Harmonik Listrik

HARMONIK LISTRIK

 

 

• Harmonik adalah tegangan sinusoidal atau arus yang memiliki frekuensi yang merupakan perkalian keseluruhan dari frekuensi di mana sistem pasokan dirancang untuk beroperasi (misalnya 50Hz atau 60 Hz).
• Harmonik hanyalah teknik untuk menganalisis arus yang ditarik oleh komputer, ballast elektronik, drive frekuensi variabel, dan peralatan lain yang memiliki persediaan daya “transformator-kurang”.
• Ada dua konsep penting yang harus diingat sehubungan dengan harmonisasi sistem tenaga.
• Yang pertama adalah sifat beban produksi harmonik-arus (beban non-linier) dan yang kedua adalah cara arus harmonik mengalir dan bagaimana tegangan harmonik yang dihasilkan berkembang.
• Ada hukum di bidang teknik elektro yang disebut Hukum Ohm. Hukum dasar ini menyatakan bahwa ketika sebuah tegangan di pakai di suatu hambatan, arus akan mengalir. Beginilah cara semua peralatan listrik beroperasi. Tegangan yang kami terapkan di peralatan kami adalah gelombang sinus yang beroperasi 60 atau 50 Hertz (siklus per detik).

• Untuk menghasilkan tegangan gelombang sinus . Ini memiliki (relatif) amplitudo konstan dan frekuensi konstan.
• Setelah tegangan ini diterapkan ke perangkat, Hukum Ohm bisa berlaku. Hukum Ohm menyatakan bahwa arus sama dengan tegangan dibagi dengan resistensi. Dinyatakan secara matematis I = V / R
• Dinyatakan secara grafis, arus berakhir menjadi gelombang sinus lain, karena hambatannya adalah bilangan konstan. Hukum Ohm menyatakan bahwa frekuensi gelombang saat ini juga 60 Hertz. Di dunia nyata, ini benar; meskipun dua gelombang sinus mungkin tidak selaras dengan sempurna (sebagai faktor daya) gelombang arus akan benar-benar menjadi gelombang sinus 60 Hertz.

• Karena gelombang sinus, tegangan yang diterapkan akan menyebabkan arus sinusoidal akan ditarik, sistem yang menunjukkan perilaku ini disebut sistem linear. Lampu pijar, pemanas dan motor adalah sistem linear.
• Namun beberapa peralatan tidak sesuai dengan kategori ini. Komputer, drive frekuensi variabel, ballast elektronik dan sistem catu daya tak terputus adalah sistem non-linear. Dalam sistem ini, resistensi tidak konstan dan pada kenyataannya, bervariasi selama setiap gelombang sinus. Ini terjadi karena hambatan perangkat tidak konstan. Resistensi sebenarnya, berubah selama setiap gelombang sinus

LINEAR AND NON-LINEAR LOADS (MOTORS, HEATERS AND INCANDESCENT LAMPS):

• Elemen linear dalam sistem daya adalah komponen di mana arus sebanding dengan tegangan.
• Secara umum, ini berarti bahwa bentuk gelombang saat ini akan sama dengan tegangan (Lihat Gambar 1). Contoh-contoh tipikal beban linear termasuk motor, pemanas dan lampu pijar.

Gambar 1. Arus dan tegangan pada Gelombang beban linear

NON-LINEAR SYSTEM (COMPUTERS, VFDS, ELECTRONIC BALLASTS):

• Seperti pada Gambar diatas kita menerapkan tegangan ke catu daya solid state, arus yang ditarik adalah (kurang-lebih) nol sampai “tegangan pengapian” kritis tercapai pada gelombang sinus. Pada tegangan ini, gerbang transistor (atau perangkat lain) atau memungkinkan arus yang akan disalurkan.
• Arus ini biasanya meningkat dari waktu ke waktu hingga puncak gelombang sinus dan menurun sampai tegangan kritis tercapai pada “sisi bawah” dari gelombang sinus. Perangkat kemudian mati dan arus menjadi nol. Hal yang sama terjadi pada sisi negatif dari gelombang sinus dengan pulsa negatif kedua dari arus yang ditarik. Arus yang ditarik kemudian adalah serangkaian pulsa positif dan negatif, dan bukan gelombang sinus yang ditarik oleh sistem linear
• Beberapa sistem memiliki bentuk gelombang yang berbeda seperti gelombang persegi. Jenis sistem ini sering disebut sistem non-linear. Catu daya yang menggambarkan jenis arus ini disebut switched mode power supplies.. Begitu arus terbentuk, kita memiliki waktu yang sulit menganalisis efeknya. Insinyur listrik diajarkan untuk menganalisis efek gelombang sinus pada sistem tenaga. Menganalisis efek dari pulsa ini jauh lebih sulit.

Gambar 2. Bentuk gelombang tegangan dan arus untuk beban non linear

• Arus yang ditarik oleh beban non-linear tidak sinusoidal tetapi periodik, yang berarti bahwa gelombang arus terlihat sama dari siklus ke siklus. Bentuk gelombang periodik dapat digambarkan secara matematis sebagai rangkaian bentuk gelombang sinusoidal yang telah dijumlahkan bersama.

Gambar 3. Bentuk gelombang dengan harmonic simetris

• Komponen sinusoidal merupakan kelipatan bilangan bulat dari fundamental di mana fundamental, di Amerika Serikat, adalah 60 Hz. Satu-satunya cara untuk mengukur tegangan atau arus yang mengandung harmonik adalah dengan menggunakan pembacaan meter RMS yang sebenarnya. Jika rata-rata meter digunakan, yang merupakan tipe yang paling umum, kesalahannya bisa Signifikan.
• Setiap istilah dalam seri ini disebut sebagai harmonik fundamental. Harmonik ketiga akan memiliki frekuensi tiga kali 60 Hz atau 180 Hz. Gelombang simetris hanya mengandung harmonik yang aneh dan gelombang yang tidak simetris mengandung harmonik yang bahkan aneh.
• Gelombang simetris adalah gelombang di mana bagian positif dari gelombang identik dengan bagian negatif dari gelombang. Gelombang un-simetris berisi komponen DC (atau offset) atau beban sedemikian rupa sehingga bagian positif dari gelombang berbeda dari bagian negatif. Contoh gelombang un-simetris akan menjadi penyearah gelombang setengah.
• Sebagian besar elemen sistem daya simetris. Mereka hanya menghasilkan harmonik yang aneh dan tidak memiliki DC offset.

ALIRAN ARUS HARMONIK :

• Ketika beban non-linier menarik arus yang saat ini melewati semua impedansi yaitu antara beban dan sumber sistem. Sebagai hasil dari aliran arus, tegangan harmonik dihasilkan oleh impedansi dalam sistem untuk masing-masing harmonik.
• Jumlah tegangan ini dan ketika ditambahkan ke tegangan nominal menghasilkan distorsi tegangan. Besarnya distorsi tegangan tergantung pada impedansi sumber dan tegangan harmonik yang dihasilkan.
• Jika impedansi sumber rendah maka distorsi tegangan akan rendah. Jika sebagian besar beban menjadi non-linear (arus harmonik meningkat) dan / atau ketika kondisi resonansi berlaku (peningkatan impedansi sistem), tegangan dapat meningkat secara dramatis.

ARUS HARMONIK DAPAT MENGHASILKAN SEJUMLAH MASALAH:

• Pemanasan peralatan
• Kerusakan peralatan
• Kegagalan peralatan
• Gangguan Fuse dan breaker mis-operation
• Masalah proses
• Pemanasan konduktor.

BAGAIMANA HARMONIK DIHASILKAN :

• Dalam sistem tenaga bersih yang ideal, bentuk gelombang arus dan tegangan adalah sinusoid murni. Dalam prakteknya, arus non-sinusoidal tersedia karena hasil arus yang mengalir dalam beban tidak berhubungan linier dengan tegangan yang diberikan.
• Dalam rangkaian sederhana yang hanya mengandung unsur-unsur rangkaian linier resistensi, induktansi dan kapasitansi. Arus yang mengalir sebanding dengan tegangan yang diterapkan (pada frekuensi tertentu) sehingga, jika tegangan sinusoidal diterapkan, arus sinusoidal akan mengalir. Perhatikan bahwa di mana ada elemen reaktif akan ada pergeseran fasa antara tegangan dan gelombang arus faktor daya berkurang, tetapi rangkaian masih bisa linier.
• Namun dalam situasi di mana beban gelombang penuh sederhana seperti rectifier dan kapasitor, seperti tahap input dari power supply mode switched khas (SMPS). Dalam hal ini, arus mengalir hanya ketika tegangan suplai melebihi yang tersimpan pada kapasitor reservoir, yaitu dekat dengan puncak gelombang sinus tegangan, seperti yang ditunjukkan oleh bentuk garis beban.
• Setiap bentuk gelombang siklus dapat dibuat menjadi sinusoid pada frekuensi dasar ditambah sejumlah sinusoid pada frekuensi harmonik. Jadi bentuk gelombang arus terdistorsi dalam gambar dapat diwakili oleh fundamental ditambah persentase harmonik kedua ditambah persentase harmonik ketiga dan seterusnya, mungkin sampai ke harmonik ketiga puluh.
• Untuk bentuk gelombang simetris, yaitu di mana siklus setengah positif dan negatif adalah bentuk dan besaran yang sama, semua harmonik bernomor genap adalah nol. Bahkan harmonik sekarang relatif jarang tetapi umum ketika separuh gelombang pembetulan banyak digunakan.
• Frekuensi yang kami gunakan adalah kelipatan dari frekuensi dasar, 60 Hz. Kami menyebutnya beberapa frekuensi harmonik. Harmonik kedua adalah dua kali 60 Hertz, atau 120 Hz. Harmonik ketiga adalah 180 Hertz dan seterusnya. Dalam sistem daya tiga fasa kita, harmonik “bahkan” (kedua, keempat, keenam, dll) dibatalkan, jadi kita hanya perlu berurusan dengan harmonik “aneh”.

• Angka ini menunjukkan harmonik fundamental dan ketiga. Ada tiga siklus harmonik ketiga untuk setiap siklus tunggal fundamental. Jika kita menambahkan dua bentuk gelombang ini, kita mendapatkan bentuk gelombang non-sinusoidal.
• Hasil ini sekarang mulai membentuk puncak yang mengindikasikan pulsa yang ditarik oleh pasokan daya mode sakelar. Jika kita menambahkan harmonik lainnya, kita dapat memodelkan bentuk gelombang periodik yang terdistorsi, seperti gelombang persegi yang dihasilkan oleh sistem UPS VFD. Penting untuk diingat bahwa harmonik ini hanyalah model matematis. Pulsa atau gelombang persegi, atau bentuk gelombang terdistorsi lainnya adalah apa yang sebenarnya kita lihat jika kita meletakkan osiloskop pada sistem kabel gedung.
• Pulsa ini, karena Hukum Ohm, juga akan mulai mengubah bentuk gelombang tegangan di gedung. Distorsi tegangan ini dapat menyebabkan kegagalan dini perangkat elektronik.
• Pada sistem tiga fase, tiga fase sistem daya adalah 120 ‘keluar dari fase. Arus pada fase B terjadi 120 derajat (1/3 siklus) setelah arus pada A. Demikian juga, arus pada fase C terjadi 120 ‘setelah arus pada fase B. Karena ini, arus 60 Hertz (fundamental) kita sebenarnya membatalkan pada netral. Jika kita memiliki arus 60 Hertz yang seimbang pada konduktor tiga fasa kita, arus netral kita akan menjadi nol. Hal ini dapat ditunjukkan secara matematis bahwa arus netral (dengan asumsi hanya 60 Hertz hadir) tidak akan pernah melebihi konduktor fase tertinggi yang dimuat. Dengan demikian, perlindungan arus berlebih pada konduktor fasa kita juga melindungi konduktor netral, meskipun kita tidak meletakkan perangkat pelindung yang berlebihan di atas konduktor netral. Harmonik ketiga dari masing-masing konduktor tiga fase persis dalam fase. Ketika arus harmonik ini bersatu pada netral, bukannya menghilangkan, mereka benar-benar menambahkan dan kita dapat memiliki lebih banyak arus pada konduktor netral daripada pada konduktor fase.
• Arus harmonik ini menciptakan panas. Panas ini selama periode waktu akan menaikkan suhu konduktor netral. Kenaikan suhu ini dapat memanaskan konduktor di sekitarnya dan menyebabkan kegagalan isolasi. Arus ini juga akan memanaskan sumber transformator yang memasok sistem tenaga. Ini adalah gejala paling nyata dari masalah harmonik; konduktor dan transformator netral yang terlalu panas. Gejala lain termasuk:

1. Gangguan gangguan sirkuit pemutus
2. Kerusakan sistem UPS dan sistem generator
3. Masalah Metering
4. Malfungsi komputer
5. Masalah tegangan berlebih

JENIS PERALATAN YANG MENGHASILKAN HARMONIK:

• Arus beban harmonik dihasilkan oleh semua beban non-linear. Ini termasuk:Untuk beban fase tunggal

Untuk Beban satu fasa

1. Switched mode power supplies (SMPS)
2. Electronic fluorescent lighting ballasts
3. Compact fluorescent lamps (CFL)
4. Small uninterruptible power supplies (UPS) units

Untuk Beban tiga fasa

1. Variable speed drives
2. Large UPS units

BEBAN SATU FASA :

A. Switched mode power supplies (SMPS)

• Mayoritas unit elektronik modern menggunakan power supply mode yang diaktifkan (SMPS).
• Ini berbeda dari unit yang lebih tua di mana trafo step-down tradisional dan penyearah digantikan oleh rektifikasi langsung terkontrol pasokan untuk mengisi kapasitor reservoir dari mana arus langsung untuk beban diperoleh dengan metode yang sesuai dengan tegangan keluaran dan arus yang diperlukan.
• Keuntungannya – bagi pabrikan peralatan – adalah bahwa ukuran, biaya dan bobot berkurang secara signifikan dan unit daya dapat dibuat di hampir semua faktor bentuk yang dibutuhkan.
• Kerugian – bagi orang lain – adalah bahwa, daripada menggambar arus kontinyu dari suplai, unit catu daya menarik pulsa arus yang mengandung sejumlah besar harmonik ketiga dan lebih tinggi serta komponen frekuensi tinggi yang signifikan.

B. Single phase UPS units exhibit very similar characteristics to SMPS.

• Untuk unit daya tinggi telah ada tren baru-baru ini yang disebut input faktor daya yang dikoreksi.
• Tujuannya adalah untuk membuat beban catu daya tampak seperti beban resistif sehingga arus input tampak sinusoidal dan fase dengan tegangan yang diberikan. Hal ini dicapai dengan menggambarkan arus masukan sebagai gelombang segitiga frekuensi tinggi yang dirata-ratakan oleh filter input ke sinusoid.
• Tingkat kecanggihan ekstra ini belum siap diterapkan pada unit berbiaya rendah yang merupakan sebagian besar beban dalam instalasi komersial dan industri. Masih harus dilihat apa masalah aplikasi skala luas dari teknologi ini mungkin melibatkan.

C. Fluorescent lighting ballast

• Ballast pencahayaan elektronik telah menjadi populer dalam beberapa tahun terakhir setelah klaim untuk peningkatan efisiensi. Secara keseluruhan mereka hanya sedikit lebih efisien daripada ballast magnetik terbaik dan pada kenyataannya, sebagian besar keuntungan disebabkan oleh lampu menjadi lebih efisien ketika didorong pada frekuensi tinggi daripada ke ballast elektronik itu sendiri.
• Keuntungan utamanya adalah bahwa tingkat cahaya dapat dipertahankan selama masa pakai diperpanjang oleh kontrol umpan balik dari arus yang berjalan – sebuah praktik yang mengurangi efisiensi seumur hidup secara keseluruhan.
• Kerugian besar mereka adalah bahwa mereka menghasilkan harmonik dalam arus pasokan. Disebut jenis dikoreksi faktor daya yang tersedia di peringkat yang lebih tinggi yang mengurangi masalah harmonik, tetapi dengan penalti biaya. Unit yang lebih kecil biasanya tidak dikoreksi.

D. Lampu fluorescent compact (CFL)

• CFL sekarang dijual sebagai pengganti bola lampu filamen tungsten. Sebuah ballast elektronik miniatur, ditempatkan di casing konektor, mengontrol tabung neon berdiameter 8mm yang terlipat.
• Spektrum arus harmonik ditunjukkan pada gambar. Lampu-lampu ini sedang banyak digunakan untuk menggantikan lampu filamen di properti domestik dan terutama di hotel di mana masalah harmonik yang serius tiba-tiba menjadi umum

UNTUK BEBAN TIGA FASA

A. Variable Speed Drives / UPS

• Variable speed controllers, unit UPS dan konverter DC pada umumnya biasanya didasarkan pada jaringan tiga fase, juga dikenal sebagai jembatan enam pulsa karena ada enam pulsa per siklus (satu per setengah siklus per fase) pada output DC.
• Jembatan enam pulsa menghasilkan harmonik pada 6n +/- 1, yaitu satu lebih banyak dan satu kurang dari masing-masing kelipatan enam. Secara teori, besarnya masing-masing harmonik adalah kebalikan dari bilangan harmonik, sehingga akan ada 20% harmonik kelima dan 9% harmonik kesebelas, dst.
• Besarnya harmonik berkurang secara signifikan dengan penggunaan jembatan dua belas pulsa. Ini secara efektif adalah dua jembatan enam pulsa, diumpankan dari bintang dan belitan trafo delta, memberikan pergeseran fasa 30 derajat di antara keduanya.
• Harmonik 6n secara teoritis dihilangkan, tetapi dalam praktiknya, jumlah pengurangan tergantung pada pencocokan konverter dan biasanya dengan faktor antara 20 dan 50. Harmonik 12n tetap tidak berubah. Tidak hanya arus harmonik total yang berkurang, tetapi arus harmonik yang tersisa juga lebih tinggi sehingga membuat desain filter lebih mudah.
• Seringkali pembuat peralatan telah mengambil beberapa langkah untuk mengurangi besarnya arus harmonik, mungkin dengan penambahan filter atau rangkaian induktor. Di masa lalu, hal ini menyebabkan beberapa pabrikan mengklaim bahwa peralatan mereka sesuai dengan ‘G5/3’. Karena G5/3 adalah standar perencanaan yang berlaku untuk instalasi lengkap, tidak dapat dikatakan telah dipenuhi tanpa pengetahuan tentang setiap peralatan di lokasi.
• Peningkatan lebih lanjut dalam jumlah pulsa menjadi 24, dicapai dengan menggunakan dua unit dua belas pulsa paralel dengan pergeseran fasa 15 derajat, mengurangi arus harmonik total menjadi sekitar 4,5%. Kecanggihan ekstra meningkatkan biaya, tentu saja, jadi pengontrol jenis ini hanya akan digunakan jika benar-benar diperlukan untuk memenuhi batasan pemasok listrik.

YANG DISEBABKAN OLEH HARMONIK

• Arus harmonik menyebabkan masalah baik pada sistem pasokan dan di dalam instalasi.
• Efek dan solusinya sangat berbeda dan perlu ditangani secara terpisah; langkah-langkah yang tepat untuk mengendalikan efek harmonik dalam instalasi mungkin tidak selalu mengurangi distorsi yang disebabkan pada suplai dan sebaliknya.
• Masalah harmonik dalam instalasi

MASALAH YANG DISEBABKAN OLEH ARUS HARMONIK:

A. Konduktor netral terlalu panas

• Dalam sistem tiga fase gelombang tegangan dari masing-masing fasa ke netral sehingga, ketika setiap fasa sama-sama dimuat, titik bintang bintang digeser oleh 120 arus gabungan dalam netral adalah nol.
• Ketika beban tidak seimbang hanya jala jala arus keseimbangan mengalir di netral. Di masa lalu, installer (dengan persetujuan dari otoritas standar) telah mengambil keuntungan dari fakta ini dengan memasang konduktor netral berukuran setengah. Namun, meskipun arus fundamentalnya tidak ada, arus harmoniknya tidak – pada kenyataannya itu adalah kelipatan ganjil dari tiga kali fundamental, harmonik ‘triple-N’, menambahkan netral.
• Arus ketiga fasa , diperkenalkan pada 120 harmonik setiap fase identik, menjadi tiga kali frekuensi dan sepertiga dari offset siklus (fundamental).
• Arus netral harmonik ketiga yang efektif ditunjukkan di bagian bawah. Dalam hal ini, 70% harmonisa ketiga di setiap fase menghasilkan arus 210% di netral.
• Studi kasus di gedung komersial umumnya menunjukkan arus netral antara 150% dan 210% dari arus fase, sering kali dalam konduktor setengah ukuran.
• Solusi sederhana, di mana kabel inti tunggal digunakan, adalah memasang double ukuran untuk kabel netral, baik sebagai dua konduktor terpisah atau sebagai satu konduktor besar tunggal.
• Situasi di mana kabel multi-cored digunakan tidak begitu sederhana. Peringkat kabel multi-core (misalnya seperti yang diberikan dalam IEC 60364-5523 Tabel 52 dan BS 7671 Lampiran 4) mengasumsikan bahwa beban seimbang dan konduktor netral tidak membawa arus, dengan kata lain, hanya tiga dari empat atau lima core membawa arus dan menghasilkan panas. Karena kapasitas pembawa arus kabel ditentukan semata-mata oleh jumlah panas yang dapat hilang pada suhu maksimum yang diizinkan, maka kabel yang membawa arus triple-N harus di-de-rated.
• Dalam contoh yang digambarkan di atas, kabel membawa lima unit arus – tiga dalam fase dan dua di netral – sementara itu dinilai untuk tiga unit. dapat mengurangi menjadi sekitar 60% dari rating normal.

B. Efek pada transformer

harmonik pada transformer dipengaruhi oleh dua cara:

• Pertama, kerugian arus eddy, biasanya sekitar 10% dari kerugian pada beban penuh, meningkat dengan kuadrat dari bilangan harmonik.
• Dalam prakteknya, untuk transformator yang memasok beban yang terdiri dari peralatan IT, total kerugian trafo akan dua kali lebih tinggi daripada beban linier.
• Ini menghasilkan suhu operasi yang jauh lebih tinggi dan umur yang lebih pendek. Faktanya, dalam situasi seperti ini, masa hidup akan berkurang dari sekitar 40 tahun menjadi lebih seperti 40 hari.
• Efek kedua menyangkut harmonik triple-N. Ketika dipantulkan kembali ke kumparan delta mereka semua dalam fase, sehingga arus harmonik triple-N beredar di kumparan.
• Harmonik triple-N secara efektif diserap dalam kumparan dan tidak menyebar ke suplai, sehingga transformer delta berguna sebagai transformator isolasi. Perhatikan bahwa semua lainnya, non triple-N, harmonik dilewatkan. Arus sirkulasi harus diperhitungkan ketika menilai trafo.
• Harmonik triple-N secara efektif diserap dalam kumparan dan tidak menyebar ke suplai, sehingga transformer delta berguna sebagai transformator isolasi. Perhatikan bahwa semua lainnya, non triple-N, harmonik dilewatkan. Arus sirkulasi harus diperhitungkan ketika menilai trafo.

C. Gangguan pemutusan sikuit breaker

• Pemutus sirkuit arus sisa (RCCB) beroperasi dengan menjumlahkan arus dalam konduktor fase dan netral dan, jika hasilnya tidak dalam batas pengenal, memutuskan daya dari beban. Gangguan trip dapat terjadi dengan adanya harmonik karena dua alasan.
• Pertama, RCCB, menjadi perangkat elektromekanik, mungkin tidak menjumlahkan komponen frekuensi yang lebih tinggi dengan benar dan karena itu trip keliru.
• Pertama, RCCB, menjadi perangkat elektromekanik, mungkin tidak menjumlahkan komponen frekuensi yang lebih tinggi dengan benar dan karena itu trip keliru.
• Kedua, jenis peralatan yang menghasilkan harmonik juga menghasilkan noise pada switching yang harus disaring pada sambungan listrik peralatan. Filter biasanya digunakan untuk tujuan ini memiliki kapasitor dari line dan netral ke tanah, dan begitu bocor arus kecil ke bumi.
• Arus ini dibatasi dengan standar hingga kurang dari 3,5mA, dan biasanya jauh lebih rendah, tetapi ketika peralatan terhubung ke satu sirkuit, arus bocor cukup untuk menggerakkan RCCB. Situasi ini mudah diatasi dengan menyediakan lebih banyak sirkuit, masing-masing memasok lebih sedikit muatan.
• Gangguan gangguan pemutus sirkuit miniatur (MCB) biasanya disebabkan karena arus yang mengalir di sirkuit lebih tinggi dari yang diharapkan dari perhitungan atau pengukuran sederhana karena adanya arus harmonik.
• Kebanyakan alat ukur portabel tidak mengukur nilai RMS yang sebenarnya dan dapat meremehkan arus non-sinusoidal sebesar 40%.

D. Over-stressing kapasitor koreksi faktor daya

• Kapasitor koreksi faktor daya disediakan untuk menggambar arus dengan sudut fase terdepan untuk mengimbangi arus yang tertinggal yang ditarik oleh beban induktif seperti motor induksi.
• Sirkuit ekivalen efektif untuk kapasitor PFC dengan beban non-linier. Impedansi kapasitor PFC berkurang ketika frekuensi naik, sedangkan impedansi sumber umumnya induktif dan meningkat dengan frekuensi. Oleh karena itu kapasitor cenderung membawa arus harmonik yang cukup tinggi dan, kecuali jika telah dirancang khusus untuk menanganinya, kerusakan dapat terjadi.
• Masalah yang lebih serius adalah bahwa kapasitor dan induktansi liar dari sistem pasokan dapat beresonansi pada atau dekat salah satu frekuensi harmonik (yang, tentu saja, terjadi pada interval 100 Hz). Ketika ini terjadi tegangan yang sangat besar dan arus dapat dihasilkan, sering mengarah ke kegagalan sistem kapasitor katastropik.
• Resonansi dapat dihindari dengan menambahkan induktansi secara seri dengan kapasitor sedemikian rupa sehingga kombinasi hanya induktif pada harmonik signifikan terendah. Solusi ini juga membatasi arus harmonik yang dapat mengalir di kapasitor. Ukuran fisik induktor dapat menjadi masalah, terutama ketika harmonik order rendah hadir.

E. Skin effect

• Arus bolak-balik cenderung mengalir di permukaan luar konduktor. Ini dikenal sebagai skin effect dan lebih terasa pada frekuensi tinggi.
• skin efek biasanya diabaikan karena memiliki efek yang sangat sedikit pada frekuensi catu daya tetapi di atas sekitar 350 Hz, yaitu harmonik ketujuh dan di atas, skin efek akan menjadi signifikan, menyebabkan kerugian tambahan dan pemanasan. Ketika ada arus harmonik, perancang harus memperhitungkan skin efek dan kabel de-rate yang sesuai.
• Beberapa kabel core atau busbars berlapis dapat digunakan untuk membantu mengatasi masalah ini. Perhatikan juga bahwa sistem pemasangan busbar harus dirancang untuk menghindari resonansi mekanis pada frekuensi harmonik.

MASALAH YANG DISEBABKAN OLEH TEGANGAN HARMONIK

A. Voltage distortion

• Karena suplai memiliki sumber impedansi, arus beban harmonik menimbulkan distorsi tegangan harmonik pada bentuk gelombang tegangan (ini adalah asal ‘topping datar’).
• Ada dua elemen pada impedansi: yaitu pemasangan kabel internal dari titik penggabungan umum (PCC), dan yang melekat pada pasokan di PCC, mis. trafo pasokan lokal.
• Arus beban terdistorsi ditarik oleh beban non-linier menyebabkan penurunan tegangan terdistorsi dalam impedansi kabel. Bentuk gelombang tegangan terdistorsi yang dihasilkan diterapkan ke semua beban lain yang terhubung ke sirkuit yang sama, menyebabkan arus harmonik mengalir di dalamnya – bahkan jika mereka adalah beban linier.
• Solusi: Solusinya adalah untuk memisahkan sirkuit yang memasok beban penghasil harmonik dari beban yang memasok yang peka terhadap harmonik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16. Di sini sirkuit terpisah memberi beban linier dan non-linier dari titik penggabungan umum, sehingga tegangan distorsi yang disebabkan oleh beban non-linear tidak mempengaruhi beban linier.
• Ketika mempertimbangkan besarnya distorsi tegangan harmonik harus diingat bahwa ketika beban ditransfer ke UPS atau generator siaga selama kegagalan daya impedansi sumber dan distorsi tegangan yang dihasilkan akan jauh lebih tinggi.
• Ketika trafo lokal dipasang, mereka harus dipilih untuk memiliki impedansi output yang cukup rendah dan memiliki kapasitas yang cukup untuk menahan pemanasan tambahan, dengan kata lain, dengan memilih trafo dengan ukuran yang tepat.
• Perhatikan bahwa tidak tepat untuk memilih desain trafo di mana peningkatan kapasitas dicapai hanya dengan pendinginan paksa – unit seperti itu akan berjalan pada suhu internal yang lebih tinggi dan memiliki masa pakai yang berkurang. Pendinginan paksa harus disediakan untuk penggunaan darurat saja dan tidak pernah diandalkan untuk berjalan normal.

B. Induction Motors

• Distorsi tegangan harmonik menyebabkan peningkatan kehilangan arus eddy pada motor dengan cara yang sama seperti pada transformator. Namun, kerugian tambahan muncul karena generasi bidang harmonik di stator, yang masing-masing mencoba memutar motor dengan kecepatan yang berbeda baik ke depan atau ke belakang. Arus frekuensi tinggi yang diinduksikan pada rotor semakin meningkatkan kerugian.
• Di mana distorsi tegangan harmonik motor hadir harus de-rated untuk memperhitungkan kerugian tambahan.

1. Harmonic problems affecting the supply

• Ketika arus harmonik diambil dari pasokan itu menimbulkan drop tegangan harmonik sebanding dengan sumber impedansi pada titik sambungan umum (PCC) dan arus.
• Karena jaringan suplai umumnya induktif, impedansi sumber lebih tinggi pada frekuensi yang lebih tinggi. Tentu saja, tegangan pada PCC sudah terdistorsi oleh arus harmonik yang ditarik oleh konsumen lain dan oleh distorsi yang melekat pada transformer, dan setiap konsumen memberikan kontribusi tambahan.

UPAYA UNTUK MENGURANGI MASALAH HARMONIS:

A. Perbesar Konduktor Netral

• Dalam tiga fase sirkuit dengan netral bersama, adalah umum untuk membesar-besarkan konduktor netral hingga 200% ketika beban yang disajikan terdiri dari beban non-linear.
• Dalam kabel feeder yang memiliki sejumlah besar beban non-linier, konduktor netral feeder dan panel papan bus bar juga harus besar.

B. Menggunakan Konduktor Neutral Terpisah

• Pada tiga fase sirkuit cabang, filosofi lain adalah untuk tidak menggabungkan netral, tetapi untuk menjalankan konduktor netral terpisah untuk setiap fase konduktor. Ini meningkatkan penggunaan tembaga sebesar 33%. Sementara ini berhasil menghilangkan penambahan arus harmonik pada netral sirkuit cabang, panel papan bus netral dan konduktor netral feeder masih harus besar.
• Oversizing Transformers dan Generator: Pembesaran peralatan untuk peningkatan kapasitas termal juga harus digunakan untuk transformer dan generator yang melayani beban yang menghasilkan harmonisa. Peralatan yang lebih besar mengandung lebih banyak tembaga.

C. Filter pasif

• Filter pasif digunakan untuk menyediakan jalur impedansi rendah untuk arus harmonik sehingga mengalir dalam filter dan bukan pasokan.
• Filter stop band seri sederhana kadang-kadang diusulkan, baik dalam fase atau di netral. Filter seri dimaksudkan untuk memblokir arus harmonik daripada menyediakan jalur terkontrol untuk mereka sehingga ada penurunan tegangan harmonik besar di atasnya.
• Tegangan harmonik ini muncul di seluruh pasokan di sisi beban. Karena tegangan pasokan sangat terdistorsi tidak lagi dalam standar untuk peralatan yang dirancang dan dijamin. Beberapa peralatan relatif tidak sensitif terhadap distorsi ini, tetapi beberapa sangat sensitif. Filter seri dapat berguna dalam keadaan tertentu, tetapi harus diterapkan secara hati-hati; mereka tidak dapat direkomendasikan sebagai solusi tujuan umum.

D. Isolasi transformator

• Seperti disebutkan sebelumnya, arus triple-N bersirkulasi dalam gulungan delta transformer. Meskipun ini adalah masalah bagi produsen transformator dan penentu – beban tambahan harus diperhitungkan itu bermanfaat bagi perancang sistem karena mengisolasi harmonik triple-N dari pasokan.
• Efek yang sama dapat diperoleh dengan menggunakan trafo ‘zig-zag’. Zig-zag transformer adalah konfigurasi auto transformer bintang dengan hubungan fase tertentu antara gulungan yang terhubung dalam shunt dengan suplai.

E. Active Filters

• Solusi yang disebutkan sejauh ini hanya cocok untuk harmonik tertentu, trafo isolasi yang berguna hanya untuk harmonik triple-N dan filter pasif hanya untuk frekuensi harmonik yang dirancang. Dalam beberapa instalasi konten harmonik kurang dapat diprediksi.
• Di banyak instalasi TI misalnya, perpaduan peralatan dan lokasi terus berubah sehingga budaya harmonis juga terus berubah. Solusi yang nyaman adalah filter aktif atau kondisioner aktif.
• Filter aktif adalah perangkat shunt. Trafo arus mengukur kandungan harmonik arus beban, dan mengontrol generator arus untuk menghasilkan replika yang tepat yang diumpankan kembali ke pasokan pada siklus berikutnya. Karena arus harmonik bersumber dari kondisioner aktif, hanya arus fundamental yang diambil dari suplai. Dalam prakteknya, besaran arus harmonik berkurang hingga 90%, dan, karena impedansi sumber pada frekuensi harmonik berkurang, distorsi tegangan berkurang.

F. Transformer K-Rated

• Transformer khusus telah dikembangkan untuk mengakomodasi pemanasan tambahan yang disebabkan oleh arus harmonik ini. Jenis-jenis trafo ini sekarang umum ditetapkan untuk ruang komputer baru dan fasilitas laboratorium komputer.

G. Special Transformers

• Ada beberapa tipe koneksi trafo khusus yang dapat membatalkan harmonik. Misalnya, sambungan trafo delta-wye tradisional akan menjebak semua harmonik triplen (ketiga, kesembilan, kelima belas, dua puluh satu, dll.) Di delta.
• Koneksi winding khusus tambahan dapat digunakan untuk membatalkan harmonisa lainnya pada beban seimbang. Sistem ini juga menggunakan lebih banyak tembaga. Transformer khusus ini sering ditentukan dalam ruang komputer dengan beban produksi harmonik yang seimbang seperti beberapa mainframe input atau perangkat DASD yang cocok.

H. Filtering

• Meskipun banyak filter tidak bekerja dengan baik pada rentang frekuensi ini, filter pelacakan elektronik khusus dapat bekerja sangat baik untuk menghilangkan harmonik.
• Filter ini saat ini relatif mahal tetapi harus dipertimbangkan untuk eliminasi harmonik menyeluruh.

I. Special Metering

• Meter “true RMS” baru akan merasakan arus hingga kisaran kilohertz. Meter ini harus digunakan untuk mendeteksi arus harmonik. Perbedaan antara pembacaan pada ammeter penjepit gaya lama dan ammeter RMS yang sebenarnya akan memberi Anda. indikasi jumlah arus harmonisa yang ada.
• Langkah-langkah yang dijelaskan di atas hanya menyelesaikan gejala masalah. Untuk mengatasi masalah tersebut kita harus menentukan peralatan harmonik rendah. Ini paling mudah dilakukan saat menentukan ballast elektronik. Beberapa produsen membuat ballast elektronik yang menghasilkan harmonik kurang dari 15%. Balast ini harus dipertimbangkan untuk retrofit ballast atau proyek baru apa pun. Sampai komputer harmonik rendah tersedia, memisahkan beban harmonik ini pada sirkuit yang berbeda, papan panel yang berbeda atau penggunaan transformator harus dipertimbangkan. Pemisahan muatan “kotor” dan “bersih” ini merupakan hal mendasar untuk desain kelistrikan saat ini. Ini sama dengan lebih banyak sirkuit cabang dan lebih banyak papan panel, sehingga lebih banyak penggunaan tembaga.