Jurnal Media Elektro , Vol. 1, No. 1, April 2012                                                                               ISSN    9772252- 669007

## ANALISIS PERBANDINGAN KINERJA PENGGUNAAN FILTER PASIF DAN FILTER AKTIF PADA PENYEARAH TERKENDALI SATU PHASA

## Sri Kurniati A.
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknik, Undana, Jl.Adisucipto Penfui-Kupang
E-mail : sri_kurniatia@yahoo.com

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  kinerja  penyearah  terkendali  satu  phasa  dengan  melakukan perbandingan  penggunaan  filter  pasif  dan  filter  aktif  yang  dibebani  tahanan  (resistor)  sebesar  20  Ohm. Nilai Total Distorsi Harmonik (THD) dan faktor kerja (PF yang menunjukkan kinerja penyearah diukur secara  langsung  di  dalam  simulasi  rangkaian  dengan  menggunakan  PSPICE  versi  7.1.  Hasil  penelitian menunjukkan  bahwa  harmonisa  atau  THD  yang  timbul  pada  penyearah  terkendali  satu  phasa  dengan menggunakan filter pasif pada sudut penyalaan 10 0 – 60 0 adalah 1,914% -2,591%, sedangkan pada filter aktif sebesar 0,448% - 0,769%. Dari sisi keluaran penyearah diperoleh riak tegangan sebesar 17,13% – 52,52%  pada  filter  pasif,  sedangkan  filter  aktif  sebesar  21,53%  -  30,92%.  Berdasarkan  riak  tegangan yang diperoleh dari kedua filter ini, maka diperoleh faktor daya antara 0,27  - 0,52 (leading) dan efisiensi antara 78,38%-97,15%  pada filter pasif sedangkan pada filter  aktif diperoleh faktor daya sebesar 0,76 – 0,9  (lagging)  dan  efisiensi  91,27%-95,57.    Dari  hasil  analisis  dari  kedua  filter  tersebut  menunjukkan bahwa kinerja filter aktif lebih baik dibanding dengan filter pasif.

## Abstract
This  study  aims  to  determine  the  performance  of  the  controlled  rectifier  single  phase  by  performing comparisons  using  passive  filters  and  active  filters  are  loaded  resistance    of  20  Ohm.  Total  harmonic distortion (THD)  value and the power factor (PF) indicating rectifier performance measured directly in simulation using PSPICE version 7.1. The results showed that the harmonics arising in a phase controlled rectifier using a passive filter at an angle of firing 10 0 – 60 0 is 1.914% -2.591%, while in the active filter at 0.448% - 0.769. Obtained from the rectifier output voltage ripple of 17.13% - 52.52% in the passive filter,  while  the  filter  is  active  by  21.53%  -  30.92%.  Based  on  the  ripple  voltage  obtained  from  the rectifier,  the  obtained  power  factor  between  0.27  -  0.52  (leading)  and  efficiency  of  between  78.38%  - 97.15% in the passive filter, while on active filter power factor of 0, 76 - 0.9 (lagging) and the efficiency of  91.27% -95.57. This analysis  shows that the performance of the active filter is better than the passive filter.

## Keyword: Contolled Rectifier, Filter, THD

## 1. Pendahuluan
Pertimbangan tentang distorsi harmonik pada daya konverter memegang peranan yang penting. Penyearah terkendali satu phasa  merupakan  salah  satu  penghasil  harmonik  yang terbesar  dalam  sistem  tenaga  listrik  [1].  Oleh  karena  itu penggunaan  penyearah  terkendali  tiga  phasa  disamping untuk meningkatkan daya penyearah juga dapat mengurangi harmonik yang timbul pada tegangan masukan. Seperti yang telah  diungkapkan  oleh  [2],  penyearah  dengan  keluaran multi  pulsa  merupakan  salah  satu  cara  perbaikan performansi penyearahan. Indikator kinerja suatu penyearah
meliputi  bentuk  gelombang,  harga  rata-rata  atau  harga  rms dan harmonik yang timbul dari tegangan dan arus.
Selain,  itu,  untuk  mengurangi  kadar  harmonik  dan menaikkan faktor kerja penyearah  biasanya dipasangi filter pasif  pada  bagian  keluaran  [3],  menggunakan  L/C tuned filter [4],  dan  menggunakan  kompensasi  fluks  magnetik dengan cara menginjeksi ke dalam sistem untuk mengurangi harmonik  [5].  Kemudian  beberapa  peneliti  lainnya menggunakan  injeksi  hubungan  Z/D  [6],    dan  kompensasi kapasitor  bank  yang  dikontrol  secara  otomatis  [7],  atau dikontrol secara otomatis dengan menggunakan Progammable  Logic  Controller (PLC)  [8].  Namun  usaha-
usaha  yang  telah  dilakukan  ini  belum  sepenuhnya menurunkan  kadar  harmonik  dan  menaikkan  faktor  kerja penyearah, karena semua teknik ini hanya akan menghasilkan  satu  pulsa  per  setengah  siklus  dari  arus masukan  konverter,  dan  akibatnya  harmonik  dengan  orde terendah adalah harmonik ketiga [9].
Untuk  memperbaiki  kinerja  filter  pasif,  maka  dirancang suatu filter aktif untuk meredam harmonik dan meningkatkan  faktor  kerja  penyearah  terkendali  1  phasa. Dalam  paper  ini  akan  melakukan  perbandingan  kinerja penyearah  antara  filter  pasif  dan  filter  aktif  pada  penyearah terkendali  1  phasa.  Dalam  hal  ini  parameter  yang  akan dibandingkan  dan  dianalisis  berupa  harmonik,  faktor  kerja riak tegangan dan efisiensi.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1 Tahapan Penelitian
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitan  ini  adalah melakukan  simulasi  sesuai  dengan  dengan  tahapan-tahapan sebagai berikut:
- Merancang filter LC yang tepat pada penyearah terkendali 1 phasa.
- Melakukan simulasi yang berulang-ulang sampai diperoleh nilai THD yang terkecil.
- Melakukan  kajian  pustaka  dari  desain  filter  aktif  yang telah dilakukan oleh para peneliti sebelumnya.
- Melakukan  simulasi  seperti  pada  langkah  no.  2  untuk mengetahui nilai THD yang ditimbulkan.
- Melakukan  analisis  THD  yang  ditimbulkan  oleh  antara penggunaan filter pasif dan filter aktif.
- Melakukan perhitungan  untuk  mendapatkan perbandingan nilai  THD  dan  faktor  daya  yang  diperoleh  antara penggunaan filter pasif dan filter aktif.

## 2. 2 Desain Perangkat Keras

## Desain Filter Pasif
Gambar 1.  Desain Penyearah Terkendali 1 Phasa dengan Filter Pasif

## Desain Filter Aktif
Gambar 2.  Desain  Penyearah Terkendali Satu Phasa dengan Filter Aktif

## 2.3 Desain Perangkat Lunak
Desain  perangkat  lunak  menggunakan  program  PSIPCE. Teknik pembuatan Listing PSPICE digunakan sistem Netlist seperti  diagram alur berikut ini ( M. Rashid, 1993):

## Gambar 3.  Diagram Alur Program PSPICE

## 2. 4 Bahan dan Alat yang Digunakan
Bahan  yang  digunakan  adalah  komponen-komponen elektronik  yang  dibutuhkan  dalam  desain  dan  tersedia  di pasaran.  Adapun  parameter-parameter  yang  digunakan dalam rangkaian ini adalah:
- Tegangan masukan  = 220V.
- Resistansi  dan  induktansi  masukan  :  Rs  =  0,1  Ohm  dan Ls = 0,5 mH.
- Beban keluaran Rb = 20 Ohm.
- Thyristor tipe IR S18F
Sedangkan  alat  yang  digunakan  untuk  melakukan  simulasi menggunakan perangkat keras komputer PC Pentium IV dan perangkat lunak PSPICE Versi 7.1

## 2.5 Teknik Analisis Data

## Nilai efektif (rms) komponen AC
2 2 dc rms ac V V
V   (1)

## Nilai faktor riak
% 100 x V V RF dc ac  (2)
Efisiensi penyearah
% 100 x P P ac dc   (3)

## Faktor Daya
- Sebelum ada harmonik:
I V P PF .  (4)
- Setelah ada harmonik:
 cos ) 1 ( 1 2 THD PF   (5)

## 2.6 Rangkaian dan Sistem Kendali yang Digunakan
Sistem  kendali  yang  digunakan  adalah  tipe  penyalaan  jarak sama,  dimana  sudut  penyalaan  ditentukan  oleh  titik zero crossing antara tegangan masukan V an – V cn . Oleh karena itu untuk  tegangan  seimbang  titik  nolnya  berada  pada  /6 seperti yang diperlihatkan secara blok diagram pada Gambar 3.
Gambar 4.  Sistem Kendali Tipe Penyalaan Jarak Sama

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Hasil Penelitian
1. Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan  Masukan
Setelah  dilakukan  simulasi  dari  kedua  tipe  filter  yang digunakan  pada  penyearah  terkendali  1  phasa,  maka diperoleh  hasil  bentuk  gelombang  harmonic  arus  dan tegangan masukan seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 5.
(a) Filter Pasif
(b) Filter Aktif
Gambar 5.  Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Masukan Penyearah dengan Sudut Penyalaan Alfa 30 0

## 2. Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan  Keluaran
Jurnal Media Elektro , Vol. 1, No. 1, April 2012                                                                               ISSN    9772252- 669007
(b) Filter Aktif
Gambar 6.  Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Keluaran Penyearah dengan Sudut Penyalaan Alfa 30 0

## 2.  Bentuk  Gelombang  Tegangan  Beban  DC  Rata-Rata (Average) dan Tegangan Efektif (RMS)
Dari  hasil  simulasi  diperoleh  tegangan  DC  rata-rata ( Average )  dan  tegangan  efektif  (RMS)  dengan  memplot AVG (V(4,3)) dan RMS (V(4,3)) seperti Gambar 7.
(a) Filter Pasif

## (b) Filter Aktif
Gambar 7. Bentuk Gelombang Tegangan Beban DC Rata-Rata (Average) dan Tegangan Efektif (RMS) pada Penyearah
dengan Penyalaan Alfa 30 0
Kemudian  dengan  menggunakan  hasil  plot  nilai  tegangan keluaran  DC  rata-rata  dan  nilai  RMS  untuk  berbagai  sudut penyalaan,  maka  dengan  menggunakan  rumus  (1),  (2),  dan (3)  dapat  diperoleh  hasil  perhitungan  seperti  dalam  Tabel  1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Hasil Simulasi dan Perhitungan Tegangan DC, Tegangan RMS, Faktor Riak dan Efisiensi Berbagai Sudut
Penyalaan pada Filter Pasif Sudut Penyalaan Tegangan Keluaran RMS Tegangan Keluaran DC Riak Tegangan Efisiensi Derajat Volt Volt (%) (%) 0 94,135 69,496 91,36 54,50 10 161,749 143,198 52,52 78,38 20 208,687 198,562 32,34 90,53 30 218,946 208,382 32,24 90,58 40 239,779 228,110 32,39 90,5 50 283,841 279,955 16,72 97,28 60 294,062 289,841 17,13 97,15
Tabel 2. Hasil Simulasi dan Perhitungan Tegangan DC, Tegangan RMS, Faktor Riak dan Efisiensi Berbagai Sudut
Penyalaan pada Filter Aktif Sudut Penyalaan Tegangan Keluaran RMS Tegangan Keluaran DC Riak Tegangan Efisiensi Derajat Volt Volt (%) (%) 0 160,784 149,8 38,99 86,8 10 168,745 161,212 30,92 91,27 20 187,177 182,597 22,53 95,17 30 215,052 210,891 19,96 96,17 40 248,561 243,712 20,05 96,14 50 276,772 271,1 20,56 95,94 60 298,256 291,577 21,53 95,57

## 3. Bentuk Spektrum Harmonik Arus Masukan
Untuk mengetahui perbandingan harmonik yang ditimbulkan oleh  penyearah  menggunakan  filter  pasif  dan  penyearah menggunakan filter aktif, maka analisis dilakukan pada daya yang  sama.  Karena  terdapat  perbedaan  tegangan  keluaran antara  penyearah  menggunakan  filter  pasif  dan  penyearah menggunakan  filter  aktif,  maka  terlebih  dahulu  harus dilakukan  iterasi  ulang  agar  diperoleh  tegangan  keluaran yang sama sehingga diperoleh daya yang sama.
Adapun  perbandingan komponen fourier dari arus masukan penyearah  terkendali  satu  phasa  pada  sudut  penyalaan  30 0 antara  filter  pasif  dan  filter  aktif  dapat  dilihat  pada  Gambar 8.
Jurnal Media Elektro , Vol. 1, No. 1, April 2012                                                                               ISSN    9772252- 669007
Gambar 8. Perbandingan Spektrum Harmonik Arus Masukan pada Sudut Penyalaan 30 0 antara Filter Pasif dan Filter Aktif

## 4. Analisis Faktor Kerja
Untuk  menganalisis  perbandingan  faktor  kerja  penyearah dengan  menggunakan  filter  pasif  dan  filter  aktif  berbagai sudut  penyalaan  digunakan  rumus  (4)  dan  (5).  Adapun hasilnya dapat  dilihat pada Tabel  3 dan 4.

## Tabel 3. Hasil Perhitungan  Faktor Daya Penyearah Dengan Menggunakan Filter Pasif pada Sudut Penyalaan yang Bervariasi
Sudut Penyalaan Sudut Perpindahan Input THD Faktor Daya Derajat Derajat % Tanpa THD Dengan THD 0 86,33 0,00014 0,064 0,064 10 53,96 1,914 0,59 0,27 20 43,01 1,956 0,73 0,33 30 38,21 2,016 0,78 0,35 40 31,51 2,129 0,85 0,36 50 21,09 1,51 0,93 0,51 60 13,52 1,591 0,97 0,52
Tabel 4. Hasil Perhitungan  Faktor Daya Penyearah Dengan Menggunakan Filter Aktif pada Sudut Penyalaan yang
Bervariasi Sudut Penyalaan Sudut Perpindahan Input THD Faktor Daya Derajat Derajat % Tanpa THD Dengan THD 0 -179,9 0,437 0,99 0,91 10 179,7 0,448 0,99 0,9 20 178,2 0,484 0,99 0,89 30 175,8 0,539 0,99 0,87 40 172,5 0,606 0,99 0,85 50 168,6 0,683 0,98 0,81 60 164,2 0,769 0,96 0,76

## 3.2 Pembahasan Hasil Penelitian
Dari hasil perhitungan jika  menggunakan  penyearah dengan menggunakan  filter  pasif,  riak  tegangan  yang  dihasilkan
semakin  kecil  pada  sudut  penyalaan  0 0 sampai  50 0 dan kemudian  kembali  meningkat  pada  sudut  penyalaan  60 0 . Efisiensi semakin meningkat dari sudut penyalaan 0 0 sampai 50 0 dan  kemudian  kembali  menurun  pada  sudut  penyalaan 60 0 .  Sedangkan  faktor  daya  semakin  meningkat  dari  sudut penyalaan 0 0 sampai sudut penyalaan 60 0 .  Faktor daya yang terbesar  terdapat  pada  sudut  penyalaan  60 0 .  Faktor  daya bersifat  leading  karena  pada  rangkaian  filter  pasif  nilai kapasitor  cukup  besar  sehingga  arus  cenderung  mendahului tegangan.  Hubungan  antara  sudut  penyalaan,  riak  tegangan dan  faktor  daya  pada  penyearah  dengan  menggunakan  filter pasif  dapat  dilihat  pada  Tabel  3.  Penelitian  ini  hanya dilakukan  sampai  sudut  penyalaan  60 0 saja  karena  setelah disimulasikan  menggunakan  Program  PSPICE,  kemampuan penyearah ini hanya bisa dinyalakan sampai sudut penyalaan 60 0 .
Selanjutnya,  dari  hasil  perhitungan  jika  menggunakan penyearah  dengan  menggunakan  filter  aktif,  riak  tegangan yang  dihasilkan  semakin  menurun  pada  sudut  penyalaan  0 0 sampai  30 0 dan  kemudian  kembali  meningkat  dari  sudut penyalaan 40 0 sampai 60 0 . Efisiensi semakin meningkat dari sudut  penyalaan  0 0 sampai  30 0 dan  kemudian  kembali menurun  dari  sudut  penyalaan  40 0 sampai  60 0 .  Sedangkan semakin  kecil  sudut  penyalaan  semakin  besar  faktor  daya yang  dihasilkan.  Faktor  daya  bersifat  lagging,  karena  pada rangkaian  filter  aktif  besar  nilai  kapasitor  cukup  kecil sehingga arus cenderung tertinggal dari tegangan. Hubungan antara  sudut  penyalaan,  riak  tegangan  dan  faktor  daya  pada penyearah  dengan  menggunakan  filter  aktif  dapat  dilihat pada  Tabel  4.  Selain  itu,  faktor  daya  pada  filter  aktif  pun akan semakin menurun jika sudut penyalaan lebih besar dari 60 0 . Untuk ,mengetahui perbandingan kinerja dari penyearah yang  menggunakan  filter  pasif  dan  filter  aktif  berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 9 - 12.
Gambar 9.  Grafik Hubungan antara Sudut Penyalaan dengan Faktor Daya antara Penyearah dengan Filter Pasif dan Filter Aktif
Jurnal Media Elektro , Vol. 1, No. 1, April 2012                                                                               ISSN    9772252- 669007
Gambar 10. Grafik Hubungan Antara Sudut Penyalaan dengan Efisiensi antara Penyearah dengan Filter Pasif dan Filter Aktif
Gambar 11. Grafik Hubungan Antara Sudut Penyalaan dengan Riak Tegangan pada Penyearah dengan Filter Pasif
Gambar 12. Grafik Hubungan antara Sudut Penyalaan dengan Presentase Harmonisa yang Timbul pada Penyearah dengan Filter Pasif dan Filter Aktif

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  pembahasan  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Riak  tegangan  yang  dihasilkan  pada  penyearah terkendali  satu  phasa  dengan  menggunakan  filter  pasif dengan sudut penyalaan 0 0 – 60 0 adalah antara 16,72% - 91,36%.  Sedangkan  diperoleh  riak  tegangan  yang  lebih kecil pada filter aktif,  yaitu antara 19,96% - 38,99%.
2. Harmonisa  yang  timbul  pada  penyearah  terkendali  satu phasa  dengan  menggunakan  filter  pasif  dengan  sudut penyalaan  0 0 –  60 0 adalah  0,00014%  -  2,129%, sedangkan  pada  filter  aktif  diperoleh  nilai  yang  lebih kecil,  yakni sebesar 0,437% - 0,769%.
3. Hasil  perhitungan  dari  data  yang  diolah  oleh  program pada  penyearah  dengan  menggunakan  filter  pasif diperoleh  faktor  daya  sebesar  0,064  ( leading )  –  0,53 ( leading ) sedangkan pada penyearah dengan menggunakan  filter  aktif  diperoleh  faktor  daya  sebesar 0,35 ( lagging ) – 0,91 ( lagging ).
4. Besar efisiensi pada filter pasif dengan sudut penyalaan 0 0 –  60 0 diperoleh  antara  54,50%  -  97,28%.  Sedangkan efisiensi  yang diperoleh pada filter aktif berkisar antara 86,8% - 96,17%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    Sri  Kurniati  A.  dkk.  2006. Perbaikan  Kinerja Penyearah Tiga Phasa Terkendali dengan Menggunakan  Filter  Hybrid .  Laporan  Penelitian Dosen Muda. Lembaga Penelitian Undana. [2]  Syafri  Martinius,  dkk.1999. Penyearah  18  Pulsa. Proceedings Third Workshop on Electro Communication and Information (WECI) III. Department  of  Electrical  Engineering    ITB  Bandung. pp. I 22-I 25.
[3]  Ahmad  Saudi  Samosir,  dan  Pekik  Argo  Dahono.1999. Suatu  Metoda  Baru  untuk  Meminimisasi  Harmonisa
Orde Rendah Konverter DC-ke-DC dengan Menggunakan  Umpan  Balik  Riak . Department  of Electrical Engineering  ITB Bandung. pp. I 55 – I 58.
[4}  J.  Arrillaga,  D.A.  Bradley  and  Bodger.  1985. Power System Harmonics Analyzer , John Wiley and Sons.
[5]  Prasad  N.  Enjeti,  et.al.  1994. Analysis  and  Design  of  a New  Active  Power  Filter    to  Cancel  Neutral    Current Harmonics  in  Three  Phasa    Four  Wire  Electric Distribution  System. IEEE  Transaction  on  Industry Application. Vol 30 No. 6.
[6] Yahya Chusna Arif. 2001. Rancang Bangun DC Power Suplay  Tiga  Phasa  dengan  Harmonik  Rendah . Jurnal EEPIS.
[7]  O.  Penangsang,  Wibowo.  RS.  2002. Analisis  dan Simulasi    Peningkatan  Faktor  Daya    pada  System Kelistrikan  yang Mengandung Harmonik . Studi Kasus Sistem  Kelistrikan    Pabrik  semen    Tuban  I,  II,  III. Lembaga Penelitian ITS.
[8]    Yahya  Chusna  Arif.  2002. Teknik  Perbaikan  Kualitas Daya  pada  Penyearah  Terkontrol  3  Phasa  dengan Menggunakan  Sistem  Simetri  dan  Injeksi  harmonik ketiga . IES.
[9]  Muhammad  Rashid.  1993. Elektronika  Daya ,  PT Prenhallindo, Jakarta.