13
Simulasi Filter Pasif (Bandpass Filter) Pada Sistem AC (Air Conditioning) Mobil Listrik
Haksa Fadilman Sinambela1*, Taraman Sitepu2, Martin Sembiring2, Cholish2, Efrata Tarigan3
1Jurusan Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Immanuel
2Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Medan
3Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan
e-Mail: [email protected]
Abstrak
Mobil listrik merupakan teknologi yang mengkonversikan energi listrik menjadi energi gerak.
Mobil listrik sendiri merupakan kumpulan dari beberapa sistem dan untuk sistem yang paling membutuhkan energi terbesar antara lain sistem penggerak, sistem AC dan beberapa sistem lainnya.
Untuk sistem AC mobil listrik yang akan dibahas pada penelitian ini yaitu sistem AC mobil listrik yang dikembangkan oleh Universitas Indonesia. Pada sistem AC mobil listrik ini menggunakan sistem control pada kerja kompresornya sehingga memungkinkan akan terbentuknya nilai harmonisa yang cukup besar.
Selain itu juga terdapat komponen inverter pada sistem ACnya sehingga memperbesar kemungkinan terjadinya nilai harmonisa pada sistem ini. Pada penelitian kali ini metodologi penelitian yang digunakan antara lain pengukuran nilai harmonisa sistem AC mobil listrik dan kemudian akan dilanjutkan dengan simulasi menggunakan ETAP untuk menentukan spesifikasi filter pasif yang sesuai untuk mengurangi nilai harmonis sistem AC mobil listrik. Sistem AC mobil listrik yang dikembangkan Universitas Indonesia terdiri dari 2 channel dimana masing-masing channel memiliki nilai total harmonisa (THD) yaitu 16,75% dan 13,48%. Untuk filter pasif yang akan digunakan pada sistem AC mobil listrik akan terdiri dari 3 filter pasif. Untuk filter pasif yang telah dirancang kemudian dilakukan simulasi pada sistem AC mobil listrik dapat menurunkan nilai harmonisa pada setiap channel menjadi 4,2% dengan arus yang dibutuhkan pada setiap channel akan meningkat menjadi 27,6 A rms dan 22,3 A rms. Dengan pemasangan filter pasif ini maka sistem AC mobil listrik sudah memenuhi standar yang dikeluarkan IEEE yaitu sebuah sistem yang baik memiliki nilai THD <5%.
Kata Kunci: Harmonisa, Sistem AC, Mobil Listrik
1. PENDAHULUAN
Jumlah kendaraan di dunia diperkirakan akan terus bertambah setiap tahunnya [1][2] dan akan diikuti dengan peningkatan temperatur udara [3] sehingga harus dikembangkannya kendaraan ramah lingkungan. Mobil listrik merupakan teknologi kendaraan yang menghasilkan polusi yang lebih sedikit dibandingkan dengan mobil dengan sistem motor bakar [4]. Pada setiap kendaraan harus diperhatikan sistem AC sebagai komponen faktor kenyamanan pengendara[5]. Untuk teknologi sistem AC yang umumnya digunakan pada mobil listrik di dunia sekarang menggunakan pengkopelan secara langsung dengan adanya ekstra motor seperti pada mobil dengan sistem motor bakar [6]. Untuk perkembangan sistem AC mobil listrik di Indonesia yang terbaru sekarang ini yaitu yang dikembangkan oleh Universita Indonesia. Sistem AC yang digunakan menggunakan kompresor BLDC dan inverter di dalamnya. Sistem ini memiki nilai effisiensi yang cukup baik yaitu berkisar 84,9% - 89,9% [7]. Dikarenakan sistem AC mobil listrik yang dikembangkan oleh Universitas Indonesia menggunakan inverter dan sistem control maka kemungkinan nilai harmonisa (THD) yang dimilikinya juga akan besar. Oleh karena itu penelitian kali ini akan membahas mengenai perancangan filter untuk mengurangi nilai harmonisa pada sistem AC mobil listrik melalui simulasi dengan menggunakan software ETAP. Untuk jenis filter yang akan digunakan yaitu filter pasif. Karena filter ini lebih murah dan jauh lebih gampang dari segi perawatannya.
Adapun tujuan perancangan ini yaitu untuk menghasilkan sistem AC mobil listrik yang memenuhi standart yang dikeluarkan oleh IEEE yaitu dengan nilai THD<5% untuk menghindari kerusakan karena temperatur dan keadaan kerja yang berbeda [8].
2. METODE
Penelitian kali ini menggunakan metodologi berupa experimental dan simulasi. Untuk metodologi experimental, Hal yang dilakukan yaitu pengukuran pada sistem AC mobil listrik dimana pengukuran ini akan dilakukan di Universitas Indonesia menggunakan sistem yang telah dikembangkan disana. Selain itu posisi pengukuran yang digunakan sama dengan pengukuran yang telah digunakan sebelumnya oleh Nasruddin & Hotdian pada penelitiannya [10] yaitu sebelum inverter dan setelah inverter seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Set-up Alat pengukuran harmonisa sistem AC mobil listrik
Sebelum melakukan pengukuran pada sistem AC mobil listrik akan dilakukan kalibrasi pada alat ukur Power Quality Analyzer (PQA) HIOKI PW 3198 menggunakan Clamp On ac/dc HIOKI 3280. Alat yang digunakan dan posisi pengambilan data memang sama dengan peneliti terdahulu, akan tetapi pada pengukuran ini akan berbeda karena pada penelitian ini akan mengukur nilai harmonisa yang terjadi pada sistem AC mobil listrik. Setelah dilakukan pengukuran dilanjutkan dengan tahap perancangan filter pasif yang sesuai dengan sistem AC mobil listrik. Pada tahap perancangan ini metode yang digunakan yaitu metode simulasi. Simulasi pada penelitian kali ini menggunakan Electrical Transient Analysis Program (ETAP) versi 12.6 untuk menentukan nilai komponen penyusun filter pasif yang digunakan. Pada penelitian ini filter yang digunakan hanya 3 buah yaitu filter pasif untuk orde 3, 5 serta 7 dan untuk nilai harmonisa dari sistem pada ETAP mengacu kepada hasil pengukuran yang telah dilakukan. Jenis simulasi yang digunakan pada software ETAP yaitu simulasi harmonisa.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Pengukuran Nilai Harmonisa Sistem AC Mobil Listrik
Hasil pengukurang nilai harmonisa yang dilakukan pada penelitian ini dibagi menjadi dua bagian, antara lain pengukuran nilai harmonisa sebelum inverter dan pengukuran nilai harmonisa setelah inverter.
Untuk hasil pengukuran nilai harmonisa sebelum inverter dapat dilihat pada Tabel 1. Maka dapat diketahui apabila nilai harmonisa yang terjadi pada bagian ini nilainya sangat kecil sehingga bisa diabaikan. Adapun nilai harmonisanya bisa sangat kecil karena pada bagian ini jenis arus yang mengalir adalah arus serah (dc) sehingga nilai harmonisanya dapat diabaikan. Harmonisa sebelum inverter dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Harmonisa Sebelum Inverter
Simulasi Filter Pasif (Bandpass Filter) Pada Sistem AC (Air Conditioning) Mobil Listrik Untuk hasil pengukuran nilai harmonisa pada posisi setelah inverter akan terbagi menjadi dua bagian yaitu channel 1 dan channel 2. Adapun pada titik ini terdiri dari 2 channel karena arus yang mengalir berbentuk satu phase atau berbentu sinusoidal dan untuk hasil pengukuran pada setiap channel dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Harmonisa Pada channel 1 & 2 setelah inverter
Berdasarkan data hasil pengukuran pada sistem AC mobil listrik pada posisi sebelum inverter maka dapat dilihat jika nilai total harmonisa (THD) dari channel 1 dan channel 2 yaitu 16,75% dan 13,48%.
Nilai harmonisa terbesar baik pada channel 1 maupun channel 2 terjadi pada orde-orde ganjil. Harmonisa dengan nilai besar terjadi pada orde-orde ganjil memang biasanya terjadi pada sistem yang menggunakan komponen pengubah jenis arus seperti inverter dan hal ini juga biasa terjadi pada sistem yang menerapkan controll dengan cara pengubahan frekuensi arus yang mengalir. Nilai THD yang dimiliki sistem AC mobil listrik ini melebihi standart yang ditentukan oleh IEEE yaitu nilai THD<5%. Olehkarena itu sistem AC mobil listrik ini membutuhkan pemasangan filter untuk mengurangi nilai harmonisa yang terjadi dan pada penelitian kali ini filter yang akan dirancang pada bagian berikutnya yaitu filter pasif.
3.2. Perancangan Filter Pasif Sistem AC Mobil Listrik
Pada penelitian kali ini, perancangan filter pasif untuk filter pasif sistem AC mobil listrik akan menggunakan software ETAP (Electrical Transient Analysis Program). Untuk skema simulasi pengujian filter pasif yang sesuai untuk sistem AC mobil listrik pada ETAP akan berbentuk seperti Tabel 3.
Gambar 2. Skema simulasi pengujian performa filter pasif pada sistem AC mobil listrik
Pada simulasi pengujian yang akan dilakukan pada sistem kali ini akan menggunakan 3 buah filter pasif, dimana filter pasif tersebut terdiri dari filter pasif orde 3, orde 5, dan orde 7. Pada sistem yang akan disimulasikan akan dimasukkan karakteristik dari harmonisa sistem yang dihasilkan pada pengukuran harmonisa sistem AC mobil listrik pada bagian sebelumnya. Pada simulasi ini karakteristik akan dimasukkan pada bagian konverter dimana konverter dianggap sebagai inverter. Hal ini dilakukan karena ETAP tidak dapat menjalankan sistem dengan jenis arus dc. Untuk Spesifikasi komponen penyusun filter pasif channel 1 dan channel 2 sistem AC mobil listrik dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4. Komponen yang digunakan merupakan komponen yang dapat ditemui di pasaran sehingga pada pembuatan filter pasif tidak diperlukannya custom komponen yang akan memperbesar biaya produksinya. Spesifikasi komponen pada Tabel 3 dan 4 akan dimasukkan kedalam software sebagai karakteristik filter pasif yang digunakan sebagai library.
Tabel 3. Spesifikasi Komponen Penyusun Filter Pasif Channel 1
Tabel 4. Spesifikasi Komponen Penyusun Filter Pasif Channel 2
Adapun simulasi channel 1 tanpa filter dan simulasi channel 1 dengan filter pasif dapat dilihat pada Gambar 3 (a) dan 3 (b)
Gambar 3. (a) Simulasi Channel 1 Tanpa Filter, (b) Simulasi Channel 1 Dengan Filter Pasif Berdasarkan data hasil simulasi yang dilakukan pada Gambar 3, maka dapat diketahui apabila dengan menggunakan 3 buah filter pasif yang terdiri dari komponen dengan ukuran yang terdapat pada
Simulasi Filter Pasif (Bandpass Filter) Pada Sistem AC (Air Conditioning) Mobil Listrik Tabel 3 dan 4 maka nilai THD sistem akan berkurang dari nilai THD tanpa filter sebesar 16,75% menjadi 4,20% setelah dipasang filter pasif pada channel 1 sistem AC mobil listrik. Dapat dilihat juga pada hasil simulasi jika dengan adanya penambahan filter pada sistem maka jumlah arus yang dibutuhkan oleh sistem juga akan menjadi meningkat dari sebesar 7,2 A rms menjadi 27,6 A rms. Untuk jumlah arus yang dibutuhkan oleh filter pasif orde 3, orde 5 dan orde 7 yaitu sebesar 10,9 A rms, 9,5 A rms, dan 8,8 A rms.
Untuk dapat melihat lebih detail akan pengaruh pemasangan filter pada sistem AC mobil listrik maka akan lebih kelihatan jika dilihat dari kualitas gelombang yang menggalir pada sistem AC mobil listrik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4. (a) Gelombang Channel 1 Tanpa Filter, (b) Gelombang Channel 1 dengan Filter Pasif Berdasarkan bentuk gelombang yang dihasilkan dari simulasi sistem menggunakan ETAP seperti pada Gambar 4. Maka dapat dilihat jika pada Gambar 4. (a) yang merupakan bentuk gelombang channel 1 sistem AC mobil listrik tanpa filter memiliki bentuk gelombang yang tidak beraturan dan jauh dari bentuk sinusoidal murni. Setelah dilakukan pemasangan 3 buah filter pasif maka bentuk gelombang berubah menujadi seperti pada Gambar 4. (b) dimana gelombang yang terbentuk jauh lebih baik karena memiliki bentuk mendekati bentuk sinusoidal murni meskipun pada beberapa bagian masih terjadi penyimpangan.
Penyimpangan yang terjadi ini menggambarkan jika pada sistem yang telah dipasang filter pasif masih terdapat harmonisa akan tetapi tidak sebesar sebelumnya dan hal ini telah ditunjukkan pada Gambar 3.
Untuk melihat secara lebih jelas harmonisa yang terjadi pada sistem dapat melihat spektrum harmonisa sistem dibawah ini.
(a) (b)
Gambar 5. (a) Spektrum Harmonisa Channel 1 Tanpa Filter, (b) Spektrum Harmonisa Channel 1 dengan Filter Pasif
Pada Gambar 5 dapat dilihat jika nilai harmonisa pada channel 1 sistem AC mobil listrik sebelum dan setelah dipasang filter pasif memang terjadi perbedaan yang sangat besar. Pada keadaan tanpa filter yaitu Gambar 5. (a) dapat dilihat jika harmonisa yang terbesar terjadi pada orde 5, orde 3, dan orde 7 dimana nilainya berada diatas 6,5%. Hal yang sangat berbeda ditunjukkan pada keadaan setelah dilakukan pemasangan filter pasif yaitu pada Gambar 5. (b), harmonisa yang terbesar masih terjadi pada orde 5, orde 3, dan orde 7 akan tetapi nilainya tidak melebih 2,4%. Gambar spektrum harmonisa ini menjelaskan nilai yang keluar pada Gambar 3. dan sekaligus dapat menjelaskan alasan mengapa bentuk gelombang sistem setelah dilakukan filter menjadi lebih mendekati bentuk sinusoidal murni, yaitu karena nilai harmonisa yang terjadi pada setiap ordenya terjadi penurunan.
Berdasarkan nilai THD channel 2 sistem AC mobil listrik pada Gambar 2 memiliki nilai melebihi 5% sehingga sama dengan channel 1 yaitu membutuhkan pemasangan filter pasif. Setelah pada simulasi
dimasukkan karakteristik harmonisa channel 2 sistem dan kemudian dengan menggunakan komponen sesuai dengan Tabel 1. (b) maka hasil simulasi dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 6. (a) Simulasi Channel 2 Tanpa Filter, (b) Simulasi Channel 2 Dengan Filter Pasif Bedasarkan Gambar 6 yang merupakan hasil simulasi pengujian filter pasif dengan menggunakan spesifikasi komponen yang terdapat pada Tabel 3 maka dapat diketahui apabila nilai THD sistem antara tanpa pemasangan filter pasif dan dengan pemasangan filter pasif terjadi penurunan yaitu dari 13,48%
turun menjadi 4,20%. Untuk besarnya arus yang dibutuhkan oleh sistem setelah pemasangan filter terjadi peningkatan dari 7,2 A rms menjadi 22,3 A rms.
(a) (b)
Gambar 7. (a) Gelombang channel 2 tanpa filter, (b) Gelombang channel 2 dengan filter pasif Berdasarkan bentuk gelombang yang terdapat pada Gambar 7, dapat dilihat jika gelombang yang arus yang mengalir sebelum dipasangannya filter pasif banyak terjadi penyimpangan yang mengakibatkan bentuk gelombang tidak mulus dan keadaan ini sangat berbeda dengan bentuk gelombang setelah dipasangnya filter pasif seperti Gambar 7. (b). Gelombang arus yang menggalir pada sistem AC setelah dilakukan pemasangan filter pasif yang terdiri dari komponen pada Tabel 4 memiliki bentuk yang cukup baik dan mendekati bentuk sinusoidal murni, meskipun pada bagian 0-0,1 dan 0,5 time(cycle) masih terjadi penyimpangan gelombang. Namun penyimpangan yang terjadi masih dalam toleransi karena jika kita ingin menghasilkan gelombang dengan bentuk yang mendekati bentuk sinusoida murni maka akan dibutuhkan arus yang semakin besar juga dan ini akan sangat sulit pada instaslasi sistem karena akan membutuhkan kabel yang memiliki tahan dan ukuran yang besar.
Simulasi Filter Pasif (Bandpass Filter) Pada Sistem AC (Air Conditioning) Mobil Listrik Gambar 8. (a) Spektrum Harmonisa channel 2 tanpa filter, (b) Spektrum Harmonisa channel 2 dengan
filter pasif
Berdasarkan spektrum harmonisa pada Gambar 8, maka dapat dilihat apabila pada channel 2 terdapat perbedaan dengan channel 1 pada Gambar 5 yaitu jika pada nilai harmonisa terbesar terjadi pada orde 3 sedangkan untuk channel 1 terletak pada orde 5. Untuk nilai harmonisa yang terjadi sebelum dan setelah pemasangan filter pasif terjadi penurunan yaitu dari nilai harmonisa terbesar pada orde 3 berkisar 8,6% menjadi berkisar 2,7%. Selain itu harmonisa pada orde ganjil lainnya juga ikut turun namun tidak sesignifikan nilai pada orde 3, orde 5, dan orde 7.
4. KESIMPULAN
Sistem AC mobil listrik sangat membutuhkan pemasangan filter karena nilai total harmonisa (THD) yang dimilikinya jauh lebih besar dari standart yaitu 16,75% untuk channel 1 dan 13,48% untuk channel 2. Harmonisa terbesar yang terjadi pada channel 1 terjadi pada orde 5 dan untuk channel 2 terjadi pada orde 3, namun keseluruhan sistem nilai harmonisa terbesar terjadi pada orde ganjil. Dengan menggunakan 3 buah Filter pasif maka sistem AC mobil listrik dapat memiliki nilai THD sesuai dengan standart yang dikeluarkan IEEE. Untuk filter yang terdiri dari komponen pada Tabel 1. dapat menurunkan nilai THD pada kedua channel menjadi 4,20% dengan kebutuhan arus pada channel 1 sebesar 27,6 A rms dan pada channel 2 sebesar 22,3 A rms. Peningkatan jumlah arus yang dibutuhkan dikarenakan setiap filter pasif yang dipasang pada sistem AC mobil listrik membutuhkan arus untuk menstabilkan arus yang akan masuk kedalam beban atau dalam hal ini yaitu kompressor BLDC.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Dargay J, Gately D dan Sommer M, “Vehicle owner ship and income growth , worldwide: 1960- 2030,” The Energy Journal, vol. 4, p. 143–170, 2007.
[2] Meyer I, Leimbach M dan Jaeger C C, “International passenger transport and climate change a sector analysis in car demand and associated CO2 emissions from 2000 to 2050,” Energy Policy, vol. 35, p. 6332–6345, 2007.
[3] Solomon S, Plattner G K, Knutti R dan Friedlingstein P, “Irreversible climat echange,” Proc Natl Acad Sci USA, vol. 6, pp. 1704-9, 2009.
[4] Hongrui Ma, Felix Balthasar, Nigel Tait, Xavier Riera-Palou dan Andrew Harrison, “A new comparison between the life cycle green house gas emissions of battery electric vehicles and internal combustion vehicles,” Energy Policy, vol. 44, pp. 160-1173, 2012.
[5] H.A.M. Daanen, E. van de Vliert dan X. Huang, “Driving performance in cold, warm, and the thermoneutral environment,” Appl. Ergon, vol. 34, pp. 597-602, 2003.
[6] H. Khayyama, J. Abawajy dan R. N. Jazar, “Intelligent energy management control of vehicle air conditioning system coupled,” Applied Thermal Engineering, vol. 48, pp. 211-224, 2012.
[7] Nasruddin dan H. Sinambela, “Design and Experimental Study of Air Conditioning System Using Brushless Direct Current (BLDC) Compressor in National Electric Car,” International Journal of Technology, vol. 5, no. 2086-9614, pp. 327-333, 2015.
[8] H. Akagi, “Modern active filters and traditional passive filters,” Bulletin of The Polish Academy of Sciences, vol. 54, no. 3, pp. 255-269, 2006.
[9] D. Nam, P. Lee, G. Lee, Y. Kwon dan J. Lee, “Optimization of an oil charge amount on electric driven scroll compressor for eco-friendly vehicle,” International journal of refrigration, vol. 57, pp.
54-61, 2015.
[10] M. F. Arman, An ‘Active’ Passive-Filter Topology for Low Power DC/AC Inverters, London:
Brunel University, 2011
