Rancang Bangun Filter Aktif 3 Fasa Untuk Mereduksi Harmonisa Yang Timbul Pada Rectifier 3 Fasa

Rancang Bangun Filter Aktif 3 Fasa

Untuk Mereduksi Harmonisa

Yang Timbul Pada Rectifier 3 Fasa

Eko Darmanto

1

, Hendik Eko H. S.

2

, Renny Rakhmawati

2

1)

Mahasiswa D4 LJ Jurusan Teknik Elektro Industri ²)Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS

Kampus ITS Sukolilo,Surabaya 60111 Email:eda873elda2008@gmail.com

Abstrak

Penggunaan beban non linier semakin banyak digunakan di industri atau rumah tangga. Pemakaian beban non linier seperti konverter daya menyebabkan timbulnya harmonisa pada sistem. Harmonisa dapat menyebabkan bentuk gelombang menjadi tidak sinusoidal terutama pada gelombang arus sumber. Kandungan harmonisa yang melebihi batas dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan listrik. Untuk memperbaiki kualitas daya dan meminimalisir harmonisa diperlukan filter harmonisa, diantara filter harmonisa tersebut, salah satunya filter daya aktif parallel yaitu metode yang di teliti pada proyek akhir ini dimana fungsi filter daya aktif parallel adalah mampu mereduksi kadar harmonisa. Pada proyek akhir ini beban non liniernya adalah rectifier 3 phasa sedangkan metode yang digunakan adalah SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation) untuk pengaturan penyulutan inverter 3 phasa. Filter ini akan menginjeksikan komponen arus harmonisa dengan nilai lawannya sehingga bentuk gelombang kembali menjadi sinus. Hasil rancangan filter ini untuk meredam harmonisa sehingga dapat memperbaiki kualitas daya akibat beban non linier. Dari hasil yang telah dilakukan besar kandungan harmonisa mulai dari harmonisa kelipatan 5 (250 Hz), 7 (350 Hz), 11 (550 Hz), ke-13 (650 Hz), ke-17 (850 Hz) sebelum diberikan arus injeksi THD (Total Harmonic Distorsion) pada sisi masukan sebesar 182,126%, setelah defilter menjadi 35.14% pada fasa R, 177% setelah defilter menjadi 28.88% pada fasa S dan 174% setelah defiler menjadi 36.69 % pada fasa T.

Kata Kunci : Harmonisa, Filter Daya Aktif Paralel, SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation ) 1. Pendahuluan

Kualitas daya yang baik pada suatu sistem tenaga listrik adalah suatu hal yang sangat penting. Kualitas daya dipengaruhi oleh jenis beban dalam sistem yaitu berupa bentuk sinusoidal murni. Hal ini terjadi jika sumber tegangan sinusoidal menyuplai beban linier. Beban linier mencakupi resistor dan induktor.

Permasalahan utama dalam kualitas daya adalah munculnya harmonisa yang ditimbulkan oleh beban-beban non linier. Munculnya kandungan harmonisa tersebut dapat menyebabkan dampak negatif terhadap peralatan-peralatan lain yang terpasang pada sistem, yaitu kondisi peralatan menjadi cepat panas akibat menerima frekwensi tinggi yang lebih dibanding fundamental. Kondisi tersebut harus segera diatasi agar tidak menjadi masalah serius. Usaha-usaha untuk mengurangi harmonisa dampak pemakaian beban non linier telah banyak dilakukan. Cara sederhana yang sering dilakukan adalah dengan memasang filter pasif secara paralel dengan beban non linier. Filter pasif ini dapat terdiri dari komponen induktor dan kapasitor yang dipasang pada frekuensi resonansi tertentu, sehingga dapat mereduksi harmonisa. Fiter pasif ini bekerja pada frekuensi harmonisa, Oleh karena itu untuk mengurangi harmonisa dengan menggunakan

filter pasif, data yang perlu diketahui adalah frekwensi yang muncul dan besar magnitudonya.

Saat ini, usaha perbaikan kualitas daya lebih banyak dikembangkan dengan implementasi filter daya aktif seiring dengan kemajuan dalam teknologi bahan semikonduktor. Dengan filter daya aktif ini komponen harmonisa pada sistem akan direduksi melalui injeksi komponen harmonisa dengan fasa berlawanan dan amplitudo sama. Ada banyak metode yang dikembangkan untuk merancang filter daya aktif paralel. Salah satu metode untuk merancang filter daya aktif paralel yaitu dengan metode SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation). Metode ini sudah terbukti dapat mereduksi harmonisa, tetapi membutuhkan frekuesi tinggi untuk pengaturan switching. Oleh karena itu digunakan inverter 3 fasa untuk switching frequency tinggi. Metode ini juga dapat menurunkan nilai THD (Total Harmonic Distortion) sistem sehingga memperbaiki kualitas daya sistem.

Pada proyek akhir ini akan diuraikan tentang implementasi filter daya aktif paralel menggunakan metode injeksi arus harmonisa dengan inverter 3 fasa untuk kompensasi harmonisa sebagai usaha untuk memperbaiki kualitas daya. Untuk mendukung proyek akhir ini

VSI Cf + -AC Source Is IL Non Linier Load Lf If

maka akan dilakukan simulasi dan percobaan laboratorium.

2. Konfigurasi Sistem 2.1. Harmonisa

Harmonisa adalah deretan gelombang arus atau tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar tegangan atau arus itu sendiri. Bilangan bulat pengali pada frekuensi harmonisa adalah orde (n) dari harmonisa tersebut. Sebagai contoh, frekuensi dasar dari sistem kelistrikan di Indonesia adalah 50 Hz maka harmonisa kedua adalah 2 x 50 Hz (100 Hz), ketiga adalah 3 x 50 Hz (150 Hz), dan seterusnya hingga harmonisa ke n yang memiliki frekuensi n x 50 Hz.

Cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya

Gambar 1. Bentuk gelombang arus terdistorsi

Gambar gelombang arus diatas menjadi tidak sinusoidal lagi dikarenakan terjadi distorsi pada bentuk gelombang arus akibat pemakaian konverter 6 pulsa.

Besar total gangguan dari harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), yang didefinisikan sebagai berikut:

%

100

... 4 , 3 , 2 2 1 2







  n n THD

I

I

I

(1) Keterangan :

ITHD = Nilai THD arus(dalam persen)

I1 = Arus Fundamental

In = Arus frekuensi ke-n

2.2. Filter Daya Aktif Paralel

Filter daya aktif parallel terdiri dari sumber tegangan atau arus terkontrol. VSI (Voltage Source Inverter) filter daya aktif parallel merupakan tipe yang paling banyak digunakan karena merupakan topologi yang terkenal dan memiliki prosedur instalasi yang tidak sulit. Gambar berikut ini menunjukkan prinsip konfigurasi dari filter daya aktif parallel dengan VSI, terdiri dari Kapasitor sebagai terminal DC (Cf), switch elektronika daya, dan inductor (Lf) sebagai komponen interfacing.

Gambar 2. Blok Diagram Filter Daya Aktif Paralel

Filter daya aktif parallel bertindak sebagai sumber arus, mengkompensasi arus harmonisa yang diakibatkan beban non linier. Prinsip dasar filter daya aktif parallel adalah menginjeksi arus kompensasi yang sama dengan arus terdistorsi atau arus harmonisa, sehingga arus yang asli terdistorsi dapat dieliminasi. Untuk menghasilkan arus kompensasi sebagai komponen yang akan diinjeksikan untuk mengeliminasi arus harmonisa, digunakan saklar VSI untuk menghasilkan atau membentuk gelombang arus kompensasi (If) yaitu dengan mengukur arus beban

(IL) dan menguranginya dari referensi sinusoidal.

Tujuan filter daya aktif parallel adalah untuk menghasilkan arus sumber sinusoidal menggunakan persamaan . Jika arus beban non linier dapat ditulis sebagai penjumlahan dari komponen arus fundamental dan arus harmonisa , seperti pada persamaan berikut ini

(2) Maka arus kompensasi yang diinjeksikan oleh filter daya aktif parallel adalah

(3) Sehingga arus sumber sama dengan

(4)

3. Konfigurasi Sistem

Pada system ini beban non linier yang digunakan adalah rectifier 3 fasa. Rectifier 3 fasa yang menyebabkan gelombang arus sumber menjadi tidak sinus lagi. Gambar 3 merupakan blok diagram system keseluruhan proyek akhir ini,

Gambar 3. Blok Diagram Sistem Lh Lf L

I

I

I





Lh f

I

I



Lf Lh Lh Lf f L s

I

I

I

I

I

I

I







(



)





f L s I I I   Lh I ILf

Kerja dari inverter sebagai filter daya aktif adalah dengan membangkitkan gelombang harmonisa sistem. Gelombang harmonisa dari sistem menjadi referensi dari inverter ini. Dengan harapan rangkaian invereter dapat membangkitkan gelombang yang sama bentuk dan amplitudonya dengan gelombang harmonisa sistem. Keluaran dari inverter akan diinjeksikan ke sistem sebagai kompensasi harmonisa.

Sistem berawal dari sensor arus yang berfungsi untuk untuk mengetahui bagaimana bentuk gelombang arus sumber yang mengalir ke beban non linier. Gelombang keluaran sensor arus akan mejadi referensi, tetapi harus difilter terlebih dahulu agar menjadi gelombang harmonisa saja tanpa fudamental. Untuk mendapatkan komponen harmonisa atau gelombang referensi, maka harus mengurangkan arus beban sistem(arus terdistorsi) dengan komponen fundamental. Setelah itu didapatkan gelombang harmonisa yang menjadi referensi inverter. Gelombang harmonisa sstem ini akan dikomparasikan dengan gelombang segitiga hasil triangle generator. Keluaran dari komparator antara gelombang harmonisa dan segitiga digunakan sebagai PWM untuk penyulutan inverter, kemudian keluaran inverter akan diinjeksikan sebagai kompensasi harmonisa.

3.1 Sensor Gelombang Arus

Rangkaian penyensor arus digunakan untuk menyensor arus sumber sistem untuk mengetahui bagaimana bentuk gelombang arusnya ketika dibebani oleh lampu hemat energi sebagai beban non linier. Rangkaian penyensor arus yang digunakan cukup sederhana yaitu dengan menggunakan transformator yang sisi primernya dilewatkan pada fasa dan pada sisi sekundernya dibebani beban resistor sehingga didapatkan nilai dan gelombang arusnya.

Gambar 4. Rangkaian Penyensor Arus 3.2 Rangkaian Inverting Amplifier

Rangkaian op amp ini didesain sebagai penguat tegangan membalik dengan nilai penguatan yang bervariasi karena rangkaian ini dimaksudkan agar dapat diatur besar kecil magnitude tegangan sinus yang akan dikurangkan dengan keluaran dari rangkaian penyensor arus. Magnitude gelombang tegangan sinus harus menyesuaikan dengan magnitude gelombang arus beban dari rangkaian penyensor arus. Pada rangkaian ini juga digunakan untuk membalikkan fasa tegangan sinus agar berbeda fasa 1800 dengan arus beban. Rangkaian op amp ini

merupakan jenis inverting amplifier dengan menggunakan IC TL072CN.

Gambar 5.. Rangkaian Penguat (Op Amp) Inverting Amplifier (5)

3.3. Rangkaian Summing Amplifier

Rangkaian summing aplifier ini berfungsi untuk mendapatkan gelombang harmonisa sebagai referensi yaitu dengan cara mengurangkan komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi akibat beban non linier. Komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi memiliki magnitude yang sama, hal ini dimaksudkan agar dihasilkan bentuk gelombang yang sesuai dan dapat diinjeksikan untuk kompensasi harmonisa. Rangkaian suming amplifier ini menggunakan IC TL 072 CN.

Persamaan yang dikehendaki untuk komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi adalah

(6)

Gambar 6. Rangkaian Summing Amplifier 3.4. Single Phase Full Bridge Inverter

Untuk mengimplementasikan metode inverter tiga fasa dapat menggunakan inverter full brigde 3 fasa. Inverter 3 fasa digunakan untuk penerapan daya tinggi. Keluaran 3 fasa didapat dari sebuah konfigurasi dari enam transistor dan enam buah dioda, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1. Sensor gelombang arus 2 1 2 1 2 2 1 1 , V V V maka R R R V R Rf V R R V out f f out               01 . 1 10 10 100 1 2        _             in out in out in f out V V V k k V V R R R V

Gambar 3.4.1. Rangkaian Inverter 3 fasa

Ada enam mode kerja dalam satu siklus dan lama masing-masing mode adalah 60o. Pada proses penyulutan dengan mode konduksi penyalaan, yaitu mode konduksi 120o.

Mode konduksi 120o3

Transistor diberi nomor dalam urutan penyalaan transistor yaitu 12, 23, 34, 45, 56 dan 61. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 yang disertai dengan bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran inverter.

Gambar 3.4.2 mode konduksi 1200 keenam mosfet

3.5. Injeksi Arus Harmonisa

Penginjeksian arus kompensasi pada filter daya aktif parallel dengan menggunakan induktor. Pemasangan induktor diparalel dengan beban.

Gambar 3.5.1. Penginjeksian arus

4. Hasil Pengujian Sistem

Pada pengujian sistem rangkaian perblok kemudian pengujian integrasi system secara keseluruhan.

4.1 Rangkaian Penyensor Arus

Pengujian ini untuk mengetahui bentuk gelombang arus sumber. Dalam kasus ini beban yang digunakan adalah beban non linier yaitu penyearah gelombang penuh satu fasa(konverter 4 pulsa). Beban ini yang nantinya akan menjadi beban untuk proyek akhir ini.

Gambar 4.1.1.Gelombang Arus Sumber yang Terdistorsi

4.2 Pengujian Rangkaian Inverting Amplifier

Rangkaian ini berfungsi sebagai pengatur besar magnitude dari gelombang sinus. Untuk dapat mengatur besar kecilnya magnitude gelombang sinus menggunakan potensio yang difungsikan sebagai Rf. Gambar 4.8 merupakan

gambar hardware dari rangkaian inverting amplifier.

Gambar 4.2.1. Gelombang Sinus Keluaran Inverting Amplifier

(Volt/div=5V ; Time/div=5ms) Besar magnitude gelombang sinus pada gambar 4.2.1 harus disamakan dengan gelombang keluaran penyensor arus. Hal ini dimaksudkan agar kedua gelombang tersebut dapat dikurangkan.

4.3. Pengujian Rangkaian Summing Amplifier

Rangkaian summing amplifier ini berfungsi untuk mendapatkan gelombang referensi (harmonisa( – f1)) yaitu dengan cara mengurangkan komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi akibat beban non

3 PHASE INVERTER LINE

linier keluaran dari penyensor arus. Gambar 4.13 merupakan gambar input dari rangkaian summing amplifier.

Gambar 4.3.1. Gelombang Sinus Keluaran Inverting Amplifier

(Volt/div=5V ; Time/div=5ms) Pada rangkaian summing amplifier, pada sisi inverting input mendapat masukan dari V1 dan V2. Untuk V1 merupakan gelombang sinus, sedangkan V2 adalah gelombang arus sumber yang terdistorsi. Dari perhitungan dibawah ini didapatkan persamaan matematisnya.

(4.1)

Gambar 4.3.2. Gelombang Keluaran Summing Amplifier (Volt/div=5V ; Time/div=5ms)

4.4. Pengujian Rangkaian Pembangkit

Gelombang Segitiga

Gelombang segitiga yang dibangkitkan oleh triangle generator akan dibandingkan dengan gelombang harmonisa/referensi PWM keluaran dari summing amplifier. Gambar 4.12 merupakan gambar hardware dari rangkaian pembangkit gelombang segitiga.

Pada rangkaian pembangkit gelombang sinus dapat diatur besar magnitude dan frekuensinya. Magnitude sinus diatur sesuai gelombang referensi keluaran summing amplifier yang nantinya akan dibandingkan dengan gelombang sinus yang dibangkitkan.

Gambar 4.4.1. Gelombang segitiga yang dibangkitkan (Volt/div=5V ; Time/div=5ms)

4.5. Pengujian Rangkaian Komparator

Rangkaian comparator ini berfungsi sebagai PWM yaitu untuk membandingkan gelombang keluaran dari summing amplifier sebagai referensi PWM dengan gelombang dari pembangkit segitiga. Rangkaian komparator ini menggunakan Op Amp dengan IC TL072CN. Keluaran dari komparator selanjutnya akan menjadi masukan optocoupler sebagai driver untuk inverter.

(a) (b)

Gambar 4.5.1. (a) Perbandingan antara gelombang segitiga dan gelombang arus.(b)Gelombang keluaran dari

komparator (Volt/div=5V ; Time/div=5ms)

4.6. Pengujian Integrasi Sistem

Pada pengujian ini merupakan penggabungan sistem keseluruhan. Pengujian ini untuk mengetahui unjuk kerja dari filter daya aktif parallel menggunakan metode PWM dalam memperbaiki kualitas daya dengan mengkompensasi harmonisa. Gambar 4.6.1 merupakan blok rangkaian system secara keseluruhan yang diintegrasikan. 2 1 2 1 2 2 1 1

,

V

V

V

maka

R

R

R

V

R

Rf

V

R

R

V

out f f out





























Gambar 12. Blok Rangkaian Sistem

Gambar 4.6.1.Blok rangkaian sistem secara keseluruhan Untuk hasil pengujian dari unjuk kerja filter ditunjukkan pada gambar 13

(a) (b)

(c)

Gambar 13. Gelombang unjuk kerja filter daya aktif parallel

(a). Gelombang arus sumber sebelum difilter( IL)

(b). Gelombang harmonisa yang menjadi referensi ( If)

(c). Driver switching untuk inverter 3 fasa

5. Kesimpulan dan Saran 5.1. Kesimpulan

Berdasarkan hasil proses perencanaan, pembuatan dan pengujian alat serta dari data yang didapat dari perencanaan dan pembuatan filter daya aktif paralel sebagai cara untuk memperbaiki kualitas daya dengan mereduksi harmonisa arus, maka dapat disimpulkan:

1. Setelah dilakukan kompensasi arus harmonisa pada sistem, gelombang arus mengalami perbaikan gelombang yang semula cacat menjadi bentuk sinusoidal kembali.

2. Filter Daya aktif Paralel dengan metode SPWM ini mampu mengurangi kadar

harmonisa yang diakibatkan oleh beban non-linier.

3. Kompensasi arus dilakukan akan mengakibatkan besarnya arus pada sisi masukkan menjadi semakin besar dikarenakan oleh injeksi arus yang dilakukan oleh inverter yang juga menghasilkan arus kompensasi.

5.2. Saran

Dalam pengerjaan dan penyelesaian proyek akhir ini tentu tidak lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan, baik itu pada sistem maupun pada peralatan yang telah dibuat. Untuk memperbaiki kekurangan-kekurangan dari peralatan, maka perlu melakukan hal-hal sebagai berikut:

1. Diharapkan nantinya lanjut alat ini dapat dikembangkan menjadi filter daya aktif dengan kemampuan penyesor arus agar lebih presisi dalam mengurangi arus harmonisa sumber.

2. Dalam penelitian yang lebih lanjut, diharapkan alat ini memiliki kontrol otomatis dalam menghasilkan arus kompensasi sehingga hasil yang didapat bisa lebih maksimal

6. Daftar Pustaka

[1] Rudnick, H., J. Dixon, dan L. Morán,“ Delivering Clean and Pure Power (Active power filters as a solution to power quality problems in distribution networks)”. IEEE power & energy magazine , September-Oktober 2003

[2] Rashid, Muhammad H, 2001. ”Power Electronics Handbook”. Canada. ACADEMIC PRESS

[3] Salam, Zaenal., T.P. Cheng, dan A. Jusoh,”Harmonic Mitigation Using Active Power Filter”. A Technological Review. Electrica, 2006. 8(2): p.10.

[4] Yi Pei, Lim dan Naziha Ahmad Azli, “Comparison Of Inverters’ Performance As Active Power Filters With Unified Constant Frequency Integration Control”. Jurnal Teknologi, Universiti Teknologi Malaysia, 46(D) Juni 2007: 121-134. [5] Arrilaga J, Power System Harmonic, fourth edition 1994.