http://ejournal.unp.ac.id/index.php/jtev/index
Volume 06  Number 02  2020 ISSN: 2302-3309
Received May 21, 2020; Revised May 22, 2020; Accepted May 29, 2020

## Unjuk Kerja Filter Pasif dalam Mereduksi Distorsi Gelombang pada AC/DC Konverter

## Asnil
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Padang *Corresponding author, asnil81@ft.unp.ac.id

## Abstrak
Tulisan ini memperlihatkan penggunaan filter pasif untuk mereduksi distorsi gelombang masukan pada penyearah  satu  fasa  tidak  terkendali.  Simulasi  dilakukan  dengan  berbagai  model  filter  pasif  untuk mendapatkan penurunan  nilai Total Harmonic Distortion (THD) dan memperbaiki distorsi gelombang masukan  penyearah  satu  fasa  tidak  terkendali.  Hasil  dari  simulasi  memperlihatkan  bentuk  perubahan sinyal  masukan pada penyearah satu  fasa tidak terkendali,  menganalis nilai perbaikan  faktor daya dan juga nilai THD.

## Abstract
This  paper  shows  the  use  of  passive  filters  to  reduce  the  distortion  of  input  waves  in  a  single  phase uncontrolled rectifier. Simulations are carried out with various passive filter models to get a decrease in the value of Total Harmonic Distortion (THD) and correct the distortion of the uncontrolled single phase rectifier input waveform. The results of the simulation show the shape of the input signal changes in the uncontrolled single-phase rectifier, analyzing the value of power factor improvement and also the THD value.
Keywords : Passive filter, power factor, THD.

## PENDAHULUAN
Harmonik  dapat  digambarkan  sebagai  sinyal  frekuensi  yang  merupakan  kelipatan bilangan  bulat  dari  frekuensi  dasar  yang  secara  matematis  digambarkan  sebagai  rasio frekuensi  suatu  sinyal  terhadap  frekuensi  sinyal  referensi  atau  frekuensi  dasar  [1],  [2]. Idealnya,  bentuk  gelombang  tegangan  dan  arus  adalah  murni  sinusoidal. Akan  tetapi  bentuk gelombang ini akan terdistorsi jika sistem terhubung dengan beban non-linear dimana bentuk gelombang  arus  tidak  proporsional  dengan  gelombang  tegangan  [3].  Beberapa  contoh  dari beban  non  linear  adalah  converter  daya  statis  (seperti  penyearah  atau  rectifier),  adjustable speed  drive,  switch  mode  power  supply,  charging  baterei,  mesin-mesin  listrik  dan  peralatan elektronik  lainya  [4],  [5].  Harmonik  tidak  diinginkan  karena  menimbulkan  efek  yang  buruk terhadap  system,  seperti  peningkatan  suhu  yang  berlebihan  serta  pengingkatan  kerugian energi  pada  pada  transformator  dan  motor, malfunction pada  peralatan  listrik  yang  sensitif, menurunkan factor daya, terjadinya flicker serta dapat mengurangi kapasitas sistem.
AC-DC konverter atau penyearah satu fasa adalah salah satu dari jenis beban non-linear yang banyak dipakai  untuk aplikasi  industri dan domestik. Selain memiliki  banyak manfaat, penyearah  juga  menimbulkan  terjadinya  harmonik  dan  daya  reaktif  pada  sisi  masukan, menghasilkan distorsi pada sinyal input, menurunkan faktor daya serta riak pada sinyal input [6],  [7].  Biasanya  untuk  memperbaiki  tegangan  input  AC  digunakan  rangkaian  filter  yang terdiri  dari  kapasitor  elektrolit  yang  besar  [8],  [9].  Lebih  murah  dan  handal,  namun  dari
penggunaan  kapasitor  ini  menimbulkan  distorsi  pada  gelombang  arus  sehingga mengakibatkan faktor daya rendah dan efisiensi dari penyearah dapat berkurang secara dartis. Faktor  daya  rendah  dan  distorsi  harmonik  tinggi  serta  riak  yang  besar  membuat  penyearah menjadi tidak efisien apalagi jika digunakan pada sistem kelistrikan domestik [10][11]. Upaya memperbaiki hal tersebut diantaranya dapat menggunakan filter pasif pada sisi masukan dan sisi keluaran penyearah agar faktor daya semakin baik dan Total Harmonik Distortion (THD) berkurang.  Tulisan  ini  menampilkan  beberapa  jenis  filter  pasif  yang  dapat  digunakan  untuk mengurangi  nilai  THD  dan  meningkatkan  nilai  faktor  daya.  Penggunaan  filter  pasif  tidak hanya dapat mereduksi nilai harmonik namun juga dapat meningkatkan nilai faktor daya dan menggurangi rugi-rugi energi dalam sistem [12].

## Faktor Daya dan Harmonik
Faktor daya merupakan rasio dari perbandingan dari daya aktif (P) terhadap daya semu (S)  atau  cosinus  (untuk  gelombang  sinusoida  murni  arus  dan  tegangan)  sudut  fasa  antara gelombang tegangan dan arus.
PF = daya aktif / daya semu ………………………………(1)
Jika sinyal  arus dan tegangan sinusoidal dan berada pada fassa  yang sama maka nilai  faktor daya adalah 1.0, namun jika kedua sinyal arus dan tegangan tidak pada fasa yang sama maka nilai  faktor  daya  adalah  cosinus  dari  sudut  fasa  [8].  Pada  gambar  1  dapat  dilihat  bentuk gambar penyearah satu fasa tidak terkendali menggunakan kapasitor pada sisi keluaran untuk memperbaiki zsinyal arus dan tegangan keluaran.
Gambar 1. Penyearah gelombang penuh dengan Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, C = 5,138mF dan RF=10%
Gambar 2. Sinyal input dan output penyearah gelombang penuh
Dari  gambar  2  dapat  dilihat  bahwa  gelombang  tegangan  dan  arus  masukan  tanpa menggunakan kapasitor pada sisi keluaran berbentuk sinusoisal dan berada pada fasa. Seperti yang  dijelaskan  sebelumnya,  kondisi  ini  akan  menghasilkan  factor  kerja  yang  bernilai  1. Namun jika dilihat dari sisi keluaran maka terdapat nilai riak yang besar dan hal ini tidak baik untuk peralatan listrik. Oleh karena itu dipasanglah sebuah kapasitor pada sisi keluaran yang berguna  untuk  memperbaiki  bentuk  sinyal  keluaran  tersebut.  Akibat  dari  pemasangan kapasitor  di  sisi  keluaran,  maka  sinyal  arus  pada  sisi  masukan  menjadi  cacat.  Hal  ini  akan menyebabkan  nilai  factor  kerja  turun  dan  meningkatkan  nilai  rugi-rugi.  Menentukan  nilai kapasitor  yang  dipasang  pada  sisi  keluaran  penyearah  seperti  yang  terdapat  pada  gambar  1 dapat menggunakan persamaan (2).
        RF fR C 2 1 1 4 1 ……………………………………..(2)
dimana f adalah frekuensi sistem 50 Hz, R adalah resistansi beban dan RF adalah persentase ripple factor .
Pada  gambar  3  dapat  dilihat  nilai  kandungan  harmonik  yang  terdapat  pada  sinyal  arus masukan penyearah stau fasa tidak terkendali sebagai akibat penambahan kapasitor pada sisi keluaran  seperti  pada  gambar  1.  Dari  hasil  simulasi  dengan  penambahan  kapasitor  pada  sisi keluaran didapatkan nilai THD mencapai 143,81%.
Gambar 3. Harmonik arus dengan kapasitor pada sisi keluaran
Secara umum untuk menentukan faktor daya dapat menggunakan persamaan (1). Namun untuk  kasus  dimana  tegangan  (masukan)  berbentuk  sinusoidal  tetapi  arus  bukan  sinusoidal maka faktor daya dapat dihitung menggunakan persamaan (3).
   cos cos cos 1 1 d rm s rm s s s rm s rm s K I I xI V x xI V PF    ………………….(3)
 xK K PF d  ………………………………..……..(4)
d K atau distortion  factor adalah  rasio  perbandingan  nilai  root-mean-square  (RMS) fundamental  arus  ( I 1  rms )  terhadap  nilai  RMS  arus  total  ( I rms ).  Sedangkan  K atau displacement factor adalah cosinus sudut antara komponen arus fundamental dengan tegangan masukan.  Jika  nilai  factor  daya  daya  kurang  dari  nilai  yang  seharusnya,  berarti  konverter menyerap  daya  semu  lebih  tinggi  dari  pada  daya  aktif.  Sedangkan  untuk  menentukan  nilai THD dapat menggunakan persamaan (5)
𝑇𝐻𝐷 = √∑ 𝐼 𝑛 𝑟𝑚𝑠 2 ∞ 𝑛=2 𝐼 1 𝑟𝑚𝑠 ………………………….………(5)
Penyearah  satu  fasa  gelombang  penuh  seperti  apa  yang  terdapat  pada  gambar  1  memiliki sinyal  arus  masukan  yang  tidak  sinusoidal.  Hal  ini  dikarenakan  sebagian  besar  beban  dari penyearah tersebut membutuhkan nilai riak yang kecil sehingga dipasanglah kapasitor dengan nilai kapasitansi yang besar yang mengakibatkan sinyal arus masukan terdistorsi.

## METODE
Metode  yang  dilakukan  adalah  dengan  melakukan  studi  simulasi.  Simulasi  yang dilakukan  adalah  penerapan  filter  pasih  untuk  memperbaiki  distorsi  sinyal  masukan  pada
beban non linear  yang pada tulisan ini berupa penyearah satu fasa tidak terkendali. Simulasi yang dilakukan untuk mengurangi distorsi pada sinyal masukan penyearah adalah;
1. Penggunaan induktor pada sisi keluaran penyearah yang dipasang secara seri dengan beban. 2. Penggunaan induktor pada sisi masukan yang dipasang secara seri dengan penyearah.
3. Penggunaan filter resonant seri pada sisi masukan penyearah
4. Penggunaan filter resonant parallel pada sisi masukan penyearah
5.  Penggunaan  filter resonant parallel  pada  sisi  masukan  dengan  penambahan  kapasitor  Cp yang dipasang parallel dengan penyearah.
6. Penggunaan trap filter untuk frekuensi harmonic ke-3 dan ke-5

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem yang digunakan pada simulasi adalah penyearah satu fasa gelombang penuh tidak terkendali  dengan  4  buah  diode  dengan  system  jembatan  seperti  pada  gambar  1.  Tegangan sumber  Vs  =  220  V,  nilai  beban  R  =  7,85,  dengan  kemampuan  5kW,  nilai  C  pada  sisi keluaran adalah C = 5,138mF dan RF=10%.

## Gambar 4. Penyearah satu fasa dengan induktor di sisi keluaran
Penambahan  induktor  pada  sisi  keluaran  seperti  pada  gambar  4,    merupakan  salah  satu  cara sederhana  untuk  memperbaiki  bentuk  sinyal  arus  pada  sisi  masukan.  Jika  nilai  induktor semakin  kecil  maka  sinyal  arus  pada  sisi  masukan  akan  semakin  terdistorsi  sedangkan  riak sinyal keluaran akan bertambah besar.
Gambar 5. Sinyal masukan penyearah satu fasa dengan induktor di sisi keluaran
Sinyal yang diperlihatkan pada gambar 5 adalah bentuk sinyal masukan tegangan dan arus dengan nilai Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, L = 1,97 mH dan C = 5, 138 mF untuk nilai RF = 10%.
Gambar 6. Penyearah satu fasa dengan induktor di sisi masukan
Penambahan  komponen  induktor  pada  sisi  masukan  penyearah  juga  merupakan  salah  satu cara  sederhana  dalam  upaya  untuk  memperbaiki  distorsi  gelombang  pada  sisi  masukan penyearah,  seperti  yang  terlihat  pada  gambar  6.  Penambahan  komponen  induktor  ini  dapat mingkatkan  nilai  faktor  daya  dari  penyearah  satu  fasa.  Semakin  kecil  nilai  induktor  maka sinyal  masukan  akan  semakin  terdistorsi  sedangkan  nilai  tegangan  keluaran  bisa  bertambah besar dengan riak yang juga cukup besar. Namun penambahan nilai induktor dapat mereduksi nilai  tegangan  keluaran  sedangkan  distorsi  yang  terjadi  pada  sinyal  masukan  seakin berkurang.

## Gambar 7. Sinyal masukan penyearah satu fasa dengan induktor di sisi keluaran
Pada gambar 7 dapat dilihat sinyal masukan sudah mengikuti pola sinusoidal namun terjadi pergeseran fasa antara sinyal tegangan dan arus. Sinyal yang diperlihatkan pada gambar 7 adalah bentuk sinyal masukan tegangan dan arus dengan nilai Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, L = 25,69 mH dan C = 5, 138 mF untuk nilai RF = 10%.
Gambar 8. Penyearah satu fasa dengan LC seri di sisi masukan
Aplikasi dari filter resonant seri untuk mereduksi distorsi sinyal masukan pada penyearah satu fasa dapat dilihat pada gambar 8. Penggunaan filter ini dapat memperbaiki bentuk sinyal arus masukan seperti yang terlihat pada gamabr 9.
Gambar 9. Sinyal masukan penyearah satu fasa dengan LC seri di sisi masukan
Sinyal  arus  masukan  sudah  terlihat  membentuk  sinusoidal  dan  sudah  sefasa  dengan  sinyal tegangan. Namun  penerapan model filter ini membutuhkan nilai  induktor  yang cukup besar, jika  nilai  induktor  semakin  kecil  maka  cacat  sinyal  arus  akan  bertambah.  Bentuk  sinyal masukan pada gambar 9 diperolah dengan Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, C = 5, 138 mF dan pada nilai filter seri L = 25,69 mH dan C = 394,799 μF.
Penggunaan  filter  pasif  LC  yang  dipasang  parallel  dapat  dilihat  seperti  gambar  10.  Namun untuk  mendapatkan  hasil  yang  lebih  baik  maka  ditambahkan  kapasitor  Cp  yang  dipasang parallel  dengan  penyearah  satu  fasa.  Nilai  dari  Cp  ini  dipilih  dari  100  μF  sampai  1000  μF. Hasil  yang  didapatkan  seperti  pada  gambar  11  menggunakan  kapasitor  Cp  dengan  nilai  680 μF.

## Gambar 11. Sinyal masukan penyearah satu fasa dengan LC paralel di sisi masukan
Hasil yang diperolah seperti gamabr 11, didapatkan dengan nilai Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, C = 5, 138 mF dan untuk filter paralel L = 7 mH, C = 160 μF.

## Gambar 12. Penyearah satu fasa dengan filter pasif untuk orde ke 3 dan 5
Penggunaan filter pasif seperti yang ada pada gambar 12 dikenal juga dengan istilah harmonic trap  filter. Filter  yang  dipakai  seperti  pada  gambar  12  adalah  untuk  mereduksi  cacat  sinyal arus pada frekuensi harmonik ke 3 dan ke 5 pada frekuensi 150 Hz dan 250 Hz. Hasil  yang didapatkan  dari  penerapan  filter  ini  dapat  dilihat  pada  gambar  13.  Distorsi  pada  sinyal  arus masukan  dapat  diperbaiki  sehingga membentuk  sinusoidal  dan  sudah  sefasa  dengan  sinyal tegangan meskipun masih terdapat cacat gelombang, dalam artian belum sinusoidal murni.
Gambar 13. Sinyal masukan penyearah satu fasa dengan filter pasif untuk orde ke 3 dan 5
Sinyal arus dan tegangan masukan seperti pada gambar 13 didapatkan dengan nilai Vs = 220 V, R = 7,85 Ω, L = 5 mH, C = 5, 138 mF dan untuk filter R3= 0,133 Ω,  L3 = 11,93 mH, C3 = 104,66 μF, R5= 0,08 Ω,  L5 = 4,295 mH, dan  C5 = 104,66 μF.
Tabel 1. Nilai faktor daya (PF) dan THD dengan berbagai jenis filter pasif
No Jenis PF THD % 1 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan kapasitor di sisi keluaran 0,55 143,69 2 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan pemakaian induktor dan kapasitor pada sisi keluaran 0,79 72,95 3 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan induktor di sisi masukan dan kapasitor di sisi keluaran 0,53 11,99 4 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan induktor dan kapasitor dipasang seri pada sisi masukan 0,99 26,16 5 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan induktor dan kapasitor dipasang paralel pada sisi masukan 0,98 35,92 6 Penyearah satu fasa gelombang penuh dengan induktor dan kapasitor dipasang paralel pada sisi masukan dan penambahan kapasitor Cp 0,93 11,98 7 Penyearah satu fasa gelombang penuh menggunakan harmonic trap filter pada orde ke 3 dan ke 5 0,98 23,32
Dari  table  1  dapat  dilihat,  bahwa  tidak  selalu  peningkatan  nilai  factor  daya  (PF)  terjadi penurunan nilai THD, hal ini disebabkan oleh pemilihan jenis filter dan nilai komponen filter yang digunakan. Bisa saja nilai  PF tinggi  namun nilai  THD rendah ataupun sebaliknya nilai THD  rendah  tetapi  nilai  PF  tinggi.  Hal  ini  dapat  diakibatkan  oleh  pemilihan  jenis  filter  dan nilai komponen yang digunakan yang dapat menyebabkan terjadinya ovelshoot atau lonjakan sinyal  pada  orde  atau  frekuensi  rendah.  Sehingga  sinyal  arus  maupun  tegangan  akan  stabil jika  telah  melewati  beberapa  kali  periode  sinyal.  Selain  dari  itu  juga  bisa  terjadi  pergeseran fasa  antara arus dan tegangan, apalagi  jika terjadi perbedaan  fasa sehingga nilai  PF menjadi
rendah menskipun nilai THD rendah atau sebaliknya. Namun secara umum penambahan filter pasif menurunkan nilai THD.

## PENUTUP
Dari  simulasi  yang  dilakukan  maka  ditemukan  bahwa  tidak  selalu  factor  daya  tinggi maka THD mejadi rendah. Hal ini diakibatkan oleh pemilihan dan nilai komponen filter yang digunakan. Meskipun pada simulasi bisa didapatkan sinyal  arus membentuk  sinusoidal  yang baik tetapi pada periode awal terjadi overshoot sinyal maka THD akan tetap besar. Selain dari itu, pergeseran fasa, apalagi jika terjadi perbedaan fasa maka nilai faktor kerja atau PF akan menjadi rendah.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] D.  M.  Soomro  and  M.  M.  Almelian,  “Optimal  design  of  a  single  tuned  passive  filter  to  mitigate harmonics in power frequency,” ARPN J. Eng. Appl. Sci. , vol. 10, no. 19, pp. 9009–9014, 2015.
[2] Asnil, “Aplikasi Filter Pasif Rc Untuk Mereduksi Harmonik Pada Ac / Dc / Ac Konverter Asnil *),” J. Momentum , vol. 12, no. 1, pp. 1–8, 2012.
[3] R.  Sachan  and  R.  Srivastava,  “Performance  analysis  of  fixed  shunt  passive  filters  for  harmonic mitigation,” in International Conference on Emerging Trends in Electrical, Electronics and Sustainable Energy Systems, ICETEESES 2016 , 2016, pp. 87–90, doi: 10.1109/ICETEESES.2016.7581357.
[4] H.  Prasetijo,  “Analisa  Perancangan  Filter  Pasif  untuk  Meredam  Harmonik  Pada  Instalasi  Beban Nonlinear,” Techno , vol. 13, no. 1, pp. 57–67, 2012.
[5] M.  I.  Fahmi,  U.  Baafai,  A.  Hazmi,  and  T.  H.  Nasution,  “Harmonic  reduction  by  using  single-tuned passive  filter  in  plastic  processing  industry,”  in IOP  Conference  Series:  Materials  Science  and Engineering , 2018, vol. 308, no. 1–7, doi: 10.1088/1757-899X/308/1/012035.
[6] K.  Asnil,  I.  Husnaini,  O.  Candra,  and  D.  E.  Myori,  “Performance  analysis  of  three-phase  controlled rectifier in various switching angles,” Int. J. Eng. Adv. Technol. , vol. 9, no. 1, pp. 1959–1965, 2019, doi: 10.35940/ijeat.A9524.109119.
[7] D. Maheswaran, N. Rajasekar, and L. Ashok Kumar, “Design of passive filters for reducing harmonic distortion and correcting power factor in two pulse rectifier systems using optimization,” J. Theor. Appl. Inf. Technol. , vol. 62, no. 3, pp. 720–728, 2014.
[8] H. Azazi and E. EL-Kholy, “Review of passive and active circuits for power factor correction in single phase, low power AC-DC converters,” Int. Middle East Power Syst. Conf. , no. 10, pp. 217–224, 2010.
[9] P.  Sharma  and  T.  Saha,  “Performance  Analysis  of  Uncontrolled  Ac  /  Dc  Converter  Using  Different Types  of  Passive  Filter,”  in 2nd  International  Conference  on  Emerging  Trends  in  Engineering  & Technology , 2013, pp. 1–6.
[10] R.  R.  Gupta,  “A  Study  of  AC  /  DC  Converter  with  Improved  Power  Factor  and  Low  Harmonic Distortion,” Int. J. Comput. Sci. Eng. , vol. 4, no. 06, pp. 1017–1029, 2012.
[11] Basu and Supratim, “PFC Strategies in Light of EN 61000-3-2,” Bangalore, India, 2004.
[12] D.  V.  Tien,  “Design  and  Simulation  of  Shunt  Passive  Filter  for  Harmonics  Mitigation  of  Non-Linear Loads Design and Simulation of Shunt Passive Filter Leonowicz Loads for Harmonics Non-Linear,” pp. 34–41, 2017.

## Biodata Penulis
Asnil, was  born  in  Lubuak  Sikaping,  Indonesia  in  1981.  He  received  the  Bachelor  Electrical Engineering Education (B.Eng.Ed) from Universitas Negeri Padang in 2005 and M.Eng degree from  Univeritas  Gajah  Mada,  Yogyakarta  in  2009.  He  is  currently  a  Lecturer  with  the Department  of  Electrical  Engineering,  Universitas  Negeri  Padang,  Universitas  Negeri  Padang since 2006. His research interests are power electronics and power system