Reduksi Harmonisa Pada Jaringan Listrik Menggunakan
Inverter Gelombang Segi Empat Sebagai Filter Aktif
Tri Bowo Indrato1), Mauridhi Hery Purnomo2), Muhammad Ashari3)
1
Mahasiswa Program Pasca Sarjana, ITS Surabaya, FTI, Jurusan Teknik Elektro, Bidang Keahlian Teknik Sistem Tenaga, Staf Pengajar Politeknik Kesehatan Surabaya, Jurusan Teknik Elektromedik
2,3
Staf Pengajar dan Pembimbing Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Fakultas Teknik Industri, Jurusan Teknik Elektro
ABSTRAK
Paper ini membahas desain filter aktif dengan menggunakan inverter gelombang segi empat untuk mengurangai distorsi harmonisa arus pada jaringan listrik yang terhubung dengan beban tak linier. Filter aktif ini dihubungkan secara seri dengan filter pasif L-C dan masing-masing filter bekerja pada harmonisa ke lima dan ketujuh. Hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan power simulasi (PSIM) versi 4.1, menunjukan bahwa filter dapat meredam distorsi sebesar 0,5 % untuk arus sumber dan 20,9 % untuk arus beban.
Kata kunci : Filter daya aktif, reduksi harmonisa,
inverter gelomban segi empat.
I. PENDAHULUAN
Aplikasi beban nonlinear pada system tenaga terus meningkat dengan cepat, terutama di industri dengan
daya hingga orde megawatt. Beban nonlinear
mempengaruhi arus harmonisa ke dalam sistim tenaga dan menyebabkan permasalahan pada trafo, motor kontrol, dan lain-lain.
Filter hybrid merupakan kombinasi filter pasif dan aktip sebagai solusi praktis untuk meredam harmonisa. Filter aktif dengan pulsewidth modulasi ( PWM) merupakan solusi untuk mengkompensasi harmonisa [1] – [4].
II. Inverter Gelombang Segi-empat Sebagai Filter Aktif
Flter aktif pada penelitian terdiri dari inverter yang dihubungkan secara seri dengan filter pasif harmonisa kelima dan ketujuh, dengan skema dasar seperti ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1 skema dasar filter aktif pada power system
Gambar 2 menunjukkan rangkaian ekivalen filter harmonisa kelima. Diasumsikan kompensasi harmonisa dicapai pada harmonisa yang ke lima, sehingga komponen harmonisa ke lima dari arus is dengan sepenuhnya dapat dihilangkan (is,5th= 0).
Gambar 2 Rangkaian ekivalen filter harmonisa ke 5 Arus harmonisa ke lima di dalam filter pasif kelima if5,5th dan arus harmonisa ke lima di dalam filter pasif ke tujuh if7,5th pada sistem dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut th f th f inv th f th f th load th f th f Z Z v Z Z i Z I 5 , 7 5 , 5 5 5 , 7 5 , 5 5 , 5 , 7 5 , 5 . + − + − = (1) th f th f inv th f th f th load th f th f Z Z v Z Z i Z I 5 , 7 5 , 5 5 5 , 7 5 , 5 5 , 5 , 5 5 , 7 . + − + − = (2)
5 5 5 5 5 5 , 5 1 f f th f C j L j r Z ω ω + + = (3) 7 5 7 5 7 5 , 7 1 f f th f C j L j r Z ω ω + + = (4)
Kompensasi harmonisa pada frekuensi harmonisa ke lima pada sumber arus is dicapai dengan pengendalian tegangan inverter Vinv5 sehingga Vload,5th yang memenuhi
Vs,5th dapat ditentukan dengan persamaan sbb :
5 5 , 5 . 5 , 5 5 , 5 , th vs th if thZf th vinv load v = = + (5) + + + = iload th th f Z th f Z th f Z th f Z th s v th f Z th f Z inv v 5 , 5 , 7 5 , 5 5 , 7 . 5 , 5 5 , . 5 , 7 5 , 5 1 5 (6)
Gambar 3 Rangkaian ekivalen filter harmonisa ke 7 Dengan cara yang sama untuk rangkaian ekivalen filter harmonisa ketujuh, tegangan pada inverter 7 (vinv7) dapat dinyatakan sebagai berikut :
+ + + = iload th th f Z th f Z th f Z th f Z th s v th f Z th f Z inv v ,7 7 , 7 7 , 5 7 , 7 . 7 , 5 7 , . 7 , 5 7 , 7 1 7 (7)
Gambar 4 menunjukkan inverter filter aktif yang disambungkan ke filter L-C melalui suatu kopel transformator dengan inverter filter aktif beroperasi pada modus squarewave pada frekwensi dominan tertentu
untuk mencapai kompensasi harmonisa. Untuk
penyederhanaan di dalam simulasi, tegangan bus inverter diasumsikan konstan. Gambar 5 menunjukkan sistem switching pada inverter sebagai filter aktif, amplitudo tegangan keluaran dikendalikan dengan sudut penyulutan α dengan tegangan keluaran seperti yang ditunjukkan pada persamaan (8) − = 2 sin 2 1 4 α π dc out v v (8)
Gambar 4 inverter filter aktif yang dihubungkan ke filter LC melalui kopel transformator
Gambar 5 pensaklaran pada inverter gelombang segi empat
III. Hasil Dan Pembahasan
Gambar 6 Model simulasi
Model simulasi ditunjukkan pada gambar 6 Simulasi dilakukan dengan menggunakan PSIM dengan parameter sistim sebagai berikut,
• Tegangan suplai : 380 V/50 Hz (line-line),
• Beban menggunakan rangkaian bridge diode 3 phase dengan data-data sbb: induktor Ldc = 0,25 mH,
kapasitor Cdc = 5.104 μF dan tahanan Rdc = 10 Ω.
• Filter Aktif dengan inverter tiga fase, dengan tegangan sumber dc 100 volt.
• Coupling-transformator diasumsikan sebagai trafo ideal dengan perbadingan transformasi 1 : 1.
• Komponen-komponen filter pasif yang digunakan adalah L5 = 270 μH, C5 = 1000 μF, L7 = 200 μH, C7 = 700 μF
3.1. Sebelum Dipasang Filter Aktif
Hasil simulasi sebelum dipasang filter aktif ditunjukkan sebagai berikut :
(a)
(b)
Gambar 6 (a) arus suplai dan arus beban
(b) tegangan suplai dan tegangan beban
Gambar 7 spektrum frekwensi arus suplai dan arus beban
Gambar 8 spektrum frekwensi tegangan beban
Is (amp) ILoad (amp) Vs (volt) VLoad (volt) Fondamental 53,85 53,85 310,30 305,96 fh_5th 16,94 16,94 0,032 26,65 fh_7th 4,85 4,85 0,022 10,81
Dari hasil simulasi seperti yang ditunjukkan pada gambar dan tabel 1 diatas dapat dihitung total hamonic distortion (THD) untuk arus dan tegangan sebagai berikut :
Total hamonic distortion (THD) untuk arus
1 .. 3 , 2 2 I I THD I h h
∑
∞ = = No. Arus THD 1 Is 32,72 % 2 ILoad 32,72 %Total hamonic distortion (THD) untuk tegangan
1 .. 3 , 2 2 V V THD V h h
∑
∞ = = No. Tegangan THD 1 Vs 0,00125 % 2 VLoad 9,4 %3.2. Sesudah dipasang filter daya aktif
Hasil simulasi sesudah menggunakan filter aktif dapat ditunjukkan dengan bentuk gelombang sebagai berikut
Gambar 9b arus filter kelima dan ketujuh
(a)
(b)
Gambar 10 (a) tegangan suplai dan beban (b) tegangan inverter Vinv5 dan Vinv7.
Gambar 11 spektrum frekwensi arus sumber dan arusbeban
Gambar 11 spektrum frekwensi tegangan beban
Tabel 2. data pengukuran setelah ada filter aktif Is (amp) ILoad (amp) Vs (volt) VLoad (volt) Fondamental 163,13 50,84 287,10 258,68 fh_5th 0,502 8,86 0,032 6,83 fh_7th 0,68 5,93 0,0226 3,76
Dari hasil simulasi setelah dipasang filter seperti ditunjukkan pada gambar dan tabel 2 dapat ditentukan total hamonic distortion (THD) sebagai berikut :
Total hamonic distortion (THD) untuk arus
1 .. 3 , 2 2 I I THD I h h
∑
∞ = = No. Arus THD 1 Is 0,5 % 2 ILoad 20,9 %Total hamonic distortion (THD) untuk tegangan
1 .. 3 , 2 2 V V THD V h h
∑
∞ = = No. Tegangan THD 1 Vs 0,0135 % 2 VLoad 3,01` % IV. KESIMPULANHasil simulasi yang telah dilakukan pada kondisi sebelum dan sesudah dilakukan pemasangan filter daya aktif, menunjukkan bahwa ada reduksi destorsi harmonisa pada arus jaringan listrik sebesar 0,5% dari 32,72% sebelum dipasang filter untuk arus sumber dan 20,9% dari 32,72% sebelum dipasang filter untuk arus beban. Total harmonic distortion (THD) arus beban belum memenuhi standart THD yang direkomendasikan (IEEE 519).
V. DAFTAR PUSTAKA
1. Po-Tai C, Subhashish B, and Deepak D. D, “Line Harmonisas Reduction in High-Power Systems Using Square-Wave Inverters-Based Dominant
Harmonisa Active Filter” IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 14, No. 2, March 1999 2. L. Gyugyi and E. C. Strycula, “Active power filters,”
in IEEE/IAS Conf. Proc., 1976, pp. 529–535. 3. Limboto L, Ontoseno P, M. Ashari, “Simulasi hybrid
active filter dalam meredam harmonisa pada induction furnace dengan daya 9KW, 13,8 KVA, 200V, 3phase, 50/60 Hz, dengan menggunakan program PSim ver. 4.1.”
4. F. Z. Peng, H. Akagi, and A. Nabae, “A new approach to harmonisa compensation in power systems,” in IEEE/IAS Conf. Proc., 1988, pp. 874– 880.
