i
PROYEK AKHIR
PENGGUNAAN FILTER PASIF UNTUK MEREDUKSI
HARMONISA AKIBAT PEMAKAIAN
BEBAN NON LINEAR
Andrias Ade Agustinus
NRP. 7307.040.023
Dosen Pembimbing :
Ir. Suryono, MT
NIP. 19631123.198803.1.002
Ir. M. Zaenal Effendi, MT
NIP. 19681208.199303.1.001
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI
POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
2011
PENGGUNAAN FILTER PASIF UNTUK MEREDUKSI
HARMONISA AKIBAT PEMAKAIAN
BEBAN NON LINEAR
Oleh:Andrias Ade Agustinus NRP. 7307.040.023
Proyek Akhir Ini Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Terapan (S.ST)
Di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Disetujui oleh :
Tim Penguji Proyek Akhir Dosen Pembimbing
1. Ir. Joke Pratilastiarso, MT 1. Ir. Suryono, MT
NIP. 19620920.198803.1.002 NIP. 19631123.198803.1.002
2. Drs. Irianto, MT 2. Ir. M. Zaenal Effendi, MT NIP. 19640522.199103.1.003 NIP. 19681208.199303.1.001 3. Renny Rakhmawati, ST. MT NIP. 19721024.199903.2.001 Surabaya, 25 Juli 2011 Mengetahui,Ketua Jurusan Teknik Elektro Industri
Ainur Rofiq Nansur, ST, MT NIP. 19640713.198903.1.005
iii ABSTRAK
Rangkaian penyearah gelombang penuh tak terkontrol tiga fasa dan inverter tiga fasa menimbulkan harmonisa yang besar. Dengan timbulnya harmonisa pada sumber 3fasa tersebut maka dilakukan pengurangan spektrum harmonisa dengan cara pemasangan filter pasif menggunakan metode tuned filter pada frekuensi 250 Hz dan 350 Hz karena pada kedua frekuensi tersebut memiliki spektrum harmonisa yang paling dominan. Transformator di fungsikan sebagai induktor filter. Pada sisi sekunder transformator mengalir arus dalam bentuk sinyal AC yang kemudian disearahkan menggunakan rectifier 1fasa dan tegangan output hasil paralel rectifier 1fasa di atur dengan buck-boost converter untuk pengisian ke accu.
Dari hasil pengujian alat yang dibuat, hasilnya sudah mendekati hasil yang di harapkan yaitu dapat mereduksi harmonisa namun belum bisa sesuai standard yang ditetapkan dikarenakan kualitas dari komponen yang dipakai. THDi mengalami penurunan dari 20.71% menjadi 11.92% untuk penggunaan beban konverter 6pulsa dan untuk penggunaan beban inverter 3fasa THDi mengalami penurunan dari 163.43% menjadi 62.32%. Selain itu daya pada travo filter juga dapat digunakan sebagai penghasil sumber DC.
Kata Kunci: konverter 6pulsa, inverter 3fasa, filter pasif, rectifier 1fasa, buck-boost converter
ABSTRACT
Full-wave rectifier circuit is not controlled three-phase and three phase inverter harmonics cause major. With the emergence of harmonics on the source 3fasa the harmonic spectrum of the reduction is carried out by installation of a passive filter using a filter tuned at a frequency of 250 Hz and 350 Hz because at these two frequencies has a spectrum of harmonics of the most dominant. Functioned as a transformer in the filter inductor. On the side of the transformer secondary current flowing in the form of an AC signal is then rectified using rectifier 1fasa and output voltage of the rectifier 1fasa arranged in parallel with the buck-boost converter for charging
the batteries.
From the results of testing tools that are made, the results are already close to the expected outcome is to reduce harmonics, but can not fit due to the quality standard set of components used. THDi decreased from 20.71% to 11.92% for the use of load converter 6pulsa and to use 3fasa THDi inverter load has decreased from 163.43% to 62.32%. In addition to the travo power filter can also be used as producer of DC source.
Keywords: 6pulsa converters, inverters 3fasa, passive filters, rectifiers 1fasa, buck-boost converter
v
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan buku proyek akhir yang berjudul ”
Penggunaan Filter Pasif untuk Mereduksi Harmonisa Akibat Pemakaian Beban Non linear”.
Buku ini disusun sebagai gambaran proyek akhir yang akan kami kerjakan. Buku ini berisi tentang alasan pemilihan judul dan proses pembuatan filter pasif untuk mereduksi dan memanfaatkan harmonisa akibat pemakaian beban non linear berupa konverter 6 pulsa dan inverter 3fasa.
Selama pembuatan buku ini kami telah banyak memperoleh bimbingan dan arahan. Oleh karena itu kami mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Ir. Suryono, MT selaku dosen pembimbing 1 Tugas Akhir. 2. Ir. M. Zaenal Efendi, MT selaku dosen pembimbing 2 Tugas
Akhir.
3. Teman-teman, serta semua pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu per-satu.
Dengan menyadari keterbatasan ilmu kami, tentu buku ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu kami selaku penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang bersifat membangun dari para pembaca buku ini.
Surabaya, Juli 2011 Penyusun
UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan yang berbahagia ini, penulis menyampaikan rasa terima kasih kepada:
1. Ibu dan Ayah tercinta dan keluarga yang telah memberikan dorongan semangat baik moral dan material.
2. Bapak Ir. Dadet Pramadihanto, M. Eng, Ph. D selaku Direktur PENS-ITS.
3. Bapak Ainur Rofiq Nansur, ST. MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Industri.
4. Bapak Ir. Suryono, MT. dan Bapak Ir. M. Zaenal E., MT. selaku Dosen Pembimbing atas segala perhatian dan bimbingan yang telah diberikan sehingga Proyek Akhir ini dapat terselesaikan.
5. Para staf perpustakaan yang telah mengijinkan meminjam buku walaupun telat berbulan-bulan.
6. Bapak Ismail, Bapak Bahtiar, Bapak Sayudi, Bapak Gatot yang telah membantu penyelesaian Proyek Akhir ini dan peminjaman Ruang Proyek Akhir, Lab. Kualitas Daya, Lab. TST, Lab. Pengemudian Elektrik sebagai tempat penyelesaian Proyek Akhir ini dan peminjaman alat. 7. Sigit Prasetya atas kerja sama yang telah diberikan
kepadaku, sehingga Proyek Akhir ini selesai.
8. Teman-teman Jurusan Teknik Elekro Industri D4 angkatan 2007.
9. Seluruh pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu-persatu atas bantuan yang telah diberikan selama ini.
Penulis berharap semoga bantuan dan keikhlasan penyelesaian Proyek Akhir ini mendapat barokah dari Allah SWT.
vii DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i LEMBAR PENGESAHAN...ii ABSTRAK...iii KATA PENGANTAR ... .v
UCAPAN TERIMA KASIH ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Tujuan ... 2 1.3. Metodologi ... 2 1.4. Perumusan Masalah ... 7 1.5. Batasan Masalah... 7 1.6. Sistematika Pembahasan ... 8 1.7. Tinjauan Pustaka ... 9
BAB II TEORI PENUNJANG 2.1. Rangkaian Penyearah (Rectifier)... 11
2.1.1. Penyearah Gelombang Penuh ... 12
2.1.2. Penyearah Tiga Fasa ... 14
2.2. Inverter ... 15
2.3. Motor Induksi ... 16
2.4. Buck-Boost Converter ... 17
2.4.1. Teori operasi rangkaian ... 17
2.5. Karakteristik Beban Non-linear ... 19
2.6. Konsep Daya ... 21
2.7. Resonansi ... 24
2.8. Harmonisa ... 24
2.8.1. Konsep Dasar Analisa Harmonisa... 25
2.8.2. Sumber-sumber Harmonisa ... 26
2.8.3. Pengaruh Harmonisa Pada Jaringan ... 27
2.9. Standard Harmonisa ... 28
3.0. Induktor ... 29
3.2. Transformator ... 34
3.3. Filter Pasif ... 35
BAB III PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS 3.1. Blok Diagram ... 37
3.2. Perencanaan konverter 6pulsa ... 38
3.3. Perencanaan filter pasif ... 40
3.4. Simulasi Rangkaian Menggunakan PSIM ... 47
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1.Metode Pengujian ... 61
4.1.1. Pengukuran Induktor ... 61
4.2. Pengujian rangkaian dan sambungan... 63
4.2.1 Pengujian rangkaian sebelum dipasang filter. .... 64
4.2.2 Pengujian rangkaian setelah dipasang filter. ... 66
4.2.3.Pengujian rangkaian sebelum dipasang filter. .... 68
4.2.4. Pengujian rangkaian setelah dipasang filter. ... 71
4.2.5.Pengujian rangkaian sebelum dipasang filter. .... 75
4.2.6. Pengujian rangkaian setelah dipasang filter. ... 78
4.3 Pengujian pemanfaatan daya travo filter ... 84
4.3.1 Pengujian rectifier satu fasa... 84
4.3.2 Pengujian buck-boost converter. ... 86
4.3.3 Hasil pengisian accu ... 87
4.3.4 Integrasi sistem. ... 88
4.3.5 Analisa hasil pengujian. ... 89
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 95
5.2. Saran-saran ... 96
DAFTAR PUSTAKA ... 97
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Rangkaian konverter 6 pulsa ... ..3
Gambar 1.2. Rangkaian inverter3fasa ... ..3
Gambar 1.3. Pemasangan filter pasif pada sumber 3fasa...4
Gambar 1.4. Rangkaian rectifier 1 fasa ... ..5
Gambar 1.5. Rangkaian buck-boost converter ...5
Gambar 1.6. Pemasangan filter pasif untuk pengambilan arus yang dipakai untuk charger accu...6
Gambar 2.1. Rangkaian full wave rectifier ... 12
Gambar 2.2. ragkaian peyearah denga filter C ... 12
Gambar 2.3. Penyearah jembatan gelombang penuh 3fasa ... 14
Gambar 2.4. Motor Induksi 3fasa ... 16
Gambar 2.5. Rangkaian Buck-Boost Converter ... 17
Gambar 2.6. Buck-boost converter dalam kondisi switch ON . 18 Gambar 2.7. Buck-boost converter dalam kondisi switch OFF 18 Gambar 2.8. Penggunaan beban linear ... 19
Gambar 2.9. Gambar gelombang tegangan dan arus input ... 20
Gambar 2.10. Penggunaan beban non linear ... 20
Gambar 2.11. Gambar gelombang tegangan dan arus input ... 21
Gambar 2.12. Segitiga Daya ... 22
Gambar 2.13. Kurva arus dan teganga pada beban linear... 23
Gambar 2.14. Gelombang sinus terdistorsi ... 24
Gambar 2.15. Bentuk Gelombang Fundamental...25
Gambar 2.16. Bentuk inti EI dari besi laminasi...31
Gambar 2.17. Kapasitor keping sejajar...32
Gambar 2.18. Kapasitor dipasang hubungan star ... 32
Gambar 2.19. Kapasitor dipasang hubungan delta ... 33
Gambar 2.20. Arus pada capasitor ... 34
Gambar 2.21. Rangkaian Passive Filter dalam Sistem ... 36
Gambar 3.1 Blok diagram sistem ... 37
Gambar 3.2 Fluk 41B ... 38
Gambar 3.3. Rangkaian penggunaan beban konverter 6 pulsa . 39 Gambar 3.4. Gambar gelombang tegangan dan arus jala-jala . 39 Gambar 3.5. Gambar spektrum tegangan dan arus ... 39
Gambar 3.6. Desain filter yang akan dibuat ... 40
Gambar 3.8. Gambar gelombang dan spektrum arus sumber ... 48
Gambar 3.9. Gambar rangkaian dengan filter pasif ... 49
Gambar 3.10. Gambar gelombang dan spektrum arus sumber ... 49
Gambar 3.11. Gambar rangkaian dengan filter pasif ... 51
Gambar 3.12. Gambar gelombang dan spektrum arus sumber ... 52
Gambar 3.13. Grafik perbandingan ... 54
Gambar 3.14. Gambar rangkaian tanpa filter pasif ... 55
Gambar 3.15. Gambar gelombang dan sektrum sebelum ... 56
Gambar 3.16. Gambar rangkaian dengan filter pasif ... 57
Gambar 3.17. Gambar gelombang dan spektrum setelah ... 58
Gambar 3.18. Gambar gelombang output rectifier 1fasa ... 59
Gambar 4.1. Nilai induktor untuk filter harmonisa ke-5 ... 62
Gambar 4.1. Nilai induktor untuk filter harmonisa ke-7 ... 62
Gambar 4.3. Fluk 41B... 63
Gambar 4.4. Fluk 43B... 63
Gambar 4.5. PHA Hioki ... 63
Gambar 4.6. Rangkaian konverter 6 pulsa ... 64
Gambar 4.7. Arus input sebelum difilter... 64
Gambar 4.8. Daya input sebelum difilter ... 65
Gambar 4.9. Arus input setelah difilter ... 66
Gambar 4.10. Daya input setelah difilter ... 67
Gambar 4.11 Arus input sebelum difilter... 69
Gambar 4.12. Tegangan input sebelum difilter ... 69
Gambar 4.13. Daya input sebelum difilter ... 70
Gambar 4.14. Daya input sebelum difilter ... 71
Gambar 4.15. Arus input setelah difilter ... 71
Gambar 4.16. Tegangan input setelah difilter ... 72
Gambar 4.17. Daya input setelah difilter ... 72
Gambar 4.18. Daya input setelah difilter ... 73
Gambar 4.19. Arus input masuk ke filter ... 74
Gambar 4.20. Rangkaian filter L dan C untuk ... 75
Gambar 4.21. Panel pengaturan putaran motor induksi ... 75
Gambar 4.22. Arus input sebelum difilter... 76
Gambar 4.23. Tegangan input sebelum difilter ... 76
Gambar 4.24. Daya input sebelum difilter ... 77
Gambar 4.25. Arus input setelah difilter ... 78
Gambar 4.26. Daya input setelah difilter ... 78
Gambar 4.27. Daya input setelah difilter ... 79
xi
Gambar 4.29. Rangkaian rectifier 1fasa ... 85
Gambar 4.30. Tegangan sekunder travo ... 85
Gambar 4.31. Tegangan input buck-boost ... 86
Gambar 4.32. Rangkaian buck-boost converter... 86
Gambar 4.33. Vout dan Iout buck-boost ... 87
Gambar 4.34. Accu 12V 10AH ... 87
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Batas Distorsi Arus Harmonisa untuk Siste ... 28
Tabel 2.2. Batas Distorsi Tegangan ... 29
Tabel 2.3. Tipe inti yang biasa dipakai untuk induktor ... 30
Tabel 3.1. Nilai arus sebelum pemasangan filter ... 50
Tabel 3.2. Nilai arus setelah pemasangan filter ... 50
Tabel 3.3. Nilai arus setelah pemasangan filter ... 52
Tabel 3.4. Nilai arus setelah pemasangan filter ... 53
Tabel 4.1. Pengamatan sisi primer travo ... 79
Tabel 4.2. Pengamatan sisi primer travo ... 80
Tabel 4.3. Pengamatan sisi sekunder travo ... 81
Tabel 4.4. Pengamatan sisi sekunder travo ... 81
Tabel 4.5. Pengukuran Vin dan Vout rectifier ... 85
Tabel 4.6. Pengukuran Vin dan Vout Buck-Boost ... 87
Tabel 4.7. Hasil integrasi keseluruhan sistem ... 89
Tabel 4.8. Besar spektrum arus input tiap frekuensi ... 91
Tabel 4.9. Besar spektrum arus input tiap frekuensi ... 92
1 1.1 Latar Belakang
Peralatan listrik berbasis elektronik yang terhubung pada sistem distribusi tenaga listrik dapat menyebabkan arus jala-jala sistem menjadi sangat terdistorsi, sehingga arus jala-jala sistem banyak mengandung harmonisa. Tingginya tingkat kandungan arus harmonisa yang terdapat pada sistem distribusi tenaga listrik dapat menimbulkan berbagai macam persoalan pada sistem tersebut, antara lain adalah faktor daya sistem menjadi rendah, arus netral sistem meningkat dan dapat menimbulkan kegagalan instalasi meskipun dalam kondisi beban setimbang, rugi-rugi daya sistem bertambah, pemanasan lebih pada trafo dan generator, kesalahan operasi pada sistem proteksi, penyimpangan penunjukan pada alat ukur, kerusakan sejak dini pada peralatan-peralatan elektronik, interferensi pada sistem telekomunikasi dan lain sebagainya. Untuk mengatasi berbagai persoalan yang ditimbulkan oleh adanya arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik, dapat dilakukan dengan cara menghilangkan atau mengurangi kandungan arus harmonisa pada sistem tersebut sampai memenuhi suatu standarisasi batasan harmonisa yang diijinkan.
Sinyal harmonisa yang timbul berada pada daerah frekuensi diatas frekuensi aslinya (fundamental). Dalam pengambilan harmonisa dibutuhkan filter pasif LC dengan nilai capasitor relatif konstan dan induktor berubah-ubah. Penggunaan filter pasif merupakan solusi yang tepat untuk mengurangi kadar harmonisa yang timbul akibat pemakaian beban non linear berupa konverter 6pulsa dan inverter 3fasa. Pemakaian filter pasif ini berfungsi sebagai penyedia jalur pada impedansi rendah untuk frekuensi resonansi yang diinginkan. Setelah didapatkan nilai induktor yang sesuai maka induktor tersebut diganti dengan trafo yang mempunyai nilai induktif kumparan primer sama dengan induktor hasil perhitungan. Output dari trafo yang difungsikan sebagai induktor yaitu arus yang mengalir di sisi sekunder travo dimasukkan ke
penyearah full bridge 1fasa dan untuk selanjutnya tegangan output penyearah sebagai inputan ke buck-boost converter untuk charger accu.
1.2 Tujuan
Tujuan pembuatan Proyek Akhir ini adalah:
1. Mereduksi harmonisa (THDv dan THDi) yang ditimbulkan oleh pemakaian beban non linear (konverter 6pulsa dan inverter 3fasa) sehingga kerusakan peralatan sejak dini dapat dihindari.
2. Merancang dan merealisasikan pemanfaatan daya pada travo filter sebagai sumber untuk pengisian accu.
3. Merancang dan merealisasikan rangkaian penyearah (bridge rectifier) satu fasa dan buck-boost converter.
1.3 Metodologi
Untuk mengerjakan Proyek Akhir ini diperlukan prosedur berupa langkah-langkah pengerjaan seperti dibawah ini:
1.3.1 Studi Literatur
Pengambilan dasar teori yang digunakan sebagai acuan dalam penyelesaian proyek akhir ini merujuk ke buku-buku yang telah disebutkan pada daftar tinjauan pustaka dan dari buku-buku seperti power quality, power elektronik, rangkaian listrik, desain komponen magnetic dan dielektrik dan teori lainya yang terkait dalam penyelesaian proyek akhir ini.
1.3.2 Perencanaan Perangkat Lunak (Simulasi PSIM)
Untuk mengetahui hasil perencanaan dan supaya lebih meyakinkan di dalam mengerjakan hardware maka dilakukan simulasi-simulasi dengan beberapa softaware seperti PSIM, Multsim, Matleb untuk mengetahui apakah hasil perencanaan sudah sesuai dengan yang diharapkan. 1.3.3 Perencanaan Perangkat keras (Hardware)
a. Perencanaan konverter 6pulsa
Source
3Phasa Inverter 3Phasa R S T U V W A V Motor Induksi 3Phasa Input Output V1 V U V W R S A Edy current - + - + - + Edy current dynamometer Current counter pulsa menghasilkan harmonisa dalam jumlah yang cukup besar yang selanjutnya dilakukan pengurangan harmonisa arus (THDi) maupun tegangan (THDv) pada sistem. Karakteristik dari penyearah tiga fasa ini adalah:
i. Harmonik ke 3 tidak ada
ii.Harmonik ke 6k ± 1 muncul, dimana 6k+1 membentuk urutan positif dan 6k-1 membentuk urutan negative Gambar rangkaian konverter 6 pulsa seperti pada Gambar 1.1
Gambar 1.1 Rangkaian konverter 6 pulsa
b. Perencanaan inverter 3fasa
Pemakaian beban non linear berupa inverter 3fasa menghasilkan harmonisa arus dalam jumlah yang sangat besar yang selanjutnya dilakukan pengambilan harmonisa yang muncul pada sistem. Inverter 3fasa ini digunakan untuk mengatur kecepatan putaran dari motor induksi tiga fasa. Gambar rangkaian percobaan seperti yang ditunjukan pada Gambar 1.2
Gambar 1.2 Rangkaian inverter3fasa dengan beban motor induksi 3fasa
c. Perencanaan filter pasif
Filter yang dirancang disini adalah filter pasif LC yang digunakan untuk mereduksi harmonisa yang dominan yaitu harmonisa ke-5 dan ke-7 dan selanjutnya dilakukan pemanfaatan harmonisa ke-5 dan ke-7. Untuk tiap harmonisa, filter pasif ini menggunakan tiga buah transformator satu fasa sebagai pengganti induktor filter untuk melewatkan arus harmonisa yang diinginkan dan tiga buah capasitor filter yang dipasang dengan hubungan star atau delta dimana nilai capasitor filter dari hasil perencanaan nantinya akan disesuaikan dengan yang ada dipasaran. Dalam pengambilan arus harmonisanya menggunkan metode tuned filter. Keluaran (belitan sekunder) pada travo ini dihubungkan pada penyearah gelombang penuh satu fasa.
Gambar 1.3 Pemasangan filter pasif pada sumber 3fasa
Pada Gambar 1.3 dilakukan pemasangan filter pasif pada sisi sumber untuk mereduksi harmonisa ke-5 dan ke-7.
d. Perencanaan rectifier full bridge 1fasa
Pada proyek akhir ini rectifier difungsikan untuk menyearahkan keluaran dari dari transformator yang masih mengalirkan arus dalam bentuk signal AC, maka signal AC tersebut terlebih dahulu harus di konversi kedalam signal DC yang selanjutnya output dari penyearah ini masuk ke buck-boost converter. Perencanaan rectifier 1fasa seperti pada Gambar 1.4
Gambar 1.4 Rangkaian rectifier 1 fasa
e. Perencanaan buck-boost converter
Buck-boost converter digunakan untuk mengatur tegangan output hasil paralel 6buah rectifier 1fasa agar didapat besar tegangan output yang sesuai untuk pengisian accu. Perencanaan buck-boost converter seperti pada Gambar 1.5
Gambar 1.5 Rangkaian buck-boost converter
1.3.4 Pengujian Perangkat Lunak dan Perangkat Keras
Dari hasil perancangan, dilakukan realisasi baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Serta dilakukan pengukuran dan pengujian kinerja masing-masing bagian (sub-sistem) dan kemudian dilakukan integrasi.
Permasalahan yang diteliti pada proyek akhir ini adalah mereduksi harmonisa dan pemanfaatan harmonisa sebagai sumber energi dengan menggunakan fiter pasif. Dari harmonisa yang muncul tersebut digunakan filter pasif untuk mengambil harmonisanya. Induktor pada filter pasif diganti dengan trafo inti kern yang nilai induktansinya sama dengan induktor yang telah dirancang dengan cara dilakukan pengukuran dengan LCR meter. Dan keluaran trafo tersebut yaitu pada sisi sekunder travo adalah sebagai inputan rectifier full bridge 1fasa dan selanjutnya output rectifier sebagai masukan buck-boost converter dan outputnya dipakai untuk pengisian ke accu untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik.
1.3.5 Integrasi dan pengujian sistem
Pada tahap ini dilakukan integrasi sistem dari bagian-bagian yang telah dibuat. Dilakukan pengujian sistem yang telah terintegrasi dan dilakukan perbaikan jika terjadi fault (kegagalan). Pada Gambar 1.6 induktor di ganti dengan travo dan output rectifier terlebih dahulu diatur menggunakan buck-boost converter sehingga dapat digunakan untuk pengisian ke accu.
Gambar 1.6 Pemasangan filter pasif untuk pengambilan arus yang dipakai untuk pengisian accu
1.3.6 Eksperimen dan analisa sistem
Setelah dilakukan beberapa pengujian dan perbaikan sistem, diperoleh sistem yang memiliki unjuk kerja yang diinginkan. Dengan demikian, alat yang dibuat dapat beroperasi dengan baik sesuai dengan yang diinginkan.
1.3.7 Pembuatan laporan Proyek Akhir
Pada tahap ini dilakukan pembuatan atau penulisan laporan proyek akhir. Pada laporan tersebut dijelaskan mengenai tentang semua hal yang berkaitan tentang pengerjaan proyek akhir, seperti penjelasan tentang komponen yang dipakai, proses pembuatan alat, sistem kerja alat, data-data hasil pengujian alat, serta melakukan analisa dan memberi kesimpulan dan lain sebagainya. 1.4 Perumusan Masalah
Permasalahan yang dihadapi pada proyek akhir ini adalah : 1. Bagaimana cara mendesain filter harmonisa pada frekuensi
resonansi untuk harmonisa kelima dan harmonisa ketujuh? 2. Bagaimana cara mendesain konverter 6pulsa dengan beban
lampu pijar untuk menghasilkan daya besar?
3. Bagaimana cara menggunakan inverter 3fasa dengan beban motor induksi 3fasa untuk menghasilkan daya besar? 4. Bagaimana cara mendesain transformator dengan inti kern
sebagai pengganti komponen induktor filter?
5. Bagaimana cara mensimulasikan dengan software PSIM atau Matlab untuk pemasangan filter pasif agar dapat mereduksi harmonisa.
1.5 Batasan Masalah
Asumsi-asumsi berikut ini sebagai batasan masalah yang dipakai dalam proyek akhir ini, yaitu :
1. Perencanaan dan pembuatan konverter 6pulsa serta perencanaan pemakaian inverter 3fasa.
2. Perencanaan dan pembuatan filter pasif LC untuk mereduksi harmonisa yang ke-5 dan ke-7.
3. Perencanaan dan pembuatan transformator inti kern sebagai Induktor filter yang merupakan salah satu dari komponen filter pasif.
4. Perencanaan dan pembuatan penyearah full bridge 1fasa. 5. Perencanaan dan penggunaan buck-boost converter. 6. Dalam pengambilan tegangan sekunder trafo filter, tidak
memperhatikan arus harmonisanya.
7. Penekanan proyek akhir ini yaitu pada desain rangkaian filter pasif yang digunakan untuk mereduksi harmonisa akibat pemakaian beban non linear konverter 6pulsa dan inverter 3fasa.
1.6 Sistematika Pembahasan
Sistematika pembahasan penyusunan Proyek Akhir ini direncanakan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini membahas pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, tujuan, metodologi, batasan dan perumusan masalah, sistematika pembahasan Proyek Akhir dan tinjauan pustaka.
BAB II : TEORI PENUNJANG
Bab ini membahas teori-teori yang menunjang dan berkaitan dengan penyelesaian Proyek Akhir, antara lain teori tentang harmonisa dan standard harmonisa, rectifier, beban non linear (konverter 6pulsa dan inverter 3fasa), konsep daya, resonansi, induktor dan capasitor filter, serta rangkaian filter pasiv.
BAB III : PERENCANAAN DAN PEMBUATAN
Bab ini membahas tahap perencanaan dan proses pembuatan perangkat keras Proyek Akhir.
BAB IV : PENGUJIAN DAN ANALISA
Bab ini membahas secara keseluruhan dari sistem dan dilakukan pengujian serta analisa pada setiap percobaan perangkat keras. Mengintegrasikan seluruh sistem dan pengujian, kemudian berdasarkan data hasil pengujian dan dilakukan analisa terhadap keseluruhan sistem.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini membahas kesimpulan dari pembahasan, perencanaan, pengujian dan analisa berdasarkan data hasil
pengujian sistem. Untuk meningkatkan hasil akhir yang lebih baik diberikan saran-saran terhadap hasil pembuatan Proyek Akhir.
1.7 Tinjauan Pustaka
Tinjauan pustaka dibawah ini merupakan referensi yang membantu dalam mengerjakan proyek akhir meliputi :
Francisco c. De La rosa, “HARMONICS AND POWER SYSTEMS” menjelaskan tentang teori dan perhitungan agar didapatkan kualitas daya yang baik yaitu mereduksi harmonisa yang ditimbulkan oleh pemakaian beban non linear dengan cara penggunaan filter harmonisa dan perbaikan power faktor.
Dalam Buku yang berjudul “Power Electronic” karangan Muhammad Rashid, menjelaskan tentang teori dan perhitungan dari rangkaian konverter 6pulsa dan rectifier full bridge 1fasa.
Stefanos Manias, “HARMONIC TREATMENT IN INDUSTRIAL POWER SYSTEMS” menjelaskan tentang berbagai macam jenis filter pasif dan desain filter pasif yang akan digunakan di industri untuk menurunkan THD agar didapatkan kualitas daya yang lebih baik.
Paper yang berjudul “Capacitors for Power Factor Correction and Filtering (MKK)” menjelaskan tentang perbaikan factor daya dan menjelaskan tentang beberapa cara pemasangan filter pasif yaitu pemasangan kapasitor dan inductor filter beserta perhitungannya.
Paper yang berjudul “Power factor correction and harmonic fltering in electrical plants” menjelaskan tentang cara mereduksi harmonisa agar didapatkan nilai THD sesuai dengan standard dan perbaikan factor daya dan juga menjelaskan tentang beberapa cara pemasangan filter pasif yaitu pemasangan kapasitor dan inductor filter beserta perhitungannya.
Dari proyek akhir yang dikerjakan oleh saudara Choirul Huda yaitu “Pemanfaatan harmonisa sebagai sumber energi dengan menggunakan filter”. Di bukunya berisi ulasan tentang cara
mengurangi kadar harmonisa ke-5 yang dominan pada converter 6pulsa dengan meggunakan metode tune filter. Dari proyek akhir yang dikerjakan oleh Choirul Huda pengurangan harmonisa masih sebatas untuk harmonisa yang ke-5 saja dengan menggunkan sumber 3fasa 160V dan pengambilan harmonisa belum bisa optimal dikarenakan desain filter pasif yang masih kurang tepat. Namun pada
proyek akhir ini akan dikembangkan lagi yaitu pengambilan harmonisanya dilakukan pada harmonisa ke-5 dan ke-7 sehingga akan didapat hasil peredaman yang lebih besar, penggunaan beban non linear inverter 3fasa, pembuatan induktor filter dengan pemberian sedikit airgap, menggunkan tegangan sumber 3fasa dan daya yang lebih besar, mencoba pemasangan capasitor secara delta dan penggunaan buck-boost converter untuk pengaturan tegangan output yang dipakai untuk pengisian accu.
BAB II TEORI PENUNJANG
Analisa dan perhitungan sangat penting dilakukan sebelum merencanakan suatu sistem. Sehingga diperlukan teori penunjang sebagai pendukung kebenaran dari analisa yang dilakukan. Teori dasar pada proyek akhir ini diambil dari mata perkuliahan Power Quality dan Elektronika Daya.
Teori dan analisa penunjang yang lain diambil dari mata kuliah yang masih berkaitan dengan rangkaian Elektronika Daya antara lain : Matematika, Komponen Listrik, Rangkaian Listrik, Piranti Elektronika dan Rangkaian Elektronika, serta buku – buku literatur ( ada pada halaman Daftar Pustaka ).
Setiap pembahasan – pembahasan pada sub bab saling berkaitan dengan teori dan analisa yang pernah diberikan pada perkuliahan yang pernah didapatkan.
2.1 Rangkaian Penyearah (Rectifier)
Rectifier adalah alat yang digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sinyal sumber arus searah (DC). Gelombang AC yang berbentuk gelombang sinus hanya dapat dilihat dengan alat ukur CRO. Rangkaian rectifier banyak menggunakan transformator step down yang digunakan untuk menurunkan tegangan sesuai dengan perbandingan transformasi transformator yang digunakan. Penyearah dibedakan menjadi 2 jenis, penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh, sedangkan untuk penyearah gelombang penuh dibedakan menjadi penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT), dan penyearah gelombang penuh dengan menggunakan dioda bridge.
Bagian utama atau boleh dikatakan jantung suatu catudaya adalah rangakaian penyearah yang mengubah gelombang sinus AC menjadi deretan pulsa DC. Ini merupakan dasar atau langkah awal untuk memperoleh arus DC halus yang dibutuhkan oleh suatu peralatan elektronik.
2.1.1 Penyearah Gelombang Penuh
Rangkaian penyearah satu fasa gelombang penuh dapat dibuat dengan menggunakan konfigurasi jembatan (bridge) ataupun dengan menggunakan Center-Tapped Transformer. Jika kedua metode ini dibandingkan maka akan ditemukan kelebihan dan kekurangan pada masing-masing metode.
Pada konfigurasi Center-Tapped Transformer yang menggunakan duah buah dioda, hanya akan ada satu penjatuhan tegangan (voltage drop) pada dioda di setiap jalur arus dari transformator ke beban. Pada rangkaian jembatan yang menggunakan empat buah dioda, akan terdapat dua voltage drop. Meskipun demikian pada Center-Tapped Transformer setiap dioda paling tidak harus menahan tegangan balik (reverse voltage) yang besarnya dua kali lipat dari pada setiap dioda yang digunakan pada konfigurasi jembatan. Rangkaian penyearah gelombang penuh seperti pada Gambar 2.1
Gamba 2.1 Rangkaian full wave rectifier 1
Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian seperti pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 ragkaian peyearah gelombang penuh denga filter C ___________________
1 Tim Fakultas Teknik Universitas Negeri Yogyakarta” Teknik Dasar
Untuk mencari nilai dari tegangan output, dapat menggunakan rumus seperti berikut:
TVs
t
dt
T
Vave
Vdc
0)
(
1
Dimana Vout untuk 0<=t<=T dengan frekuensi 1/T dan ω=2πf
Vm Vm Vave Vdc Vm Vave Vdc t Vm Vave Vdc t td Vm Vave Vdc t td Vm Vave Vdc 6366 . 0 2 ) 1 ( 1 cos sin 1 sin 2 2 0 0 0
Dan untuk tegangan output setelah filter capasitor, fRC V V V m m dc 4 ...(2.1)
Tegangan output rectifier dapat dilihat pula dari gambar gelombang output rectifier. Semakin besar nilai kapasitor maka gambar gelombang ripple akan semakin landai (berarti nilai ripplenya semakin kecil) sehingga gambar gelombangnya akan mendekati gambar gelombang DC murni dan nilai tegangan outputnya akan semakin besar pula.
2.1.2 Penyearah Tiga Phasa
Penyearah diode gelombang penuh tiga phasa menggunakan sistem jembatan dengan enam buah diode R1, R3, dan R5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. diode R4, R6, dan R2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negative. Tegangan DC yang dihasilkan memiliki enam pulsa yang dihasilkan oleh masing-masing diode tersebut. Tegangan DC yang dihasilkan halus karena tegangan riak (ripple) kecil dan lebih rata. Urutan konduksi dari keenam diode dapat dilihat dari siklus gelombang sinusoida yang konduksi secara bergantian. Konduksi dimulai dari diode R1 + R6 sepanjang sudut komutasi 60°. Berturut-turut disusul diode R1 + R2, lanjutnya diode R3 + R2, urutan keempat R3 + R4, kelima R5 + R4 dan terakhir R5 + R6 Jelas dalam satu siklus gelombang tiga phasa terjadi enam kali komutasi dari keenam diode secara bergantian dan bersama-sama.
Rangkaian penyearah 3 fasa seperti pada Gambar 2.3
Gambar 2.3Penyearah jembatan gelombang penuh 3fasa 2
Nilai tegangan rata-rata dari beban (VL Average) dapat dihitung
dengan rumus :
... (2.2) Nilai tegangan RMS dari beban (VL rms) dapat dihitung dengan
rumus : ... (2.3) m V ave V 1,654 m V rms V 1,655 ___________________ 2 Ibid hal.8
Dengan melihat arus beban kita dapat menghitung nilai rata-rata dari arus beban (Iave) dengan rumus :
... (2.4) Dimana nilai
... (2.5) 2.2 Inverter
Inverter adalah suatu rangkaian elektronika yang berfungsi untuk merubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) dengan besar magnitude dan frekuensi tertentu. Inverter banyak sekali digunakan pada berbagai macam produk industri, seperti : 1. Drive kecepatan
2. Induction heating
3. Power supply pesawat udara 4. UPS pada computer
Teknologi VSD yang dipakai adalah teknik V/F konstan, artinya pada saat ingin menurunkan putaran motor induksi dengan cara menurunkan frekuensinya maka tegangan juga harus diturunkan demikian juga sebaliknya, sehingga besarnya fluksi motor tetap dan motor akan mendapatkan torsi yang tetap besar. Penghematan daya diperoleh saat motor dioperasikan pada kecepatan rendah dibawah kecepatan nominalnya.
Maka pada saat motor dioperasikan pada kecepatan rendah dengan cara menurunkan frekuensi motor akan diperoleh penurunan tegangan sehingga pemakian daya juga akan turun sehingga diperoleh efisiensi daya.
Cara kerja inverter adalah merubah dari tegangan dc menjadi tegangan ac dengan frekuensi yang bisa diatur atau diubah-ubah. Pengaturan frekuensi dengan cara teknik switching transistor inverternya. Akibat switching ini menyebabkan bentuk gelombang tidak sinusoidal sehingga menghasilkan distorsi pada PF dimana PF ≠ DPF sehingga menimbulkan kerugian daya.
m I m I ave I 0,78 4 3 6 2 R m V 73 , 1 Im
2.3 Motor Induksi 3
Pada proyek akhir ini akan dipasang sebuah motor induksi 3Ø sebagai bebannya. Dapat dilihat sebuah penampang dari motor induksi 3Ø seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4
Gambar 2.4Motor Induksi 3fasa
Dimana ada beberapa prinsip kerja dari motor induksi:
1. Apabila sumber tegangan 3Ø dpasang pada kumparan medan (stator) , timbullah medan putar dengan kecepatan : Ns= 120*f/p
2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.
3. Akibat dari kumparan jangkar (rotor) timbul tegangan induksi (ggl) sebesar : E2s= 4,44 f2n2 (untuk satu fasa) E2s adalah tegangan induksi pada saat rotor berputar. 4. Karena kumparan jangkar merupakan rangkaian yang
tertutup ,ggl (E) akan menghasilkan arus (I).
5. Adanya arus (I) didalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor.
6. Bila kopel awal yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban , rotor akan berputar searah dengan medan medan putar stator.
7. Seperti telah dijelaskan pada (3) tegangan induksi timbul Karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan relativ antara kecepatan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr). Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (S) dinyatakan dengan : S= ns-nr/ns*100%
8. Bila nr=ns ,tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan jangkar rotor , dengan demikian
______________________
3
Muchammad Faizzin,”Filter Pasif Untuk Mereduksi Harmonisa”,
tidak dihasilakan kopel. Kopel motor akan ditimbulakan apabila nr lebih kecil dari ns.
9. Dilihat dari cara kerjanya ,motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak atau asinkron
2.4 Buck-Boost Converter 4
Cara mudah untuk menurunkan atau menaikkan tegangan DC yaitu dengan menggunakan rangkaian buck-boost converter. Buck-boost converter merupakan converter DC yang dapat diatur tegangan output DC nya. Tegangan output tergantung dari duty cycle yang digunakan untuk menyulut gate mosfet. Tegangan outputnya bisa lebih kecil dari tegangan input atau lebih besar dari tegangan input tergantung dengan duty cyclenya. Rangkaian buck-boost converter disusun dari beberapa komponen yaitu induktor, MOSFET, fast recovery diode, dan kapasitor. Pada Gambar 2.5 merupakan gambar rangkaian dari buck-boost converter.
Gambar 2.5 Rangkaian Buck-Boost Converter
2.4.1 Teori operasi rangkaian
Operasi dari buck-boost converter adalah cukup sederhana, dengan sebuah induktor dan dua switced (dari transistor dan diode) yang mengontrol induktor. Induktor dihubungkan antara sumber dan beban untuk menyimpan energi dan mengeluarkan energi ke beban. Buck-boost converter mempunyai magnitude tegangan output yang bisa lebih besar atau lebih kecil dari pada magnitude tegangan input. Ini sebuah switch mode power supply yang mempunyai topology yang sama antara boost converter dan buck converter. Polaritas tegangan output berlawanan dengan polaritas tegangan input. Prinsip operasi dari buck-boost converter terdiri dari dua mode yaitu:
______________________
a. Continuos Mode Operation
Buck-boost converter dalam operasi mode continuos jika arus induktor (IL) tidak pernah jatuh atau menyentuh titik nol dalam perputaran cyclenya, prinsip operasinya seperti pada Gambar 2.6 da Gambar 2.7
Gambar 2.6Buck-boost converter dalam kondisi switch ON
Gambar 2.7Buck-boost converter dalam kondisi switch OFF
Saat switch dalam kondisi tertutup, diode dalam kondisi reverse bias tidak ada arus yang melewati diode. Induktor dialiri arus dan dalam kondisi charge. Saat switch terbuka, diode dalam kondisi forward bias. Induktor akan berfungsi sebagai supply untuk mengecharge kapasitor.
b. Discontinuos Mode Operation
Dalam beberapa kasus, jumlah energi yang dibutuhkan oleh beban cukup kecil untuk ditransfer dalam waktu yang lebih kecil dibandingkan periode pergantian keseluruhan. Dalam hal ini, arus melalui induktor jatuh ke nol pada bagian periode. Perbedaan hanya dalam prinsip yang dijelaskan di atas adalah bahwa induktor benar-benar habis pada akhir siklus pergantian.
D D Vin Vo 1
Perhitungan duty cycle dan tegangan output pada buck-boost converter sebagai berikut
...(2.6) Dari persamaan 2.6 maka akan di dapat
...(2.7) 2.5 Karakteristik Beban Non-linier
Beban non-linier adalah beban yang menyebabkan bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya. Beban nonlinier menyebabkan arus dengan bentuk non sinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangan sinusoidal. Untuk mengetahui karaktristik beban nonlinier satu fasa dapat diambil suatu pendekatan dengan menggunakan rangkaian penyearah satu fasa gelombang penuh yang dilengkapi dengan kapasitor perata tegangan DC. Adanya kapasitor C ini dimaksudkan untuk mendapatkan tegangan DC yang relatif murni yang dikehendaki untuk operasi komponen elektronik. Namun akibatnya arus pada jala-jala sistem Is hanya akan mengalir pada saat terjadi pengisian muatan kapasitor C, yaitu di daerah puncak gelombang tegangan jala-jala, sehingga bentuk gelombang arus Is tidak proporsional lagi terhadap tegangannya (non-linier) dan mengalami distorsi (non-sinusoidal).
1. Beban linier
Pengggunaan beban linier pada sistem tiga fasa seperti pada Gambar 2.8
Gambar 2.8Penggunaan beban linier
Gambar gelombang tegangan dan arus input akibat pemakaian beban linear seperti pada Gambar 2.9
Gambar 2.9 Gambar gelombang tegangan dan arus input akibat pemakaian beban linier
Dari Gambar 2.9 pemakaian beban linier, arus dan tegangan sumber 3fasa tidak mengalami distorsi.
2. Beban non linear (converter 6 pulsa)
Pengggunaan beban non linier pada sistem tiga fasa seperti pada Gambar 2.10
Gambar gelombang tegangan dan arus input akibat pemakaian beban non linier seperti pada Gambar 2.11
Gambar 2.11 Gambar gelombang tegangan dan arus input akibat pemakaian beban non linier
Dari Gambar 2.11 pemakaian beban non linier berupa converter 6pulsa menyebabkan gelombang arus input mengalami distorsi berat tetapi tegangan sumber tidak terdistorsi.
2.6 Konsep Daya
Sebelum membahas tentang perbaikan faktor daya dengan menggunakan kapasitor, ada baiknya kita mengingat kembali tentang pengertian umum dari Daya Semu, Daya Aktif dan Daya Reaktif. Dalam sistem listrik AC/Arus Bolak-Balik ada tiga jenis daya yang dikenal, khususnya untuk beban yang memiliki impedansi (Z), yaitu:
1. Daya semu (S, VA, Volt Amper) 2. Daya aktif (P, W, Watt)
3. Daya reaktif (Q, VAR, Volt Amper Reaktif)
Untuk rangkaian listrik AC, bentuk gelombang tegangan dan arus sinusoida, besarnya daya setiap saat tidak sama. Maka daya
yang merupakan daya rata-rata diukur dengan satuan Watt, Daya ini membentuk energi aktif persatuan waktu dan dapat diukur dengan kwh meter dan juga merupakan daya nyata atau daya aktif (daya poros, daya yang sebenarnya) yang digunakan oleh beban untuk melakukan tugas tertentu.
Sedangkan daya semu dinyatakan dengan satuan Volt-Ampere (disingkat, VA), menyatakan kapasitas peralatan listrik, seperti yang tertera pada peralatan generator dan transformator. Pada suatu instalasi, khususnya di pabrik atau industri juga terdapat beban tertentu seperti motor listrik, yang memerlukan bentuk lain dari daya, yaitu daya reaktif (VAR) untuk membuat medan magnet atau dengan kata lain daya reaktif adalah daya yang terpakai sebagai energi pembangkitan flux magnetik sehingga timbul magnetisasi dan daya ini dikembalikan ke sistem karena efek induksi elektromagnetik itu sendiri, sehingga daya ini sebenarnya merupakan beban (kebutuhan) pada suatu sistim tenaga listrik. Konsep daya dapat dijelaskan melalui segitiga daya seperti pada Gambar 2.12
Gambar 2.12Segitiga Daya 5
Q
LOAD = Daya reaktif beban
Q
DES = Daya reaktif suplai setelah diberi capasitor
P
LOAD = Daya aktif beban
P : daya nyata = Vrms Irms cos O = Irms2 R (watt)
Q : daya reaktif = Vrms Irms sin O = Irms2 X (var kapasitif atau var induktif)
S : daya semu/komplek = Vrms Irms = Irms2 Z (VA)
______________________
Berdasarkan Gambar 2.12 penjumlahan vektor daya aktif (Pload) dan reaktif (Qload) merupakan daya total (nyata/Sload) , diukur dalam kVA (kilovolts-Amperes). Daya ini merupakan daya yang dikirim oleh perusahaan energi ke pelanggan.
Konsep Faktor Daya
Bila arus dan tegangan berbentuk sinusoidal, maka faktor daya (power factor-pf) didefinisikan sebagai cosinus sudut yang dibentuk antara simpangan nol (zero-crossing) tegangan dan simpangan nol arus, dengan nol tegangan sebagai acuan. Ilustrasinya diperlihatkan pada Gambar 2.13
Gambar 2.13Kurva arus dan teganga pada beban linear
Permasalahan muncul apabila salah satu atau kedua besaran tidak sinusoidal sebagaimana pada contoh-contoh di atas, terlebih apabila besaran-besaran memiliki beberapa simpangan nol.
Bila arus dan atau tegangan tidak sinusoidal, seperti pada contoh-contoh di atas, definisi tersebut tidak lagi dapat diterapkan. Untuk menyelesaikan permasalahan mengenai faktor daya, ada dua definisi yang umum digunakan berkaitan dengan bentuk arus dan atau tegangan yang tidak sinusoidal, yaitu :
true power factor (tpf atau pf saja) dan Displacement Power Factor :
Dimana :
Is1 = arus fundamental Is = arus harmonisa
TPF merupakan ukuran dari kemampuan daya rangkaian, dengan mencakup seluruh komponen harmonisa. Nilai TPF adalah
selalu lebih kecil atau sama dengan DPF ( yaitu dalam kasus arus dan tegangan sinusoidal ).
2.7 Resonansi
Kehadiran kapasitor yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya dapat menyebabkan timbulnya resonansi sistem lokal yang diikuti dengan naiknya arus yang sangat besar yang merugikan kapasitor itu sendiri. Dalam hal ini ada dua buah resonansi sistem, yaitu resonansi pararel dan resonansi seri.
Resonansi pararel menghasilkan impedansi yang tinggi pada frekuensi resonansi. Umumnya sumber harmonisa dianggap sebagai sumber arus yang menaikkan tegangan harmonisa dan arus harmonisa yang tinggi pada setiap lengan impedansi paralel. Resonansi pararel dapat terjadi pada beberapa cara yang paling sederhana mungkin ketika sebuah kapasitor dihubungkan pada busbar yang sama dengan sumber harmonisa. Sebuah resonansi pararel dapat terjadi antara sumber dan kapasitor.
2.8 Harmonisa
Pada sistem tenaga listrik, daya yang didistribusikan adalah pada level tegangan dengan frekuensi tunggal (50 Hz atau 60 Hz) ,tetapi karena perkembangan beban listrik yang semakin pesat dan komplek, terutama penggunaan beban-beban non linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombang sinusnyanya, sehingga yang semula seperti Gambar 2.14 a, tetapi setelah dialirkan kebeban-beban non linier, bentuk gelombangnya tidak lagi sinus melainkan akan cacat atau terdistorsi seperti yang terlihat pada Gambar 2.14 b.
Gambar 2.14 a Gambar 2.14 b
Gelombang sinus murni 6 Gelombang sinus terdistorsi7
______________________
Cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain yang disebabkan oleh pemakaian beban non linier lebih dikenal dengan harmonisa, dengan kata lain harmonisa adalah komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen frekuensi fundamental. Hal ini dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.15
Gambar 2.15 Bentuk Gelombang Fundamental, Gelombang Harmonisa dan Gelombang Fundamental yang Terdistorsi
2.8.1 Konsep Dasar Analisa Harmonisa Analisa Fourier
Pengertian Deret Fourier
Analisa Fourier terdiri dari 2 bagian yaitu: 1. Transformasi Fourier (Fourier Transform)
2. Deret Fourier (Fourier Series)
Sinyal waktu kontinyu dengan analisa fourier harus dideretkan, karena sinyal waktu kontinyu f(t) yang akan di analisa menurut Fourier merupakan sinyal yang terdistorsi. Ada beberapa factor yang menyebabkan sinyal terdistorsi diantaranya:
1. Adanya sinyal noise pada frequensi tertentu 2. Adanya pengaruh disturbance
3. Adanya unsur harmonisa dari sinyal tersebut 4. Adanya komponen atau beban yang bersifat non
linear dari suatu system
Prinsip dasar atau pengertian dasar deret Fourier adalah semua bentuk gelombang waktu atau sinyal waktu kontinyu f(t) yang
periodic(asalkan bukan gelombang sinus) dapat dinyatakan atau diuraikan kedalam beberapa komponen harmonisa atau komponen frekuensi, atau dengan kata lain dapat dinyatakan sebagai bentuk jumlahan fungsi-fungsi sinus atau cosines. Jadi jika suatu sinyal waktu konyintu f(t) yang periodic (distorsi karena adanya harmonisa) diambil deret Fouriernya maka hasilnya berupa sinyal waktu kontinyu pula, hanya saja memiliki beberapa komponen frequensi dan amplitude harmonisa.
Ada beberapa syarat suatu sinyal bisa dianalisa dengan menggunakan deret fourier:
1. Sinyal waktu f(t) harus periodic
2. Sinyal waktu f(t) harus kontinyu bagian demi bagian (piecewise)
3. Sinyal waktu f(t) harus terdefinisi pada interval tertentu.
Deret Fourier secara matematik dapat dibagi menjadi 2 berdasarkan cara penulisannya:
1. Deret Fourier Trigonometri (Unifersal Form)
2. Deret Fourier Exponential (Complex Form)
Deret Fourier Trigonometri (Unifersal Form)
Suatu sinyal waktu kontinyu f(t) yang periodic (terdefinisi pada interval tertentu) dapat dinyatakan dalam deret Fourier Trigonometri sebagai berikut:
𝑓 𝑡 = 𝑑0+ ∞𝑛 =1 𝑎𝑛cos nωt + 𝑏𝑛sinnωt .…..(2.8) Dengan koefisien-koefisiennya adalah :
d0= 1 𝑇 𝑓 𝑡 𝑑𝑡 𝑇 0 ………..……....(2.9) a𝑛= 2 𝑇 𝑓 𝑡 cos nωt 𝑑𝑡 𝑇 0 …………..………....(2.10) b𝑛 = 2 𝑇 𝑓 𝑡 sin nωt 𝑑𝑡 𝑇 0 ………...…....(2.11) Dimana:
d0 = Harga rata-rata atau komponen DC dari sinyal f(t) an dan bn= Amplitudo sinyal harmonisa
2.8.2 Sumber-Sumber Harmonisa
Komponen-komponen sistem tenaga listrik yang dapat menimbulkan arus harmonisa hendaknya perlu diperhatikan, dengan tujuan untuk memprediksi permasalahan yang diakibatkan oleh harmonisa, sehingga sudah dapat diperkirakan cara yang tepat untuk menekan kehadiran harmonisa tersebut, baik dengan cara memasang filter, maupun mendesain peralatan-peralatan listrik agar dampak harmonisa yang ditimbulkan peralatan tersebut masih dibawah standar yang ditentukan.
Berikut ini adalah beberapa contoh sumber-sumber harmonisa :
1. Konverter 2. Tanur Listrik 3. Induktor
4. Penyearah (rectifier)
2.8.3 Pengaruh Harmonisa Pada Jaringan 8
Sistem tenaga listrik yang ideal, energi listrik yang disalurkan mempunyai frekuensi tunggal konstan dan pada level tegangan dengan magnitude yang konstan, tetapi dengan pemakaian beban nonlinier mengakibatkan timbulnya arus harmoisa pada sistem tenaga listrik yang bersangkutan. Misalnya saja pada konverter yang berhubungan dengan jaringan listrik akan menyebabkan mengalirnya arus non sinusoidal ke dalam jaringan. Apabila jaringan tersebut mempunyai beban lain, selain konverter, maka beban-baeban tersebut akan mendapatkan tegangan dari busbar yang bentuknya tidak lagi sinusoidal. Dari permasalahan ini maka harmonisa tersebut akan dapat mengakibatkan bebearpa kerugian, berikut ini adalah beberapa kerugian akibat besarnya arus harmonisa yang mengalir pada sistem :
1. Turunnya faktor kerja sistem.
2. Mengganggu operasi peralatan lain seperti jalur telpon dan lain-lain.
3. Tidak amannya arus netral dalam sistem tiga phasa.
4. Induktor, generator dan transformator menjadi sangat panas dan cepat rusak.
5. Tidak amannya arus pada kapasitor perbaikan faktor kerja 6. Kapasitor menjadi sangat panas dan rusak.
7. Tidak berfungsinya peralatan pengaman.
______________________
8
2.9 Standar Harmonisa
Standar harmonisa yang digunakan pada penelitian ini adalah standar dari IEEE 519-1992. Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa yaitu batas harmonisa untuk arus (THDI) dan batas harmonisa untuk tegangan (THDV). Batas untuk harmonisa arus ditentukan oleh perbandingan arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of Common Coupling), sedangkan IL adalah arus beban fundamental. Untuk batas harmonisa tegangan ditentukan dari besarnya tegangan sistem yang terpasang atau dipakai. Standar harmonisa yang diizinkan untuk arus dan tegangan berdasarkan IEEE Std 519-1992 dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Tabel 2.1Batas Distorsi Arus Harmonisa untuk Sistem Distribusi
Tabel 2.2 Batas Distorsi Tegangan 10
%THDV adalah persentase jumlah total tegangan yang terdistorsi oleh harmonisa dan %THDI adalah persentase jumlah total arus yang terdistorsi oleh harmonisa. De La Rosa mendefinisikan THD dengan persamaan:
...(2.13) 3.0 Induktor
Sebuah induktor atau reaktor adalah sebuah komponen elektronika pasif (kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energi pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan olehinduktansinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat didalam kumparan dikarenakan hukum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik.
______________________
Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat, induktor berinti magnet juga memboroskan daya didalam inti karena efek histeresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
Induktor dengan inti EI
Tipe inti yang digunakan adalah inti besi laminasi ( lamination iron ) atau biasa disebut kern. Digunakan bahan tersebut karena inductor ini akan dipasang pada frekuensi rendah ( low frequency ). Jenis inti yang biasanya di pakai seperti pada Tabel 2.3
Tabel 2.3 Tipe inti yang biasa dipakai untuk induktor
Core type B Relative
core loss Applications Laminations iron, silicon steel 1.5-2.0T High 50-60 Hz Transformer, Induktor Powdered cores, Powdered iron 0.6-0.8T Medium 1 KHz Transformer, 100KHz filter Induktor Ferrite Manganese-zinc, Nickel-zinc 0.25-0.5T Low 20 KHz-1MHz Transformer, acinductor
Gambar 2.16 Bentuk inti EI terbuat dari besi laminasi (kern ) 11
Pada Gambar 2.16 inti EI mempunyai panjang sebesar b
dan lebar sebesar h. Langkah- langkah desain induktor dengan menggunakan inti kern adalah sebagai berikut:
1.Menentukan besar nilai Induktor yang di inginkan
2.Melakukan perhitungan-perhitungan untuk mendapatkan nilai sesuai dengan yang di harapkan, meliputi:
Menentukan ukuran kern
cos
9
.
9
5
.
1
3
p p ph phI
V
P
P
b
...(2.14)6561
.
0
b
h
...(2.15) Dari persamaan 2.14 dan 2.15 maka dapat dihitung besar luaspenampang kern adalah,
2
_
cm
dalam
h
b
Ac
………..…...(2.16) Menentukan jumlah belitan4 max max
10
Ac
B
I
L
n
n n ………...(2.17)Menentukan diameter email yang digunakan
_________________________
s I
d
4 , dimana s adalah kerapatan arus...(2.18)
3.1 Kapasitor
Pada dasarnya sebuah kapasitor merupakan dua keping konduktor yang dipisahkan oleh suatu insulator (udara, hampa udara atau suatu material tertentu). Secara skematis sebuah kapasitor keping sejajar dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.17
Gambar 2.17 Kapasitor keping sejajar
Pemasangan kapasitor yang digunkan untuk filter pasif dapat dipasang dengan hubungan star atau hubungan delta. Pemasangan capasitor secara star connection dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.18
Gambar 2.18 Kapasitor dipasang hubungan star 12
Dan untuk perumusannya seperti di bawah ini, Besar daya reaktif yang di injeksikan adalah
………....……(2.19) Dari persamaan 2.19 maka di dapat
…….……..……(2.20) Dimana: P = Besar daya aktif (Watt)
1
= Besar sudut awal 2
= Besar sudut harapan Un = Tegangan line-line (Volt) Fn = Frekuensi jala-jala (50Hz)Pemasangan capasitor secara delta connection dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.19
Gambar 2.19 Kapasitor dipasang hubungan delta 13
Dan untuk perumusannya seperti di bawah ini,
……….….(2.21)
Dari persamaan 2.21 maka di dapat
………(2.22) ………..(2.23)
___________________ 12,13
Siemens Matsushita Components,”Capacitors for Power Factor Correction
Perhitungan C star seperti pada persamaan 2.20 Dimana: P = Besar daya aktif (Watt)
1 = Besar sudut awal 2
= Besar sudut harapan Un = Tegangan line-line (Volt) Fn = Frekuensi jala-jala (50Hz) Besar arus yang mengalir di capasitorGambar 2.20Arus pada capasitor
3.2 Transformator 14
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain. Melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Trnsformator digunakan secara luas,baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.
Dalam bidang elektronika, tranformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban;untuk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yang lain;dan untuk
______________________
menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian.
Pada perencanaan dan pembuatan proyek akhir ini transformator di desain sebagai rangkaian filter pasif untuk melewatkan arus harmonisa ke-5 dan ke-7 pada frekuensi resonansi yang di inginkan, dimana arus yang mengalir pada sisi sekunder memiliki frekuensi 250Hz untuk harmonisa ke-5 dan 350Hz untuk harmonisa ke-7.
3.3 Filter Pasif 15
Dengan semakin meningkatnya permasalahan mengenai harmonisa yang disebabkan semankin banyaknya penggunaan peralatan elektronika yang non linier, seperti komputer, printer dan lain-lain. Sehingga perlu dibuat suatu alat untuk dapat mengatasi permasalahan tersebut, karena harmonisa pada suatu sistem distribusi dapat menyebabkan menurunnya masa pakai dari peralatan listrik dan dapat mengganggu jalur komunikasi dan akibat buruk lainnya.
Tujuan pokok dari filter harmonisa adalah untuk mereduksi amplitude frekuensi-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 ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem.
Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah:
1. Kapasitor.
Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVar yang diinginkan.
2. Induktor.
Induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit (skin effect).
______________________
15
Limboto Limantara,”Analisa Simulasi Filter Pasif dan Perbandingan Unjuk
Kerjanya dengan Filter Aktif dan Filter Aktif Hibrid dalam Meredam Harmonisa
Gambar 2.21 Rangkaian filter pasif dalam Sistem16
Dari Gambar 2.21 filter pasif dipasang pada sisi sumber yang dipakai untuk melewatkan arus harmonisa agar tidak menuju ke sumber. Filter Pasif tersusun dari kapasitor dan induktor dengan satu frekuensi yang disetting pada frekuensi tegangan harmonisa yang akan dihilangkan. ...(2.24) Dimana: fr = Frekuensi setting. L = Induktansi. C = Kapasitansi.
Karakteristik susunan frekuensi setting filter:
...(2.25) Dimana:
nr = Orde dari resonansi. fr = Frekuensi setting. f1 = Frekuensi fundamental.
BAB III
PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS
3.1 Blok Diagram
Perencanaan sistem secara keseluruhan dapat dijelaskan seperti pada Gambar 3.1
Pemakaian beban non linear berupa konverter 6pulsa
SOURCE 3P NONLINEAR LOAD (Converter 6 pulsa) F IL T E R P A S IF 1 CAPASIITOR Induktor CAPASIITOR Induktor CAPASIITOR Induktor F IL T E R P A S IF 2 CAPASIITOR Induktor CAPASIITOR Induktor CAPASIITOR Induktor Arus harmonisa R T S Harmonisa ke- 5 Harmonisa ke- 7
Pemakaian beban non linear berupa inverter 3fasa
Source
3fasa Inverter 3fasa
Motor Induksi 3fasa
Filter Pasif LC Rectifier
1Fasa Accu
Buck-Boost Converter
Gambar 3.1Blok Diagram Sistem
Dari Gambar 3.1 Pemakaian konverter 6pulsa mengakibatkan timbulnya harmonisa cukup besar, dan untuk mengatasinya maka di pasang filter pasif harmonisa ke-5 dan ke-7 pada sisi sumber untuk mereduksi harmonisa tersebut. Dan untuk pemakaian inverter 3fasa mengakibatkan timbulnya harmonisa yang sangat besar, dan untuk mengatasinya maka di pasang filter pasif harmonisa pada sisi sumber untuk mereduksi harmonisa tersebut,
dan selanjutnya dilakukan pemanfaatan daya pada travo filter untuk pengisian accu.
Sebelum mendesain filter pasif, kami terlebih dahulu melakukan pengambilan data awal, yaitu mengamati bentuk harmonisa pada plan sebelum dipasang filter. Scope yang kami gunakan yaitu Fluke tipe 41B (Gambar 3.2).
Gambar 3.2Fluk 41B
3.2 Perencanaan Rangkaian Penyearah Tiga Phasa
Pemakaian beban non linear berupa konverter 6pulsa menghasilkan harmonisa dalam jumlah yang cukup besar yang selanjutnya dilakukan pengambilan dan pemanfaatan harmonisa yang muncul yaitu harmonisa ke-5 dan ke-7 pada sistem. Karakteristik dari penyearah tiga fasa ini adalah:
i. Harmonik ke 3 tidak ada
ii.Harmonik ke 6k ± 1 muncul, dimana 6k+1 membentuk urutan positif dan 6k-1 membentuk urutan negative Penggunaan konverter 6 pulsa seprti pada Gambar 3.3
Gambar 3.3 Rangkaian penggunaan beban konverter 6 pulsa
Gambar 3.4Gambar gelombang tegangan dan arus jala-jala akibat Penggunaan beban nonlinear ( konverter 6 pulsa)
Akibat penggunaan beban nonlinear berupa konverter 6 pulsa maka menyebabkan bentuk gelombang arus jala-jala menjadi tidak sinusoidal lagi (mengalami distorsi) sedangkan pada bentuk gelombang tegangan jala-jala tetap sinusoidal seperti yang terlihat pada Gambar 3.4. Dari Gambar 3.5 yaitu gambar spektrum tegangan dan arus, pada konverter 6 pulsa akan muncul harmonisa ke-5 (F=250Hz), ke-7 (F=350Hz), ke-11 (F=550Hz), ke-13 (F=650Hz) dan seterusnya.
3.3 Perencanaan Filter Pasif
Filter yang dirancang disini adalah filter pasif LC yang digunakan untuk mereduksi harmonisa yang dominan yaitu harmonisa ke-5 dan ke-7. Untuk tiap harmonisa, filter pasif ini menggunakan tiga buah transformator satu fasa sebagai pengganti induktor filter untuk melewatkan arus harmonisa yang diinginkan dan tiga buah capasitor filter yang dipasang dengan hubungan star atau delta dimana nilai capasitor filter dari hasil perencanaan nantinya akan disesuaikan dengan yang ada dipasaran. Dalam pengambilan arus harmonisanya menggunkan metode sedikit pergeseran frekuensi, hal ini dimaksudkan untuk menghindari kemungkinan terjadinya resonansi pada sistem. Keluaran (belitan sekunder) pada travo ini dihubungkan pada penyearah gelombang penuh satu fasa. Pemasangannya seperti pada Gambar 3.6
Desain Filter Pasif untuk beban converter 6 pulsa
Load converter : 4buah lampu pijar 250W diparalel seri 4buah lampu pijar 250W diparalel Vs/VLL = 215V V Vph 124.28 3 215 Is = 2.7A P = 980W PF1 = 0.96
