BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Harmonisa

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Harmonisa
Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan
beban tidak linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang
keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan
perubahan tegangan, sehingga gelombangnya bersih dan tidak terdistorsi. Tidak semua
beban yang terpasang merupakan beban linier bahkan dewasa ini sebagian besar beban
yang terpasang merupakan beban tidak linier. Pada beban tidak linier beban tidak lagi
menggambarkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang proporsional. Pemakaian
beban tidak linier akan menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang tidak
sinusoidal. Akibatnya akan terbentuk gelombang terdistorsi yang akan menghasilkan
harmonisa. Perbedaan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh beban linier dan beban
tidak linier dapat dilihat pada Gambar 2.1.
(a) Beban linier
(b) Beban tidak linier
Gambar 2.1. Bentuk gelombang arus dan tegangan [5]
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 memperlihatkan perbedaan bentuk gelombang yang dihasilkan oleh beban
linier dan beban tidak linier. Bentuk gelombang yang tidak sinusoidal ini merupakan
gabungan dari bentuk gelombang fundamental dan gelombang yang mengandung
sejumlah komponen harmonisa. Jadi harmonisa adalah gelombang arus atau tegangan
sinusoidal yang frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi
fundamentalnya. Misalnya bila frekuensi fundamentalnya 50 Hz maka harmonisa ke-2
adalah gelombang sinusoidal dengan frekuensi 100 Hz, harmonisa ke-3 gelombang
sinusoidal dengan frekuensi 150 Hz dan seterusnya.
2.2.
Sumber-Sumber Harmonisa
Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan
beban tidak linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang
keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan
perubahan tegangan. Sedangkan beban tidak linier adalah bentuk gelombang keluaran
yang tidak sebanding dengan tegangan masuk dalam setiap setengah siklus sehingga
bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang
masukannya.
Saat ini elektronika daya sebagai konverter banyak digunakan pada sistem
penyearah atau inverter untuk sistem penyedia energi listrik sesuai kebutuhan [6].
IEEE 519-1992 (standar Internasional harmonisa) mengidentifikasi sumber utama dari
harmonisa pada sistem tenaga adalah meliputi konverter daya, busur peleburan, statik
Universitas Sumatera Utara
VAR kompensator, inverters, kendali fasa elektronika daya, cycloconverters, power
supply DC dan PWM.
Beban tidak linier umumnya merupakan peralatan elektronik yang di dalamnya
banyak terdapat komponen semikonduktor seperti switching power supplies, UPS,
komputer, printer, LHE, DC drive, AC drive, welding arc, battery charger, dll. Proses
kerja peralatan atau beban tidak linier ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi
gelombang arus yang tidak sinusoidal.
2.3.
Perhitungan Harmonisa
Harmonisa diproduksi oleh beberapa beban tidak linier atau alat yang
mengakibatkan arus tidak sinusoidal. Untuk menentukan besar Total Harmonic
Distortion (THD) dari perumusan analisa deret Fourier untuk tegangan dan arus dalam
fungsi waktu yaitu [7]:
∞
𝑣(𝑡) = 𝑉𝑜 + � 𝑉𝑛 𝑐𝑜𝑠(𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 ) ….…………..…. (2.1)
𝑛=1
Dimana: V o = Komponen dc dari gelombang tegangan (V)
∞
𝑖(𝑡) = 𝐼𝑜 + � 𝐼𝑛 𝑐𝑜𝑠(𝑛𝜔𝑡 + 𝜑𝑛 ) ….………..…………(2.2)
Dimana: I o = Arus dc (A)
𝑛=1
Tegangan dan arus rms dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang
dibagi √2 dan secara deret Fourier untuk tegangan dan arus yaitu:
Universitas Sumatera Utara
∞
2
𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑜 + � � �
2
𝑛=1
∞
√2
𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑜 + �� �
𝑛=1
𝑉𝑛
�
𝐼𝑛
√2
2
�
…..…...………………………. (2.3)
2
….……..…….......……………. (2.4)
THD tegangan dan arus didefinisikan sebagai nilai rms harmonisa di atas frekuensi
fundamental dibagi dengan nilai rms fundamentalnya, dengan tegangan dc-nya
diabaikan. THD tegangan sebagai berikut:
𝑇𝐻𝐷𝑣 =
2
�∑∞
𝑛=2(𝑉𝑟𝑚𝑠 )
𝑉1 𝑟𝑚𝑠
....…..……...………………. (2.5)
Dengan mengabaikan tegangan dc (V o ) dan nilai V rms digantikan dengan 𝑉𝑛 /√2 pada
Persamaan (2.5), sehingga THD dapat dituliskan dalam persamaan berikut:
𝑇𝐻𝐷𝑣 =
� ∑∞
𝑛=2 �
𝑉1
√2
𝑉𝑛 2
�
√2
…………...………..…….…….. (2.6)
THD arus sebagai berikut:
2
�∑∞
𝑛=2(𝐼𝑟𝑚𝑠 )
𝑇𝐻𝐷𝑖 =
𝐼1 𝑟𝑚𝑠
…...….………….……….…… (2.7)
Universitas Sumatera Utara
Dengan mengabaikan arus dc (I o ) dan nilai I rms digantikan dengan 𝐼𝑛 /√2 pada
Persamaan (2.7), sehingga THD dapat dituliskan dalam persamaan berikut:
𝑇𝐻𝐷𝑖 =
2.4.
�∑∞
𝑛=2 �
𝐼1
√2
𝐼𝑛 2
�
√2
2
�∑∞
𝑛=2(𝐼𝑛 )
=
𝐼1
….……..…….…………...… (2.8)
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 di bawah standar yang diizinkan. Hal ini
berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis, dimana dalam mereduksi
harmonisa secara teknis di bawah 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 61000-3-2. Hal ini
disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan oleh IEEE.
Pada standar IEC 61000-3-2, beban-beban kecil tersebut diklasifikasikan dalam
kelas A, B, C, dan D, dimana masing-masing kelas mempunyai batasan harmonisa
yang berbeda-beda yang dijelaskan sebagai berikut [8,9].
Universitas Sumatera Utara
a.
Kelas A
Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan
penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 Ampere
perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan
dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan
satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasan arus
harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A
Harmonisa ke-n
Arus harmonisa maksimum yang 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
Harmonisa Genap
2
1,08
4
0,43
6
0,30
8≤n≤40
1,84/n
Sumber: IEC 61000-3-2
Universitas Sumatera Utara
b.
Kelas B
Kelas ini meliputi semua peralatan tool portable yang batasan arus
harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat.
Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B
Harmonisa ke-n
Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)
Harmonisa Ganjil
3
3,45
5
1,71
7
1,155
9
0,60
11
0,495
13
0,315
15≤n≤39
3,375/n
Harmonisa Genap
2
1,62
4
0,645
6
0,45
8≤n≤40
2,76/n
Sumber: IEC 61000-3-2
c.
Kelas C
Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan dengan daya input
aktifnya lebih besar 25 Watt.
Universitas Sumatera Utara
Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk persentase arus fundamental.
Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa
diperlihatkan Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C
Harmonisa ke-n
Arus harmonisa maksimum yang diizinkan
(% fundamental)
d.
2
2
3
30xPF rangkaian
5
10
7
7
9
5
11≤n≤39
3
Kelas D
Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya di bawah 600 Watt khususnya
yaitu:
a.
Personal komputer.
b.
Monitor.
c.
TV.
Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk mA/W dan dibatasi pada harga absolut
yang nilainya diperlihatkan Tabel 2.4.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.4. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D [10]
Harmonisa
Arus harmonisa maksimum
Arus harmonisa maksimum
ke-n
yang diizinkan
yang diizinkan
(mA/W)
(A)
75 < P < 600W
P > 600W
3
3,4
2,30
5
1,9
1,14
7
1,0
0,77
9
0,5
0,40
11
0,35
0,33
13
0,296
0,21
15≤n≤39
3,85/n
2,25/n
Sumber: IEC 61000-3-2
Seperti diketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik bekerja dengan
sumber tegangan arus searah sehingga dalam operasinya dibutuhkan peralatan
penyearah dan dihubungkan langsung ke sumber tegangan bolak balik.
Untuk penyearah yang terdistorsi gelombang arusnya cukup tinggi dan banyak
dipakai secara bersamaan dimasukkan dalam kategori kelas D. Sementara untuk
penyearah dengan arus yang terdistorsi dapat dimasukkan ke dalam kategori kelas A.
Tabel 2.5. memperlihatkan batas harmonisa untuk kelas A dan kelas D dan
penyearah dengan daya 100 Watt.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.5. Batas arus harmonisa untuk kelas A dan kelas D [11]
Harmonisa ke-n
Batas klas A (A)
Batas klas D
Batas Klas D untuk
input 100W
(mA/W)
(A)
3
2,30
3,4
0,34
5
1,14
1,9
0,19
7
0,77
1,0
0,10
9
0,40
0.5
0,05
11
0,33
0,35
0,035
13≤n≤39
0,15x15/n
3,85/n
0,386/n
Sumber: IEC 61000-3-2
2.5.
Penyearah Terkendali
Penyearah terkendali merupakan beban tidak linier yang banyak menyumbang
harmonisa pada saluran tenaga listrik. Penyearah terkendali dapat diatur tegangan
keluarannya dengan merubah sudut penyalaan atau trigger pada thyristor. Penyearah
terkendali dapat dibedakan yang dalam 6 (enam) jenis, yakni [12]:
a.
Penyearah terkendali satu fasa semiconverter.
b.
Penyearah terkendali satu fasa full converter.
c.
Penyearah terkendali satu fasa dual converter.
d.
Penyearah terkendali tiga fasa semiconverter.
e.
Penyearah terkendali tiga fasa full converter.
f.
Penyearah terkendali tiga fasa dual converter.
Universitas Sumatera Utara
Banyaknya urutan harmonisa yang dibangkitkan (n) oleh beban penyearah tergantung
pada kelipatan dari frekuensi dasar dengan jumlah pulsa dari penyearah, dapat
dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.9) [13,14].
𝑛=
Dimana:
𝑓𝑛
𝑓1
= 𝑘. 𝑝 ± 1 ……………....……………………………(2.9)
n = urutan harmonisa yang dibangkitkan.
k = kelipatan dari frekuensi dasar = 1, 2, 3, dan seterusnya.
p = jumlah pulsa dari penyearah.
2.5.1.
Penyearah terkendali satu fasa full converter
Penyearah tekendali satu fasa full converter tersusun dari 4 buah thyristor
seperti pada Gambar 2.2 digunakan untuk mensuplai daya listrik pada lilitan jangkar
dimana tegangan lilitan jangkar untuk mengatur kecepatan putar motor arus searah
baik untuk starting maupun running saat kerja pada rangkaian terbuka [12].
is
+
+
vp
vs
-
-
+
1
3
R
v0
4
L
2
+ io= Ia
- -
(a) Rangkaian
Universitas Sumatera Utara
O n T3
vs
vm
T4
0
α
T3 T4
T1 T2
ν= vm Sin ωt
∏
ωt
2∏
∏+α
v0
α
0
Ia
2∏
∏
t
∏+α
io
Arus Beban
0
Ia
0
- Ia
ω
∏
is
α
(b)
2∏
∏+α
2∏
∏
ωt
ωt
Bentuk Gelombang
Gambar 2.2. Full converter satu fasa [12]
Rangkaian full converter satu fasa tampak seperti Gambar 2.2 dengan beban induktif
yang tinggi sehingga arus beban kontinyu dan bebas dari ripple. Tegangan output
dapat ditentukan dari persamaan berikut ini [12].
𝑉𝑑𝑐 =
𝑉𝑑𝑐 =
2
𝜋+𝛼
∫
2𝜋 𝛼
𝑉𝑚
𝜋
𝑉𝑚 sin(𝜔𝑡) 𝑑(𝜔𝑡) =
[cos α + cos 𝛼] =
2𝑉𝑚
𝜋
2𝑉𝑚
2𝜋
[− cos(𝜋 + 𝛼) + cos 𝛼]
[cos α] ……………...….…… (2.10)
Arus input sesaat dapat dinyatakan dalan bentuk deret Fourier seperti:
𝑖𝑠 (𝑡) = 𝑎0 + ∑∞
𝑛=1,2,…(𝐴𝑛 cos 𝑛𝜔𝑡 + 𝐵𝑛 sin 𝑛𝜔𝑡)
Dimana:
𝑎0 =
1
2𝜋+𝛼
∫
2𝜋 𝛼
𝑖𝑠 (𝑡) 𝑑(𝜔𝑡) =
1
2𝜋
𝜋+𝛼
�∫𝛼
2𝜋+𝛼
𝐼𝑎 𝑑(𝜔𝑡) − ∫𝜋+𝛼 𝐼𝑎 𝑑(𝜔𝑡)� =0
Universitas Sumatera Utara
𝑎𝑛 =
1 2𝜋+𝛼
�
𝑖𝑠 (𝑡) cos 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡)
𝜋 𝛼
1
𝜋+𝛼
= �∫𝛼
𝜋
= −
= 0
4𝐼𝑎
(sin 𝑛𝛼)
𝑛𝜋
untuk n = 1, 3, 5, …
untuk n = 2, 4, 6, …
1 2𝜋+𝛼
𝑏𝑛 = �
𝑖𝑠 (𝑡) sin 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡)
𝜋 𝛼
1
𝜋+𝛼
= �∫𝛼
𝜋
=
2𝜋+𝛼
𝐼𝑎 cos 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡) − ∫𝜋+𝛼 𝐼𝑎 cos 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡)�
2𝜋+𝛼
𝐼𝑎 sin 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡) − ∫𝜋+𝛼 𝐼𝑎 sin 𝑛𝜔𝑡 𝑑(𝜔𝑡)�
4𝐼𝑎
(cos 𝑛𝛼)
𝑛𝜋
untuk n = 1, 3, 5, …
= 0
untuk n = 2, 4, 6, …
Karena a 0 = 0, arus input dapat dituliskan sebagai:
∞
Dimana:
𝑖𝑠 (𝑡) = �
𝑛=1,3,5
√2 Isn sin(𝑛𝜔𝑡 + 𝜙𝑛 )
𝜙𝑛 = 𝑡𝑎𝑛−1
𝑎𝑛
𝑏𝑛
= −𝑛𝛼
𝜙𝑛 adalah perubahan sudut dari harmonisa n arus. Nilai rms harmonisa n arus input,
diberikan oleh persamaan:
𝐼𝑠𝑛 =
1
√2
�𝑎𝑛 2 + 𝑏𝑛 2 �
1�
2
=
4 𝐼𝑎
√2𝑛𝜋
=
2√2𝐼𝑎
……..…………..
𝑛𝜋
(2.11)
Nilai rms arus input dapat dihitung dari Persamaan (2.11) sebagai berikut:
1/2
2
𝐼𝑠 = �∑∞
𝑛=1,2,… 𝐼 𝑠𝑛 �
……………………….……(2.12)
Universitas Sumatera Utara
I s juga dapat dihitung secara langsung dari:
1/2
2 𝜋+𝛼 2
𝐼𝑠 = � � 𝐼𝑎 𝑑(𝜔𝑡)�
2𝜋 𝛼
Total Harmonic Distortion:
𝐼𝑠 2
= 𝐼𝑎
1
2
𝑇𝐻𝐷 = �� � − 1� …………..….……………….. (2.13)
𝐼𝑠1
2.6.
Penyearah PWM
Penyearah dioda dan penyearah thyristor yang dikendalikan sudut fasanya
masih banyak digunakan dalam aplikasi tertentu karena faktor kesederhanaan dan
biaya yang rendah, tetapi penyearah jenis ini akan mengurangi kualitas daya pada sisi
ac masukan yang disebabkan adanya kandungan harmonisa yang masih besar serta
faktor daya yang relatif rendah. Teknik modulasi lebar pulsa (PWM = Pulse Width
Modulation) banyak diterapkan pada aplikasi penyearah [15].
Konverter ac-dc yang menggunakan penyearah PWM beroperasi dengan
menjaga frekuensi dijaga konstan dan waktu divariasikan, dengan demikian lebar
pulsa bervariasi [12]. Dengan teknik ini, penyearah akan memiliki distorsi arus
masukan yang rendah, faktor daya yang tinggi, filter masukan relatif lebih kecil.
Penyearah dikontrol dengan cara menggunakan bentuk arus yang diperlukan [16].
PWM akan menarik arus dari sumber hampir mendekati bentuk gelombang sinusoidal.
PWM sangat baik digunakan untuk meningkatkan faktor kerja penyearah dan
Universitas Sumatera Utara
mengurangi harmonisa arus masukan, karena tipe kontrol PWM dapat dinyalakan dan
dimatikan beberapa kali setiap setengah siklus, sehingga dapat meredam harmonisa
pada arus masukan.
Bentuk rangkaian dan prinsip kerja dari penyearah PWM satu fasa seperti yang
tampak pada Gambar 2.3 penyearah PWM full bridge, dimana menggunakan empat
buah switch daya untuk mengontrol tegangan dc (V o ) [17].
Gambar 2.3. Penyearah PWM satu fasa full bridge. (a) Rangkaian penyearah
PWM, rangkaian ekivalen dengan (b) T 1 dan T 4 On, (c) T 2 dan
T 3 On, (d) T 1 dan T 3 atau T 2 dan T 4 On [17]
Penyearah terdiri dari empat buah transistor IGBT dimana bentuknya seperti itu
disebut dengan bentuk full bridge, induktansi diletakkan di sisi input dan kapasitansi
diletakkan di sisi output yang dikontrol oleh PWM. Tegangan sumber berupa V s
Universitas Sumatera Utara
tegangan pada sisi penyearah input berupa V o dengan bentuk gelombang yang
sinusoidal yang dipisahkan oleh induktansi input.
Penyearah ini bekerja dengan cara:
a.
Apabila T 1 dan T 4 dalam keadaan on maka T 2 dan T 3 dalam keadaan off ,
V AFE = V o (Gambar 2.3(b)).
b.
Apabila T 1 dan T 4 dalam keadaan off, maka T 2 dan T 3 dalam keadaan on,
V AFE = -V o (Gambar 2.3(c)).
c.
Apabila T 1 dan T 3 dalam keadaan on, T 2 dan T 4 dalam keadaan off, atau T 1
dan T 3 dalam keadaan off , T 2 dan T 4 dalam keadaan on, V AFE = 0 (Gambar
2.3(d)).
Tujuan untuk mengontrol penyearah yaitu untuk menyerap arus harmonisa dari
sumber jaringan, dimana sefasa dengan sumber tegangan. Hal ini didapatkan dengan
mengontrol penyearah salah satunya dengan cara modulasi lebar pulsa.
Tegangan dan arus dalam kondisi kontrol dapat dilihat seperti pada Gambar
2.4 [18]. Salah satu cara yang bisa dilakukan pada switching transistor seperti yang
tampak pada Gambar 2.4 menggambarkan dua keadaan alternatif, yaitu:
a.
Arus mengalir ke beban (T 1 dan T 4 berkonduksi).
b.
Penyearah input di short circuit (D 1 dan T 3 berkonduksi).
Area hitam menggambarkan konduksi transistor. Area putih menggambarkan elemen
pasif berkonduksi. Transistor diturn off dan arus mengalir melalui dioda.
Universitas Sumatera Utara
U reff
U
Ug(1) m
U r (1)
δ
Ud
Un
Ic
Un (1) m
I d reff
i n ( 1)
T1; D1
T2; D2
T3; D3
T4; D4
Gambar 2.4. Bentuk gelombang tegangan dan arus pada penyearah PWM [18]
2.7.
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 keseluruh jaringan dapat ditekan sekecil
mungkin.
Selain
itu
filter
harmonisa
pada
frekuensi
fundamental
dapat
Universitas Sumatera Utara
mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya
sistem. Banyak sekali cara yang digunakan untuk memperbaiki sistem khususnya
meredam harmonisa yang sudah dikembangkan saat ini. Secara garis besar ada
beberapa cara untuk meredam harmonisa yang ditimbulkan oleh beban tidak linier
yaitu diantaranya:
a.
Penggunaan filter pasif pada tempat yang tepat, terutama pada daerah yang
dekat dengan sumber pembangkit harmonisa sehingga arus harmonisa terjerat
di sumber dan mengurangi peyebaran arusnya.
b.
Penggunaan filter aktif.
c.
Kombinasi filter aktif dan pasif.
d.
Konverter dengan reaktor antar fasa, dan lain-lain.
Disamping sistem di atas dapat bertindak sebagai peredam harmonisa, tetapi juga
dapat memperbaiki faktor daya yang rendah pada sistem. Jika perbaikan faktor daya
langsung dipasang kapasitor terhadap sistem yang mengandung harmonisa, maka akan
menyebabkan amplitudo pada harmonisa tertentu akan membesar.
2.8.
Filter Pasif
Filter pasif dipasang pada sistem dengan tujuan utama untuk meredam
harmonisa dan tujuan lain yaitu untuk memperbaiki faktor daya, berupa komponen L,
C yang dapat ditala untuk satu atau dua frekuensi. Filter dengan penalaan tunggal
ditala pada salah satu orde harmonisa (biasanya pada orde harmonisa rendah).
Universitas Sumatera Utara
Dalam beberapa kasus, reaktor saja tidak akan mampu mengurangi distorsi
harmonisa arus ke tingkat yang diinginkan. Dalam kasus ini sangat diperlukan filter
yang lebih baik [20].
L
C
Gambar 2.5. Filter pasif single tuned [19]
Filter pasif terdiri dari kapasitor dan induktor seperti pada Gambar 2.5 yang dituning
pada frekuensi harmonisa tunggal dan mempunyai impedansi sangat rendah. Jika filter
harmonisa dituning sebagai teknik peredaman harmonisa, maka perlu memberikan
filter ganda untuk memenuhi batas distorsi yang ditentukan. Saat filter harmonisa jenis
shunt dihubungkan dengan sistem daya, mereka menyebabkan pergeseran frekuensi
resonansi alami pada sistem tenaga.
L
L
C
Gambar 2.6. Low pass filter harmonic [20]
Universitas Sumatera Utara
Low pass filter harmonisa pada Gambar 2.6 sebagai penekan luas harmonisa,
menawarkan pendekatan untuk meredam harmonisa. Filter dituning untuk harmonisa
tertentu, filter tersebut menyaring semua frekuensi harmonisa, termasuk harmonisa
ketiga. Filter tersebut terhubung secara seri dengan beban tidak linier dengan
impedansi seri besar tersambung. Tidak perlu dilakukan tuning terhadap low pass
filter. Karena ada impedansi seri yang besar. Sebaliknya mereka dipasok ke drive
melalui kapasitor filter. Untuk alasan ini, sangat mudah untuk memprediksi tingkat
distorsi yang akan dicapai dan untuk menjamin hasilnya. Sebuah low pass filter dapat
dengan mudah menawarkan tingkat harmonisa arus serendah 8% sampai 12% [20].
2.9.
Filter LCL
Filter LCL adalah filter pasif yang terdiri dari komponen-komponen pasif R,
L dan C, seperti pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7. Filter LCL [1]
Dari Gambar 2.7 tampak bahwa sebuah filter LCL terbuat dari resistor (R) dan
induktor (L) pada sisi penyearah, resistor (R f ) dan induktor (L f ) pada sisi jaringan, dan
kapasitor C f (teredam dengan resistor R d ).
Universitas Sumatera Utara
Filter LCL dapat mereduksi harmonisa arus karena arus harmonisa akan
mengalir pada reaktansi yang lebih rendah. Dengan pemasangan C, arus dengan
frekuensi tinggi akan mengalir melalui kapasitor karena kapasitor memiliki impedansi
yang rendah pada frekuensi tinggi. Agar tegangan beban bebas harmonisa, dipasang
filter C yang paralel dengan beban. Dengan menggunakan filter C ini semua riak arus
dengan frekuensi tinggi akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban. Filter L
biasanya dipasang secara seri terhadap beban. Dengan menggunakan filter L, arus
yang mengalir melalui L akan sulit berubah berbanding lurus dengan besarnya L.
Filter LCL diletakkan antara jaringan dan beban, seperti pada Gambar 2.8. [1].
Gambar 2.8. Rangkaian Filter LCL pada Penyearah Terkendali Satu Fasa [1]
Filter LCL bertujuan untuk mengurangi harmonisa orde tinggi pada sisi
jaringan, tetapi desain filter yang buruk dapat menyebabkan redaman yang lebih
rendah dibandingkan dengan apa yang diharapkan. Penyearah arus harmonisa dapat
menyebabkan kejenuhan induktor atau resonansi filter. Oleh karena itu, induktor harus
benar dirancang dengan mempertimbangkan arus ripple, dan filter harus teredam
Universitas Sumatera Utara
untuk menghindari resonansi. Namun, tingkat redaman dibatasi oleh biaya, nilai dari
induktor, kerugian dari kinerja filter [1].
Prosedur untuk memilih filter LCL menggunakan parameter seperti daya dari
penyearah aktif, frekuensi jaringan dan frekuensi switching sebagai input. Nilai filter
diperoleh sebagai persentase dari nilai dasar, yang diberikan dengan:
Zb =
𝐿𝑏 =
Cb =
Dimana:
En 2
Pn
……………………….………………… (2.18)
𝑍𝑏
……………………..…….……………. (2.19)
1
...………………..….………………….. (2.20)
𝜔𝑛
ωn Zb
Z b : Impendansi dasar (Ω)
L b : Induktansi dasar (H)
C b : Kapasitansi dasar (F)
E n : Tegangan rms (V)
P n : Daya aktif yang diserap oleh penyearah (Watt)
ω n : Frekuensi jaringan (Hz)
Harmonisa tegangan pada sisi penyearah aktif v(h sw ) ≠ 0 dan harmonisa tegangan pada
sisi jaringan v g (h sw ) = 0. Rangkaian ekivalen filter LCL untuk h harmonisa dapat
dilihat seperti Gambar 2.9 dengan mengabaikan R, R g dan R d (Gambar 2.8). i(h) dam
v(h) menunjukkan harmonisa arus dan harmonisa tegangan, sementara h sw adalah orde
harmonisa [1].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.9. Ekivalen filter LCL satu fasa pada harmonisa h [1]
Redaman riak dari sisi converter hingga sisi sumber, dapat dihitung dengan langkah:
ig (hSW )
v(hSW )
i(hSW )
v(hSW )
ig (hSW )
i(hSW )
Dimana:
z 2 LC =
ω2 res =
1
Lg Cf
≈
=
z2 LC
……………….……….……(2.21)
ωSW L.|ω2 res −ω2 SW |
1
ωSW L
|ω2
.…………………………………….…. (2.22)
z2 LC
2
res −ω SW |
………………………………..... (2.23)
,
LT z2 LC
L
=
, dengan LT = L + Lg
ω2 sw = (2πfsw )2
fsw
= frekuensi switching
ωn
= Frekuensi jaringan (Hz)
hsw
= orde frekuensi harmonisa =
ωsw
ωn
Universitas Sumatera Utara
2.10.
Rancangan filter LCL
Filter LCL akan dirancang dengan langkah-langkah sebagai berikut [1]:
a.
Pilih daya reaktif yang diserap pada kondisi rata-rata, ambil x sebagai
persentase penyerapan daya reaktif di bawah kondisi rata-rata, tidak boleh
melebihi 5%. Dengan demikian besar kapasitor pada filter dapat dihitung
dengan Persamaan (2.24).
b.
Cf = xCb
………….……………………(2.24)
Pilih arus ripple untuk dapat menghitung induktansi sisi konverter (L) dengan
menggunakan Persamaan (2.22).
c.
Pilih reduksi arus ripple yang diinginkan. Dengan mengetahui nilai x, reduksi
arus ripple dapat dihitung dengan dengan Persamaan (2.25).
ig (hSW )
i(hSW )
d.
1
=
|1+r(1−a.x)|
………………..….………..(2.25)
Dimana 𝑎 = LC b ω sw 2 sebagai konstanta.
Dengan mengetahui induktansi sisi konverter (L), maka induktansi sisi
jaringan (L g ) dihitung menggunakan indeks r, hubungan dua induktansi:
e.
𝐿𝑔 = 𝑟𝐿 …………………………………….…….. (2.26)
Uji frekuensi resonansi yang diperoleh dengan cara:
ωres = �
L+Lg
L.Lg. Cf
…………...……………………… (2.27)
Nilai frekuensi resonansi harus lebih besar sepuluh kali lipat dari frekuensi jaringan
dan lebih dari setengah kali frekuensi switching.
Universitas Sumatera Utara