Memahami Harmonik Listrik: Bagian 1 – Dasar dan Dampak

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

Blog ini adalah pengantar terhadap topik harmonik daya listrik, dengan referensi khusus pada variabel speed inverter drive. Ini bertujuan untuk menjelaskan apa itu harmonik dan apa yang mereka lakukan dalam istilah yang sederhana, dan membedakan mereka dari efek Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) lain seperti interferensi frekuensi radio dan electrical “noise”.

Untuk kesederhanaan contoh sebagian besar mengasumsikan frekensi pasokan 50 Hz. Jika Anda bekerja di area yang menggunakan 60 Hz maka Anda perlu menskalakan frekuensi dengan sesuai.

Pengantar harmonik?

Harmonik dari fungsi periodik memiliki frekensi yang merupakan kelipatan bulat dari fungsi tersebut (yang merupakan fundamental). Dalam teknik daya listrik, ide ini digunakan terutama untuk membantu memahami efek beban daya non-linear, di mana sumber tegangan sinusoda tetapi arus terdistorsi, meski masih dengan periode yang sama. Dengan menggunakan konsep Fourier Series, kita dapat mewakili bentuk gelombang periodik yang terdistorsi sebagai jumlah sejumlah harmonik.

Misalnya, rectifier bridge single phase sederhana menarik arus yang merupakan serangkaian pulsa pendek pada puncak tegangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1;

Gambar 1: Bentuk gelombang arus untuk rectifier bridge single phase sederhana

 

Arus dapat dianalisis ke dalam konstituen frekensinya. Ia terdiri dari serangkaian harmonik ganjil urutan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2;

Gambar 2: Analisis frekuensi arus pada Gambar 1

 

Manfaat dari analisis ini adalah perilaku komponen listrik paling mudah dipahami dan didefinisikan dalam istilah frekuensi sinusoda spesifik.

Dalam kasus ini, dengan frekensi jaringan 50 Hz Anda dapat melihat bahwa arus harmonik hingga urutan sekitar 30, yaitu 1500 Hz, cukup signifikan. Di luar itu mereka menurun dengan cepat. Harmonik urutan rendah dari urutan 3, 5, 7 dan 9 sangat tinggi amplitudenya dan tidak jauh lebih rendah dari fundamental (50 Hz).

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

Definisi ketat dan definisi kerja untuk harmonik. Interharmonics.

Harmonik yang benar hanya dapat memiliki frekensi yang merupakan kelipatan bulat tepat dari fundamental. Sebagian besar perangkat non-linear sederhana seperti rectifier dan komponen magnet inti besi menghasilkan arus harmonik yang benar.

Dalam sirkuit elektronik daya modern menggunakan switching aktif, yang mungkin tidak tersinkronkan dengan frekensi pasokan, frekensi baru mungkin hadir yang bukan harmonik yang benar. Misalnya, seperti yang saya ilustrasikan di Blog nomor 4 dan 5 tentang Regenerative drives, inverter yang beroperasi dengan frekensi switching 4 kHz dengan pasokan 60 Hz menghasilkan arus pada frekuensi 3880 Hz dan 4120 Hz, serta banyak lainnya, yang bukan kelipatan bulat dari 60 Hz dan oleh karena itu bukan harmonik yang benar. Istilah yang benar untuk ini adalah Interharmonics. Mereka masih merupakan frekensi yang tidak diinginkan dan beberapa efeknya sama seperti harmonik, jadi dalam diskusi umum mereka dapat disebut hanya sebagai “harmonik”. Ini dapat menyebabkan kebingungan, jadi lebih baik untuk menjelaskan apakah kita berbicara tentang harmonik yang benar atau semua jenis distorsi.

Apa efek yang mereka timbulkan?

Mengacu pada Gambar 1 dan 2 lagi, kita memiliki rectifier yang terhubung ke pasokan jaringan. Pasokan adalah sinusoda dan memiliki frekensi tunggal 50 Hz. Rectifier menghasilkan arus harmonik yang mengalir di pasokan. Rectifier adalah sumber arus pada frekuensi harmonik, yang dipancarkan kembali ke pasokan dan menyebar di seluruh sistem daya. Gambar 3 mengilustrasikan ini. Arus harmonik dipancarkan oleh beban, dan menyebabkan tegangan harmonik pada impedansi sumber pasokan. Tegangan dialami oleh pengguna daya lain yang terhubung ke titik coupling umum yang sama (PCC).

Gambar 3: Propagasi harmonik dalam jaringan daya

 

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

Gambar 4: Spektrum elektromagnetik yang disederhanakan menunjukkan posisi harmonik daya

 

“Frekuensi radio” umumnya dianggap dimulai pada 9 kHz, dan kenyataannya sangat sedikit aplikasi radio di bawah sekitar 100 kHz karena kesulitan dalam menghasilkan gelombang elektromagnetik yang berguna. Ini berarti harmonik tidak menyebar sebagai gelombang dan mereka hanya berjalan melalui konduksi di sekitar kabel sistem daya. Mereka tidak menyebabkan interferensi melalui stray coupling, hanya dengan dikonduksi ke peralatan lain melalui kabel daya. Alasan mereka harus dipertimbangkan adalah karena mereka kumulatif – jadi satu rectifier dalam set TV memiliki efek yang sangat kecil, tetapi ketika jutaan set TV beroperasi pada saat yang sama, harmonik mereka memiliki frekuensi dan fase yang sama sehingga mereka saling menambah di sistem daya. Efek keseluruhan adalah untuk merusak bentuk gelombang tegangan sinusoda. Gambar 5 mengilustrasikan jenis distorsi “flat top” yang disebabkan oleh rectifier;

Gambar 5: Distorsi tegangan yang disebabkan oleh harmonik rectifier

 

Tingkat harmonik arus yang sedang dalam sistem daya bukanlah masalah, tetapi jika menjadi berlebihan maka masalah dapat terjadi. Beberapa efek yang mungkin dari harmonik berlebihan dalam sistem daya tercantum di bawah ini. Semua ini cukup jarang, tetapi jika terjadi mereka dapat sulit dan mahal untuk diperbaiki.

• Pemanasan yang meningkat pada beberapa peralatan listrik yang sensitif terhadap frekuensi, terutama:
  • Kapasitor untuk koreksi faktor daya
  • Motor induksi
  • Transformator
  • Generator (misalnya, generator lokal kecil seperti pasokan daya cadangan)
• Kebisingan akustik di transformator, bus bar dll.
• Error dalam peralatan yang menggunakan frekensi jaringan untuk timing (sekarang menjadi jarang)
• Pemicuan yang tidak diinginkan dari sistem UPS yang merespons distorsi bentuk gelombang
• Noise pickup dalam sistem suara analog, misalnya teater atau gereja
• Trip yang tidak diinginkan dari perlindungan sistem daya, resulting in kehilangan pasokan publik

Kesulitan serius dengan harmonik tidak biasa kecuali dalam kasus yang cukup khusus. Salah satu contoh adalah kapal yang memiliki generator sendiri dengan kemampuan daya terbatas dan sejumlah besar drive atau rectifier lain. Namun perusahaan listrik memang mengalami akumulasi harmonik dari jutaan peralatan kecil yang beroperasi, dan ada lokasi di mana harmonik kelima pada pasokan publik berada pada nilai batasnya.

“Noise”

Perhatikan bahwa efek harmonik tidak termasuk jenis gangguan pada sirkuit elektronik yang umumnya disebut sebagai “noise listrik”, yang cenderung menghasilkan kebisingan dan getaran dalam sistem drive analog dan/atau error data dalam data link digital. Alasannya adalah:

• Frekuensi harmonik terlalu rendah untuk stray coupling yang signifikan melalui induksi antara sirkuit listrik yang berdekatan. Sebagian besar interferensi listrik disebabkan oleh frekuensi yang jauh lebih tinggi yang dapat di-coupling secara elektromagnetik, atau melalui stray inductansi dari koneksi ground (earth).

Harmonik menyebar sebagai arus mode seri dalam sirkuit daya saja, yaitu mereka berjalan dalam konduktor daya sistem daya dan bukan dalam koneksi ground (earth). “Noise” frekuensi tinggi biasanya dalam mode umum, yaitu mereka berjalan dalam konduktor dan sirkuit diselesaikan oleh ground (earth). Lihat Gambar 6 untuk penjelasan lebih lanjut;

Gambar 6: Mode seri (a) dan mode umum (b) dalam sirkuit daya single phase

 

Data harmonik: input dan output, tegangan dan arus

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

 

Kadang-kadang permintaan untuk data harmonik output berasal dari pengalaman pengguna sebelumnya dengan drive inverter generasi sebelumnya yang menggunakan teknik quasi-square, dan mengandung harmonik non-triple-n dari frekensi kerja. Dengan PWM harmonik tidak signifikan.

Untuk meringkas tabel, satu-satunya data harmonik yang merupakan karakteristik dari model drive tertentu adalah data arus input. Itu harus tersedia dari pemasok atas permintaan.

Dalam bagian 2 dari blog harmonik kita akan melihat bagaimana harmonik diukur dan dievaluasi, bagaimana mereka bervariasi dengan beban drive, dan apa yang dapat dilakukan jika mereka perlu dikurangi.