuensi  tinggi  akan  mengalir  melalui kapasitor  karena  kapasitor  memiliki  impedansi
yang  rendah  pada  frekuensi  tinggi.  Agar tegangan beban bebas harmonisa, dipasang filter C yang paralel dengan beban. Dengan menggunakan filter C ini semua riak arus dengan frekuensi  tinggi akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban.
Filter  LC  bertujuan  untuk  mengurangi harmonisa  orde  tinggi  pada  sisi  jaringan,  tetapi desain  filter  yang  buruk  dapat  menyebabkan redaman yang lebih rendah dibandingkan dengan apa  yang  diharapkan.  Penyearah  arus  harmonisa dapat  menyebabkan  kejenuhan  induktor  atau
resonansi  filter.  Oleh  karena  itu,  induktor  harus benar dirancang dengan mempertimbangkan arus ripple, dan filter harus teredam untuk menghindari resonansi.

## Analisa dan Pembahasan

## 4.1. Pemodelan Sistem
Dalam  analisa  ini  dgunakan  software  PSIM untuk  melakukan  simulasi  sistem.  Pemodelan sistem ditunjukan pada Gambar 4.
Gambar 4. Pemodelan Sistem
Sumber  tegangan  berupa  sumber  tegangan  3 fasa  dengan  Vrms  sebesar  380  Volt  dengan frekuensi  50  Hz.  Inverter  dimodelkan  dengan konverter 6 pulsa, dan beban dimodelkan dengan resistor.  Pada  sistem  tersebut  dihasilkan  arus harmonisa seperti ditunjukan pada Gambar 5.
Gambar 5. Arus pada sisi jaringan
Gambar  5  menunjukan  arus  di  sisi  jaringan. Gelombang  arus  terdapat  ripple,  sehingga gelombang  tidak  berupa  sinus  murni.  Hal  ini menunjukan terdapat pengaruh harmonisa, sehingga gelombang sinus arus berubah. Apabila dilakukan analisa FFT (Fast Fourier Transform), dapat  ditunjukan  frekuensi  yang  terdapat  pada gelombang arus tersebut seperti ditunjukan pada Gambar 6.
Gambar 6. Spektrum frekuensi gelombang Arus
Dari  Gambar  6  diatas  ditunjukan  terdapat frekuensi  lain  yang  bekerja  pada  sistem  selain frekuensi  dasar,  yaitu  50  Hz.  Frekuensi  lain terbesar  berturut-turut  yaitu  250  Hz  (harmonisa ke-5),  dan  350  Hz  (harmonisa  ke-7)  seperti ditunjukan  pada  Tabel  4.  Besar  THD  arus  yang terjadi pada sistem yaitu 21,2%.
Tabel 4. Pengukuran THD Arus pada Sistem
Dasar H 5 H 7 H 9 Arus (A) 6,0 1,21 0,4 -

## 4.2. Perancangan Filter
Pengukuran parameter sistem sebagai berikut:
Daya = 2,63 kW pf 0 = 0,955 -> phi 1 = 17 0
Filter  dirancang  selain  untuk  menghilangkan harmonisa,  juga  dirancang  untuk  mengkatkan faktor daya sistem.
Pf 1 = 0,999 -> phi 2 = 8 0
Menghitung kebutuhan kapasitor.
𝑄 𝑐 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛(𝑝ℎ𝑖 1 ) − 𝑡𝑎𝑛(𝑝ℎ𝑖 2 ))           (1)
𝑄 𝑐 = 485 𝑉𝐴𝑅 . 𝐶 = 𝑄 𝑐 𝑣 2 × 2 × 𝜋 × 𝑓

## 𝐶 = 9.56 𝜇𝐹
Kapasitor  terhubung  secara  delta,  sehingga nilai  kapasitansi  yang  akan  digunakan  sebagai berikut.
𝐶 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 = 9.56 𝜇𝐹 3

## 𝐶 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 = 3.18 𝜇𝐹
Nilai  kapasitansi  sebesar  3.18  µF  digunakan dalam rangkaian filter LC seperti pada Gambar 7, karena rangkaian kapasitor menggunakan hubung  delta.  Sedangkan  untuk  menghitung kebutuhan  induktor  untuk  filter  harmonisa  ke-5 dan  ke-7  menggunakan  nilai  kapasitansi  total yaitu 9.56 µF.
𝐿 = 1 4 × 𝜋 2 × 𝐹 𝑛 2 × 𝐶 (2)
𝐿 5 = 1 4 × 𝜋 2 × 250 2 × 9.56 𝜇𝐹
𝐿 5 = 0.042 𝐻 𝐿 7 = 1 4 × 𝜋 2 × 350 2 × 9.56 𝜇𝐹 𝐿 7 = 0.021 𝐻
Dari perhitungan diatas didapat nilai induktansi untuk harmonisa ke 5 sebesar 0.042 H dan  harmonisa  ke  7  sebesar  0.021  H.  Filter  LC kemudian  dihubungkan  pada  sisi  jaringan, seperti ditunjukan pada Gambar 7.
Gambar 7. Pemasangan Filter harmonisa ke-5 dan ke-7 pada sistem
Setelah  dilakukan  pemasangan  filter,  terjadi perubahan  arus  harmonisa  pada  sisi  jaringan, seperti ditunjukan pada Gambar 8, dan Gambar 9.
Gambar 8. Arus jaringan setelah difilter
Gambar 9. Spektrum frekuensi arus jaringan setelah difilter
Pada  Gambar  8,  ditunjukan  bahwa  bentuk gelombang  arus  pada  jaringan  mengalami perbaikan, bentuknya sudah menyerupai gelombang  sinus  murni.  Pada  Gambar  9, ditunjukan bahwa arus harmonisa pada frekuensi harmonisa  ke-5  dan  frekuensi  harmonisa  ke-7 berkurang signifikan. Setelah dilakukan pengukuran,  arus  harmonisa  ditunjukan  pada Tabel  5.  Selain  hal  tersebut,  terjadi  peningkatan faktor  daya  sistem  menjadi  0,971  dan  terjadi penurunan THD arus menjadi 0,34%.
Tabel 5. Pengukuran THD Arus Setelah Difilter Dasar H 3 H 5 Arus (A) 6,55 0,02 0,01

## 4.3. Pemanfaatan arus Harmonisa
Untuk  memanfaatkan  arus  harmonisa,  maka pada  bagian  Induktor  filter  diganti  dengan rangkaian transformator sebagai kumparan disisi primer.  Pada  sisi  sekunder  terhubung  dengan rangkaian  penyearah,  sehingga  akan  dihasilkan
tegangan  DC.  Resistor  digunakan  sebagai simulasi beban, untuk menghitung daya maksimum  yang  dihasilkan  oleh  transformator seperti ditunjukan pada Gambar 10.
Transformator  yang  dirancang  harus  mampu mempertahankan kinerja filter dan tetap mempertahankan kualitas daya. Bentuk
gelombang  arus  setelah  filter  dimodifikasi  dan spektrum  frekuensi  ditunjukan  seperti  pada Gambar 11 dan Gambar 12.
Gambar 10. Modifikasi Filter dengan transformator
Gambar 11. Gelombang arus setelah filter dimodifikasi Gambar 12. Spektrum frekuensi arus setelah filter dimodifikasi Dari Gambar 11 ditunjukan bahwa gelombang  simus  arus  terdapat  tambahan  ripple halus  jika  dibanding  dengan  rangkaian  filter murni.  Hal  ini  diperjelas  pada  pada  Gambar  12, dengan adanya gelombang harmonisa yang lebih besar  pada  frekuensi  250 Hz  dan  350  Hz.  Besar
arus  harmonisa  ditunjukan  seperti  pada Tabel  6. Besar  faktor  daya  sistem  menjadi  0,967  dan THD arus pada sistem sebesar 7,1%.
Tabel 6. Pengukuran THD Arus Setelah Filter Dimodifikasi
Dasar H 3 H 5 H 7 Arus (A) 6,67 0,42 0,23 -
Gambar 13. Daya keluaran transformator
Dari  modifikasi  ini  dihasilkan  daya  pada  sisi sekunder transformator sebesar 138 Watt seperti ditunjukan  pada  Gambar  13.  Daya  ini  dapat dimanfaatkan  langsung  dengan  mengubahnya menjadi  tegangan  AC,  atau  menyimpannya  ke dalam batterai.

## 4.4. Analisa Kualitas Daya Sistem
Modifikasi  filter  LC  menjadi  transformator untuk  menghasilkan  sumber  energi  berdampak pada  menurunkan  kualitas filter  yang  digunakan seperti  yang  ditunjukan  pada  Gambar  14  dan Gambar  15.  Dengan  modifikasi  filter  ini,  terjadi penurunan faktor daya sistem, tetapi tidak kurang dari  faktor  daya  sistem  semula.  Selain  itu  THD arus bertambah, tetapi masih kurang dari kondisi semula.  Sehingga  kinerja  filter  masih  berfungsi untuk mengurangi arus harmonisa.
Gambar 14. Perbandingan faktor daya
Gambar 15. Perbandingan % THD Arus

## Kesimpulan
Berdasarkan  simulasi  menggunakan  software PSIM  yang  telah  dilakukan,  penggunaan  filter LC  dapat  dimanfaatkan  sebagai  filter  arus harmonisa untuk menghilangkan harmonisa ke-5 dan harmonisa ke-7. Dengan mengganti komponen  induktif  filter  dengan  transformator, maka  dapat  dihasilkan  sumber  energi  sebesar 138  Watt.  Perbaikan  kualitas  daya  yang  terjadi dengan modifikasi filter yaitu faktor daya semula 0,955  naik  menjadi  0,967  dan  besar  THD  arus harmonisa turun dari 21,2% menjadi 7,1%.

## Daftar Pustaka
[1] Grady,  W.  Mack,  and  Surya  Santoso.
"Understanding power system hannonics."  IEEE Power  Engineering Review vol. 21 no.11, 2001 [2] Vishak  Venkatraman,  "Power  System Harmonics  As  Useful  Energy  Sources", 2nd International Conference on Environmental  Science  and  Technology IPCBEE vol.6 , Singapore, 2011. [3] Areerak,  Kongpol,  Soupagorn  Visawa- Phatra-Dhanadhorn, and Sarawut
Sujitjorn.  "Hybrid  compensation  for harmonic  and  power  factor  in  single- phase AC drive." Proceedings of the 4th international  conference  on  Circuits, systems  and  signals.  World  Scientific and  Engineering  Academy  and  Society (WSEAS) , 2010.
[4] Azri,  Maaspaliza,  and  Nasrudin  Abd Rahim.  "Design  analysis  of  low-pass passive  filter  in  single-phase  grid- 0.955
0.971 0.967 0.945 0.95 0.955 0.96 0.965 0.97 0.975 Tanpa Filter Filter Modifikasi Filter Perbandingan Faktor Daya
21.2 0.34 7.1 0 5 10 15 20 25 Tanpa Filter Filter Modifikasi Filter
Perbandingan % THD Arus
connected transformerless inverter." Clean  Energy  and  Technology  (CET) , IEEE First Conference on. IEEE, 2011 [5] I Nengah Suweden dan I Wayan Rinas,:
"Analisa  Penanggulangan  THD  Dengan
Filter  Pasif  Pada  Sistem  Kelistrikan  di
RSUP  Sanglah", Teknologi  Elektro Vol.
7  No. 2, 2009 [6] Blooming,  Thomas  M.,  and  Daniel  J.
Carnovale.  "Application  of  IEEE  Std 519-1992  harmonic  limits." Pulp  and
Paper  Industry  Technical  Conference, Conference  Record  of  Annual.  IEEE,
2006.
[7] Reznik,  Aleksandr,  Marcelo  Godoy Simões,  Ahmed  Al-Durra,  and  S.  M. Muyeen. LCL filter design and performance
analysis for grid-
interconnected systems."
IEEE Transactions  on  Industry  Applications vol. 50, no. 2, pp 1225-1232, 2014.

## Biodata Penulis
Muhammad Ridwan Arif Cahyono ,
merupakan  Dosen  Tetap  di  Program  Studi  D3 Teknik  Elektronika  Politeknik  Gajah  Tunggal, Tangerang.  Dimana  Pendidikan  S1  merupakan lulusan  dari  Teknik  Fisika  Universitas  Gadjah Mada  dan  S2  lulusan  dari  Teknik  Elektro Universitas Indonesia. Saat ini menekuni bidang riset  terkait  dengan  Kualitas  Daya  Listrik, Manajemen  Energi,  dan  Pemrograman  Berbasis Java.