Ies.2002

Teknik Perbaikan Kualitas Daya pada Penyearah Terkontrol 3 Fasa dengan Menggunakan Sistem Simetri dan Injeksi Harmonisa Ketiga.

Yahya C. A Yahyaca@Yahoo.com

Agus Indra G Andawan@flashmail.com

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Abstraksi

Pada penelitian ini, dibahas teknik pengurangan kadar harmonisa pada arus input suatu penyearah terkontrol jenis jembatan tiga fasa-6 pulsa dengan komponen GTO. Penyearah jenis ini adalah penyearah simetris dimana besarnya saat penyalaan SCR α simetris dengan saat pemadaman π- α . Dengan menggunakan trafo hubungan Y/D tanpa beban yang ditempatkan antara sisi input ac dan output dc maka kandungan harmonisa pada sisi input dapat dikurangi. Pengurangan kadar harmonisa yang dikandung oleh arus input penyearah dilakukan dengan cara menginjeksi harmonisa ketiga ke dalam arus input tersebut. Harmonisa ketiga ini terbentuk dengan sendirinya karena adanya penyearah jembatan tiga fasa tersebut. Kemudian arus harmonisa ketiga ini disalurkan melalui induktansi L variabel, terus ke belitan bintang pada masing-masing fasa, dan akhirnya diinjeksikan ke arus input. Dengan adanya injeksi arus tersebut diperoleh hasil, kandungan harmonisa pada arus input akan berkurang dari THD= 20.9 % (sebelum diinjeksi) menjadi THD= 3.4 % (setelah dilakukan injeksi) pada beban dan tegangan yang sama. Bentuk gelombang arus input mendekati sinusoidal. Sedangkan faktor daya dapat diperbaiki dengan menggunakan penyearahan jenis simetris karena Displacement Factor (DF) dapat diperkecil dimana α lebih kecil bila dibandingkan dengan penyearahan menggunakan SCR pada rated tegangan output yang sama. Perbaikan faktor daya dari PF= 0.88 lag , menjadi PF= 0.94 lag dan mengurangi kerugian daya sebesar 6.21%. Penggunaan trafo Y/D yang dipakai untuk melakukan injeksi arus dalam keadaan tidak berbeban, maka ukuran dari trafo untuk injeksi adalah setengah dari daya total. Hal ini akan menghasilkan suatu sistem yang murah. Kata kunci : arus input, harmonisa, SCR, GTO. 1. Pendahuluan Tenaga listrik memegang peranan yang penting dalam industri. Seringkali bahwa arus dikontrol dahulu sebelum diberikan ke beban. Untuk mengontrol tenaga listrik diperlukan suatu konverter. Misalnya untuk mengatur kecepatan putar motor DC, maka tenaga listrik AC harus diubah menjadi tenaga listrik DC dengan tegangan yang variable melalui konverter yang berupa penyearah. Penggunaan konverter menyebabkan arus input sumber yang nonsinusoidal. Bentuk gelombang yang seperti ini

apabila diuraikan akan mengandung beberapa nilai harmonisa. Kandungan harmonisa yang tinggi dalam sistem tenaga listrik sangat merugikan antara lain adalah menurunkan power faktor pada sistem tenaga, noise pada sistem informasi dan peralatan elektronik, panas pada motor, dan bisa menyebabkan salah operasi pada sistem pengaman seperti halnya rele trip dengan sendirinya dan kesalahan pembacaan meter. Harmonisa ini dapat dihilangkan dengan menggunakan beberapa metode antara lain menggunakan injeksi arus, menggunakan hubungan delta-bintang pada transformator, dan menggunakan filter untuk menyaring harmonisa yang tidak diinginkan. Pada penelitian kali ini menggunakan metode yang lain yaitu dengan menggantikan piranti dari konverter asimetris yang berupa SCR dengan piranti GTO yang menghasilkan sistem konverter simetris untuk memperbaiki power factor, dan menggunakan metode injeksi arus menggunakan hubungan trafo Y/D untuk memperbaiki nilai kandungan harmonisa seperti yang dikembangkan oleh Kim [10] dan Enjeti [9]. 2. Tinjauan Pustaka Harmonisa dapat dieliminir dengan cara menambahkan arus harmonisa pada power line yang bentuknya persegi . Seperti yang diusulkan oleh Bird [11] kemudian digeneralisir oleh Ametani [12] yang memperkenalkan bahwa arus harmonisa ke 3 yang diinjeksikan pada bentuk gelombang persegi akan menghasilkan bentuk gelombang sinus. Keuntungan dari cara ini adalah impedansi dari sistem bukan merupakan kriteria dari desain. Sedangkan kerugiannya adalah kesulitan untuk mewujudkan sumber harmonisa ke 3 yang sinkron dengan tegangan sumber. Kemudian Kim dan kawan-kawan [10] membuat sinkronisasi sumber harmonisa ke 3 yang disuplaikan melalui Netral trafo Y/D ke dalam power line, sedangkan Enjeti [9] membuat aktif power filter untuk memproduksi arus harmonisa ke 3 kemudian diinjeksikan ke power line melalui trafo Y/D. Pereduksian dengan cara ini dapat menekan harmonisa dengan total harmonic distorsion (THD) sampai 4%. Yahya [8] mengembangkan teknik injeksi dengan menggunakan trafo Z/D tanpa beban untuk pereduksian harmonisa arus input pada penyearah jembatan tiga phasa. Hasilnya akan mereduksi harmonisa sampai 3,5 %.

1

Ies.2002

3. Sistem Konfigurasi 3.1 Konsep dan blok diagram Blok diagram dari sistem yang dikembangkan, berfungsi untuk mengurangi kadar harmonisa dalam suatu sistem dengan beban yang mendapatkan daya melalui konverter ac-dc, seperti terlihat pada gambar 3.1. Gambar 3.1 Skema pemasangan rangkaian pengurang harmonisa pada konverter dalam jaringan 3.2 Skema dari trafo Y/D dan konverter ac- dc simetris tiga phasa Diagram dari sistem dengan trafo Y/D terlihat pada gambar 4.2. Beban dari penyearah jembatan tiga phasa dihubungkan dengan 2 buah kapasitor yang sama besarnya, yang terhubung dalam seri. Sisi primer dari trafo terhubung dalam Y, dihubungkan ke sisi ac dari penyearah jembatan tiga phasa, dan titik netralnya dihubungkan dengan titik e (titik tengah antara dua kapasitor) melalui inductor yang variable. Tegangan antara titik e dan N hanya terdiri dari harmonisa ke tiga. Karena itu arus If yang mengalir dari e ke N hanya mengandung harmonisa ke tiga saja. Arus harmonisa ke tiga inilah yang diinjeksikan ke sisi ac dari jembatan tiga phasa.

Gambar 3.2 Rangkaian Pereduksi Harmonisa menggunakan trafo Y/D dan piranti GTO pada konverter 3.3 Prototipe dari Sistem Untuk membuktikan keberhasilan dari metode diatas, telah dilakukan pula pengecekan terhadap perangkat keras yang merupakan prototype

dari sistem diatas. Adapun dasar dari sistem diatas adalah : a. Tegangan jala-jala : Vab = 380 volt b.Pout = 6 kW c.Tegangan penyearah output rata-rata diatur sudut

penyalaannya α sehingga menghasilkan tegangan dc output 450V

Y

Zin I VT IL

IK

ZK

ZL

If

d.Rating dari trafo adalah setengah dari daya total.

Belitan primer hubungan Y trafo dihubungkan dengan input penyearah dan titik netralnya dihubungkan dengan variable inductor untuk sirkulasi harmonisa ketiga. Arus yang masuk pada masing-masing belitan primer besarnya adalah If/3. Untuk sisi sekunder dihubungkan delta dan tidak dibebani.

Bila tegangan primer adalah Vab, arus dalam sisi primer adalah

I = 1/3 If (3.1)

Jadi daya dalam trafo : S = √ 3 Vab I VA (3.2) Bila persamaan 3.1 disubstitusikan ke persamaan 3.2 diperoleh : S = ( Vab If ) / √ 3 (3.3) Jika If = Io, dari persamaan 3.3 didapat rating daya trafo = 0.4276 unit. e. Kapasitor. Kapasitor yang tersedia dalam ukuran-ukuran yang standar sehingga untuk dapat mengatasi tegangan lebih dan untuk memperoleh kapasitas yang diharapkan maka harus disusun secara paralel atau seri. Pertimbangan pemilihan kapasitor adalah sebagai berikut :

Io

1. Koefisien temperatur terhadap kapasitansi. Ia

2. Daya reaktif perunit volume 3. Rugi daya Ib 4. Kelayaan dan daya tahan 5. Harga Ic

Pada rangkaian ini dibutuhkan kapasitor yang memiliki koefisien temperatur yang rendah, untuk menghindari perubahan penalaan yang disebabkan oleh perubahan kapasitansi akibat perubahan suhu lingkungan atau akibat pemanasan sendiri dari kapasitor.

If

Selain itu juga perlu diperhatikan bahwa pengoperasian sedikit diatas tegangan kerja yang diijinkan dalam jangka waktu yang lama harus dihindarkan untuk menghindari kerusakan dielektrik akibat panas. Pengoperasian pada tegangan yang lebih tinggi lagi, walaupun dalam waktu yang singkat dapat mengakibatkan kerusakan pada dielektrik, sehingga akan

2

Ies.2002

terjadi ionisasi. Tegangan kapasitor untuk percobaan dinyatakan oleh persamaan : Vcap = V0/2 + If/2 1/3ωC (3.4) Dari persamaan 3.4 dan sesuai dengan tersedianya kapasitor dipasaran maka dipilih : Kapasitansi = 135 μF Tegangan = 400 V Toleransi = ± 5% Temperatur = 50o C f. Induktor Induktor yang digunakan pada rangkaian filter harus dirancang dengan anggapan bahwa inductor akan bekerja pada frekuensi tinggi, untik itu dipilih sedemikian rupa sehingga kerugian akibat hysterisis, arus Eddy, dan kejenuhan inti diabaikan, sehingga digunakan inductor yang menggunakan inti non magnetic. Ukuran dari inductor tergantung pada arus rms maximum, besarnya inductor yang digunakan ditentukan sebagai berikut. Tegangan Vdn adalah : Vdn = If/2 X (3.5) Bila diset If = 0, maka Xf adalah tak terhingga. L yang digunakan dalam percobaan ini adalah tipe decade inductor dengan data sebagai berikut : Range inductor 0 – 15 mH 10 x 0 – 15 mH 100 x 0 – 15 mH tegangan : 300V arus max : 10 A. g. Penyearah dengan GTO Pada konverter AC to DC gelombang penuh tiga phasa ini sebagai komponen penyearah simetris adalah GTO dengan spesifikasi 20A, 600Volt. Jika φ adalah sudut yang dibentuk antara komponen fundamental arus dan tegangan masukan, dan sudut φ disebut displacement angle, maka faktor displacement didefinisikan

DF = cos φ Faktor harmonisa (harmonic factor) arus masukan didefinisikan

HF = 11

22 )(

s

ss

III

cos φ =

2/1

1

1⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

s

s

II

(3.6)

dengan Is1 adalah komponen fundamental arus masukan Is. Kedua Is dan Is1 dinyatakan dalam rms. Faktor daya masukan didefinisikan

PF = ss

ss

IVIV 1 cos φ =

1s

s

II

cos φ. (3.7)

h. Arus Input penyearah, Isa Setelah adanya injeksi arus If, maka arus input dari penyearah jembatan tiga phasa dinyatakan oleh persamaan : Isa (ωt) = (0.096 If + 1.07 I0) sin (ωt) + (0.243 If – 0.252 I0) sin (5ωt) + (0.130 If – 0.140 I0) sin (7ωt) + (-0.057 If – 0.075 I0) sin (11ωt) + (0.042 If – 0.057 I0) sin (13ωt) + …[10] (3.8) Dimana If adalah nilai rms dari arus harmonisa ketiga yang bersirkulasi. Dar persamaan 3.8 dengan harga arus beban tertentu I0, dan dengan memilih harga If tertentu, arus harmonisa ke-5, ke-7, ke-11 dan ke-13 dapat dikurangi. 3.4 Hasil Analisa dan Pengukuran Harmonisa yang timbul pada arus Isa untuk semua kondisi, dihitung dengan menggunakan program computer untuk analisa fourier[3] maka didapat hasil-hasil seperti pada table 3.1. Tabel 3.1 Perubahan kandungan harmonisa pada arus input (SCR)

Arus Harmonisa Isa (%) Menggunakan Trafo Y/D dengan SCR

Nomo

r Harmo

nik

If/Io=0,85

If/Io=0,90

If/Io=1,00

If/Io=1,10

If/Io=1,15

1 100.00

100.00 100.00 100.00 100.00

2 0.30 0.89 0.80 0.77 0.93 3 1.07 0.85 0.95 0.57 1.18 4 1 0.55 0.84 0.67 0.69 5 12.94 12.58 2.25 12.61 13.25 6 0.65 0.47 0.88 0.39 0.57 7 5.70 6.14 2.75 6.16 5.20 8 0.55 0.25 0.94 0.28 0.26 9 0.86 0.21 1.07 0.36 0.85

10 0.35 0.43 0.96 0.46 1..06 11 3.38 2.57 2.23 2.69 3.53 12 1.02 0.41 0.92 0.39 1.28 13 1.43 1.33 0.17 1.42 1.10

Tabel 3.2 Perubahan kandungan harmonisa pada arus input (GTO)

Arus Harmonisa Isa (%) Menggunakan Trafo Y/D dengan GTO

Nomo

r Harmo

nik

If/Io=0,85

If/Io=0,90

If/Io=1,00

If/Io=1,10

If/Io=1,15

1 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 2 0.29 0.88 0.78 0.75 0.92 3 1.05 0.83 0.94 0.56 1.16 4 0.98 0.52 0.82 0.64 0.67 5 12.92 12.57 2.23 12.59 13.24 6 0.63 0.45 0.87 0.38 0.56 7 5.68 6.13 2.73 6.14 5.18 8 0.54 0.23 0.92 0.27 0.24

3

Ies.2002

9 0.84 0.20 1.05 0.34 0.83 10 0.33 0.41 0.94 0.44 1..05 11 3.36 2.56 2.21 2.67 3.52 12 1.00 0.40 0.91 0.37 1.26 13 1.41 1.31 0.15 1.41 1.08

Pada tabel tampak bahwa harmonisa yang dikandung arus Isa pada saat rangkaian konverter menggunakan SCR tanpa trafo adalah lebih besar. Besarnya kandungan harmonisa (THD) adalah 20.9%. Kemudian setelah rangkaian konverter menggunakan GTO dipasang trafo Y/D, maka mengalirlah arus injeksi If ke sumber. Dengan mengatur arus injeksi If melalui inductor L diperoleh hasil pengurangan kadar harmonisa pada arus Isa. Harga yang paling baik diperoleh pada saat setting If = I0 , dan kadar harmonisa setelah dihitung besarnya sama dengan 3.4%. Jadi dengan memasang trafo Y/D dan menggunakan piranti GTO pada konverter tiga phasa maka terjadi penurunan THD dari Isa yang sangat drastis (lihat table 3.2). Tabel 3.3 Perubahan THD

THD setelah diinjeksi konverter menggunakan

GTO Konverter

menggunakan SCR 3.4% 3.9%

3.5 Faktor Daya Tabel 3.3 menggambarkan perubahan factor daya, pada saat rangkaian penyearah tanpa trafo, dan rangkaian penyearah dengan trafo. Tabel 3.4 Perubahan power faktor

No

Jenis

Percobaa

n

Tegangan input VL-L t rms

Tegangan Outp

ut (rms)

Arus input rms

Daya aktif

Factor

daya

I

1 2 3 4 5

Trafo Y/D PercobaanIf/Io=0,85 PercobaanIf/Io=0,90 PercobaanIf/Io=1,

373,

786

373,

786

373,

786

373,

786

373,

786

450

450

450

450

450

7,89

4

7,93

0

7,42

0

7,64

5

7,24

8

4500

4520

4229

4358

4131

0,881

7

0,881

7

0,881

7

0,881

7

0,881

7

00 PercobaanIf/Io=1,10 PercobaanIf/Io=1,15

II

1 2 3 4 5

Trafo Y/D PercobaanIf/Io=0,85 PercobaanIf/Io=0,90 PercobaanIf/Io=1,00 PercobaanIf/Io=1,10 PercobaanIf/Io=1,15

373,

798

373,

786

373,

786

373,

786

373,786

450

450

450

450

450

7,89

4

7,93

0

7,42

0

7,64

5

7,24

8

4798

4819

4510

4646

4405

0,940

0

0,940

0

0,940

0

0,940

0

0,940

0

Ket : I. Memakai SCR II. Memakai GTO Pada tabel tampak bahwa factor daya dari rangkaian menggunakan SCR rata-rata lebih kecil dari pada menggunakan GTO sebagai penyearahnya. Hal ini disebabkan karena bentuk gelombang dari arus Isa menggunakan GTO mempunyai displacement factor cos φ1 yang cukup besar terhadap tegangan suplai.

4

Ies.2002

3.6. Daya (power) Besarnya perubahan daya pada rangkaian penyearah menggunakan GTO dibandingkan dengan menggunakan SCR mampu menekan daya sampai dengan 6.21%. 3.7 Perbandingan harmonisa yang dihasilkan Melalui analisa maka dihasilkan harmonisa anta menggunakan SCR dan GTO sebagai berikut dibawah.

Gambar 3.3 Spektrum harmonisa arus menggunakan GTO Harmonisa menggunakan GTO pada arus input pada saat α = 10o dan β = 170o, Vdc = 450V, spectrum arus harmonisa f1=7; f3=2; f5=1,15; f7=0,8; f9=0,64.

Gambar 3.4 Spektrum harmonisa arus menggunakan SCR

Gambar 3.5 Arus Input setelah diinjeksi Harmonisa menggunakan SCR pada arus input pada saat α = 20o, Vdc = 450V, arus spectrum harmonisa f1=7,5; f3=2,11; f5=1,16; f7=0,72; f9=0,56.

Dengan tegangan DC yang sama, GTO bisa menghasilkan bentuk yang lebih baik, apalagi jika GTO diberi sudut penyalaan yang lebih kecil. 4. Kesimpulan Dari hasil-hasil pembahasan sebelumnya dapat disimpulkan bahwa: 1. Pemakaian konventer mengakibatkan timbulnya harmonisa pada jaringan, dan apabila jaringan ini dihubungkan dengan beban-beban lain, maka akan mengganggu beban tersebut. Demikian pula bila diterapkan pada jaringan distribusi 4 kawat, maka harmonisa yang ditimbulkan oleh konverter tersebut akan mempengaruhi kawat nol.

Arus

2. Harmonisa timbul pada sisi suplai ac maupun sisi beban dc, namun karena sisi dc biasanya dipakai untuk memikul beban yang cukup besar dan mengandung komponen L yang besar, misalnya motor-motor dc, maka arus dc akan tetap rata sehingga tidak menimbulkan pengaruh harmonisa. Sehingga yang perlu diperhatikan adalah pada sisi suplai ac yang yang biasanya terhubung dengan jaringan lain.

Frekuensi (Hz)

3. Pengurangan harmonisa dengan metode injeksi harmonisa ketiga melalui trafo Y/D mampu mereduksi kandungan harmonisa arus input, dari THD = 20.9% (tanpa trafo) menjadi THD = 3.4% pada saat If = I0. Sedangkan perrbandingan bila menggunakan piranti SCR dan digantikan dengan menggunakan GTO pada konverter maka akan diperoleh efisiensi daya sebesar 6,21%

Arus

4. Pada metode ini, dengan mengatur arus if pada gambar 4.2 akan didapat harga factor daya yang bervariasai, paling baik adalah pada saat if / io =1 yaitu sebesar 0.94. Ini berarti ada perbaikan factor daya dari 0.88 (tanpa trafo) menjadi 0.94 (dengan trafo). 5. Dengan adanya perbaikan factor daya input karena menggunakan piranti GTO sebagai pengganti SCR, maka dapat menekan kerugian daya 6,21%.

Frekuensi (Hz)

5. Pustaka [1] J.ARRILAGA, D.A.BRADLEY and P.S.

BODGER, Arus

“Power System Harmonics”, John Wiley & Sons, 1985. [2] MUHAMMAD H. RASYID, “power Electronics Circuit Devices and

Application, Second Edition”, Prentice-hall International,Inc,1993 [3] CARL EINCHENAUER, “Power Electronic and RF Power System

Analysis”, Frekuensi (Hz)

Prentice-hall International,Inc,1993 [4] NED MOHAN, TORE M. UNDELAND AND

WILLIAM P. ROBBINS, ”Power Electronics : Conventers , Application

and Design”, John Wiley & Sons,1989

[5] m.e. VAN VALKENBERG, analog filter design, CBS college publishing,

1982

5

Ies.2002

[6] KLEMENS HEUMANN, basic principles of power electronics, springer - verlag berlin Heidelberg 1986, Printed in Germany.

[7] WILLIAM A. GREIGER, magnetic amplifier circuit : basic principles,

characteristics and application,second edition,Mc Graw-Hill Book Company,inc.1957

[8] YAHYA CHUSNA ARIF, Rancang Bangun DC Power Suplai 3 Phasa Dengan Harmonisa Rendah

[9] PRASAD N. ENJJETI, WAJIHA SHIREN, member IEEE and PAUL PACKEBUSH, IRA J. PITEL, senior member IEEE, analysis and design of a new active power filter to cancel neutral current harmonics in three-phase four wire electric distribution system, IEEE transaction on industry application, vol. 30, no. 6, November/December 1994

[10] SIKYUNG KIM, member IEEE, PRASAD N. ENJETI, member IEEE and PAUL PACKEBUSH, IRA J. PITEL, senior member IEEE

[11] BIRD, B.M, MARSH, J.F and Mc. LELLAND, P.R. “Harmonic Reduction Multiplex Convertors by Triple Frequency Current Injection”.

[12] AMETANI, A. “Generalized Method of Harmonic Reduction in AC-DC Converter by Harmonic Current Injection”

6