PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON
LINIER
(STUDI KASUS DI GEDUNG DIREKTORAT TEKNOLOGI INFORMASI DAN KOMUNIKASI UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA)
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik di Departemen Pendidikan Teknik Elektro
Oleh
Adha Rizky Juniawan E.5051.1005252
TEKNIK ELEKTRO S-1
DEPARTEMEN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN
Perancangan Simulasi Filter Aktif 3
Fasa Untuk Mereduksi Harmonisa
Akibat Penggunaan Beban
Non Linier
(Studi Kasus Di Gedung Direktorat
Teknologi Informasi Dan Komunikasi
Universitas Pendidikan Indonesia)
Oleh
Adha Rizky Juniawan
Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan
© Adha Rizky Juniawan
Universitas Pendidikan Indonesia
Januari 2015
Hak Cipta dilindungi undang-undang.
Skripsi ini tidak boleh diperbanyak seluruhya atau sebagian,
Adha Rizky Juniawan, 2015
Perancangan Dan Simulasi Filter Aktif 3 Fasa Untuk
Mereduksi Harmonisa Akibat Penggunaan Beban Non
Linier (Studi Kasus Di Gedung Direktorat Teknologi
Informasi Dan Komunikasi Univeritas Pendidikan
Indonesia)
Abstrak
Skripsi penelitian ini bertujuan untuk mereduksi harmonisa dengan cara merancang suatu filter aktif. Filter aktif tersebut dikontrol dengan menggunakan PI dan SPWM. Data studi kasus dari penelitian ini didapat dengan cara melakukan pengukuran langsung pada salah satu panel listrik di gedung Direktorat TIK UPI. Dari hasil pengukuran diperoleh nilai THD I sebesar 84%. Berikut penentuan nilai rangkaian kontrol pada filter aktif , diantaranya ; konstanta proporsional (Kp) 0.18, konstanta Integral (Ti) 2.25, band pass filter yang disetel pada frekuensi
center 50 Hz, passing band 10000 Hz, DC inveter 412 V, R 0.1 Ω, L 825 µH, dan
C 1000 µF. Hasil pemasangan filter aktif pada sistem mampu menurunkan THD I dari 84% menjadi 5.12 %. Dengan hasil ini maka filter aktif dapat dijadikan sebagai salah satu metoda yang efektif dalam mereduksi harmonisa.
Keyword; Harmonisa, Proportional, Integral, inverter, Total Harmonic
Distortion
Design And Simulation Of Three Phase Active Filter For
Reduce Harmonic From Using Non Linear Load ( Study
Case In Direktorat Teknologi Informasi Dan Komunikasi
University Indonesian Of Education Building )
Abstarct
The final task of this research aims to reduce harmonics on the system by designing an active filter with PI and SPWM kontrol. The design of active filters is simulated by using PSIM software version 9.0.3. Case of study research was conducted by direct measurement on one of the electrical panel in the ICT Directorate UPI building. The simulation results based on the measurements, yielding a value of THD I 84%. By determining the value of the active filter kontrol circuit in such as proportional constant (Kp) 0.18, Integral constant (Ti) 2.25, band pass filter tuned to the center of frequency 50 Hz, Hz frequency passing bands 10000, inveter DC 412 V, R 0.1 Ω, L 825 μH, and C 1000 .The result of the installation of the active filter can reduce value of THD I system from 84% to 5.12%. With this result, the active filter can be regarded as one of filters methode that effective in reducing harmonics.
DAFTAR ISI
1.7Sistematika Penulisan Tugas Skripsi ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Sumber Harmonisa dari Beban Non Linear ... 6
2.2 Analisis Total Harmonic Distortion ... 6
2.2.1 Standarisasi THD pada Sistem Tenaga Listrik ... 7
2.3 Analisis Sinyal Non Sinus Akibat Penggunaan Beban Non Linear ... 8
2.3.1 Metode Analitik ... 8
2.3.2 Metoda Numerik ... 9
2.4 Penyearah Penuh Tiga Fasa Tak Terkontrol ... 10
2.5 Filter Pasif ... 11
2.5.1 Jenis-jenis Topologi Filter Pasif ... 11
2.6 Filter Aktif ... 13
2.7 Kontrol Filter Aktif ... 14
2.7.1 Sinusoidal Pulse Width Modulation... 14
2.7.2.1 Inverter Sumber Tegangan Topologi Full Bridge ... 15
2.7.3 Band Pass Filter ... 16
2.7.4 Kontrol PID (Proportional, Integral, Derivatif) ... 17
2.7.5 Komparator ... 19
3.4.3 Tahap Penyelesaian dan Pelaporan ... 24
3.5 Langkah-langkah Penelitian ... 24
3.6 Tahap Perancangan Penelitian dan Pengukuran ... 24
3.7 Tahap Perancangan P Model Filter Aktif Menggunakan PSIM ... 26
3.8 Penentuan Arus Short Circuit dan Arus Beban ... 29
3.9 Data Hasil Pengukuran Harmonisa di Gedung Dir TIK UPI ... 29
3.9.1 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 25 Juni 2014 ... 30
3.9.2 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 24 September 2014 ... 33
3.9.3 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 9 Oktober 2014 .. 34
3.10 Sumber Kelistrikan dan Jenis Beban Di Gedung Dir TIK UPI ... 36
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38
4.1 Harmonisa Arus di Gdeung Dir TIK Sebelum Dipasang Filter ... 38
4.2 Pendekatan Nilai Isc/IL... 38
4.3 Model dan Hasil Simulasi Sumber Harmonisa Gedung Dir TIK UPI dengan PSIM 9.0.3 ... 39
4.4 Lokasi Pemasangan Filter ... 41
4.5 Analisis Model Desain Filter Aktif untuk Mereduksi Harmonisa di Gedung Dir TIK UPI ... 41
4.5.2 Pengendalian Arus Harmonisa dengan Menggunakan Kontroler
Proporsional (K) dan Integral (I) ... 45
4.5.3 Pemasangan Limiter ... 47
4.5.4 Pengaturan Sinusoidal Pulse Width Modulation ... 47
4.5.5 Pengaturan Pulsa Kerja Inverter dengan Menggunakan Gerbang Logika Not dan Switch Kontroller ... 48
4.5.6 Analisis Pemasangan Komponen L, R dan C pada Keluaran Inverter ... 49
4.6 Hasil Perbaikan Sistem Setelah Dipasang Filter Aktif ... 53
BAB V KESIMPULAN ... 56
5.1 Kesimpulan ... 56
5.2 Saran ... 56
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Dalam sistem tenaga listrik kualitas daya merupakan salah satu faktor
penting yang harus diperhatikan. Kualitas daya mencakup, kontinuitas dalam
penyediaan energi listrik, kestabilan frekuensi dan tegangan serta kualitas
faktor daya. Keempat hal ini merupakan fokus utama dari kualitas daya,
sehingga keempat hal ini harus dijaga kehandalan. Akan tetapi,
perkembangan teknologi di sisi beban yang mengarah pada peningkatan
efisiensi peralatan dalam penggunaan energi listrik mempengaruhi
kehandalan kualitas daya. Berbagai jenis peralatan yang dapat
mempengaruhi kehandalan dari kualitas daya diantaranya, air conditioner,
refrigerator, lampu-lampu hemat energi, komputer, laptop, serta penggunaan
converter, baik itu rectifier maupun inverter. Peralatan seperti ini semakin
banyak digunakan baik di rumah tangga maupun di industri .
Peralatan elektronik di atas pada umumnya memerlukan arus searah
sehingga dalam penyediannya diperlukan penyearahan arus.
Pembebanan-pembebanan jenis ini membuat arus pada jaringan listrik tidak lagi berbentuk
gelombang sinusoidal murni. Gelombang seperti ini bukan hanya tersusun
dari frekuensi fundamental saja tetapi juga ditumpangi oleh frekuensi
kelipatan bilangan integer dari frekuensi fundamental yang didefinisikan
sebagai harmonisa.
Dengan adanya harmonisa, gelombang arus maupun tegangan yang
harusnya berbentuk sinusoidal berubah menjadi gelombang sinusoidal
terdistorsi. Ketika terjadi distorsi gelombang maka kualitas tegangan dan
frekuensi mengalami perubahan, sehingga tidak sesuai dengan regulasi.
Harmonisa bukan saja menggangu kualitas tegangan dan kestabilan frekuensi
tetapi juga mengakibatkan masalah lain. Diantaranya, meningkatnya rugi-rugi
pembacaan pada kWh meter, tidak bekerjanya peralatan proteksi pada sistem
tenaga serta membuat faktor daya menjadi rendah.
Karena merugikannya dampak yang diakibatkan oleh harmonisa maka
diperlukan suatu metode untuk meredam harmonisa tersebut. Salah satu
metode yang digunakan dalam mereduksi harmonisa adalah pemasangan
filter. Dengan adanya filter kita dapat mereduksi harmonisa yang terjadi.
Filter sendiri terdiri atas dua jenis yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter
pasif terdiri dari komponen linear R, L dan C sedangkan filter aktif terdiri
dari komponen non-linear seperti IGBT, Thyristor, GTO, Transistor Power,
MOSFET yang dirangkai menjadi inverter.
Filter pasif dan aktif sendiri mempunyai beberapa kekurangan dan
kelebihan. Kekurangan dari filter pasif adalah hanya mampu mereduksi
harmonisa tertentu sesuai dengan desain awal sehingga apabila terjadi
perubahan maka filter tersebut tidak dapat menyesuaikan dengan keadaan
baru tersebut. Untuk kelebihan dari filter pasif adalah dari sisi ekonomi. Filter
pasif lebih murah dibanding dengan filter lainnya dalam hal desain dan
pembuatan.
Sedangkan untuk filter aktif kelebihannya adalah dimensinya relatif kecil
serta mampu mereduksi pita frekuensi harmonisa yang lebih lebar. Kelebihan
yang selanjutnya adalah filter ini mampu bekerja pada kondisi beban yang
berubah-ubah dengan cara mengatur ulang sistem kontrol yang mengatur
pensaklaran komponen pada inveter sedangkan untuk kekurangan dari filter
aktif sendiri diantaranya tidak bisa digunakan atau dipasang pada sistem
tenaga yang berkapasitas besar karena kemampuan filter aktif ini dibatasi
oleh kemampuan dari komponen penyusun inveter (GTO dan IGBT).
Kekurangan yang selanjutnaya adalah biaya desain dan pembuatannya relatif
1.2.Rumusan Masalah
Pada Tugas Skripsi ini penulis ditunjukan terhadap masalah-masalah sebagai
berikut ;
1. Bagaimanakah karakteristik harmonisa (orde harmonisa dominan dan
THD I) akibat beban non-linear di Gedung Direktorat TIK UPI ?
2. Bagaimanakah desain kontrol filter aktif yang efektif untuk mereduksi
harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI ?
3. Bagaimanakah hasil filterisasi harmonisa dari filter aktif ?
1.3.Batasan Masalah
Batasan masalah pada Tugas Skripsi ini adalah sebagai berikut ;
1. Harmonisa yang dianalisis hanya berasal dari beban non-linear terutama
personal computer serta laptop.
2. Sumber harmonisa pada simulasi diwakili oleh penyearah tipe jembatan.
3. Filterisasi pada simulasi hanya ditujukan untuk mereduksi nilai dari THD
I, sedangkan data hasil pengukuran di Gedung Direktorat TIK UPI
mengenai faktor kerja dan amplitudo arus diabaikan.
4. Perencanaan dan penggunaan inverter yang terkontrol dengan
menggunakan kendali PWM.
5. Sistem 3 phasa dianggap setimbang.
6. Software yang digunakan untuk mensimulasikan hasil sebelum dan
sesudah pemasangan filter menggunakan Power Simulator versi. 9.0.3
1.4.Tujuan Skripsi
Tujuan penulisan Tugas Skripsi ini adalah sebagai berikut ;
1. Mengetahui karakteristik harmonisa (orde harmonisa dominan dan THD
I) akibat beban non linear di Gedung Direktorat TIK UPI.
2. Mengetahui desain kontrol filter aktif yang efektif untuk mereduksi
harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI.
3. Mengetahui hasil filterisasi harmonisa yang dilakukan oleh filter aktif serta
membandingkan gelombang arus hasil perbaikan terhadap standar IEEE
1.5.Manfaat Skripsi
Manfaat yang diharapakan dari skripsi ini diantaranya adalah sebagai berikut ;
1. Bagi penulis : dapat menambah ilmu pengetahuan, pemahaman, dan
keterampilan di dalam dunia kelistrikan, khususnya dalam perancang
filter aktif
2. Bagi Industri : diharapkan sebagai salah satu kontribusi positif, dengan
adanya perancangan filter dan pengujiannya bisa turut membantu Industri
dalam mereduski harmonisa yang dihasilkan oleh beban non linier berupa
penyearah sehingga dapat menurunkan resiko kerugian akibat harmonisa
tersebut.
3. Bagi dunia pendidikan : diharapkan dapat meningkatkan ilmu pengetahuan
di dalam dunia kelistrikan khususnya desain filter aktif dan diharapkan
untuk kedepannya bermunculan jenis filter yang baru yang mungkin saja
lebih efektif dalam mereduksi harmonisa dibandingkan filter aktif.
1.6.Metode Pengumpulan Data
Penulis menggunakan tiga metode pada proses pengumpulan data, yaitu ;
1. Metode Observasi Langsung
Penulis dapat melihat langsung harmonisa yang terjadi di Gedung TIK
UPI dengan cara melakukan beberapa pengukuran terhadap panel listrik.
2. Metode Wawancara
Penulis mendiskusikan dan menanyakan masalah-masalah yang tejadi
akibat harmonisa dan usaha untuk mereduksi harmonisa tersebut.
3. Metode Studi Pustaka
Penulis melakukan pembelajaran terhadap beberapa litelatur baik dari
penulis luar negeri maupun dalam negeri yang berhubungan dengan
harmonisa dan filter aktif.
1.7 Sistematika Penulisan Tugas Skripsi
Untuk memudahkan dalam membaca dan memahami tugas skripsi ini,
BAB I PENDAHULUAN
Memaparkan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah,
pembatasan masalah, tujuan penulisan, manfaat tugas skripsi, dan sistematika
penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Memaparkan tentang teori dan perkembangan penelitian harmonisa serta
upaya mereduksi dengan pemasangan berbagai tipe filter khususnya filter
aktif.
BAB III METODE PENELITIAN
Melakukan pengukuran langsung terhadap fenomena harmonisa yang
terjadi di Gedung Direktorat TIK UPI serta membuatkan model matematika
harmonisa tersebut. Membuat pemodelan sumber harmonisa dari hasil
pengukuran dengan menggunakan software PSIM 9.0.3. Melakukan
perancang filter aktif sebagai salah satu cara mereduksi harmonisa di Gedung
Direktorat TIK UPI.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Melakukan pengujian model sumber harmonisa pada simulasi. Melakukan
Pengujian model dengan simulasi sebelum dan sesudah pemasangan filter
aktif dalam mereduksi harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI. Serta
membandingkan hasil pengujian THD I yang terjadi dengan standar IEEE
519-1992.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Memaparkan tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran-saran
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Harmonisa Arus Di Gedung Direktorat TIK UPI Sebelum Dipasang Filter
Dengan asumsi bahwa kelistrikan di Gedung Direktorat TIK UPI
seimbang maka dalam penggambaran bentuk gelombang harmonisa akan
diambil sampel dari salah satu hasil pengukuran harmonisa. Data pengukuran
yang dijadikan sampel adalah data hasil pengukuran harmonisa arus pada pukul
11.00 di fasa R. Berikut hasil simulasi dari bentuk gelombang harmonisa arus
di fasa R dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB versi 2010.
Gambar 4. 1.
Gelombang Harmonisa Hasil Pengukuran pada Pukul 11.00 di Fasa R
Bentuk simulasi gelombang harmonisa di atas belum tentu sama dengan
gelombang harmonisa yang terjadi di Gedung Direktorat TIK UPI, karena nilai
THD I tidak dapat dengan tepat menggambarkan bentuk gelombang harmonisa.
4.2 Pendekatan nilai ���/��
Karena data daya rata-rata beban pemakaian selama 12 bulan di gedung
dalam tugas akhir ini nilainya dianggap < 20, sehingga batas THD I yang
diijinkan menurut standar IEEE 519-1992 adalah harus di bawah 5 %.
4.3Model dan Hasil Simulasi Sumber Harmonisa Gedung Direktorat TIK UPI dengan PSIM 9.0.3
Dengan asumsi bahwa sistem kelistrikan di Gedung Direktorat TIK
UPI seimbang, maka dalam analisis gelombang harmonisa hanya akan
diambil salah satu fasa. Dalam penelitian ini fasa R dijadikan sebagai model
yang mengandung harmonisa serta tempat dipasangnya filter aktif. Sumber
harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI berasal dari penggunaan lampu TL
dengan ballast elektronik dan komputer, untuk keperluan penelitian maka
sumber harmonisa ini hanya direpresentasikan oleh sebuah penyearah satu
fasa tipe jembatan tidak terkontrol serta bentuk gelombang harmonisa dari
simulasi hanya akan disesuaikan dengan nilai THD I hasil pengukuran
sebesar 84 % sedangkan untuk nilai amplitudo arus dan faktor kerja
diabaikan. Berikut desain sistem kelistrikan yang mengandung harmonisa
akibat pemasangan beban non linear yang menghasilkan THD I sebesar 84 %.
Gambar 4. 2. Model Desain Sumber Harmonisa
Dipilihannya penyearah tipe jembatan pada simulasi karena umumnya
beban di Gedung Direktorat TIK UPI memerlukan arus searah sehingga
di dalam peralatan beban tersebut sudah terpasang penyearah. Dengan
asumsi ini maka dipilihnya penyearah tipe jembatan yang digunakan
dalam simulasi dianggap telah mewakili kelakuan dari beban di Gedung
Direktorat TIK UPI. Perbedaannya terletak pada rating daya antara
Gambar 4. 3. Simulasi Arus Akibat Harmonisa
Dari gambar 4.3 di atas dapat dijelaskan bahwa arus sumber yang
seharusnya berbentuk sinusoidal murni tetapi akibat penggunaan
penyearah yang menghasilkan harmonisa sehingga gelombang arus
tersebut mengalami distorsi. Dengan adanya harmonisa pada fasa R maka
pada fasa tersebut tidak hanya mengandung frekuensi fundamental tetapi
juga frekuensi kelipatan fundamental. Spektrum frekuensi gelombang
fundamental dan harmonisa pada fasa R diperlihatkan pada gambar 4.4 di
bawah ini.
Gambar 4. 4.
Spektrum Gelombang frekuensi Fundamental dan Harmonisa
Pada gambar 4.4 di atas dapat diketahui bahwa frekuensi harmonisa
merupakan harmonisa orde ganjil. Berikut nilai dari tiap orde harmonisa yang
disajikan dalam tabel 4.1
Tabel 4.1 Sumber Harmonisa Sebelum Dipasang Filter
Harmonisa
maupun filter pasif. Akan tetapi karena harmonisa itu mempunyai kemampuan
untuk merambat menuju sistem yang mempunyai impedansi yang rendah,
maka salah satu tempat pemasangan filter yang tepat adalah di dekat sumber
harmonisa itu sendiri sehingga dengan adanya pemasangan filter di dekat
sumber harmonisa maka harmonisa tersebut diharapkan tidak menjalar menuju
jaringan atau sistem tenaga listrik. Di dalam penelitian ini filter aktif dipasang
dekat dengan penyearah 1 fasa yang merupakan sumber penghasil harmonisa.
4.5Analisis Model Desain Filter Aktif untuk Mereduksi Harmonisa di Gedung TIK UPI
Salah satu bagian penting dalam pembuatan filter aktif adalah merancang
kontrol inverter. Dengan inverter yang terkontrol, harmonisa yang
dibangkitkan bisa kita atur sedemikian rupa sehingga menghasilkan harmonisa
lawan yang bisa mereduksi harmonisa pada sistem. Untuk lebih jelasnya desain
dari inverter terkontrol yang dijadikan sebaga filter aktif ditunjukan dalam
Gambar 4. 5. Desain Filter Aktif Satu Fasa
Dari gambar di atas dapat dilihat teknik pengontrolan pada inverter
cukup kompleks. Pada penjelasan berikut ini akan dianalisis dengan detail
fungsi dari setiap komponen kontrol inverter di atas.
4.5.1 Penyeleksian Arus Harmonisa
Bentuk gelombang pada gambar 4.4 menunjukan bahwa antara
komponen fundamental dan harmonisa masih bersatu maka dari itu untuk
memisahkan komponen harmonisa maka tahap pertama yang harus
dilakukan adalah dengan memasang sensor arus pada sistem, selanjutanya
arus yang di sensing dari sistem akan diseleksi melalui band pass filter
orde dua. Gelombang fundamental dan harmonisa keluaran dari band pass
filter masih bersatu tetapi orde harmonisa yang diloloskan telah dibatasi
(a) (b)
Gambar 4. 6. (a) Pengisian Parameter pada Band Pass Filter dengan (Ia) Input Arus pada Band Pass Filter dari Sensor Arus ,
(b) Band Pass Filter.
Berikut penentuan nilai dari center frequency dan passing band
yaitu sebesar 50 Hz dan 10000. Dengan orde frekuensi yang diloloskan
cukup lebar maka diharapkan harmonisa orde tinggi bisa terloloskan
sehingga dalam proses reduksi harmonisa orde tinggi pun bisa hilang.
Gambar 4. 7. (a) Arus Keluaran dari band pass filter
Dari gambar 4.7 (b) dapat diketahui bahwa pada amplitudo arus
pada frekuensi fundamental (50 Hz) adalah 55 A. Untuk mereduksi
komponen fundamental ini digunakan sumber sinusoidal dengan frekuensi
50 hertz dan ampitudo 55 A yang berlawan dengan komponen
fundamental. Berikut gambar dari summing komponen fundamental
dengan harmonisa.
Gambar 4. 8.Reduksi Komponen Fundamental dengan menggunakan
Sumber dari Luar
Gambar 4.8 di atas memperlihatkan cara mereduksi komponen
fundamental. Hasil harmonisa murni diperlihatkan dalam gambar 4.9 (a).
Gambar 4.9. (b) Spektrum Frekuensi Komponen Arus Harmonisa
Dari gambar 4.9.b diperlihatkan bahwa komponen fundamental
masih tetap ada, walaupun demikian amplitudonya berkurang drastis.
Untuk gambar 4.9.a merupakan komponen harmonisa murni. Dari gambar
tersebut tidak terlihat tiap orde harmonisa karena gelombang tersebut
adalah hasil penjumlahan dari tiap orde harmonisa.
4.5.2 Pengendalian Arus Harmonisa dengan Menggunakan Kontroler Proporsional (K) dan Integrator (I).
Tujuan dari penggunaan kontroler proporsional dan Integrator
adalah untuk mengholah gelombang input arus harmonisa sehingga
menghasilkan gelombang output arus yang berbentuk sinusoidal. Untuk
menghasilkan arus keluaran yang diinginkan, arus keluaran inverter kita
umpan balikan ke dalam sistem kontrol.
Gambar 4. 10. a. Penjumlahan Arus Harmonisa (Ih) dengan Arus Keluaran Inverter (If)
Gambar 4.10. b. Gelombang Arus Hasil Penjumlahan Arus Harmonisa (Ih) dengan Arus Keluaran Inverter (Ii)
Dari gambar 4.10.b, gelombang hasil keluaran hampir berbentuk
sinusoidal tetapi nilai dari amplitudonya masih besar serta masih terdapat
sinyal error.Nilai amplitudo sangat berpengaruh untuk masukan pada
komparator maka dari itu puncak arus harus bisa diturunkan
sedemikianrupa. Salah satu cara untuk menurunkan amplitudo arus adalah
dengan cara pemasangan kontroler proporsional sedangkan untuk
memperbaiki error sinyal digunakan kontroler integrator. Penyetelan
konstanta proporsional (Kp) dan konstanta integrator (Ti) diperoleh
dengan mengikuti metode Ziegler-Nichols. Dengan metoda tersebut maka
diperoleh nilai Kp sebesar 0.18 dan konstanta waktu (Ti) sebesar 2.25.
Berikut hasil gelombang setelah dipasang kontroler P dan I.
Gambar 4. 11.
4.5.3 Pemasangan Limiter
Fungsi dari limiter adalah untuk membatasi amplitudo dari
gelombang sebelum masuk ke komparator.
Gambar 4. 12. Limiter
Rangkaian sesungguhnya dari limiter adalah berupa dua buah dioda
zener yang dipasang parallel.
4.5.4 Pengaturan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)
Prinsip kerja dari SPWM adalah dengan membandingkan antara
gelombang referensi yang berupa sinusoidal terhadap gelombang carrier
yang berbentuk segitiga. Gambar 4.11 merupakan gelombang referensi
sinusoidal yang akan dimodulasikan dengan gelombang carier. Pada saat
terjadi modulasi, amplitudo gelombang carier harus lebih besar dari
gelombang referensi atau perbandingan amplitudo gelombang carier
terhadap gelombang referensi harus ≤ hal ini bertujuan agar tidak terjadi
over modulasi. Sedangkan nilai frekuensi carier harus jauh lebih besar dari
frekuensi referensi agar frekuensi harmonisa yang dibangkitkan inverter
mempunyai orde harmonisa yang lebar. Untuk inverter satu fasa dengan
metode SPWM dengan frekuensi carier yang jauh lebih besar dari
frekuensi referensi, gelombang harmonisa yang dibangkitkan adalah
harmonisa orde ganjil (1,3,5,7 dst). Sedangkan jika frekuensi carier lebih
kecil dari frekuensi referensi maka bukan hanya harmonisa orde ganjil
yang muncum tetapi juga harmonisa orde genap pun akan ikut muncul.
Berikut hasil penyetelan dari SPWM dan tegangan DC pada inverter yang
Tabel 4. 2. Parameter Sistem Test
Parameter Simbol Nilai Satuan
DC Link Voltage Vdc 412 V
Modulasi frekuensi Fr 50 Hz
Frekuensi carrier Fc 20000 Hz
Modulation index Mi 1 -
Perbandingan sinyal referensi terhadap carrier dilakukan dengan
menggunakan komparator. Seperti diperlihatkan dalam gambar di bawah
ini.
Gambar 4. 13. Perbandingan Arus Referensi terhadap Carrier pada
Komparator
Jika Iref > Icarrier maka bernilai 1, jika sebaliknya maka akan
bernilai 0. Sinyal 1 atau 0 ini akan diatur dengan menggunakan bantuan
gerbang logika NOT dan switch kontroller untuk mengatur pensakalaran
dari tiap IGBT.
4.5.5 Pengaturan Pulsa Kerja Inverter dengan Menggunakan Gerbang Logika
Not dan switch kontroller
Seperti dijelaskan pada sub bab sebelumnya fungsi dari logika Not
dan switch kontroller untuk mengatur pensakalaran dari tiap IGBT.
DC IGBT1
IGBT3
IGBT2
IGBT4 out
Gambar 4. 14. Posisi IGBT
Cara kerja dari kombinasi IGBT pada gambar di atas dijelaskan
dalam tabel berikut.
Tabel 4. 3. Kerja Pensaklaran IGBT
S1 S2 S3 S4 Vout
ON - - ON + Vdc
- ON ON - - Vdc
4.5.6 Analisis Pemasangan Komponen L,R dan C pada keluaran inverter
Arus keluaran dari inverter mempunyai frekuensi harmonisa yang
lebar dan nilai THD I tidak sesuai dengan kebutuhan. Untuk memperbaiki
kejadian tersebut maka dilakukan rekayasa dengan pemasangan komponen
R, L dan C secara seri. Berikut hasil sebelum dan sesudah pemasangan
komponen R, L dan C pada keluaran inverter.
Gambar 4. 15. a. Bentuk Gelombang Arus Output Inveter Tanpa Komponen R, L
Gambar 4.15. b. Bentuk spektrum frekuensi Arus Output Inveter Tanpa Komponen R,L dan C.
Dari gambar 4.15 dan 4.16 dapat dilihat bahwa kemunculan orde
harmonisa lawan sudah sesuai tetapi nilai dari amplitude tiap orde masih
sangat tinggi.
Gambar 4.15. c. Bentuk Arus Perbaikan Tanpa Komponen R,L dan C
Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa hasil perbaikan untuk
mereduksi komponen orde harmonisa telah berhasil tetapi nilai arus pada
komponen fundamental meningkat hampir empat kali lipat hal ini terjadi
karena besar dari setiap orde harmonisa belum sesuai dan komponen
fundamental dari filter sangat besar. Untuk merekayasa besar dari tiap orde
harmonisa maka dipasang komponen R, L dan C. Berikut analisis dari
keluaran dari inverter setelah dipasang komponen R, L dan C.
Vi,fi (Variabel)
C L
R i(t)
Gambar 4. 16. Analisis Pendekatan Arus Keluaran dari Inverter Akibat Pemasangan R, L dan C
Gambar 4. 17. Penyerderhanaan tegangan Keluaran dari Inverter
Dari gambar 4.16 dan 4.17 bisa dibuat bentuk pendekatan
persamaan matematika dari arus keluaran inverter. Berikut tahap
pengerjaannya.
� = � �+ ∫ � + � ………(1)
Dengan menggunakan transformasi laplace maka diperoleh
persamaan berikut;
�
= �{ � − � } + � � ………..…(2)
� = �{ � } + � + � ………...…..……..…(3)
� = � + � +� ……….………(4)
Untuk mendapatkan fungsi waktu, persamaan di atas akan dirubah
kedalam bentuk pecahan parsial. Langkah pengerjaanya adalah
sebagai berikut ;
Dengan didapatnya akar-akar dari persamaan di atas, maka langkah
selanjutnya membuat pecahan parsial.
� = � + � +� = � + � +� = � − + − ..……(8)
Tahap selanjutnya adalah mencari nilai dari A dan B.
= − =
Dengan menggunakan invers transformasi laplace maka arus
dengan fungsi waktu bisa diperoleh sebagai berikut ;
� = � + ………(16)
Dengan mensubsitusikan nilai dari A dan B maka persamaan akhir
sebagai berikut ;
� = √ � −4 �� − ��� ……...……(17)
` V adalah ouput tegangan dari inverter. Dengan pemilihan nilai dari R, L
dan C maka konstanta waktu dari persamaan di atas bisa diatur sedemikian
rupa sehingga menghasilkan bentuk gelombang yang dibutuhkan. Nilai yang
dipilih adalah R 0.1 ohm, L 825 uH dan C 1000 uF.
4.6 Hasil Perbaikan Sistem Setelah Dipasang Filter Aktif
Bentuk gelombang arus pada sistem setelah dilakukan pemasangan
filter mengalami perbaikan yang sangat baik serta menghasilkan bentuk
gelombang yang hampir sinusoidal. Selain itu, nilai THD I setelah
pemasangan filter mengalami penururan yang drastis dengan nilai akhir
sebesar 5.12%. Berikut bentuk akhir dari gelombang arus setelah dilakukan
Gambar 4.18. a. Bentuk Gelombang Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C
Gambar4.18.b. Bentuk spektrum frekuensi Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C
Gambar 4.18.d. Spektrum Frekuensi Setelah Pemasangan Filter Aktif
Dari gambar 4.18.d bisa dilihat bahwa harmonisa orde 3,5,7,9 dst
hampir hilang diakibatkan oleh injeksi arus lawan dari filter aktif.
Sedangkan untuk komponen fundamental mengalami peningkatan hingga
dua kali lipat, hal ini disebabkan oleh penambahan arus fundamental dari
filter aktif. Berikut tabel hasil perbandingan sebelum dan sesudah
dilakukan pemasangan filter aktif.
Tabel 4. 4. Perbandingan harmonisa sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1Kesimpulan
1. Karakteristik harmonisa yang terjadi di gedung TIK UPI yang diakibatkan oleh
penggunaan beban non linear seperti lampu TL dan komputer memiliki
harmonisa dominan pada orde 3,5,7,9,11,13,15,17,19 dan yang terbesar berada
pada orde 3. Total distorsi harmonisa yang terjadi pada gedung Direktorat TIK
UPI sebesar 84 %. Nilai THD I ini sangat tinggi dan melebihi batas standar yang
ditentukan oleh IEEE 1992-519.
2. Desain filter aktif yang sesuai untuk mereduksi harmonisa di gedung TIK UPI
adalah penggunakan filter aktif dengan kontrol SPWM, pengendali proporsional
(K) dengan nilai Kp 0.18 dan Integral (I) dengan nilai Ti 2.25 serta dipilihnya
pemakaian IGBT sebagai komponen pensaklaran.
3. Hasil filterisasi yang dilakukan oleh filter aktif dianggap cukup berhasil karena
nilai THD I akhir setelah dipasang filter mencapai 5.12 % . Jika dibandingkan
dengan nilai THD I sebelum dipasang filter yaitu 84% nilai THD I setelah
pemasangan filter aktif jauh lebih baik. Walaupun demikian hasil ini belum
mencapai standar yang ditetapkan oleh IEEE 1992-519 yaitu dibawah 5 %. Hal
ini terjadi salah satunya karena harmonisa arus mula-mula di gedung Direktorat
TIK UPI memiliki nilai yang sangat besar.
5.2Saran
1. Karena nilai harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI sangat besar melebihi
standar yang ditentukan maka sebaiknya pada gedung tersebut dipasang filter
sehingga harmonisa pada gedung tersebut bisa berkurang.
2. Jika pemasangan filter aktif dianggap relatif lebih mahal maka bisa juga dipasang
filter pasif atau dipasang bank kapasitor. Filter pasif ditala untuk mereduksi
Adha Rizky Juniawan, 2015
PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT
dominan dan paling berpengaruh pada tegangan dan arus fundamental. Jika
dipasang bank kapasitor, dalam perancangannya harus sedemikian rupa sehingga
tidak terjadi resonansi dengan frekuensi harmonisa.
3. Untuk peneliti lain yang ingin melanjutkan dan memperbaiki desain filter aktif
maka diperlukan suatu metode dan analisis yang lebih mendalam terutama
mereduksi gelombang fundamental dari keluaran inverter sehingga tidak terjadi
