Analisa Perbandingan Perancangan Filter LCL Pada Penyearah Terkendali Satu Fasa Full Converter Dengan Penyearah Pwm Satu Fasa Full Bridge

(1)

ANALISA PERBANDINGAN PERANCANGAN FILTER LCL PADA PENYEARAH TERKENDALI SATU FASA FULL CONVERTER DENGAN

PENYEARAH PWM SATU FASA FULL BRIDGE

TESIS

Oleh

HARI ANNA LASTYA 107034003/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

ANALISA PERBANDINGAN PERANCANGAN FILTER LCL PADA PENYEARAH TERKENDALI SATU FASA FULL CONVERTER DENGAN

PENYEARAH PWM SATU FASA FULL BRIDGE

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh:

HARI ANNA LASTYA 107034003/MTE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

Judul Penelitian :ANALISA PERBANDINGAN PERANCANGAN FILTER LCL PADA PENYEARAH TERKENDALI SATU FASA FULL CONVERTER DENGAN PENYEARAH PWM SATU FASA FULL BRIDGE

Nama Mahasiswa : Hari Anna Lastya Nomor Induk : 107034003

Program Studi : Magister Teknik Elektro

Menyetujui Komisi Pembimbing :

(Dr. Ir. Refdinal Nazir, M.S, Ph.D ) ( Ir. Ashuri, MT

Ketua Anggota

)

Ketua Program Studi, Dekan,

(Prof.Dr.Ir.Usman Baafai) (Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME)

(4)

Telah Diuji Pada

Tanggal : 3 Oktober 2012

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Ir. Refdinal Nazir, M.S, Ph.D Anggota : 1. Ir. Ashuri, MT

2. Ir. Riswan Dinzi, MT

3. Ir. Sinar Terang Sembiring, MT 4. Prof.Dr.Ir.Usman Baafai

(5)

ABSTRAK

Peralatan elektronik membutuhkan sumber arus searah, sementara yang tersedia merupakan sumber arus bolak balik, sehingga dibutuhkan konverter ac-dc yang berfungsi mengubah sumber arus bolak balik yang ada menjadi sumber arus searah. Pemakaian konverter ac-dc, menghasilkan distorsi pada bentuk gelombang arus, yang disebut harmonisa. Harmonisa dapat mengganggu kerja peralatan listrik lainnya yang terpasang pada sumber tegangan yang sama. Jadi, harus diupayakan agar harmonisa yang dibangkitkan oleh konverter ac-dc dibawah standar IEC 61000-3-2. Penelitian ini akan dilakukan reduksi arus harmonisa dengan filter LCL. Pada daya output sebesar 2 kW, beban R sebesar 5 ฀ dan L sebesar 0,05 H, penyearah terkendali

satu fasa full converter menghasilkan arus harmonisa ketiga sebesar 2,76 Ampere, sesudah pemasangan filter LCL menjadi 0,76 Ampere. Pada penyearah PWM satu fasa

full bridge menghasilkan arus harmonisa ketiga sebesar 2,57 Ampere, sesudah

pemasangan filter LCL menjadi 1,26 Ampere. Sedangkan menurut standard IEC 61000-3-2, arus harmonisa ketiga yang diizinkan adalah sebesar 2,3 Ampere.

(6)

ABSTRACT

Electronics devices need a direct current power supply although now only one alternating current power supply is available. Therefore, ac-dc converters which can convert an alternating current power supply to a direct current power supply will be needed. However, the use of this ac-dc converters will cause distortion in the form of current waves which are called harmonics. This harmonics can fault the work of the other electric devices which are attached to the same power source. Therefore, it is recommended that the harmonics generated by rectifiers should be under IEC 61000-3-2 standard. In this research will reduction of harmonics by using LCL filter. At load

of 2 kW, R of 5 ฀, L of 0,05 H, controlled rectifiers single phase full converter

produce the third harmonics current of 2.76 amperes, the installed LCL filter produces the third harmonics current of 0.76 ampere. While, at PWM rectifiers single phase full bridge with RL load produce the third harmonics current of 2.57 amperes, the installed LCL filter produces the third harmonics current of 1.26 amperes. According to IEC-61000-3-2 standard, the allowed third harmonics current is 2.3 amperes.

(7)

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah segala puji dan syukur bagi Allah SWT karena telah diberi izinNYA untuk menyelesaikan tesis ini dengan baik sekali dalam judul Analisa Perbandingan Perancangan Filter LCL Pada Penyearah Terkendali Satu Fasa Full Converter Dengan Penyearah Pwm Satu Fasa Full Bridge.

Penulis terutama sekali mengucapkan terima kasih kepada Ayahanda Drs. H.M.Saleh Yunus, M.Si dan Ibunda Hj.Nurma tercinta dan kepada suami Ichsan, ST, atas doa dan dorongan batin yang tak ternilai harganya.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Refdinal Nazir, M.S, Ph.D selaku ketua komisi pembimbing, Bapak Ir. Ashuri, MT selaku anggota komisi pembimbing yang dengan penuh sabar, arif dan bijaksana memberikan bimbingan, petunjuk dan arahan serta dorongan kepada penulis. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, Prof. Dr. Tulus, M.Si, Ir. Riswan Dinzi, MT, dan Ir. Sinar Terang Sembiring, MT selaku pembanding utama tesis ini.

Terima kasih juga disampaikan kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM &H, M.Sc (CTM), Sp.A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan program Magister, dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang memberikan kesempatan menjadi mahasiswa Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

(8)

Program Studi Magister Teknik Elektro. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas konstribusi dan bantuannya.

Penulis menyadari masih ada kekurangan dalam tulisan ini, namun penulis mengharapkan tulisan ini dapat memenuhi persyaratan yang diperlukan untuk suatu tesis dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Akhir kata penulis berharap tulisan ini dapat bermanfaat bagi yang membacanya, dan menambah pengetahuan dibidang harmonisa pada penyearah dan terimakasih saya kepada semua pihak yang dalam hal ini tidak mungkin saya sebutkan satu persatu. Semoga ALLAH SWT melimpahkan rahmat, taufiq dan hidayahnya kepada kita semua. Amin.

Medan, Oktober 2012 Hormat saya,

(9)

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan dibawah ini,

Nama : Hari Anna Lastya

Tempat / Tanggal Lahir : Banda Aceh/ 30 April 1987 Jenis Kelamin : Perempuan

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : JL. Jurong Dagang, Lr. Babul Jannah, Ceurih, Ulee Kareng, Banda Aceh.

Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa :

PENDIDIKAN

1. Tamatan SD Persit 1, Banda Aceh Tahun 1999

2. Tamatan SMPN 1, Banda Aceh Tahun 2002

3. Tamatan SMAN 2 Modal Bangsa, Aceh Besar Tahun 2005 4. Tamatan Teknik Elektro UNSYIAH Tahun 2009

1. Staf Pengajar pada Jurusan Teknik Informatika Fakultas Teknik Universitas Serambi Mekkah sejak 1 September 2009 sampai dengan sekarang.

(10)

`Demikian riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.

Medan, Oktober 2012 Tertanda,

(11)

DAFTAR ISI

Halaman ABSTRAK...

(12)

(13)

DAFTAR TABEL

Penelitian mengenai model filter harmonisa yang telah

dilakukan... Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A... Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B ... Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C ... Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D ... Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D ...

Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ...

Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 20 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ...

Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa

full converter dan penyearah PWM satu fasa full

bridge ... Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full

(14)

3.7

3.8

4.1

4.2

4.3

Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa

full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ...

Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full

bridge ... Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah

pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ...

Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah

pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ... Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah

pemasangan filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ...

54

56

61

62

(15)

DAFTAR GAMBAR

Bentuk gelombang arus dan tegangan ………...

Full converter satu fasa ...

Penyearah PWM satu fasa full bridge. (a) Rangkaian penyearah PWM, rangkaian ekivalen dengan (b) T1 dan T4 On, (c) T2 dan T3 On, (d) T1 dan T3 atau T2 dan T4 On ……… Bentuk gelombang tegangan dan arus pada penyearah

PWM………... Filter pasif single tuned ...

Low pass filter harmonic ...

Filter LCL ... Rangkaian Filter LCL pada Penyearah Terkendali Satu

Fasa... Ekivalen filter LCL satu fasa pada harmonisa h... Rangkaian penyearah terkendali satu fasa full converter untuk

simulasi sebelum pemasangan filter LCL... Rangkaian penyearah PWM satu fasa full bridge untuk

simulasi sebelum pemasangan filter LCL ... Rangkaian penyearah terkendali satu fasa full converter untuk simulasi setelah pemasangan filter LCL ... Rangkaian penyearah PWM satu fasa full bridge setelah

pemasangan filter LCL ... Diagram alir pelaksanaan penelitian ...

(16)

3.6.

Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus input sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R = 5 Ω ... Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus input sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R = 20 Ω... Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus input sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R = 5 Ω,

L=0,05 H ... Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa arus input sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R = 20 Ω ,

L= 0,2 H ... Bentuk gelombang arus input dan spektrum harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 ฀ ……….

Bentuk gelombang arus input dan spektrum harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 ฀, L=0,05 H………

Bentuk gelombang arus input dan spektrum harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=20 ฀, L=0,2 H………

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

(18)

10.

11.

12.

13.

14.

Hasil simulasi menggunakan Matlab/simulink pada penyearah PWM satu fasa full bridge setelah dipasang filter LCL untuk beban R= 5 Ω ………... Hasil simulasi menggunakan Matlab/simulink pada penyearah terkendali satu fasa full converter setelah dipasang filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H………... Hasil simulasi menggunakan Matlab/simulink pada penyearah PWM satu fasa full bridge setelah dipasang filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H………... Hasil simulasi menggunakan Matlab/simulink pada penyearah terkendali satu fasa full converter setelah dipasang filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H………... Hasil simulasi menggunakan Matlab/simulink pada penyearah PWM satu fasa full bridge setelah dipasang filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H………...

88

90

92

94

(19)

ABSTRAK

Peralatan elektronik membutuhkan sumber arus searah, sementara yang tersedia merupakan sumber arus bolak balik, sehingga dibutuhkan konverter ac-dc yang berfungsi mengubah sumber arus bolak balik yang ada menjadi sumber arus searah. Pemakaian konverter ac-dc, menghasilkan distorsi pada bentuk gelombang arus, yang disebut harmonisa. Harmonisa dapat mengganggu kerja peralatan listrik lainnya yang terpasang pada sumber tegangan yang sama. Jadi, harus diupayakan agar harmonisa yang dibangkitkan oleh konverter ac-dc dibawah standar IEC 61000-3-2. Penelitian ini akan dilakukan reduksi arus harmonisa dengan filter LCL. Pada daya output sebesar 2 kW, beban R sebesar 5 ฀ dan L sebesar 0,05 H, penyearah terkendali

satu fasa full converter menghasilkan arus harmonisa ketiga sebesar 2,76 Ampere, sesudah pemasangan filter LCL menjadi 0,76 Ampere. Pada penyearah PWM satu fasa

full bridge menghasilkan arus harmonisa ketiga sebesar 2,57 Ampere, sesudah

pemasangan filter LCL menjadi 1,26 Ampere. Sedangkan menurut standard IEC 61000-3-2, arus harmonisa ketiga yang diizinkan adalah sebesar 2,3 Ampere.

(20)

ABSTRACT

Electronics devices need a direct current power supply although now only one alternating current power supply is available. Therefore, ac-dc converters which can convert an alternating current power supply to a direct current power supply will be needed. However, the use of this ac-dc converters will cause distortion in the form of current waves which are called harmonics. This harmonics can fault the work of the other electric devices which are attached to the same power source. Therefore, it is recommended that the harmonics generated by rectifiers should be under IEC 61000-3-2 standard. In this research will reduction of harmonics by using LCL filter. At load

of 2 kW, R of 5 ฀, L of 0,05 H, controlled rectifiers single phase full converter

produce the third harmonics current of 2.76 amperes, the installed LCL filter produces the third harmonics current of 0.76 ampere. While, at PWM rectifiers single phase full bridge with RL load produce the third harmonics current of 2.57 amperes, the installed LCL filter produces the third harmonics current of 1.26 amperes. According to IEC-61000-3-2 standard, the allowed third harmonics current is 2.3 amperes.

(21)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dewasa ini banyak konsumen daya listrik menggunakan beban tidak linier, baik konsumen rumah tangga, perkantoran maupun industri. Contoh beban tidak linier adalah rectifier, converter, inverter, tanur busur listrik, motor-motor listrik,

Uninterubtable Power Supply (UPS) dan lain-lain. Pada aplikasi industri bahwa daya

listrik harus dikontrol terlebih dahulu sebelum diberikan ke beban. Untuk mengontrol daya listrik, biasanya digunakan suatu konverter. Konverter ac-dc adalah pengontrol daya listrik ac yang tersedia dikonversi menjadi tegangan dc variabel.

(22)

menurunkan efisiensi. Oleh karena itu, harmonisa yang ditimbulkan oleh penyearah perlu direduksi agar tidak mengganggu kerja peralatan lain yang tersambung pada sumber yang sama. Pencegahan ini dapat dilakukan dengan menggunakan filter harmonisa. Filter harmonisa selain untuk mengurangi harmonisa yang ditimbulkan sampai di bawah standar yang diizinkan dapat juga untuk menaikkan faktor daya.

Secara konvensional untuk memfilter harmonisa pada penyearah dilakukan dengan filter pasif karena harganya lebih murah. Filter pasif terdiri dari sebuah bank filter LC yang digunakan untuk menekan harmonisa. Akan tetapi sebuah link filter pasif hanya dapat memfilter satu frekuensi harmonisa, sehingga dibutuhkan sejumlah n link filter pasif untuk meminimalis sejumlah n harmonisa.

Alternatif lain untuk filter harmonisa adalah menggunakan filter LCL. Filter LCL dapat digunakan pada sumber tegangan baik satu fasa maupun tiga fasa. Filter LCL merupakan filter yang terdiri dari komponen pasif berupa dua buah induktor (induktor sisi jatingan dan induktor sisi converter) dan sebuah kapasitor. Filter LCL lebih efektif dibandingkan filter L yang biasa, hal ini disebabkan karena induktor digunakan lebih kecil untuk mereduksi harmonisa [1].

(23)

Tabel 1.1. Penelitian mengenai model filter harmonisa yang telah dilakukan

Hasil yang diperoleh

1. Darwin filter pasif dan filter akif THDv menjadi

Penyearah satu fasa

ketika hanya menggunakan

kapasitor perata menghasilkan THDi yang cukup besar yaitu 23,6%, ketika menggunakan filter L-C seri THDi menjadi 10%, dan ketika menggunakan filter passive wave shapping method dihasilkan 3,5% dan dapat menaikkan faktor daya dari 0,59

menjadi 0,99

Dari hasil percobaan didapatkan THD

(24)

Dari penelitian yang telah dilakukan tersebut dengan berbagai teknologi sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam meredam harmonisa. Perbedaan penelitian yang sudah dilakukan dengan yang akan dilakukan adalah penggunaan filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge, sementara penelitian yang sudah dilakukan penggunaan filter LCL pada Voltage Source Converter (VSC) tiga fasa.

Dalam tesis ini akan dianalisa penggunaan filter LCL pada sisi input

penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

dapat mengurangi THDi yang dihasilkan kedua penyearah tersebut dimana analisanya dilakukan dengan program simulasi yang menggunakan softwareMatlab/simulink.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas bahwa penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge menghasilkan harmonisa yang

cukup besar karena bentuk gelombang arusnya tidak sinusoidal murni dan diatas standar yang diizinkan. Oleh karena itu permasalahan yang akan diselesaikan dalam penelitian ini adalah:

a. Bagaimana nilai atau harga arus harmonisa yang dihasilkan oleh penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

(25)

b. Bagaimana pengaruh filter LCL dalam mereduksi arus harmonisa pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa

full bridge?

1.3. Batasan Masalah

Mengingat banyaknya variabel yang dapat digunakan untuk mengurangi harmonisa dengan menggunakan filter LCL, maka perlu dibuat batasan masalah yang akan diteliti, yaitu:

a. Penyearah terkendali yang digunakan merupakan penyearah terkendali satu fasa full converter yang menggunakan thyristor.

b. Penyearah PWM yang digunakan merupakan penyearah PWM satu fasa full

bridge yang menggunakan IGBT.

c. Beban yang digunakan adalah beban resistif murni (R) dan beban RL.

d. Kapasitor perata (C) pada output penyearah terkendali dan penyearah PWM tidak digunakan.

e. Analisa harmonisa hanya dibagian input penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge.

1.4. Tujuan Penelitian

(26)

fasa full bridge, kemudian merancang model filter LCL yang untuk meredam harmonisa yang terjadi minimal mampu mencapai di bawah standar IEC 61000-3-2 pada kedua penyearah tersebut.

1.5. Manfaat Penelitian

Dewasa ini beban dengan peralatan elektronik adalah penyumbang terbesar harmonisa pada sistem tenaga listrik, terutama beban satu fasa. Ini disebabkan karena beban satu fasa merupakan beban yang terbanyak terpasang di jaringan. Untuk jaringan yang banyak melayani beban maka sangat sulit untuk mengurangi harmonisa yang ada, disamping biayanya cukup besar. Oleh karena itu penelitian diharapkan dapat bermanfaat untuk:

a. Mendapatkan kualitas daya listrik yang lebih baik untuk perusahaan listrik dan konsumen listrik dengan harmonisa yang rendah.

b. Faktor daya yang tinggi.

c. Mengurangi kerugian biaya operasi dan pengaruh kerja peralatan lain tidak terganggu akibat hamonisa.

d. Mampu mengurangi harmonisa untuk keseluruhan sistem.

(27)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Harmonisa

Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban tidak linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan, sehingga gelombangnya bersih dan tidak terdistorsi. Tidak semua beban yang terpasang merupakan beban linier bahkan dewasa ini sebagian besar beban yang terpasang merupakan beban tidak linier. Pada beban tidak linier beban tidak lagi menggambarkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang proporsional. Pemakaian beban tidak linier akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang tidak sinusoidal. Akibatnya akan terbentuk gelombang terdistorsi yang akan menghasilkan harmonisa. Perbedaan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh beban linier dan beban tidak linier dapat dilihat pada Gambar 2.1.

(28)

Gambar 2.1 memperlihatkan perbedaan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh beban linier dan beban tidak linier. Bentuk gelombang yang tidak sinusoidal ini merupakan gabungan dari bentuk gelombang fundamental dan gelombang yang mengandung sejumlah komponen harmonisa. Jadi harmonisa adalah gelombang arus atau tegangan sinusoidal yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamentalnya. Misalnya bila frekuensi fundamentalnya 50 Hz maka harmonisa ke-2 adalah gelombang sinusoidal dengan frekuensi 100 Hz, harmonisa ke-3 gelombang sinusoidal dengan frekuensi 150 Hz dan seterusnya.

2.2. Sumber-Sumber Harmonisa

Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban tidak linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban tidak linier adalah bentuk gelombang keluaran yang tidak sebanding dengan tegangan masuk dalam setiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya.

Saat ini elektronika daya sebagai konverter banyak digunakan pada sistem penyearah atau inverter untuk sistem penyedia energi listrik sesuai kebutuhan [6].

(29)

VAR kompensator, inverters, kendali fasa elektronika daya, cycloconverters, power

supply DC dan PWM.

Beban tidak linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang di dalamnya banyak terdapat komponen semikonduktor seperti switching power supplies, UPS,

komputer, printer, LHE, DC drive, AC drive, welding arc, battery charger, dll. Proses kerja peralatan atau beban tidak linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal.

2.3. Perhitungan Harmonisa

Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban tidak linier atau alat yang mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic

Distortion (THD) dari perumusan analisa deret Fourier untuk tegangan dan arus dalam

fungsi waktu yaitu [7]:

….…………..…. (2.1)

Dimana: Vo = Komponen dc dari gelombang tegangan (V)

….………..…………(2.2)

Dimana: Io

Tegangan dan arus rms dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang

dibagi √2 dan secara deret Fourier untuk tegangan dan arus yaitu: = Arus dc (A)

�(�) =�_�+� �_��(��+�_�)

∞

�=1

�(�) =�_�+� �_��(��+�_�)

∞

(30)

…..…...………. (2.3)

….……..……...………. (2.4)

THD tegangan dan arus didefinisikan sebagai nilai rms harmonisa di atas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai rms fundamentalnya, dengan tegangan dc-nya diabaikan. THD tegangan sebagai berikut:

....…..……...………. (2.5)

Dengan mengabaikan tegangan dc (Vo) dan nilai Vrms digantikan dengan ��/√2 pada Persamaan (2.5), sehingga THD dapat dituliskan dalam persamaan berikut:

…………...………..…….…….. (2.6)

THD arus sebagai berikut:

(31)

Dengan mengabaikan arus dc (Io) dan nilai Irms

….……..…….…………...… (2.8)

digantikan dengan �_�/√2 pada Persamaan (2.7), sehingga THD dapat dituliskan dalam persamaan berikut:

2.4. Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai di bawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis, dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknis di bawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission

(IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun tiga

fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE.

Pada standar IEC 61000-3-2, beban-beban kecil tersebut diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D, dimana masing-masing kelas mempunyai batasan harmonisa yang berbeda-beda yang dijelaskan sebagai berikut [8,9].

�� =

�∑ ��

√2�

2 ∞

�=2

�1

√2

= �∑ (��)

2 ∞ �=2

�1

(32)

a. Kelas A

Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 Ampere perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A) Harmonisa Ganjil

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15≤n≤39 2,25/n

Harmonisa Genap

2 1,08

4 0,43

6 0,30

8≤n≤40 1,84/n

(33)

b. Kelas B

Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable yang batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat. Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A) Harmonisa Ganjil

3 3,45

5 1,71

7 1,155

9 0,60

11 0,495

13 0,315

15≤n≤39 3,375/n

Harmonisa Genap

2 1,62

4 0,645

6 0,45

8≤n≤40 2,76/n

Sumber: IEC 61000-3-2

c. Kelas C

Kelas Ctermasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya input

(34)

Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk persentase arus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

2 2

3 30xPF rangkaian

5 10

7 7

9 5

11≤n≤39 3

d. Kelas D

Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya di bawah 600 Watt khususnya yaitu:

a. Personal komputer. b. Monitor.

c. TV.

(35)

Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D [10]

Harmonisa ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan

(mA/W)

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan

(A) 75 < P < 600W P > 600W

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 0,296 0,21

15≤n≤39 3,85/n 2,25/n

Sumber: IEC 61000-3-2

Seperti diketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik bekerja dengan sumber tegangan arus searah sehingga dalam operasinya dibutuhkan peralatan penyearah dan dihubungkan langsung ke sumber tegangan bolak balik.

Untuk penyearah yang terdistorsi gelombang arusnya cukup tinggi dan banyak dipakai secara bersamaan dimasukkan dalam kategori kelas D. Sementara untuk penyearah dengan arus yang terdistorsi dapat dimasukkan ke dalam kategori kelas A.

(36)

Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D [11] Harmonisa ke-n Batas klas A (A) Batas klas D

(mA/W)

Batas Klas D untuk

input 100W

(A)

3 2,30 3,4 0,34

5 1,14 1,9 0,19

7 0,77 1,0 0,10

9 0,40 0.5 0,05

11 0,33 0,35 0,035

13≤n≤39 0,15x15/n 3,85/n 0,386/n

Sumber: IEC 61000-3-2

2.5. Penyearah Terkendali

Penyearah terkendali merupakan beban tidak linier yang banyak menyumbang harmonisa pada saluran tenaga listrik. Penyearah terkendali dapat diatur tegangan keluarannya dengan merubah sudut penyalaan atau trigger pada thyristor. Penyearah terkendali dapat dibedakan yang dalam 6 (enam) jenis, yakni [12]:

(37)

Banyaknya urutan harmonisa yang dibangkitkan (n) oleh beban penyearah tergantung pada kelipatan dari frekuensi dasar dengan jumlah pulsa dari penyearah, dapat

dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.9) [13,14].

� =��

�1 = �.�± 1 ………....………(2.9) Dimana:

n = urutan harmonisa yang dibangkitkan.

k = kelipatan dari frekuensi dasar = 1, 2, 3, dan seterusnya. p = jumlah pulsa dari penyearah.

2.5.1. Penyearah terkendali satu fasa full converter

Penyearah tekendali satu fasa full converter tersusun dari 4 buah thyristor seperti pada Gambar 2.2 digunakan untuk mensuplai daya listrik pada lilitan jangkar dimana tegangan lilitan jangkar untuk mengatur kecepatan putar motor arus searah baik untuk starting maupun running saat kerja pada rangkaian terbuka [12].

 ₁  ₃

 ₄  ₂

v

0

v

s

v

p

is

+

-+

- + -R

L



i

o=Ia

(38)

Gambar 2.2. Full converter satu fasa [12]

Rangkaian full converter satu fasa tampak seperti Gambar 2.2 dengan beban induktif yang tinggi sehingga arus beban kontinyu dan bebas dari ripple. Tegangan output dapat ditentukan dari persamaan berikut ini [12].

��= _2�2 ∫_��+��sin(��)�(��) = 2�_2��[−cos(�+�) + cos�]

��= �_��[cos α+ cos�] =2�_��[cos α] ………...….…… (2.10)

Arus input sesaat dapat dinyatakan dalan bentuk deret Fourier seperti:

�_�(�) =�₀+∑∞_�=1_,₂_,…(�_�cos��+�_�sin��)

(b) Bentuk Gelombang Arus Beban

2∏

(39)

�� =

�� adalah perubahan sudut dari harmonisa n arus. Nilai rms harmonisa n arus input,

diberikan oleh persamaan:

�_��= 1

Nilai rms arus input dapat dihitung dari Persamaan (2.11) sebagai berikut:

(40)

Is

Total Harmonic Distortion:

juga dapat dihitung secara langsung dari:

�� =�

2

2� � ��

2 �+�

� �

(��)�

1/2 = �_�

�� = ��

��1�

2

−1�

1 2

…………..….……….. (2.13)

2.6. Penyearah PWM

Penyearah dioda dan penyearah thyristor yang dikendalikan sudut fasanya masih banyak digunakan dalam aplikasi tertentu karena faktor kesederhanaan dan biaya yang rendah, tetapi penyearah jenis ini akan mengurangi kualitas daya pada sisi

ac masukan yang disebabkan adanya kandungan harmonisa yang masih besar serta faktor daya yang relatif rendah. Teknik modulasi lebar pulsa (PWM = Pulse Width Modulation) banyak diterapkan pada aplikasi penyearah [15].

(41)

mengurangi harmonisa arus masukan, karena tipe kontrol PWM dapat dinyalakan dan dimatikan beberapa kali setiap setengah siklus, sehingga dapat meredam harmonisa pada arus masukan.

Bentuk rangkaian dan prinsip kerja dari penyearah PWM satu fasa seperti yang tampak pada Gambar 2.3 penyearah PWM full bridge, dimana menggunakan empat buah switch daya untuk mengontrol tegangan dc (Vo) [17].

Gambar 2.3. Penyearah PWM satu fasa full bridge. (a) Rangkaian penyearah PWM, rangkaian ekivalen dengan (b) T1 dan T4 On, (c) T2 dan T3 On, (d) T1 dan T3 atau T2 dan T4 On [17]

(42)

tegangan pada sisi penyearah input berupa Vo

Penyearah ini bekerja dengan cara:

dengan bentuk gelombang yang sinusoidal yang dipisahkan oleh induktansi input.

a. Apabila T1 dan T4 dalam keadaan on maka T2 dan T3 dalam keadaan off , VAFE = Vo

b. Apabila T

(Gambar 2.3(b)).

1 dan T4 dalam keadaan off, maka T2 dan T3 dalam keadaan on, VAFE = -Vo

c. Apabila T

(Gambar 2.3(c)).

1 dan T3 dalam keadaan on, T2 dan T4 dalam keadaan off, atau T1 dan T3 dalam keadaan off , T2 dan T4 dalam keadaan on, VAFE

Tujuan untuk mengontrol penyearah yaitu untuk menyerap arus harmonisa dari sumber jaringan, dimana sefasa dengan sumber tegangan. Hal ini didapatkan dengan mengontrol penyearah salah satunya dengan cara modulasi lebar pulsa.

= 0 (Gambar 2.3(d)).

Tegangan dan arus dalam kondisi kontrol dapat dilihat seperti pada Gambar 2.4 [18]. Salah satu cara yang bisa dilakukan pada switching transistor seperti yang tampak pada Gambar 2.4 menggambarkan dua keadaan alternatif, yaitu:

a. Arus mengalir ke beban (T1 dan T4 b. Penyearah input di short circuit (D

berkonduksi). 1 dan T3

Area hitam menggambarkan konduksi transistor. Area putih menggambarkan elemen pasif berkonduksi. Transistor diturnoff dan arus mengalir melalui dioda.

(43)

Gambar 2.4. Bentuk gelombang tegangan dan arus pada penyearah PWM [18]

2.7. Filter Harmonisa

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat

T 1;D ₁

T 2;D ₂

T 3;D ₃

T 4;D ₄ δ

U r (1) U

U g (1) m U d

U reff

U n(1) m I c

I _{d reff} U n

(44)

mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada beberapa cara untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan oleh beban tidak linier yaitu diantaranya:

a. Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.

b. Penggunaan filter aktif.

c. Kombinasi filter aktif dan pasif.

d. Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.

Disamping sistem di atas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi juga dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar.

2.8. Filter Pasif

(45)

Dalam beberapa kasus, reaktor saja tidak akan mampu mengurangi distorsi harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Dalam kasus ini sangat diperlukan filter yang lebih baik [20].

Gambar 2.5. Filter pasif single tuned [19]

Filter pasif terdiri dari kapasitor dan induktor seperti pada Gambar 2.5 yang dituning

pada frekuensi harmonisa tunggal dan mempunyai impedansi sangat rendah. Jika filter harmonisa dituning sebagai teknik peredaman harmonisa, maka perlu memberikan filter ganda untuk memenuhi batas distorsi yang ditentukan. Saat filter harmonisa jenis

shunt dihubungkan dengan sistem daya, mereka menyebabkan pergeseran frekuensi

resonansi alami pada sistem tenaga.

Gambar 2.6. Low pass filter harmonic [20] L

C

L

(46)

Low pass filter harmonisa pada Gambar 2.6 sebagai penekan luas harmonisa, menawarkan pendekatan untuk meredam harmonisa. Filter dituning untuk harmonisa tertentu, filter tersebut menyaring semua frekuensi harmonisa, termasuk harmonisa ketiga. Filter tersebut terhubung secara seri dengan beban tidak linier dengan impedansi seri besar tersambung. Tidak perlu dilakukan tuning terhadap low pass

filter. Karena ada impedansi seri yang besar. Sebaliknya mereka dipasok ke drive

melalui kapasitor filter. Untuk alasan ini, sangat mudah untuk memprediksi tingkat distorsi yang akan dicapai dan untuk menjamin hasilnya. Sebuah low pass filter dapat dengan mudah menawarkan tingkat harmonisa arus serendah 8% sampai 12% [20].

2.9. Filter LCL

Filter LCL adalah filter pasif yang terdiri dari komponen-komponen pasif R, L dan C, seperti pada Gambar 2.7.

Dari Gambar 2.7 tampak bahwa sebuah filter LCL terbuat dari resistor (R) dan induktor (L) pada sisi penyearah, resistor (Rf) dan induktor (Lf) pada sisi jaringan, dan kapasitor Cf (teredam dengan resistor Rd).

(47)

Filter LCL 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 L biasanya dipasang secara seri terhadap beban. Dengan menggunakan filter L, arus yang mengalir melalui L akan sulit berubah berbanding lurus dengan besarnya L. Filter LCL diletakkan antara jaringan dan beban, seperti pada Gambar 2.8. [1].

Gambar 2.8. Rangkaian Filter LCL pada Penyearah Terkendali Satu Fasa [1]

(48)

untuk menghindari resonansi. Namun, tingkat redaman dibatasi oleh biaya, nilai dari induktor, kerugian dari kinerja filter [1]

Prosedur untuk memilih filter LCL menggunakan parameter seperti daya dari penyearah aktif, frekuensi jaringan dan frekuensi switching sebagai input. Nilai filter diperoleh sebagai persentase dari nilai dasar, yang diberikan dengan:

.

Z_b =En

Pn

2

……….……… (2.18)

��= _��_� ………..…….………. (2.19)

C_b= _ω1

nZb ...………..….……….. (2.20) Dimana:

Zb L

: Impendansi dasar (Ω)

b

C

: Induktansi dasar (H)

b

E

: Kapasitansi dasar (F)

n

P

: Tegangan rms (V)

n

ω

: Daya aktif yang diserap oleh penyearah (Watt)

n : Frekuensi jaringan (Hz)

(49)

Gambar 2.9. Ekivalen filter LCL satu fasa pada harmonisa h [1]

Redaman riak dari sisi converter hingga sisi sumber, dapat dihitung dengan langkah:

ig(h_SW)

v(h_SW) =

z2LC

ωSWL.|ω2res−ω2SW|……….……….……(2.21)

i(h_SW)

v(h_SW)≈

1

ω_SWL .……….…. (2.22) ig(h_SW)

i(h_SW) =

z2_LC

|ω2res−ω2SW| ………... (2.23)

Dimana:

z2_LC = 1

LgCf,

ω2

res =LTz

2_LC

L , dengan LT = L + Lg

ω2

sw = (2πfsw)2

f_sw = frekuensi switching

h_sw = orde frekuensi harmonisa = ωsw

ωn

(50)

2.10. Rancangan filter LCL

Filter LCL akan dirancang dengan langkah-langkah sebagai berikut [1]:

a. Pilih daya reaktif yang diserap pada kondisi rata-rata, ambil x sebagai persentase penyerapan daya reaktif di bawah kondisi rata-rata, tidak boleh melebihi 5%. Dengan demikian besar kapasitor pada filter dapat dihitung dengan Persamaan (2.24).

C_f= xC_b ………….………(2.24) b. Pilih arus ripple untuk dapat menghitung induktansi sisi konverter (L) dengan

menggunakan Persamaan (2.22).

c. Pilih reduksi arus ripple yang diinginkan. Dengan mengetahui nilai x, reduksi arus ripple dapat dihitung dengan dengan Persamaan (2.25).

ig(h_SW)

i(h_SW) =

1

|1+r(_1−a.x)| ………..….………..(2.25)

Dimana �= LCbωsw2

d. Dengan mengetahui induktansi sisi konverter (L), maka induktansi sisi jaringan (L

sebagai konstanta.

g

�� =�� ……….…….. (2.26)

) dihitung menggunakan indeks r, hubungan dua induktansi:

e. Uji frekuensi resonansi yang diperoleh dengan cara:

ω_res =�L+Lg

L.L_g.C_f …………...……… (2.27)

(51)

BAB 3

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Umum

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi dengan menggunakan program Matlab/simulink untuk melihat pengaruh pemasangan filter LCL pada sisi input dari penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge untuk mengurangi harmonisa. Dalam hal ini ada empat rangkaian kerja yang diperlukan, yaitu model rangkaian listrik penyearah terkendali satu fasa full converter sebelum pemasangan filter LCL (Gambar 3.1a) dan model

Matlab/simulink penyearah terkendali satu fasa full converter sebelum pemasangan

filter LCL (Gambar 3.1b), model rangkaian listrik penyearah PWM satu fasa full

bridge sebelum pemasangan filter LCL (Gambar 3.2a) dan model Matlab/simulink

(52)

(a) Model rangkaian listrik

Gambar 3.1. Rangkaian penyearah terkendali satu fasa full converter untuk simulasi sebelum pemasangan filter LCL

(53)

(b). Model Simulasi menggunakan Matlab/simulink

Gambar 3.2. Rangkaian penyearah PWM satu fasa full bridge untuk simulasi sebelum pemasangan filter LCL

(54)

Gambar 3.3. Rangkaian penyearah terkendali satu fasa full converter untuk simulasi setelah pemasangan filter LCL

(55)

(a) Model rang kaian listrik

Gambar 3.4. Rangkaian penyearah PWM satu fasa full bridge setelah pemasangan filter LCL

(56)

Dengan demikian, langkah-langkah simulasi dapat diurut sebagai berikut: a. Gambar rangkaian penyearah terkendali satu fasa full converter dengan thyristor.

b. Output penyearah terkendali satu fasa full converter dihubungkan ke beban R.

c. Tentukan daya dan tegangan output penyearah terkendali. d. Dari daya output, dihitung besar R yang terpasang.

e. Matlab/simulink untuk melihat bentuk gelombang arus dan tegangan pada sisi

input maupun output, serta total THDi dan THDv

f. Ganti beban resistif (R) dengan beban RL.

.

g. Kemudian jalankan dengan Matlab/simulink untuk melihat bentuk gelombang arus dan tegangan pada sisi input maupun output, serta total THDi dan THDv

h. Dari sub Bab 2.10, dapat dihitung harga L

.

g, L dan Cf

i. Matlab dijalankan lagi, untuk melihat bentuk gelombang arus dan tegangan pada

sisi input serta THD

, sebagai nilai komponen pada filter LCL.

i dan THDv

j. Gambar rangkaian diganti dengan penyearah PWM satu fasa full bridge dengan menggunakan IGBT.

setelah pemasangan filter LCL.

k. Lakukan langkah yang sama seperti langkah (e) sampai langkah (i). l. Dari hasil (e), (i), (k) dan (m) akan dianalisa hasil yang diperoleh.

Dari uraian di atas maka dapatlah dibuat diagram alir perhitungan filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

(57)

Gambar 3.5. Diagram alir perhitungan filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

Tentukan data penyearah terkendali satu fasa full converter dan data penyearah PWM satu fasa full bridge (Vs, Vdc, Pout)

d f) Mulai

Ya

Hitung dan masukkan harga R dan L

Simulasi rangkaian dengan

Matlab/simulink sebelum dipasang filter

LCL

Nilai THDi≤

THDi IEC 61000-3-2

Hitung dan masukkan harga Lg, Rg, Cf, Rd, R dan L

Simulasi rangkaian dengan

Matlab/simulink setelah dipasang

filter LCL

Stop

Tidak

Ya

Nilai THDi≤

(58)

3.2. Simulasi Sebelum Pemasangan Filter LCL

Sebelum dilakukan simulasi maka perlu menghitung besar tahanan (R) dan induktansi (L) pada rangkaian. Pada penelitian tegangan dc (Vdc

a. V

) diset:

dc=50%Vdm

b. V

karena kondisi terburuk yang terjadi pada penyearah. dc=Vdm

Perubahan tegangan dc (V

karena ingin melihat keadaan penyearah pada beban penuh.

dc

Tegangan input (V

) pada penyearah terkendali didapatkan dengan merubah sudut penyalaan, sedangkan pada penyearah PWM didapatkan dengan mengubah indeks modulasi (m). Besaran penyearah terkendali dan penyearah PWM:

s

Tegangan output maksimal (Vdm

Tegangan output dc (V

Tahanan beban (R) ketika V

: �_�� = �_��

�� =

2000

198 = 10,10 �

dc=50%Vdm

Tahanan beban (R) ketika V

: � = ��

�� =

99

20,20= 4,9 Ω = 5 Ω

dc=Vdm

Induktansi beban (L) ketika V

: � =��

�� =

198

10,10= 19,6 Ω = 20 Ω

dc=50%Vdm

Induktansi beban (L) ketika V

:

�

=

��

2.�.�.�

→

�

=

15

314

= 0,05

�

(59)

3.2.1. Simulasi pada beban Rsebelum pemasangan filter LCL

Pada beban R, untuk menghasilkan tegangan output dc (Vdc

) sebesar 99 V dengan beban R sebesar 5 Ω, pada penyearah terkendali perlu diatur sudut penyalaan

(α) sebesar 88° dari Gambar 3.1(b), dan pada penyearah PWM perlu diatur indeks

modulasi (m) sebesar 0,49, induktansi input IGBT sebesar 7 mH, resistansi input

IGBT sebesar 1 Ω dari Gambar 3.2(b). Dengan memasukkan da ta simulasi tersebut didapatkan gelombang arus sumber dan spektrum harmonisa seperti pada Gambar 3.6.

(a). Penyearah terkendali satu fasa full converter

(b). Penyearah PWM satu fasa full bridge

(60)

Data simulasi untuk penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 1)dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 2)

Tabel 3.1. Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R=5 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

untuk beban R sebesar 5 Ω, dan data setelah pengolahan dapat dilihat pada Tabel 3.1.

Penyearah terkendali satu fasa full converter

Penyearah

(61)

memiliki efisiensi sebesar 30,74% sedangkan penyearah PWM efisiensi sebesar 13,41%.

Untuk menghasilkan tegangan output dc sebesar 198 V dengan beban R sebesar 20 Ω, pada penyearah terkendali diatur sudut penyalaan sebesar 0,1 °), dan pada penyearah PWM diatur indeks modulasi sebesar 0,2, induktansi input IGBT sebesar 1 mH, resistansi input IGBT sebesar 0,01 Ω. Dengan data tersebut didapatkan gelombang arus sumber dan spektrum harmonisa seperti Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Bentuk gelombang arus input dan spektrum harmonisa arus input

(62)

Hasil simulasi untuk penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 3) dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 4)untuk beban R ketika Vdc=Vdm

Tabel 3.2. Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R=20 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

(beban R= 20 Ω ) dan data setelah pengolahan dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Penyearah

Dari Tabel 3.2 memperlihatkan tegangan output (Vdc) dan arus output (Idc) yang sama pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full

bridge, arus harmonisa yang dihasilkan kedua penyearah pada beban R sebesar 20 Ω,

(63)

3.2.2. Simulasi pada beban RL sebelum pemasangan filter LCL Pada beban RL, untuk menghasilkan tegangan output dc (Vdc

) sebesar 99 V dengan beban R sebesar 5 Ω dan L sebesar 0,05 H, pada penyeara h terkendali perlu

diatur sudut penyalaan (α) sebesar 57°, dan pada penyearah PWM perlu diatur indeks

modulasi (m) sebesar 0,8, induktansi input IGBT sebesar 19 mH, resistansi input

IGBT sebesar 1 Ω. Dengan memasukkan data simulasi tersebut maka didapatkan gelombang arus sumber dan spektrum harmonisa seperti pada Gambar 3.8.

(64)

Data simulasi untuk penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 5) dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 6)

Tabel 3.3. Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

untuk beban R sebesar 5 Ω dan L sebesar 0,05 H dan data setelah pengolahan dapat dilihat pada pada Tabel 3.3.

Penyearah PWM satu fasa

full bridge

Arus harmonisa maksimum diizinkan kelas D

(A)

Dari Tabel 3.3 memperlihatkan arus harmonisa untuk beban R sebesar 5 Ω dan L sebesar 0,05 H, semua orde harmonisa yang dihasilkan penyearah terkendali satu fasa

full converter melewati yang diizinkan standar IEC 61000-3-2. Sedangkan penyearah

(65)

Pada beban RL, untuk menghasilkan tegangan output dc (Vdc

) sebesar 198 V dengan beban R sebesar 20 Ω dan L sebesar 0,2 H, pada penyearah terkendali perlu

diatur sudut penyalaan (α) sebesar 0,1° dan pada penyearah PWM perlu diatur indeks

modulasi (m) sebesar 0,1, induktansi input IGBT sebesar 1 mH, resistansi input IGBT sebesar 0,01 Ω. Dengan memasukkan data tersebut maka didapatkan gelombang arus sumber dan spektrum harmonisa seperti pada Gambar 3.9.

(66)

Data simulasi pada penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 7) dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 8) untuk beban RL ketika Vdc=Vdm

Tabel 3.4. Data arus harmonisa sebelum pemasangan filter LCL untuk beban R=20 Ω, L=0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full

dan data setelah pengolahan dapat dilihat pada pada Tabel 3.4.

Penyearah PWM satu fasa

full bridge

Arus harmonisa maksimum diizinkan kelas D

Tegangan input (Vs) 220 V 220 V

(67)

3.3 Perhitungan Nilai Filter LCL

Nilai komponen filter merupakan hal yang sangat perlu dihitung untuk mendapatkan hasil yang tepat untuk mereduksi harmonisa. Pada filter LCL ada tiga komponen yang harus dihitung yaitu nilai induktansi sisi konverter (L), nilai induktansi sisi jaringan (Lg) dan nilai kapasitansi filter (Cf

Tegangan input (V

). Parameter yang diperlukan untuk dapat menghitung komponen filter:

s

Daya output (Pn) : 2000 watt

) : 220 V

Frekuensi jaringan (f) : 50 Hz

Setelah parameter dasar ditentukan, sehingga dapat dihitung impendasi base (Zb), induktansi base (Lb) dan kapasitansi base (Cb

Perhitungan nilai filter LCL untuk penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge menggunakan langkah-langkah yang sama, tetapi nilai frekuensi switching yang digunakan berbeda antara kedua penyearah tersebut. Untuk penyearah terkendali yang menggunakan thyristor memiliki frekuensi

) dengan menggunakan Persamaan (2.18), (2.19) dan (2.20), maka didapatkan:

�� = �� 2

�� =

2202

2000 = 24,2 Ω

�� = _�� =

24,2

2.π. 50= 0,077 H

�� =

1

��.�� =

1

(68)

switching 50 Hz, sedangkan untuk penyearah PWM yang menggunakan IGBT memiliki frekuensi switching 2 kHz. Oleh karena itu, perhitungan nilai filter LCL pada kedua penyearah dilakukan secara berbeda.

Perhitungan nilai filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full

converter menggunakan frekuensi switching untuk thyristor sebesar 50 Hz. Parameter

filter LCL dihitung dengan langkah-langkah sebagai berikut:

a. Daya reaktif yang diserap pada kondisi rata-rata dipilih, dengan mengambil x sebesar 2% [1].

�� =�.�� = 0,02.132 = 2,64 µF

b. Dengan memilih arus ripple 1% [1], dapat menghitung induktansi sisi konverter (L) dengan menggunakan Persamaan (2.22).

0,01 ≈ 1

2.π. 50. L ⇒ L≈ 1

3,14 ≈ 0,0318 H

c. Arus ripel attenuation dipilih 20% [1]. Dengan mengetahui nilai x, reduksi arus ripple dapat dihitung dengan dengan Persamaan (2.25). Redaman riak dihitung untuk mengetahui besar indeks r.

i_g(h_sw) v(h_sw) =

1

|1 + r(1−a. x)|

a = LC_bω_sw2 = 0,318 . 1,32x10−5. (2.π. 50)2 = 0,4

0,2 = 1

|1 + r(1−0,4 .0,02)|=

1

|1 + r(1−0,0082)| = 1 |1 + r(1)|

(69)

d. Dengan mengetahui induktansi sisi konverter (L), maka induktansi sisi jaringan (Lg

L_g = r . L = 4 .0,0318 = 0,1272 H

) dihitung dengan indeks r, hubungan antara dua induktansi:

e. Setelah nilai komponen filter diketahui, maka perlu pengujian frekuensi resonansi. Frekuensi resonansi dihitung menggunakan Persamaan (2.26).

�� = �

0,318 + 1,272 0,318 .1,272 ..2,64 x 10−6

= 1220,22

f_res =ωres 2.π =

1220,22

2.π = 194 Hz

Perhitungan nilai filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full bridge

menggunakan frekuensi switching untuk IGBT sebesar 2 kHz. Parameter filter LCL dihitung dengan langkah-langkah sebagai berikut:

a. Nilai kapasitansi (Cf

b. Dengan memilih arus ripple 1% [1].

) didapatkan sama dengan untuk penyearah terkendali.

0,01 ≈ 1

2.π. 2000. L ⇒ L≈ 1

125,6 ≈0,008 H

c. Arus ripel attenuation dipilih 20% [1]. Redaman riak dihitung untuk mengetahui besar indeks r.

a = LC_bω_sw2 = 0,008 . 1,32x10−5. (2.π. 2000)2 = 16,56

0,2 = 1

|1 + r(1−16,56.0,02)| =

1 |1 + r(0,67)|

�= 0.8

(70)

d. Induktansi filter (Lg

e. Frekuensi resonansi dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.26).

) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.25).

L_g = r . L = 6 .0,008 = 0,048 H

ω_res =� 0,008 + 0,048 0,008 .0,048 ..2,64 x 10−6

= 7432,35

f_res =ωres 2.π =

7432,35

2.π = 1183,5 Hz = 1,184 kHz

Nilai induktansi sisi jaringan, induktansi sisi konverter, kapasitansi filter, resistansi (Rg, R, Rd

Tabel 3.5. Parameter filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full

) yang dihasilkan oleh penyearah terkendali satu fasa full

converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge dirangkum dalam Tabel 3.5.

Parameter filter Penyearah terkendali satu fasa full converter

Penyearah PWM satu fasa full bridge

Induktansi sisi jaringan (Lg) 1,272 H 0,048 H Induktansi sisi konverter (L) 0,318 H 0,008 H Kapasitansi filter (Cf) 2,64 µF 2,64 µF

Resistansi R filter (Rg, R, Rd) 10 Ω 10 Ω

3.4. Simulasi Setelah Pemasangan Filter LCL

3.4.1. Simulasi pada beban R setelah pemasangan filter LCL

Bentuk gelombang dan spektrum arus input hasil simulasi Matlab/simulink

(71)

dan penyearah PWM satu fasa full untuk beban R sebesar 5 Ω seperti pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10. Bentuk gelombang arus sumber dan spektrum harmonisa pada setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 Ω

(72)

Tabel 3.6. Data arus harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R= 5 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

Penyearah Efisiensi penyearah 40,68% 13,7%

(73)

3.4.2. Simulasi pada beban RL setelah pemasangan filter LCL

Bentuk gelombang dan spektrum arus input hasil simulasi Matlab/simulink

setelah pemasangan filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge ketika Vdc=50% Vdm

dengan beban R sebesar 5

Ω dan L sebesar 0,05 H seperti pada Gambar 3.11.

(74)

Hasil simulasi untuk penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 11) dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 12) dan data hasil pengolahan dapat dilihat pada Tabel 3.7.

Tabel 3.7. Data arus harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 Ω, L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa full

Penyearah Efisiensi penyearah 47,39 % 46,81%

Tabel 3.7 merupakan hasil setelah pemasangan filter LCL, pada penyearah terkendali satu fasa full converter dengan induktansi jaringan (Lg) 1,272 H, induktansi konverter (L) 0,318 H, kapasitansi filter (Cf) 2,64 µF dan penyearah PWM satu fasa full bridge

(75)

Ω, L sebesar 0,05 H menghasilkan arus harmonisa di bawah arus harmonisa

maksimum.

Ketika Vdc=Vdm

, bentuk gelombang dan spektrum arus input setelah filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa

full bridge untuk beban R sebesar 20 Ω dan L sebesar 0,2 H seperti pada Gambar 3.12.

(b). Penyearah terkendali satu fasa full converter

(76)

Hasil simulasi untuk penyearah terkendali satu fasa full converter (Lampiran 13) dan penyearah PWM satu fasa full bridge (Lampiran 14) dan data setelah pengolahan dapat dilihat pada Tabel 3.8.

Tabel 3.8. Data arus harmonisa setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=20 Ω, L=0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full

Penyearah

Efisiensi penyearah 99,64% 86,91%

(77)

maksimum yang diizinkan. Efisiensi yang dihasilkan penyearah terkendali setelah menggunakan filter LCL sudah mencapai 99,64%, sedangkan untuk penyearah PWM efisiensi penyearah 86,91%.

3.5. Perbandingan Arus Harmonisa Sebelum dan Sesudah Filter LCL

Grafik perbandingan arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

dengan untuk beban R= 5 Ω dapat dilihat pada Gambar 3.13.

(a). Sebelum pemasangan filter LCL 0

2 4 6 8 10 12

3 5 7 9 11 13

A

rus ha

rm

o

ni

sa

(

A

)

harmonisa ke-n

penyearah terkendali

penyearah PWM

(78)

(b). Sesudah pemasangan filter LCL

Gambar 3.13. Perbandingan spektrum arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL untuk beban R= 5 Ω

Grafik perbandingan arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

dengan untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H dapat dilihat pada Gambar 3.14.

(79)

Gambar 3.14. Perbandingan spektrum arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL untuk beban R= 5 Ω, L=0,05 H

Grafik perbandingan arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge dengan beban R= 20 Ω, L=0,2 H dapat dilihat pada Gambar 3.15.

(80)

Gambar 3.15. Perbandingan spektrum arus harmonisa sebelum dan sesudah filter LCL untuk beban R= 20 Ω, L=0,2 H

BAB 4

HASIL DAN ANALISIS

4.1. Hasil

Hasil simulasi pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge dengan beban R dan RL sebelum pemasangan filter LCL seperti yang diperlihatkan oleh Tabel 3.1, Tabel 3.2, Tabel 3.3, dan Tabel 3.4. Pada penyearah terkendali satu fasa full converter untuk beban R sebesar 5 Ω menghasilkan arus harmonisa melebihi standar IEC 61000-3-2 disetiap harmonisa ke-n sedake-ngkake-n peke-nyearah PWM satu fasa full bridge menghasilkan hanya pada arus harmonisa ke-3 yang melebihi standar IEC 61000-3-2. Ketika beban R sebesar 20 Ω

0 0,5 1 1,5 2 2,5

3 5 7 9 11 13

A

rus ha

rm

o

ni

sa

(

A

)

harmonisa ke-n

penyearah terkendali

penyearah PWM

(81)

arus harmonisa yang dihasilkan sudah di bawah standar IEC 61000-3-2 pada kedua penyearah, sehingga tidak memerlukan pemasangan filter LCL. Untuk beban R sebesar 5 Ω dan L sebesar 0,05 H penyearah terkendali satu fasa full converter

menghasilkan arus harmonisa melebihi standar IEC 61000-3-2 disetiap orde harmonisa sedangkan penyearah PWM satu fasa full bridge menghasilkan hanya arus harmonisa ke-3 yang melebihi standar IEC 61000-3-2. Untuk beban R sebesar 20 Ω dan L sebesar 0,2 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge menghasilkan arus harmonisa yang melebihi standar IEC

61000-3-2 disetiap harmonisa ke-n. Untuk mereduksi arus harmonisa tersebut maka pemasangan filter LCL sesuai parameter terdapat pada Tabel 3.5. Dari hasil simulasi Tabel 3.6, Tabel 3.7 dan Tabel 3.8 ketika Vdc=50%Vdm dan Vdc=Vdm

Besar arus untuk masing-masing harmonisa baik sebelum pemasangan filter maupun setelah pemasangan filter untuk beban R = 5 Ω pada Tabel 4.1.

untuk beban R dan beban RL terlihat harmonisa arus semua orde harmonisa sudah di bawah kondisi yang di izinkan oleh standar IEC 61000-3-2.

Tabel 4.1. Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 Ω pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa full bridge

Penyearah terkendali satu fasa full

converter

(82)

Perbandingan arus harmonisa untuk masing-masing orde harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter LCL untuk beban R sebesar 5 Ω dan L sebesar 0,05 H dapat dilihat pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2. Perbandingan arus harmonisa sebelum dan setelah pemasangan filter LCL untuk beban R=5 Ω, L=0,05 H pada penyearah terkendali satu fasa full converter dan penyearah PWM satu fasa

full bridge

Arus harmonisa maksimum