PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON LINIER: Studi Kasus Di Gedung Direktorat Teknologi Informasi Dan Komunikasi Univeritas Pendidikan Indonesia.

PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON

LINIER

(STUDI KASUS DI GEDUNG DIREKTORAT TEKNOLOGI INFORMASI DAN KOMUNIKASI UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA)

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik di Departemen Pendidikan Teknik Elektro

Oleh

Adha Rizky Juniawan E.5051.1005252

TEKNIK ELEKTRO S-1

DEPARTEMEN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2014

Perancangan Simulasi Filter Aktif 3

Fasa Untuk Mereduksi Harmonisa

Akibat Penggunaan Beban

Non Linier

(Studi Kasus Di Gedung Direktorat

Teknologi Informasi Dan Komunikasi

Universitas Pendidikan Indonesia)

Oleh

Adha Rizky Juniawan

Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan

© Adha Rizky Juniawan

Universitas Pendidikan Indonesia

Januari 2015

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

Skripsi ini tidak boleh diperbanyak seluruhya atau sebagian,

Adha Rizky Juniawan, 2015

Perancangan Dan Simulasi Filter Aktif 3 Fasa Untuk

Mereduksi Harmonisa Akibat Penggunaan Beban Non

Linier (Studi Kasus Di Gedung Direktorat Teknologi

Informasi Dan Komunikasi Univeritas Pendidikan

Indonesia)

Abstrak

Skripsi penelitian ini bertujuan untuk mereduksi harmonisa dengan cara merancang suatu filter aktif. Filter aktif tersebut dikontrol dengan menggunakan PI dan SPWM. Data studi kasus dari penelitian ini didapat dengan cara melakukan pengukuran langsung pada salah satu panel listrik di gedung Direktorat TIK UPI. Dari hasil pengukuran diperoleh nilai THD I sebesar 84%. Berikut penentuan nilai rangkaian kontrol pada filter aktif , diantaranya ; konstanta proporsional (Kp) 0.18, konstanta Integral (Ti) 2.25, band pass filter yang disetel pada frekuensi

center 50 Hz, passing band 10000 Hz, DC inveter 412 V, R 0.1 Ω, L 825 µH, dan

C 1000 µF. Hasil pemasangan filter aktif pada sistem mampu menurunkan THD I dari 84% menjadi 5.12 %. Dengan hasil ini maka filter aktif dapat dijadikan sebagai salah satu metoda yang efektif dalam mereduksi harmonisa.

Keyword; Harmonisa, Proportional, Integral, inverter, Total Harmonic

Distortion

Design And Simulation Of Three Phase Active Filter For

Reduce Harmonic From Using Non Linear Load ( Study

Case In Direktorat Teknologi Informasi Dan Komunikasi

University Indonesian Of Education Building )

Abstarct

The final task of this research aims to reduce harmonics on the system by designing an active filter with PI and SPWM kontrol. The design of active filters is simulated by using PSIM software version 9.0.3. Case of study research was conducted by direct measurement on one of the electrical panel in the ICT Directorate UPI building. The simulation results based on the measurements, yielding a value of THD I 84%. By determining the value of the active filter kontrol circuit in such as proportional constant (Kp) 0.18, Integral constant (Ti) 2.25, band pass filter tuned to the center of frequency 50 Hz, Hz frequency passing bands 10000, inveter DC 412 V, R 0.1 Ω, L 825 μH, and C 1000 .The result of the installation of the active filter can reduce value of THD I system from 84% to 5.12%. With this result, the active filter can be regarded as one of filters methode that effective in reducing harmonics.

Keywords : Harmonics, Proportional, Integral, inverters, Total Harmonic Distortion

DAFTAR ISI

PERNYATAAN ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Rumusan Masalah ... 3

1.3Batasan Masalah ... 3

1.4Tujuan Skripsi ... 3

1.5Manfaat Skripsi ... 4

1.6Metode Pengumpulan Data ... 4

1.7Sistematika Penulisan Tugas Skripsi ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Sumber Harmonisa dari Beban Non Linear ... 6

2.2 Analisis Total Harmonic Distortion ... 6

2.2.1 Standarisasi THD pada Sistem Tenaga Listrik ... 7

2.3 Analisis Sinyal Non Sinus Akibat Penggunaan Beban Non Linear ... 8

2.3.1 Metode Analitik ... 8

2.3.2 Metoda Numerik ... 9

2.4 Penyearah Penuh Tiga Fasa Tak Terkontrol ... 10

2.5 Filter Pasif ... 11

2.5.1 Jenis-jenis Topologi Filter Pasif ... 11

2.6 Filter Aktif ... 13

2.7 Kontrol Filter Aktif ... 14

2.7.1 Sinusoidal Pulse Width Modulation... 14

2.7.2.1 Inverter Sumber Tegangan Topologi Full Bridge ... 15

2.7.3 Band Pass Filter ... 16

2.7.4 Kontrol PID (Proportional, Integral, Derivatif) ... 17

2.7.5 Komparator ... 19

BAB III METODE PENELITIAN ... 21

3.1 Metode Penelitian ... 21

3.2 Tempat dan Waktu Penetian ... 21

3.3 Tahap Pengukuran ... 21

3.4 Desain Penelitian ... 23

3.4.1 Tahap Persiapan ... 23

3.4.2 Tahap Pelaksanaan ... 24

3.4.3 Tahap Penyelesaian dan Pelaporan ... 24

3.5 Langkah-langkah Penelitian ... 24

3.6 Tahap Perancangan Penelitian dan Pengukuran ... 24

3.7 Tahap Perancangan P Model Filter Aktif Menggunakan PSIM ... 26

3.8 Penentuan Arus Short Circuit dan Arus Beban ... 29

3.9 Data Hasil Pengukuran Harmonisa di Gedung Dir TIK UPI ... 29

3.9.1 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 25 Juni 2014 ... 30

3.9.2 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 24 September 2014 ... 33

3.9.3 Hasil Pengukuran Harmonisa Arus Tanggal 9 Oktober 2014 .. 34

3.10 Sumber Kelistrikan dan Jenis Beban Di Gedung Dir TIK UPI ... 36

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38

4.1 Harmonisa Arus di Gdeung Dir TIK Sebelum Dipasang Filter ... 38

4.2 Pendekatan Nilai Isc/IL... 38

4.3 Model dan Hasil Simulasi Sumber Harmonisa Gedung Dir TIK UPI dengan PSIM 9.0.3 ... 39

4.4 Lokasi Pemasangan Filter ... 41

4.5 Analisis Model Desain Filter Aktif untuk Mereduksi Harmonisa di Gedung Dir TIK UPI ... 41

4.5.2 Pengendalian Arus Harmonisa dengan Menggunakan Kontroler

Proporsional (K) dan Integral (I) ... 45

4.5.3 Pemasangan Limiter ... 47

4.5.4 Pengaturan Sinusoidal Pulse Width Modulation ... 47

4.5.5 Pengaturan Pulsa Kerja Inverter dengan Menggunakan Gerbang Logika Not dan Switch Kontroller ... 48

4.5.6 Analisis Pemasangan Komponen L, R dan C pada Keluaran Inverter ... 49

4.6 Hasil Perbaikan Sistem Setelah Dipasang Filter Aktif ... 53

BAB V KESIMPULAN ... 56

5.1 Kesimpulan ... 56

5.2 Saran ... 56

BAB I PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

Dalam sistem tenaga listrik kualitas daya merupakan salah satu faktor penting yang harus diperhatikan. Kualitas daya mencakup, kontinuitas dalam penyediaan energi listrik, kestabilan frekuensi dan tegangan serta kualitas faktor daya. Keempat hal ini merupakan fokus utama dari kualitas daya, sehingga keempat hal ini harus dijaga kehandalan. Akan tetapi, perkembangan teknologi di sisi beban yang mengarah pada peningkatan efisiensi peralatan dalam penggunaan energi listrik mempengaruhi kehandalan kualitas daya. Berbagai jenis peralatan yang dapat mempengaruhi kehandalan dari kualitas daya diantaranya, air conditioner,

refrigerator, lampu-lampu hemat energi, komputer, laptop, serta penggunaan converter, baik itu rectifier maupun inverter. Peralatan seperti ini semakin

banyak digunakan baik di rumah tangga maupun di industri .

Peralatan elektronik di atas pada umumnya memerlukan arus searah sehingga dalam penyediannya diperlukan penyearahan arus. Pembebanan-pembebanan jenis ini membuat arus pada jaringan listrik tidak lagi berbentuk gelombang sinusoidal murni. Gelombang seperti ini bukan hanya tersusun dari frekuensi fundamental saja tetapi juga ditumpangi oleh frekuensi kelipatan bilangan integer dari frekuensi fundamental yang didefinisikan sebagai harmonisa.

Dengan adanya harmonisa, gelombang arus maupun tegangan yang harusnya berbentuk sinusoidal berubah menjadi gelombang sinusoidal terdistorsi. Ketika terjadi distorsi gelombang maka kualitas tegangan dan frekuensi mengalami perubahan, sehingga tidak sesuai dengan regulasi. Harmonisa bukan saja menggangu kualitas tegangan dan kestabilan frekuensi tetapi juga mengakibatkan masalah lain. Diantaranya, meningkatnya rugi-rugi pada penghantar, timbulnya arus pada kabel netral, terjadinya error

pembacaan pada kWh meter, tidak bekerjanya peralatan proteksi pada sistem tenaga serta membuat faktor daya menjadi rendah.

Karena merugikannya dampak yang diakibatkan oleh harmonisa maka diperlukan suatu metode untuk meredam harmonisa tersebut. Salah satu metode yang digunakan dalam mereduksi harmonisa adalah pemasangan filter. Dengan adanya filter kita dapat mereduksi harmonisa yang terjadi.

Filter sendiri terdiri atas dua jenis yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter pasif terdiri dari komponen linear R, L dan C sedangkan filter aktif terdiri dari komponen non-linear seperti IGBT, Thyristor, GTO, Transistor Power, MOSFET yang dirangkai menjadi inverter.

Filter pasif dan aktif sendiri mempunyai beberapa kekurangan dan kelebihan. Kekurangan dari filter pasif adalah hanya mampu mereduksi harmonisa tertentu sesuai dengan desain awal sehingga apabila terjadi perubahan maka filter tersebut tidak dapat menyesuaikan dengan keadaan baru tersebut. Untuk kelebihan dari filter pasif adalah dari sisi ekonomi. Filter pasif lebih murah dibanding dengan filter lainnya dalam hal desain dan pembuatan.

Sedangkan untuk filter aktif kelebihannya adalah dimensinya relatif kecil serta mampu mereduksi pita frekuensi harmonisa yang lebih lebar. Kelebihan yang selanjutnya adalah filter ini mampu bekerja pada kondisi beban yang berubah-ubah dengan cara mengatur ulang sistem kontrol yang mengatur pensaklaran komponen pada inveter sedangkan untuk kekurangan dari filter aktif sendiri diantaranya tidak bisa digunakan atau dipasang pada sistem tenaga yang berkapasitas besar karena kemampuan filter aktif ini dibatasi oleh kemampuan dari komponen penyusun inveter (GTO dan IGBT). Kekurangan yang selanjutnaya adalah biaya desain dan pembuatannya relatif lebih mahal.

1.2.Rumusan Masalah

Pada Tugas Skripsi ini penulis ditunjukan terhadap masalah-masalah sebagai berikut ;

1. Bagaimanakah karakteristik harmonisa (orde harmonisa dominan dan THD I) akibat beban non-linear di Gedung Direktorat TIK UPI ?

2. Bagaimanakah desain kontrol filter aktif yang efektif untuk mereduksi harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI ?

3. Bagaimanakah hasil filterisasi harmonisa dari filter aktif ?

1.3.Batasan Masalah

Batasan masalah pada Tugas Skripsi ini adalah sebagai berikut ;

1. Harmonisa yang dianalisis hanya berasal dari beban non-linear terutama

personal computer serta laptop.

2. Sumber harmonisa pada simulasi diwakili oleh penyearah tipe jembatan. 3. Filterisasi pada simulasi hanya ditujukan untuk mereduksi nilai dari THD

I, sedangkan data hasil pengukuran di Gedung Direktorat TIK UPI mengenai faktor kerja dan amplitudo arus diabaikan.

4. Perencanaan dan penggunaan inverter yang terkontrol dengan menggunakan kendali PWM.

5. Sistem 3 phasa dianggap setimbang.

6. Software yang digunakan untuk mensimulasikan hasil sebelum dan

sesudah pemasangan filter menggunakan Power Simulator versi. 9.0.3

1.4.Tujuan Skripsi

Tujuan penulisan Tugas Skripsi ini adalah sebagai berikut ;

1. Mengetahui karakteristik harmonisa (orde harmonisa dominan dan THD I) akibat beban non linear di Gedung Direktorat TIK UPI.

2. Mengetahui desain kontrol filter aktif yang efektif untuk mereduksi harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI.

3. Mengetahui hasil filterisasi harmonisa yang dilakukan oleh filter aktif serta membandingkan gelombang arus hasil perbaikan terhadap standar IEEE 519-1992.

1.5.Manfaat Skripsi

Manfaat yang diharapakan dari skripsi ini diantaranya adalah sebagai berikut ; 1. Bagi penulis : dapat menambah ilmu pengetahuan, pemahaman, dan

keterampilan di dalam dunia kelistrikan, khususnya dalam perancang filter aktif

2. Bagi Industri : diharapkan sebagai salah satu kontribusi positif, dengan adanya perancangan filter dan pengujiannya bisa turut membantu Industri dalam mereduski harmonisa yang dihasilkan oleh beban non linier berupa penyearah sehingga dapat menurunkan resiko kerugian akibat harmonisa tersebut.

3. Bagi dunia pendidikan : diharapkan dapat meningkatkan ilmu pengetahuan di dalam dunia kelistrikan khususnya desain filter aktif dan diharapkan untuk kedepannya bermunculan jenis filter yang baru yang mungkin saja lebih efektif dalam mereduksi harmonisa dibandingkan filter aktif.

1.6.Metode Pengumpulan Data

Penulis menggunakan tiga metode pada proses pengumpulan data, yaitu ; 1. Metode Observasi Langsung

Penulis dapat melihat langsung harmonisa yang terjadi di Gedung TIK UPI dengan cara melakukan beberapa pengukuran terhadap panel listrik. 2. Metode Wawancara

Penulis mendiskusikan dan menanyakan masalah-masalah yang tejadi akibat harmonisa dan usaha untuk mereduksi harmonisa tersebut.

3. Metode Studi Pustaka

Penulis melakukan pembelajaran terhadap beberapa litelatur baik dari penulis luar negeri maupun dalam negeri yang berhubungan dengan harmonisa dan filter aktif.

1.7 Sistematika Penulisan Tugas Skripsi

Untuk memudahkan dalam membaca dan memahami tugas skripsi ini, maka disusun sistematika penulisan sebagai berikut ;

BAB I PENDAHULUAN

Memaparkan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penulisan, manfaat tugas skripsi, dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Memaparkan tentang teori dan perkembangan penelitian harmonisa serta upaya mereduksi dengan pemasangan berbagai tipe filter khususnya filter aktif.

BAB III METODE PENELITIAN

Melakukan pengukuran langsung terhadap fenomena harmonisa yang terjadi di Gedung Direktorat TIK UPI serta membuatkan model matematika harmonisa tersebut. Membuat pemodelan sumber harmonisa dari hasil pengukuran dengan menggunakan software PSIM 9.0.3. Melakukan perancang filter aktif sebagai salah satu cara mereduksi harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Melakukan pengujian model sumber harmonisa pada simulasi. Melakukan Pengujian model dengan simulasi sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif dalam mereduksi harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI. Serta membandingkan hasil pengujian THD I yang terjadi dengan standar IEEE 519-1992.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Memaparkan tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran-saran yang didasarkan pada hasil penelitian yang diperoleh.

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Harmonisa Arus Di Gedung Direktorat TIK UPI Sebelum Dipasang Filter

Dengan asumsi bahwa kelistrikan di Gedung Direktorat TIK UPI seimbang maka dalam penggambaran bentuk gelombang harmonisa akan diambil sampel dari salah satu hasil pengukuran harmonisa. Data pengukuran yang dijadikan sampel adalah data hasil pengukuran harmonisa arus pada pukul 11.00 di fasa R. Berikut hasil simulasi dari bentuk gelombang harmonisa arus di fasa R dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB versi 2010.

Gambar 4. 1.

Gelombang Harmonisa Hasil Pengukuran pada Pukul 11.00 di Fasa R

Bentuk simulasi gelombang harmonisa di atas belum tentu sama dengan gelombang harmonisa yang terjadi di Gedung Direktorat TIK UPI, karena nilai THD I tidak dapat dengan tepat menggambarkan bentuk gelombang harmonisa.

4.2 Pendekatan nilai �_��/�_�

Karena data daya rata-rata beban pemakaian selama 12 bulan di gedung TIK UPI tidak diperoleh maka untuk memperoleh nilai perbandingan � /�_�

dalam tugas akhir ini nilainya dianggap < 20, sehingga batas THD I yang diijinkan menurut standar IEEE 519-1992 adalah harus di bawah 5 %.

4.3Model dan Hasil Simulasi Sumber Harmonisa Gedung Direktorat TIK UPI dengan PSIM 9.0.3

Dengan asumsi bahwa sistem kelistrikan di Gedung Direktorat TIK UPI seimbang, maka dalam analisis gelombang harmonisa hanya akan diambil salah satu fasa. Dalam penelitian ini fasa R dijadikan sebagai model yang mengandung harmonisa serta tempat dipasangnya filter aktif. Sumber harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI berasal dari penggunaan lampu TL dengan ballast elektronik dan komputer, untuk keperluan penelitian maka sumber harmonisa ini hanya direpresentasikan oleh sebuah penyearah satu fasa tipe jembatan tidak terkontrol serta bentuk gelombang harmonisa dari simulasi hanya akan disesuaikan dengan nilai THD I hasil pengukuran sebesar 84 % sedangkan untuk nilai amplitudo arus dan faktor kerja diabaikan. Berikut desain sistem kelistrikan yang mengandung harmonisa akibat pemasangan beban non linear yang menghasilkan THD I sebesar 84 %.

Gambar 4. 2. Model Desain Sumber Harmonisa

Dipilihannya penyearah tipe jembatan pada simulasi karena umumnya beban di Gedung Direktorat TIK UPI memerlukan arus searah sehingga di dalam peralatan beban tersebut sudah terpasang penyearah. Dengan asumsi ini maka dipilihnya penyearah tipe jembatan yang digunakan dalam simulasi dianggap telah mewakili kelakuan dari beban di Gedung Direktorat TIK UPI. Perbedaannya terletak pada rating daya antara simulasi dengan beban sesungguhnya.

Gambar 4. 3. Simulasi Arus Akibat Harmonisa

Dari gambar 4.3 di atas dapat dijelaskan bahwa arus sumber yang seharusnya berbentuk sinusoidal murni tetapi akibat penggunaan penyearah yang menghasilkan harmonisa sehingga gelombang arus tersebut mengalami distorsi. Dengan adanya harmonisa pada fasa R maka pada fasa tersebut tidak hanya mengandung frekuensi fundamental tetapi juga frekuensi kelipatan fundamental. Spektrum frekuensi gelombang fundamental dan harmonisa pada fasa R diperlihatkan pada gambar 4.4 di bawah ini.

Gambar 4. 4.

Spektrum Gelombang frekuensi Fundamental dan Harmonisa

Pada gambar 4.4 di atas dapat diketahui bahwa frekuensi harmonisa dominan yang terkandung di fasa R adalah harmonisa ke 3,5,7,9,11 dst yang

merupakan harmonisa orde ganjil. Berikut nilai dari tiap orde harmonisa yang disajikan dalam tabel 4.1

Tabel 4.1 Sumber Harmonisa Sebelum Dipasang Filter

Harmonisa

Arus ke- 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Sebelum dipasang

filter 54.07 37.69 18.25 47.91 24.11 19.6 0.94 1.04 0.57 0.57

4.4Lokasi Pemasangan Filter

Belum ada ketentuan dalam teknik pemasangan filter, baik itu filter aktif maupun filter pasif. Akan tetapi karena harmonisa itu mempunyai kemampuan untuk merambat menuju sistem yang mempunyai impedansi yang rendah, maka salah satu tempat pemasangan filter yang tepat adalah di dekat sumber harmonisa itu sendiri sehingga dengan adanya pemasangan filter di dekat sumber harmonisa maka harmonisa tersebut diharapkan tidak menjalar menuju jaringan atau sistem tenaga listrik. Di dalam penelitian ini filter aktif dipasang dekat dengan penyearah 1 fasa yang merupakan sumber penghasil harmonisa.

4.5Analisis Model Desain Filter Aktif untuk Mereduksi Harmonisa di Gedung TIK UPI

Salah satu bagian penting dalam pembuatan filter aktif adalah merancang kontrol inverter. Dengan inverter yang terkontrol, harmonisa yang dibangkitkan bisa kita atur sedemikian rupa sehingga menghasilkan harmonisa lawan yang bisa mereduksi harmonisa pada sistem. Untuk lebih jelasnya desain dari inverter terkontrol yang dijadikan sebaga filter aktif ditunjukan dalam gambar di bawah ini.

Gambar 4. 5. Desain Filter Aktif Satu Fasa

Dari gambar di atas dapat dilihat teknik pengontrolan pada inverter cukup kompleks. Pada penjelasan berikut ini akan dianalisis dengan detail fungsi dari setiap komponen kontrol inverter di atas.

4.5.1 Penyeleksian Arus Harmonisa

Bentuk gelombang pada gambar 4.4 menunjukan bahwa antara komponen fundamental dan harmonisa masih bersatu maka dari itu untuk memisahkan komponen harmonisa maka tahap pertama yang harus dilakukan adalah dengan memasang sensor arus pada sistem, selanjutanya arus yang di sensing dari sistem akan diseleksi melalui band pass filter orde dua. Gelombang fundamental dan harmonisa keluaran dari band pass

filter masih bersatu tetapi orde harmonisa yang diloloskan telah dibatasi

(a) (b)

Gambar 4. 6. (a) Pengisian Parameter pada Band Pass Filter dengan (Ia) Input Arus pada Band Pass Filter dari Sensor Arus ,

(b) Band Pass Filter.

Berikut penentuan nilai dari center frequency dan passing band yaitu sebesar 50 Hz dan 10000. Dengan orde frekuensi yang diloloskan cukup lebar maka diharapkan harmonisa orde tinggi bisa terloloskan sehingga dalam proses reduksi harmonisa orde tinggi pun bisa hilang.

Gambar 4. 7. (a) Arus Keluaran dari band pass filter

Dari gambar 4.7 (b) dapat diketahui bahwa pada amplitudo arus pada frekuensi fundamental (50 Hz) adalah 55 A. Untuk mereduksi komponen fundamental ini digunakan sumber sinusoidal dengan frekuensi 50 hertz dan ampitudo 55 A yang berlawan dengan komponen fundamental. Berikut gambar dari summing komponen fundamental dengan harmonisa.

Gambar 4. 8.Reduksi Komponen Fundamental dengan menggunakan Sumber dari Luar

Gambar 4.8 di atas memperlihatkan cara mereduksi komponen fundamental. Hasil harmonisa murni diperlihatkan dalam gambar 4.9 (a).

Gambar 4.9. (b) Spektrum Frekuensi Komponen Arus Harmonisa

Dari gambar 4.9.b diperlihatkan bahwa komponen fundamental masih tetap ada, walaupun demikian amplitudonya berkurang drastis. Untuk gambar 4.9.a merupakan komponen harmonisa murni. Dari gambar tersebut tidak terlihat tiap orde harmonisa karena gelombang tersebut adalah hasil penjumlahan dari tiap orde harmonisa.

4.5.2 Pengendalian Arus Harmonisa dengan Menggunakan Kontroler Proporsional (K) dan Integrator (I).

Tujuan dari penggunaan kontroler proporsional dan Integrator adalah untuk mengholah gelombang input arus harmonisa sehingga menghasilkan gelombang output arus yang berbentuk sinusoidal. Untuk menghasilkan arus keluaran yang diinginkan, arus keluaran inverter kita umpan balikan ke dalam sistem kontrol.

Gambar 4. 10. a. Penjumlahan Arus Harmonisa (Ih) dengan Arus Keluaran Inverter (If)

Dengan umpan balik ke dalam rangkaian kontrol, maka akan dihasilkan bentuk gelombang referensi berbentuk sinusoidal.

Gambar 4.10. b. Gelombang Arus Hasil Penjumlahan Arus Harmonisa (Ih) dengan Arus Keluaran Inverter (Ii)

Dari gambar 4.10.b, gelombang hasil keluaran hampir berbentuk sinusoidal tetapi nilai dari amplitudonya masih besar serta masih terdapat sinyal error.Nilai amplitudo sangat berpengaruh untuk masukan pada komparator maka dari itu puncak arus harus bisa diturunkan sedemikianrupa. Salah satu cara untuk menurunkan amplitudo arus adalah dengan cara pemasangan kontroler proporsional sedangkan untuk memperbaiki error sinyal digunakan kontroler integrator. Penyetelan konstanta proporsional (Kp) dan konstanta integrator (Ti) diperoleh dengan mengikuti metode Ziegler-Nichols. Dengan metoda tersebut maka diperoleh nilai Kp sebesar 0.18 dan konstanta waktu (Ti) sebesar 2.25. Berikut hasil gelombang setelah dipasang kontroler P dan I.

Gambar 4. 11.

4.5.3 Pemasangan Limiter

Fungsi dari limiter adalah untuk membatasi amplitudo dari gelombang sebelum masuk ke komparator.

Gambar 4. 12. Limiter

Rangkaian sesungguhnya dari limiter adalah berupa dua buah dioda zener yang dipasang parallel.

4.5.4 Pengaturan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)

Prinsip kerja dari SPWM adalah dengan membandingkan antara gelombang referensi yang berupa sinusoidal terhadap gelombang carrier yang berbentuk segitiga. Gambar 4.11 merupakan gelombang referensi sinusoidal yang akan dimodulasikan dengan gelombang carier. Pada saat terjadi modulasi, amplitudo gelombang carier harus lebih besar dari gelombang referensi atau perbandingan amplitudo gelombang carier terhadap gelombang referensi harus ≤ hal ini bertujuan agar tidak terjadi

over modulasi. Sedangkan nilai frekuensi carier harus jauh lebih besar dari

frekuensi referensi agar frekuensi harmonisa yang dibangkitkan inverter mempunyai orde harmonisa yang lebar. Untuk inverter satu fasa dengan metode SPWM dengan frekuensi carier yang jauh lebih besar dari frekuensi referensi, gelombang harmonisa yang dibangkitkan adalah harmonisa orde ganjil (1,3,5,7 dst). Sedangkan jika frekuensi carier lebih kecil dari frekuensi referensi maka bukan hanya harmonisa orde ganjil yang muncum tetapi juga harmonisa orde genap pun akan ikut muncul. Berikut hasil penyetelan dari SPWM dan tegangan DC pada inverter yang disajikan dalam tabel 4.2.

Tabel 4. 2. Parameter Sistem Test

Parameter Simbol Nilai Satuan

DC Link Voltage Vdc 412 V

Modulasi frekuensi Fr 50 Hz

Frekuensi carrier Fc 20000 Hz

Modulation index Mi 1 -

Perbandingan sinyal referensi terhadap carrier dilakukan dengan menggunakan komparator. Seperti diperlihatkan dalam gambar di bawah ini.

Gambar 4. 13. Perbandingan Arus Referensi terhadap Carrier pada Komparator

Jika Iref > Icarrier maka bernilai 1, jika sebaliknya maka akan bernilai 0. Sinyal 1 atau 0 ini akan diatur dengan menggunakan bantuan gerbang logika NOT dan switch kontroller untuk mengatur pensakalaran dari tiap IGBT.

4.5.5 Pengaturan Pulsa Kerja Inverter dengan Menggunakan Gerbang Logika

Not dan switch kontroller

Seperti dijelaskan pada sub bab sebelumnya fungsi dari logika Not dan switch kontroller untuk mengatur pensakalaran dari tiap IGBT. Gambar berikut memperlihatkan letak tiap IGBT.

DC IGBT1

IGBT3

IGBT2

IGBT4 out

Gambar 4. 14. Posisi IGBT

Cara kerja dari kombinasi IGBT pada gambar di atas dijelaskan dalam tabel berikut.

Tabel 4. 3. Kerja Pensaklaran IGBT

S1 S2 S3 S4 Vout

ON - - ON + Vdc

- ON ON - - Vdc

4.5.6 Analisis Pemasangan Komponen L,R dan C pada keluaran inverter

Arus keluaran dari inverter mempunyai frekuensi harmonisa yang lebar dan nilai THD I tidak sesuai dengan kebutuhan. Untuk memperbaiki kejadian tersebut maka dilakukan rekayasa dengan pemasangan komponen R, L dan C secara seri. Berikut hasil sebelum dan sesudah pemasangan komponen R, L dan C pada keluaran inverter.

Gambar 4. 15. a. Bentuk Gelombang Arus Output Inveter Tanpa Komponen R, L dan C

Gambar 4.15. b. Bentuk spektrum frekuensi Arus Output Inveter Tanpa Komponen R,L dan C.

Dari gambar 4.15 dan 4.16 dapat dilihat bahwa kemunculan orde harmonisa lawan sudah sesuai tetapi nilai dari amplitude tiap orde masih sangat tinggi.

Gambar 4.15. c. Bentuk Arus Perbaikan Tanpa Komponen R,L dan C

Gambar 4.15 d. Bentuk Spektrum Frekuensi Arus Perbaikan Tanpa Komponen R, L dan C

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa hasil perbaikan untuk mereduksi komponen orde harmonisa telah berhasil tetapi nilai arus pada komponen fundamental meningkat hampir empat kali lipat hal ini terjadi karena besar dari setiap orde harmonisa belum sesuai dan komponen fundamental dari filter sangat besar. Untuk merekayasa besar dari tiap orde harmonisa maka dipasang komponen R, L dan C. Berikut analisis dari keluaran dari inverter setelah dipasang komponen R, L dan C.

Vi,fi (Variabel)

C L

R i(t)

Gambar 4. 16. Analisis Pendekatan Arus Keluaran dari Inverter Akibat Pemasangan R, L dan C

Gambar 4. 17. Penyerderhanaan tegangan Keluaran dari Inverter

Dari gambar 4.16 dan 4.17 bisa dibuat bentuk pendekatan persamaan matematika dari arus keluaran inverter. Berikut tahap pengerjaannya.

� = � �+ ∫ � + � ………(1)

Dengan menggunakan transformasi laplace maka diperoleh persamaan berikut;

�

= �{ � − � } + � � ………..…(2)

� _{= �{ � } +} � _{+ � ………...…..……..…(3)} � = _{� + � +}� ……….………(4)

Untuk mendapatkan fungsi waktu, persamaan di atas akan dirubah kedalam bentuk pecahan parsial. Langkah pengerjaanya adalah sebagai berikut ;

� + + , dicari terlebih dahulu akar pembuat nol. Dengan menggunakan formula ABC dalam mencari akar dari suatu fungsi maka akar pembuat nol dari fungsi di atas ( dan )

=− �±√ � −4 �_� ………..………..………(5)

=− �+√ � −4 �_� ……….………..………….……(6)

= − �−√ � −4 �_� ……….………..….….…...…(7) Dengan didapatnya akar-akar dari persamaan di atas, maka langkah selanjutnya membuat pecahan parsial.

� = _{� + � +}� = _{� + � +}� = � ₋ + ₋ ..……(8) Tahap selanjutnya adalah mencari nilai dari A dan B.

Untuk nilai A

= lim

→ − ……….………….………...…(9)

= ₋ =

−��+√ �� −4��

�� −−��−√ �� −4����

.……….…(10)

=_{√ � −4 �}� ……….……….…………(11)

Untuk nilai B

= lim

= ₋ =

−��−√ �� −4��

�� −

−��+√ �� −4�� ��

……..….…(13)

= −_{√ � −4 �}� ……….………..….…(14)

� = � ₋ + ₋ ……….……(15)

Dengan menggunakan invers transformasi laplace maka arus dengan fungsi waktu bisa diperoleh sebagai berikut ;

� = � + ………(16)

Dengan mensubsitusikan nilai dari A dan B maka persamaan akhir sebagai berikut ;

� = _{√ � −4 �}� − ��� ……...……(17)

` V adalah ouput tegangan dari inverter. Dengan pemilihan nilai dari R, L dan C maka konstanta waktu dari persamaan di atas bisa diatur sedemikian rupa sehingga menghasilkan bentuk gelombang yang dibutuhkan. Nilai yang dipilih adalah R 0.1 ohm, L 825 uH dan C 1000 uF.

4.6 Hasil Perbaikan Sistem Setelah Dipasang Filter Aktif

Bentuk gelombang arus pada sistem setelah dilakukan pemasangan filter mengalami perbaikan yang sangat baik serta menghasilkan bentuk gelombang yang hampir sinusoidal. Selain itu, nilai THD I setelah pemasangan filter mengalami penururan yang drastis dengan nilai akhir sebesar 5.12%. Berikut bentuk akhir dari gelombang arus setelah dilakukan pemasangan filter aktif.

Gambar 4.18. a. Bentuk Gelombang Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C

Gambar4.18.b. Bentuk spektrum frekuensi Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C

Gambar 4.18.d. Spektrum Frekuensi Setelah Pemasangan Filter Aktif

Dari gambar 4.18.d bisa dilihat bahwa harmonisa orde 3,5,7,9 dst hampir hilang diakibatkan oleh injeksi arus lawan dari filter aktif. Sedangkan untuk komponen fundamental mengalami peningkatan hingga dua kali lipat, hal ini disebabkan oleh penambahan arus fundamental dari filter aktif. Berikut tabel hasil perbandingan sebelum dan sesudah dilakukan pemasangan filter aktif.

Tabel 4. 4. Perbandingan harmonisa sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif

Harmonisa

ke- 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Harmonisa Sebelum Dipasang Filter

Aktif 54.07 37.69 18.25 47.91 24.11 19.6 0.94 1.04 0.57 0.57

Harmonisa Filter

Aktif 42.58 37.03 18.12 47.9 25.03 19.83 0.95 0.94 0.26 0.33

Arus Harmonisa Seteah Dipasang Filter

Aktif 96.57 1.23 2.2 1.32 0.77 0.66 0.18 0.48 0.36 0.29

THD I

Sebelum dipasang

filter 84 %

THD I

Arus

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1Kesimpulan

1. Karakteristik harmonisa yang terjadi di gedung TIK UPI yang diakibatkan oleh penggunaan beban non linear seperti lampu TL dan komputer memiliki harmonisa dominan pada orde 3,5,7,9,11,13,15,17,19 dan yang terbesar berada pada orde 3. Total distorsi harmonisa yang terjadi pada gedung Direktorat TIK UPI sebesar 84 %. Nilai THD I ini sangat tinggi dan melebihi batas standar yang ditentukan oleh IEEE 1992-519.

2. Desain filter aktif yang sesuai untuk mereduksi harmonisa di gedung TIK UPI adalah penggunakan filter aktif dengan kontrol SPWM, pengendali proporsional (K) dengan nilai Kp 0.18 dan Integral (I) dengan nilai Ti 2.25 serta dipilihnya pemakaian IGBT sebagai komponen pensaklaran.

3. Hasil filterisasi yang dilakukan oleh filter aktif dianggap cukup berhasil karena nilai THD I akhir setelah dipasang filter mencapai 5.12 % . Jika dibandingkan dengan nilai THD I sebelum dipasang filter yaitu 84% nilai THD I setelah pemasangan filter aktif jauh lebih baik. Walaupun demikian hasil ini belum mencapai standar yang ditetapkan oleh IEEE 1992-519 yaitu dibawah 5 %. Hal ini terjadi salah satunya karena harmonisa arus mula-mula di gedung Direktorat TIK UPI memiliki nilai yang sangat besar.

5.2Saran

1. Karena nilai harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI sangat besar melebihi standar yang ditentukan maka sebaiknya pada gedung tersebut dipasang filter sehingga harmonisa pada gedung tersebut bisa berkurang.

2. Jika pemasangan filter aktif dianggap relatif lebih mahal maka bisa juga dipasang filter pasif atau dipasang bank kapasitor. Filter pasif ditala untuk mereduksi harmonisa orde ke tiga, karena orde ini merupakan harmonisa yang paling

Adha Rizky Juniawan, 2015

PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT

dominan dan paling berpengaruh pada tegangan dan arus fundamental. Jika dipasang bank kapasitor, dalam perancangannya harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi resonansi dengan frekuensi harmonisa.

3. Untuk peneliti lain yang ingin melanjutkan dan memperbaiki desain filter aktif maka diperlukan suatu metode dan analisis yang lebih mendalam terutama mereduksi gelombang fundamental dari keluaran inverter sehingga tidak terjadi penambahan suplai arus pada sumber.

� _{= �{ � } +} � _{+ � ………...…..……..…(3)}

� = _{� + � +}� ……….………(4)

Untuk mendapatkan fungsi waktu, persamaan di atas akan dirubah kedalam bentuk pecahan parsial. Langkah pengerjaanya adalah sebagai berikut ;

� + + , dicari terlebih dahulu akar pembuat nol. Dengan menggunakan formula ABC dalam mencari akar dari suatu fungsi maka akar pembuat nol dari fungsi di atas ( dan )

=− �±√ � −4 �_� ………..………..………(5)

=− �+√ � −4 �_� ……….………..………….……(6)

= − �−√ � −4 �_� ……….………..….….…...…(7) Dengan didapatnya akar-akar dari persamaan di atas, maka langkah selanjutnya membuat pecahan parsial.

� = _{� + � +}� = _{� + � +}� = � ₋ + ₋ ..……(8) Tahap selanjutnya adalah mencari nilai dari A dan B.

Untuk nilai A = lim

→ − ……….………….………...…(9)

= ₋ =

−��+√ �� −4��

�� −−��−√ �� −4����

.……….…(10)

=_{√ � −4 �}� ……….……….…………(11) Untuk nilai B

= lim

Adha Rizky Juniawan, 2015

PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON LINIER

|

= ₋ =

−��−√ �� −4��

�� −

−��+√ �� −4�� ��

……..….…(13)

= −_{√ � −4 �}� ……….………..….…(14)

� = � ₋ + ₋ ……….……(15)

Dengan menggunakan invers transformasi laplace maka arus dengan fungsi waktu bisa diperoleh sebagai berikut ;

� = � + ………(16)

Dengan mensubsitusikan nilai dari A dan B maka persamaan akhir sebagai berikut ;

� = _{√ � −4 �}� − ��� ……...……(17)

` V adalah ouput tegangan dari inverter. Dengan pemilihan nilai dari R, L dan C maka konstanta waktu dari persamaan di atas bisa diatur sedemikian rupa sehingga menghasilkan bentuk gelombang yang dibutuhkan. Nilai yang dipilih adalah R 0.1 ohm, L 825 uH dan C 1000 uF.

4.6 Hasil Perbaikan Sistem Setelah Dipasang Filter Aktif

Bentuk gelombang arus pada sistem setelah dilakukan pemasangan filter mengalami perbaikan yang sangat baik serta menghasilkan bentuk gelombang yang hampir sinusoidal. Selain itu, nilai THD I setelah pemasangan filter mengalami penururan yang drastis dengan nilai akhir sebesar 5.12%. Berikut bentuk akhir dari gelombang arus setelah dilakukan pemasangan filter aktif.

Gambar 4.18. a. Bentuk Gelombang Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C

Gambar4.18.b. Bentuk spektrum frekuensi Arus Output Inveter dengan Komponen R,L dan C

Adha Rizky Juniawan, 2015

PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON LINIER

|

Gambar 4.18.d. Spektrum Frekuensi Setelah Pemasangan Filter Aktif Dari gambar 4.18.d bisa dilihat bahwa harmonisa orde 3,5,7,9 dst hampir hilang diakibatkan oleh injeksi arus lawan dari filter aktif. Sedangkan untuk komponen fundamental mengalami peningkatan hingga dua kali lipat, hal ini disebabkan oleh penambahan arus fundamental dari filter aktif. Berikut tabel hasil perbandingan sebelum dan sesudah dilakukan pemasangan filter aktif.

Tabel 4. 4. Perbandingan harmonisa sebelum dan sesudah pemasangan filter aktif

Harmonisa

ke- 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Harmonisa Sebelum Dipasang Filter

Aktif 54.07 37.69 18.25 47.91 24.11 19.6 0.94 1.04 0.57 0.57

Harmonisa Filter

Aktif 42.58 37.03 18.12 47.9 25.03 19.83 0.95 0.94 0.26 0.33

Arus Harmonisa Seteah Dipasang Filter

Aktif 96.57 1.23 2.2 1.32 0.77 0.66 0.18 0.48 0.36 0.29

THD I

Sebelum dipasang

filter 84 %

THD I

Arus

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1Kesimpulan

1. Karakteristik harmonisa yang terjadi di gedung TIK UPI yang diakibatkan oleh penggunaan beban non linear seperti lampu TL dan komputer memiliki harmonisa dominan pada orde 3,5,7,9,11,13,15,17,19 dan yang terbesar berada pada orde 3. Total distorsi harmonisa yang terjadi pada gedung Direktorat TIK UPI sebesar 84 %. Nilai THD I ini sangat tinggi dan melebihi batas standar yang ditentukan oleh IEEE 1992-519.

2. Desain filter aktif yang sesuai untuk mereduksi harmonisa di gedung TIK UPI adalah penggunakan filter aktif dengan kontrol SPWM, pengendali proporsional (K) dengan nilai Kp 0.18 dan Integral (I) dengan nilai Ti 2.25 serta dipilihnya pemakaian IGBT sebagai komponen pensaklaran.

3. Hasil filterisasi yang dilakukan oleh filter aktif dianggap cukup berhasil karena nilai THD I akhir setelah dipasang filter mencapai 5.12 % . Jika dibandingkan dengan nilai THD I sebelum dipasang filter yaitu 84% nilai THD I setelah pemasangan filter aktif jauh lebih baik. Walaupun demikian hasil ini belum mencapai standar yang ditetapkan oleh IEEE 1992-519 yaitu dibawah 5 %. Hal ini terjadi salah satunya karena harmonisa arus mula-mula di gedung Direktorat TIK UPI memiliki nilai yang sangat besar.

5.2Saran

1. Karena nilai harmonisa di Gedung Direktorat TIK UPI sangat besar melebihi standar yang ditentukan maka sebaiknya pada gedung tersebut dipasang filter sehingga harmonisa pada gedung tersebut bisa berkurang.

2. Jika pemasangan filter aktif dianggap relatif lebih mahal maka bisa juga dipasang filter pasif atau dipasang bank kapasitor. Filter pasif ditala untuk mereduksi

Adha Rizky Juniawan, 2015

PERANCANGAN SIMULASI FILTER AKTIF 3 FASA UNTUK MEREDUKSI HARMONISA AKIBAT PENGGUNAAN BEBAN NON LINIER

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

dominan dan paling berpengaruh pada tegangan dan arus fundamental. Jika dipasang bank kapasitor, dalam perancangannya harus sedemikian rupa sehingga tidak terjadi resonansi dengan frekuensi harmonisa.

3. Untuk peneliti lain yang ingin melanjutkan dan memperbaiki desain filter aktif maka diperlukan suatu metode dan analisis yang lebih mendalam terutama mereduksi gelombang fundamental dari keluaran inverter sehingga tidak terjadi penambahan suplai arus pada sumber.