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

Transkripsi

1 Rancang Bangun Filter Akti 3 Fasa Untuk Mereduksi Harmonisa Yang Timbul Pada Rectiier 3 Fasa Eko Darmanto, Hendik Eko H. S., Renny Rakhmawati ) Mahasiswa D4 LJ Jurusan Teknik Elektro ndustri ² ) Dosen Jurusan Teknik Elektro ndustri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya TS Kampus TS Sukolilo,Surabaya 60 eda873elda008@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 ilter harmonisa, diantara ilter harmonisa tersebut, salah satunya ilter daya akti parallel yaitu metode yang di teliti pada proyek akhir ini dimana ungsi ilter daya akti parallel adalah mampu mereduksi kadar harmonisa. Pada proyek akhir ini beban non liniernya adalah rectiier 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 ilter 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 ke-5 (50 Hz), ke-7 (350 Hz), ke- (550 Hz), ke- 3 (650 Hz), ke-7 (850 Hz) sebelum diberikan arus injeksi THD (Total Harmonic Distorsion) pada sisi masukan sebesar 8,6%, setelah deilter menjadi 35.4% pada asa R, 77% setelah deilter menjadi 8.88% pada asa S dan 74% setelah deiler menjadi % pada asa T. Kata Kunci : Harmonisa, Filter Daya Akti Paralel, SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation ). 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 negati terhadap peralatanperalatan lain yang terpasang pada sistem, yaitu kondisi peralatan menjadi cepat panas akibat menerima rekwensi tinggi yang lebih dibanding undamental. 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 ilter pasi secara paralel dengan beban non linier. Filter pasi ini dapat terdiri dari komponen induktor dan kapasitor yang dipasang pada rekuensi resonansi tertentu, sehingga dapat mereduksi harmonisa. Fiter pasi ini bekerja pada rekuensi harmonisa, Oleh karena itu untuk mengurangi harmonisa dengan menggunakan ilter pasi, data yang perlu diketahui adalah rekwensi yang muncul dan besar magnitudonya. Saat ini, usaha perbaikan kualitas daya lebih banyak dikembangkan dengan implementasi ilter daya akti seiring dengan kemajuan dalam teknologi bahan semikonduktor. Dengan ilter daya akti ini komponen harmonisa pada sistem akan direduksi melalui injeksi komponen harmonisa dengan asa berlawanan dan amplitudo sama. Ada banyak metode yang dikembangkan untuk merancang ilter daya akti paralel. Salah satu metode untuk merancang ilter daya akti paralel yaitu dengan metode SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation). Metode ini sudah terbukti dapat mereduksi harmonisa, tetapi membutuhkan rekuesi tinggi untuk pengaturan switching. Oleh karena itu digunakan inverter 3 asa untuk switching requency 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 ilter daya akti paralel menggunakan metode injeksi arus harmonisa dengan inverter 3 asa untuk kompensasi harmonisa sebagai usaha untuk memperbaiki kualitas daya. Untuk mendukung proyek akhir ini

2 maka akan dilakukan simulasi dan percobaan laboratorium.. Konigurasi Sistem AC Source s L L Non Linier Load.. Harmonisa Harmonisa adalah deretan gelombang arus atau tegangan yang rekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari rekuensi dasar tegangan atau arus itu sendiri. Bilangan bulat pengali pada rekuensi harmonisa adalah orde (n) dari harmonisa tersebut. Sebagai contoh, rekuensi dasar dari sistem kelistrikan di ndonesia adalah 50 Hz maka harmonisa kedua adalah x 50 Hz (00 Hz), ketiga adalah 3 x 50 Hz (50 Hz), dan seterusnya hingga harmonisa ke n yang memiliki rekuensi 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 rekuensi kelipatan integer dari komponen undamentalnya Gambar. 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 dideinisikan sebagai berikut: n THD 00% () n,3,4... Keterangan : THD = Nilai THD arus(dalam persen) = Arus Fundamental = Arus rekuensi ke-n n.. Filter Daya Akti Paralel Filter daya akti parallel terdiri dari sumber tegangan atau arus terkontrol. S (oltage Source nverter) ilter daya akti parallel merupakan tipe yang paling banyak digunakan karena merupakan topologi yang terkenal dan memiliki prosedur instalasi yang tidak sulit. Gambar berikut ini menunjukkan prinsip konigurasi dari ilter daya akti parallel dengan S, terdiri dari Kapasitor sebagai terminal DC (C), switch elektronika daya, dan inductor (L) sebagai komponen interacing. S + C - Gambar. Blok Diagram Filter Daya Akti Paralel Filter daya akti parallel bertindak sebagai sumber arus, mengkompensasi arus harmonisa yang diakibatkan beban non linier. Prinsip dasar ilter daya akti 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 S untuk menghasilkan atau membentuk gelombang arus kompensasi ( ) yaitu dengan mengukur arus beban ( L ) dan menguranginya dari reerensi sinusoidal. Tujuan ilter daya akti parallel adalah untuk menghasilkan arus sumber sinusoidal menggunakan persamaan s L. Jika arus beban non linier dapat ditulis sebagai penjumlahan dari komponen arus undamental dan arus harmonisa L, seperti pada persamaan berikut ini L L () Maka arus kompensasi yang diinjeksikan oleh ilter daya akti parallel adalah Sehingga arus sumber sama dengan s ( ) L L (3) (4) 3. Konigurasi Sistem Pada system ini beban non linier yang digunakan adalah rectiier 3 asa. Rectiier 3 asa yang menyebabkan gelombang arus sumber menjadi tidak sinus lagi. Gambar 3 merupakan blok diagram system keseluruhan proyek akhir ini, Gambar 3. Blok Diagram Sistem L

3 3 Kerja dari inverter sebagai ilter daya akti adalah dengan membangkitkan gelombang harmonisa sistem. Gelombang harmonisa dari sistem menjadi reerensi 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 berungsi untuk untuk mengetahui bagaimana bentuk gelombang arus sumber yang mengalir ke beban non linier. Gelombang keluaran sensor arus akan mejadi reerensi, tetapi harus diilter terlebih dahulu agar menjadi gelombang harmonisa saja tanpa udamental. Untuk mendapatkan komponen harmonisa atau gelombang reerensi, maka harus mengurangkan arus beban sistem(arus terdistorsi) dengan komponen undamental. Setelah itu didapatkan gelombang harmonisa yang menjadi reerensi 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. 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 transormator yang sisi primernya dilewatkan pada asa dan pada sisi sekundernya dibebani beban resistor sehingga didapatkan nilai dan gelombang arusnya. Sensor gelombang arus merupakan jenis inverting ampliier dengan menggunakan C TL07CN. Gambar 5.. Rangkaian Penguat (Op Amp) nverting Ampliier 3.3. Rangkaian Summing Ampliier Rangkaian summing apliier ini berungsi untuk mendapatkan gelombang harmonisa sebagai reerensi 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 ampliier ini menggunakan C TL 07 CN. Persamaan yang dikehendaki untuk komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi adalah R R (6) R R R R R, maka in R R in R 00 0k 0k.0 in (5) Gambar 4. Rangkaian Penyensor Arus 3. Rangkaian nverting Ampliier 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 asa tegangan sinus agar berbeda asa 80 0 dengan arus beban. Rangkaian op amp ini Gambar 6. Rangkaian Summing Ampliier 3.4. Single Phase Full Bridge nverter Untuk mengimplementasikan metode inverter tiga asa dapat menggunakan inverter ull brigde 3 asa. nverter 3 asa digunakan untuk penerapan daya tinggi. Keluaran 3 asa didapat dari sebuah konigurasi dari enam transistor dan enam buah dioda, seperti yang terlihat pada Gambar..

4 4 4. Hasil Pengujian Sistem Pada pengujian sistem rangkaian perblok kemudian pengujian integrasi system secara keseluruhan. Gambar Rangkaian nverter 3 asa Ada enam mode kerja dalam satu siklus dan lama masing-masing mode adalah 60 o. Pada proses penyulutan dengan mode konduksi penyalaan, yaitu mode konduksi 0 o. Mode konduksi 0 o3 Transistor diberi nomor dalam urutan penyalaan transistor yaitu, 3, 34, 45, 56 dan 6. Hal ini dapat dilihat pada Gambar. yang disertai dengan bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran inverter. 4. 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 asa(konverter 4 pulsa). Beban ini yang nantinya akan menjadi beban untuk proyek akhir ini. Gambar 4...Gelombang Arus Sumber yang Terdistorsi 4. Pengujian Rangkaian nverting Ampliier Rangkaian ini berungsi sebagai pengatur besar magnitude dari gelombang sinus. Untuk dapat mengatur besar kecilnya magnitude gelombang sinus menggunakan potensio yang diungsikan sebagai R. Gambar 4.8 merupakan gambar hardware dari rangkaian inverting ampliier. Gambar 3.4. mode konduksi 0 0 keenam moset 3.5. njeksi Arus Harmonisa Penginjeksian arus kompensasi pada ilter daya akti parallel dengan menggunakan induktor. Pemasangan induktor diparalel dengan beban. LNE 3 PHASE 3 PHASE NERTER Gambar Penginjeksian arus Gambar 4... Gelombang Sinus Keluaran nverting Ampliier (olt/div=5 ; Time/div=5ms) Besar magnitude gelombang sinus pada gambar 4.. harus disamakan dengan gelombang keluaran penyensor arus. Hal ini dimaksudkan agar kedua gelombang tersebut dapat dikurangkan Pengujian Rangkaian Summing Ampliier Rangkaian summing ampliier ini berungsi untuk mendapatkan gelombang reerensi (harmonisa( )) yaitu dengan cara mengurangkan komponen sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi akibat beban non

5 5 linier keluaran dari penyensor arus. Gambar 4.3 merupakan gambar input dari rangkaian summing ampliier. Gambar Gelombang segitiga yang dibangkitkan (olt/div=5 ; Time/div=5ms) Gambar Gelombang Sinus Keluaran nverting Ampliier (olt/div=5 ; Time/div=5ms) Pada rangkaian summing ampliier, pada sisi inverting input mendapat masukan dari dan. Untuk merupakan gelombang sinus, sedangkan adalah gelombang arus sumber yang terdistorsi. Dari perhitungan dibawah ini didapatkan persamaan matematisnya. R R R R R R R, maka 4.5. Pengujian Rangkaian Komparator Rangkaian comparator ini berungsi sebagai PWM yaitu untuk membandingkan gelombang keluaran dari summing ampliier sebagai reerensi PWM dengan gelombang dari pembangkit segitiga. Rangkaian komparator ini menggunakan Op Amp dengan C TL07CN. Keluaran dari komparator selanjutnya akan menjadi masukan optocoupler sebagai driver untuk inverter. (4.) (a) (b) Gambar (a) Perbandingan antara gelombang segitiga dan gelombang arus.(b)gelombang keluaran dari komparator (olt/div=5 ; Time/div=5ms) Gambar Gelombang Keluaran Summing Ampliier (olt/div=5 ; Time/div=5ms) 4.6. Pengujian ntegrasi Sistem Pada pengujian ini merupakan penggabungan sistem keseluruhan. Pengujian ini untuk mengetahui unjuk kerja dari ilter daya akti parallel menggunakan metode PWM dalam memperbaiki kualitas daya dengan mengkompensasi harmonisa. Gambar 4.6. merupakan blok rangkaian system secara keseluruhan yang diintegrasikan Pengujian Rangkaian Pembangkit Gelombang Segitiga Gelombang segitiga yang dibangkitkan oleh triangle generator akan dibandingkan dengan gelombang harmonisa/reerensi PWM keluaran dari summing ampliier. Gambar 4. merupakan gambar hardware dari rangkaian pembangkit gelombang segitiga. Pada rangkaian pembangkit gelombang sinus dapat diatur besar magnitude dan rekuensinya. Magnitude sinus diatur sesuai gelombang reerensi keluaran summing ampliier yang nantinya akan dibandingkan dengan gelombang sinus yang dibangkitkan.

6 6 harmonisa yang diakibatkan oleh beban nonlinier. 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. Gambar. Blok Rangkaian Sistem Gambar 4.6..Blok rangkaian sistem secara keseluruhan Untuk hasil pengujian dari unjuk kerja ilter ditunjukkan pada gambar 3 (a) (b) (c) Gambar 3. Gelombang unjuk kerja ilter daya akti parallel (a). Gelombang arus sumber sebelum diilter( L) (b). Gelombang harmonisa yang menjadi reerensi ( ) (c). Driver switching untuk inverter 3 asa 5. Kesimpulan dan Saran 5.. Kesimpulan Berdasarkan hasil proses perencanaan, pembuatan dan pengujian alat serta dari data yang didapat dari perencanaan dan pembuatan ilter daya akti paralel sebagai cara untuk memperbaiki kualitas daya dengan mereduksi harmonisa arus, maka dapat disimpulkan:. Setelah dilakukan kompensasi arus harmonisa pada sistem, gelombang arus mengalami perbaikan gelombang yang semula cacat menjadi bentuk sinusoidal kembali.. Filter Daya akti Paralel dengan metode SPWM ini mampu mengurangi kadar 5.. 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:. Diharapkan nantinya lanjut alat ini dapat dikembangkan menjadi ilter daya akti dengan kemampuan penyesor arus agar lebih presisi dalam mengurangi arus harmonisa sumber.. Dalam penelitian yang lebih lanjut, diharapkan alat ini memiliki kontrol otomatis dalam menghasilkan arus kompensasi sehingga hasil yang didapat bisa lebih maksimal 6. Datar Pustaka [] Rudnick, H., J. Dixon, dan L. Morán, Delivering Clean and Pure Power (Active power ilters as a solution to power quality problems in distribution networks). EEE power & energy magazine, September-Oktober 003 [] Rashid, Muhammad H, 00. Power Electronics Handbook. Canada. ACADEMC PRESS [3] Salam, Zaenal., T.P. Cheng, dan A. Jusoh, Harmonic Mitigation Using Active Power Filter. A Technological Review. Electrica, (): p.0. [4] Yi Pei, Lim dan Naziha Ahmad Azli, Comparison O nverters Perormance As Active Power Filters With Uniied Constant Frequency ntegration Control. Jurnal Teknologi, Universiti Teknologi Malaysia, 46(D) Juni 007: -34. [5] Arrilaga J, Power System Harmonic, ourth edition 994.