Volume XLVll,No.2,
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Performasi Filter Pasif
Agustus 2011, pp 66-71
PENGGUNAAN FILTER HYBRID UNTUK MENINGKATKAN PERFORMANSI FILTER PASIF (The Use of Hybrid Filter to Increase the Performance
of Passive Filters)
Oleh : M. Marhaendra Ali ABSTRAK Kajian ini adalah tinjauan untuk analisa performansi dari filter hybrid dengan menggabungkan filter pas if dan filter aktif secara seri. Analisis dilakukan dengan mengevaluasi pengaruh dari perubahan paremeter filter pas if dan pengaruh perubahan penguatan dari filter aktif terhadap performansi kompensasi dari bentuk filter hybrid. Performansi kompensasi diukur dengan mengevaluasi attenuasi faktor pada sistem distribusi yang membangkitkan beban non linear daya tinggi dengan filter pasif kemudian performansinya ditingkatkan dengan menghubungkan seri dengan filter aktif. Akhimya, kerakteristik kompensasi dari bentuk hybrid ini diuji pada 10-kV_A. •••
Kata Kunci : Filter aktif, filter pas if, filter hybrid, faktor. attenuasi ABSTRACT This review will describe the performance analysis of hybrid filter by combining passive filters and active filters in series. The analysis was done by evaluating the effect of the change of passive filter parameters and the effect of the change of enforcement of active filter to the compensation performance of the hybrid filter's shape. The Compensation Perfonnace is measured by evaluation the attenuation factor in the distribution system that generates high power non-linear load with the passive filter and then the performance is increased by relating the filters to active filters in a series circuit. In the end, the compensation characteristic of this hybrid form is tested at 10-kVA. Keywords: active filters, passive filters, hybrid filters, attenuation factor. PENDAHULUAN Filter pasif telah digunakan sebagai alternatif solusi untuk menghilangkan arus harmonisa dan perbaikan faktor daya. Pada umumnya, filter pasif telah digunakan untuk meminimalkan arus harmonisa frekuensi rendah dengan unit high pass dihubungkan ke komponen arus frekuensi tinggi. Filter high-pass memiliki kekurangan karena terhubung dengan resistansi yang terhubung seri dengan induktor, akibatnya loses pada filter semakin meningkat dan dapat mengurangi efektifitas filter pada frekuensi yang dituning.
Berita Litbang Industri
Filter pas if memiliki kekurangan secara teknis. Filter ini tidak dapat dimodifikasi karakteristik kompensasiflya mengikuti perubahan dinamik dari beban non linear, performansinya tergantung parameter sistem dan kemungkinan terjadinya seri resonansi dengan reaktasi ekivalent pada sistem. Kekurangan lainnya yakni memiliki batas toleransi yang sangat kecil pada nilai L dan C. Perubahan yang sedikit pada nilai L dan C akan mengubah frekuensi resonansi filter. Sebagai contoh, untuk perubahan 5% dari nilai L atau C pada second-order LC 250 Hz (harmonisa kelima) akan mengubah frekuensi resonansi sebesar 7%, sehingga akan mempengaruhi perfor-
66
Volume XLVll,No.2,
Agustus 2011, pp 66-71
mansi kompensasi arus harmonisa. Dan juga filter pasif menghasilkan frekuensi reaktif power yang dapat mengubah pengaturan tegangan sistem, sehingga jika filter ini tidak didesain dengan baik atau tidak terhubung selama kondisi operasi beban
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
maka overvo/tage dapat terjadi pada terminalnya. Bentuk hybrid dapat meningkatkan karakteristik performansi dari filter pasif, sehingga kekurangan dari filter pasif dapat dihilangkan dengan menambahkan filter aktif yang terhubung seri dengan filter pasif.
Non~n_l LOIIId
.Actlv. Power Filter
PRINSIP OPERASI Filter hybrid aktif pada paper ini
ditunjukkan pada gambar 1. dan diaplikasikan dengan operasi tiga phasa PWM Voltage Source Inveter pada frekuensi switching filter aktif yang telah ditentukan yang kemudian filter ini terhubung seri dengan pasif fiter melalui sebuah transformer. Pada dasarnya, aktif power filter berfungsi untuk pengontrol voltage source dan membuat arus line menjadi sinusoidal pada phase yang berhubungan dengan tegangan phasa ke netral melalui penekanan semua arus harmonisa yang mengalir melalui hybrid. Dengan kata lain, karena filter aktif dihubungkan seri melalui trafo, dimana filter aktif ini akan mengubah sinyal tegangan pada 'terminal primer yang akhirnya mengalir ke filter pasif sehingga akan dapat meningkatkan karakteristik kompensasi dari filter pasif. Prinsip opersi dari filter hybrid memiliki dua fungsi yakni sebagai
Berita Litbang Industri
kompensasi arus harmonisa dan sebagai koreksi faktor daya. Seperti dijelaskan pada bagian berikut.: Kompensasi Arus Harmonisa
Pada kompensasi arus harmonisa, filter aktif berfungsi untuk meningkatkan performansi karakteristik filter dengan mengubah bentuk gelombang tegangan harmonik pada terminalnya dengan amplitudo sebagai -.....berikut: " V(~h == K .'Ish
(1)
dimana : Ish adalah arus harmonisa yang akan dikompensasi dan K adalah gain filter aktif. Jika tegangan ac adalah murni sinusiodal, ratio antara komponen harmonik dari arus beban non liner dan komponen harmonik dari arus line (attenuasi faktor) didapatkansebagi berikut: (2)
67
Volume XLVll,No.2,
Agustus2011,
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
pp 66-71
Dari persamaan 2, terlihat bahwa attenuasi faktor menentukan karakteristik dari hybrid (lstJILh), yang tergantung pada nilai impedansi filter pas if ZF, gain filter aktif K, dan impedansi sistem Zs. Untuk meningkatkan attenuasi faktor (performansi yang lebih baik) maka K harus ditingkatkan karena nilai Zs dan ZF bemilai konstan. Power Faktor Koreksi Filter hybrid dapat digunakan untuk mengontrol power faktor koreksi pad a beban. Pada kenyataannya koreksi faktor daya dapat diatur dengan mengontrol drop tegangan dasar pada capasitor filter pasif Vc. Untuk melakukan hal ini tegangan V AF dan tegangan capasitor dibangkitkan pada bagian primer trafo, sehingga diperoleh :
'i~_\,..= /3 . liN./-'·
(3)
Pada sisi lain, pada frekuensi fundamental impedansi filter pasif adalah capasitive, dan tegangan pada filter hybrid adalah : VHF
=
'V"(-
+ V.u·
(4)
o dengan didefenisikan
Faktor· tuning resonansi frekuensi sebagai: ti
=
w -
w',-
w,.
dimana ro adalah frekuensi resonansi filter pasif dan coradalah nilai desain. Pengaruh Faktor Quality dari Filter Pasif Parameter yang paling pen'ting yang harus dipertimbangkan dalam desain filter pasif dan memiliki pengaruh yang kuat dalam performansi kompensasi adalah faktor quality Q. Faktor quality filter pas if didefinisikan sebagai berikut : -
1
ILl
q=R\/C
J"
~
f
dimana Rt, Lt dan er adalah resistansi, induktor, dan kapasitor filter pasif. Jika nilai Q kecil maka impedansi yang besar untuk arus harmonisa dengan frekuensi yang tidak sama dengan frekuensi resonansi. Nilai R dan C harus diperbesar untuk membuat bandwith filter supaya lebih lebar. Akan tetapi dengan bertambahnya Rf dan er maka biaya dan loses makin besar.
hal ini menunjukan bahwa tegangan pada kapasitor CF dapat berubah dengan mengatur amplitudo tegangan keluar dari filter aktif. Arus fundamental yang diperoleh adalah sebagi berikut : .
d'lie
I
d _
'r = C'T = Crdi I ilH ,
i
. _
-lroH') -
.
I
dlil1F
11- diG,_ lit liJ
PERFORMANSI OARI FILTER HYBRID Kompensasi arus harmonisa dldapatkan dengan mengurangi impedansi filter hybrid dan memaksa aeus harmonisa mengalir ke impedansi rendah. Bandwidth Hybrids filter tergantung pad a parameter filter pasif dan pada gain K filter aktif. Nilai impedansi pasif filter pad a frekuensi resonansi tergantung pada faktor tuning o. Berita Litbang Industri
OL--1~OO-----~~D~~~~~~4no FreQuency
Gah1bar 3 Response freRuensi filter pasif terhadap impedansi untuk nilai faktor quality yang berbeda Dari gambar 3 terlihat bahwa nilai Q yang besar akan diperoleh bandwith yang lebih besar dan impedansi yang rendah pada frekuensi resonansi, sehingga attenuasi faktor dari arus harmonisa akan meningkat. Sedangkan jika Q rendah akan mengurangi bandwith filter pasif dan menigkatkan impedansi resonansi, yang mengakibatkan meningkatnya amplitudo
68
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66·71
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Perfonnasi Filter Pasif
tegangan pada filter aktif untuk men~ jaga keefektifan untuk kompensasl yang sama.
I~..,....(r.
THD-i
= ...:..._I~-_' V
z ,.
Lit .
z-,,+Z,.-+K
*
)2 _
[51
Pengaruh Penguatan Filter Aktif
Dari persamaan diatas terlihat bahwa Total Harmonik Distortion dari arus line akan berkurang jika K bertambah. Untuk memperoleh perbaikan yang baik maka K yang digunakan lebih besar dari 15.
Nilai K yang besar akan meningkatkan kompensasi dari filter aktif dengan mengurangi impedansl ekuivalent untuk nilai yang ferkuensi yang berbeda, sehingga akan memperlebar bandwidth pada filter. Pada gambar 4 terlihat bahwa pengaruh dari nilai faktor quality yang rendah dari filter pasif dapat dikompensasi dengan mengubah nilai penguatan filter aktif K. Dengan nilai K yang besar (K>15) akan dapat meningkatkan performansi kompensasi.
20
O.~,--~-~~~-~----~ 5 10' 15 20 25 u
K
Gambar 5 THD terhadap penguatan filter aktif K Pengaruh dari Impedansi Sistem Jika impedansi sistem lebih rendah dibandingkan dengan impedansi filter pas if pada frekuensi resonansi, maka arus harmonik beban akan mengalir pada sistem. Untuk mengurangi pengaruh negatif inl maka nilai K harus ditingkatkan.
(a)
_O'6~K"20 C!; ~04. e
.
.
jO.2[
~
Q-20 _
--.
-
~._--
o
. 1DO
20D
:!lOO
400
Frequency
500
600
Pengaruh dari Komponen Filter Pasif THD akan berkurang dengan bertambahnya nilai er dan Rf. Dengan Bertambahnya nilai Cl reaktif power yang dihasilkanlebih besar overloading filter hybrid dan akan menyebabkan masalah voltage regulation.
(c)
Gambar 4 Response frekuensi filter hybrid untuk nilai K yang berbeda. (a). Response frekuensi filter pasif (b). Response frekuensi hybrid dengan K=S. (c), Response frekuensi hybrid dengan K=20. 00
THD dari arus line pada nilai K adalah sebagai berikut :
Berita Litbang Industri
5
10 K 15
20
25
Gambar 6 THD terhadap K untuk nilai capasitor yang berbeda.
69
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Performasi Filter Pasif
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66-71
20.---------------, 15
"· .-" -.
Cl
~10
i
":":
,-"
.
,
o L..-_-"' o 5
--'"' __ 15
10 K
.
---" 20
Gambar 7 THD terhadap K untuk nilai Resistansi yang berbeda.
IilEIU:R
I
1200A
I
: rl~---' i.-.....,.~.r-: !
,,:
•. f ~-;
,
'S¥c_.
'
DAFTAR PUSTAKA
eets~J("" 18MW
Hybr:td Power Filter
dengan nilai parameter pada filter pasif sebagai berikut : L(mH) S~tem
f,' ilarm_ fillet
rn-~;m:filler 11"' berm, Filler
rrn flarm. Filter 17'" harm, Filter
2.8 ' ~.a5±2% : M5±2% 3.07±2% ,2.19±2% 1.Ze±2%
C(uF)
-'42,,8±~"I; 36.4+ 27.8+ 27,8± 27.6±
3% 3% 3% 3%
RlmO)
-"'760630 520
440 25000
kVAR '~6()(l
10200 7800
- -TeOO 7800
HASIL PENGAMATAN Pada saat sistem cuma dihubungkan dengan filter pasif maka THD yang didapat 24% sedangkan setelah menggunakan filter hybrid maka diperoleh nilaiTHD 6.3%.
=
Berita Litbang Industri
'OD ..,Z
Performansi kompensasi \dari filter hybrid dapat dianalisis. Filter hybrid menggabungkan karakteristik filter pasif dan filter aktif. Filter ini juga mampu memperbaiki faktor daya dan juga mampu mengkompensasi arus harmonisa. Kombinasi dari filter pasif dan filter aktif akan menghasilkan performansi kompensasi yang jauh lebih baik. Dengan nilai K yang besar maka akan diperoleh performansi yang baik, untuk hal ini direkomendasikan menggunakan nilai K yang lebih besar dari 15.
T/-- -':
i
...
KESIMPULAN
J:V Tr-,anerrnsskm Une
xg
1 GDmV
'"
Gambar 8 Bentuk gelombang arus line (THD=24%) dengan filter pas if
ANALlSIS PERFORMANSI OARI FILTER HYBRID PADA SISTEM DISTRIBUSI Analisis dilakukan pada sistem distribusi dengan single line diagram sebagai berikut : 220
...J\,..,--,,;.~-•
1. Bhattacharya, S., D. Divan, and P. Cheng. 1997. Hybrid solutions for improving filter pasif performance in -I:tigh power applications. IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 33, pp. 732-747, May/June 1997. 2. Moran, L., J. Dixon, and R. Wallace. 1996. A three-phase active power filter operating with fixed switching frequency for reactive power and current harmonic compensation. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 42, pp A02-408, Aug. 1996. 3. Peng, F. Z.., H. Akagi, and A. Nabae. 1990. A new approach to harmonic compensation in power systems-A combined system of shunt passive and series active filters. IEEE
70
Penggunaan Filter Hybrid untuk Meningkatkan Perforrnasi Filter Pasif
Volume XLVII, No.2, Agustus 2011, pp 66·71
Trans. Ind. Applicat., vol. 26, pp. 983-990, Nov.IDec.1990. 4. Van Zyl, A., J. H. R. Enslin, W. H. Steyn, and R. Spee. 1995. A new
unified approach to power quality management. Proc. IEEE PESC'95, 1995, pp. 183-188.
- ....••.
Berita Utbang Industri
-,
71
