analisis harmonisa yang dihasilkan cycloconverter dengan berbagai

ANALISIS HARMONISA YANG DIHASILKAN
CYCLOCONVERTER DENGAN BERBAGAI
PARAMETER
Prof. Dr. Ir. Iwa Garniwa M.K., MT., Fikri Umar Bajuber
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia,
Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia
email: [email protected]
ABSTRAK
Perbedaan bentuk daya suplai dan bentuk daya yang dibutuhkan beban, menyebabkan diperlukannya konverter, salah satunya
adalah cycloconverter. Cycloconverter adalah alat yang dapat digunakan untuk mengubah tegangan AC dengan frekuensi tertentu
menjadi tegangan AC dengan frekuensi yang lain. Penggunaan cycloconverter akan menghasilkan harmonisa pada sisi input dan
output. Frekuensi tempat terjadinya harmonisa ini tidak hanya berada pada frekuensi kelipatan integer dari frekuensi fundamental,
tetapi juga pada frekuensi lain. Frekuensi harmonisa yang dihasilkan cycloconverter ini dapat dimodelkan, salah satunya
menggunakan software MATLAB.
Pada skripsi ini dilakukan beberapa variasi untuk meneliti pengaruhnya terhadap harmonisa cycloconverter. Variasi tersebut yaitu
frekuensi output, frekuensi input, besarnya beban, dan tegangan sistem. Keberadaan harmonisa pada sistem tidak diinginkan, oleh
karena itu dilakukan upaya untuk mengurangi besarnya harmonisa pada suatu sistem. Untuk cycloconverter ini, pengurangan
harmonisa dapat dilakukan dengan penggunaan filter pasif. Pada skripsi ini didesain filter untuk meminimalisasi harmonisa
cycloconverter. Filter yang digunakan adalah tiga buah 3-phase harmonic filter yang dituning pada tiga orde harmonisa yang paling
dominan, yaitu orde 1,7; 2,3; dan 3.
Didapatkan hasil bahwa semakin kecil frekuensi output, maka harmonisa cycloconverter semakin besar. Harmonisa cycloconverter
lebih besar pada sistem 60 Hz daripada sistem 50 Hz. Variasi besarnya beban serta tegangan sistem tidak terlalu mempengaruhi
besarnya harmonisa yang dihasilkan cycloconverter. Hasil ini berlaku untuk cycloconverter saat tidak maupun menggunakan 3phase harmonic filter.
Penggunaan 3-phase harmonic filter dapat mereduksi harmonisa cycloconverter sehingga memenuhi Standar IEEE 519-1992.
Kata kunci:
Cycloconverter, harmonisa, variasi parameter, filter pasif, 3-phase harmonic filter, MATLAB
I. PENDAHULUAN
Pada masa sekarang ini, tenaga listrik sangat dibutuhkan oleh manusia untuk menjalankan aktivisanya sehari-hari.
Manusia memanfaatkan energi listrik untuk kebutuhan rumah tangga, fasilitas umum, dan juga untuk perindustrian.
Dalam aplikasi industri, agar sistem yang memanfaatkan listrik dapat berfungsi, maka daya listrik harus dikirim dari
sumber ke beban. Ada beberapa hal yang memicu timbulnya permasalahan pada sistem tenaga listrik, salah satunya yaitu
berbeda-bedanya bentuk daya listrik yang ada dan daya yang berbeda-beda itu digunakan secara bersamaan. Perbedaan yang
paling mendasar adalah adanya dua bentuk daya listrik yang digunakan, yaitu arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC) yang
banyak dimanfaatkan tergantung bentuk, besaran dan atau frekuensi yang diperlukan.
Karena bentuk daya listrik yang berbeda-beda, bisa saja permintaan dari beban berbeda dengan yang disuplai oleh
sumber. Maka dari itu diperlukan konversi untuk mengubah bentuk daya listrik dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Salah satu
alat yang bisa digunakan untuk melakukan konversi ini yaitu peralatan elektronika daya.
1 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia Ada empat konversi yang berbeda antara sumber listrik ac dan dc. Konversi ini dilakukan oleh sirkuit yang disebut
konverter daya. Koverter diklasifikasikan sebagai berikut:
•
•
•
•
Rectifier: dari satu fasa atau tiga fasa ac ke dc tegangan variabel.
Chopper: dari dc ke dc tegangan variabel.
Inverter: dari dc ke besaran variabel dan frekuensi variabel, satu fasa atau tiga fasa ac.
Cycloconverter: dari satu fasa atau tiga fasa ac ke besaran variabel dan frekuensi variabel, satu fasa atau tiga fasa
ac.
Cycloconverter digunakan untuk kontrol motor induksi atau motor sinkron berdaya besar. Cycloconverter biasanya
phase-controlled dan menggunakan thyristor karena kemudahan komutasinya.
Pada prakteknya, penggunaan alat-alat elektronika daya menghasilkan harmonisa. Harmonisa adalah gangguan pada
sistem tenaga listrik yang disebabkan oleh beban nonlinier. Harmonisa yang dihasilkan oleh beban nonlinier akan mengubah
bentuk gelombang arus dan tegangan. Seharusnya bentuk gelombang tegangan dan arus adalah sinusoidal murni, tetapi dengan
adanya harmonisa ini, bentuk gelombang arus dan tegangan tidak lagi berbentuk sinusoidal murni. Harmonisa ini menyebabkan
banyak kerugian pada sistem tenaga listrik, yaitu menyebabkan semakin besarnya rugi-rugi pada sistem.
II. DASAR CYCLOCONVERTER DAN HARMONISA
Cycloconverter adalah rangkaian elektronika daya yang berfungsi untuk mengubah masukan gelombang AC dengan
frekuensi tertentu menjadi keluaran gelombang AC dengan frekuensi yang berbeda.
Harmonisa adalah gelombang tegangan atau arus listrik yang timbul pada sistem AC akibat penggunaan beban nonlinier.
Gelombang ini memiliki frekuensi yang besarnya kelipatan integer dari frekuensi dasar atau frekuensi fundamental sistem.
Gambar 1 Distorsi arus yang disebabkan baban nonlinier [2]
III. STANDAR HARMONISA DAN FILTER PASIF UNTUK MENGATASI EFEK HARMONISA
Arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban nonlinier dapat berinteraksi secara kurang baik dengan utilitas sistem suplai.
Interaksi ini seringkali menaikkan distorsi harmonik tegangan dan arus. Oleh karena itu, untuk membatasi distorsi harmonik
tegangan dan arus, ada Standar IEEE 519-1992. Standar ini untuk membatasi injeksi arus harmonisa dari beban sehingga level
harmonik tegangan pada sistem secara keseluruhan dapat diterima. Tabel di bawah ini merupakan tabel Standar IEEE 519-1992.
TABEL 1
STANDAR IEEE 519-1992 [2]
3 phase harmonic filter adalah elemen shunt yang digunakan pada sistem tenaga listrik untuk mengurangi distorsi
gelombang tegangan dan juga koreksi faktor daya.
2 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA
A. Pengaruh Variasi Parameter terhadap Harmonisa Cycloconverter
Di bawah ini merupakan rangkaian cycloconverter tanpa filter
Gambar 2 Rangkaian simulasi cycloconverter tanpa filter
Untuk meneliti pengaruh suatu parameter terhadap harmonisa cycloconverter, maka dilakukan variasi beberapa
parameter (frekuensi output, frekuensi input, besar beban, dan tegangan sistem). Setelah itu diteliti harmonisa yang dihasilkan
cycloconverter, apakah terpengaruh oleh variasi parameter tersebut. Di bawah ini dapat dilihat pengaruh frekuensi output
(kecepatan motor) terhadap harmonisa yang dihasilkan cycloconverter, yaitu untuk kecepatan motor yang lebih kecil,
harmonisanya akan semakin besar.
THD arus sumber
Saat kecepatan motor 580rpm adalah 26,49%
Saat kecepatan motor 480rpm adalah 74,88%
THD tegangan sumber
Saat kecepatan motor 580rpm adalah 18,12%
Saat kecepatan motor 480rpm adalah 2,32%
THD arus beban
Saat kecepatan motor 580rpm adalah 20,84%
Saat kecepatan motor 480rpm adalah 66,24%
THD tegangan beban
Saat kecepatan motor 580rpm adalah 22,36%
Saat kecepatan motor 480rpm adalah 72,80%
Percobaan yang sama dilakukan untuk parameter yang lain, yaitu frekuensi input, besar beban, dan tegangan sistem.
Variasi frekuensi input yang digunakan yaitu 50 Hz dan 60 Hz. Variasi beban motor yang digunakan yaitu 1 HP, 5 HP, dan 10
HP. Variasi tegangan sistem yang digunakan adalah 220 V, 400 V, dan 600 V.
Setelah itu didesain filter untuk meminimalisasi harmonisa cycloconverter. Kemudian dilakukan variasi frekuensi output,
frekuensi input, besar beban, dan tegangan beban, dan diteliti pengaruhnya terhadap harmonisa cycloconverter.
3 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia B. 3-phase Harmonic Filter untuk Meminimalisasi Harmonisa Cycloconverter
Dengan menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) Tool pada simulink, didapatkan spektrum harmonisa seperti
gambar di bawah ini. Orde 1,7; 2,3; dan 3 merupakan tiga orde yang paling dominan.
Gambar 3 Harmonisa tegangan sumber sebelum menggunakan filter
THD yang dihasilkan cycloconverter cukup besar sehingga menimbulkan distorsi pada arus dan tegangan. Bentuk
gelombang arus dan tegangan yang terdistorsi tersebut adalah sebagai berikut:
Gambar 4 Bentuk gelombang arus sumber sebelum menggunakan filter
Gambar 5 Bentuk gelombang tegangan sumber sebelum menggunakan filter
4 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia Gambar 6 Bentuk gelombang arus beban sebelum menggunakan filter
Gambar 7 Bentuk gelombang tegangan beban sebelum menggunakan filter
Berikut ini adalah rangkaian cycloconverter setelah menggunakan tiga buah 3-phase harmonic filter:
Gambar 8 Rangkaian cycloconverter dengan 3-phase harmonic filter
Penggunaan tiga buah 3-phase harmonic filter yang dituning pada tiga orde harmonik paling dominan dari harmonisa
cycloconverter (orde 1,7; 2,3; dan 3) membuat THD pada gelombang sumber menjadi kecil, sehingga bentuk gelombangnya
menjadi sinusoidal.
5 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia Gambar 9 Bentuk gelombang arus sumber setelah menggunakan filter
Gambar 10 Bentuk gelombang tegangan sumber setelah menggunakan filter
Gambar 11 Bentuk gelombang arus beban setelah menggunakan filter
6 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia Gambar 12 Bentuk gelombang tegangan beban setelah menggunakan filter
Setelah filter digunakan, maka THD tegangan sumber menjadi kecil. Nilai THD ini memenuhi Standar IEEE 519-1992.
Gambar 13 Harmonisa tegangan sumber setelah menggunakan filter
V. KESIMPULAN
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Pada saat kecepatan putar motor lebih rendah, THD yang dihasilkan cycloconverter lebih besar, kecuali untuk THD
tegangan sumber. Rata-rata perbedaan THD yang terjadi adalah 17,97%
THD yang dihasilkan cycloconverter pada sistem 60 Hz lebih besar daripada sistem 50 Hz, kecuali pada THD arus
sumber. Rata-rata perbedaan THD yang terjadi adalah 1,98%
Besarnya beban tidak mempengaruhi harmonisa yang dihasilkan cycloconverter.
Secara umum variasi tegangan sistem tidak terlalu mempengaruhi besarnya THD yang dihasilkan cycloconverter.
Hubungan variasi parameter-parameter dan harmonisa cycloconverter ini berlaku untuk cycloconverter saat tidak maupun
menggunakan 3-phase harmonic filter.
Penggunaan tiga buah 3-phase harmonic filter yang dituning pada orde 1,7; 2,3; dan 3 dapat mereduksi harmonisa
cycloconverter sehingga memenuhi Standar IEEE 519-1992.
Setelah cycloconverter menggunakan 3-phase harmonic filter, THD arus sumber tereduksi dari 30,96% menjadi 0,11%
dan THD tegangan sumber tereduksi dari 17,11% menjadi 0,17%.
REFERENSI
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Rashid, Muhammad H., POWER ELECTRONICS HANDBOOK, Florida : ACADEMIC PRESS, 2001
Dugan, Roger C., Electrical Power Systems Quality, McGraw – Hill
Burak Ozpineci : “CYCLOCONVERTERS” Department of Electrical and Computer Engineering University of Tennessee-Knoxville
http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/threephaseharmonicfilter.html. 22 Mei 2014
Seema P. Diwan : “Simulatiun Studies of Shunt Passive Harmonic Filters: Six Pulse Rectifier Load; Power Factor Improvement and Harmonic Control”
ACEEE Int. J. on Electrical and Power Engineering, Vol. 02, No. 01, Feb 2011
Kevin Palani : “POWER QUALITY ANALYSIS OF A THREE-PHASE CYCLOCONVERTER UNDER VARIABLE OPERATING CONDITIONS”
2010
http://dc360.4shared.com/doc/4o-SjR3S/preview.html. 22 Mei 2014
7 Analisis harmonisa…, Fikri Umar Bajuber, FT UI, 2014
Universitas Indonesia