## Penurunan Konsumsi Daya (VA) Peralatan Listrik Rumah Tangga Dengan Mereduksi Distorsi Harmonisa

## Irman
Department of Electrical Engineering, State Polytechnic of Pontianak e-mail : irmanpolnep @yahoo.co.id
Abstract – Energy  consumption  is  the  largest  electricity to household customers. Most household electrical load is  electronic  equipment  which  is  non-linear  loads.  The load  harmonic  distortion  greatest  contributor  to  the power distribution system. Harmonic distortion leads to wastage  of  electrical  energy  due  to  energy  components such  as  power,  power  factor,  voltage  and  current conditions deviate from ideal.
Measurement  of  Total  harmonic  current  distortion (THDi)  on  some  household  electrical  appliances producing harmonics is performed to determine THDi of each  different  load.  Based  on  the  measurement  data, conducted  the  analysis  for  later  Single  Tuned  Filter  is designed  to  reduce  the  current  harmonic  distortion  of each load and the total load.
By  comparing  THDi,  power  factor  and  power consumption (VA) of the load before and after the filter, it was found that the installations of the filter will cause a  decrease  in  THDi  to  31.64,  increasing  the  power factor  to  0.87,  and  decreased  power  consumption  (VA) amoundted to 10.14% if the filters are installed on every load and 13.75% if the filters are installed to total load.
Keywords – Total  Harmonic  Current  Distortion  ,  Single Tuned Filters

## 1. Pendahuluan
Pelaksanaan  konservasi  energi  diterapkan  terhadap semua  pengguna  energi  baik langsung  maupun  tidak langsung . Konsumsi energi listrik terbesar adalah untuk pelanggan  rumah  tangga  [14],  dimana  sebagian  besar beban listrik rumah tangga adalah peralatan elektronik. Berdasarkan  hasil  survei  CBEMA  (Computer  and Business  Equipment  Manufacturing  Assocition)  dan LCSE (Liebert Customer Service Engineering) menyatakan  bahwa  beban  listrik  yang  terdapat  pada sistem distribusi tenaga listrik  modern, lebih dari 40 % adalah  beban  non-linier  yang  didominasi  oleh  peralatan elektronik.  Beban  ini  menyebabkan  arus  sistem terdistorsi  dengan  faktor  daya  lebih  rendah  dari  0,67. [11] Diperkirakan  beban non-linier ini  akan meningkat hingga 85 % pada tahun 2012. [2]
Oleh  karena  itu  dalam  rangka  penerapan  konservasi energi  khususnya  konservasi  energi  listrik  pada  sektor rumah  tangga,  maka  distorsi  harmonisa  harus  dikurangi agar  kualitas  daya  listrik  menjadi  lebih  baik,  sehingga dapat menghemat energi listrik.

## 2. Teori Dasar
Distorsi harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat terdistorsinya gelombang sinusoidal secara periodik akibat pengoperasian beban listrik non linier.
Gelombang  yang  mengandung  harmonisa  dapat dianggap  sebagai  penjumlahan  beberapa  gelombang sinusoidal  dengan  frekuensi-frekuensi  yang  merupakan kelipatan  bilangan  bulat  dari frekuensi  dasarnya. Frekuensi  kelipatan  dari  frekuensi  dasar  ini  disebut dengan frekuensi harmonisa.
Gelombang harmonisa ini akan berkombinasi dengan gelombang  dasarnya,  sehingga  terbentuk  gelombang cacat  yang  merupakan  penjumlahan  antara  gelombang dasar dengan gelombang harmoniknya. [12]
Gambar 1. Gelombang Terdistorsi Harmonisa [12]
Orde dari harmonisa merupakan perbandingan frekuensi harmonik dengan frekuensi dasarnya. [3]
n = (1)
Dimana :      n   = orde harmonisa F n = frekuensi harmonisa ke n F   = frekuensi dasar
Sesuai  dengan  defenisi  diatas  maka  orde  harmonisa frekuensi  dasar  F  adalah  1.  Artinya  orde  ke-1  bukan harmonisa melainkan orde ke-2 sampai orde ke-n.
Spektrum  adalah  distribusi  dari  semua  amplitudo komponen  harmonisa  sebagai  fungsi  dari  orde harmonisanya,  dan  diilustrasikan  dengan  menggunakan histogram.    Spektrum  merupakan  perbandingan  arus atau  tegangan    frekuensi  harmonisa  dengan  arus  atau tegangan  frekuensi  dasar.  Spektrum  sebagai  dasar
F n / F
merencanakan  filter  yang  akan  digunakan  untuk mereduksi  harmonisa,  terutama  yang  digunakan  filter pasif.

## Total Harmonic Distortion (THD)
THD  adalah  ukuran  nilai  efektif  dari  komponen- komponen  harmonisa  pada  suatu  gelombang  yang terdistorsi. Nilai  ini  dapat  dihitung  dengan  persamaan berikut, baik untuk arus maupun tegangan. [3]
(2)
Dimana : M n = Nilai rms dari komponen harmonisa ke- n (arus atau tegangan) M 1 = nilai rms arus atau tegangan pada frekuensi fundamental
Standar  IEC  61000-3-4  untuk  maksimum  arus harmonisa  yang  diizinkan  seperti  diperlihatkan  pada tabel 1 berikut ini :
Tabel 1 Batas Maksimum THD arus yang Diizinkan Orde Maks THDi Orde MaksTHDi Yang diizinkan* Yang diizinkan* 3 21,6 19 1.1 5 10,7 21 0,6 7 7.2 23 0.9 9 3.8 25 0,8 11 3,1 27 0,6 13 2,0 29 0,7 15 0,7 31 0,7 17 1,2 33 0,6
Ket : *) % dari arus fundamental masukan

## Single Tuned Filter
Rangkaian  single  tuned  filter  dan  kurva  impedansi terhadap frekuensi seperti diperlihatkan pada gambar 2.3 berikut ini. [4]

## (a) (b)

## Gambar 2. (a) Rangkaian Single Tuned Filter
(b) Kurva Impedansi terhadap Frekuensi
Impedansi Single Tuned filter diberikan oleh persamaan
Z f = R + j − (3)
Untuk magnitude impedansi single tuned filter adalah :
| | = ² + − ² (4)
Resonansi  terjadi  pada  saat  nilai  reaktansi  sama dengan  kapasitansi.  Filter  diatur  pada  frekuensi  f r yang menghasilkan resonansi seri, seperti persamaan berikut.
f r = √ (5)
Pada  frekuensi  f r single  tuned  filter  akan memiliki  impedansi  minimum,  dimana  besarnya  adalah sebesar  resistansi  R  dari  induktor.  Filter  ini  akan menyerap  semua  arus  harmonisa  yang dekat  dengan frekuensi f r yang diinjeksikan.

## Batasan Komponen Filter
Ada  dua  komponen  filter  dalam  single  tuned  filter, yaitu  kapasitor  dan  induktor.    Sebagai  komponen  filter ada  batasan  beban  yang  diperbolehkan  berdasarkan standar IEEE 519-1992.
a. Kapasitor
Batas  beban  kapasitor  yang  diperbolehkan  sebagai komponen  filter  berdasarkan  standar  IEEE  519-1992 adalah sebagai berikut : KVAR = 135 % Tegangan Efektif = 110 % Jumlah Tegangan Puncak = 120 % Arus Efektif = 180 %
Walaupun  dalam standar  batas  arus  efektif  adalah 180  %,  tetapi  aplikasinya  bisa  lebih  rendah  karena masing-masing unit kapasitor diproteksi pada 125-165% dari rating arusnya.
b. Induktor
Induktor  yang  digunakan  untuk  aplikasi  filter biasanya  dari  tipe  inti  udara  yang  memberikan karakteristik linier berkenaan dengan frekuensi dan arus. Toleransi  reaktansi  ±  5  %  untuk  aplikasi  sistem  tenaga listrik di industri.

## Faktor Daya Beban Nonlinier
Beban  non  linier  apabila  dihubungkan  dengan sumber  tegangan  sinusoidal  akan  menghasilkan arus non-sinusoidal atau gelombang sinusoidal yang terdistorsi,  contohnya  komputer,  inverter,  penyearah terkendali,  pengendali  putaran  motor,  mesin  las  dan sebagainya.
Faktor  daya  untuk  beban  nonlinier  dipengaruhi  oleh total harmonic distortion (THD). [15]
PF = DPF. ². ² (6)
Dimana : PF        : faktor daya DPF     : Faktor daya pergeseran
THDv : Distorsi harmonisa total dari tegangan (%)
THDi : Distorsi harmonisa total dari arus (%)
Oleh karena THD tegangan biasanya tidak lebih dari 10 % maka faktor dayanya menjadi :
PF = DPF. ² (7)
THD= ² ∞ M 1 Z f C L R
² didefenisikan sebagai faktor daya distorsi.

## Mean Aritmatik Terbobot (Weighted Arhitmetic Mean)
Istilah  rata-rata  (average)  ini  sebenarnya  meliputi beberapa ukuran pemusatan. Rata- rata adalah nilai khas yang  mewakili  sifat  tengah,  atau  posisi  pusat  dari  suatu kumpulan  data.  Terdapat  beberapa  ukuran  yang termasuk rata-rata, salah  satunya adalah mean aritmatik terbobot.[6]
Seringkali  suatu  persoalan masing-masing  nilai mempunyai  nilai  bobot  /  timbangan  tertentu,  misalnya X 1 dengan timbangan W 1 , X 2 dengan timbangan W 2 , dan seterusnya  sampai  X n dengan  timbangan  W n .  Oleh karena  itu  nilai  rata-rata  yang  menggunakan  timbangan tersebut disebut rata-rata tertimbang.
(8)
Dimana :    X   = Mean aritmatik terbobot Xi  = Nilai dari suatu data Wi = Faktor pembobotan
Apabila terdapat sejumlah beban linier dan non-linier pada penggunaan listrik rumah tangga dengan kapasitas atau bobot (daya), maka dapat dibentuk suatu formulasi praktis  yang  dapat  digunakan  untuk  memprediksi distorsi  harmonisa  arus  (THDi)  dan  DPF  total  pada utility tersebut, yaitu seperti berikut ini :
(2.18)
(9)
Dimana :    THDi total = Distorsi harmonisa total arus dari semua beban/peralatan THDi n = Distorsi harmonisa setiap beban P n
= Daya setiap beban
Demikian  juga  dengan  DPF  total,  yaitu  dengan mengganti THDi dengan DPF pada persamaan berikut :
(10)
Dimana : DPF total = Distorsi harmonisa total dari semua beban/peralatan DPF n = Distorsi harmonisa setiap beban
P n = Daya setiap beban

## 3. Hasil Eksperimen
Pengukuran dilakukan secara langsung pada peralatan  listrik  rumah  tangga (peralatan  elektronika). Skenario  jenis  beban  pada  penelitian  ini  adalah  lampu Swaballast  (LHE)  merk Phillips  23W;170-250V, Televisi  merk  LG  32LS3400;100-240V,  DVD-Player merk  LG;HT304SU-A2;110-240V,  Water  Dispenser merk SANKEN; HWE-69C; 220V, laptop merk Lenovo 3000 N100, printer merk HP Deskjet 1050, kulkas merk LG  GN-M352YVQ;220-250V  dan  Personal  Computer (PC) dengan suplai daya 350W.
Data  yang  diambil,  yaitu  :  THDi (  Current  Total Harmonic  Distortion),      daya    aktif    (W),  daya  semu (VA), daya reaktif (VAR), PF ( power factor ), dan DPF ( Displacement Power Factor ).
Tabel 2. Pengukuran Daya dan Faktor Daya pada masing-masing beban No.  Peralatan Jlh Daya PF DPF P(watt) S(VA) Q(VAR) 1 Lampu LHE 1 20 28 20 0,71    0,87 2 Televisi 1 40 52        33      0,76    0,97 3    DVD Player 1 10 13 8 0,76 1,00 4 Water Disps 1 50 68 46 0,74    0,95 5 PC 1 120 156 100 0,77 1,00 6   Laptop 1 10 13           8 0,77   1,00 7    Printer 1 15 20         13 0,76 0,99 8    Kulkas 1 130      159         92 0,82 0,96 Total : 395      509        320
Dari  data  pada  tabel 2  dan  dengan  persamaan dapat dihitung    faktor  daya  total  dari  seluruh  beban dengan persamaan Cosθ = P total /S total yaitu sebesar 0,78.
Dari  hasil  perhitungan  didapat  nilai  faktor  daya pergeseran  (DPF)  rata-rata  untuk  beban  keseluruhan adalah : 0,98.
Tabel 3. Pengukuran THDi pada masing-masing beban
Sebelum Difilter No.  Peralatan THDi avg (%) THDi orde ke (%) 3         5 7 9         11 1 Lampu LHE           70,30 59,10   27,26   18,19   16,73   13,64 2 Televisi 77,60 54,55   41,00   31,82   18,18     9,10 3 DVD Player 86,00 40,91   36,36   36,29   27,28   18,17 4 Water Disps 79,30 52,16   37,50   25,00   12,50   12,35 5 PC 82,70 50,00   41,67   25,16   20,83   12,50 6 Laptop 83,80 48,60   43,80   36,20   27,50   17,70 7 Printer 83,60 46,70   41,30   36,20   28,60   21,50 8 Kulkas 61,80           11,00    9,68     7,10     4,70     2.10 Tabel 4. Hasil Perhitungan THDi  rata-rata pada beban total No.  Peralatan THDi avg (%) THDi rata-rata orde ke (%)
3 5 7 9 11 1    Beban total 75,79 31,55   29,01   19,96   16,17   10,76
Berdasarkan  hasil  perhitungan  desain  filter,  untuk pengujian digunakan komponen filter dengan spesifikasi induktor  (L)  =  75  mH  dengan  nilai  induktansi
X = . THDi total = P n . THDi n P n DPF tot al =
P n . DPF n
P n
(X L ) = 23,56 Ω,  dan kapasitor (C) = 16 μF dengan nilai kapasitansi (X C ) = 198,94 Ω.
Tabel 5. Pengukuran Daya, PF dan DPF pada tiap beban Setelah
Difilter No.  Peralatan       Jlh Daya PF DPF P(watt) S(VA) Q(VAR) 1 Lampu LHE    1 20 23         11 0,86     0,87 2 Televisi 1 40 44         18 0,91     0,97 3    DVD Player 1 10 12           7 0,87 1,00 4 Water Disps 1 50 57         27 0,88 0,95 5 PC 1 120 135         62 0,89 1,00 6    Laptop             1 10 12           7 0,83     1,00 7    Printer             1       15 17           8 0,87     0,99 8 Kulkas             1 130 155         84 0,84     0,96 Total 395 456 320
Faktor daya selurh beban setelah difilter menjadi 0.87.
Tabel 6 . Pengukuran THDi pada tiap beban Setelah   Difilter No.  Peralatan THDi avg (%)                THDi orde ke (%) 3 5 7 9         11 1 Lampu LHE 26,20 22,03   10,16 6,78 6,24 5,08 2    Televisi 31,37 22,05   16,57   12,86     7,35     3,68 3    DVD Player 57,50 27,35   24,31   24,26   18,24   12,15 4    Water Disps 41,07          27,01   19,42   12,95     6,47     6,40 5    PC 50,82 30,73   25,61   15,46   12,80     7,68 6 Laptop 66,67 38,67   34,85   28,80   21,88   14,08 7 Printer 55,56 31.04   27,45   24,06   19,01   14,29 8    Kulkas 54,40            9,68 8,52     6,25     4,14     1,85
Tabel 7. THDi  rata-rata pada beban total Setelah Difilter
No.  Peralatan THDi avg (%)                THDi rata-rata orde ke (%) 3 5 7 9         11 1.   Beban total 44,15 18,38   16,90   11,63    9,42    6,27
0 5 10 15 20 25 30 35 3 5 7 9 11 TH DI (% ) Orde Harmonisa

## THDI Beban Total Sebelum dan Sesudah Difilter
Sebelum difilter Setelah difilter
Gambar 3. THDi Beban Total sebelum dan Sesudah Difilter
Dari gambar spektrum  distorsi  harmonisa  pada beban total,  memperlihatkan  bahwa  filter  bekerja  pada semua orde harmonisa dengan orde 3 sebagai orde kerja efektif filter.  Hal  ini  ditunjukkan  dengan  penurunan THDi  terbesar  yaitu  pada  orde  harmonisa  ke-3 dibanding dengan orde harmonisa lainnya.
Tabel 8.  Faktor Daya Sebelum dan Sesudah Filter Beban Faktor Daya (PF) Sebelum Difilter Sesudah Difilter Total 0.78 0,87 LHE 0,71 0,86 Televisi 0,77 0,91 DVD Player 0,76 0,87 Water Disps 0,74 0,88 PC 0,77 0,89 Laptop 0,77 0,83 Printer 0,76 0,87 Kulkas 0,82
0,84
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Fa kt or D ay a Sebelum Difilter Sesudah Difilter
Gambar 4. Faktor Daya Sebelum dan Sesudah Difilter
penambahan  filter  pada  setiap  beban  atau  pada  beban secara keseluruhan  dapat  memperbaiki  faktor  daya.  Hal ini  disebabkan  karena  penambahan  filter  pada  sistem akan  menurunkan  nilai  THDi  sistem.  Berkurang  THDi akan meningkatkan faktor daya.
Dengan  meningkatnya  faktor  daya,  maka  akan menurunkan  konsumsi  daya  (VA)  dari  setiap  beban maupun beban secara keseluruhan.
Tabel 9. Konsumsi Daya (VA) Beban Total Sebelum dan
Sesudah Difilter
Beban Sebelum Difilter   Setelah Difilter        Selisih S 1 (VA)              S 2 (VA)         S 3 = S 2 – S 1 (VA) Total 509                      439                        70
Daya  (VA)    yang  dapat  dihemat  untuk  filter  yang dipasang  pada  tiap-tiap  beban  adalah  sebesar  10,41  %. Sedangkan untuk filter yang dipasang pada beban secara keseluruhan  adalah  sebesar  13,75  %.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  penempatan  filter  untuk  beban secara  keseluruhan  lebih  baik  dan  lebih  efektif dibandingkan  dengan  filter  yang  dipasang  pada  setiap beban,  karena  dapat  menurunkan    daya  (VA)  beban lebih besar.

## Kesimpulan
Dari  hasil  penelitian  dan  perhitungan  yang  telah dilakukan  pada    peralatan  listrik  rumah  tangga,  maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Pemasangan  Single  Tuned  Filter  untuk  beban keseluruhan lebih efektif mereduksi distorsi harmonisa  arus  dibanding  dengan  pemasangan  pada tiap-tiap beban peralatan listrik rumah tangga.
2. Pemasangan  Single  Tunned  Filter  untuk  beban peralatan  listrik  rumah  tangga  secara  keseluruhan dapat  menurunkan  distorsi  harmonisa  dari  75,79% menjadi  44,15%,  dan  memperbaiki  faktor daya  dari 0,78 menjadi 0,87
3. Penurunan  Konsumsi  daya  (VA)  dari  pemasangan single  tuned  filter  untuk  beban  keseluruhan  pada peralatan listrik rumah tangga sebesar 13,75%, lebih besar  dibanding  pemasangan  pada  tiap-tiap  beban, yaitu sebesar 10,14%.

## Referensi
[1]  A.Bhatia,B.E, Power  Factor  in  Electrical  Energy Management, PDH Centre, 2012
[2] A.Priyadharshini, N.Devarajan, AR.Umasaranya, R.Anitt, Survey  of  Hamonics  in  Non  Linear    Loads, International  Journal  of  Recent  Technology and Engineering  (IJRTE)  ISSN  :  2277-3878, Volume-1, Issue-1. 2012
[3]  Dugan,  R.C.,  Mc  Granaghan,  M.F  dan  Beaty,  H.W. Electrical  Power  System  Quality.  New  York:  Mc Graw-Hill. 2002
[4]  Endi.S,  Perancangan Single  Tuned  Filter  Untuk Mereduksi  Harmonik  Arus  Dengan  Simulasi program
Etap Powerstation 5.0.3, Universitas Indonesia, Jakarta
[5] Fika Priliasari, Herri Gusmedi, Studi pengaruh Harmonisa pada  Arus  Listrik  Terhadap  Besarnya  Penurunan Kapasitas Daya (KVA) Terpasang Transformator Distribusi, Electrician  Jurnal  Rekayasa  dan  Teknologi Elektro Volume 1 No.1 edisi September 2007
[6]  Harinaldi, Prinsip-Prinsip  Statistik  Untuk  Teknik  dan Sains, Erlangga, Jakarta, 2005
[7]  IEEE  Std  519-1992. IEEE  Recommended  Practices  and Requirements  for  Harmonic  Control  in  Electric  Power Systems.  ©  Institute  of  Electrical  and  Electronics Engineers, Inc. 1993
[8] Keppres Nomor : 43 tahun 1991 “ Konservasi Energi ”
[9] M.Syahwil, M.Tola, Salama.M, Studi Dampak Harmonisa Terhadap  Susut Teknis  Pada  Industri  Semen  (kasus Industri Semen Tonasa), Media Elektrik Volume 5 Nomor 2 Desember 2010, Universitas Hasanudin, Makasar, 2010.
[10]  Novalio  Daratha. Harmonisa  dalam Sistem  Daya Listrik. Program Studi Teknik Elektro, Universitas Bengkulu.
[11]  Riza.W,  Herisajani,  Witrionanda, Prediksi  Distorsi Harmonisa  Pada  Utility  Listrik  Perumahan  Yang Disebabkan  Oleh  Beban  Nonlinier  Menggunakan Statistik  Perbandingan  Linier,  Elektron  Vol  No.1,Edisi Juni 2009.
[12]  Slamet.R,  Emmanuel.A.N, Kajian  Tapis  Daya  Aktif Paralel  Dengan  Menggunakan  Inverter  Bertingkat Sebagai  Metode  Perbaikan  Arus  Sumber,  Sari  kajian Ilmiah  volume  14  nomor  2,  Universitas  Diponegor, Semarang., Nopember 2011
[13]  Sankaran,  C. Power  Quality.  Florida:  CRC  Press  LLC, 2002
[14] Sekretariat  Perusahaan  PT  PLN  (Persero), Statistik  PLN 2011
[15]  W.Mark  Grady, Harmonics  and  How  They  Relate  To Power Factor, EPRI Power Quality Issue & Opportunities Conference, San Diego, 1993

## Biography
Irman, lahir di Sekura Kalimantan Barat pada tanggal 6 September  1964.  Menyelesaikan  Pendidikan  DIII Teknik  Elektro  di  Politeknik  ITB  Bandung  dan  S-1 Teknik  Pengaturan  dan  saat  ini  sedang  menyelesai pendidikan  S-2  pada  Program  Magister  Manajemen Energi  Teknik  Elektro  Fakultas  Teknik    Universitas Tanjungpura Pontianak,