Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 ISSN: X Yogyakarta,15 November 2014

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 ISSN: 1979-911X Yogyakarta,15 November 2014

ANALISIS INSERTION LOSS PADA FILTER DAYA BERBASIS ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY (EMC) Ekki Kurniawan1, Basuki Rahmat2, Porman Pangaribuan3, Deny Hamdani4, Ig. P Wibawa5 1,2,3,5 FTE-Telkom University, 4 STEI-ITB Bandung e-mail : [email protected],2basukir@ telkomuniversity.ac.id, 3porman@ telkomuniversity.ac.id, [email protected], 5prasdwibawa@ telkomuniversity.ac.id ABSTRACT The growth of electronics technology is followed by increasing some kinds of frequency that circulating on the environment. The presence of those frequencies will decrease immunity and reliability of electronic equipments that should be improved by installation of filters. This paper is intended to look for a new filter topology, which is the most efficient from the various possible combinations. The filters installed before the equipments rectification system is called Electromagnetic Interference (EMI) filter. EMI filters are analyzed consists of harmonic filter and Low Pass Broadband Filter (LPBF). Single tone harmonic filter is used to dampen the additional grids frequency that appear ranging from 100 Hz to 2 kHz. LPBF will be combined to dampen the frequencies that higher than 2 kHz due to the effect of capacitance, induction or radiation of electromagnetic pulse from the events of Electrostatic Discharge (ESD), Electrical Fast Transient (EFT) and Surges. Some EMC standards for transient immunity and harmonic current as set out in the standard IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4, IEC 61000-4-5 and IEC 61000-3-2 were elaborated to determine the parameters of the filter. Analysis for the performance of the filter in the form of insertion loss (IL) uses the parameters of impedance, admittance and transmission in in two port network. The results of calculations based on the standard values of the source and load impedance, with a cut-off frequency for harmonic filter is 150 Hz and 6.37 kHz for LPBF shows that the parallel combination of the type a1 harmonic filter (series with the grid) with LPBF is the most efficient.

Keywords: electronic equipment, EMC standards, EMI filter, harmonics, LPBF, IL PENDAHULUAN Kodali el al. (1996) menyatakan bahwa EMC merupakan kesesuaian atau kemampuan suatu sistem peralatan elektronik/elektrik untuk bekerja dengan normal di lingkungan elektromagnetik tanpa terpengaruh atau menyebabkan gangguan di lingkungannya. EMC mengidentifikasi sumber emisi dan kerentanan korban (victims) yang terhubung melalui mekanisme kopling. Hubungan tersebut dapat disederhanakan dengan pemodelan konsep EMC seperti pada Gambar 1.

E/H

E

H

objek

Sumber

x

Gambar 1. Pemodelan konsep dasar EMC Mekanisme kopling dapat terjadi via kawat atau medan elektromagnetik. Mekanisme kopling via kawat bersifat konduktif atau galvanis. Melalui medan elektromagnetik, mekanisme yang mungkin terjadi adalah kopling kapasitif, induktif dan radiatif. Berdasarkan jarak dan panjang gelombangnya ada dua jenis medan yaitu medan dekat dan medan jauh. Pada medan dekat di mana jarak antara sumber dan objek (x) lebih kecil dari panjang gelombang dibagi 2π (x < λ/2π ) akan terjadi mekanisme kopling kapasitif dan induktif. Pada medan jauh di mana jarak sumber-korban lebih besar dari λ/2π maka akan terjadi mekanisme kopling radiatif. Dengan demikian sumber gangguan dan penerima sebagai korban dapat bertindak sebagai antena. Jika dimensi antena sumber setara dengan panjang gelombangnya maka hanya mekanisme kopling radiatif yang terjadi. Agar EMC tercapai maka para perancang harus berusaha menekan emisi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan A-1


sumber, mengurangi kopling dan meningkatkan imunitas dari korban. Perancangan dan pemasangan filter EMI yang baik merupakan salah satu upaya yang harus dilakukan untuk mengatasi masalah EMC tersebut. METODE PENELITIAN Adapun tahapan dalam penelitian ini adalah seperti pada Gambar 2 sebagai berikut : Analisis & Pengujian

Perancangan Filter

Studi EMC

Kesimpulan

Gambar 2. Alur Tahapan Penelitian 1. Studi EMC meliputi konsep dasar dan standar-standar yang berhubungan dengan perancangan filter seperti : 1) IEC 61000-3-2 tentang batas emisi arus harmonisa; 2) IEC 61000-4-2 tentang ESD; 3) IEC 61000-4-3 tentang EFT ; dan 4) IEC 61000-4-5 tentang surja. 2. Perancangan filter terdiri dari : 1) filter dasar filter harmonisa dan LPBF ; 2) persamaan matrik filter dasar dan kombinasinya dengan paramter Z,Y, dan T. 3. Analisis dan Pengujian Insertion Loss (IL) pada filter daya untuk mengetahui filter yang berpotensi dipasang dan paling effisien. 4. Kesimpulan. STUDI STANDAR EMC Standar IEC 61000-4-2 menjelaskan tentang ESD yang dapat ditimbulkan oleh badan manusia ketika memegang logam. Bentuk gelombang arus transient akibat ESD dapat dilihat pada Gambar 3a. Waktu naik (tr) diperkirakan kurang dari 1 ns, dengan durasi T selama 150 ns. Standar IEC 61000-4-4 menerangkan bahwa EFT yang dapat terjadi karena kontak bunga api pada saklar dan relay ketika terjadi pembebanan motor atau beban-beban induktif lainnya. Jenis transient ini dapat menimbulkan gangguan moda bersama pada kabel melalui kopling kapasitif. Bentuk gelombang EFT dapat dilihat pada Gambar 3b, waktu naik dapat berkisar selama 5 ns dengan durasi kira-kira 50 ns. Standar IEC 61000-4-5 mendefinisikan bahwa gelombang pulsa elektromagnetik surja memiliki parameter waktu naik dan durasi 1.2×50 µs untuk tegangan terbuka, dan 8×20 µs untuk arus hubung singkat, kedua bentuk gelombangnya mirip dengan bentuk gelombang pulsa EFT. Periodanya kira-kira 50 µs, dan dapat dielaborasi ke domain frekuensi sehingga diperoleh nilai f1 sebesar 6.57KHz (f1= 1/(π.50 µs). Frekuensi tersebut akan merambat pada peralatan elektronik yang ada di sekitarnya.

(a)

(b)

Gambar 3. Bentuk pulsa elektromagnetik standar dari peristiwa (a) ESD dan (b) EFT [Jean Picard, 2006] Standar IEC 61000-3-2 menjelaskan batas emisi arus harmonisa untuk berbagai peralatan dengan arus masukan lebih kecil atau sama dengan (≤ 16 A) pada tegangan nominal 220 Volt. Standar ini melingkupi empat kelas jenis peralatan seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1. Terlihat bahwa batas arus terbesar ada pada harmonisa ke-3 (f=150 Hz). Emisi arus harmonisa ini bersifat steady state, selama sumber dan peralatan yang memiiliki beban non linearnya terpasang. Tabel 1. Standard Emisi Arus Harmonisa [Power-One,2000] Kelas

Jenis Beban

Harmonisa Ke-

A

Peralatan Tiga Fasa

2;3;4;5;6;7-40

1,08; 2,30; 0,43; 1,14; 0,30; 0,77..0,046 A

B

Peralatan Portable

2;3;4;5;6;7-40

Batas kelas A (sda) dikalikan 1,5

A-2

Batas Arus


C

Peralatan Penerangan

2;3;5;7;9;11-39(ganjil)

2;30xλ;10; 7; 5; 3 % dari nilai fundamental

D

Peralatan Khusus(75-600 W)

3;5;7;9;11-39(ganjil)

3,4 ; 1,9 ; 1,0 ; 0,5 ; 0,35...0,1 mA/W

Ketr. λ = faktor daya rangkaian peralatan penerangan

PERANCANGAN FILTER

Untuk keperluan perancangan filter maka pengetahuan konsep transformasi matriks parameter transmisi (T) ke parameter impedansi (Z) dan admittansi (Y) atau sebaliknya pada sistem kutub empat sangat penting seperti yang dijelaskan pada Tabel 2 dan Tabel 3. Filter harmonisa yang pilih adalah jenis filter single tone, terdiri dari jenis a1 (hubungan paralel La1,Ca1 dipasang seri dengan jala-jala) dan jenis a2 (hubungan seri La2,Ca2 dipasang paralel dengan jala-jala) sedangkan jenis LPBF untuk keperluan analisis dapat disederhanakan menjadi rangkaian kutub dua yang terdiri dari komponen Lb dan Cb, seperti terlihat pada skema filter dasar dalam pada Tabel 4. Tabel 2. Transformasi T Z,Y

Tabel 3. Transfomasi Z,Y

T

Z

Z

T Y

T

Y Ketr. Ketr.

Tabel 4. Skema rangkaian filter dasar dan matrik parameter kutub empat No

1

Jenis

a1

Skema Filter Dasar

Paramater

Komponen Matrik Parameter

Za1

∞ ∞ ∞ ∞

Ya1

Za2 2

a2

Ya2

Zb

3

LPBF

Yb

(s L C + 1)/sL −(s L C + 1)/sL (s L C (s L C

−(s L C + 1)/sL (s L C + 1)/sL

1 s L C +1 0 1

+ 1)/sC + 1)/sC

(s L C (s L C

+ 1)/sC + 1)/sC

∞ ∞ ∞ ∞

1 1/(s L C

0 + 1) 1

sL +

−

−

s L C + 1 sL sC 1

Untuk memudahkan analisis maka dibuat tabel yang menunjukkan tentang topologi filter baru kombinasi dari filter-filter dasar, kemudian dibuatkan matriks parameter-nya lihat Tabel 5. Nomor topologi A-3


1s1 dan 4p2 menghasilkan matriks tak hingga. 1s1 tidak cocok diaplikasikan karena tidak akan ada arus yang mengalir pada komponen Cb dan Lb. Pada 4p2 tidak terjadi integrasi filter harmonisa a2 dan LPBF. Topologi lainnya menghasilkan matrik Z,Y atau T sebagai fungsi dari nilai L dan C yang memungkinkan untuk dilakukan analisis IL. Tabel 5. Topologi dari kombinasi sambungan filter dasar dan matriks parameter-nya No

Kombinasi Filter

Komponen matrik dari persamaan parameter kutub empat

Zs1= !"

1s1

+" # =

Zs2= !"

' & =& & %

2s2

1 s L C +1 + sL + sC sC s L C +1 1 + sC sC

Yp1=!+

=

3p1

,-

,- ,,-

+

−

Yp2= !+

4p2

+" #

1 s L C +1 + sC sC s L C +1 1 + sC sC

++ #

−

,- ,-

,- ,,-

++ #=

[Tk1]=!

#!

,-

+

−

* ) ) ) (

∞ ∞ ∞ ∞ #=

s L C . L C + s (L C + L C + L C ) + 1 (s 0 L C L + s(L + L ) s L C +1 s L C +1 sC 1 .

5k1

−

,- ,-

∞ ∞ ∞ ∞

A-4


[Tk2]= !

s L C + 1 sC (s L C + 1) + sC (s L C + 1)

6k2

#!

#=

sL s L C + 1 s L C +1

ANALISIS IL Parameter yang diperlukan untuk karakterisasi sebuah filter adalah Insertion Loss (IL). IL adalah rugi sisipan yang dapat menunjukkan ukuran keefektifan sebuah filter. Makin kecil nilai IL makin baik effisiensi sebuah filter. Yuji Jitoh et al. (2002) menjelaskan bahwa pengukuran IL merupakan hal penting dalam menentukan parameter filter, sehingga perlu ditetapkan regulasi atau peraturan khusus yang berkaitan dengannya. Aturan dan spesifikasi tentang pengukuran IL sudah ditetapkan oleh Standar Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)-22. Konstantin S. Kostov et al. (2008) menunjukkan bahwa parameter jaringan dan komponennya dapat digunakan untuk menentukan IL filter daya secara lengkap dan handal. Baik dalam keadaan impedansi sumber/beban standar sebesar 50/50 Ω maupun dalam kasus terburuk “worst case” 0.1 Ω/100 Ω. Z. Szabo et al. (2008) memodelkan dan mensintesis filter daya EMC, juga dibuat grafik untuk beban induksi (Insertion loss characteristics as function of load inductance). Karakterisari filter EMI dibuat melalui IL bukan redaman tegangan. Drinovsky et al. (2011) menerangkan bahwa ketidakmenentuan dan ambiguitas sumber dan beban menyebabkan ketidakpastian parameter filter yang akan dipasang di lapangan. Maka salah satu upaya mengatasinya dengan menghadirkan teknik sederhana untuk meprediksi nilai batas IL untuk filter EMI. Persamaan 1 menjelaskan bahwa IL merupakan perbandingan daya sebelum dan sesudah disisipkan filter. Daya tersebut berbanding lurus dengan kuadrat tegangan atau kuadrat arusnya. Satuan dari IL dinyatakan dengan decibel (dB). IL=10log

4 4

= 20log

6 6

= 20log

7 7

.......................... (1)

Dengan P1 = Daya keluaran sebelum dipasang filter; V1 = Tegangan keluaran sebelum dipasang filter; PL = Daya keluaran setelah dipasang filter; VL = Daya keluaran setelah dipasang filter; I1 = Arus keluaran sebelum IL = Arus keluaran setelah dipasang filter Ada beberapa cara untuk menentukan nilai IL, melalui persamaan maupun dari pengukuran. Nilai IL dapat ditulis dengan Persamaan 2. dengan Zg, dan ZL sebagai impedansi sumber dan beban dalam keadaan standar masing-masing sebesar 50 Ω. Rangkaian pengujian filter dengan parameter transmisi rangkaian kutub empat (A, B,C,D) dapat dilihat pada Gambar 4.

IL =20 89:

;

<.=> ? @.=A.=> B.=A =A =>

;

..................... (2)

Gambar 4. Rangkaian pengujian filter sebagai kutub empat dengan parameter Transmisi (ABCD)

PENENTUAN NILAI KOMPONEN L DAN C Untuk menentukan nilai komponen L dan C filter maka dilakukan penentuan frekuensi resonansi terlebih dahulu dengan rumus seperti tertulis pada Persamaan 3. Resonasi paralel menghasilkan arus sirkulasi disekitar LC sehingga dalam kondisi ini, rangkaian dapat dianggap dalam keadaan terbuka (open circuit) sedang resonansi seri menghasikan nilai impedansi gabungan XL dan XC sama dengan nol, dalam kondisi ini rangkaian menjadi terhubung singkat (short circuit).. A-5


f = 1/(2π√LC) ................................................... (3) Kembali ke Tabel 1, untuk filter harmonisa, frekuensi resonansi yang dipilih adalah frekuensi harmonisa ke-3 dari jala-jala listrik yaitu 150Hz. Besar kapasitansi kapasitor Ca yang tersedia di pasaran misalnya 4 uF, sehingga diperoleh nilai induktansi dari induktor La sebesar 282 mH. Untuk menentukan nilai LPBF dilakukan dengan cara yang sama, sehingga diperoleh hasil seperti yang tertera pada Tabel 6. Dari tabel tersebut terlihat bahwa nilai Cb=4,7 uF dan Lb = 13,3 mH yang berasal dari jenis pulsa elektromagnetik surja (f= 6,37 kHZ) akan dipasang karena akan meredam cakupan frekuensi lebih tinggi yang disebabkan oleh jenis pulsa elektromagnetik ESD dan EFT. Tabel 6 Nilai Komponen L dan C untuk LPBF Jenis EMP

tr (s)

T (s)

f1 (Hz)

Cb (Farad)

Lb (Henry)

ESD

7,00E-10

6,00E-08

5,31E+06

4,70E-06

1,91E-10

EFT

5,00E-09

5,56E-08

5,73E+06

4,70E-06

1,64E-10

Surja

1,20E-06

5,00E-05

6,37E+03

4,70E-06

1,33E-04

Serial Connection frequency Response of Insertion Loss 120

Magnitude (dB)

110 100 90 System: H1 Frequency (rad/s): 313 Magnitude (dB): 66.6

80 70

System: H1 Frequency (rad/s): 6.3e+003 Magnitude (dB): 66.6

60 270

Phase (deg)

225 180 135 90 -2

0

10

2

10

4

10

10

10

6

Frequency (rad/s)

Gambar 5. Grafik respon IL untuk topologi 3s2 Gambar 5 menyajikan grafik IL untuk topologi 3s2, yang tidak akan dipakai karena tidak efisien, dengan nilai IL minimun 66,6 dB. Grafik IL untuk topologi yang dipilih dapat dilihat pada Gambar 6 berikut ini.

Parallel Connection Frequency Response Insertion Loss

Connection to Circuit-a1 Insertion Loss Frequency Response 200

60 System: H1 Frequency (rad/s): 4.34e+004 Magnitude (dB): 55.4

40

Magnitude (dB)

Magnitude (dB)

50

30 20

System: H1 Frequency (rad/s): 314 Magnitude (dB): 0.00593

10

150 System: H1 Frequency (rad/s): 942 Magnitude (dB): 156

100

System: H1 Frequency (rad/s): 315 Magnitude (dB): 2.91

50

0 180

0 180

Phase (deg)

Phase (deg)

135 90 45

0

-180

0 -360

-45 2

10

3

10

4

10

5

10

1

10

6

10

10

2

3

10

4

10

Frequency (rad/s)

Frequency (rad/s)

(a)

(b)

A-6

10

5

10

6

7

10


Connection to Circuit-a2 Insertion Loss Frequency Response

Magnitude (dB)

150

System: M1 Frequency (rad/s): 942 Magnitude (dB): 127

100

50

System: M1 Frequency (rad/s): 314 Magnitude (dB): 0.0237

Phase (deg)

0 180

90

0

-90 2

10

10

3

4

5

10

10

10

6

10

7

Frequency (rad/s)

(c) Gambar 6. Grafik respon IL untuk topologi

Tabel 7. No

(a) 3p1 (b) 5k1 dan (c) 6k2

Harga IL (dB) dari topologi yang dipilih pada frekuensi-frekuensi penting

Topologi

Frekuensi

Hasil Pengujian Keadaan 1

1

2

3

3p1

5k1

6k2

Keadaan 2

50Hz(≈313-315 rad/s)

0,00589

0,00594

150 Hz(≈941 rad/s)

0,0529

0,0515

6.37kHz(≈40,6krad/s)

56,4

13,8

50Hz (≈314-315rad/s)

2,91

0,00602

150 Hz(≈942 rad/s)

156

58,2


13,7

13,6

50Hz(≈312-314 rad/s)

0,0237

67,9

150 Hz(≈942 rad/s)

125

224


13,7

25,5

Ketr. Keadaan 1;Ca=4uF; La=0,282H ; keadaan 2; C=0,282F; L=4uH

Dari Tabel 7 terlihat bahwa filter dengan topologi 3p1 memberikan nilai IL yang lebih kecil dari satu (<1) baik pada frekuensi normal maupun harmonisa dalam dua kondisi (keadaan 1 dan keadaan 2). Pada saat beban nol ada tiga lintasan loop dan resonansi dapat terjadi pada kedua filter harmonisa(La1-Ca1) dan LPBF (Lb-Cb) lihat Gambar 7. Akan tetapi pada filter topologi 5k1 hanya keadaan 2 memberikan harga IL yang kecil dari satu (0,00602dB), dan pada topologi 6k2 keadaan 1 saja memberikan harga IL yang lebih kecil dari satu (0,0237 dB).

Gambar 7. Loop arus yang terjadi pada topologi 3p1 A-7


KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan analisis IL dengan impedansi sumber dan beban standar (50 Ω/50Ω), topologi 5k1 memberikan hasil yang baik dalam kondisi normal pada nilai L dan C tertentu, semua gangguan saat Termasuk ESD dan frekuensi EFT akan disalurkan ke tanah. Topologi 3p1 memiliki nilai IL yang paling kecil dari pada koneksi lain, sehingga akan menjadi filter yang memiliki kinerja yang terbaik, tetapi masih perlu menambahkan dengan filter cincin ferit, terutama untuk meredam pada frekuensi tinggi dalam rentang MHz. Untuk lebih meyakinkan lagi pengujian IL perlu dilakukan pada kondisi impendansi sumber dan beban terburuk 0.1 Ω/100 Ω. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih Dr. Rina, Dr. Erna dan dari Dekanan Fakultas Teknik Elektro Telkom University, yang telah mendukung dan memberikan bantuan fasilitias. Terima kasih juga yang sangat spesial disampaikan kepada keluarga yang dengan sabar menemani penulis dalam menyusun makalah ini. DAFTAR PUSTAKA Charles K., Alexander, Mathre N., Sadiku., 2003. Fundamental of Electric Circuits third edition, McGraw-Hill. Douglas,E., Powell , Hesterman, 2007. Introduction to Voltage Surge Immunity Testing, IEEE Report. Drinovsky,J., Kejik, Z., Ruzek, V., Zachar, J., 2001. Insertion loss Estimation of EMI filter in Unmached Input/ Output Impedance System, RADIOENGINEERING vol 20,NO.1, 295-298. D. Xi., Y. Z. Yin., L. H. Wen., Y. N. Mo., And Y. Wang., 2010. A Compact Low-Pass Filter With Sharp CutOff And Low Insertion Loss Characteristic Using Novel Defected Ground Structure,Progress In Electromagnetics Research Letters, Vol. 17, 133-143. Foissac, M., Schanen, J.L., Vollaire., 2009. Compact EMC model of power electronics converter for conducted EMC studies in embedded networks, Automotive Power Electronics 2009, Paris, France. Fu-Yuan Shih et.al ,1996. A procedure for Designing EM1 Filters for AC Line Applications ,IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 11, No. 1. G. Asmanis., O. Krievs., A. Asmanis., 2012. Active Power Filter LCL Filter Insertion Loss Calculation Analysis, Elektronika Ir Elektrotechnika, ISSN 1392-1215, VOL. 18, NO. 9. Jean Picard., 2006. SLVA233A Application Report on Systems Power, Electrical Transient Immunity for Power-Over-Ethernet Texas Instruments. Jia-Sheng Hong, M.,Lancaster., 2001. Microstrip Filters for RF/Microwave Applications. Hand Book, John Wiley& Sons. Kodali., Prasad., 1996. Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE, New York. Kostov, 2009. Design and Characterization of Single-Phase Power Filters, PhD- dissertation,Helsinki University of Technology, Department of Electrical Engineering.49-48. Konstantin S. Kostov and Jorma J. Kyyrä., 2008. Insertion Loss and Network Parameters in the Analysis of Power Filters , Nordic Workshop on Powerand Industrial Electronics (NORPIE 2008). Espoo, Finland. Kurniawan,E.,Hamdani,D.,Novario,S.,DarwantoD.,Sinisuka,N., 2013. Mitigating Spikes for EMC in Vibration Monitoring Systems of Generating Plant, Procedia Technology 8C, Sciencedirect, 1080 – 1087. Power-One, 2000. Directives & Standards Technical Information EMC. Sabri,Y., Kurniawan,E, 2012. Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran Atas PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia, Proseding Konferensi Nasional ICT-M Politeknik Telkom (KNIP). Seema P., Diwan., Dr. H. P. Inamdar., and Dr. A. P. Vaidya., 2011. Simulation 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. Steve J. Briggs.,Michael S. Kim.,Franklin H. Holcomb., 1993. Effects of Harmonics on EMI/RFI Filters Operating Under Nonlinear Loading Conditions, US Army Corps of Engineers,USACERL Technical Report. Szabo, Z., Sedla, J., Hadine,M.C., 2008. Optimization Method of EMI Power Filters and Its Measurement,Z. Progress In Electromagnetics Research Symposium, Hangzhou, China.

.

A-8

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 ISSN: X Yogyakarta,15 November 2014

Recommend Documents