Mengenal Filter Harmonisa: Filter Aktif

Filter harmonisa aktif dirangkai dari komponen elektronika daya seperti IGBT atau MOSFET. Dengan menggunakan komponen ini, filter aktif mempunyai karakteristik yang berlawanan dengan filter pasif. Filter aktif merespon arus harmonisa relatif lebih bebas dari pengaruh kondisi pada sistem, mis: impedansi sistem. Dengan begitu, filter aktif mempunyai performen yang sangat ideal. Untuk menunjang performen filter aktif, maka dibutuhkan pealatan digital meliputi Analog to Digital converter dan sebaliknya, DSP(Digital Signal Processor) untuk kontroler, maupun FPGA untuk pembangkitan pulsa PWM. Termasuk pula penggunaan sensor tegangan/arus. Dengan perangkat seperti ini, Filter aktif relatif jauh lebih mahal dibanding filter pasif. Ya begitulah, seperti kata orang 'Jer Basuki Mawa Beya' artinya besar kecilnya biaya tergantung pada apa yang ingin dicapai :).


Sama halnya dengan filter pasif, berdasarkan pemasangannya bisa dibedakan menjadi dua tipe : paralel dan seri. Untuk mudahnya kita bahas dulu yang tipe paralel. Setelah itu yang tipe seri.


Filter Aktif Paralel

Rangkaian filter aktif tipe paralel bisa dilihat di atas [1]. Trafo pada rangkaian diatas bisa digunakan bisa tidak, tergantung dari rating komponen pada filter aktif. IS adalah arus dari jala-jala, IL adalah arus beban yang mengandung arus fundamental dan harmonisa, sedangkan IF merupakan arus filter yang sama dengan arus harmonisa pada IL. Sehingga secara sederhana bisa dirumuskan IS=IF+IL.


Prinsip kerja kontroler Filter aktif paralel mengikuti prinsip ini. Ilustrasinya bisa dilihat dibawah ini. Komponen harmonisa dan fundamental pada IL dipisahkan menggunakan HPF. Meskipun begitu pada prakteknya perancangan HPF untuk filter aktif cukup kompleks. Sehingga banyak metode yang telah dibuat untuk mendesain HPF agar bisa berkerja efektif. Output dari HPF adalah sinyal referensi arus filter, IF*. IF* dibandingkan dengan IF yang merupakan arus filter yang sebenarnya. PI controller  digunakan untuk mengatur agar IF sama dengan IF*. Kemudian sinyal output PI dirubah menjadi sinyal PWM dan dikirim ke power converter untuk dikonversi menjadi arus yang sebenarnya.

Studi kasus
Studi kasus yang digunakan sama seperti filter pasif, yaitu dengan beban rectifier 3.3kW. Parameter tegangan, impedansi sumber dan impedansi saluran dibuat sama. HPF disusun dari BPF dengan feedback untuk memisahkan bagian fundamental dan harmonisa, gambar dibawah. BPF terdiri dari dua BPF orde dua, gain=1, fc=60Hz dan fb=20Hz. PI kontroler diset dg Kp=2 dan time constant=0.0001. Switching frekuensi converter dipilih 10020Hz. Induktor filter untuk filter aktif sebesar 2mH [2].

Dari simulasi menunjukkan hasil berikut. Gambar paling atas menunjukkan bentuk gelombang arus beban IL yang mengandung komponen fundamental dan harmonisa. Gambar di bawahnya adalah arus IF yang merupakan komponen harmonisa dari IL. Gambar paling bawah adalah IS yang merupakan penjumlahan IF dan IL. Keefektifan pemfilteran bisa dilihat dari spektrum yang ada di gambar bawahnya. Dari spektrum tersebut bisa tampak bahwa IL mengandung komponen fundamental dan harmonisa. Spektrum IS tampak bersih dari komponen harmonisa. Lebih jauh keefektifan filter diukur dengan THD. Hasil pengukuran THD menunjukkan sekitar 7%.

Filter Aktif Seri

Filter aktif seri menggunakan trafo seri untuk menginjeksikan tegangan VAF. VAF yang diinjeksikan berperan seperti impedansi untuk arus harmonisa. Untuk berperan sebagai impedansi, arus harmonisa yang mengalir di Is dideteksi. Kemudian filter aktif memberikan injeksi tegangan VAF=K.Ish. Dengan menggunakan nilai K yang besar maka seakan-akan ada impedansi yang besar untuk arus harmonisa pada trafo seri.


Ref:

1. H. Akagi, "Modern active filters and traditional passive filters," Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, vol. 54, no. 3, pp. 255-269, 2006. http://www.ippt.gov.pl/~bulletin/(54-3)255.pdf
2. PSiM examples