Analisa Single Tune Filter Pada Power Supply Dc (Studi Kasus Multiplier Dc 20 Kv)
14
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Pemakaian daya listrik dengan beban tidak linier banyak digunakan pada
konsumen rumah tangga, perkantoran maupun industri seperti penggunaan rectifier,
converter, inverter, tanur busur listrik, motor-motor listrik, Uninterubtable Power
Supply (UPS) dan lain-lain. Dalam dunia industri daya listrik sebelum disalurkan ke
beban biasanya digunakan suatu konverter. Umumnya digunakan konverter ac-dc
satu phasa yang terdiri dari komponen penyearah dioda dan kapasitor. Jenis-jenis
penyearah seperti ini merupakan beban non linier, yang mengakibatkan bentuk
gelombang yang dihasilkan pada sisi masukan menjadi tidak sinusoidal murni. Akan
tetapi di dalam industri aplikasi utama dari tegangan tinggi DC yang digunakan untuk
menguji kabel dengan suatu kapasitansi yang relatif besar dengan arus yang kecil,
sedangkan arus yang lebih besar digunakan jika di tes dengan tegangan AC. Untuk
membangkitkan tegangan tinggi DC salah satu cara yang digunakan adalah rangkaian
tegangan multiplier yang digunakan pada pemakaian beban non linier atau beban
elektronika daya yang merupakan komponen atau peralatan listrik yang
membangkitkan harmonisa.
15
Harmonisa yang tinggi dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti:
penurunan kualitas sistem daya listrik yang mengakibatkan pemanasan pada
peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi
dari peralatan elektronik yang sensitif, menurunkan efisiensi. Keberadaan harmonisa
ini yang sering dikenal dengan Total Harmonic Distortion (THD) pada kualitas daya
mempunyai batas sesuai dengan Standar Internasional IEC 61000. Batas THD yang
diizinkan pada tegangan individu sebesar 3% dan tegangan sistem 5%. Dalam
penelitian ini hasil yang diperoleh dengan simulasi Matlab/simulik THDi 41,09% dan
untuk THDv 1,67% dengan faktor daya 0,7. Diharapkan apabila THD melebihi batas
kerja yang di standarkan maka salah satu cara untuk meredam harmonisa dengan
menggunakan filter. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya
untuk meredam harmonisa. Disini akan dibahas perancangan filter single tuned untuk
menanggulangi masalah yang terjadi.
Penelitian ini bermaksud merancang filter harmonisa jenis filter kapasitor
perata LC seri (single tuned) yang akan mereduksi atau mengurangi harmonisa.
Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam
harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah dilakukan
sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai
teknologi seperti: Marco Liserre dkk [1], menggunkan metode identifikasi harmonisa
dalam simulasi dan percobaan, jenis filter yang dirancang filter LCL pada sumber
tegangan converter (VSC) dan dari hasil percobaan didapat THD arus sebesar 3% dan
THD tegangan sebesar 1,4%. Darwin Rivas dkk [2], menggunakan metode
16
identifikasi harmonisa dengan simulasi menggunakan program Matlab/simulink jenis
filter yang dirancang filter pasif dan filter aktif dan hasil yang diperoleh sebelum
dipasang filter THDv sebesar 7,5%. Setelah dipasang filter aktif dan filter pasif
THDv menjadi 4,7%. Pranavi Chow [3], menggunakan metode identifiksi harmonisa
dengan simulasi program jenis filter yang dirancang penyearah satu phasa dengan
filter kapasitor perata, L-C seri, dan pasive wave shapping method. Hasil yang
diperoleh penyearah satu phasa ketika hanya menggunakan kapasitor perata
menghasilkan THDi yang cukup besar yaitu 23,6%, ketika menggunakan filter L-C
seri THDi menjadi 10%, dan ketika menggunakan filter passive wave shapping
method THDi menjadi 2,62%.
Nor Farahaida dkk [4], menggunakan metode identifikasi harmonisa dengan
simulasi menggunakan program Matlab/simuling, jenis filter yang dirancang filter
penyearah satu phasa menggunakan Hybrid Active Power Filter (HAPF) dan hasil
yang diperoleh besar THDi yang dihasilkan 3,5% dan dapat menaikkan faktor daya
dari 0,59 menjadi 0,99 (lagging).
Aintablian, dkk [5], membahas tentang pengurangan harmonisa rangkaian satu
phasa berdasarkan rangkaian voltage doubler dengan menggunakan saklar yang
dioperasikan pada frekuensi garis (line frequency). THD dari penyearah jembatan
sebelum dilakukan pensaklaran sebesar 69,5% setelah dilakukan pensaklaran pada
frekuensi garis THDnya turun menjadi 39,4%. Komponen arus harmonik ke 3
berkurang dari 0,615A menjadi 0.21 A dengan pengurangan sebesar 65,8%. Richard
Red dkk [6], didalam jurnalnya membahas tentang koreksi faktor daya berdasarkan
17
rangkaian voltage doubler tanpa peralatan saklar dan mereka menggunakan
penambahan induktor dan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya. Pada sistem ini,
arus masukan dibagi menjadi dua periode, satu periode mengisi input kapasitor yang
kecil, satu lagi mengisi output kapasitor yang besar. Dengan membagi arus masukan
kedalam mode-mode yang berbeda, periode arus konduksi dapat dilebarkan dan
harmonisa dapat dibatalkan antara dua simpul. Berdasarkan penelitian mereka pada
rangkaian penyearah jembatan dengan LC koreksi faktor daya dimana induktor
dipasang seri pada sisi AC diperoleh PF sebesar 98,1%, dan THD sebesar 18,6%
dengan perincian komponen DC sebesar 7,1%, dan untuk distorsi harmonik ganjil
sebasar 8,8%. Pada rangkaian yang sama dipasang split kapasitor maka PF berubah
menjadi 98,3%, dan THD sebesar 16,9%.
Kenichiro Fujiwara, dkk [7], dalam paper mereka membahas tentang
peningkatan bentuk gelombang arus untuk rangkaian voltage doubler dimana input
tegangannya adalah 200 VAC. Mereka menggunakan filter LC untuk meningkatkan
bentuk gelombang arus line. Mereka mengikuti perinsip yang sama dari rangkaian
voltage doubler, tetapi kapasitor C1 dan C2 yang telah dipilih menjadi salah satu
alasan sehingga fungsi penguatan tegangan menjadi berkurang. Metode yang
diusulkan tampaknya sangat menarik untuk sebuah sumber AC (Air Conditioner) DC
dengan menggunakan komponen yang tidak mahal dan reliable. Maksimum faktor
daya yang diperoleh 98% sedangkan salah satu penyearah konvensional diperoleh
77%. Jadi terjadi perabaikan faktor daya sebesar 21%.
18
Yamamoto, dkk [8], mengusulkan metode koreksi faktor daya menggunakan
sebuah rangkaian penyearah voltage doubler tanpa alat switching. Metode ini
menggunakan sebuah penyearah voltage doubler, arus masukan dibagi menjadi dua
periode dimana satu periode mengisi input kapasitor yang kecil dan yang lain mengisi
keluaran kapasitor yang besar melalui sebuah filter kapasitor. Hasil percobaan mereka
diperoleh faktor daya sebesar 91,9% dengan efesiensi 94%.
Dari penelitian yang telah dilakukan tersebut dengan berbagai teknologi
sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam meredam harmonisa.
Dalam penelitian ini akan dilakukan penggunaan filter single tuned pada penyearah
satu phasa pada rangkaian tegangan multiplier 20 kV untuk meredem harmonisa yang
terjadi sehingga dapat mengurangi THDi yang dihasilkan oleh rangkaian penyearah
tegangan multiplier tersebut dimana analisanya dilakukan dengan program simulasi
yang menggunakan software Matlab/simulink.
1.2.
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas bahwa rangkaian penyearah satu phasa
akan menghasilkan harmonisa dimana bentuk gelombang arusnya tidak sinusoidal
murni dan penggunaan filter single tuned dapat perbaiki THDi yang sesuai dengan
standar yang diizinkan. Oleh karena itu permasalahan yang akan diselesaikan dalam
penelitian ini adalah:
1.
Bagaimana menyeleksi komponen rangkaian tegangan multiplier yang
sesuai untuk tegangan tinggi power supply DC untuk tegangan output
19
DC maksimum sebesar 20 kV, sebagai tegangan input AC sebesar 220
volt?
2.
Bagaimana cara mendisain filter single tuned untuk mereduksi harmonisa
tegangan dan arus pada rangkaian penyearah tegangan multiplier 20 kV?
3.
Bagaimana hasil perbandingan sebelum dan sesudah pemasangan filter
single tuned pada rangkaian tersebut?
1.3.
Batasan Masalah
Agar tidak meluasnya permasalahan yang akan dibahas dalam upaya
mengurangi harmonisa pada rangkaian tegangan multiplier maka:
a.
Komponen rangkaian tegangan multiplier 20 kV yang terdiri dari dioda
penyearah dan kapasitor menggunakan komponen yang sama nilainya.
b.
Menganalisa distorsi harmonik yang dihasilkan dari rangkain tersebut
berdasarkan Standar IEC 61000-3-2.
c.
Meredam harmonisa dari THDi dan THDv dengan menggunakan filter
single tuned yang diizinkan.
1.4.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang rangkaian multiplier dan
mensimulasikan tegangan tinggi DC satu phasa dengan batas tegangan maksimum 20
20
kV DC serta menganalisa besar THDi dan THDv yang dihasilkan oleh rangkaian
multiplier.
1.5.
Manfaat Penelitian
Penelitian
ini
diharapkan
dapat
memberikan
kontribusi
terhadap
perkembangan sistem tenaga listrik HVDC yang menghasilkan harmonisa pada
tegangan satu phasa. Ini disebabkan karena beban satu phasa merupakan beban yang
terbanyak terpasang di jaringan. Untuk jaringan yang banyak melayani beban maka
sangat sulit untuk mengurangi harmonisa yang ada, disamping biayanya cukup besar.
Oleh karena itu penelitian diharapkan dapat bermanfaat untuk:
a.
Memperkenalkan pembangkit tegangan DC dengan harmonisa yang
rendah dan faktor daya yang tinggi.
b.
Memperlihatkan besar kecilnya pengaruh harmonisa yang dihasilkan oleh
tegangan tinggi DC pada sistem. Dengan demikian diharapkan dimasa
yang akan datang pemakaian penyearah satu phasa rangkaian tegangan
multiplier dengan filter single tuned dapat mengurangi harmonisa dan
dapat digunakan secara luas.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Pemakaian daya listrik dengan beban tidak linier banyak digunakan pada
konsumen rumah tangga, perkantoran maupun industri seperti penggunaan rectifier,
converter, inverter, tanur busur listrik, motor-motor listrik, Uninterubtable Power
Supply (UPS) dan lain-lain. Dalam dunia industri daya listrik sebelum disalurkan ke
beban biasanya digunakan suatu konverter. Umumnya digunakan konverter ac-dc
satu phasa yang terdiri dari komponen penyearah dioda dan kapasitor. Jenis-jenis
penyearah seperti ini merupakan beban non linier, yang mengakibatkan bentuk
gelombang yang dihasilkan pada sisi masukan menjadi tidak sinusoidal murni. Akan
tetapi di dalam industri aplikasi utama dari tegangan tinggi DC yang digunakan untuk
menguji kabel dengan suatu kapasitansi yang relatif besar dengan arus yang kecil,
sedangkan arus yang lebih besar digunakan jika di tes dengan tegangan AC. Untuk
membangkitkan tegangan tinggi DC salah satu cara yang digunakan adalah rangkaian
tegangan multiplier yang digunakan pada pemakaian beban non linier atau beban
elektronika daya yang merupakan komponen atau peralatan listrik yang
membangkitkan harmonisa.
15
Harmonisa yang tinggi dapat menimbulkan beberapa kerugian, seperti:
penurunan kualitas sistem daya listrik yang mengakibatkan pemanasan pada
peralatan, penurunan faktor daya, naiknya distorsi terhadap input, kegagalan fungsi
dari peralatan elektronik yang sensitif, menurunkan efisiensi. Keberadaan harmonisa
ini yang sering dikenal dengan Total Harmonic Distortion (THD) pada kualitas daya
mempunyai batas sesuai dengan Standar Internasional IEC 61000. Batas THD yang
diizinkan pada tegangan individu sebesar 3% dan tegangan sistem 5%. Dalam
penelitian ini hasil yang diperoleh dengan simulasi Matlab/simulik THDi 41,09% dan
untuk THDv 1,67% dengan faktor daya 0,7. Diharapkan apabila THD melebihi batas
kerja yang di standarkan maka salah satu cara untuk meredam harmonisa dengan
menggunakan filter. Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya
untuk meredam harmonisa. Disini akan dibahas perancangan filter single tuned untuk
menanggulangi masalah yang terjadi.
Penelitian ini bermaksud merancang filter harmonisa jenis filter kapasitor
perata LC seri (single tuned) yang akan mereduksi atau mengurangi harmonisa.
Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam hal meredam
harmonisa dan sekaligus memperbaiki faktor daya. Penelitian yang sudah dilakukan
sebelumnya berkaitan mengenai filter untuk meredam hamonisa dengan berbagai
teknologi seperti: Marco Liserre dkk [1], menggunkan metode identifikasi harmonisa
dalam simulasi dan percobaan, jenis filter yang dirancang filter LCL pada sumber
tegangan converter (VSC) dan dari hasil percobaan didapat THD arus sebesar 3% dan
THD tegangan sebesar 1,4%. Darwin Rivas dkk [2], menggunakan metode
16
identifikasi harmonisa dengan simulasi menggunakan program Matlab/simulink jenis
filter yang dirancang filter pasif dan filter aktif dan hasil yang diperoleh sebelum
dipasang filter THDv sebesar 7,5%. Setelah dipasang filter aktif dan filter pasif
THDv menjadi 4,7%. Pranavi Chow [3], menggunakan metode identifiksi harmonisa
dengan simulasi program jenis filter yang dirancang penyearah satu phasa dengan
filter kapasitor perata, L-C seri, dan pasive wave shapping method. Hasil yang
diperoleh penyearah satu phasa ketika hanya menggunakan kapasitor perata
menghasilkan THDi yang cukup besar yaitu 23,6%, ketika menggunakan filter L-C
seri THDi menjadi 10%, dan ketika menggunakan filter passive wave shapping
method THDi menjadi 2,62%.
Nor Farahaida dkk [4], menggunakan metode identifikasi harmonisa dengan
simulasi menggunakan program Matlab/simuling, jenis filter yang dirancang filter
penyearah satu phasa menggunakan Hybrid Active Power Filter (HAPF) dan hasil
yang diperoleh besar THDi yang dihasilkan 3,5% dan dapat menaikkan faktor daya
dari 0,59 menjadi 0,99 (lagging).
Aintablian, dkk [5], membahas tentang pengurangan harmonisa rangkaian satu
phasa berdasarkan rangkaian voltage doubler dengan menggunakan saklar yang
dioperasikan pada frekuensi garis (line frequency). THD dari penyearah jembatan
sebelum dilakukan pensaklaran sebesar 69,5% setelah dilakukan pensaklaran pada
frekuensi garis THDnya turun menjadi 39,4%. Komponen arus harmonik ke 3
berkurang dari 0,615A menjadi 0.21 A dengan pengurangan sebesar 65,8%. Richard
Red dkk [6], didalam jurnalnya membahas tentang koreksi faktor daya berdasarkan
17
rangkaian voltage doubler tanpa peralatan saklar dan mereka menggunakan
penambahan induktor dan kapasitor untuk memperbaiki faktor daya. Pada sistem ini,
arus masukan dibagi menjadi dua periode, satu periode mengisi input kapasitor yang
kecil, satu lagi mengisi output kapasitor yang besar. Dengan membagi arus masukan
kedalam mode-mode yang berbeda, periode arus konduksi dapat dilebarkan dan
harmonisa dapat dibatalkan antara dua simpul. Berdasarkan penelitian mereka pada
rangkaian penyearah jembatan dengan LC koreksi faktor daya dimana induktor
dipasang seri pada sisi AC diperoleh PF sebesar 98,1%, dan THD sebesar 18,6%
dengan perincian komponen DC sebesar 7,1%, dan untuk distorsi harmonik ganjil
sebasar 8,8%. Pada rangkaian yang sama dipasang split kapasitor maka PF berubah
menjadi 98,3%, dan THD sebesar 16,9%.
Kenichiro Fujiwara, dkk [7], dalam paper mereka membahas tentang
peningkatan bentuk gelombang arus untuk rangkaian voltage doubler dimana input
tegangannya adalah 200 VAC. Mereka menggunakan filter LC untuk meningkatkan
bentuk gelombang arus line. Mereka mengikuti perinsip yang sama dari rangkaian
voltage doubler, tetapi kapasitor C1 dan C2 yang telah dipilih menjadi salah satu
alasan sehingga fungsi penguatan tegangan menjadi berkurang. Metode yang
diusulkan tampaknya sangat menarik untuk sebuah sumber AC (Air Conditioner) DC
dengan menggunakan komponen yang tidak mahal dan reliable. Maksimum faktor
daya yang diperoleh 98% sedangkan salah satu penyearah konvensional diperoleh
77%. Jadi terjadi perabaikan faktor daya sebesar 21%.
18
Yamamoto, dkk [8], mengusulkan metode koreksi faktor daya menggunakan
sebuah rangkaian penyearah voltage doubler tanpa alat switching. Metode ini
menggunakan sebuah penyearah voltage doubler, arus masukan dibagi menjadi dua
periode dimana satu periode mengisi input kapasitor yang kecil dan yang lain mengisi
keluaran kapasitor yang besar melalui sebuah filter kapasitor. Hasil percobaan mereka
diperoleh faktor daya sebesar 91,9% dengan efesiensi 94%.
Dari penelitian yang telah dilakukan tersebut dengan berbagai teknologi
sehingga menghasilkan nilai yang sangat bervariasi dalam meredam harmonisa.
Dalam penelitian ini akan dilakukan penggunaan filter single tuned pada penyearah
satu phasa pada rangkaian tegangan multiplier 20 kV untuk meredem harmonisa yang
terjadi sehingga dapat mengurangi THDi yang dihasilkan oleh rangkaian penyearah
tegangan multiplier tersebut dimana analisanya dilakukan dengan program simulasi
yang menggunakan software Matlab/simulink.
1.2.
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas bahwa rangkaian penyearah satu phasa
akan menghasilkan harmonisa dimana bentuk gelombang arusnya tidak sinusoidal
murni dan penggunaan filter single tuned dapat perbaiki THDi yang sesuai dengan
standar yang diizinkan. Oleh karena itu permasalahan yang akan diselesaikan dalam
penelitian ini adalah:
1.
Bagaimana menyeleksi komponen rangkaian tegangan multiplier yang
sesuai untuk tegangan tinggi power supply DC untuk tegangan output
19
DC maksimum sebesar 20 kV, sebagai tegangan input AC sebesar 220
volt?
2.
Bagaimana cara mendisain filter single tuned untuk mereduksi harmonisa
tegangan dan arus pada rangkaian penyearah tegangan multiplier 20 kV?
3.
Bagaimana hasil perbandingan sebelum dan sesudah pemasangan filter
single tuned pada rangkaian tersebut?
1.3.
Batasan Masalah
Agar tidak meluasnya permasalahan yang akan dibahas dalam upaya
mengurangi harmonisa pada rangkaian tegangan multiplier maka:
a.
Komponen rangkaian tegangan multiplier 20 kV yang terdiri dari dioda
penyearah dan kapasitor menggunakan komponen yang sama nilainya.
b.
Menganalisa distorsi harmonik yang dihasilkan dari rangkain tersebut
berdasarkan Standar IEC 61000-3-2.
c.
Meredam harmonisa dari THDi dan THDv dengan menggunakan filter
single tuned yang diizinkan.
1.4.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang rangkaian multiplier dan
mensimulasikan tegangan tinggi DC satu phasa dengan batas tegangan maksimum 20
20
kV DC serta menganalisa besar THDi dan THDv yang dihasilkan oleh rangkaian
multiplier.
1.5.
Manfaat Penelitian
Penelitian
ini
diharapkan
dapat
memberikan
kontribusi
terhadap
perkembangan sistem tenaga listrik HVDC yang menghasilkan harmonisa pada
tegangan satu phasa. Ini disebabkan karena beban satu phasa merupakan beban yang
terbanyak terpasang di jaringan. Untuk jaringan yang banyak melayani beban maka
sangat sulit untuk mengurangi harmonisa yang ada, disamping biayanya cukup besar.
Oleh karena itu penelitian diharapkan dapat bermanfaat untuk:
a.
Memperkenalkan pembangkit tegangan DC dengan harmonisa yang
rendah dan faktor daya yang tinggi.
b.
Memperlihatkan besar kecilnya pengaruh harmonisa yang dihasilkan oleh
tegangan tinggi DC pada sistem. Dengan demikian diharapkan dimasa
yang akan datang pemakaian penyearah satu phasa rangkaian tegangan
multiplier dengan filter single tuned dapat mengurangi harmonisa dan
dapat digunakan secara luas.