analisa perbandingan filter harmonisasingle

Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
ANALISA PERBANDINGAN FILTER HARMONISASINGLE
TUNE DAN DOUBLE TUNE PADA PENYEARAH
SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION
(SPWM)
Parlin Siagian1, Usman Baafai2, Marwan Ramli3
Magister Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara, 2013
[email protected]
Abstrak
Penyearah SPWM (sinusoidal pulse width modulation) satu fasa merupakan salah satu peralatan non linier
yang banyak dipergunakan di masyarakat. Peralatan ini memberikan arus harmonisa ke jaringan sistem tenaga
pada orde harmonisa rendah seperti harmonisa ke-3, 5, 7, 9, 11 dan 13. Oleh sebab itu perlu dilakukan
filterisasi harmonisa. Filterisasi harmonisa dilakukan dengan terlebih dahulu merancang filter yang akan
digunakan yaitu filter single tune dan double tune. Untuk melihat penurunan harmonisa sebelum dan sesudah
menggunakan filter single tune dan double tune pada penyearah SPWM dilakukan melalui simulasi
menggunakan program Matlab/simulink pada beban 2000 watt dengan konfigurasi beban R dan RL, pada
kondisi beban maksimum dan beban 50%. Arus harmonisa setelah dilakukan filterisasi pada penyearah
SPWM untuk semua konfigurasi beban secara keseluruhan telah memenuhi standar IEC61000-3-2 kelas D.
Penurunan THDi yang dihasilkan penyearah SPWM sesudah penggunaan filter single tune adalah sebesar
51,9% sampai dengan 87,89% dan pada filter double tune sebesar 51,18% sampai dengan 87,34%.
Kata kunci: SPWM, single tune, double tune, matlab, simulink
1.1 Latar Belakang Masalah
Pada saat ini banyak konsumen tenaga listrik
menggunakan beban tidak linier, baik konsumen
rumah tangga, perkantoran maupun industri yang
disebabkan pemakaian peralatan elektronik dan
penyearah AC ke DC. Dari peralatan penyearah
yang digunakan masyarakat kebanyakan adalah
penyearah satu fasa gelombang penuh dibandingkan
penyearah tiga fasa yang biasanya dipakai oleh
industri.
Salah satu jenis penyearah yang banyak
digunakan adalah modulasi lebar pulsa atau Pulse
Width Modulation (PWM) hal ini dilakukan untuk
mengatasi kelemahan-kelemahan penyearah dioda
dan SCR yang ada sebelumnya seperti tegangan
keluaran tidak dapat dikendalikan sehingga besar
nilai tegangan keluaran sangat tergantung pada
besar tegangan masukan. Sedangkan penyearah
SCR menimbulkan distorsi harmonisa yang besar
pada jala-jala dan mempunyai faktor daya masukan
yang rendah
Gelombang tegangan input penyearah SPWM
mendekati gelombang sinusoidal murni, akan tetapi
gelombang arus input bukan merupakan gelombang
sinusoidal murni tetapi mengandung distorsi
harmonisa ke jaringan.
Harmonisa yang ditimbulkan oleh penyearah
perlu dikurangi agar tidak mengganggu kerja
peralatan lain yang tersambung pada sumber yang
sama. Untuk menurunkan harmonisa dapat
dilakukan dengan menggunakan filter pasif seperti
filter single tune.Selain filter single tune dapat
digunakan filter double tune yang mempunyai
fungsi yang sama seperti single tune yang mana
meredeuksi beberapa frekuensi harmonisa pada
frekuensi tertentu yang dipilih. Pemasangan filter
double tune ini juga dapat digunakan untuk tingkat
daya kecil sampai daya besar. Filterisasi ini
dilakukan sampai diperoleh nilai harmonisa sesuai
standar IEC 61000-3-2.
Penggunaan filter pasif harus dilakukan dengan
perhitungan yang tepat, karena tanpa melakukan
perhitungan yang tepat akan semakin mendistorsi
gelombang input penyearah SPWM dan tidak
mereduksi harmonisa yang dihasilkan. Filterisasi
terhadap harmonisa yang dihasilkan penyearah
SPWM dapat dilakukan dengan filter pasif jenis
LCL sehingga diperoleh harga yang sesuai standar
IEC 61000-3-2.
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
56
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
Penelitian
ini
bermaksud
menganalisa
perbandingan penggunaan filter harmonisa jenis
single tune dengan double tune yang akan
mereduksi atau mengurangi harmonisa pada input
penyearah SPWM.
1.2 Permasalahan
1.
Penyearah SPWM adalah
penyearah yang menghasilkan arus harmonisa ke
dalam system jaringan tenaga listrik sehingga
diperlukan cara merancang filter single tune dan
double tune untuk mereduksi harmonisa
tegangan dan arus harmonisa pada penyearah
SPWM satu fasa.
2.
Bagaimana harmonisa yang
dihasilkan sebelum dan sesudah filter single tune
dan double tune terpasang pada penyearah
SPWM satu fasa?
3.
Bagaimana
perbandingan
harmonisa
setelah
filterisasi
dengan
menggunakan filter single tune dan double tune
pada penyearah SPWM satu fasa?
yang mempunyai suatu frekuensi yang merupakan
kelipatan dari frekuensi dasarnya. Sedangkan
interharmonisa adalah penyebaran komponen pada
frekuensi yang bukan kelipatan bilangan bulat dari
frekuensi dasar sistem. Gambar 2.2 adalah ilustrasi
dari bentuk gelombang fundamental, gelombang
harmonik dan gelombang yang terdistorsi. Misalnya
bila frekuensi fundamentalnya (h1) 50 Hz maka
harmonisa ke-3 (h3) adalah gelombang sinusoidal
dengan frekuensi 150 Hz, harmonisa ke-5 (h5)
gelombang sinusoidal dengan frekuensi 250 Hz,
harmonisa ke-7 (h7) gelombang sinusoidal dengan
frekuensi 350 Hz dan seterusnya.
Gambar 1.Bentuk tegangan dan arus akibat
harmonisa
1.3 Batasan masalah
Batasan permasalahan pada penelitian nini
adalah::
1. Penyearah SPWM yang digunakan merupakan
penyearah SPWM satu fasa yang menggunakan
IGBT.
2. Beban yang digunakan adalah beban resistif
murni dan beban RL.
3. Filter single tune dan double tune untuk
mereduksi harmonisa dipasang pada bagian
input penyearah SPWM.
4. Analisa harmonisa hanya dibagian input
penyearah SPWM.
1.4
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa
perbandingan penggunaan filter harmonisa single
tune dan double tune pada penyearah SPWM satu
fasa dan merancang model filter single tune dan
double tune untuk meredam harmonisa untuk
mencapai standar yang ditentukan oleh IEC 610003-2
2.
ISSN : 2301-9425
2.1
Prinsip kerja penyearah PWM
Prinsip dasar daripada penyearah SPWM satu
fasa adalah mengatur waktu untuk mematikan atau
menyalakan masing-masing IGBT pada jembatan
penyearah. Prinsip dasarnya dapat dijelaskan dengan
mempergunakan Gambar 2.6 dimana IGBT pada
gambar tersebut digantikan dengan S1, S2, S3 dan
S4. Pada setengah siklus gelombang pertama, S1
dan S2 akan tertutup pada waktu yang bersamaan S3
dan S4 terbuka, arus akan mengalir melalui S1
melewati beban dan mengalir lagi melalui S2
menuju trafo. Pada setengah siklus berikutnya S1
dan S2 akan terbuka, pada saat yang sama S3 dan S4
akan tertutup arus mengalir melalui S4 kemudian
mengalir ke beban selanjutnya melewati S3 dan
kembali lagi menuju trafo.
Dasar Teori
Harmonisa dapat dinyatakan sebagai suatu
penyebaran komponen dari gelombang periodik
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
57
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
dipindahkan ke beban. Pada saat yang sama, arus
dari kapasitor C mengalir juga ke beban.
Rangkaian ekuivalen untuk moda operasi ini
ditunjukkan pada Gambar 4:
Gambar 2. Rangkaian
ekuivalen
penyearah
jembatan PWM satu fasa
Adapun prinsip kerja dari keempat saklar pada
rangkaian ekuivalen penyearah SPWM Gambar 2
dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Selama 0 ≤ t ≤ dTs, Saklar S3 dan S4 terhubung
(ON), arus Is mengalir dari jala-jala sumber Vs
melalui Ls, S4, C, S3 dan kembali ke jala-jala.
Pada interval waktu ini magnituda arus induktor
naik dan energi disimpan dalam induktor.
Rangkaian ekuivalen untuk keadaan ini
ditunjukkan pada Gambar 3:
Gambar 4. Rangkaian ekuivalen PWM untuk
keadaan setengah siklus positif kedua
Untuk operasi frekuensi konstan, tegangan ratarata dari induktor selama satu siklus pensaklaran
dalam kondisi setengah mantap (quasi steady-state)
adalah seimbang, yaitu [8]:
atau:
sehingga:
dimana:
Gambar 3. Rangkaian ekuivalen PWM untuk
setengah siklus positif pertama [8]
Persamaan arus yang mengalir pada rangkaian
ditunjukkan dalam Persamaan (1) dan (2):
2. Selama d.Ts ≤ t ≤ Ts, S3 dan S4 tidak terhubung
(off), S1 dan S2 terhubung, arus Is mengalir dari
jala-jala sumber Vs melalui L, D1, beban, D2,
dan kembali ke jala-jala. Pada interval waktu ini,
arus induktor turun dan energi dari induktor
d = siklus kerja saklar S2 dan S3
Is = arus masukan
Vs = tegangan masukan
Vo = tegangan keluaran
VL = tegangan inductor
tON = waktu terhubung saklar S2 dan S3
tOFF = waktu padam saklar S2 dan S3
2.2 Batasan Harmonisa
Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem
secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua
harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi
sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh
nilai dibawah standar yang diizinkan. Hal ini
berkaitan dengan analisa secara teknis dan
ekonomis, dimana dalam mereduksi harmonisa
secara teknis dibawah standar yang diizinkan
sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan
biaya yang besar. Standar yang digunakan sebagai
batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh
International Electrotechnical Commission (IEC)
yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban
kecil satu fasa ataupun tiga fasa. Untuk beban
tersebut umumnya digunakan standar IEC 61000-32.
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
58
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
Tabel 1. Batasan arus harmonisa menurut IEC
61000-3-2
Harmonisa
Arus harmonisa maksimum yang
ke-n
diizinkan (A)
Harmonisa Ganjil
3
2,30
5
1,14
7
0,77
9
0,40
11
0,33
13
0,21
15≤n≤39
2,25/n
3.2 Filter Harmonisa
Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk
mengurangi amplitudo satu frekuensi tertentu dari
sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan
filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik
yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka
penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan
dapat ditekan sekecil mungkin.
3.3 Filter single tune
ISSN : 2301-9425
hubungan seri komponen-komponen pasif induktor,
kapasitor dan tahanan.
Adapun langkah-langkah dalam merancang filter
single tune untuk orde harmonisa ke-h:
a. Menentukan ukuran kapasitor Q, berdasarkan
kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor
daya, dimana daya reaktif kapasitor Qc dapat
ditentukan dengan Persamaan (2.38).
Dimana:
P= beban (kW)
,
b. Menentukan reaktansi kapasitor (Xc):
Dimana, V: tegangan terminal filter
c. Menentukan kapasitansi dari kapasitor (C):
d. Menentukan reaktansi induktif dari induktor
(
) pada saat resonansi seri:
dimana
: orde harmonisa yang dituning.
e. Menentukan induktansi dari induktor (Ln):
Gambar 5. Rangkaian listrik filter single tune
Filter single tune (ST) adalah rangkaian R, L dan
C yang dihubungkan secara seri yang ditala untuk
meredam satu frekuensi harmonisa saja, umumnya
memiliki karakteristik impedansi harmonisa yang
rendah. Total impedansi yang diberikan adalah:
f. Menentukan reaktansi karakteristik
filter pada orde tuning:
dari
g. Menentukan tahanan (R) dari inductor
dimana Q: faktor kualitas filter.
3.
3.2 Filter double tune
Perancangan filter single tune
Perancangan filter single tune untuk menentukan
besarnya komponen-komponen dari filter single
tune tersebut, dimana filter single tune terdiri dari
Rankaian dari sebuah
ditunjukkan oleh Gambar 6:
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
filter
double
tune
59
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
Gambar 6. Rangkaian dasar filter double tune [11]
Sebuah filter double tune adalah diturunkan dari
dua buah filter single tune seperti Gambar 7:
Gambar 8. Grafik hubungan impedansi (Z) vs
frekuensi (ω) filter single tune paralel dan
filter double-tune ekuivalen [11]
Berikut ini merupakan transformasi atau
konversi dua buah filter single tune pada frekuensi
yang berbeda menjadi filter double tune [11,14].
Gambar 7. Konversi filter single tune menjadi
double tune. (a) filter single tune
paralel, (b) ekuivalen filter double tune.
Penggambaran karakteristik filter berupa
hubungan antara impedansi filter (Z) versus
frekuensi sudut (ω) antara dua buah filter single tune
dan satu buah filter double tune ekuivalennya
terlihat pada Gambar 8:
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
60
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
Dimana:
Umumnya R1 tetap sedangkan R2 dan R3
dimodifikasi sehingga impedansi mendekati
resonansi yang mana dalam prakteknya sama.
Sedangkan L1 akan mempunyai tahanan yang sama
yang mana nilainya sesuai dengan Persamaan
(2.50).
4.
Pelaksanaan Penelitian
Pada penelitian ini akan digunakan metode
simulasi dengan menggunakan program komputer
Matlab/Simulink versi 7.7 R2008b untuk
menganalisis penggunaan dua buah filter untuk
meminimalisir harmonisa pada sisi input suatu
penyearah SPWM satu fasa. Dalam hal ini ada
empat rangkaian kerja yang diperlukan, yaitu
rangkaian penyearah SPWM satu fasa sebelum
pemasangan filter single tune dengan beban R dan
beban RL. Setelah diperoleh data simulasinya, maka
pada rangkaian tersebut dipasang filter single tune
dan dipasang filter double tune.
Berikut ini adalah digram alir pelaksanaan
penelitian:
Gambar 9. Diagram alir pelaksanaan penelitian
4.2 Rangkaian Simulasi
Sebelum dilakukan simulasi maka terlebih
dahulu dihitung besar tahanan (R) dan induktansi
(L) yang terpasang pada rangkaian. Ada beberapa
ketentuan untuk merancang rangkaian simulasi yaitu
sebagai berikut:
1.
Tegangan input (Vrms) adalah 220
Volt merupakan tegangan rms jala-jala satu fasa.
Daya output beban (Pout) dimisalkan sebesar
2000 Watt. Frekuensi input adalah 50 Hz yang
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
61
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
merupakan frekuensi jala-jala sumber tenaga
listrik di Indonesia dan frekuensi switching
IGBT adalah 2000 Hz.
2.
Sebelum dilakukan simulasi akan
diambil dua kondisi konfigurasi beban yang
mewakili kondisi beban penyearah pada
umumnya. Yaitu beban maksimum atau Vdcmax
hal ini karena pada kondisi ini adalah
kemampuan maksimum penyearah dan beban
50% beban maksimum atau Vdc50% karena pada
saat Vdc50% effisiensi penyearah paling rendah
atau terburuk sebesar 13,42% [5]:
3. Tegangan dc output maksimum (Vdcmax)
dihitung dengan menggunakan Persamaan:
Dengan frekuensi switching IGBT = 2000 Hz,
maka ada 2000 buah pulsa dalam satu periode.
Jumlah pulsa untuk setengah periode dari 0
sampai π adalah 2000/2=1000 pulsa. Dengan
demikian jumlah pulsa yang akan dijumlahkan
sebanyak 1000 buah (p=1000) dan
ISSN : 2301-9425
maka diperoleh Vdcmax = 198,1675 Volt
198
Volt.
4. Beban penyearah SPWM untuk kondisi beban
maksimum penyearah dihitung sebagai berikut:
5. Beban penyearah SPWM untuk kondisi beban
50% beban maksimum penyearah dihitung
sebagai berikut:
Tegangan output dc pada saat ketika Vdc =
Vdc50%.
.
Untuk menghitung hasilnya dapat menggunakan
bantuan program Matlab berikut ini:
function Vdc
a=0;
c=220;
vm=1.4142*c;
pi=3.14;
alfa_m=0;
delta_m=0;
n=1000;
for
alfa_m=1:n;
delta_m=1:n;
Vd=(vm/pi)*((cos(alfa_m*(p
i/n)))cos(alfa_m*(pi/n)+(pi/n)))
;
a=Vd+a;
end
abs(a)
6. Induktansi beban (L) ketika Vdc = Vdc50% :
Diasumsikan XL = (3R) Ω
7. Induktansi beban (L) ketika Vdc = Vdcmax,
dengan nilai R = 20 Ω
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
62
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
8. Untuk membuat kondisi beban R dan L pada
beban Vdcmax dan Vdc50% dilakukan dengan
mengatur induktansi input dan indeks modulasi
pada rangkaian kontrol pulsa IGBT.
Pada penyearah SPWM pengaturan tegangan dc
output dapat dilakukan dengan mengatur lebar pulsa
gate IGBT. Pulsa gate IGBT yang digunakan pada
simulasi ini dihasilkan oleh generator 4 pulsa.
Generator 4 pulsa ini menghasilkan gelombang
seperti Gambar 10:
Gambar 12. Model Simulink rangkaian
simulasi SPWM IGBT
Selected signal: 0.6528 cycles. FFT window not shown (invalid settings)
1.25
1
G1
4.3 Perhitungan Parameter Filter Single Tune
Selected signal: 0.6528 cycles. FFT window not shown (invalid settings)
1.250
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Time (s)
G3
1
Selected signal: 0.6528 cycles. FFT window not shown (invalid settings)
G2
G4
Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental)
Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental)
1.25
200
0
0.002
0.004
1
0.006
0.008
0.01
0.012
Time (s)
15
10
Selected signal: 0.6528 cycles. FFT window not shown (invalid settings)
1.25
0
20 0
0.002
0.004
51
0.006
0.008
0.01
0.012
Time (s)
15
0
10
200
0
0
100
200
0.002
300
0.004
0.006
600
700
0.008
800
0.01
900
1000
0.012
Time (s)
5
15
0
10
400
500
Frequency (Hz)
0
100
200
300
400
500
Frequency (Hz)
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
Frequency (Hz)
600
700
800
900
1000
Gambar 10: Gelombang pulsa gate IGBT dari atas
ke bawah: pulsa IGBT1, IGBT3,
IGBT2, IGBT4
20
Filter
single
tune
dirancang
dengan
menggunakan rumus-rumus pada sub Bab 2.6.4,
yaitu Persamaan (7) sampai (13). Untuk penyearah
SPWM dengan beban R= 5 Ω perhitungan
parameter filter single tune adalah sebagai berikut:
1. Menghitung kebutuhan daya reaktif yang
diperlukan oleh rangkaian sesuai dengan cos φ
yang ada mula-mula (cos φ1) menjadi nilai yang
diinginkan (cos φ2). Daya reaktif yang
diperlukan adalah:
5
15
0
10
5
Adapun rangkaian simulasi Simulink pembangkit
pulsanya adalah seperti Gambar 11:
0
0
100
200
300
400
500
Frequency (Hz)
600
700
800
900
1000
2. Menghitung nilai reaktansi kapasitif filter yang
diperlukan:
Untuk dua buah filter single tune yang akan
dipasang yaitu filter harmonisa orde ke-3 dan
orde ke-5, maka kebutuhan daya reaktif masing
masing filter adalah kebutuhan total dibagi
dengan jumlah filter single tune yang akan
dipergunakan orde ke-3 dan 5 yaitu:
Gambar 11. Model Simulink rangkaian
kontrol pembangkit 4 pulsa
IGBT SPWM
3. Harga C dari masing-masing filter adalah:
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
63
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
ISSN : 2301-9425
4. Harga XL dari masing-masing filter adalah:
Dari perhitungan di atas diperoleh parameterparameter filter single tune masing-masing orde
harmonisa ke-3 dan 5 seperti ditunjukkan oleh Tabel
2:
Tabel 2. Parameter filter single tune untuk filter
harmonisa orde ke-3 dan 5 dengan beban R
=5Ω
5. Harga Ln dari masing-masing filter adalah:
6. Harga
R (Ω)
L
(mH)
C (µF)
Filter h(3)
0,0372
3,9
285,59
Filter h(5)
0,0223
1,4
285,59
dari masing-masing filter adalah:
Gambar 13. Model Simulink rangkaian simulasi
SPWM IGBT dengan filter single
tune
4.4 Perhitungan Parameter Filter Double Tune
Parameter filter double tune dilakukan dengan
menggunakan parameter filter single tune dan
rumus-rumus dari Persamaan (7) sampai (19). Untuk
penyearah SPWM adalah sebagai berikut:
Tabel 3. Hasil perhitungan parameter filter
double tune
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
64
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
Parameter filter
Nilai hasil perhitungan
R1 (Ω)
0,1
L1 (mH)
1,04
C1 (µF)
571,11
R2 (Ω)
0,00179
L2 (mH)
0,29711
C2 (µF)
2579,3
R3 (Ω)
0,02659
ISSN : 2301-9425
dengan menggunakan filter single tune yang
diparalelkan sebanyak 2 buah untuk Vdc50% beban
R= 5 Ω, RL(R = 5 Ω, L= 50 mH) maka THDi secara
keseluruhan dapat diturunkan menjadi di bawah
5,0%.
Namun untuk kondisi Vdcmax beban
maksimum dengan RL(R= 20 Ω, L = 200 mH)
THDi masih berada sedikit di atas 5,0%.
Tabel 4. Perbandingan THDi sebelum dan sesudah
pemasangan filter single tune
THDi (%)
Beban
Orde harmonisa yang
difilter
Awal
Akhir
R=5 Ω
4,22
2,03
3 dan 5
R=20 Ω
28,99
3,51
3,5,7 dan
9
14,88
4,46
32,50
9,28
R=5
Ω,
L=50 mH
R=20 Ω, L=
200 mH
3 dan 5
3,5,7 dan
9
5.3 Pengaruh penggunaan filter double tune untuk
mengurangi harmonisa penyearah SPWM
Gambar 14. Rangkaian simulasi penyearah SPWM
IGBT dengan filter double tune
5.
Hasil dan Analisis
Setelah dilakukan simulasi pada penyearah
SPWM satu fasa dengan beban-beban R dan RL
sebelum dilakukan filterisasi nilai THDv untuk
semua rangkaian tidak melewati standar IEC610003-2 yaitu 0%. Dari semua konfigurasi beban yang
dilakukan
simulasi
harga
THDi
sebelum
pemasangan filter melebihi standar yang ditetapkan
IEC61000 3-2 kelas D. Sebelum pemasangan filter
rangkaian simulasi untuk menghasilkan tegangan
keluaran dilakukan dengan mengatur pulsa masukan
ke setiap gate IGBT. Oleh karena itu pulsa untuk
menghidupkan atau mematikan IGBT harus dapat
menghasilkan tegangan dc keluaran yang diinginkan
dalam penelitian ini. Secara teratur lebar pulsa akan
berubah sesuai dengan frekuensi gelombang
referensi pada generator pulsa untuk IGBT. Secara
teori hal ini sesuai dengan pembahasan pada
landasan teori tentang pengaturan pulsa gate IGBT.
Penggunaan filter double tune dilakukan dengan
berdasarkan pada perancangan filter single tune,
yaitu ditune pada orde yang arus harmonisa yang
besar dan melebihi standar IEC61000-3-2 kelas D.
Dengan mengacu pada parameter filter single tune
diperoleh perbandingan hasil filterisasi antara dua
buah filter single tune dengan sebuah filter double
tune dengan frekuensi tune yang sama.
Pada simulasi penggunaan filter double tune
untuk berbagai konfigurasi beban diperoleh
penurunan THDi yang cukup besar, walaupun ada
konfigurasi beban yang nilainya masih di atas 5%
untuk Vdc50% beban R= 5 Ω, R= 20 Ω, RL(R= 5 Ω,
L= 50 mH) maka THDi secara keseluruhan dapat
diturunkan menjadi di bawah 5,0%. Namun untuk
kondisi Vdcmax beban maksimum dengan, RL(R= 20
Ω, L = 200 mH) nilai THDi masih berada di atas
5,0%.
Tabel 5. Perbandingan THDi sebelum dan sesudah
pemasangan filter double tune
THDi (%)
5.2 Pengaruh Penggunaan Filter Single Tune Beban
Untuk Mengurangi Arus Harmonisa Penyearah
SPWM
R=5 Ω
Pada simulasi penggunaan filter single tune
untuk berbagai konfigurasi beban diperoleh bahwa
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
Awal
Akhir
4,22
2,06
Orde harmonisa
yang difilter
3 dan 5
65
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
R=20 Ω
R=5
Ω,
L=50 mH
R=20 Ω, L=
200 mH
28,99
3,67
14,88
4,46
32,50
9,50
3,5,7 dan 9
3 dan 5
3,5,7 dan 9
5.4 Perbandingan Hasil Penggunaan Filter Single
Tune dan Double Tune Pada Penyearah SPWM
Pemasangan filter single tune dan double
tune mampu menurunkan harmonisa yang
dihasilkan penyearah SPWM. Penurunan harmonisa
yang dihasilkan oleh kedua filter tersebut berbeda
satu sama lain. Untuk melihat harmonisa yang dapat
dikurangi oleh masing-masing filter tersebut, maka
harmonisa yang dihasilkan setelah filterisasi dengan
menggunakan filter single tune dibandingkan
dengan harmonisa yang dihasilkan setelah
penggunaan filter double tune. Perbandingan hasil
filterisasi ditunjukkan oleh Tabel 6 sampai Tabel 10.
Tabel 6. Perbandingan arus harmonisa hasil
filterisasi filter single tune dengan double
tune pada penyearah SPWM beban R= 5 Ω
Para-
Se-
meter
belum
ISSN : 2301-9425
arus harmonisa orde ke-3 dengan filter single tune
dari nilai 2,38 A menjadi 0,11 A atau sebesar
95,37% dan dengan filter double tune menjadi 0,35
atau 85,29%, pada harmonisa orde ke-5 dengan
filter single tune dari nilai 0,27 menjadi 0,01 atau
96,30% dan dengan filter double tune menjadi 0,02
atau 88,66%. Sementara itu pada orde lain seperti
orde ke-7 dan ke-9 juga terkoreksi, hal ini
disebabkan kecuraman kurva filter single tune yang
akan berpengaruh kepada frekuensi di sekitar orde
tuning-nya. Pada filter double tune pada frekuensi di
sekitar orde tuning penurunan arus harmonisanya
tetap ada namun tidak sebesar akibat filter single
tune.
Tabel 7. Perbandingan arus harmonisa hasil
filterisasi filter single tune dengan double
tune pada
penyearah SPWM beban
R= 20 Ω
Sebelum
Setelah Filterisasi
MengMenggunakan filter gunakan filter
single tune
double tune
91,40
193,15
193,56
Setelah Filterisasi
Para
meter
Ifund
(A)
Meng-
Meng-
I3 (A)
25,21
0,52
2,45
gunakan
gunakan
I5(A)
4,19
0,02
0,20
filter single
filter double
I7(A)
0,30
0,01
0,13
tune
tune
I9(A)
0,21
0,00
0,01
Ifund (A)
67,02
77,43
77,46
I11(A)
0,18
0,06
0,06
I3 (A)
2,38
0,11
0,35
I13(A)
0,12
0,06
0,06
I5(A)
0,27
0,01
0,02
I7(A)
0,08
0,04
0,04
I9(A)
0,02
0,02
0,01
I11(A)
0,01
0,01
0,01
I13(A)
0,02
0,02
0,01
Dari Tabel 6 dapat dianalisa bahwa perancangan
parameter filter single tune dan double tune dapat
menurunkan arus harmonisa pada frekuensi tuningnya yaitu harmonisa orde ke-3 dan 5. Penurunan
Pada Tabel 7 dapat dijelaskan bahwa dengan
melakukan filterisasi terhadap arus harmonisa untuk
4 orde frekuensi sekaligus yaitu orde ke-3, 5, 7 dan
9 kejadian yang sama tetap terjadi sebagaimana
analisa Tabel 6 seperti penurunan arus harmonisa
pada frekuensi di dekat orde yang difilter.
Penurunan arus harmonisa pada orde harmonisa
yang difilter juga mengalami penurunan yang besar
yaitu orde ke-3(97,94%), ke-5(96,67%), ke7(99,52%) dan ke-9(100%) atau secara umum di
atas 95% pada kedua jenis filter single tune dan
double tune. Pada orde ke-11 penurunan arus
sebesar 66,66% dan 84% pada orde ke-13.
Tabel 8. Perbandingan arus harmonisa hasil
filterisasi filter single tune dengan double
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
66
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
tune pada penyearah SPWM beban R= 5 Ω,
L=50 mH
Setelah Filterisasi
Parameter
Sebelum
filterisasi
Ifund (A)
8,54
9,40
9,38
I3 (A)
2,22
0,34
0,35
I5(A)
1,19
0,07
0,08
I7(A)
0,71
0,02
0,03
I9(A)
0,44
0,01
0,01
I11(A)
0,26
0,13
0,13
I13(A)
0,16
0,13
0,13
ISSN : 2301-9425
dapat menurunkan arus harmonisa cukup besar.
Semua konfigurasi beban yang digunakan dalam
simulasi rata-rata arus harmonisa ganjil telah
memenuhi standar standar IEC61000-3-2 mengenai
arus harmonisa ganjil pada peralatan kelas D.
Mengguna
kan filter
single tune
Menggunakan
persentase
penurunan
filter double Tabel 10. Perbandingan
THDi
menggunakan
filter
single
tune dan
tune
double
tune
Ifund
18,65
26,58
26,65
(A)
THDi
I3 (A) 2,46
0,04
0,11
sebelum
THDi
setelah
Penumengmenggunakan
I5(A)
0,71
0,01
0,00
Beban
runan
gunakan
filter
(%)
I7(A)
0,30
0,18
0,17
filter
(%)
(%)
I9(A)
0,23
0,15
0,15
Single
2,03 51,90
tune
I11(A) 0,13
0,11
0,11
R= 5 Ω
4,22
Double
2,06 51,18
I13(A) 0,11
0,07
0,07
tune
Single
3,51
Analisa Tabel 8 memperlihatkan penurunan arus
tune
87,89
R=
20
Ω
28,99
harmonisa terbesar pada orde harmonisa yang
Double
3,67 87,34
difilter dan penurunan juga terjadi pada frekuensi di
tune
dekat frekuensi harmonisa yang difilter.
Single
4,46
R= 5 Ω,
tune
70,03
Tabel 9. Perbandingan arus harmonisa hasil
L=
50 14,88
Double
filterisasi filter single tune dengan double
mH
4,46 70,03
tune
tune pada penyearah SPWM beban R = 20
Single
Ω, L = 200 mH
9,28
R= 20 Ω,
tune
71,45
L= 200 32,5
Double
mH
9,50
tune
70,77
Setelah Filterisasi
Sebelum
filter
Parameter
Dari Tabel 10 dapat kita amati bahwa pada
filter double
filterisasi
single
beberapa konfigurasi beban pada penyearah SPWM
tune
tune
untuk menurunkan harmonisa arus ke-3, 5, 7 dan 9
Analisa Tabel 9 memperlihatkan penurunan arus
harmonisa terbesar pada orde harmonisa yang
difilter dan penurunan juga terjadi pada frekuensi di
dekat frekuensi harmonisa yang difilter.
Dari Tabel 6 sampai Tabel 9 terlihat bahwa
penggunaan filter pasif single tune dan double tune
ternyata dengan menggunakan filter single tune
lebih baik dibandingkan filter double tune. Secara
keseluruhan
THDi
yang
menjadi
ukuran
keseluruhan arus harmonisa yang dihasilkan
peralatan
telah
dapat
diturunkan
dengan
menggunakan filter single tune dan double tune.
Sebagai contoh untuk penyearah SPWM dengan
beban R= 20 Ω, menggunakan filter single tune
THDi awal 28,99% dapat diturunkan menjadi 3,51%
dan filter double tune menjadi 3,67%. Ini berarti
menurunkan harmonisa arus sebesar 87,89% untuk
single tune dan 87,34% untuk filter double tune.
Dari Tabel 10 juga menunjukkan hasil filterisasi
untuk semua konfigurasi beban dalam penelitian ini.
6. Kesimpulan dan Saran
A. Kesimpulan
1. Penyearah SPWM yang menghasilkan arus
harmonisa ke dalam sistem jaringan tenaga
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
67
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
listrik dengan filter single tune dan double tune
menghasilkan penurunan arus harmonisa
sampai di bawah standar IEC610003-2 kelas
D. Filter single tune menurunkan arus
harmonisa lebih baik dibandingkan dengan
filter double tune.
2. Arus harmonisa yang dihasilkan penyearah
SPWM satu fasa dengan beban sebesar 2000
watt sebelum pemasangan filter single tune dan
double tune berada di atas standar IEC610003-2 kelas D. Sedangkan nilai THDi yang
dihasilkan untuk beban R= 5 Ω sebesar 4,22%,
R= 20 Ω sebesar 28,99%, RL(R = 5 Ω L= 50
mH) sebesar 14,88% dan RL(R= 20 Ω, L= 200
mH) sebesar 32,5%. Sementara itu sesudah
filter single tune dan double tune terpasang
pada penyearah SPWM satu fasa nilai arus
harmonisa sudah sesuai standar IEC61000-3-2.
3. THDi yang dihasilkan rangkaian setelah
pemasangan filter single tune untuk bebanbeban R= 5 Ω sebesar 2,03%, R= 20 Ω sebesar
3,51%, RL(R= 5 Ω L= 50 mH) sebesar 4,46%,
RL(R= 20 Ω, L= 200 mH) sebesar 9,28%.
THDi yang dihasilkan rangkaian setelah
pemasangan filter double tune untuk bebanbeban R= 5 Ω sebesar 2,06%, R= 20 Ω sebesar
3,67%, RL(R= 5 Ω L= 50 mH) sebesar 4,46%
dan RL(R= 20 Ω , L= 200 mH) sebesar 9,50%.
B. Saran
1. Pada penyearah SPWM satu fasa penggunaan
filter single tune dan double tune dipergunakan
pada frekuensi harmonisa tertentu yang dipilih.
Perlu ada filter harmonisa jenis lain untuk
mengurangi harmonisa pada orde tinggi untuk beban
maksimum penyearah SPWM satu fasa.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Mohan, N. et.al., Power Electronics:
Converters, Application and Design, John
Willey and son, Inc., 1995.
[2] Rivas, Darwin, et al, Improving Passive Filter
Compenstion Performance with Active
Techniques, IEEE, 2000, pp. 232.
[3] Babu, G. Suresh, Design Of Optimal Tuning
Frequency Of A Single Tuned Harmonic Filter
ISSN : 2301-9425
For An Alternator With Rectifier, Journal of
Theoretical
and
Applied
Information
Technology, 2010.
[4] Zargari, Navid R., et al., Input Filter Design
for PWM Current-Source Rectifiers, IEEE
1994, pp. 1557.
[5] Lastya, Hari Anna, Analisa Perbandingan
Perancangan Filter LCL Pada Penyearah
terkendali satu Fasa Full Converter Dengan
Penyearah PWM Satu Fasa Full Bridge,
Program Studi Magister Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara,
Medan 2012.
[6] Kusko, Alexander and Thompson, Marc T.,
Power quality in Electrical Systems, Mc Graw
Hill Companies Copyright © 2007, pp. 55.
[7] J. Bauer, Single-Phase Pulse Width Modulated
Rectifier, Vol. 48 No. 3/2008.
[8] Ahmudiarto, Yoyon, Aplikasi IGBTs Pada
Static Inverter Kereta Rel Listrik Jabotabek,
Buletin IPT, No. 1, Vol. VII, Januari - Februari
2001, ISSN 0854-4700.
[9] Basu, Supratim, Bollen, Math H.J. and
Undeland, Tore M. PFC Strategies In Light Of
EN66 61000-3-2, Department Of Power
Electronics Norwegian University Of Science
And Technology, Trondheim, Norway, 2004.
[10] Cho, Young-Sik and Cha, Hanju, Single-tuned
Passive Harmonic Filter Design Considering
Variances of Tuning and Quality Faktor,
Journal of International Council on Electrical
Engineering Vol. 1, No. 1, pp. 7-10, 2011.
[11]. Das, J. C, Power System Analysis-ShortCircuit Load Flow and Harmonics, Marcel
Dekker, Inc, 2002, Chapter 20, pp. 25-26.
[12] Basu, Supratim, , Single Phase Active Power
faktor Correction Converter, Thesis For The
Degree Of Doctor of Philosophy, Chalmers
University Technology, Goteborg, Sweden,
2006.
[13] Dugan, Roger C. et al, Electrical Power
System Quality, McGraw-Hill Companies,
2004.
[14] Arrillaga. J. and N.R. Watson, Power System
Harmonics, Second Edition John Wiley &
Sons, Ltd ISBN: 0-470-85129-5, 2003.
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
68
Pelita Informatika Budi Darma, Volume III Nomor : 2 , April 2013
Diterbitkan Oleh : STMIK Budi Darma Medan
ISSN : 2301-9425
69