PENGGUNAAN FILTER HYBRID UNTUK MENINGKATKAN

Volume XLVll,No.2,
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Performasi Filter Pasif
Agustus 2011, pp 66-71
PENGGUNAAN FILTER HYBRID
UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI FILTER PASIF
(The Use of Hybrid Filter to Increase the Performance
of Passive Filters)
Oleh : M. Marhaendra Ali
ABSTRAK
Kajian ini adalah tinjauan untuk analisa performansi dari filter hybrid dengan
menggabungkan
filter pas if dan filter aktif secara seri. Analisis dilakukan dengan
mengevaluasi pengaruh dari
perubahan
paremeter filter pas if dan pengaruh
perubahan penguatan dari filter aktif terhadap performansi kompensasi dari bentuk filter
hybrid. Performansi kompensasi diukur dengan mengevaluasi attenuasi faktor pada
sistem distribusi yang membangkitkan beban non linear daya tinggi dengan filter pasif
kemudian performansinya ditingkatkan dengan menghubungkan seri dengan filter aktif.
Akhimya, kerakteristik kompensasi dari bentuk hybrid ini diuji pada 10-kV_A.
•••
Kata Kunci : Filter aktif, filter pas if, filter hybrid, faktor. attenuasi
ABSTRACT
This review will describe the performance analysis of hybrid filter by combining passive
filters and active filters in series. The analysis was done by evaluating the effect of the
change of passive filter parameters and the effect of the change of enforcement of active
filter to the compensation performance of the hybrid filter's shape. The Compensation
Perfonnace is measured by evaluation the attenuation factor in the distribution system
that generates high power non-linear load with the passive filter and then the
performance is increased by relating the filters to active filters in a series circuit. In the
end, the compensation characteristic of this hybrid form is tested at 10-kVA.
Keywords: active filters, passive filters, hybrid filters, attenuation factor.
PENDAHULUAN
Filter pasif telah digunakan
sebagai alternatif solusi untuk menghilangkan arus harmonisa dan perbaikan faktor daya. Pada umumnya,
filter pasif telah digunakan untuk meminimalkan arus harmonisa frekuensi
rendah dengan unit high pass dihubungkan ke komponen arus frekuensi
tinggi. Filter high-pass memiliki kekurangan karena terhubung
dengan
resistansi yang terhubung seri dengan
induktor, akibatnya loses pada filter
semakin meningkat dan dapat mengurangi efektifitas filter pada frekuensi
yang dituning.
Berita Litbang Industri
Filter pas if memiliki kekurangan
secara teknis. Filter ini tidak dapat
dimodifikasi karakteristik kompensasiflya mengikuti perubahan dinamik dari
beban non linear, performansinya tergantung parameter sistem dan kemungkinan terjadinya seri resonansi
dengan reaktasi ekivalent pada sistem.
Kekurangan lainnya yakni memiliki
batas toleransi yang sangat kecil pada
nilai L dan C. Perubahan yang sedikit
pada nilai L dan C akan mengubah
frekuensi resonansi
filter. Sebagai
contoh, untuk perubahan 5% dari nilai
L atau C pada second-order LC 250 Hz
(harmonisa kelima) akan mengubah
frekuensi
resonansi
sebesar
7%,
sehingga akan mempengaruhi perfor-
66
Volume XLVll,No.2,
Agustus 2011, pp 66-71
mansi kompensasi arus harmonisa.
Dan juga filter pasif menghasilkan
frekuensi reaktif power yang dapat
mengubah
pengaturan
tegangan
sistem, sehingga jika filter ini tidak
didesain dengan baik atau tidak terhubung selama kondisi operasi beban
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
maka overvo/tage dapat terjadi pada
terminalnya.
Bentuk hybrid dapat meningkatkan karakteristik performansi dari filter
pasif, sehingga kekurangan dari filter
pasif dapat dihilangkan dengan menambahkan filter aktif yang terhubung
seri dengan filter pasif.
Non~n_l
LOIIId
.Actlv. Power Filter
PRINSIP OPERASI
Filter hybrid aktif pada paper ini
ditunjukkan pada gambar 1. dan
diaplikasikan dengan operasi tiga
phasa PWM Voltage Source Inveter
pada frekuensi switching filter aktif
yang telah ditentukan yang kemudian
filter ini terhubung seri dengan pasif
fiter melalui sebuah transformer. Pada
dasarnya, aktif power filter berfungsi
untuk pengontrol voltage source dan
membuat arus line menjadi sinusoidal
pada phase yang berhubungan dengan
tegangan phasa ke netral melalui
penekanan semua arus harmonisa
yang mengalir melalui hybrid. Dengan
kata lain, karena filter aktif dihubungkan seri melalui trafo, dimana filter aktif
ini akan mengubah sinyal tegangan
pada 'terminal primer yang akhirnya
mengalir ke filter pasif sehingga akan
dapat meningkatkan karakteristik kompensasi dari filter pasif.
Prinsip opersi dari filter hybrid
memiliki dua fungsi yakni sebagai
Berita Litbang Industri
kompensasi arus harmonisa dan
sebagai koreksi faktor daya. Seperti
dijelaskan pada bagian berikut.:
Kompensasi Arus Harmonisa
Pada
kompensasi
arus
harmonisa, filter aktif berfungsi untuk
meningkatkan performansi karakteristik
filter dengan mengubah
bentuk
gelombang tegangan harmonik pada
terminalnya dengan amplitudo sebagai
-.....berikut:
"
V(~h == K .'Ish
(1)
dimana : Ish adalah arus harmonisa
yang akan dikompensasi dan K adalah
gain filter aktif.
Jika tegangan ac adalah murni
sinusiodal, ratio antara komponen
harmonik dari arus beban non liner dan
komponen harmonik dari arus line
(attenuasi faktor) didapatkansebagi
berikut:
(2)
67
Volume XLVll,No.2,
Agustus2011,
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
pp 66-71
Dari persamaan
2, terlihat bahwa
attenuasi faktor menentukan karakteristik
dari
hybrid
(lstJILh),
yang
tergantung pada nilai impedansi filter
pas if ZF, gain filter aktif K, dan
impedansi
sistem
Zs.
Untuk
meningkatkan attenuasi faktor (performansi yang lebih baik) maka K harus
ditingkatkan karena nilai Zs dan ZF
bemilai konstan.
Power Faktor Koreksi
Filter hybrid dapat digunakan
untuk mengontrol power faktor koreksi
pad a beban.
Pada
kenyataannya
koreksi faktor daya dapat diatur dengan
mengontrol drop tegangan dasar pada
capasitor filter pasif Vc. Untuk melakukan hal ini tegangan V AF dan tegangan
capasitor dibangkitkan pada bagian
primer trafo, sehingga diperoleh :
'i~_\,..= /3 . liN./-'·
(3)
Pada
sisi
lain,
pada
frekuensi
fundamental
impedansi
filter pasif
adalah capasitive, dan tegangan pada
filter hybrid adalah :
VHF
=
'V"(-
+ V.u·
(4)
o dengan
didefenisikan
Faktor·
tuning
resonansi
frekuensi
sebagai:
ti
=
w -
w',-
w,.
dimana ro adalah frekuensi resonansi
filter pasif dan coradalah nilai desain.
Pengaruh Faktor Quality dari Filter
Pasif
Parameter yang paling pen'ting
yang harus
dipertimbangkan dalam
desain filter pasif dan memiliki pengaruh yang kuat dalam performansi
kompensasi adalah faktor quality Q.
Faktor quality filter pas if didefinisikan
sebagai berikut :
-
1
ILl
q=R\/C
J"
~
f
dimana Rt, Lt dan er adalah resistansi,
induktor, dan kapasitor filter pasif. Jika
nilai Q kecil maka impedansi yang
besar untuk arus harmonisa dengan
frekuensi yang tidak sama dengan
frekuensi resonansi. Nilai R dan C
harus
diperbesar
untuk
membuat
bandwith filter supaya lebih lebar. Akan
tetapi dengan bertambahnya Rf dan er
maka biaya dan loses makin besar.
hal ini menunjukan bahwa tegangan
pada kapasitor
CF dapat berubah
dengan mengatur amplitudo tegangan
keluar dari filter aktif. Arus fundamental
yang diperoleh adalah sebagi berikut :
.
d'lie
I
d _
'r = C'T = Crdi I ilH ,
i
. _
-lroH') -
.
I
dlil1F
11- diG,_ lit liJ
PERFORMANSI OARI FILTER
HYBRID
Kompensasi arus harmonisa dldapatkan
dengan
mengurangi
impedansi filter hybrid dan memaksa
aeus harmonisa mengalir ke impedansi
rendah.
Bandwidth
Hybrids
filter
tergantung pad a parameter filter pasif
dan pada gain K filter aktif. Nilai
impedansi pasif filter pad a frekuensi
resonansi
tergantung
pada faktor
tuning o.
Berita Litbang Industri
OL--1~OO-----~~D~~~~~~4no
FreQuency
Gah1bar 3 Response freRuensi filter
pasif terhadap impedansi untuk
nilai faktor quality yang berbeda
Dari gambar 3 terlihat bahwa nilai Q
yang besar akan diperoleh bandwith
yang lebih besar dan impedansi yang
rendah
pada frekuensi
resonansi,
sehingga attenuasi faktor dari arus
harmonisa akan meningkat. Sedangkan jika Q rendah akan mengurangi
bandwith filter pasif dan menigkatkan
impedansi resonansi, yang mengakibatkan
meningkatnya
amplitudo
68
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66·71
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
tegangan pada filter aktif untuk men~
jaga keefektifan
untuk kompensasl
yang sama.
I~..,....(r.
THD-i
= ...:..._I~-_'
V
z ,.
Lit .
z-,,+Z,.-+K
*
)2
_
[51
Pengaruh Penguatan Filter Aktif
Dari persamaan diatas terlihat bahwa
Total Harmonik Distortion dari arus line
akan berkurang jika K bertambah.
Untuk memperoleh perbaikan yang
baik maka K yang digunakan lebih
besar dari 15.
Nilai
K yang
besar
akan
meningkatkan
kompensasi dari filter
aktif dengan mengurangi impedansl
ekuivalent untuk nilai yang ferkuensi
yang berbeda, sehingga akan memperlebar bandwidth pada filter. Pada
gambar 4 terlihat bahwa pengaruh dari
nilai faktor quality yang rendah dari
filter pasif dapat dikompensasi dengan
mengubah nilai penguatan filter aktif K.
Dengan nilai K yang besar (K>15) akan
dapat meningkatkan performansi kompensasi.
20
O.~,--~-~~~-~----~
5
10'
15
20
25
u
K
Gambar 5 THD terhadap penguatan
filter aktif K
Pengaruh dari Impedansi Sistem
Jika impedansi sistem lebih
rendah dibandingkan dengan impedansi filter pas if pada
frekuensi
resonansi, maka arus harmonik beban
akan mengalir pada sistem. Untuk
mengurangi pengaruh negatif inl maka
nilai K harus ditingkatkan.
(a)
_O'6~K"20
C!;
~04.
e
.
.
jO.2[
~
Q-20
_
--.
-
~._--
o
.
1DO
20D
:!lOO
400
Frequency
500
600
Pengaruh dari Komponen Filter
Pasif
THD akan berkurang dengan
bertambahnya nilai er dan Rf. Dengan
Bertambahnya nilai Cl reaktif power
yang
dihasilkanlebih
besar
overloading filter hybrid dan akan
menyebabkan
masalah
voltage
regulation.
(c)
Gambar 4 Response frekuensi filter
hybrid untuk nilai K yang berbeda. (a).
Response frekuensi filter pasif
(b).
Response frekuensi hybrid dengan
K=S. (c), Response frekuensi hybrid
dengan K=20.
00
THD dari arus line pada nilai K adalah
sebagai berikut :
Berita Litbang Industri
5
10 K 15
20
25
Gambar 6 THD terhadap K untuk nilai
capasitor yang berbeda.
69
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Performasi Filter Pasif
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66-71
20.---------------,
15
"·
.-"
-.
Cl
~10
i
":":
,-"
.
,
o L..-_-"'
o
5
--'"'
__
15
10 K
.
---"
20
Gambar 7 THD terhadap K untuk nilai
Resistansi yang berbeda.
IilEIU:R
I
1200A
I
: rl~---'
i.-.....,.~.r-:
!
,,:
•. f ~-;
,
'S¥c_.
'
DAFTAR PUSTAKA
eets~J(""
18MW
Hybr:td Power Filter
dengan nilai parameter pada filter pasif
sebagai berikut :
L(mH)
S~tem
f,' ilarm_ fillet
rn-~;m:filler
11"' berm, Filler
rrn flarm. Filter
17'" harm, Filter
2.8
' ~.a5±2%
: M5±2%
3.07±2%
,2.19±2%
1.Ze±2%
C(uF)
-'42,,8±~"I;
36.4+
27.8+
27,8±
27.6±
3%
3%
3%
3%
RlmO)
-"'760630
520
440
25000
kVAR
'~6()(l
10200
7800
- -TeOO
7800
HASIL PENGAMATAN
Pada saat sistem cuma dihubungkan
dengan filter pasif maka THD yang didapat 24% sedangkan setelah menggunakan filter hybrid maka diperoleh
nilaiTHD
6.3%.
=
Berita Litbang Industri
'OD ..,Z
Performansi
kompensasi \dari
filter
hybrid dapat dianalisis. Filter hybrid
menggabungkan
karakteristik
filter
pasif dan filter aktif. Filter ini juga
mampu memperbaiki faktor daya dan
juga mampu mengkompensasi
arus
harmonisa. Kombinasi dari filter pasif
dan filter aktif akan menghasilkan
performansi kompensasi yang jauh
lebih baik. Dengan nilai K yang besar
maka akan diperoleh performansi yang
baik, untuk hal ini direkomendasikan
menggunakan nilai K yang lebih besar
dari 15.
T/-- -':
i
...
KESIMPULAN
J:V Tr-,anerrnsskm Une
xg
1 GDmV
'"
Gambar 8 Bentuk gelombang arus line
(THD=24%) dengan filter pas if
ANALlSIS PERFORMANSI OARI
FILTER HYBRID PADA SISTEM
DISTRIBUSI
Analisis dilakukan pada sistem distribusi dengan
single line diagram
sebagai berikut :
220
...J\,..,--,,;.~-•
1. Bhattacharya, S., D. Divan, and P.
Cheng. 1997. Hybrid solutions for
improving filter pasif performance in
-I:tigh power
applications.
IEEE
Trans. Ind. Applicat., vol. 33, pp.
732-747, May/June 1997.
2. Moran, L., J. Dixon, and R. Wallace.
1996. A three-phase active power
filter operating with fixed switching
frequency for reactive power and
current
harmonic
compensation.
IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 42,
pp A02-408, Aug. 1996.
3. Peng, F. Z.., H. Akagi, and A. Nabae.
1990. A new approach to harmonic
compensation in power systems-A
combined system of shunt passive
and
series active filters.
IEEE
70
Penggunaan
Filter Hybrid
untuk
Meningkatkan Perforrnasi Filter Pasif
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66·71
Trans. Ind. Applicat., vol. 26, pp.
983-990, Nov.IDec.1990.
4. Van Zyl, A., J. H. R. Enslin, W. H.
Steyn, and R. Spee. 1995. A new
unified approach to power quality
management. Proc. IEEE PESC'95,
1995, pp. 183-188.
- ....••.
Berita Utbang Industri
-,
71