DESAIN DAN KAJIAN TAPIS DAYA AKTIF SHUNT MELALUI PENDEKATAN PWM BOOST RECTIFIER

Transkripsi

1 DESAIN DAN KAJIAN TAPIS DAYA AKTIF SHUNT MELALUI PENDEKATAN PWM BOOST RECTIFIER Slamet Riyadi *) Teknik Elektro, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang Jl. Pawiyatan Luur IV- Semarang 5034, Indonesia *) Abstrak Teknologi elektronika daya banyak diterapkan dalam berbagai sektor baik industri, perkantoran dan ruma tangga. Penggunaan konverter statis, kendali berbasis digital dan lampu emat energi sangat dominan dalam aplikasi. Beban jenis ini selalu menimbulkan armonik yang berdampak pada menurunnya kualitas daya listrik. Kandungan armonik menyebabkan dampak negatif yang sangat serius seingga perlu dilakukan mitigasi. Tapis daya aktif merupakan suatu solusi untuk melakukan reduksi armonik. Untuk merancang skema kendali tapis daya aktif banyak kerumitan dijumpai. Pada makala ini dipaparkan suatu pendekatan desain dan kajian dari tapis daya aktif sunt satu fasa melalui PWM boost rectifier. Analisis arus, tegangan dan daya dilakukan untuk mendekati desain. Akirnya simulasi dan pengujian laboratorium dilakukan untuk verifikasi asil analisis. Kata kunci: tapis daya aktif, armonik, boost rectifier, beban tak linier Abstract Power electronics tecnologies are widely applied in various sectors suc as industrial, office and ouseold fields. Te use of static converters, digital-based control and saving-energy lamps are very dominant in te recent applications. Suc loads are always cause armonics tat result in declining te electric power quality. Harmonic contents ave very serious negative impacts so tey must be mitigated. Active power filtering is a solution to te armonic reduction. Designing a control sceme of an active power filter encountered a lot of complexities. Tis paper describes a design approac and study of a sunt active power filter troug a PWM boost rectifier. Analysis of current, voltage and power are taken to approac te design. Finally, simulation and laboratory testing conducted to verify te results of te analysis. Keywords: active power filter, armonics, boost rectifier, nonlinear loads. Pendauluan Penggunaan beban-beban tak linier dewasa ini sangat mendominasi aplikasi lapangan, baik pada sektor industri, perkantoran dan ruma tangga. Beban jenis ini dapat dijumpai dalam bentuk penggunaan kendali mesin listrik berbasis konverter statis, komputer, lampu emat energi, tanur listrik dan lain-lain. Dikatakan tak linier karena beban jenis ini menarik arus sumber yang tidak sinusoidal (mengalami distorsi) [],[]. Diliat dari spektrum gelombangnya maka akan muncul komponen armonik, yaitu komponen gelombang dengan frekuensi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya (50 Hz). Komponen armonik dapat mengakibatkan dampak negatif pada sistem, di antaranya umur peralatan bertamba pendek, pemanasan lebi pada trafo dan mesin listrik, kegagalan kendali, arus netral meningkat dan lainnya [3]. Ole karena itu, kandungan armonik perlu direduksi. Penggunaan tapis daya pasif banyak mengalami kendala dalam aplikasi karena masala resonansi, selain itu juga diperlukan jumla cukup banyak bergantung pada orde armonik yang akan direduksi. Perkembangan teknologi semikonduktor melalui saklar statis berkecepatan tinggi tela mendorong dikembangkannya tapis daya aktif (Active Power Filter = APF). Suatu APF merupakan konverter bidirectional yang dikendalikan untuk melakukan kompensasi arus/tegangan armonik [4]. APF tela banyak dikembangkan baik satu fasa maupun tiga fasa. Untuk sistem tiga fasa terdapat sistem dengan tiga kawat atau empat kawat [5]-[7]. Hampir seluru kajian APF didasarkan pada pendekatan inverter. Pada makala ini dipaparkan pendekatan desain APF melalui suatu penyeara berunjuk kerja tinggi (PWM boost

2 TRANSMISI, 6, (), 04, 39 rectifier). Melalui penyeara jenis ini akan dikaji ubungan keseimbangan daya untuk memaami kendali APF. Verifikasi asil analisis dilakukan melalui simulasi dan pengujian laboratorium.. Metode Untuk memberi landasan dalam melakukan kajian dan desain tapis daya aktif, beberapa konsep dasar diberikan meliputi PWM Boost Rectifier, daya pada sistem terdistorsi dan penapisan aktif... Topologi PWM Boost Rectifier Pada Gambar disajikan skema dari PWM boost rectifier satu fasa jenis full-bridge yang terdiri dari empat bua saklar statis, induktor pada sisi masukan dan kapasitor pada sisi keluaran. Penyeara ini memiliki tegangan keluaran DC yang lebi besar dari nilai puncak tegangan AC masukan. Arus masukan yang mengalir akan memiliki bentuk sinusoidal dan sefasa dengan tegangan masukan. s Vs I (3) Persamaan (3) menunjukkan bawa perubaan nilai beban keluaran akan mempengarui nilai arus masukan. Karena arus dan tegangan masukan merupakan gelombang sinusoidal sefasa maka anya daya nyata yang dikirimkan ole sumber ke sisi beban. Dengan memperatikan persamaan-persamaan di atas maka konsep kendali suatu PWM boost rectifier dapat dipaami. Agar supaya arus masukan memiliki bentuk sinusoidal dan sefasa dengan tegangan AC masukan maka suatu template berupa gelombang sinusoidal diperlukan. Template ini diambil dari deteksi tegangan AC masukan. Selanjutnya suatu kontroler tegangan akan meregulasi amplituda template menjadi referensi arus sumber i ref. Selanjutnya nilai arus aktual i act akan dikomparasi dengan nilai i ref. Jika kontroler arus beroperasi secara optimal maka nilai i act akan berfluktuasi pada nilai di sekitar i ref. Perubaan pada tegangan referensi V ref akan menguba nilai i ref seingga ubungan keseimbangan daya selalu tercapai. L i s load itemp X i ref i act driver V ref Arus Tegangan Gambar. PWM boost rectifier satu fasa jenis full-bridge dan rangkaian kendali Jika V S, I S, V o, I o adala nilai RMS tegangan masukan, nilai RMS arus masukan, tegangan keluaran dan arus keluaran maka dipat diturunkan persamaan berikut Pin P out V s Is Io () Persamaan () menunjukkan ubungan keseimbangan daya antara sisi masukan dan sisi keluaran. Persamaan di atas valid karena tegangan dan arus masukan merupakan dua bua gelombang sinusoidal yang sefasa. Jika beban keluaran berupa beban resistif sebesar R o maka diperole ubungan Io () substitusi persamaan () ke dalam () mengasilkan Vs Is Gambar. Gelombang PWM boost rectifier satu fasa jenis full-bridge (a) tegangan masukan (b) arus masukan (c) tegangan keluaran.. Konsep Daya pada Sistem Terdistorsi Pada sistem dengan beban linier maka dikenal komponen daya nyata dan daya reaktif sedangkan pada sistem terdistorsi akan muncul komponen daya armonik. Mengacu pada konsep daya pada sistem terdistorsi, jika tegangan terdistorsi dinyatakan dengan persamaan v t V sint V sin t Sedangkan persamaan arusnya dapat dinyatakan t I sint i I Persamaan daya rata-ratanya dapat dirumuskan sin t (4) (5)

3 TRANSMISI, 6, (), 04, 40 P VI cos (6) di mana = orde armonik Daya semu pada sistem didefinisikan sebagai asil perkalian nilai efektif tegangan dengan nilai efektif arus S V V... V. I I... I (7) Jika diasumsikan tegangan sinusoidal dan arus terdistorsi maka dapat diturunkan S V I V I I I3... I V I cos V I sin (8) V I I3... I P Q D Visualisasi kasus di atas dapat diliat pada Gambar 3 dan Gambar 4 di mana daya sesaat p(t) akan diuraikan menjadi komponen daya P yang merupakan interaksi antara tegangan dan arus aktif fundamental, nilai rata-rata dari P sama dengan P. Komponen kedua adala komponen Q yang merupakan interaksi antara tegangan dan arus reaktif fundamental, nilai puncak-puncak dari Q sama dengan Q. Sedangkan komponen daya lainnya adala akibat interaksi antara tegangan dan komponen arus armonik yang mengasilkan D. D Q Gambar 5. Tetraedron daya Berdasarkan persamaan-persamaan yang tela diuraikan di atas maka dapat diturunkan beberapa definisi sebagai berikut displacement factor ( fundamental PF) = cos P Q distortion factor = cos S I total power factor = cos cos I.3. Tapis Daya Aktif Sunt Permasalaan kualitas daya akibat munculnya kandungan armonik menimbulkan dampak negatif pada sistem seingga perlu direduksi. APF merupakan solusi alternatif. Pada Gambar 6 disajikan suatu sistem dengan beban tak linier (current-typed armonic source) seingga arus sumber mengalami distorsi. Reduksi kandungan armonik dilakukan dengan memasang APF secara paralel (sunt) P S i L Nonlinear Load Gambar 3. Gelombang tegangan, arus dan daya pada sistem terdistorsi L Tapis Daya Aktif i s i c itemp X i ref i act driver V ref Arus Tegangan Gambar 4. Penguraian daya sesaat menjadi komponen komponen P, Q dan D Gambar 6. Pemasangan tapis daya aktif sunt pada sistem terdistorsi

4 TRANSMISI, 6, (), 04, 4 Persamaan (3) merupakan gelombang sinusoidal yang sefasa dengan tegangan sumber. Daya nyata asil perkalian antara i S dan v S merupakan daya nyata yang diserap beban tak linier. 3. Hasil dan Analisa Gambar 7. Gelombang arus beban dan spektrumnya Mengacu pada spektrum arus maka tampak bawa arus beban memiliki dua komponen penyusun arus, yaitu komponen fundamental i Lf dan armonik i L seingga il ilf il (9) Pada komponen arus fundamental terkandung arus aktif fundamental i Lfa, yaitu arus sinusoidal yang sefasa dengan tegangan sumber dan arus reaktif fundamental i Lfr, yaitu arus yang tergeser 90 derajad teradap tegangan sumber. Tanpa pemasangan APF jenis sunt maka nilai arus sumber akan sama dengan arus beban is il ilfa ilfr il (0) Untuk menjaga kualitas daya maka arus sumber arus dipaksa anya memiliki komponen sinusoidal yang sefasa dengan tegangan sumber is i Lfa () Untuk melengkapi kajian di atas maka dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak PSIM. Berdasarkan rangkaian pada Gambar 6, simulasi dijalankan untuk mengamati gelombang arus dan tegangan pada APF jenis sunt. Pada Gambar 8 ditunjukkan bentuk gelombang arus beban dan arus kompensasi yang diinjeksikan/diserap ole rectifier sedangkan pada Gambar 9 disajikan gelombang arus beban dan arus sisi sumber beserta tegangannya. Gambar 8. Hasil simulasi tapis daya aktif sunt (a) arus beban (b) arus injeksi/kompensasi Dengan demikian maka APF jenis sunt arus menginjeksikan arus i c sebesar ic ilfr il () Rangkaian pada Gambar 6 pada prinsipnya ampir mirip dengan rangkaian pada Gambar, perbedaan anya terdapat pada penambaan beban tak linier dan pengilangan beban pada sisi keluaran PWM boost rectifier. Jika pada Gambar, adanya beban pada sisi keluaran PWM boost rectifier mengakibatkan munculnya daya nyata seingga arus masukan (sumber) berbentuk sinusoidal dan sefasa dengan tegangan sumber. Sedangkan pada Gambar 6 anya ada kapasitor pada sisi keluaran rectifier maka arus I c akan terkait dengan daya reaktif dan armonik. Secara analisis, arus kompensasi I c merupakan arus yang nilainya sama dengan arus reaktif dan arus armonik dari beban (I Lfr +I L ) tetapi dengan polaritas berlawanan. Jika keluaran dari kontroler arus merupakan sinyal pemodulasi atau pengali sebesar k, maka is iref k. itemp (3) Gambar 9. Hasil simulasi tapis daya aktif sunt (a) arus beban (b) arus sumber (c) tegangan sumber Gambar 0. Spektrum arus (a) arus beban (b) arus sumber Selanjutnya suatu prototip dibuat untuk verifikasi asil kajian dan simulasi (Gambar ). Dari asil pengujian laboratorium akan ditampilkan gelombang yang

5 TRANSMISI, 6, (), 04, 4 mendukung asil simulasi. Pada Gambar disajikan asil pengukuran arus beban dan arus injeksi sedangkan pada Gambar 3 tampak bawa arus sumber memiliki bentuk sinusoidal dan sefasa dengan tegangan sumber. 4. Kesimpulan Suatu kajian tentang APF dan kendalinya tela dipaparkan melalui pendekatan PWM boost rectifier. Melalui simulasi disajikan bagaimana proses kompensasi dapat dilakukan seingga mengasilkan arus sumber sinusoidal dan sefasa dengan tegangan sumber. tegangan difungsikan untuk mengatur keseimbangan daya melalui tegangan kapasitor sedangkan kontroler arus berfungsi membentuk gelombang arus. Referensi Gambar. Prototip tapis daya aktif sunt yang diturunkan berdasarkan PWM boost rectifier Gambar. Hasil pengukuran arus beban dan arus kompensasi (skala : 0A/div 0ms/div []. Akagi H. New Trends in Active Filters for Power Conditioning. IEEE Transactions on Industry Applications. 996; 3(6): 3-3 []. Mossoba J, Len P. W. A Controller Arcitecture for Hig Bandwidt Active Power Filters. IEEE Transactions on Power Electronics. 003; 8(): [3]. Gruzs T. M. A Survey of Neutral Currents in Tree-Pase Computer Power Systems. IEEE Transactions on Industry Applications. 990; 6(4): [4]. Peng F. Z. Application Issues of Active Power Filters. IEEE Industry Applications Magazine. 998; -30 [5]. Riyadi S, Fadel M, Haroen Y, Sugiartono, Sudiram S. Functioning a Sunt APF as a Power or Current Compensator. European Journal of Electrical Engineering. 009; (): [6]. Aredes M, Hafner J, Heumann K. Tree-Pase Four-Wire Active Filter Control Strategies. IEEE Transactions on Power Electronics. 997; (): 3-38 [7]. Cen C, Hsu Y. A Novel Approac to Te Design of a Sunt Active Filter for an Unbalanced Tree-Pase Four- Wire System under Nonsinusoidal Conditions. IEEE Transactions on Power Delivery. 000; 5(4): Gambar 3. Hasil pengukuran tegangan sumber dan arus sumber (skala : 50V/div,0A/div 0ms/div Beban tak linier yang tersambung ke sistem mengakibatkan munculnya kandungan armonik yang berdampak menurunnya kualitas daya listrik. Ditinjau dari sisi daya maka pada kondisi ini, sistem akan mengirimkan daya nyata, daya reaktif dan daya armonik. Suatu APF jenis sunt akan mengambil ali transfer daya reaktif dan armonik seingga sisi sumber anya akan mengirimkan daya nyata saja. Daya nyata yang dikirimkan ole sumber dapat diliat melalui gelombang arus sinusoidal yang sefasa dengan tegangan sumber. Peranan kapasitor pada sisi DC dari rectifier adala untuk mengendalikan keseimbangan daya/energi. Jika rugi-rugi rectifier diabaikan maka karena anya ada elemen kapasitor, daya nyata rata-rata diserap ole APF sama dengan nol.