Pengantar Harmonik:Bagian 2

Di bagian kedua dari mini-seri ini, Colin Hargis membahas manajemen harmonik yang efektif. Bagian satu tersedia di sini.

Pengukuran harmonik

Arus atau tegangan harmonik individu dapat diukur dan dikutip dalam r.m.s. kuantitas. Seringkali mereka dapat dinyatakan sebagai persentase dari fundamental. Alat ukur harmonik biasanya memberikan harmonik sebagai persentase, secara default.

Kehati-hatian harus diambil dalam menilai data harmonik, terutama data saat ini. Jika arus fundamental rendah, karena daya beban rendah, maka harmonik yang dinyatakan dalam persentase akan tampak tinggi. Ini bisa menyesatkan. Data yang disediakan untuk drive akan berada pada daya beban yang ditentukan. Pada beban yang dikurangi, arus harmonik berkurang dalam nilai absolut, tetapi sebagai persentase dari fundamental, arus tersebut meningkat.

Hal ini diilustrasikan pada Gambar 7. Gambar 7(a) menunjukkan bagaimana arus dan harmonik utama seperti 5 ^th dan 11 meningkat seiring dengan peningkatan daya. Gambar 7(b) menunjukkan bagaimana harmonik mayor dan THD, jika dinyatakan sebagai persentase dari fundamental, turun seiring dengan peningkatan daya beban.

Gambar 7:Variasi arus dan harmonik dengan daya beban, dinyatakan sebagai (a) besaran absolut dan (b) % arus fundamental

Dalam suatu penggerak, hal ini dapat sangat menyesatkan jika pengguna gagal memahami bahwa arus masukan merupakan fungsi daya, yaitu produk torsi dan kecepatan pada poros. Jika penggerak memberikan torsi terukur pada kecepatan yang dikurangi, maka penggerak tersebut mungkin tampak "bekerja keras" karena arus keluaran mendekati nilai maksimumnya, dan tahap inverter membawa arus tersebut dan menghasilkan kehilangan daya yang diharapkan sebagai panas. Namun keluaran daya sebenarnya rendah, sehingga arus input juga akan rendah.

THD, VTHD, ITHD, Faktor Distorsi dan Faktor Daya

Parameter tunggal sederhana untuk mengukur keseluruhan efek harmonik adalah Total Harmonic Distortion, THD. Ini adalah rasio (dalam %) antara r.m.s. nilai semua harmonik bersama-sama, dan fundamental. Untuk tegangan dan arus masing-masing dapat disebut sebagai VTHD dan ITHD.

Sekali lagi harus berhati-hati dengan ITHD, karena pada pengurangan beban akan terlihat tinggi.

Dalam rekayasa tenaga, faktor daya biasanya digunakan untuk mengukur pengurangan daya yang berguna yang dibawa oleh arus bolak-balik jika tidak sefasa dengan tegangan.

Ketika arus dan tegangan sinusoidal ini sama dengan cos o.

Dengan adanya arus harmonik, dan dengan asumsi tegangan tetap sinusoidal, faktor daya dapat dipecah menjadi dua faktor:

Dimana faktor distorsi mengukur pengurangan arus berguna yang disebabkan oleh distorsi:

Dan faktor perpindahan mengukur pengurangan yang disebabkan oleh pergeseran fasa:

Arti dari faktor-faktor ini dapat diilustrasikan dengan mempertimbangkan motor yang beroperasi baik langsung dari saluran listrik, atau dengan penggerak:

Jadi motor memiliki faktor daya yang sangat mirip dalam kedua kasus, yang berarti bahwa arus beban penuh yang diambil dari suplai utama sangat mirip. Namun dengan motor saja, peningkatan arus sepenuhnya karena arus tertinggal dari tegangan sefasa, sedangkan dengan motor dan penggerak ini terutama karena ada arus harmonik.

Faktor distorsi  dan THD adalah ukuran alternatif dari tingkat distorsi, atau harmonik total. Mereka terkait dengan fungsi berikut:

(di mana THD dinyatakan sebagai pecahan, bukan persen)

Manajemen harmonik. Data arus harmonik untuk produk.

Utilitas penyedia listrik mengoperasikan aturan untuk melindungi sistem tenaga dan pengguna listrik dari harmonik yang berlebihan. Setiap pengguna daya bertanggung jawab untuk memastikan bahwa mereka mematuhi aturan. Di beberapa wilayah seperti Uni Eropa, emisi harmonik dari produk listrik yang digunakan dalam jumlah besar diatur sebagai bagian dari hukum EMC. Artinya, pengguna dalam negeri dan usaha kecil tidak perlu membuat ketentuan khusus. Pengguna peralatan khusus industri besar harus memastikan sendiri bahwa emisi harmonik mereka tidak berlebihan. Paling umum, aturan diterapkan ketika instalasi baru diusulkan yang memerlukan catu daya baru dari utilitas, sebagai syarat untuk menyediakan pasokan itu.

Aturannya berbeda-beda antar negara, tetapi prinsipnya sama. Tahapan kunci ditampilkan di sini:

• Utilitas listrik pada akhirnya harus memastikan bahwa tegangan harmonisa dalam suplainya memenuhi tingkat yang dapat diterima. Misalnya, di UE, kualitas daya diatur oleh standar EN 50160. Umumnya, "anggaran" tegangan harmonik dialokasikan untuk setiap pengguna. Seperti dijelaskan sebelumnya, tegangan harmonik disebabkan oleh arus harmonik yang berinteraksi dengan impedansi suplai dan harmonik yang ada, yang unik untuk setiap lokasi. Ini memerlukan beberapa perhitungan dan pengukuran yang rumit untuk memprediksinya, yang tidak dapat dibenarkan untuk instalasi industri biasa.
• Oleh karena itu, umumnya utilitas memiliki beberapa aturan yang disederhanakan yang memungkinkan arus harmonik diterima hingga suatu batas, yang mungkin bergantung pada kapasitas sambungan suplai, atau permintaan arus puncak atau rata-rata pengguna. Jauh lebih sederhana untuk memperkirakan arus daripada tegangan, dengan menambahkan data arus harmonik untuk semua peralatan terkait yang terhubung ke titik suplai tertentu. Untuk alasan ini, peralatan profesional seperti drive yang menghasilkan arus harmonik yang signifikan perlu memiliki data arus harmonik yang tersedia bagi pengguna. Teknik Kontrol menyediakan data ini untuk semua produk drive-nya di lembar data EMC yang tersedia secara bebas berdasarkan permintaan.
• Untuk instalasi tertentu, jika arus melebihi batas yang diizinkan maka tindakan teknis harus diambil untuk menguranginya, atau penyelidikan yang lebih kompleks harus dilakukan untuk menilai tegangan harmonik yang disebabkan oleh instalasi.
• Sementara itu, jika semua peralatan memenuhi standar yang selaras di satu pasar seperti UE, tidak ada pekerjaan yang dijelaskan di atas yang diperlukan.

Standar

Untuk instalasi, banyak utilitas yang mengoperasikan regulasinya sendiri sehingga sangat banyak standar nasional. Salah satu standar yang sangat terkenal adalah IEEE 519.

Standar kualitas daya mencakup IEC 61000-2-4, yang mendefinisikan “tingkat kompatibilitas” yang merupakan tingkat harmonik maksimum yang diizinkan, dalam hal ini untuk suplai LV industri. Standar IEC tidak wajib, tetapi utilitas sering menggunakan batasan yang diberikan dalam standar IEC sebagai titik awal untuk peraturan mereka sendiri.

Untuk produk akhir, ada standar IEC IEC 61000-3-2, untuk peralatan dengan nilai hingga 16A per fase, dan IEC 61000-3-12, hingga 75A per fase. Versi Eropa seperti EN 61000-3-12 berlaku wajib untuk produk akhir yang dipasarkan di EEA.

Jika drive terpasang pada peralatan yang termasuk dalam cakupan salah satu standar ini, maka kemungkinan besar akan menjadi kontributor utama emisi harmonik. Untuk drive Teknik Kontrol, perlu menggunakan choke input tambahan kecil untuk memenuhi EN 61000-3-12. Informasi diberikan dalam lembar data EMC.

Efek beban

Masalah umum yang dihadapi saat memeriksa kepatuhan harmonik mesin yang berisi drive adalah masalah daya beban pengenal yang benar. Kami memiliki keluhan tentang produk yang gagal dalam pengujian dimana ternyata beban uji lebih kecil dari beban pengenal. Ini mungkin karena aplikasi tidak menggunakan kemampuan penuh drive, atau karena tidak mungkin memuat mesin sepenuhnya di laboratorium uji EMC. Seringkali sulit untuk membuat beban yang realistis di laboratorium pengujian karena mesin sering kali dimaksudkan untuk mengerjakan bahan yang besar, kotor atau sulit yang tidak dapat dibawa ke laboratorium. Untuk memastikan bahwa standar yang disyaratkan terpenuhi, persyaratan berikut harus diperhatikan:

1. Ceke input tambahan harus dipilih agar benar pada daya beban kontinu maksimum yang dimaksudkan untuk aplikasi, yang belum tentu rating drive.
2. Peralatan penghasil harmonik lainnya di dalam mesin harus diperhitungkan.
3. Beban selama pengujian harus sama dengan beban terukur. Jika perlu beberapa jenis rem sementara atau perangkat beban lainnya harus disediakan di jig uji.

Mengurangi harmonik

Tingkat harmonik alami yang dihasilkan oleh penyearah sederhana dapat banyak dikurangi dengan penambahan induktansi. Ini bisa di drive DC link atau di jalur input AC. Sebagian besar drive dengan nilai di atas sekitar 2,2 kW menggunakan suplai tiga fase dan berisi choke untuk menyediakan induktansi. Gambar 8 menunjukkan bentuk gelombang arus tipikal untuk jenis penggerak ini. Anda dapat melihat bahwa bentuk gelombang jauh lebih baik daripada pada Gambar 1, meskipun jauh dari sinusoidal. Dalam hal ini ITHD sekitar 50% dan harmonik terburuk adalah yang kelima sekitar 40%.

Gambar 8:Bentuk gelombang arus input tipikal untuk penggerak dengan suplai tiga fase dan input tersedak.

Tingkat harmonik ini cocok untuk sebagian besar aplikasi pada rentang daya dari 3 kW hingga beberapa ratus kilowatt. Untuk aplikasi sensitif, dan di mana daya penggerak total mulai mendekati kapasitas suplai, mungkin perlu dilakukan pengurangan lebih lanjut dalam harmonik. Tabel di bawah ini memberikan teknik utama yang tersedia dengan beberapa catatan tentang keuntungan relatifnya.

Mengayunkan tersedak

Penggunaan "swinging choke" telah dipromosikan oleh beberapa produsen drive. Swinging choke adalah penemuan dari tahun 1920-an, di mana ia digunakan di beberapa set radio untuk smoothing DC. Choke dirancang dengan celah udara bertahap atau diprofilkan sehingga saat arus DC meningkat, bagian dari rangkaian magnetik menjadi jenuh dan induktansi berkurang. Hasilnya adalah bahwa pada arus rendah induktansi meningkat, dan ini membantu untuk mengatasi masalah yang dijelaskan di atas, memenuhi batas harmonik pada rentang daya beban. Ini karena nilai induktansi menyesuaikan diri dengan beban.

Swinging choke dapat menguntungkan produsen drive, karena dapat mengurangi stok nilai choke yang berbeda untuk berbagai peringkat drive. Ini dapat menguntungkan pengguna dengan memungkinkan drive memenuhi standar harmonik pada beban yang dikurangi tanpa memerlukan choke tambahan. Dalam praktiknya, cukup sulit untuk merancang swinging choke yang bekerja pada rentang beban yang luas, sehingga manfaat sebenarnya kecil.