Bagaimana cara menghitung dan memilih kapasitas filter harmonik aktif?

Menentukan kapasitas AHF (Active Power Filter) adalah langkah paling kritis dalam pemilihan. Kapasitas yang tidak mencukupi akan menyebabkan kompensasi yang buruk atau bahkan kelebihan beban dan kerusakan peralatan, sementara kapasitas yang berlebihan akan mengakibatkan pemborosan investasi. Berikut adalah langkah-langkah dan metode inti untuk menentukan kapasitas APF:

Prinsip Inti: Kapasitas terukur AHF (biasanya dinyatakan dalam ampere) harus lebih besar dari atau sama dengan nilai efektif dari jumlah vektor arus harmonisa dan arus reaktif yang perlu dikompensasi, dengan margin yang sesuai.

Langkah-langkah Menentukan Kapasitas AHF

1. Identifikasi Target Kompensasi:

Beban nonlinier tunggal: seperti konverter frekuensi, tungku frekuensi menengah, UPS besar, peralatan penyearah, dll. Ini adalah situasi yang ideal.

Sekelompok beban nonlinier: seperti beberapa konverter frekuensi di beberapa jalur produksi.

Seluruh sistem distribusi listrik/busbar: Mengkompensasi total arus harmonisa yang dihasilkan oleh semua beban pada busbar ini. Ini adalah situasi yang paling umum.

2. Memperoleh Data Arus Harmonisa:

2.1 Metode 1: Pengukuran Aktual (Paling Akurat, Sangat Direkomendasikan)

2.11 Gunakan penganalisis kualitas daya profesional (misalnya, Fluke, Hioki, YOKOGAWA, dll.).

2.12 Lakukan pengukuran pada titik kompensasi target (misalnya, terminal input beban nonlinier, busbar yang akan dikompensasi).

2.13 Ukur Parameter Kunci:

Nilai RMS Arus Fundamental: `I₁` (A)

Tingkat Distorsi Harmonisa Total: `THDi` (%) – Ini adalah rasio total nilai RMS arus harmonisa terhadap nilai RMS arus fundamental.

Kandungan Arus Harmonisa: `I₅`, `I₇`, `I₁₁`, `I₁₃`, dll. (A atau %) – Memahami distribusi spektrum membantu strategi kontrol AHF dan desain kapasitas, tetapi `THDi` terutama digunakan untuk menghitung kapasitas total.

Kondisi Pengukuran: Pengukuran harus dilakukan dalam kondisi beban harmonisa maksimum yang tipikal. Jika kondisi beban bervariasi secara signifikan, beberapa kondisi tipikal harus diukur, dan skenario terburuk (THDi maksimum) harus dicatat.

Durasi: Waktu pengukuran harus cukup lama untuk mencakup siklus operasi beban.

2.2 Metode Dua: Estimasi Teoritis (Akurasi lebih rendah, cocok untuk pemilihan awal atau ketika pengukuran aktual tidak memungkinkan)

2.21 Konsultasikan Manual Peralatan: Beberapa manual peralatan (seperti konverter frekuensi) akan memberikan THDi arus input tipikal atau spektrum harmonisa.

2.22. Rumus Empiris/Nilai Tipikal:
Penyearah 6-Denyut (tanpa reaktor): `THDi` ≈ 30%-50%
Penyearah 6-Denyut (dengan reaktor DC): `THDi` ≈ 30%-40%
Penyearah 6-Denyut (dengan reaktor AC): `THDi` ≈ 30%-35%
Penyearah 12-Denyut: `THDi` ≈ 10%-15%

2.23. UPS: `THDi` ≈ 25%-40%

2.24. Catu Daya Switching Frekuensi Tinggi: `THDi` mungkin sangat tinggi (>80%), tetapi nilai arus efektif aktual mungkin tidak besar.

2.25. Estimasi Arus Fundamental: `I₁≈ S / (√3 * U * PF)`. Dimana `S` adalah daya semu beban (kVA), `U` adalah tegangan saluran (V), dan `PF` adalah faktor daya beban (0,7-0,9 dapat digunakan untuk estimasi). Perhatikan bahwa faktor daya beban nonlinier biasanya lebih rendah.

3. Hitung nilai RMS arus harmonisa yang akan dikompensasi:

Contoh:
Arus input terukur dari konverter frekuensi I₁ = 100A, THDi = 40%. Maka Ih = 100A * (40 / 100) = 40A. Ini berarti AHF perlu menyediakan setidaknya 40A kemampuan kompensasi arus harmonisa.

4. Pertimbangkan Kebutuhan Kompensasi Daya Reaktif:

Jika AHF perlu mengkompensasi harmonisa dan daya reaktif (untuk meningkatkan faktor daya), persyaratan ini harus disertakan dalam perhitungan.

Tentukan nilai efektif arus reaktif yang akan dikompensasi, `Iq` (A):

`Iq = I₁ * sin(φ)`, dimana `φ` adalah sudut fase di mana arus beban tertinggal dari tegangan (`cosφ` adalah faktor daya).

5. Mempertimbangkan Margin:

5.1 Margin Fluktuasi Beban: Beban dapat berubah, dan tingkat harmonisa mungkin untuk sementara melebihi nilai terukur. Disarankan untuk menambahkan margin 15%-30%.

5.2 Margin Ekspansi Sistem: Pertimbangkan potensi peningkatan beban di masa depan. Disarankan untuk menambahkan margin 10%-20% (ditentukan sesuai rencana).

5.3 Margin Kapasitas Sendiri AHF: AHF biasanya memiliki kapasitas kelebihan beban jangka pendek tertentu (misalnya, kelebihan beban 150% selama 1 menit), tetapi kapasitas terukur harus cukup untuk operasi berkelanjutan.

5.4. Penerapan Margin: Kalikan arus `Ih` atau `Ic` yang dihitung pada langkah 3 atau 4 dengan faktor margin `K` (misalnya, 1,2 – 1,5).

`I_ahf = Ih * K` (hanya mengkompensasi harmonisa)
`I_ahf = Ic * K` (mengkompensasi harmonisa dan daya reaktif)

6. Penentuan Akhir Arus Terukur AHF:

Berdasarkan hasil perhitungan `I_AHF`, pilih model AHF dengan arus terukur nominal yang sama dengan atau sedikit lebih besar dari `I_ahf`.

Catatan:

Kapasitas AHF biasanya dinyatakan dalam ampere (misalnya, 50A, 100A, 300A).

Terkadang, kapasitas daya semunya dinyatakan dalam kilovolt-ampere (`S_ahf = √3 * U * I_AHF`). Namun, arus adalah dasar pemilihan yang paling langsung.

Tingkat tegangan harus sesuai dengan tegangan sistem (misalnya, 380V, 400V, 480V, 690V, dll.).

Ringkasan Pertimbangan Utama:

Arus harmonisa sangat penting: Mengukur atau memperkirakan secara akurat nilai efektif total arus harmonisa (`Ih`) pada titik kompensasi target adalah fundamental.

Persyaratan kompensasi daya reaktif: Jika kompensasi daya reaktif diperlukan secara bersamaan, arus reaktif (`Iq`) harus dihitung dan disintesis secara vektor dengan arus harmonisa (`Ic`).

Margin yang cukup sangat penting: Fluktuasi beban, ekspansi sistem, dan karakteristik AHF itu sendiri semuanya memerlukan margin yang cukup. Lebih baik memilih margin yang lebih besar daripada lebih kecil, tetapi pemborosan yang berlebihan harus dihindari.

Pengukuran aktual lebih disukai: Estimasi teoretis memiliki kesalahan yang signifikan; pengukuran kualitas daya aktual sangat direkomendasikan, terutama di bawah beban kompleks atau kondisi operasi yang bervariasi.

Tegangan sistem: Tegangan terukur AHF harus sesuai dengan tegangan sistem pada titik pemasangan.

Suhu lingkungan: Kapasitas AHF biasanya dikalibrasi pada suhu lingkungan standar (misalnya, 40°C). Jika suhu lingkungan pemasangan lebih tinggi, penurunan peringkat atau pemilihan model kapasitas yang lebih besar mungkin perlu dipertimbangkan. Topologi AHF: AHF paralel adalah yang paling umum, dan kapasitasnya ditentukan seperti dijelaskan di atas. Tipe lain (seperti seri dan hibrida) memiliki prinsip penentuan kapasitas yang serupa, tetapi penekanannya mungkin berbeda.

Konsultasi Pabrikan: Beri tahu pemasok AHF data pengukuran, kondisi beban, dan persyaratan Anda; mereka biasanya akan memberikan saran dan perhitungan pemilihan profesional.

Ringkasan Rumus Sederhana (Kompensasi Harmonisa Saja)

`Arus Terukur AHF (I_ahf) ≥ [Nilai RMS Arus Fundamental (I₁) × Distorsi Harmonisa Total (THDi%) / 100] × (1 + Faktor Margin)`

Contoh: Untuk busbar distribusi 380V, dalam kondisi operasi maksimum terukur:

`I₁ = 800A` `THDi = 25%`

Hanya kompensasi harmonisa yang diperlukan; faktor daya target dapat diterima. Mempertimbangkan margin fluktuasi beban 20% dan margin perluasan 10%, total faktor margin `K = 1,3`
Perhitungan: `Ih = 800A * (25 / 100) = 200A`
`I_ahf = 200A * 1,3 = 260A`
Pemilihan: Pilih AHF paralel 380V dengan arus kompensasi terukur tidak kurang dari 260A (misalnya, model 300A).

Dengan mengikuti langkah-langkah dan metode di atas, dan dengan hati-hati