Manajemen Harmonik Tingkat Lanjut: Bagian 2 – Strategi dan Pengukuran Efektif

Dalam bagian kedua dari mini-seri ini, Colin Hargis melihat manajemen efektif harmonik. Bagian satu tersedia di sini.

Pengukuran harmonik

Arus atau tegangan harmonik individual dapat diukur dan dikutip dalam kuantitas r.m.s. Sering kali mereka dapat diekspresikan sebagai persentase dari fundamental. Sangat umum untuk instrumen pengukuran harmonik untuk memberikan harmonik sebagai persentase, secara default.

Hati-hati harus digunakan dalam menilai data harmonik, terutama data arus. Jika arus fundamental rendah, karena daya beban rendah, maka harmonik yang diekspresikan sebagai persentase akan terlihat tinggi. Ini dapat menyesatkan. Data yang diberikan untuk drive akan pada daya beban yang ditetapkan. Pada beban yang dikurangi, arus harmonik berkurang dalam nilai absolut, tetapi sebagai persentase dari fundamental mereka meningkat.

Ini diilustrasikan pada Gambar 7. Gambar 7(a) menunjukkan bagaimana arus dan harmonik utama seperti 5^th dan 11^th meningkat seiring bertambahnya daya. Gambar 7(b) menunjukkan bagaimana harmonik utama dan THD, ketika diekspresikan sebagai persentase dari fundamental, jatuh seiring bertambahnya daya beban.

Gambar 7: Variasi arus dan harmonik dengan daya beban, diekspresikan sebagai (a) kuantitas absolut dan (b) % dari arus fundamental

 

Dalam drive ini dapat sangat menyesatkan jika pengguna tidak menghargai bahwa arus input adalah fungsi dari daya, yaitu hasil kali torsi dan kecepatan pada poros. Jika drive menyediakan torsi rated pada kecepatan yang dikurangi maka mungkin tampak “berkeras bekerja” karena output arus mendekati rated maksimumnya, dan tahap inverter membawa arus tersebut dan menghasilkan kehilangan daya yang diharapkan sebagai panas. Namun throughput daya sebenarnya rendah, dan jadi arus input juga rendah.

THD, VTHD, ITHD, Faktor Distorsi dan Faktor Daya

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

Lagi hati-hati harus digunakan dengan ITHD, karena pada beban yang dikurangi akan terlihat tinggi.

Dalam teknik daya faktor daya umum digunakan untuk mengukur penurunan daya yang berguna yang disampaikan oleh arus bolak-balik jika tidak dalam fase dengan tegangan.

Saat arus dan tegangan sinusoda ini sama dengan cos o.

Dalam kehadiran arus harmonik, dan mengasumsikan tegangan tetap sinusoda, faktor daya dapat dipecah menjadi dua faktor:

Di mana faktor distorsi mengukur penurunan arus yang berguna yang disebabkan oleh distorsi:

Dan faktor perpindahan mengukur penurunan yang disebabkan oleh perpindahan fase:

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

Jadi motor memiliki faktor daya yang sangat mirip dalam kedua kasus, yang berarti arus beban penuh yang ditarik dari pasokan jaringan sangat mirip. Namun dengan motor saja arus yang meningkat sepenuhnya karena arus terlambat terhadap tegangan dalam fase, sedangkan dengan motor dan drive ini terutama karena ada arus harmonik.

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

(di mana THD diekspresikan sebagai pecahan, bukan persen)

Manajemen harmonik. Data arus harmonik untuk produk.

Perusahaan listrik menerapkan aturan untuk melindungi sistem daya dan pengguna daya dari harmonik 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. Ini berarti pengguna rumah tangga dan bisnis kecil tidak perlu membuat persyaratan khusus. Pengguna industri besar dari peralatan spesialis harus memastikan sendiri bahwa emisi harmonik mereka tidak berlebihan. Secara umum, aturan diterapkan saat instalasi baru yang diusulkan yang memerlukan pasokan daya baru dari perusahaan listrik, sebagai syarat untuk menyediakan pasokan tersebut.

Aturan bervariasi antara negara, tetapi prinsipnya sama. Tahap kunci ditunjukkan di sini:

• Perusahaan listrik pada akhirnya harus memastikan bahwa tegangan harmonik dalam pasokannya memenuhi tingkat yang dapat diterima. Misalnya, di EU kualitas daya diatur oleh standar EN 50160. Secara umum ini mengalokasikan “anggaran” tegangan harmonik kepada setiap pengguna. Seperti dijelaskan sebelumnya, tegangan harmonik disebabkan oleh arus harmonik yang berinteraksi dengan impedansi pasokan dan harmonik yang ada, yang unik untuk setiap lokasi. Ini memerlukan beberapa perhitungan dan pengukuran kompleks untuk memprediksi, yang tidak dapat dipertanggungjawabkan untuk instalasi industri umum.
• Oleh karena itu umumnya perusahaan listrik memiliki beberapa aturan yang disederhanakan yang memungkinkan arus harmonik diterima hingga batas, yang mungkin tergantung pada kapasitas koneksi pasokan, atau arus beban puncak atau rata-rata pengguna. Sangat lebih mudah untuk memperkirakan arus daripada tegangan, dengan menambahkan data arus harmonik untuk semua peralatan yang relevan yang terhubung ke titik pasokan tertentu. Untuk alasan ini, peralatan profesional seperti drive yang menghasilkan arus harmonik yang signifikan perlu memiliki data arus harmonik yang tersedia untuk pengguna. Control Techniques menyediakan data ini untuk semua produk drive-nya dalam lembar data EMC yang tersedia gratis atas permintaan.
• Untuk instalasi tertentu, jika arus melebihi batas yang diizinkan maka baik tindakan teknis harus dilakukan 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 harmonisasi di satu pasar seperti EU, tidak ada pekerjaan yang dijelaskan di atas yang diperlukan.

Standar

Untuk instalasi, banyak perusahaan listrik mengoperasikan peraturan sendiri sehingga ada banyak standar nasional. Salah satu standar yang sangat dikenal adalah IEEE 519.

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

Untuk produk akhir, ada standar IEC IEC 61000-3-2, untuk peralatan yang berating hingga 16A per fasa, dan IEC 61000-3-12, untuk hingga 75A per fasa. Versi Eropa seperti EN 61000-3-12 dalam praktiknya wajib untuk produk akhir yang dipasarkan di EEA.

Jika drive dibangun ke dalam peralatan yang berada dalam cakupan salah satu standar ini maka sangat mungkin menjadi penyumbang utama ke emisi harmonik. Untuk drive Control Techniques diperlukan untuk menggunakan chokes 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 rated yang benar. Kami telah memiliki keluhan produk yang gagal uji di mana ternyata beban uji kurang dari beban rated. Ini mungkin karena aplikasi tidak menggunakan kemampuan penuh drive, atau karena tidak mungkin untuk memuat mesin secara penuh di laboratorium uji EMC. Sering sulit untuk menciptakan beban yang realistis di laboratorium uji karena mesin sering dimaksudkan untuk bekerja pada bahan yang besar, kotor atau sulit yang tidak dapat dibawa ke laboratorium. Untuk memastikan standar yang diperlukan terpenuhi, persyaratan berikut harus dipatuhi:

1. Chokes input tambahan harus dipilih agar benar pada daya beban kontinu maksimum yang diinginkan untuk aplikasi, yang tidak harus rating drive.
2. Perhitungan harus diambil atas peralatan lain yang menghasilkan harmonik dalam mesin.
3. Beban selama uji harus sama dengan beban rated. Jika diperlukan beberapa jenis pengemasan sementara atau perangkat beban lain harus disediakan dalam jig uji.

Mengurangi harmonik

Tingkat alami harmonik yang dihasilkan oleh rectifier sederhana dapat sangat dikurangi dengan penambahan induktansi. Ini dapat berada di DC link drive atau di garis input AC. Sebagian besar drive yang berating di atas sekitar 2.2 kW menggunakan pasokan tiga fasa dan mengandung chokes untuk menyediakan induktansi. Gambar 8 menunjukkan bentuk gelombang arus yang umum untuk jenis drive ini. Anda dapat melihat bahwa bentuk gelombang jauh lebih baik daripada pada Gambar 1, meski jauh dari sinusoda. Dalam kasus ini ITHD sekitar 50% dan harmonik terburuk adalah kelima pada sekitar 40%.

Gambar 8: Bentuk gelombang arus input yang umum untuk drive dengan pasokan tiga fasa dan chokes input.

 

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

 

Swinging chokes

Penggunaan “swinging choke” telah dipromosikan oleh beberapa produsen drive. Swinging choke adalah penemuan dari tahun 1920, di mana digunakan dalam beberapa set radio untuk smoothing DC. Choke dirancang dengan celang udara bertingkat atau profiled sehingga seiring bertambahnya arus DC, sebagian dari sirkuit magnet saturasi dan inductansi berkurang. Hasilnya adalah pada arus rendah inductansi meningkat, dan ini membantu untuk mengatasi masalah yang dijelaskan di atas, yaitu memenuhi batas harmonik dalam rentang daya beban. Ini karena nilai inductansi menyesuaikan diri sendiri dengan beban.

Swinging choke dapat menguntungkan produsen drive, karena dapat mengurangi stok nilai chokes yang berbeda untuk berbagai rating drive. Ini dapat menguntungkan pengguna dengan memungkinkan drive untuk memenuhi standar harmonik pada beban yang dikurangi tanpa chokes tambahan yang diperlukan. Dalam praktiknya cukup sulit untuk mendesain swinging choke yang bekerja dalam rentang beban yang luas, jadi manfaat nyata kecil.