Apa maksud total harmonic distortion

Total harmonic distortion (THD) adalah aspek penting dalam sistem tenaga dan harus dijaga serendah mungkin. THD yang lebih rendah dalam sistem tenaga berarti faktor daya yang lebih tinggi, arus puncak lebih rendah, dan efisiensi yang lebih tinggi. THD rendah adalah fitur yang sangat penting dalam sistem tenaga listrik yang standar internasional seperti IEC 61000-3-2 menetapkan batasan pada arus harmonik berbagai kelas peralatan listrik.

Introduksi terhadap analisis rangkaian AC biasanya berfokus pada faktor daya yang ditentukan oleh hubungan fase antara tegangan dan arus dalam rangkaian sementara umumnya mengabaikan efek THD pada faktor daya. Secara khusus:

$$ PowerFactor = cos (\ theta_v - \ theta_i) $$ eqn. 1

Di mana $$ \ theta_v $$ adalah fase tegangan dan $$ \ theta_i $$ adalah fase saat ini.

Ini bukan definisi lengkap faktor daya dan persamaan ini, yang disebut faktor perpindahan, hanya benar jika tegangan dan arus sama sekali sinusoidal. Aspek faktor perpindahan faktor daya ditutupi dengan baik di sini dan di sini.

Agar adil, kebanyakan orang yang baru mengenal sirkuit AC diperkenalkan pada definisi faktor daya yang tepat, tetapi setelah pengenalan ini, mereka biasanya hanya berfokus pada faktor perpindahan dan bukan efek THD. Definisi lengkap faktor daya adalah:

$$ PowerFactor = \ frac {P_ {avg}} {(V_ {rms}) (I_ {rms})} $$ eqn. 2

Faktor daya berlaku untuk sirkuit dengan bentuk umum Gambar 1 di mana ada sumber tegangan AC yang menyediakan arus AC untuk beberapa jenis beban. Ini adalah sifat dari beban yang menentukan sifat arus dan oleh karena itu faktor daya.

Gambar 1. Sumber tegangan AC dengan beban

Faktor Daya tanpa THD

Jika tegangan dan arus murni sinusoidal, maka tegangan dan arus RMS dapat ditentukan langsung dari tegangan puncak dan arus:

$$ V_ {rms} = \ frac {V_ {pk}} {\ sqrt {2}} $$ dan $$ I_ {rms} = \ frac {I_ {pk}} {\ sqrt {2}} $$

Jika beban murni resistif, maka daya rata-rata dan daya semu akan sama dan faktor daya akan menjadi 1. Jika beban juga memiliki elemen kapasitif dan / atau induktif, maka perbedaan fase antara tegangan dan arus dapat diukur untuk menentukan faktor daya dari persamaan 1. Gambar 2 hingga 4 menunjukkan tiga jenis beban bersama dengan hubungan antara fase tegangan dan arus serta faktor daya relatif. Ingat, faktor daya ini dapat dihitung langsung dari persamaan 1 karena tegangan dan arus murni sinusoidal.

Gambar 2. Beban resistif dengan bentuk gelombang (Faktor Daya = 1. Tegangan dan arus berada dalam fase)

Gambar 3. Beban resistif dan induktif dengan bentuk gelombang (Faktor Daya <1 dan arus tegangan)

Gambar 4. Beban resistif dan kapasitif dengan bentuk gelombang (Faktor Daya <1 dan tegangan arus)

Memperbaiki faktor daya dalam sistem seperti pada Gambar 3 dan 4 membutuhkan menempatkan komponen dengan jumlah reaktansi yang berlawanan ke dalam sistem untuk meniadakan reaktansi yang sudah ada dalam sistem. Jenis kompensasi ini dijelaskan di sini.

THD dalam Power Factor

Kebanyakan sistem listrik tidak memiliki beban hanya dengan resistor, induktor dan kapasitor. Sebagian besar beban juga mencakup konversi daya dari beberapa jenis (seperti AC / DC, DC / AC, atau konverter DC / DC) atau beberapa jenis beban non-linier lainnya (misalnya lampu fluorescent). Ini konverter daya dan beban non-linear lainnya mengubah sifat arus sehingga tidak lagi sinusoidal. Mengalihkan catu daya, di mana elemen daya bertransisi cepat antara keadaan penuh aktif dan penuh, dapat menjadi sangat non-linear. Trik seperti penyaringan atau penambahan sistem kontrol untuk memaksa aliran arus mengikuti sinyal referensi sering digunakan untuk mengurangi efek dari peralihan. Bahkan konverter AC / DC "linear" secara signifikan mengubah sifat arus sehingga tidak lagi sinusoidal. Saat ini dalam jenis konverter ini "bursty", dan artikel ini menjelaskan dengan tepat mengapa itu terjadi.

Karena arus dalam sistem non-linear ini masih periodik (tidak sinusoidal), perubahan dalam sifat arus ini dapat digambarkan dalam bentuk distorsi harmonik arus. Masing-masing harmonik dalam arus memiliki nilai RMS, jadi perhitungan arus RMS seluruh sinyal (seperti yang Anda perlukan saat menghitung faktor daya) melibatkan penjumlahan nilai RMS dari masing-masing harmonik.

$$ I_ {rms} = \ sqrt {I_ {dc} ^ {2} + \ sum_ {k = 1} ^ {\ infty} I_ {k \ _rms} ^ {2}} $$ eqn. 3

Jika Anda menganggap bahwa Anda memiliki sumber tegangan yang baik yang menyediakan tegangan sinusoidal, maka tidak ada tegangan pada frekuensi selain dari kekuatan fundamental sehingga nyata hanya akan diberikan pada frekuensi dasar:

$$ P_ {avg} = V_ {1 \ _rms} \ kali I_ {1 \ _rms} \ kali (DisplacementFactor) $$ eqn. 4

Di sisi lain, kekuatan nyata yang sama dengan $$ V_ {rms} I_ {rms} $$ akan menyertakan semua harmonik saat ini, sehingga istilah dalam penyebut Persamaan 2 akan lebih tinggi dari apa yang Anda harapkan jika Anda hanya menggunakan arus pada frekuensi dasar. Mengambil eqn. 3 dan 4 dan memasukkannya ke dalam eqn. 2 memberi:

$$ PowerFactor = \ frac {V_ {1 \ _rms} \ kali I_ {1 \ _rms} \ kali (DisplacementFactor)} {V_ {1 \ _rms} \ times \ sqrt {I_ {dc} ^ {2} + \ sum_ {k = 1} ^ {\ infty} I_ {k \ _rms} ^ {2}}} $$

$$ = \ frac {I_ {1 \ _rms}} {\ sqrt {I_ {dc} ^ {2} + \ sum_ {k = 1} ^ {\ infty} I_ {k \ _rms} ^ {2}}} \ kali DisplacementFactor $$ eqn. 5

Faktor Distorsi dan THD

Seperti disebutkan sebelumnya, faktor pemindahan disebabkan oleh perbedaan fase antara tegangan dan arus $$ (cos (\ theta_v - \ theta_i)) $$. Istilah lain yang ditunjukkan dalam eqn. 5 disebut faktor distorsi dan karena distorsi harmonik arus.

$$ DistortionFactor = \ frac {I_ {1 \ _rms}} {\ sqrt {I_ {dc} ^ {2} + \ sum_ {k = 1} ^ {\ infty} I_ {k \ _rms} ^ {2}} } = \ frac {I_ {1 \ _rms}} {I_ {rms}} $$

Jelas, faktor distorsi adalah karena distorsi harmonik arus, tetapi kita perlu mempertimbangkan bagaimana faktor distorsi terkait dengan pengukuran THD, di mana

$$ THD = \ frac {\ sqrt {\ sum_ {k \ not \ equiv1} I_ {k \ _rms} ^ {2}}} {I_ {1 \ _rms}} $$

Dengan sedikit aritmatika, faktor distorsi dapat ditentukan dalam hal THD:

$$ DistortionFactor = \ sqrt {\ frac {1} {1 + THD ^ {2}}} $$

sehingga faktor daya dapat dihitung dalam hal faktor perpindahan dan THD:

$$ PowerFactor = DisplacementFactor \ times DistortionFactor $$

$$ PowerFactor = cos (\ theta_v - \ theta_i) \ times \ sqrt {\ frac {1} {1 + THD ^ {2}}} $$

THD dan Power Factor dalam Contoh Daya / Sistem Elektronik Daya

Mari kita lihat dua contoh sistem; keduanya memiliki harmonik dalam arus, tetapi salah satu sistem mencoba untuk meminimalkan efek harmonik pada THD. Ini telah diperiksa sebelumnya, tetapi pemeriksaan di bawah secara khusus melihat efek harmonik pada faktor daya.

Contoh 1: Konverter AC / DC

Contoh pertama ini adalah konverter AC / DC sederhana seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5:

Gambar 5. Konverter AC / DC sederhana

Sirkuit ini menghasilkan bentuk gelombang tegangan dan arus yang muncul pada Gambar 6 (untuk penjelasan tentang mengapa mereka terlihat seperti ini, lihat artikel ini).

Gambar 6. Tegangan dan bentuk gelombang arus untuk catu daya linear

Karena distorsi yang jelas dalam arus, Anda akan mengharapkan konten arus harmonik menjadi tinggi, dan ini dapat dilihat dalam FFT arus dalam Gambar 7:

Gambar 7. Harmonik arus yang mengalir ke catu daya linear

Jelas ada banyak distorsi dalam arus. Bayangkan sebuah sistem tenaga berskala besar dengan ratusan atau ribuan konverter AC / DC terhubung dan kontribusinya terhadap distorsi harmonik dari semua konverter tersebut.

Mari kita benar-benar mengukur kualitas daya dan melakukan pengukuran dan perhitungan untuk menentukan faktor daya.

Untuk menentukan faktor daya membutuhkan dua pengukuran terpisah. Yang pertama adalah THD arus pada Gambar 6, dan diukur sebagai 2, 8 (ya, itu berarti 280%). Yang kedua adalah pergeseran fasa antara fundamental arus dan tegangan dan sekitar 10 derajat. Ini berarti faktor daya

$$ PowerFactor = cos (10 ^ {\ circ}) \ times \ sqrt {\ frac {1} {1+ (2.8) ^ 2}} = (0.985) (0.336) = 0.331 $$

yang merupakan faktor daya yang sangat rendah, dan penyumbang terbesar untuk faktor daya rendah ini adalah distorsi harmonis arus.

Contoh 2: Konverter AC / DC dengan Koreksi Faktor Daya

Contoh kedua memiliki sirkuit seperti yang dibahas di sini dan ditunjukkan pada Gambar 8 yang mencoba membuat arus melacak tegangan sedekat mungkin. Tujuan dari pelacakan ini adalah untuk meningkatkan faktor daya, dan sementara koreksi faktor daya ini tentu saja tidak sempurna, ini merupakan perbaikan besar atas contoh pertama.

Gambar 8. Tingkatkan Sirkuit Koreksi Faktor Daya

Sirkuit ini menghasilkan tegangan (v ac ) dan arus (i ac ) bentuk gelombang yang terlihat seperti ini:

Gambar 9. Tegangan dan arus ke sirkuit PFC boost

Arusnya jelas terdistorsi, tetapi tidak banyak; koreksi faktor daya secara signifikan mengurangi distorsi. Gambar selanjutnya, Gambar 10, memberikan indikasi seberapa banyak harmonik saat ini telah berkurang bila dibandingkan dengan harmonik pada Gambar 7.

Gambar 10. Harmonik arus menjadi sirkuit PFC boost

Harmonik saat ini rendah dan begitu juga perbedaan fase antara tegangan dan arus (sekitar 3º). Kombinasi dari dua komponen, harmonik saat ini (yang diukur dengan THD) dan perbedaan fase antara tegangan dan arus sesuai persamaan 5, memberi kita faktor daya. THD diukur dalam sinyal saat ini ditunjukkan pada Gambar 9 adalah 0, 2 (atau 20%), dan pergeseran fasa adalah 3º, menghasilkan faktor daya

$$ PowerFactor = cos (3 ^ {\ circ}) \ times \ sqrt {\ frac {1} {1+ (0, 2) ^ 2}} = (0, 999) (0, 98) = 0, 979 $$

Ini adalah faktor daya tinggi, tetapi jika hanya faktor pemindahan (salah) yang digunakan dalam perhitungan ini, faktor daya akan ditentukan menjadi 0, 999.

Kata-kata Akhir

Definisi lengkap faktor daya harus mencakup hubungan fase antara tegangan dan arus (faktor perpindahan) serta distorsi harmonik (faktor distorsi). Untuk kesederhanaan, ketika konsep faktor daya pertama kali diperkenalkan, faktor pemindahan adalah bagian dari faktor daya yang difokuskan. Untuk pemahaman lengkap tentang faktor daya dan sarana untuk memperbaikinya, faktor distorsi juga harus dimasukkan dalam perhitungan faktor daya apa pun.