Rancang Bangun Filter Aktif 3 Fasa Untuk Mereduksi Harmonisa

1
Rancang Bangun Filter Aktif 3 Fasa
Untuk Mereduksi Harmonisa
Yang Timbul Pada Rectifier 3 Fasa
Eko Darmanto1, Hendik Eko H. S.2 , Renny Rakhmawati2
1)
Mahasiswa D4 LJ Jurusan Teknik Elektro Industri
²) Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS
Kampus ITS Sukolilo,Surabaya 60111
Email: [email protected]
Abstrak
Penggunaan beban non linier semakin banyak digunakan di industri atau rumah tangga. Pemakaian
beban non linier seperti konverter daya menyebabkan timbulnya harmonisa pada sistem. Harmonisa dapat
menyebabkan bentuk gelombang menjadi tidak sinusoidal terutama pada gelombang arus sumber. Kandungan
harmonisa yang melebihi batas dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan listrik. Untuk memperbaiki
kualitas daya dan meminimalisir harmonisa diperlukan filter harmonisa, diantara filter harmonisa tersebut,
salah satunya filter daya aktif parallel yaitu metode yang di teliti pada proyek akhir ini dimana fungsi filter daya
aktif parallel adalah mampu mereduksi kadar harmonisa. Pada proyek akhir ini beban non liniernya adalah
rectifier 3 phasa sedangkan metode yang digunakan adalah SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation) untuk
pengaturan penyulutan inverter 3 phasa. Filter ini akan menginjeksikan komponen arus harmonisa dengan nilai
lawannya sehingga bentuk gelombang kembali menjadi sinus. Hasil rancangan filter ini untuk meredam
harmonisa sehingga dapat memperbaiki kualitas daya akibat beban non linier. Dari hasil yang telah dilakukan
besar kandungan harmonisa mulai dari harmonisa kelipatan ke-5 (250 Hz), ke-7 (350 Hz), ke-11 (550 Hz), ke13 (650 Hz), ke-17 (850 Hz) sebelum diberikan arus injeksi THD (Total Harmonic Distorsion) pada sisi
masukan sebesar 182,126%, setelah defilter menjadi 35.14% pada fasa R, 177% setelah defilter menjadi
28.88% pada fasa S dan 174% setelah defiler menjadi 36.69 % pada fasa T.
Kata Kunci : Harmonisa, Filter Daya Aktif Paralel, SPWM (Sinusoide Pulse Width Modulation )
1. Pendahuluan
Kualitas daya yang baik pada suatu
sistem tenaga listrik adalah suatu hal yang sangat
penting. Kualitas daya dipengaruhi oleh jenis
beban dalam sistem yaitu berupa bentuk
sinusoidal murni. Hal ini terjadi jika sumber
tegangan sinusoidal menyuplai beban linier.
Beban linier mencakupi resistor dan induktor.
Permasalahan utama dalam kualitas daya
adalah munculnya harmonisa yang ditimbulkan
oleh beban-beban non linier. Munculnya
kandungan
harmonisa
tersebut
dapat
menyebabkan dampak negatif terhadap peralatanperalatan lain yang terpasang pada sistem, yaitu
kondisi peralatan menjadi cepat panas akibat
menerima frekwensi tinggi yang lebih dibanding
fundamental. Kondisi tersebut harus segera diatasi
agar tidak menjadi masalah serius. Usaha-usaha
untuk mengurangi harmonisa dampak pemakaian
beban non linier telah banyak dilakukan. Cara
sederhana yang sering dilakukan adalah dengan
memasang filter pasif secara paralel dengan beban
non linier. Filter pasif ini dapat terdiri dari
komponen induktor dan kapasitor yang dipasang
pada frekuensi resonansi tertentu, sehingga dapat
mereduksi harmonisa. Fiter pasif ini bekerja pada
frekuensi harmonisa, Oleh karena itu untuk
mengurangi harmonisa dengan menggunakan
filter pasif, data yang perlu diketahui adalah
frekwensi yang muncul dan besar magnitudonya.
Saat ini, usaha perbaikan kualitas daya
lebih banyak dikembangkan dengan implementasi
filter daya aktif seiring dengan kemajuan dalam
teknologi bahan semikonduktor. Dengan filter
daya aktif ini komponen harmonisa pada sistem
akan direduksi melalui injeksi komponen
harmonisa dengan fasa berlawanan dan amplitudo
sama. Ada banyak metode yang dikembangkan
untuk merancang filter daya aktif paralel. Salah
satu metode untuk merancang filter daya aktif
paralel yaitu dengan metode SPWM (Sinusoide
Pulse Width Modulation). Metode ini sudah
terbukti dapat mereduksi harmonisa, tetapi
membutuhkan frekuesi tinggi untuk pengaturan
switching. Oleh karena itu digunakan inverter 3
fasa untuk switching frequency tinggi. Metode ini
juga dapat menurunkan nilai THD (Total
Harmonic
Distortion)
sistem
sehingga
memperbaiki kualitas daya sistem.
Pada proyek akhir ini akan diuraikan
tentang implementasi filter daya aktif paralel
menggunakan metode injeksi arus harmonisa
dengan inverter 3 fasa untuk kompensasi
harmonisa sebagai usaha untuk memperbaiki
kualitas daya. Untuk mendukung proyek akhir ini
2
maka akan dilakukan simulasi dan percobaan
laboratorium.
AC Source
Is
IL
Non Linier
Load
Lf
2. Konfigurasi Sistem
2.1. Harmonisa
Harmonisa adalah deretan gelombang arus
atau tegangan yang frekuensinya merupakan
kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasar
tegangan atau arus itu sendiri. Bilangan bulat
pengali pada frekuensi harmonisa adalah orde (n)
dari harmonisa tersebut. Sebagai contoh, frekuensi
dasar dari sistem kelistrikan di Indonesia adalah
50 Hz maka harmonisa kedua adalah 2 x 50 Hz (100
Hz), ketiga adalah 3 x 50 Hz (150 Hz), dan seterusnya
hingga harmonisa ke n yang memiliki frekuensi n x 50
Hz.
Cacat gelombang yang disebabkan oleh
interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem
dengan komponen gelombang lain lebih dikenal
dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain
yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari
komponen fundamentalnya
If
+
Cf
VSI
Gambar 2. Blok Diagram Filter Daya Aktif Paralel
Filter daya aktif parallel bertindak sebagai
sumber arus, mengkompensasi arus harmonisa yang
diakibatkan beban non linier. Prinsip dasar filter daya
aktif parallel adalah menginjeksi arus kompensasi
yang sama dengan arus terdistorsi atau arus
harmonisa, sehingga arus yang asli terdistorsi dapat
dieliminasi. Untuk menghasilkan arus kompensasi
sebagai komponen yang akan diinjeksikan untuk
mengeliminasi arus harmonisa, digunakan saklar VSI
untuk menghasilkan atau membentuk gelombang arus
kompensasi (If) yaitu dengan mengukur arus beban
(IL) dan menguranginya dari referensi sinusoidal.
Tujuan filter daya aktif parallel adalah untuk
menghasilkan arus sumber sinusoidal menggunakan
persamaan I s  I L  I f . Jika arus beban non linier
dapat ditulis sebagai penjumlahan dari komponen arus
fundamental I Lh dan arus harmonisa I Lf , seperti
pada persamaan berikut ini
I L  I Lf  I Lh
(2)
Gambar 1. Bentuk gelombang arus terdistorsi
Gambar gelombang arus diatas menjadi tidak
sinusoidal lagi dikarenakan terjadi distorsi pada
bentuk gelombang arus akibat pemakaian konverter 6
pulsa.
Besar total gangguan dari harmonisa pada
suatu sistem tenaga listrik dinyatakan dengan Total
Harmonic Distortion (THD), yang didefinisikan
sebagai berikut:
I THD 

I n2
 2 100%
n  2 , 3, 4... I 1
(1)
Keterangan :
ITHD = Nilai THD arus(dalam persen)
I1
= Arus Fundamental
In
= Arus frekuensi ke-n
2.2. Filter Daya Aktif Paralel
Filter daya aktif parallel terdiri dari sumber
tegangan atau arus terkontrol. VSI (Voltage Source
Inverter) filter daya aktif parallel merupakan tipe yang
paling banyak digunakan karena merupakan topologi
yang terkenal dan memiliki prosedur instalasi yang
tidak sulit. Gambar berikut ini menunjukkan prinsip
konfigurasi dari filter daya aktif parallel dengan VSI,
terdiri dari Kapasitor sebagai terminal DC (Cf), switch
elektronika daya, dan inductor (Lf) sebagai komponen
interfacing.
Maka arus kompensasi yang diinjeksikan oleh filter
daya aktif parallel adalah
I f  I Lh
(3)
Sehingga arus sumber sama dengan
I s  I L  I f  ( I Lf  I Lh )  I Lh  I Lf
(4)
3. Konfigurasi Sistem
Pada system ini beban non linier yang
digunakan adalah rectifier 3 fasa. Rectifier 3 fasa yang
menyebabkan gelombang arus sumber menjadi tidak
sinus lagi. Gambar 3 merupakan blok diagram system
keseluruhan proyek akhir ini,
Gambar 3. Blok Diagram Sistem
3
Kerja dari inverter sebagai filter daya aktif
adalah dengan membangkitkan gelombang harmonisa
sistem. Gelombang harmonisa dari sistem menjadi
referensi dari inverter ini. Dengan harapan rangkaian
invereter dapat membangkitkan gelombang yang sama
bentuk dan amplitudonya dengan gelombang
harmonisa sistem. Keluaran dari inverter akan
diinjeksikan ke sistem sebagai kompensasi harmonisa.
Sistem berawal dari sensor arus yang
berfungsi untuk untuk mengetahui bagaimana bentuk
gelombang arus sumber yang mengalir ke beban non
linier. Gelombang keluaran sensor arus akan mejadi
referensi, tetapi harus difilter terlebih dahulu agar
menjadi gelombang harmonisa saja tanpa fudamental.
Untuk mendapatkan komponen harmonisa atau
gelombang referensi, maka harus mengurangkan arus
beban sistem(arus terdistorsi) dengan komponen
fundamental. Setelah itu didapatkan gelombang
harmonisa yang menjadi referensi inverter.
Gelombang harmonisa sstem ini akan dikomparasikan
dengan gelombang segitiga hasil triangle generator.
Keluaran dari komparator antara gelombang
harmonisa dan segitiga digunakan sebagai PWM
untuk penyulutan inverter, kemudian keluaran inverter
akan diinjeksikan sebagai kompensasi harmonisa.
3.1 Sensor Gelombang Arus
Rangkaian penyensor arus digunakan untuk
menyensor arus sumber sistem untuk mengetahui
bagaimana bentuk gelombang arusnya ketika dibebani
oleh lampu hemat energi sebagai beban non linier.
Rangkaian penyensor arus yang digunakan cukup
sederhana yaitu dengan menggunakan transformator
yang sisi primernya dilewatkan pada fasa dan pada sisi
sekundernya dibebani beban resistor sehingga
didapatkan nilai dan gelombang arusnya.
Sensor
gelombang arus
merupakan jenis inverting
menggunakan IC TL072CN.
amplifier
dengan
Gambar 5.. Rangkaian Penguat (Op Amp) Inverting Amplifier
 R2  R f 
  Vin
Vout   
R1 

 100  10k 
Vout   
  Vin
10k 

Vout
 1.01
Vin
(5)
3.3. Rangkaian Summing Amplifier
Rangkaian summing aplifier ini berfungsi
untuk mendapatkan gelombang harmonisa sebagai
referensi yaitu dengan cara mengurangkan komponen
sinusoidal dan komponen arus yang terdistorsi akibat
beban non linier. Komponen sinusoidal dan komponen
arus yang terdistorsi memiliki magnitude yang sama,
hal ini dimaksudkan agar dihasilkan bentuk
gelombang yang sesuai dan dapat diinjeksikan untuk
kompensasi harmonisa. Rangkaian suming amplifier
ini menggunakan IC TL 072 CN.
Persamaan
yang
dikehendaki
untuk
komponen sinusoidal dan komponen arus yang
terdistorsi adalah
 Rf
Rf 
Vout   V1  V2 
(6)
R2 
 R1
R1  R2  R f , maka
Vout  V1  V2
Gambar 6. Rangkaian Summing Amplifier
Gambar 4. Rangkaian Penyensor Arus
3.2 Rangkaian Inverting Amplifier
Rangkaian op amp ini didesain sebagai
penguat tegangan membalik dengan nilai penguatan
yang bervariasi karena rangkaian ini dimaksudkan
agar dapat diatur besar kecil magnitude tegangan sinus
yang akan dikurangkan dengan keluaran dari
rangkaian penyensor arus. Magnitude gelombang
tegangan sinus harus menyesuaikan dengan magnitude
gelombang arus beban dari rangkaian penyensor arus.
Pada rangkaian ini juga digunakan untuk
membalikkan fasa tegangan sinus agar berbeda fasa
1800 dengan arus beban. Rangkaian op amp ini
3.4. Single Phase Full Bridge Inverter
Untuk
mengimplementasikan
metode
inverter tiga fasa dapat menggunakan inverter full
brigde 3 fasa. Inverter 3 fasa digunakan untuk
penerapan daya tinggi. Keluaran 3 fasa didapat
dari sebuah konfigurasi dari enam transistor dan
enam buah dioda, seperti yang terlihat pada
Gambar 2.1.
4
4. Hasil Pengujian Sistem
Pada pengujian sistem rangkaian perblok
kemudian pengujian integrasi system secara
keseluruhan.
Gambar 3.4.1. Rangkaian Inverter 3 fasa
Ada enam mode kerja dalam satu siklus dan
lama masing-masing mode adalah 60o. Pada
proses penyulutan dengan mode konduksi
penyalaan, yaitu mode konduksi 120o.
Mode konduksi 120 o3
Transistor diberi nomor dalam urutan
penyalaan transistor yaitu 12, 23, 34, 45, 56 dan
61. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 yang
disertai dengan bentuk gelombang tegangan dan
arus keluaran inverter.
4.1 Rangkaian Penyensor Arus
Pengujian ini untuk mengetahui bentuk
gelombang arus sumber. Dalam kasus ini beban yang
digunakan adalah beban non linier yaitu penyearah
gelombang penuh satu fasa(konverter 4 pulsa). Beban
ini yang nantinya akan menjadi beban untuk proyek
akhir ini.
Gambar 4.1.1.Gelombang Arus Sumber yang Terdistorsi
4.2 Pengujian Rangkaian Inverting Amplifier
Rangkaian ini berfungsi sebagai pengatur
besar magnitude dari gelombang sinus. Untuk
dapat mengatur besar kecilnya magnitude
gelombang sinus menggunakan potensio yang
difungsikan sebagai Rf. Gambar 4.8 merupakan
gambar hardware dari rangkaian inverting
amplifier.
Gambar 3.4.2 mode konduksi 1200 keenam mosfet
3.5. Injeksi Arus Harmonisa
Penginjeksian arus kompensasi pada filter
daya aktif parallel dengan menggunakan induktor.
Pemasangan induktor diparalel dengan beban.
Gambar 4.2.1. Gelombang Sinus Keluaran Inverting
Amplifier
(Volt/div=5V ; Time/div=5ms)
LINE
3 PHASE
Besar magnitude gelombang sinus pada
gambar 4.2.1 harus disamakan dengan gelombang
keluaran penyensor arus. Hal ini dimaksudkan agar
kedua gelombang tersebut dapat dikurangkan.
3 PHASE
INVERTER
Gambar 3.5.1. Penginjeksian arus
4.3.
Pengujian Rangkaian Summing Amplifier
Rangkaian summing amplifier ini
berfungsi untuk mendapatkan gelombang referensi
(harmonisa( – f1)) yaitu dengan cara
mengurangkan
komponen
sinusoidal
dan
komponen arus yang terdistorsi akibat beban non
5
linier keluaran dari penyensor arus. Gambar 4.13
merupakan gambar input dari rangkaian summing
amplifier.
Gambar 4.4.1. Gelombang segitiga yang dibangkitkan
(Volt/div=5V ; Time/div=5ms)
4.5.
Gambar 4.3.1. Gelombang Sinus Keluaran Inverting
Amplifier
(Volt/div=5V ; Time/div=5ms)
Pada rangkaian summing amplifier, pada
sisi inverting input mendapat masukan dari V1 dan
V2. Untuk V1 merupakan gelombang sinus,
sedangkan V2 adalah gelombang arus sumber yang
terdistorsi. Dari perhitungan dibawah ini
didapatkan persamaan matematisnya.
 Rf
Rf 
Vout   V1  V2 
R2 
 R1
R1  R2  R f , maka
Pengujian Rangkaian Komparator
Rangkaian comparator ini berfungsi sebagai
PWM yaitu untuk membandingkan gelombang
keluaran dari summing amplifier sebagai referensi
PWM dengan gelombang dari pembangkit
segitiga. Rangkaian komparator ini menggunakan
Op Amp dengan IC TL072CN. Keluaran dari
komparator selanjutnya akan menjadi masukan
optocoupler sebagai driver untuk inverter.
(4.1)
Vout  V1  V2
(a)
(b)
Gambar 4.5.1. (a) Perbandingan antara gelombang
segitiga dan gelombang arus.(b)Gelombang keluaran dari
komparator
(Volt/div=5V ; Time/div=5ms)
Gambar 4.3.2. Gelombang Keluaran Summing Amplifier
(Volt/div=5V ; Time/div=5ms)
4.4.
Pengujian
Rangkaian
Pembangkit
Gelombang Segitiga
Gelombang segitiga yang dibangkitkan
oleh triangle generator akan dibandingkan dengan
gelombang harmonisa/referensi PWM keluaran
dari summing amplifier. Gambar 4.12 merupakan
gambar hardware dari rangkaian pembangkit
gelombang segitiga.
Pada rangkaian pembangkit gelombang
sinus dapat diatur besar magnitude dan
frekuensinya. Magnitude sinus diatur sesuai
gelombang referensi keluaran summing amplifier
yang nantinya akan dibandingkan dengan
gelombang sinus yang dibangkitkan.
4.6. Pengujian Integrasi Sistem
Pada pengujian ini merupakan penggabungan
sistem keseluruhan. Pengujian ini untuk mengetahui
unjuk kerja dari filter daya aktif parallel menggunakan
metode PWM dalam memperbaiki kualitas daya
dengan mengkompensasi harmonisa. Gambar 4.6.1
merupakan blok rangkaian system secara keseluruhan
yang diintegrasikan.
6
3.
harmonisa yang diakibatkan oleh beban nonlinier.
Kompensasi
arus
dilakukan
akan
mengakibatkan besarnya arus pada sisi
masukkan
menjadi
semakin
besar
dikarenakan oleh injeksi arus yang dilakukan
oleh inverter yang juga menghasilkan arus
kompensasi.
5.2. Saran
Gambar 12. Blok Rangkaian Sistem
Gambar 4.6.1.Blok rangkaian sistem secara keseluruhan
Untuk hasil pengujian dari unjuk kerja filter
ditunjukkan pada gambar 13
(a)
(b)
(c)
Gambar 13. Gelombang unjuk kerja filter daya aktif parallel
(a). Gelombang arus sumber sebelum difilter( I L)
(b). Gelombang harmonisa yang menjadi referensi ( If )
(c). Driver switching untuk inverter 3 fasa
5. Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan hasil proses perencanaan,
pembuatan dan pengujian alat serta dari data yang
didapat dari perencanaan dan pembuatan filter
daya aktif paralel sebagai cara untuk memperbaiki
kualitas daya dengan mereduksi harmonisa arus,
maka dapat disimpulkan:
1. Setelah
dilakukan
kompensasi
arus
harmonisa pada sistem, gelombang arus
mengalami perbaikan gelombang yang
semula cacat menjadi bentuk sinusoidal
kembali.
2. Filter Daya aktif Paralel dengan metode
SPWM ini mampu mengurangi kadar
Dalam pengerjaan dan penyelesaian
proyek akhir ini tentu tidak lepas dari berbagai
macam kekurangan dan kelemahan, baik itu pada
sistem maupun pada peralatan yang telah dibuat.
Untuk memperbaiki kekurangan-kekurangan dari
peralatan, maka perlu melakukan hal-hal sebagai
berikut:
1. Diharapkan nantinya lanjut alat ini dapat
dikembangkan menjadi filter daya aktif
dengan kemampuan penyesor arus agar
lebih presisi dalam mengurangi arus
harmonisa sumber.
2. Dalam penelitian yang lebih lanjut,
diharapkan alat ini memiliki kontrol
otomatis
dalam
menghasilkan
arus
kompensasi sehingga hasil yang didapat
bisa lebih maksimal
6. Daftar Pustaka
[1] Rudnick, H., J. Dixon, dan L. Morán,“
Delivering Clean and Pure Power (Active power
filters as a solution to power quality problems in
distribution networks)”. IEEE power & energy
magazine , September-Oktober 2003
[2] Rashid, Muhammad H, 2001. ”Power
Electronics Handbook”. Canada. ACADEMIC
PRESS
[3] Salam, Zaenal., T.P. Cheng, dan A.
Jusoh,”Harmonic Mitigation Using Active Power
Filter”. A Technological Review. Electrica, 2006.
8(2): p.10.
[4] Yi Pei, Lim dan Naziha Ahmad Azli,
“Comparison Of Inverters’ Performance As Active
Power Filters With Unified Constant Frequency
Integration Control”. Jurnal Teknologi, Universiti
Teknologi Malaysia, 46(D) Juni 2007: 121-134.
[5] Arrilaga J, Power System Harmonic, fourth
edition 1994.