Pengantar Harmonik:Bagian 1

Colin Hargis, chief engineer di Control Techniques, menawarkan pengantar harmonik di blog dua bagian ini. Bagian dua tersedia di sini.

Blog ini adalah pengantar topik harmonik daya listrik, dengan referensi khusus untuk penggerak inverter kecepatan variabel. Ini bertujuan untuk menjelaskan apa itu dan apa yang mereka lakukan secara langsung, dan membedakannya dari efek Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) lainnya seperti interferensi frekuensi radio dan “noise” listrik.

Untuk penyederhanaan, sebagian besar contoh mengasumsikan frekuensi suplai 50 Hz. Jika Anda bekerja di area yang menggunakan 60 Hz, maka Anda perlu menskalakan frekuensi dengan tepat.

Pengantar harmonik?

Harmonik fungsi periodik memiliki frekuensi yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari fungsi tersebut (yang merupakan fundamental). Dalam teknik tenaga listrik, ide ini digunakan terutama untuk membantu dalam memahami pengaruh beban daya non-linear, di mana sumber tegangan sinusoidal tetapi arusnya terdistorsi, meskipun masih dengan periode yang sama. Dengan menggunakan konsep Deret Fourier, kita dapat merepresentasikan bentuk gelombang periodik yang terdistorsi sebagai jumlah dari sejumlah harmonik.

Misalnya, penyearah jembatan satu fasa sederhana menarik arus yang merupakan rangkaian pulsa pendek pada puncak tegangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1;

Gambar 1:Bentuk gelombang arus untuk penyearah jembatan satu fasa sederhana

Arus dapat dianalisis menjadi frekuensi-frekuensi penyusunnya. Ini terdiri dari serangkaian harmonik orde ganjil seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2;

Gambar 2:Analisis frekuensi arus pada Gambar 1

Manfaat dari analisis ini adalah bahwa perilaku komponen listrik paling mudah dipahami dan didefinisikan dalam hal frekuensi sinusoidal tertentu.

Dalam hal ini, dengan frekuensi listrik 50 Hz Anda dapat melihat bahwa arus harmonik hingga orde sekitar 30, yaitu 1500 Hz, cukup signifikan. Di luar itu mereka berkurang dengan cepat. Harmoni orde bawah orde 3, 5, 7 dan 9 memiliki amplitudo yang sangat tinggi dan tidak jauh lebih kecil dari nada dasar  (50 Hz).

Jika setengah siklus negatif dan positif memiliki bentuk yang sama maka hanya harmonik ganjil yang ada. Dalam rangkaian daya tiga fasa, harmonik triple-n (3, 6, 9, 12 dll.) juga tidak ada, karena bersifat kofasal, dan arus kofasal diblokir dalam rangkaian tiga kawat.

Definisi ketat dan definisi kerja untuk harmonik. Interharmonik.

Harmonik sejati hanya dapat memiliki frekuensi yang merupakan kelipatan bilangan bulat eksak dari fundamental. Sebagian besar perangkat non-linier sederhana seperti penyearah dan komponen magnet berinti besi menghasilkan arus harmonik sejati.

Dalam rangkaian elektronika daya modern yang menggunakan sakelar aktif, yang mungkin tidak disinkronkan dengan frekuensi suplai, frekuensi baru mungkin muncul yang bukan harmonik sejati. Misalnya, seperti yang saya ilustrasikan di Blog nomor 4 dan 5 tentang drive Regeneratif, inverter yang beroperasi dengan frekuensi switching 4 kHz dengan suplai 60 Hz menghasilkan arus pada frekuensi 3880 Hz dan 4120 Hz, serta banyak lainnya, yang bukan kelipatan bilangan bulat dari 60 Hz dan oleh karena itu bukan harmonik sejati. Istilah yang tepat untuk ini adalah Interharmonics . Mereka masih merupakan frekuensi yang tidak diinginkan dan beberapa efeknya sama dengan harmonik, sehingga dalam diskusi umum mereka dapat disebut hanya sebagai "harmonik". Hal ini dapat menyebabkan kebingungan, jadi yang terbaik adalah memperjelas apakah kita berbicara tentang harmonik sejati atau semua jenis distorsi.

Apa efeknya?

Mengacu pada Gambar 1 dan 2 lagi, kami memiliki penyearah yang terhubung ke catu daya. Suplainya sinusoidal dan memiliki frekuensi tunggal 50 Hz. Penyearah menghasilkan arus harmonik yang mengalir di suplai. Penyearah adalah sumber arus pada frekuensi harmonik, yang dipancarkan kembali ke suplai dan menyebar ke seluruh sistem tenaga. Gambar 3 mengilustrasikan hal ini. Arus harmonik dipancarkan oleh beban, dan menyebabkan tegangan harmonik pada impedansi sumber suplai. Tegangan dialami oleh pengguna daya lain yang terhubung ke titik sambungan umum (PCC) yang sama.

Gambar 3:Perambatan harmonik pada jaringan listrik

Harmonik memiliki frekuensi mulai dari 100 Hz hingga sekitar 2500 Hz (biasanya kita berhenti di sekitar orde 50, tetapi beberapa otoritas melihat 100 atau bahkan 200. Standar untuk pengukuran harmonik berhenti pada 9 kHz). Hal menarik pertama adalah bahwa ini adalah frekuensi yang sangat rendah dalam spektrum elektromagnetik. Ini diilustrasikan dalam spektrum yang ditunjukkan pada Gambar 4;

Gambar 4:Spektrum elektromagnetik sederhana yang menunjukkan posisi harmonik daya

“Frekuensi radio” umumnya dianggap dimulai pada 9 kHz, dan pada kenyataannya hanya ada sedikit aplikasi radio di bawah sekitar 100 kHz karena kesulitan dalam menghasilkan gelombang elektromagnetik yang berguna. Ini berarti bahwa harmonik tidak merambat sebagai gelombang dan hanya merambat melalui konduksi di sekitar kabel sistem tenaga. Mereka tidak menyebabkan interferensi dengan kopling nyasar, hanya dengan dibawa ke peralatan lain melalui kabel listrik. Alasan mengapa mereka harus dipertimbangkan adalah karena mereka kumulatif – jadi satu penyearah dalam satu perangkat TV memiliki efek yang sangat kecil, tetapi ketika jutaan perangkat TV beroperasi pada waktu yang sama, harmonik mereka memiliki frekuensi dan fase yang sama sehingga mereka bertambah dalam sistem tenaga. Efek keseluruhannya adalah mendistorsi bentuk gelombang tegangan sinusoidal. Gambar 5 mengilustrasikan jenis distorsi “flat top” yang disebabkan oleh penyearah;

Gambar 5:Distorsi tegangan yang disebabkan oleh harmonik penyearah

Tingkat arus harmonik yang moderat dalam sistem tenaga tidak menjadi perhatian, tetapi jika menjadi berlebihan maka masalah dapat terjadi. Beberapa kemungkinan efek harmonik yang berlebihan dalam sistem tenaga tercantum di bawah ini. Semua ini sangat tidak biasa, tetapi jika benar-benar terjadi, perbaikannya bisa sulit dan mahal.

• Peningkatan pemanasan beberapa peralatan listrik yang peka terhadap frekuensi, terutama:
  • Kapasitor untuk koreksi faktor daya
  • Motor induksi
  • Transformer
  • Generator (misalnya generator lokal kecil seperti catu daya cadangan)
• Suara akustik di trafo, bar bus, dll.
• Kesalahan pada peralatan yang menggunakan frekuensi listrik untuk pengaturan waktu (sekarang menjadi tidak umum)
• Pemicu yang tidak diinginkan dari sistem UPS yang merespons distorsi bentuk gelombang
• Penjemputan kebisingan di sistem suara analog, mis. teater atau gereja
• Tersandung relai proteksi sistem tenaga yang tidak diinginkan, mengakibatkan hilangnya suplai publik

Kesulitan serius dengan harmonik tidak biasa kecuali dalam kasus yang agak khusus. Salah satu contohnya adalah kapal yang memiliki generator sendiri dengan kemampuan daya terbatas dan sejumlah besar penggerak atau penyearah lainnya. Namun utilitas listrik memang mengalami akumulasi harmonik dari jutaan peralatan kecil yang beroperasi, dan ada lokasi di mana harmonik kelima pada suplai publik berada pada nilai batasnya.

“Kebisingan”

Perhatikan bahwa efek harmonik tidak termasuk jenis gangguan pada sirkuit elektronik yang umumnya disebut sebagai “gangguan listrik”, yang cenderung menghasilkan gangguan dan getaran pada sistem penggerak analog dan/atau kesalahan data pada tautan data digital. Alasan untuk ini adalah:

• Frekuensi harmonik terlalu rendah untuk kopling nyasar yang signifikan dengan induksi antara sirkuit listrik yang berdekatan. Sebagian besar interferensi listrik disebabkan oleh frekuensi yang jauh lebih tinggi yang dapat digabungkan secara elektromagnetik, atau melalui koneksi induktansi pembumian (arde).

Harmonik disebarkan sebagai arus mode seri di sirkuit daya saja, yaitu mereka berjalan di konduktor daya sistem tenaga dan bukan di koneksi bumi (tanah). "Kebisingan" frekuensi tinggi biasanya dalam mode umum, yaitu berjalan dalam konduktor dan sirkuit dilengkapi oleh bumi (tanah). Lihat Gambar 6 untuk penjelasan lebih lanjut;

Gambar 6:Mode seri (a) dan mode umum (b) dalam rangkaian daya satu fasa

Data harmonik:input dan output, tegangan dan arus

Pengguna Drive terkadang meminta data harmonik untuk drive. Ada beberapa kemungkinan kebingungan karena mereka mungkin merujuk ke input atau output, dan arus atau tegangan. Tabel di bawah ini merangkum data yang relevan untuk setiap tempat.

Terkadang permintaan untuk data harmonik keluaran berasal dari pengalaman pengguna sebelumnya dengan penggerak inverter generasi sebelumnya yang menggunakan teknik kuasi-kuadrat, dan berisi harmonik non-triple-n dari frekuensi kerja. Dengan PWM, harmonik dapat diabaikan.

Untuk meringkas tabel, satu-satunya data harmonik yang merupakan karakteristik dari model penggerak tertentu adalah data arus masukan. Itu harus tersedia dari pemasok berdasarkan permintaan.

Di bagian 2 blog harmonik, kita akan melihat bagaimana harmonik diukur dan dinilai, bagaimana perbedaannya dengan pemuatan drive, dan apa yang dapat dilakukan jika perlu dikurangi.