## JURNAL ILMIAH FLASH
Vol. 10 No. 1, Halaman: 36 - 41 Juni 2024

## RANCANG BANGUN FILTER AKTIF DAN PASIF UNTUK MEREDAM TERJADINYA HARMONIK PADA DESAIN PENYEARAH TERKENDALI

## 3 FASA DENGAN BEBAN MOTOR DC
David Suban Koten 1* , Yohanes Suban Peli 2 , dan Vian Alfa Reiwuty 3 1,2, 3 Politeknik Negeri Kupang
* E-mail: davidsubankoten@gmail.com

## Abstrak
Harmonik  merupakan  salah  satu  fenomena  gangguan  sistem  tenaga  listrik  karena  terjadinya  distorsi  pada bentuk  gelombang  arus  dan  tegangan.  Distorsi  pada  arus  dan  tegangan  ini  bersifat  periodik  dan  disebabkan karena  dihasilkannya  komponen-komponen  gelombang  dengan  frekwensi  berbeda  dari  gelombang fundamentalnya, oleh karena itu dibutuhkan filter untuk mengurangi  besarnya harmonik yang timbul. Penelitian ini bertujuan untuk  mengurangi riak frekwensi rendah pada sistem 3 fasa  serta menganalisa kinerja penyearah terkendali  tiga  fasa  dengan  menggunakan  PSPICE (Simutation  program    With  Integrated  Circuit  Emphasis). Penelitian ini  juga  bertujuan untuk  melakukan  analisis dan simulasi  PSPICE   perbandingan   kinerja  filter hibrid dengan membandingakn hasil simulasi dengan pengujian laboratorium guna mengetahui berapa besar harmonik (THD),    Efisiensi,  Faktor  kerja  dan  Riak  tegangan  dan  Arus  pada  sistem  Tiga  fasa.    Dengan  diketahui  kinerja dari  filter  hibrid  yang  dibuat  dalam  penelitian  ini,  penelitian  ini  bisa  dilakukan  penelitian  lanjutan  yakni mendesain filter hibrid pada sistem pembangkitan. mengkompensasi harmonik pada sistem tenaga listrik.
Kata kunci : Harmonik, Distorsi Arus dan tegangan, Filter aktif, Filter Pasif, Filter Hibrid,

## PENDAHULUAN
Tenaga  listrik  memegang  peranan  yang penting dalam industri. Seringkali tenaga listrik ini  harus  dikontrol  terlebih  dahulu  sebelum diberikan ke beban. Untuk  mengontrol tenaga listrik  biasanya  digunakan  suatu  konverter yang  merubah  tenaga  listrik  AC  menjadi    DC dengan  tegangan  yang  bervariabel,  yakni berupa  penyearah  terkendali.  Pada  aplikasi  ini biasanya  digunakan  komponen  elektronika daya  penyearah  thyristor,  dimana  perubahan tegangan  keluaran  penyearah  thyristor  ini tergantung  pada  pengontrolan  penyalaan  dari thyristor. Namun adanya penggunaan konverter  dalam  sistem  akan  menimbulkan tegangan  atau  arus  yang  non-sinusoidal. Bentuk  tegangan  atau  arus  yang  non- sinusoidal  tersebut  akan  menghasilkan  arus harmonik.  Hal  ini  telah  diungkapkan  oleh  [1-4] bahwa penyearah terkendali selain menghasilkan  harmonik,  juga  memiliki  faktor daya  yang  sangat  rendah.  Oleh  karena  itu kadar harmonik yang tinggi dalam sistem tidak dikehendaki, karena dapat menimbulkan beberapa  kerugian.  Diantaranya,  naiknya distorsi  terhadap  input,  kegagalan  fungsi  dari peralatan elektronik yang sensitif, menurunkan efisiensi  dan  yang  lebih  penting  lagi  adalah pemborosan energi listrik.
Penyearah terkendali satu phasa merupakan  salah  satu  penghasil  harmonik yang  terbesar  dalam sistem  tenaga  listrik  [2,5-
9].  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  [10-13],  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. Penggunaan filter pada suatu sistem kelistrikan  yang  memiliki  tingkat  harmonisa yang  sangat  tinggi  akan  dapat  sangat membantu  dalam  menangani  ganguan  yang ditimbulkan  oleh  efek  harmonisa  tersebut. Selain  itu,  penggunaan  filter  juga  mengurangi riak tegangan yang berakibat pada meningkatnya  kualitas  tegangan  sistem  dan meningkatkan  faktor  daya.  Pada  penelitian sebelumnya,  berhasil  membuat  rancangan filter  pasif  LC.  Namun,  dalam  kenyataannya rancangan  filter  pasif  LC  tersebut  masih memiliki  kadar  harmonik  yang  timbul  dengan sudut  penyalaan  0°-  60°  adalah  0,00015%  - 1,87%  dengan  riak  tegangan  antara  17,96%  - 75,7%  sehingga  efisiensi  penyearah  tersebut berkisar  antara  52,18%  -  97,00%.  Dengan demikian maka nilai efisiensinya masih rendah dan  kadar  harmonik  yang  timbul  pun  masih besar.
Berdasarkan  data  dan  hasil  penelitian sebelumnya  maka  pada  penelitian  ini,  kami akan  merancang  filter  hybrid  (  kombinasi  filter pasif  dan  aktif)  untuk  meredam  harmonic  dan meningkatkan  factor  kerja  penyearah  pada kondisi  tegangan  seimbang  untuk  sistem  tiga fasa

## METODE PENELITIAN
Penelitian  di  lakukan  dengan  berawal dari  perancangan  alat,  pebuatan  alat,  dan pengujian  untuk  mengukur  besarnya  arus distorsi  harmonik  yang  di  redam  oleh  filter hibrid. Serta mensimulasikan dengan menggunakan Program SPICE untuk membandingkan  hasil  simulasi  dan  pengujian laboratorium.
Berikut adalah konsep dari alir penelitian
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## Tahapan Penelitian
Dalam  melaksanaan  penelitian  ini  dilakukan suatu analisis perbandingan kinerja penyearah terkendali  tiga  phasa  dengan  filter  hibrid  dan filter  aktif  menggunakan  rangkaian  seperti pada Gambar 2 dan 3 .
Gambar 2.  Penyearah Terkendali Tiga Phasa dengan menggunakan filter hibrid
Gambar 3. Konfigurasis sistem penyearah terkendali tiga phasa dengan menggunakan filter hibrid

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## A.  Hasil  dan  Simulasi  Rangkaian  untuk Tegangan Seimbang
Setelah  dilakukan  perhitungan  desain filter  LC  yang  digunakan  untuk  memperbaiki kinerja  penyearah  3  phasa  terkendali,  maka dilakukan  simulasi  dengan  menggunakan tegangan masukan seimbang, dengan memasang komponen C = 500 uF dan L = 1,7 mH.  Selanjutnya  dibuatkan  listing  program dengan menggunakan netlist PSPICE.
Dengan  berdasarkan  pada  desain  awal  ini, kemudian simulasi dilakukan dengan merubah-rubah  variabel  sampai  diperoleh hasil THD yang serendah mungkin. Perubahan  dilakukan  dengan  menaikkan  dan menurunkan nilai komponen LC dan selanjutnya dilakukan simulasi secara berulang-ulang  dengan  mengubah-ubah  nilai komponen, sehingga diperoleh nilai THD yang rendah dengan besar komponen C = 1200 uF dan  L=  1,7  mH.  hasil  simulasi  program  untuk sudut  penyalaan  30 0 dapat  dilihat  pada Gambar 4.

## Rancang Bangun Filter Aktif dan Filter Pasif untuk Meredam Terjadinya Harmonik pada
Desain Penyearah Terkendali  3 Fasa dengan Beban Motor DC
Koten 1 , Peli 2 , dan Tarully 3 38
Gambar 4. menunjukan  Bentuk Signal Gate Thyristor untuk penyalaan sudut sama  pada Sudut  penyalaan alpha  30 0
Gambar 5.  Bentuk Gelombang Arus dan Tegangan Masukan  pada sudut  penyalaan alpha  30 0
Gambar 6. Bentuk gelombang harmonik arus dan tegangan masukan pada  sudut penyalaan 30 derajat dengan filter hibrid
Gambar 7. Bentuk gelombang harmonik tegangan beban keluaran
Gambar 8. Bentuk gelombang  keluaran tegangan DC dan tegangan RMS
Berdasarkan hasil simulasi ini, maka diperoleh kandungan riak sebagai berikut:
Volt V ac 75 , 16 ) 172 , 266
699 , 266 ( 2 2 = − =
Selanjutnya diperoleh kandungan ripel tegangan  atau factor ripple , yakni
% 29 , 6 100 0629 , 0 172 , 266 75 , 16 = = = x RF Efisiensi diperoleh: B.  Bentuk Spektrum Harmonik Arus
Masukan
Gambar 9. Perbandingan spektrum harmonik arus masukan pada penyalaan sudut sama dan jarak sama  dengan filter hibrid pada tegangan tidak seimbang

## C.  Analisis  Kinerja  Penyearah  Terkendali Pada Tegangan Seimbang
Dalam menganalisis penyearah terkendali  tiga  phasa  dengan  menggunakan filter  hibrid  ini  digunakan  penyesuaian  daya yang  sama  seperti  pada  filter  pasif.  Hal  ini dapat dilakukan dengan merubah-rubah tegangan  input.  Dari  hasil  simulasi  yang  telah dilakukan  terlihat  bahwa  penggunaan  filter hybrid  pada  penyearah  terkendali  3  phasa menunjukkan gelombang arus masukan sudah mendekati sinusoidal. Demikian halnya dengan  bentuk  keluaran  tegangan  beban penyearah  terlihat  bahwa  kondisi steady  state tercapai  mulai  pada  range  25  ms  sampai 60ms,  lebih  cepat  dibanding  dengan  filter pasif.
Selanjutnya  penggunaan  filter  hibrid  ini dapat menurunkan harmonik yang timbul pada filter pasif, yakni dapat menghilangkan harmonik    ke-3.  Demikian  juga  pada  sisi keluaran,  terlihat  bahwa  riak  tegangan  yang timbul  pada  orde  ke-2  dapat  dihilangkan  dan meredam  harmonik  ke-6.  Hal  ini  juga  dapat dibuktikan  dengan  melihat  hasil  perhitungan kandungan  ripelnya,  yakni  mempunyai  riak
tegangan sebesar  2,2% (pasif =  4%).  Dengan demikian,  efisiensi  penyearah  naik  menjadi 99,9%  untuk penyalaan thyristor.
Analisis Komponen Fourier Analisis Faktor Kerja Untuk  menganalisis  faktor  kerja  penyearah terkendali  dengan  menggunakan  program PSPICE dapat
dilakukan
dengan menggunakan  data  harmonik  arus  masukan yang  dihasilkan  oleh  hasil  simulasi  .  Adapun hasilnya  dapat  dilihat  pada  tabel  berikut  ini (diambil    phasa  1  dengan  sudut  penyalaan 30 0 ).
Tabel 1. Harmonik arus masukan pada penyearah dengan menggunakan filter hibrid
FOURIER COMPONENTS OF TRANSIENT RESPONSE I(RS1) DC COMPONENT =  -1.266711E-02
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 2.435389E+01 PERCENT
Berdasarkan pada tabel hasil olahan program tersebut, maka dapat dihitung faktor kerja dari penyearah dengan dua cara (diambil  Tabel 1 sebagai sampel):
Cara Pertama: -  Input arus DC (I in(DC) ) = 0,19 -  Input arus fundamental RMS (I 1 (RMS) ) = 25,67 /  2 = 18,15 Ampere
-  Distorsi Harmonik Total
-  (THD) = 50,26 % = 0,503
- Harmonik arus masukan (I h (RMS) ) = (I 1 (RMS) ) x THD = 18,15 x 0,503 = 9,13 Ampere
-  Input arus RMS (Is)
  2 ) ( 2 ) ( 1 2 ) ( RMS h RMS DC in I I I + + = Ampere 32 , 20 ) 13 , 9 15 , 18 19 , 0 ( 2 2 2 = + + =
- Sudut  perpindahan    ( displacement  angle ), (  1 ) = 0,46 0 .

## Rancang Bangun Filter Aktif dan Filter Pasif untuk Meredam Terjadinya Harmonik pada
Desain Penyearah Terkendali  3 Fasa dengan Beban Motor DC
Koten 1 , Peli 2 , dan Tarully 3 40
-  Faktor  pergeseran  (DF) = cos  1 = cos (0,46 0 ) = 0,99 (lagging)
Selanjutnya  diperoleh  input power  factor sebagai berikut:
- Lagging x I I PF s RMS 88 , 0 99 , 0 32 , 20 15 , 18 cos 1 ) ( 1 = = =  Cara Kedua: PF  = ( ) ( ) 2 1 2 503 , 0 1 1 1 1 + = +  Cos THD

## x 0,99 = 0,89 Lagging

## D. Analisis Total Distorsi Harmonik (THD)
Untuk  analisis  Total  Distorsi  Harmonik (THD)  dan  faktor  kerja  dari  berbagai  sudut penyalaan dapat dilihat pada tabel 2 berikut.
Tabel 2. Input THD dan Perhitungan PF dengan  untuk tegangan seimbang
Dari  hasil  perhitungan  THD  dan  PF pada tabel 4.2 untuk berbagai sudut penyalaan  terlihat,  bahwa  apabila  sudut penyalaan diperbesar maka akan mengakibatkan  THD  juga  menjadi  besar sehingga faktor kerja dari penyearah menurun. Sebaliknya  dengan  penggunaan  filter  hibrid,  , apabila sudut penyalaan diperbesar mulai dari 15 –  45  derajat  akan  turun  dan  mempunyai faktor kerja antara 0,93-0,94. Sedangkan pada sudut penyalaan 60 derajat nilai THD-nya naik, tetapi faktor kerjanya tetap, yakni 0,94.

## PENUTUP
Berdasarkan  hasil  pembahasan  yang telah  dilakukan,  maka    dapat  disimpulkan sebagai berikut:
1.  Pada tipe penyalaan sudut sama menimbulkan  harmonik  arus  masukan pada orde ke-3 ke-5, dan ke-7 sedangkan pada  sisi  keluaran  menimbulkan  riak tegangan pada orde ke-2 dan ke-6.
2.  Perbandingan    harmonik  arus  masukan penyearah  dengan  menggunakan  filter pasif  dan  filter  hybrid  pada  sudut penyalaan  30  derajat,  yakni  pada  tipe penyalaan  sudut  sama  mempunyai  input THD sebesar 53,83% untuk filter pasif dan 24,66% pada filter hibrid.
3.  Hasil  perhitungan  kandungan  riak  yang telah dilakukan diperoleh bahwa penggunaan
filter hibrid
dapat menurunkan riak tegangan pada penyalaan sudut sama dapat menurunkan kandungan  riak  dari  8,93%  menjadi 6,29%. Dengan demikian efisiensi penyearah  dapat  ditingkatkan  menjadi 99,6%  pada  penyalaan  sudut  sama.
Selain itu, dapat meredam arus fundamental dan menghilangkan harmonik ke-3  dan  ke-9  (hanya  harmonik  ke-5  dan ke-7 yang muncul) .  Sedangkan pada sisi keluaran  dapat  meredam  riak  tegangan pada  orde  ke-2  ,  tetapi  pada  orde  ke-6 menjadi tinggi Dari  hasil  percobaan  yang  telah  dilakukan, maka  disarankan  dalam  penggunaan  filter untuk penyearah terkendali sebaiknya digunakan  filter  hibrid.  Untuk  pengujian berikutnya disarankan untuk menguji rangkaian  penyearah  tiga  phasa  terkendali denngan  menggunakan  kontrol  Pulse  Width Modulation (PWM).

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih kepada Politeknik Negeri Kupang dalam hal ini Pusat  Penelitiandan  Pengabdian  kepada Masyaakat yang telah memberikan kesempatan  dan  mendanahi  penelitian  ini dalam program penelitian rutin tahun anggaran 2023.  kepada  tim  peneliti  untuk  melakukan penelitian ini. Selanjutnya, ucapan terimakasih kepada  Yohanes  Suban  Peli  dan  Vian  Alfa Reiwuty  Tarully  yang  telah  berkontribusi sebagai  tim  peneliti  dalam  menyelesaikan penelitian  ini.  Kepada  Tim  Pengelola  Jurnal FLASH,  penulis  mengucapkan  terima  kasih atas  bantuan  dan  perannya  dalam  mereview hasil penelitian ini .

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  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 . Proceeding  WECI  III Department of Electrical Engineering ITB.
[2]   F.Z.  Peng,  H.  Akagi  and  A.    Nabae.  1989. Compensation  Characteristics  Compensation of  Combined  System  of  Shunt  Passive  and Series Active Filters. IEEE/IAS Annual Meeting.pp.959-966.
[3].   H. Akagi. A. Nabae and S. Atoh. 1986. Control strategy  of  active  power  filter  using  voltage source PWM converter , IEEE Trans. Ind Appl.,
IA-22, Vol.3, pp460.
[4].   Hideaki  Fujita,  and  Hirofumi  Akagi  Nagaoka. 1989.  A  Practical  Aprroach  to  harmonic Compansation  in  Power  Systems  (Series connection  of  Passive  and  Active  Filters). IEEE / IAS Ann. Meet. Conf. pp 1107-1112 .
[5].   J.  Arrillaga,  D.A.  Bradley  and  Bodger.  1985. Power  System  Harmonics  Analyzer ,  John Wiley and Sons.
[6].   Jusmin  Sutanto,  dan  Hernadi  Buhron.  2003. Implikasi  Harmonisa  Dalam  Sistem  Tenaga Listrik  dan  Alternatif  Solusinya. Jurnal  PLN Bandung,
(Online), (http://www.attach_harmonisa yus_her_pln_jabar.com, diakses 20
September 2005).
[7].   Limboto  Limantara.  2002. Hybrid  Active  Filter Untuk  Meredam  Resonansi  Harmonisa  Pada Sistem  Pembangkitan  di  Industri. Jurnal
Teknik  Elektro,(Online),    Vol  2  No.1  Jurusan Teknik  Elektro  Fakultas  Teknologi  Industri Universitas Kristen Petra Surabaya, (http://www.petra.co.id, diakses 10 Juli 2005).
[8].   Muhammad Rashid. 1993a. Elektronika Daya , PT Prenhallindo, Jakarta.
[9]   Muhammad  Rashid.  1993b. SPICE  for  Power Electronics  and  Electric  Power .  Prentice-Hall International.
[10]  Margo  Pujiantara,  Danang  Martono.2002. Studi  Penggunaan  Filter  Aktif  dan  Pasif Terhubung Seri Untuk Kompensasi Harmonisa Dalam  Sistem  Tenaga .  Seminar  Sistem Tenaga Elektrik III.ITS.
[11]  Nasrun  Haryanto.  1999. Analisis  Kinerja Penyearah  Tiga  Phasa  Terkendali  Dengan Menggunakan  PSPICE .  Tesis  ITB  (Tidak Dipublikasikan).
[12].  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.
[13]  Penyearah  terkendali  satu  phasa  merupakan salah  satu  penghasil  harmonik  yang  terbesar dalam sistem tenaga listrik (Sri Kurniati, 2017).