Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya

Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya
Pekik Argo Dahono
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung

1. Pendahuluan

Hampir semua energi listrik dibangkitkan, ditransmisikan, dan didistribusikan dalam bentuk sistem tiga-fasa. Idealnya, tegangan yang dirasakan peralatan adalah tegangan tiga-fasa dengan bentuk sinusoidal dan seimbang. Akan tetapi adanya pembebanan yang tak seimbang serta ketidakseimbangan impedansi saluran menyebabkan tegangan yang dirasakan oleh peralatan menjadi tidak seimbang. Ketidakseimbangan menyebabkan efisiensi motor induksi menurun dan menyebabkan munculnya harmonisa orde rendah pada penyearah.

Dalam artikel ini akan dibahas bermacam definisi ketidakseimbangan, pengaruhnya pada motor induksi dan penyearah, serta beberapa langkah yang bisa dilakukan untuk mengatasinya. Pada motor induksi, ketidakseimbangan tegangan bisa menyebabkan ketidakseimbangan arus yang lebih besar serta pemanasan lebih pada motor. Pada penyearah, ketidakseimbangan bisa menyebabkan munculnya harmonisa orde rendah baik pada sisi masukan maupun pada sisi keluaran. Pada artikel ini kita hanya akan membahaspengaruh ketidakseimbangan tegangan pada beban tiga-fasa tiga-kawat seperti halnya motor dan penyearah tiga-fasa.

2. Definisi

Gambar 1 memperlihatkan fasor tegangan yang seimbang dan tak seimbang. Pada sistem yang seimbang, setiap tegangan fasa mempunyai besar yang sama dan mempunyai beda sudut fasa 120 der. Menurut definisi, arah urutan fasa tegangan abc disebut positif jika mempunyai arah mengikuti arah putaran jarum jam. Tegangan tak seimbang bisa berbeda besarnya, mempunyai beda sudut yang tidak 120 der, atau keduanya.

Gb. 1. Fasor tegangan seimbang dan tidak seimbang.

Menurut literatur, tegangan tiga-fasa yang tak seimbang bisa diuraikan menjadi tiga sistem yang seimbang atau simetris. Ketiga sistem simetris ini disebut komponen urutan positif, urutan negatif, dan urutan nol. Gambar 2 memperlihatkan tiga sistem simetris tersebut. Komponen urutan positif mempunyai urutan fasa mengikuti putaran jarum jam, urutan negatif berlawanan dengan arah putaran jarum jam, sedangkan urutan nol mempunyai arah fasa yang sama. Setiap tegangan yang tak seimbang selalu bisa diuraikan menjadi tiga sistem simetris tersebut. Gambar 3 memperlihatkan tegangan tak seimbang yang dibentuk oleh tiga sistem simetris.

Jika tegangan sistemnya seimbang maka hanya urutan positif yang ada. Urutan negatif dan nol tidak ada. Oleh sebab itu, adanya urutan negatif dan nol bisa dijadikan indikasi seberapa besar ketidakseimbangan dari tegangan sistem. Tentu saja, semua definisi tersebut diatas juga berlaku untuk arus. Pada sistem tiga-fasa tiga-kawat, urutan nol tidak perlu kita perhitungkan karena arus urutan nol tidak bisa mengalir.

Menurut IEC, besarnya ketidakseimbangan tegangan bisa dinyatakan dengan

\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)= \frac{V_2}{V_1}\times 100\%

Gb. 2. Komponen simetris tegangan.

Gb. 3. Tegangan tak seimbang yang disusun dari tiga komponen simetris.

Pada sistem tiga-fasa tiga kawat yang bisa kita ukur secara langsung hanyalah tegangan antar fasa, sehingga besarnya ketidakseimbangan biasanya dihitung dengan persamaan berikut:

\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)=\sqrt{\frac{1-\sqrt{3-6\beta}}{1+\sqrt{3-6\beta}}}\times 100\%

yang mana

\beta=\frac{V_{ab}^4+V_{bc}^4+V_{ca}^4}{\left(V_{ab}^4+V_{bc}^4+V_{ca}^4\right)^2}

Sedangkan menurut NEMA, besarnya ketidakseimbangan dihitung dengan cara berikut:

\textrm{Faktor ketidakseimbangan}(\%)=\frac{\textrm{Deviasi maksimum}\left(V_{ab}V_{bc}V_{ca}\right)\textrm{dari rata-rata}}{\textrm{Rata-rata dari}\left(V_{ab}V_{bc}V_{ca}\right)}

Jangan menggunakan tegangan fasa-ke-netral karena adanya tegangan urutan nol bisa membuat hasilnya kurang akurat. Secara teoritis, definisi menurut IEC memberikan hasil yang lebih akurat dibanding definisi NEMA.

3. Pengaruh tegangan tidak seimbang pada motor

Rangkaian ekivalen motor induksi diperlihatkan di Gb. 4. Slip didefinsikan sebagai

s=\frac{N_s-N_r}{N_s}

yang mana N_s menyatakan kecepatan sinkron dan N_r adalah kecepatan rotor. Tegangan urutan negatif akan menyebabkan medan putar yang berputar pada kecepatan sinkron tetapi dengan arah berlawanan dengan arah jarum jam. Akibatnya, slip terhadap tegangan urutan negatif adalah

s_2=\frac{-N_s-N_r}{-N_s}=2-s

Karena nilai slip s biasanya sangat kecil, mendekati nol, maka slip urutan negatif mempunyai nilai mendekati dua. Akibatnya, impedansi rotor terhadap tegangan urutan negatif akan sangat kecil mendekati impedansi motor saat hubungsingkat. Oleh sebab itu, besar impedansi urutan positif relatif terhadap urutan negatif bisa didekati dengan persamaan

\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{I_{start}}{I_{running}}

Atau

\frac{I_2}{I_1}=\frac{V_2}{V_1}\times\frac{I_{start}}{I_{running}}

Gb. 4. Rangkaian ekivalen motor induksi.

Arus start motor biasanya berkisar antara 6 sampai 8 kali arus beban penuh. Oleh sebab itu, ketidakseimbangan tegangan 5% akan menghasilkan ketidakseimbangan arus antara 30 sampai 40%. Karena resistansi rotor terhadap arus frekuensi urutan negatif lebih besar dibanding terhadap arus urutan positif, susut daya di rotor akan meningkat dengan cepat. Selain itu, pemanasan tambahan di stator dan rotor akan menyebabkan umur isolasi stator akan berkurang dengan cepat.

Untuk mengkompensasi pengaruh ketidakseimbangan tegangan, NEMA telah membuat kurva derating bagi motor yang bekerja pada tegangan tak seimbang. Gb. 5 memperlihatkan kurva derating factor versus persen ketidakseimbangan. Persen ketidakseimbangan yang diijinkan tanpa melakukan derating adalah 1%. Persen ketidakseimbangan yang diijinkan maksimum adalah 5%.

Gb. 5. Derating factor.

4. Pengaruh ketidakseimbangan tegangan pada penyearah

Penyearah dioda tiga-fasa banyak digunakan dalam bermacam penerapan seperti halnya VSD (Variable Speed Drives) dan sistem catu daya. Idealnya, penyearah dioda semacam ini hanya menghasilkan harmonisa dengan orde 6k\pm1 yang mana k bilangan bulat. Gb. 6(a) memperlihatkan bentuk gelombang arus masukan dioda pada tegangan yang seimbang. Pada kondisi tak seimbang, harmonisa orde tiga dan kelipatannya bisa mengalir di sumber sehingga kwalitas gelombang dan faktor-daya arus masukan memburuk. Adanya harmonisa orde rendah ini bisa mengganggu kinerja sistem atau menyebabkan resonansi pada kapasitor koreksi faktor daya. Gb. 6(b) memperlihatkan gelombang arus masukan penyearah dioda pada kondisi tak seimbang.

Pada kondisi seimbang, riak tegangan dc yang dihasilkan oleh penyearah dioda mengandung harmonisa orde kelipatan enam.Pada kondisi tak seimbang, riak tegangan dc yang dihasilkan mengandung harmonisa orde dua, empat, dan kelipatannya. Riak yang besar ini bisa menurunkan kwalitas tegangan keluaran yang dihasilkan inverter (jika digunakan pada VSD) dan mempercepat penuaan kapasitor dc. Gb. 7 memperlihatkan gelombang tegangan kapasitor pada kondisi seimbang dan tak seimbang.

Gb. 6. Gelombang arus masukan penyearah dioda tiga-fasa.

Gb. 7. Gelombang tegangan keluaran penyearah dioda tiga-fasa.

5. Solusi

Solusi paling mudah untuk mengatasi masalah akibat ketidakseimbangan adalah mengurangi besarnya ketidakseimbangan. Cara ini bisa dilakukan dengan menyeimbangkan pembebanan sumber. Ini cara yang lebih mudah karena sumber pada dasarnya adalah seimbang. Ketidakseimbangan muncul karena beban yang tak seimbang. Jika cara tersebut tidak bisa dilakukan maka satu-satunya cara adalah dengan memasang kompensator untuk menyeimbangkan beban. Kompensator ini bisa berupa kompensator statis berbasis SVC atau STATCOM.

About these ads

About angin165

Pria, Indonesia, muda, lajang, belum mapan.
This entry was posted in Electrical Machines, Miscellanous. Bookmark the permalink.

43 Responses to Ketidakseimbangan Tegangan dan Pengaruhnya

  1. Fendy Sutrisna says:

    Hwaaah tulisannya bagus sekali Pak.
    Ditunggu tulisan berikutnya.. ^_^

  2. rifky says:

    Sharing yang bagus pak.
    Untuk analisa ketidak seimbangan tegangan, kita selalu merepresentasikan dengan arus atau tegangan urutan positif, negatif dan nol.
    Pak, bisa sharing gimana caranya kita mengukur atau menghitung impedansi urutan positif, negatif dan nol?? Bagaimana hubungan impedansi urutan positif, negatif dan nol dengan impedansi total??
    Tks.

  3. dahono says:

    Untuk mengukur: Cara paling simple adalah suplai motor dengan tegangan tak seimbang dan dibaca tegangan urutan dan arus urutannya.
    Cara menghitung: pake rangkaian ekivalen dan masukkan nilai slip yang sesuai. Untuk urutan nol nilainya sama dengan impedansi bocor stator.

  4. dahono says:

    Dalam hal ini tidak dikenal istilah impedansi total

  5. harly says:

    Wah materinya sama dengan materi yang pernah diajarkan oleh desen ku di bangku kuliah dulunya,,
    Kayak pencerahan gitu,,,
    ku seolah kembali ke bangku kuliah dan menemukan kembali pelajarn yang sama seperti dulunya,,
    menyenangkan juga,

  6. pengaruh ketidakseimbangan tegangan terhadap transformator seperti apa…..mohon sharingnya..pak….saya mau bertanya…..membuat rangkaian ekivalen transformator tiga fasa gimana….kalau ada yang tau tlong bantu dong….

  7. dahono says:

    coba baca transformer engineering karangan Blume. Buku sangat tua sih, terbitan tahun 1950an

  8. rafli says:

    terima kasih, sudah membantu. kebetulan tentang tugas akhir saya :-D

  9. bro.. mau nanya nih..katanya beban tak seimbang membuat tegangan juga tak seimbang.. misal aku punya sumber 3 fasa.. terus aku buat penggolongan 3 beban yang masing masing 1 fasa, di suplly dari L1-N; L2-N; dan L3-N, nah kemudian ketiganya itu besar wattnya beda banget (semua beban komponennya R murni). itu ya yg dinamakan ketidakseimbangan beban?? berapa toleransi ketidak seimbangan yang boleh??.. atau ketidakseimbangan beban itu adlah jika ketiga fasa menyuplai masing2 beban 1 fasa yang menyuplai beban dengan impedansi yang berbeda beda walaupun besar watt tiap fasa sama?? itu pertanyaan pertama saya, simple aja.. pertanyaan yg lain nyusul..

  10. dahono says:

    Dalam teknik tenaga listrik, beban disebut tidak seimbang jika arusnya tidak sama besar dan beda fasanya tidak 120o. Namun dalam praktek, beban disebut tidak seimbang jika arusnya tidak sama besar (karena baca sudut susah dilakukan dalam praktek).
    Karena arus nggak seimbang, maka tegangan menjadi tidak seimbang. Ketidakseimbangan tegangan yang dianggap tidak mengganggu kinerja konsumen adalah 2%.

  11. seli_usel says:

    terimaksih infonya.
    saya telah mengerti atas info di atas

  12. Kemaren sempet denger beberapa generator kutub banyak kapasitas besar di desain secara tak-seimbang.. Itu pengaruhnya apa Pak?

  13. dahono says:

    sistemnya ga seimbang atau gangguannya yang ga seimbang?

  14. heldi says:

    pengaruh apabila suatu sistem itu tidak seimbang terhadap arus gangguan yg terjadi itu gmn ya pak???

  15. dahono2008 says:

    pengaruhnya ya cuma ngitungnya lebih susah. Baca aja bukun “Power system analysis under faulted conditions”

  16. p_p0w3r says:

    Pak Dahono mengapa ketidakseimbangan tegangan yang dianggap tidak mengganggu kinerja konsumen adalah 2%. Dari manakah nilai 2% yang menjadi nilai patokan tersebut? Apakah ada perhitungannya? Terima Kasih

  17. dahono2008 says:

    Sebenarnya kalau menurut NEMA, ketidakseimbangan yang tidak mengganggu motor adalah 1%, tetapi kalau menurut IEEE standard, ketidakseimbangan yang diijinkan adalah 2% (menurut NEMA ini akan menyebabkan derating sebesar 95%)

  18. p_p0w3r says:

    Terima kasih infonya pak. Pak adakah informasi untuk standar NEMA atau IEEE tersebut saya ingin mengetahuinya, karena saya pernah ada kasus pengukuran arus motor yang tidak normal R (274 A) S (297 A) T (297 A).

  19. dahono2008 says:

    Standard itu harus dibeli.

  20. Oji says:

    Jika Tegangan Input Power Supply kurang dari 220Vac apakah tegangan outputnya ikut turun juga? bagaimana dengan konsumsi dayanya?

  21. rino says:

    tolong pencerahannya ini pak…..gimana yang menyeimbangakn 2 tegangan yang berbeda sehingga bisa masuk ke dalam 1 battery

  22. julkarnaen says:

    pak saya mau nanya ……..
    bagaimana cara penurunan arus asut pada auto trafo …

  23. Pur Wanto says:

    Assalammu’alaikum, maaf sbelumnya pak ,saya mau menanyakan mengenai batas maksimal perbedaan sudut yang masih dizinkan saat proses pararel Generator atau saat sinkron antara PLN dengan Genset beerapa ya pak…mohon referensinya…dari beberapa article banyak yang menyebutkan perbedaan sudut maksimal 10 derajat tapi tidak ditampilkan referensi yang menguatkan pendapat tersebut…mohon pencerahannya,trimakasih..

  24. Dahono says:

    Memang tidak ada standard yang menyatakan berapa batas maksimumnya

  25. Rifqi says:

    Bagaimana cara pengukuran menentukan impedansi urutan positif, negatif dan nol, baik pada generator, trafo dan transmisi? Tks. Salam.

  26. dahono says:

    Hmm baca di buku symmetrical components karangannya evan atau yang terbaru. Lengkap disitu

  27. carol says:

    permisi pak, artikelnya cukup menarik. pak saya ingin bertanya, apa yang dilakukan oleh PLN ketika mengetahui beban tegangan tersebut tidak seimbang? lalu bagaimanakah maksud dari pemasangan kompensator yang bapak sarankan? terima kasih

  28. dahono says:

    PLN sih selalu berusaha menyeimbangkan beban karena ketidakseimbangan juga merugikan PLN. Kompensator perlu dipasang (oleh konsumen) kalau ketidakseimbangan sudah mulai menimbulkan kerusakan

  29. Rudi says:

    permisi pak dahono, saya mau tanya pak.
    bisa apa tidak 3 buah trafo 220volt 1 fasa ingin digunakan menjadi trafo 3 fasa yang outputnya 220volt jg.
    saya punya 3 buah trafo 1 fasa yg inputnya 220v dan outputnya 220v jg, dan ingin menghidupkan motor 3 fasa.
    apakanh bisa atau tidak pak ?
    mohon bantuanya.

  30. dahono says:

    Kalau rating sumbernya 380 Volt, line to line, maka bisa dilakukan dengan menyambung trafo dalam konfigurasi YY. Akan tetapi tegangannya mungkin sedikit distorted karena harmonisa kelipatan tiga dari trafo tidak bisa mengalir.

  31. Rudi says:

    nah kalau sumbernya 220v / 1 trafo, jika ada 3 trafo 1 fasa,
    apakah bisa disamakan dengan tegangan 3 fasa pak ?

  32. dahono says:

    ya beda dong

  33. Rudi says:

    ohh begitu ya pak.
    terima kasih pak.

  34. iskandar says:

    Pak mau nanya, kalau pada penyulang 3 fasa. Terjadi gangguan 1 fasa ke tanah yang mengakibatkan rele gfr trip. Beban fasa itu memiliki cos phi 0,8. Pada saat terjadi gangguan berapakah nilai cos phinya? Berubah atau tetap 0,8. Pada meter tercatat arus pada fasa R=859 A, S=159 A, T=157A dan N=712A. Dengan catatan nilai arus pada fasa R=160A sebelum terjadi gangguan.

  35. dahono says:

    Pada saat gangguan, besarnya cosphi hanya ditentukan oleh impedansi jaringan, bukan oleh besar bebannya.

  36. moh. sirojuddin says:

    mau tanya nih pak, standart harmonisa menurut IEEE untuk motor induksi 3 fasa, kira” berapa standartnya,,,,??? terima kasih.

  37. dahono says:

    IEEE hanya mengatur besarnya harmonisa yang dihasilkan konsumen di PCC (Point common of coupling). Jadi IEEE tidak mengatur standar harmonisa per peralatan atau per komponen. Lagi pula, motor induksi tidak menghasilkan harmonisa

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s