14 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pemakaian daya listrik dengan beban tidak linier banyak digunakan pada konsumen rumah tangga, perkantoran maupun industri seperti penggunaan rectifier, converter, inverter, tanur busur listrik, motor-motor listrik, Uninterubtable Power Supply (UPS) dan lain-lain. Dalam dunia industri daya listrik sebelum disalurkan ke beban biasanya digunakan suatu konverter. Umumnya digunakan konverter ac-dc satu phasa yang terdiri dari komponen penyearah dioda dan kapasitor. Jenis-jenis penyearah seperti ini merupakan beban non linier, yang mengakibatkan bentuk gelombang yang dihasilkan pada sisi masukan menjadi tidak sinusoidal murni. Akan tetapi di dalam industri aplikasi utama dari tegangan tinggi DC yang digunakan untuk menguji kabel dengan suatu kapasitansi yang relatif besar dengan arus yang kecil, sedangkan arus yang lebih besar digunakan jika di tes dengan tegangan AC. Untuk membangkitkan tegangan tinggi DC salah satu cara yang digunakan adalah rangkaian tegangan multiplier yang digunakan pada pemakaian beban non linier atau beban elektronika daya yang merupakan komponen atau peralatan listrik yang membangkitkan harmonisa.
15 Harmonisa yang tinggi dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti: penurunan kualitas sistem daya listrik yang mengakibatkan pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi dari peralatan elektronik yang sensitif, menurunkan efisiensi. Keberadaan harmonisa ini yang sering dikenal dengan Total Harmonic Distortion (THD) pada kualitas daya mempunyai batas sesuai dengan Standar Internasional IEC 61000. Batas THD yang diizinkan pada tegangan individu sebesar 3% dan tegangan sistem 5%. Dalam penelitian ini hasil yang diperoleh dengan simulasi Matlab/simulik THDi 41,09% dan untuk THDv 1,67% dengan faktor daya 0,7. Diharapkan apabila THD melebihi batas kerja yang di standarkan maka salah satu cara untuk meredam harmonisa dengan menggunakan filter. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya untuk meredam harmonisa. Disini akan dibahas perancangan filter single tuned untuk menanggulangi masalah yang terjadi. Penelitian ini bermaksud merancang filter harmonisa jenis filter kapasitor perata LC seri (single tuned) yang akan mereduksi atau mengurangi harmonisa. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai teknologi seperti: Marco Liserre dkk [1], menggunkan metode identifikasi harmonisa dalam simulasi dan percobaan, jenis filter yang dirancang filter LCL pada sumber tegangan converter (VSC) dan dari hasil percobaan didapat THD arus sebesar 3% dan THD tegangan sebesar 1,4%. Darwin Rivas dkk [2], menggunakan metode
16 identifikasi harmonisa dengan simulasi menggunakan program Matlab/simulink jenis filter yang dirancang filter pasif dan filter aktif dan hasil yang diperoleh sebelum dipasang filter THDv sebesar 7,5%. Setelah dipasang filter aktif dan filter pasif THDv menjadi 4,7%. Pranavi Chow [3], menggunakan metode identifiksi harmonisa dengan simulasi program jenis filter yang dirancang penyearah satu phasa dengan filter kapasitor perata, L-C seri, dan pasive wave shapping method. Hasil yang diperoleh penyearah satu phasa ketika hanya menggunakan kapasitor perata menghasilkan THDi yang cukup besar yaitu 23,6%, ketika menggunakan filter L-C seri THDi menjadi 10%, dan ketika menggunakan filter passive wave shapping method THDi menjadi 2,62%. Nor Farahaida dkk [4], menggunakan metode identifikasi harmonisa dengan simulasi menggunakan program Matlab/simuling, jenis filter yang dirancang filter penyearah satu phasa menggunakan Hybrid Active Power Filter (HAPF) dan hasil yang diperoleh besar THDi yang dihasilkan 3,5% dan dapat menaikkan faktor daya dari 0,59 menjadi 0,99 (lagging). Aintablian, dkk [5], membahas tentang pengurangan harmonisa rangkaian satu phasa berdasarkan rangkaian voltage doubler dengan menggunakan saklar yang dioperasikan pada frekuensi garis (line frequency). THD dari penyearah jembatan sebelum dilakukan pensaklaran sebesar 69,5% setelah dilakukan pensaklaran pada frekuensi garis THDnya turun menjadi 39,4%. Komponen arus harmonik ke 3 berkurang dari 0,615A menjadi 0.21 A dengan pengurangan sebesar 65,8%. Richard Red dkk [6], didalam jurnalnya membahas tentang koreksi faktor daya berdasarkan
17 rangkaian voltage doubler tanpa peralatan saklar dan mereka menggunakan penambahan induktor dan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya. Pada sistem ini, arus masukan dibagi menjadi dua periode, satu periode mengisi input kapasitor yang kecil, satu lagi mengisi output kapasitor yang besar. Dengan membagi arus masukan kedalam mode-mode yang berbeda, periode arus konduksi dapat dilebarkan dan harmonisa dapat dibatalkan antara dua simpul. Berdasarkan penelitian mereka pada rangkaian penyearah jembatan dengan LC koreksi faktor daya dimana induktor dipasang seri pada sisi AC diperoleh PF sebesar 98,1%, dan THD sebesar 18,6% dengan perincian komponen DC sebesar 7,1%, dan untuk distorsi harmonik ganjil sebasar 8,8%. Pada rangkaian yang sama dipasang split kapasitor maka PF berubah menjadi 98,3%, dan THD sebesar 16,9%. Kenichiro Fujiwara, dkk [7], dalam paper mereka membahas tentang peningkatan bentuk gelombang arus untuk rangkaian voltage doubler dimana input tegangannya adalah 200 VAC. Mereka menggunakan filter LC untuk meningkatkan bentuk gelombang arus line. Mereka mengikuti perinsip yang sama dari rangkaian voltage doubler, tetapi kapasitor C1 dan C2 yang telah dipilih menjadi salah satu alasan sehingga fungsi penguatan tegangan menjadi berkurang. Metode yang diusulkan tampaknya sangat menarik untuk sebuah sumber AC (Air Conditioner) DC dengan menggunakan komponen yang tidak mahal dan reliable. Maksimum faktor daya yang diperoleh 98% sedangkan salah satu penyearah konvensional diperoleh 77%. Jadi terjadi perabaikan faktor daya sebesar 21%.
18 Yamamoto, dkk [8], mengusulkan metode koreksi faktor daya menggunakan sebuah rangkaian penyearah voltage doubler tanpa alat switching. Metode ini menggunakan sebuah penyearah voltage doubler, arus masukan dibagi menjadi dua periode dimana satu periode mengisi input kapasitor yang kecil dan yang lain mengisi keluaran kapasitor yang besar melalui sebuah filter kapasitor. Hasil percobaan mereka diperoleh faktor daya sebesar 91,9% dengan efesiensi 94%. Dari penelitian yang telah dilakukan tersebut dengan berbagai teknologi sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam meredam harmonisa. Dalam penelitian ini akan dilakukan penggunaan filter single tuned pada penyearah satu phasa pada rangkaian tegangan multiplier 20 kv untuk meredem harmonisa yang terjadi sehingga dapat mengurangi THDi yang dihasilkan oleh rangkaian penyearah tegangan multiplier tersebut dimana analisanya dilakukan dengan program simulasi yang menggunakan software Matlab/simulink. 1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas bahwa rangkaian penyearah satu phasa akan menghasilkan harmonisa dimana bentuk gelombang arusnya tidak sinusoidal murni dan penggunaan filter single tuned dapat perbaiki THDi yang sesuai dengan standar yang diizinkan. Oleh karena itu permasalahan yang akan diselesaikan dalam penelitian ini adalah: 1. Bagaimana menyeleksi komponen rangkaian tegangan multiplier yang sesuai untuk tegangan tinggi power supply DC untuk tegangan output
19 DC maksimum sebesar 20 kv, sebagai tegangan input AC sebesar 220 volt? 2. Bagaimana cara mendisain filter single tuned untuk mereduksi harmonisa tegangan dan arus pada rangkaian penyearah tegangan multiplier 20 kv? 3. Bagaimana hasil perbandingan sebelum dan sesudah pemasangan filter single tuned pada rangkaian tersebut? 1.3. Batasan Masalah Agar tidak meluasnya permasalahan yang akan dibahas dalam upaya mengurangi harmonisa pada rangkaian tegangan multiplier maka: a. Komponen rangkaian tegangan multiplier 20 kv yang terdiri dari dioda penyearah dan kapasitor menggunakan komponen yang sama nilainya. b. Menganalisa distorsi harmonik yang dihasilkan dari rangkain tersebut berdasarkan Standar IEC 61000-3-2. c. Meredam harmonisa dari THDi dan THDv dengan menggunakan filter single tuned yang diizinkan. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah merancang rangkaian multiplier dan mensimulasikan tegangan tinggi DC satu phasa dengan batas tegangan maksimum 20
20 kv DC serta menganalisa besar THDi dan THDv yang dihasilkan oleh rangkaian multiplier. 1.5. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi terhadap perkembangan sistem tenaga listrik HVDC yang menghasilkan harmonisa pada tegangan satu phasa. Ini disebabkan karena beban satu phasa merupakan beban yang terbanyak terpasang di jaringan. Untuk jaringan yang banyak melayani beban maka sangat sulit untuk mengurangi harmonisa yang ada, disamping biayanya cukup besar. Oleh karena itu penelitian diharapkan dapat bermanfaat untuk: a. Memperkenalkan pembangkit tegangan DC dengan harmonisa yang rendah dan faktor daya yang tinggi. b. Memperlihatkan besar kecilnya pengaruh harmonisa yang dihasilkan oleh tegangan tinggi DC pada sistem. Dengan demikian diharapkan dimasa yang akan datang pemakaian penyearah satu phasa rangkaian tegangan multiplier dengan filter single tuned dapat mengurangi harmonisa dan dapat digunakan secara luas.