Harmonik dalam Sistem Tenaga Listrik: Pengertian, Penyebab dan Frekuensinya Harmonik

Harmonik adalah gelombang dengan frekuensi lebih tinggi yang tidak diinginkan dan menumpang pada gelombang fundamental. Kehadiran harmonik dapat menyebabkan bentuk gelombang menjadi tidak lagi sinusoidal atau mengalami distorsi. Dalam sistem kelistrikan, harmonik menjadi salah satu hal yang perlu diperhatikan karena dapat memengaruhi kualitas daya, terutama pada sistem yang banyak menggunakan perangkat elektronik dengan karakteristik beban non-linear.

Apa Itu Harmonik dalam Catu Daya AC?

Harmonik dalam sistem daya AC adalah komponen tegangan atau arus sinusoidal yang memiliki frekuensi lebih tinggi daripada frekuensi fundamental sistem. Komponen harmonik tersebut dapat menyebabkan distorsi pada bentuk gelombang sinusoidal, terutama pada sistem tenaga listrik tiga fase. Secara sederhana, distorsi harmonik merupakan perbedaan antara bentuk gelombang sinusoidal ideal yang seharusnya terdapat pada tegangan suplai atau arus beban dengan bentuk gelombang yang sebenarnya terjadi akibat adanya beban non-linear.

 

Pada rangkaian AC, resistor memiliki karakteristik yang sama seperti pada rangkaian DC. Arus yang mengalir melalui resistor akan sebanding dengan tegangan yang diberikan kepadanya. Hal tersebut terjadi karena resistor merupakan perangkat linear. Ketika tegangan yang diberikan berbentuk gelombang sinusoidal, arus yang mengalir melalui resistor juga akan berbentuk sinusoidal. Dengan demikian, tidak terdapat perbedaan fase antara tegangan dan arus pada resistor ideal.

 

Baca juga: Tutorial Tegangan RMS: Pengertian, Rumus, Metode Perhitungan dan Contoh 

Apa Penyebab Harmonik dalam Sistem Tenaga Listrik?

Secara umum, ketika membahas tegangan dan arus bolak-balik dalam suatu rangkaian listrik, kita biasanya mengasumsikan bahwa keduanya berbentuk sinusoidal murni. Pada sistem tenaga listrik, frekuensi fundamental umumnya adalah 50 Hz atau 60 Hz. Frekuensi inilah yang menjadi frekuensi dasar dari sistem. Namun, kondisi sebenarnya tidak selalu sesederhana itu. Harmonik dapat muncul ketika sistem menggunakan perangkat atau rangkaian listrik dan elektronik yang memiliki karakteristik arus-tegangan non-linear. Pada beban non-linear, arus yang mengalir tidak selalu sebanding secara langsung dengan tegangan yang diberikan. Akibatnya, bentuk gelombang arus yang dihasilkan dapat berbeda dari bentuk gelombang sinusoidal ideal. Gelombang seperti ini umumnya disebut sebagai gelombang non-sinusoidal atau gelombang kompleks.

Sumber Harmonik

Gelombang kompleks dapat dihasilkan oleh berbagai perangkat listrik yang memiliki karakteristik non-linear. Beberapa contoh sumber harmonik antara lain:

- Induktor berinti besi

- Transformator

- Electronic ballast pada lampu fluoresen

- Beban induktif berat

- Penyearah (rectifier)

- Silicon Controlled Rectifier (SCR)

- Transistor daya

- Power converter

- Berbagai rangkaian switching power supply

Pada rangkaian switching, arus listrik dapat ditarik hanya pada bagian tertentu dari gelombang tegangan AC, terutama di sekitar nilai puncaknya. Kondisi tersebut menyebabkan bentuk arus menjadi tidak sinusoidal.

 

Rangkaian seperti rectifier, SCR, transistor daya, power converter, dan solid-state switch juga banyak digunakan untuk mengatur daya motor atau mengubah sumber AC sinusoidal menjadi DC. Perlu diperhatikan bahwa harmonik terutama berkaitan dengan sistem AC. Sumber DC murni tidak memiliki frekuensi fundamental AC sehingga tidak mengalami harmonik dalam pengertian yang sama seperti sistem daya AC.

Gelombang Non-Sinusoidal

Rangkaian switching cenderung menarik arus pada bagian tertentu dari gelombang tegangan AC. Karena arus yang dihasilkan tidak lagi berbentuk sinusoidal sempurna, arus beban tersebut dikatakan mengandung harmonik. Secara matematis, sebuah gelombang kompleks non-sinusoidal dapat dibentuk dari gabungan beberapa gelombang sinusoidal dengan frekuensi berbeda. Komponen-komponen tersebut terdiri dari frekuensi fundamental dan berbagai frekuensi harmonik. Dengan kata lain, harmonik merupakan komponen gelombang yang menumpang pada gelombang fundamental dan menyebabkan bentuk gelombang keseluruhan mengalami distorsi. Setiap gelombang kompleks periodik dapat diuraikan menjadi beberapa komponen sinusoidal. Komponen tersebut terdiri dari frekuensi fundamental dan sejumlah frekuensi harmonik dengan nilai yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamental.

Apa Itu Frekuensi Fundamental?

Frekuensi fundamental adalah frekuensi dasar dari suatu sistem atau gelombang. Gelombang fundamental juga sering disebut sebagai harmonik pertama (1st harmonic). Frekuensi fundamental merupakan frekuensi terendah yang menjadi dasar terbentuknya sebuah gelombang kompleks. Karena itu, periode gelombang kompleks memiliki hubungan langsung dengan periode frekuensi fundamental. Sebagai contoh, jika sebuah sistem memiliki frekuensi fundamental 50 Hz, maka komponen harmoniknya akan memiliki frekuensi yang merupakan kelipatan dari 50 Hz.

Gelombang Sinusoidal Fundamental

Mari kita perhatikan bentuk gelombang sinusoidal fundamental atau harmonik pertama pada sistem AC berikut:

Di mana:

- Vmaks adalah nilai tegangan puncak dalam volt.

- ƒ adalah frekuensi gelombang dalam satuan Hertz (Hz). 

Gelombang sinusoidal merupakan bentuk tegangan atau arus bolak-balik yang berubah terhadap waktu mengikuti fungsi sinus. Perubahan tersebut dapat dinyatakan menggunakan sudut fase dan frekuensi sudut ω. Frekuensi gelombang AC, yang dinyatakan dengan simbol ƒ, menunjukkan jumlah siklus yang terjadi setiap detik. Sebagai contoh, sistem kelistrikan di Inggris menggunakan frekuensi fundamental 50 Hz, sedangkan sistem kelistrikan di Amerika Serikat menggunakan 60 Hz.

Apa Itu Harmonik?

Harmonik adalah komponen tegangan atau arus yang memiliki frekuensi berupa kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental. Ketika komponen-komponen harmonik tersebut ditambahkan ke gelombang fundamental, bentuk gelombang yang dihasilkan menjadi lebih kompleks dan dapat mengalami distorsi. Gelombang tersebut kemudian dikenal sebagai gelombang kompleks. Dengan demikian, sebuah gelombang kompleks periodik dapat terdiri dari:

- Frekuensi fundamental

- Sejumlah komponen harmonik.

Setiap komponen harmonik memiliki urutan (order) tertentu. Nilai frekuensinya merupakan hasil perkalian antara urutan harmonik dengan frekuensi fundamental. Secara umum, frekuensi harmonik dapat dinyatakan dengan persamaan:

 

fₙ = n × f

Keterangan:

- fₙ = frekuensi harmonik ke-n

- n = urutan harmonik

- f = frekuensi fundamental 

Contoh Frekuensi Harmonik pada Sistem 50 Hz

Jika frekuensi fundamental suatu sistem adalah 50 Hz, maka frekuensi harmoniknya dapat dihitung berdasarkan kelipatan bilangan bulat.

Contohnya:

- 1st harmonic = 1 × 50 Hz = 50 Hz

- 2nd harmonic = 2 × 50 Hz = 100 Hz

- 3rd harmonic = 3 × 50 Hz = 150 Hz

- 4th harmonic = 4 × 50 Hz = 200 Hz

- 5th harmonic = 5 × 50 Hz = 250 Hz

- 7th harmonic = 7 × 50 Hz = 350 Hz

Dengan demikian, semakin tinggi urutan harmoniknya, semakin tinggi pula frekuensi yang dihasilkan.

Contoh Frekuensi Harmonik pada Sistem 60 Hz

Hal yang sama berlaku pada sistem dengan frekuensi fundamental 60 Hz.

Contohnya:

- 1st harmonic = 1 × 60 Hz = 60 Hz

- 2nd harmonic = 2 × 60 Hz = 120 Hz

- 3rd harmonic = 3 × 60 Hz = 180 Hz

- 4th harmonic = 4 × 60 Hz = 240 Hz

- 5th harmonic = 5 × 60 Hz = 300 Hz

Dari contoh tersebut dapat diketahui bahwa frekuensi harmonik selalu mengikuti kelipatan dari frekuensi fundamental. Secara sederhana, harmonik dapat dinyatakan sebagai 2ƒ, 3ƒ, 4ƒ, 5ƒ, dan seterusnya. Angka di depan simbol ƒ menunjukkan urutan harmonik, sedangkan ƒ merupakan frekuensi fundamental.

Gelombang Kompleks Akibat Harmonik

Pada gambar tersebut, gelombang merah menunjukkan bentuk gelombang yang sebenarnya dapat terlihat oleh beban setelah komponen harmonik ditambahkan pada frekuensi fundamental. Ketika beberapa komponen harmonik bergabung dengan gelombang fundamental, bentuk gelombang yang awalnya sinusoidal dapat berubah menjadi gelombang kompleks. Semakin besar kandungan harmoniknya, semakin besar pula distorsi yang dapat terjadi pada bentuk gelombang.

 

Selain harmonik, terdapat pula istilah subharmonik. Subharmonik merupakan komponen gelombang yang memiliki frekuensi lebih rendah daripada frekuensi fundamental. Dengan demikian, dalam sistem tenaga listrik, memahami frekuensi fundamental, harmonik, dan gelombang non-sinusoidal menjadi penting untuk mengetahui bagaimana kualitas bentuk gelombang dapat berubah akibat penggunaan beban non-linear.

Frekuensi Fundamental dan Urutan Harmonik

Gelombang fundamental juga dikenal sebagai 1st harmonic atau harmonik pertama. Karena itu, frekuensi harmonik lainnya merupakan kelipatan dari frekuensi fundamental. Sebagai contoh:

- 2nd harmonic memiliki frekuensi dua kali frekuensi fundamental.

- 3rd harmonic memiliki frekuensi tiga kali frekuensi fundamental.

- 4th harmonic memiliki frekuensi empat kali frekuensi fundamental.

Hubungan antara frekuensi fundamental dan harmonik tersebut dapat dilihat pada kolom sisi kiri. Kolom sisi kanan menunjukkan bentuk gelombang kompleks yang dihasilkan dari penjumlahan gelombang fundamental dengan gelombang harmonik pada berbagai frekuensi. Perlu diketahui bahwa bentuk gelombang kompleks yang dihasilkan tidak hanya dipengaruhi oleh jumlah dan amplitudo harmonik yang terdapat di dalamnya. Hubungan fase antara gelombang fundamental dan masing-masing komponen harmonik juga memiliki pengaruh terhadap bentuk akhir gelombang. Dengan kata lain, dua gelombang yang memiliki jumlah dan amplitudo harmonik yang sama belum tentu menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang sama apabila hubungan fasenya berbeda.

Karakteristik Harmonik

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, sebuah gelombang kompleks dapat terdiri dari gelombang fundamental yang ditambah dengan sejumlah komponen harmonik. Setiap komponen harmonik memiliki karakteristiknya sendiri, termasuk amplitudo, frekuensi, dan sudut fase. Sebagai contoh, apabila gelombang fundamental dinyatakan dengan persamaan:

 

E = Vmaks sin(2πƒt) 

maka komponen harmoniknya dapat dinyatakan berdasarkan kelipatan frekuensi fundamental.

1. Harmonik Kedua

Untuk 2nd harmonic, frekuensinya adalah dua kali frekuensi fundamental.

2. Harmonik Ketiga

Untuk 3rd harmonic, frekuensinya adalah tiga kali frekuensi fundamental.

3. Harmonik Keempat

Untuk 4th harmonic, frekuensinya adalah empat kali frekuensi fundamental.

Hubungan tersebut terus berlanjut untuk harmonik dengan urutan yang lebih tinggi. Secara umum, frekuensi harmonik ke-n dapat dinyatakan sebagai:

 

fₙ = n × f 

Keterangan:

- fₙ = frekuensi harmonik ke-n

- n = urutan harmonik

- f = frekuensi fundamental

Perhitungan Distorsi Tegangan

Ketika gelombang fundamental digabungkan dengan berbagai komponen harmonik, terbentuklah sebuah gelombang kompleks. Nilai gelombang kompleks tersebut merupakan hasil kombinasi dari gelombang fundamental dan seluruh komponen harmonik yang terdapat di dalam sistem. Persamaan umum untuk menyatakan nilai gelombang kompleks adalah:

Semakin besar komponen harmonik yang terdapat pada suatu sistem, semakin besar pula kemungkinan terjadinya distorsi pada bentuk gelombang tegangan. Dalam sistem tenaga listrik, harmonik umumnya diklasifikasikan berdasarkan frekuensi dan urutan harmoniknya. Sebagai contoh, pada sistem dengan frekuensi fundamental 50 Hz, 2nd harmonic memiliki frekuensi:

 

2 × 50 Hz = 100 Hz 

Dengan demikian, harmonik tersebut dapat disebut sebagai 2nd harmonic pada 100 Hz.

Urutan Harmonik

Selain berdasarkan frekuensi, harmonik juga dapat diklasifikasikan berdasarkan urutan (harmonic sequence). Urutan harmonik berkaitan dengan rotasi phasor tegangan dan arus harmonik terhadap gelombang fundamental dalam sistem tenaga tiga fase yang seimbang, termasuk sistem 3-phase, 4-wire. Secara umum, urutan harmonik dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu:

1. Positive sequence

2. Negative sequence

3. Zero sequence

Ketiga jenis urutan tersebut memiliki karakteristik dan pengaruh yang berbeda terhadap sistem tenaga listrik. 

Secara umum, pola urutan harmonik dapat diringkas sebagai berikut:

Nama	Dana	Ke-2	Ke-3	Ke-4	Ke-5	Ke-6	Ke-7	Ke-8	Ke-9
Frekuensi, Hz	50	100	150	200	250	300	350	400	450
Urutan	+	-	0	+	-	0	+	-	0

Pola urutan harmonik tersebut tidak bergantung pada apakah sistem menggunakan frekuensi fundamental 50 Hz atau 60 Hz. Artinya, pembagian menjadi positive sequence, negative sequence, dan zero sequence tetap berlaku pada sistem dengan frekuensi fundamental 60 Hz.

Urutan	Rotasi	Efek Harmonik
+	Maju	Efek pemanasan berlebihan
-	Balik	Masalah torsi motor
0	Tidak ada	Menambahkan tegangan dan/atau arus pada kabel netral yang menyebabkan pemanasan

Harmonik Positive Sequence

Harmonik positive sequence berputar dalam arah yang sama dengan gelombang fundamental. Contoh harmonik positive sequence adalah 1st, 4th, 7th, 10th, dst. Komponen-komponen tersebut memiliki arah rotasi yang sama atau forward rotation terhadap frekuensi fundamental. Harmonik positive sequence dapat menyebabkan berbagai masalah pada sistem tenaga listrik. Salah satunya adalah pemanasan berlebih pada konduktor, saluran listrik, dan transformator akibat adanya tambahan arus harmonik. Jika kandungan harmonik cukup tinggi, peningkatan arus dapat menyebabkan rugi-rugi daya dan temperatur komponen menjadi lebih besar.

Harmonik Negative Sequence

Berbeda dengan positive sequence, harmonik negative sequence berputar berlawanan arah terhadap frekuensi fundamental atau disebut reverse rotation. Contoh harmonik negative sequence antara lain 2nd, 5th, 8th, 11th, dst. Harmonik jenis ini dapat menimbulkan masalah terutama pada motor listrik. Pada motor, khususnya induction motor, medan magnet berputar yang dihasilkan oleh harmonik negative sequence bergerak berlawanan arah dengan medan fundamental. Kondisi tersebut dapat mengurangi torsi yang dihasilkan motor dan meningkatkan pemanasan pada motor. Akibatnya, efisiensi motor dapat menurun dan temperatur operasi dapat meningkat.

Harmonik Triplen

Selain positive sequence dan negative sequence, terdapat kelompok harmonik khusus yang disebut triplen harmonics. Triplen harmonics adalah harmonik yang memiliki urutan kelipatan tiga, seperti:

3rd, 6th, 9th, 12th, ... Harmonik triplen termasuk dalam zero-sequence harmonics. Komponen triplen memiliki karakteristik fase yang sama atau in-phase satu sama lain. Karena memiliki hubungan fase tersebut, harmonik triplen tidak saling meniadakan seperti yang dapat terjadi pada beberapa komponen harmonik lainnya. Harmonik triplen dapat beredar melalui jalur fase dan netral atau menuju ground, tergantung pada konfigurasi sistem tenaga listrik.

Mengapa Harmonik Triplen Berbahaya?

Salah satu masalah utama dari triplen harmonics adalah perilakunya pada sistem tenaga listrik tiga fase. Pada sistem tiga fase yang seimbang, arus fundamental dari ketiga fase dapat saling meniadakan pada konduktor netral. Namun, kondisi tersebut tidak berlaku dengan cara yang sama pada harmonik triplen. Karena komponen triplen dari ketiga fase memiliki hubungan fase yang sama, arus harmoniknya justru dapat menjumlah secara aritmetika pada konduktor netral.

 

Sebagai contoh, jika setiap fase memiliki arus harmonik triplen dengan amplitudo tertentu, maka ketiga arus tersebut dapat bergabung pada konduktor netral. Akibatnya, arus pada konduktor netral dapat menjadi jauh lebih besar dibandingkan arus fundamental pada masing-masing fase. Dalam kondisi tertentu, amplitudo arus harmonik triplen pada konduktor netral dapat mencapai sekitar tiga kali amplitudo arus harmonik pada satu fase. Kondisi ini dapat menyebabkan:

- Pemanasan berlebih pada konduktor netral

- Peningkatan rugi-rugi daya

- Penurunan kualitas sistem tenaga listrik

- Kerusakan isolasi akibat temperatur yang terlalu tinggi

- Risiko kegagalan pada konduktor netral

Oleh karena itu, sistem yang memiliki kandungan harmonik triplen tinggi perlu dirancang dengan mempertimbangkan kapasitas konduktor netral. Pada instalasi tertentu, konduktor netral dengan kapasitas yang memadai diperlukan untuk menangani peningkatan arus akibat harmonik triplen.

 

Baca juga: Daya Reaktif: Pengertian, Fungsi dan Hubungannya dengan Daya AC

 

 

 

 

 

 

 

Siap Untuk Membuat Proyek Impianmu Menjadi Kenyataan?

Klik di sini untuk chat langsung via WhatsApp dan dapatkan dukungan langsung dari tim ahli kami!