ANALISA PERBANDINGAN FILTER HARMONISA
SINGLE TUNE DAN DOUBLE TUNE PADA PENYEARAH
SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION (SPWM)
TESIS
Oleh
PARLIN SIAGIAN
097034005/TE
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Judul Penelitian : ANALISA PEBANDINGAN FILTER HARMONISA
SINGLE TUNE DAN DOUBLE TUNE PADA PENYEARAH SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION (SPWM)
Nama Mahasiswa : PARLIN SIAGIAN Nomor Induk : 097034005
Prohram Studi : Magister Teknik Elektro
Menyetujui Komisi Pembimbing
( Prof. Dr. Ir. Usman Baafai ) (Dr. Marwan Ramli, M. Si ) Ketua Anggota
Sekretaris Program Studi Dekan,
(Drs. Hasdari Helmi, MT) (Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)
Telah Diuji pada
Tanggal: 13 Februari 2013
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Dr. Marwan Ramli, M. Si
ABSTRAK
Penyearah SPWM (sinusoidal pulse width modulation) satu fasa merupakan salah satu peralatan non linier yang banyak dipergunakan di masyarakat. Peralatan ini memberikan arus harmonisa ke jaringan sistem tenaga pada orde harmonisa rendah seperti harmonisa ke-3, 5, 7, 9, 11 dan 13. Oleh sebab itu perlu dilakukan filterisasi harmonisa. Dari bermacam-macam filter harmonisa pasif yang ada, filter single tune
dan filter double tune merupakan filter yang sederhana dipergunakan untuk mengurangi arus harmonisa pada orde tertentu yang tidak sesuai standar IEC61000-3-2 kelas D, sehingga sesuai untuk peralatan-peralatan penyearah satu fasa yang umum dipergunakan masyarakat. Untuk mengetahui perbandingan kedua filter pasif tersebut, pada tulisan ini akan membahas perbandingan kedua filter tersebut pada penyearah SPWM satu fasa. Filterisasi harmonisa dilakukan dengan terlebih dahulu merancang filter yang akan digunakan yaitu filter single tune dan double tune. Untuk melihat penurunan harmonisa sebelum dan sesudah menggunakan filter single tune
dan double tune pada penyearah SPWM dilakukan melalui simulasi menggunakan program Matlab/simulink pada beban 2000 watt dengan konfigurasi beban R dan RL dan pada kondisi beban maksimum dan beban 50%. Arus harmonisa setelah dilakukan filterisasi pada penyearah SPWM untuk semua konfigurasi beban secara keseluruhan telah memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D. Penurunan THDi yang dihasilkan penyearah SPWM sesudah penggunaan filter single tune adalah sebesar 51,9% sampai dengan 87,89% dan pada filter double tune sebesar 51,18% sampai dengan 87,34%. Dari simulasi yang dilakukan, diperoleh bahwa hasil filterisasi single tune dapat menurunkan harmonisa keseluruhan yang lebih baik dibandingkan dengan filter double tune.
ABSTRACT
SPWM (sinusoidal pulse width modulation) rectifier of a phase constitutes one of non linear types of equipment which is mostly used by people. This equipment gives harmonic current to the power network system in low harmonic orders like the 3rd, 5th, 7th, 9th, 11th, and 13th harmonics. Therefore, harmonic filtering is needed. Of various passive harmonic filters, single tune filter and double tune filter are simple filters for reducing harmonic current in a certain order which are not in line with IEC61000-3-2 Class D standard so that they will be in line with rectifiers used by people. In order to know the difference between the two passive filters above, the researcher would discuss the difference between the two filters in the one phase SPWM rectifier, the harmonic filtering was done by firstly designing the filters which would be used: single tune filter and double tune filter. In order to know harmonic lowering before and after using single tune and double tune filters in the SPWM, it was done through simulation by using Matlab/simulink program in 2000 watt load with the configuration of R and RL loads and in the maximum load condition and in 50% of load. Harmonic current, after filtering had been done in SPWM rectifier for all load configurations as a whole, had met the IEC61000-3-2 Class D standard. The decrease of THDi yielded by SPWM rectifier after using single tune filter was 51.9% up to 87.89%, and in double tune filter was 51.18% up to 87.34%. From the result of the simulation, it was found that the result of single tune filtering could decrease the whole harmonics better than that of double tune.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat-Nya dan solawat serta salam kepada Nabi Muhammad SAW. Penulis bersyukur telah dapat menyelesaikan tesis ini dan telah mendapatkan hasil dan kesimpulan sebagaimana terdapat pada tulisan ini.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku ketua pembimbing, Bapak Dr. Marwan Ramli, M.Si selaku anggota pembimbing yang telah banyak memberikan arahan dalam penyusunan tesis ini. Terima kasih juga saya ucapkan kepada Bapak Ir Refdinal Nazir, M.S, Ph.D dan Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si yang telah banyak memberikan masukan demi kesempurnaan tesis ini.
Terima kasih saya ucapkan kepada Bapak Prof. Dr. dr. Sahrial Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp. A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk mengikuti pendidikan Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
MT selaku sekretaris program studi Magister Teknik Elektro serta seluruh staf pengajar dan pegawai penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
Selanjutnya penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Bapak drg. Chairul Tanjung selaku pemilik Group Transmedia, jajaran Direksi PT Televisi Transformasi Indonesia, Ibu Atiek Nurwahyuni selaku Direktur Utama, Bapak Azuan Syahril selaku kepala Divisi Production & Facilities tahun 2009, Bapak Ahmad Ferizqo Irwan selaku Direktur Programming, Bapak Wawan Julianto selaku Kepala Departemen Transmisi yang telah memberikan izin belajar kepada penulis hingga menyelesaikan studi magister teknik. Kepada rekan-rekan kerja di Transmisi Trans TV Medan penulis juga mengucapkan terima kasih atas segala bantuannya selama ini. Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada ayahanda Muhammad Seram dan ibunda Solkia, isteri tercinta Dr Marlina, SH, M.Hum, serta kepada anak-anakku tersayang Sidrin Makhdudi Lin dan Dzeilin Mamdudi Lin atas segala motivasi, dorongan semangat, pengertian dan do’anya.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan ini, penulis tetap mengharapkan masukan, kritik dan saran demi kesempurnaan tesis ini.
Akhir kata semoga Allah SWT selalu merahmati kita semua dan hasil penelitian ini bermanfaat bagi kita semua, amiin.
Medan April 2013 Hormat saya,
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Nama : Parlin Siagian
Tempat dan tanggal lahir : Pagar Agung, 2 Januari 1976
Jenis Kelamin : Laki-laki
Agama : Islam
Bangsa : Indonesia
Alamat : Perumahan Pesanggrahan Salam Tani blok A No. 35, Desa Salam Tani, kecamatan Pancur Batu
Telpon : 081269060301
Nama orang tua
Ayah : Muhammad Seram
Ibu : Solkia
Istri : Dr. Marlina, SH, M.Hum
Anak : Sidrin Makhdudi Lin (Lk)
Dzeilin Mamdudi Lin (Lk) PENDIDIKAN:
A.Pendidikan Formal:
1. SD Negeri No. 190 Pagar Agung, Sumatera Selatan, tamat tahun 1988 2. SMP Cendekia Pagar Agung, Sumatera Selatan, tamat tahun 1991 3. SMA Negeri 2 Prabumulih, Sumatera Selatan, tamat tahun 1994
4. S1 Fakultas Teknik Jurusan Elektro Universitas Sumatera Utara, Medan, tamat tahun 1999
B. Pendidikan non-Formal
1. On Job Training PT Arun NGL Co, Lhokseumawe, tahun 1998 2. Broadcasting Basic Professional Training, Jakarta, tahun 2001 3. Training Maintenance dan Perbaikan Genset, Jakarta, tahun 2002
DAFTAR ISI
2.2.Sumber-sumber Harmonisa ... 9
2.6.5.Filter Double Tune ...………. 41
3.2.Rangkaian Simulasi Penyearah SPWM Satu Fasa ………. 59
3.3.Simulasi Penyearah SPWM Sebelum Pemasangan Filter ...…………. 64
3.4.Simulasi Setelah Pemasangan Filter ...………. 76
3.4.1.Perhitungan Parameter Filter Single Tune ...…………. 77
3.4.2.Perhitungan Parameter Filter Double Tune ....………. 92
BAB 4 HASIL DAN ANALISIS 4.1.Pendahuluan ...………. 109
4.2.Pengaruh Penggunaan Filter Single Tune Untuk Mengurangi Harmonisa Penyearah SPWM ………. 109
4.3.Pengaruh Penggunaan Filter Double Tune Untuk Mengurangi Harmonisa Penyearah SPWM ………. 110
4.4.Perbandingan Hasil Penggunaan Filter Single Tune Dan Double Tune Pada Penyearah SPWM ...………. 111
4.5.Pengaruh Faktor Kualitas Filter Terhadap Penurunan Harmonisa ...………. 116
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.Kesimpulan ...…………. 119
5.2.Saran ...………. 120
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
1.1. Penelitian mengenai model filter harmonisa yang
telah dilakukan ...………...… 4
2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A ………...…...…… 27
2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B ...………...…… 28
2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C ...…………...…… 29
2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D ...………...……… 29
2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas D ………..………..……… 30
3.1. Arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah SPWM beban R= 5 Ω sebelum pemasangan filter dibandingkan dengan standar IEC61000-3-2 kelas D ………...……… 67
3.2. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah SPWM beban R = 20 Ω sebelum filterisasi dengan standar IEC61000-3-2 kelas D ………..…….…...… 70
3.3. Perbandingn arus harmonisa sebelum pemasangan filter pada penyearah SPWM beban R = 5 Ω dan L = 50 mH dengan standar IEC61000-3-2 kelas D …...….. 73
3.4. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah SPWM beban R = 20 Ω dan L = 200 mH sebelum filterisasi dengan standar IEC61000-3-2 kelas D …………...…...…………. 76
3.5 Parameter filter single tune untuk filter harmonisa orde ke-3 dan 5 beban R = 5 Ω ………...……….………...….. 80
3.7. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah SPWM beban R= 20 Ω, impedansi input (Rin = 0,001 Ω, Lin= 4 mH)
setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan
filter single tune dengan standar IEC61000-3-2 kelas D ...…....…. 86 3.8. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah
SPWM beban R= 5 Ω dan L= 50 mH, impedansi input (Rin = 1 Ω,
Lin= 20 mH) setelah filterisai harmonisa orde ke-3 dan 5
menggunakan filter single tune dengan standar IEC61000-3-2 ……... 89
3.9. Perbandingan harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah SPWM beban R = 20 Ω dan L = 200 mH, impedansi input (Rin = 0,001 Ω, Lin= 8 mH) setelah filterisasi harmonisa orde
ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan filter single tune dengan
standar IEC61000-3-2 kelas D ……...….. 92 3.10 Hasil perhitungan parameter filter double tune……….…..………. 96 3.11. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah
SPWM beban R= 5 Ω impedansi input Rin= 0,001 Ω, Lin= 7 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3 dan 5 menggunakan
filter double tune dengan standar IEC610003-2 kelas D ... 99 3.12. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 hasil
simulasi penyearah SPWM beban R= 20 Ω impedansi input Rin= 0,001Ω dan Lin= 4 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunkan filter double tune
dengan standar IEC61000-3-2 kelas D ….………...……… 102 3.13. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 penyearah
SPWM beban R= 5 Ω dan L= 50 mH, impedansi input Rin = 1 Ω, Lin= 20 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3 dan 5 menggunakan filter double tune dengan standar IEC 61000-3-2 kelas D ………....….... 105
314. Perbandingan arus harmonisa ganjil orde ke-3 sampai 13 hasil simulasi penyearah SPWM dengan beban R= 20 Ω dan L= 200 mH, impedansi input Rin= 0,001 Ω, Lin= 8 mH setelah filterisasi
harmonisa ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan filter double tune
dengan standar IEC61000-3-2 kelas D …………...… 108 4.1. Perbandingan THDi sebelum dan sesudah pemasangan
4.2. Perbandingan THDi sebelum dan sesudah pemasangan
filter double tune ...………..………. 111 4.3. Perbandingan arus harmonisa hasil filterisasi filter single tune
dengan double tune pada penyearah SPWM beban R= 5 Ω ……...……. 112
4.4. Perbandingan arus harmonisa hasil filterisasi filter single tune
dengan double tune pada penyearah SPWM beban R= 20 Ω ..…...…… 113
4.5. Perbandingan arus harmonisa hasil filterisasi filter single tune
dengan double tune pada penyearah SPWM beban
R= 5 Ω, L=50 mH ………...………...……. 114
4.6. Perbandingan arus harmonisa hasil filterisasi filter single tune
dengan double tunepada penyearah SPWM beban R = 20 Ω,
L = 200 mH …...………....………. 114
4.7. Perbandingan persentase penurunan THDi menggunakan filter
single tune dan double tune ……...………....………… 115 4.8. THDi hasil simulasi filter single tune dengan mengatur nilai
faktor kualitas (Q) dengan beban R= 5 Ω ………...……. 117
4.9. THDi hasil simulasi filter double tune dengan mengatur nilai
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
1.1. Bentuk gelombang tegangan dan arus input penyearah
SPWM gelombang penuh ……...…... 2 2.1. Bentuk gelombang arus dan tegangan, (a) beban linier,
(b) beban tidak linier ... 8 2.2. Komponen harmonisa dari gelombang tegangan listrik .……..….…… 8 2.3. Struktur IGBT...……….…..…… 10
2.4. Rangkaian ekuivalen IGBT ...………....…..… 11 2.5. Simbol rangkaian IGBT ...…………..…… 12
2.6. Prinsip dasar dari penyearah SPWM, (a) aliran arus
setengah siklus pertama, (b) aliran arus setengah siklus kedua ... 14 2.7. Rangkaian ekuivalen penyearah jembatan PWM satu fasa .…...… 16
2.8. Rangkaian ekuivalen SPWM untuk setengah siklus
positif pertama ... ……..………… 16 2.9. Rangkaian ekuivalen untuk keadaan setengah siklus
positif kedua ... ……….……… 17
2.10. Bentuk gelombang tegangan dan arus penyearah
SPWM pada setengah siklus positif ...………....…… 18
2.11. Skema rangkaian kontrol penyearah PWM jembatan ... 20 2.12. Modulasi gelombang referensi dengan gelombang carier segitiga ... 21 2.13. Gelombang Persegi Keluaran Modularsi antara Gelombang
2.15. Rangkaian Filter Sinle tune dan kurva impedansi vs frekuensi ... 33
2.16 Filter Single Tune pada saluran sistem tenaga ... ………..……… 34
2.17 Rangkaian dasar Filter double tune ... ………..……… 41
2.18. Konversi filter single tune menjadi double tune ...…….……… 41
2.19. Grafik hubungan impedansi (Z) vs frekuensi (ω) filter single tune paralel dan filter double tune ekuivalen ...…....…… 42
2.20. Arus harmonisa beban yang mengalir menuju sumber ...…… 45
2.21. Arus harmonisa beban yang mengalir menuju kapasitor ...…..…... 45
2.22. Rangkaian resonansi seri ... ……..………… 46
2.23. Impedansi vs frekuensi untuk resonansi seri ...….………… 48
2.24. Rangkaian resonansi parallel ... …….………… 48
2.25. Impedansi vs frekuensi untuk resonansi parallel ...……….……… 50
3.1. Contoh hasil pengukuran SPWM satu fasa yang ditampilkan simulasi Matlab/simulink ... 53
3.2. Diagram alir pelaksanaan penelitian perbandingan filter single tune dan double tune pada penyearah SPWM ... 57
3.2. (sambungan)... 58
3.3. Pulsa gate IGBT dari atas ke bawah: pulsa IGBTI, IGBT3, IGBT2, IGBT4 ... 63
3.4. Model Simulink rangkaian kontrol pembangkit 4 pulsa IGBT SPWM ... 64
3.5. Rangkaian simulasi penyearah SPWM dengan beban R= 5Ω sebelum pemasangan filter ... 65
3.7. Spektrum harmonisa arus input penyearah SPWM dengan
beban R= 5 Ω sebelum filterisasi... 66
3.8. Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter dengan beban
R = 20 Ω …….……...………... 68
3.9. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 20 Ω sebelum
dilakukan filterisasi …... 68
3.10. Spektrum harmonisa hasil simulasi penyearah SPWM
beban R = 20 Ω sebelum filterisasi ……….…... 69
3.11. Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter beban
R = 5 Ω dan L= 50 mH ………...…………...…… 71
3.12. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi
penyearah SPWM beban R = 5 Ω dan L= 50 mH sebelum
dilakukan filterisasi ...……...……. 71
3.13. Spektrum harmonisa hasil simulasi penyearah SPWM beban
R = 5 Ω dan L = 50 mH sebelum filterisasi ...……...……… 72
3.14. Rangkaian simulasi sebelum pemasangan filter beban R = 20 Ω
dan L= 200 mH ...………... 74 3.15. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi
penyearah SPWM beban R = 20 Ω dan L= 200 mH sebelum
dilakukan filterisasi ...………...… 74
3.16. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah SPWM
beban R = 20 Ω dan L = 200 mH sebelum filterisasi ………….…… 75
3.17. Rangkaian simulasi filter single tune pada penyearah
SPWM beban R = 5 Ω ... 81
3.18. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 5 Ω setelah filterisasi harmonisa
orde ke-3 dan 5 menggunakan filter single tune ...…….…….…… 81 3.19. Grafik spektrum harmonisa penyearah SPWM beban
R = 5 Ω setelah filterisasi harmonisa orde ke-3 dan 5
3.20. Rangkaian simulasi filter single tune pada penyearah SPWM
beban R = 20 Ω ...……… 84
3.21. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 20 Ω setelah filterisasi harmonisa
orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan filter single tune ....…….……… 84 3.22. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah
SPWM dengan beban R = 20 Ω setelah filterisasi harmonisa
orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan filter single tune ....………...… 85 3.23. Rangkaian simulasi filter single tune pada penyearah SPWM
beban R = 5 Ω dan L = 50 mH ……….……… 87
3.24. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 5 Ω dan L= 50 mH setelah
filterisasi harmonisa orde ke-3 dan 5 dengan filter single tune...……. 87 3.25. Spektrum harmonisa arus input penyearah SPWM beban
R = 5 Ω dan L= 50 mH hasil simulasi setelah filterisasi
harmonisa orde ke-3 dan 5 dengan filter single tune ... 88 3.26. Rangkaian simulasi filter single tune pada penyearah SPWM
beban R = 20 Ω dan L = 200 mH ...………... 90
3.27. Grafik tegangan input (atas) dan arus input (bawah) hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 20 Ω dan L= 200 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan
filter single tune ...…………...… 90
3.28. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 20 Ω dan L = 200 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan
filter single tune ...………....… 91 3.29. Rangkaian simulasi filter double tune pada penyearah SPWM
beban R = 5 Ω ………... 97
3.30. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 5 Ω setelah filterisasi harmonisa
3.31. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 5 Ω setelah filterisasi harmonisa
orde ke-3 dan 5 menggunakan filter double tune ...………...…… 98 3.32. Rangkaian simulasi filter doubletune pada penyearah
SPWM dengan beban R = 20 Ω ...………..…..…. 100
3.33. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R = 20 Ω setelah filterisasi harmonisa
orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggukan filter double tune …………...…… 100
3.34. Spektrum harmonisa hasil simulasi setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggukan filter double tune pada
penyearah SPWM beban R = 20 Ω ... 101
3.35. Rangkaian simulasi filter doubletune pada penyearah
SPWM beban R= 5 Ω dan L= 50 mH ………...……… 103
3.36. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM beban R= 5 Ω dan L= 50 mH setelah filterisasi
harmonisa orde ke-3 dan 5 menggunakan filter double tune ………... 103
3.37. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah SPWM beban R= 5 Ω dan L= 50 mH setelah filterisasi
harmonisa orde ke-3 dan 5 menggunakan filter double tune ...… 104 3.38. Rangkaian simulasi filter double tune pada penyearah
SPWM dengan beban R = 20 Ω dan L = 200 mH ……..………… 106
3.39. Grafik tegangan (atas) dan arus (bawah) input hasil simulasi penyearah SPWM dengan beban R= 20 Ω dan L= 200 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan
filter double tune ...……...…… 106 3.40. Spektrum harmonisa arus input hasil simulasi penyearah
SPWM beban R= 20 Ω dan L= 200 mH setelah filterisasi harmonisa orde ke-3, 5, 7 dan 9 menggunakan
