RANCANG BANGUN STABILISASI TEGANGAN
GENERATOR SINKRON 1 KW/220 V BERBASIS PLC OMRON CJ1M
DESIGN AND BUILD VOLTAGE STABILITATION
OF SYNCHRONOUS GENERATOR 1 KW/220 V
BASED ON PLC OMRON CJ1M
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Listrik Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh : Hertalina Anastassia Hasibuan
091321052
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
RANCANG BANGUN STABILISASI TEGANGAN
GENERATOR SINKRON 1 KW/220 V BERBASIS PLC OMRON CJ1M
DESIGN AND BUILD VOLTAGE STABILITATION
OF SYNCHRONOUS GENERATOR 1 KW/220 V
BASED ON PLC OMRON CJ1M
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Listrik Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh : Hertalina Anastassia Hasibuan
091321052
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
i
iii
DATA PRIBADI
Nama
: Hertalina Anastassia Hasibuan
NIM
: 091321052
Tempat, tanggal lahir : Magelang, 13 Juni 1992 SD lulus tahun
: 2004 di SD RK Setia Budi, Medan
SMP lulus tahun
: 2007 di SMP ST. Thomas 1, Medan
SMA lulus tahun
: 2009 di SMA Negeri 65, Jakarta Barat
Tanggal permulaan kuliah
: 2009
Pengalaman Organisasi : 1. Koordinator Unit Kegiatan Mahasiswa Persekutuan Mahasiswa Kristen (UKM PMK) divisi Pemerhati 2009. 2. Ketua Unit Kegiatan Mahasiswa Persekutuan Mahasiswa Kristen (UKM PMK) 2010.
iii
KATA MUTIARA
“Jangan takut! Aku adalah yang awal dan yang akhir.” Wahyu 1 : 17c
"Sesungguhnya Aku mengutus seorang malaikat berjalan di depanmu, untuk melindungi engkau di jalan dan untuk membawa engkau ke tempat yang telah Kusediakan.”
Keluaran 23 : 20
Karya ini ku persembahkan untuk : Tuhan Yesus Keluargaku (Bapak, Mama,Abang, Oppung, Kel. Hasibuan dan Kel. Simanjuntak) Pa Nainggolan dan Bu Ana Ka Citra, Yetty, Ka Reni Sahabat – sahabatku (Hanna, Karel, Steven, Mikha, Novi, Tino, Martha) Kakak – kakakku (Ka yosi, Ka siska, Ka sri, Ka Mitha, Ka Ribka, Ka Ika, Bg Erick, Bg Helmi, Bg Mike, Bg Chris, Bg Gerald) Adik – adikku (Nova, Sarah, Mawar) Yeye, Sarah, Dini, Isti, Chika, Eka, Nadia, Gina Listrik 2009, terutama listrik 3B Pengurus PMK Polban Semoga proyek akhir ini dapat bermanfaat bagi siapa saja yang membacanya. Tuhan Memberkati. iv
ABSTRAK
Di dunia kelistrikan generator merupakan salah satu bagian yang sangat
penting untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator
sinkrondigerakkan olehMotor DC sebagai prime mover dengan pembebanan
berupa beban lampu tiga fasa hubungan Y. Dalam kenyataannya beban yang berubah mempengaruhi tegangan keluaran dari generator tersebut. Pada
pengendaliannya digunakan pengendalian P dengan penentuan Kp = 0,5625
menggunakan metoda ziegler nichols. Penstabilan tegangan ini dilakukan dengan
mengatur besar arus eksitasi dari generator dengan PLC Omron CJ1M. Kata kunci: Generator Sinkron, Pengendalian P (Proposional) , Arus eksitasi, PLC CJ1M.
v
ABSTRACT
In electrical, generator is a primer part to convert mechanical energy into
electrical energy. Synchronous generator is moved by a DC Motor as the prime
mover with the three phases lamp Y connection. In fact, the changed loads
influence the output voltage of generator. In this controller, P controller is used with adjust the value of Kp = 0,5625 with the Ziegler – Nichols Method. The
voltage is regulated by adjust the value of excitation current of generator with
PLC Omron CJ1M.
Keyword :Sychncronous generator, P controller, excitation current, PLC CJ1M.
vi
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas
rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Proyek
Akhir dengan baik, Laporan Proyek Akhir ini berjudul "RANCANG BANGUN STABILISASI TEGANGAN GENERATOR SINKRON 1 KW/220 V BERBASIS PLC OMRON CJ1M".Ucapan syukur senantiasa tercurah kepada Tuhan yang telah memberikan kekuatan dan kepada kedua orangtua yang telah
memberikan semangat.
Tujuan pembuatan laporan tugas akhir ini adalah untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah di program studi teknik listrik dan juga sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan D III di Politeknik Negeri Bandung. Dalam menyusun dan menyelesaikan Laporan Proyek Akhir ini penulis telah banyak menerima bantuan berupa materi, semangat, motivasi, saran, bimbingan dan doa dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus dan ikhlas kepada: 1.
Bapak Hari Purnama, Ir.,M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung.
2.
Bapak Sunarto, ST., M.Eng. selaku Ketua Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung.
3.
Bapak Sarjono Wahyu Jadmiko, ST., M.Eng. selaku dosen pembimbing utama yang telah senantiasa membimbing, memberi ilmu, arahan, dan wejangan kepada Penulis.
4.
Bapak Budi Setiadi, ST., MT. selaku dosen pembimbing pendamping yang telah memberikan arahan kepada penulis.
5.
Bapak Sofian Yahya, Drs., SST., MT. Selaku ketua penguji utama yang telah senantiasa menguji penulis.
vii
6.
Bapak Sudrajat, B.Eng, M.Eng,Sc selaku anggota penguji I yang telah senantiasa menguji penulis.
7.
Teknisi bengkel dan laboratorium khususnya bapak Heru, bapak Tatang,
bapak Usep, dan bapak Tumadi terima kasih atas dukungan dan bantuannya
selama pengerjaan Proyek Akhir ini.
8.
Serta semua pihak yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu. Semoga Tuhan selalu melimpahkan berkat dan karunia-Nya atas segala
bantuan yang diberikan kepada penulis.
Akhir kata, penulis memanjatkan syukur yang sebesar-besarnya atas
selesainya Laporan Proyek Akhir ini dan berharap semoga Laporan Proyek Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi diri penulis khususnya, maupun bagi semua orang yang mengerti akan sebuah hasil karya.
Bandung, Juli 2012
Penulis
viii
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL .................................................................................................. i LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. ii DATA PRIBADI ................................................................................................ ivii KATA MUTIARA................................................................................................ iv ABSTRAK ............................................................................................................ vi ABSTRACT .......................................................................................................... vii KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xii DAFTAR TABEL ............................................................................................ xivii DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xv BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1. 1 Latar Belakang .......................................................................................... 1 1. 2 Tujuan ....................................................................................................... 1 Perumusan Masalah .................................................................................. 2 1. 3 1. 4 Pembatasan Masalah ................................................................................. 2 1. 5 Metodologi Penyelesaian PA .................................................................... 2 1. 6 Sistematika Penulisan ............................................................................... 3 BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................... 4 2.1 Generator Sinkron ..................................................................................... 4 2.1.1 Umum ....................................................................................................... 4 2.1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron ............................................................... 8 2.1.3 Pengaturan Tegangan .............................................................................. 10 2.1.4 Generator Tanpa Beban .......................................................................... 12 Generator Berbeban ................................................................................ 13 2.1.5 2.1.6 Sistem Eksitasi pada Generator Sinkron ................................................. 13 2.1.7 Sistem Tiga Fasa ..................................................................................... 14 2.1.8 Daya Sistem Tiga Fasa Beban Seimbang ............................................... 18 2.2 Motor DC ................................................................................................ 19 2.3 Automatic Voltage Regulator (AVR)...................................................... 20 2.4 Sistem Kendali ........................................................................................ 22 2.4.1 Pengertian Sistem Kendali ...................................................................... 22 2.4.2 Sistem Kendali Loop Terbuka ................................................................ 22 Sistem Kendali Loop Tertutup ................................................................ 23 2.4.3 2.4.4 Bentuk Pengendalian .............................................................................. 23 Pengendalian P (Proporsional) ................................................................ 23 2.4.5 2.4.6 Pengendalian I (Integral)......................................................................... 26 2.4.7 Pengendalian P I (Proporsional Integral) ............................................... 28 Pengendalian PD (Proporsional Derivatif) ............................................. 29 2.4.8 2.4.9 Pengendalian PID (Proporsional Integral Derivatif)............................... 29 2.4.10 Tanggapan Sistem Kendali Umum ......................................................... 30 2.4.11 Tanggapan Transien ................................................................................ 31 ix
2.5 2.6 2.7 2.8
Programmable Logic Controller ............................................................ 32 Analog To Digital Converter (ADC) ...................................................... 35 Digital To Analog Converter (DAC) ...................................................... 36 Konverter Satu Fasa Semi Terkendali .................................................... 37
III PERANCANGAN DAN REALISASI ................................................ 40 BAB 3. 1 Pendahuluan ............................................................................................ 40 3. 2 Tujuan Perancangan ................................................................................ 40 3. 3 Deskripsi Alat ......................................................................................... 42 3. 4 Spesifikasi Komponen ............................................................................ 42 3. 5 Perancangan Software ............................................................................. 45 3. 6 Perbaikan Konverter Semi Terkendali Satu Fasa ................................... 49 Perbaikan Power Supply ±15 Volt .......................................................... 49 3.6.1 3.6.2 Perbaikan Rangkaian Penyulutan SCR ................................................... 50 3.6.3 Perbaikan Rangkaian Pembalik Tegangan.............................................. 50 3. 7 Perancangan Sensor Tegangan ............................................................... 51 3. 8 Perancangan Beban ................................................................................. 52 3. 9 Perancangan Sistem Automatic Voltage Regulator ................................ 53
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA ............................................................ 55 4. 1 Pengujian Software PID pada PLC CJ1M Omron .................................. 55 4. 2 Pengujian Konverter Semi Terkendali Satu Fasa ................................... 59 4. 3 Pengujian Sensor Tegangan .................................................................... 60 Pengujian Generator Sinkron Tiga Fasa ................................................. 62 4. 4 4. 5 Pengujian Generator Sinkron dengan Loop Terbuka .............................. 63 4. 6 Pengujian Generator Sinkron dengan Loop Terbuka dan Menghitung Harga Kp dan Ti dengan Metoda Ziegler-Nichols ................................... 66 4. 7 Pengujian Generator Sinkron dengan Loop Tertutup ............................. 68 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 70 5. 1 Kesimpulan ............................................................................................. 70 5. 2 Saran ....................................................................................................... 70 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 71 LAMPIRAN
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Konstruksi Generator Sinkron ............................................................ 4 Gambar 2. 2 Konstruksi inti stator .......................................................................... 5 Gambar 2. 3 Gambar Bentuk Alur .......................................................................... 6 Gambar 2. 4 Konstruksi Rotor Kutub Menonjol ..................................................... 7 Gambar 2. 5 Konstruksi Rotor Kutub Silinder........................................................ 7 Gambar 2. 6 Sistem Pembangkitan Generator Sinkon ............................................ 9 Gambar 2. 7 Kumparan Tiga Fasa ........................................................................ 10 Gambar 2. 8 Rangkaian Ekuivalen Generator....................................................... 12 Gambar 2. 9 Gambar Gelombang Arus Bolak – Balik Tiga Fasa ......................... 15 Gambar 2. 10 Gambar Hubungan Bintang ............................................................ 15 Gambar 2. 11 Gambar Hubungan Delta ................................................................ 16 Gambar 2. 12 Gambar Sistem tiga fasa beban seimbang ...................................... 18 Gambar 2. 13 Rangkaian Pengganti Motor DC .................................................... 20 Gambar 2. 14 Contoh Aplikasi AVR .................................................................... 22 Gambar 2. 15 Sistem Loop Terbuka ..................................................................... 23 Gambar 2. 16 Sistem Loop Tertutup ..................................................................... 23 Gambar 2. 17 Diagram Blok Pengendali P ........................................................... 24 Gambar 2. 18 Tanggapan penguat proporsional ................................................... 24 Gambar 2. 19 Proportional Band Dari Kontroler Proporsional ........................... 25 Gambar 2. 20 Diagram blok pengendali I ............................................................. 26 Gambar 2. 21 Tanggapan pengendali integral ...................................................... 26 Gambar 2. 22 Diagram blok Pengendali PI .......................................................... 29 Gambar 2. 23 Diagram blok Pengendali PD ......................................................... 29 Gambar 2. 24 Diagram blok Pengendali PID........................................................ 30 Gambar 2. 25 Kurva Peredaman (Damped Curve) ............................................... 31 Gambar 2. 26 Tanggapan Transien ....................................................................... 31 Gambar 2. 27 Contoh Pemrograman PLC ............................................................ 35 Gambar 2. 28 Analog To Digital Converter ......................................................... 35 Gambar 2. 29 Konversi Tegangan Ke Desimal .................................................... 36 Gambar 2. 30 Rangkaian Konverter Satu Fasa Semi Terkendali Konfigurasi Simetris ......................................................................................... 37 Gambar 2. 31 Rangkaian Konverter Satu Fasa Semi Terkendali Konfigurasi Asimetris ....................................................................................... 37 Gambar 2. 32 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Gambar Rangkaian Konfigurasi Simetris dan Konfigurasi Asimetris .......................... 38 Gambar 3. 1 Diagram Alir Proses Pengerjaan ...................................................... 41 Gambar 3. 2 Perancangan Sistem Generator Sinkron dengan Pengerak Mula ..... 42 Gambar 3. 3 Generator Sinkron ............................................................................ 43 Gambar 3. 4 PLC CJ1M ........................................................................................ 44 Gambar 3. 5 Algoritma dan Flowchart Program .................................................. 46 Gambar 3. 6 Pemrograman Masukan ADC .......................................................... 47 Gambar 3. 7 Pemrograman Subtractif dan PID .................................................... 47 xi
Gambar 3. 8 Program Parameterisasi PID ............................................................ 48 Gambar 3. 9 Gambar Rangkaian Power Supply 15 Volt ...................................... 49 Gambar 3. 10 Gambar Perbaikan Power Supply ................................................... 49 Gambar 3. 11 Rangkaian Penyulut SCR ............................................................... 50 Gambar 3. 12 Perbaikan yang dilakukan .............................................................. 51 Gambar 3. 13 Rangkaian LM 358 ......................................................................... 51 Gambar 3. 14 Gambar Rangkaian Sensor Tegangan ............................................ 51 Gambar 3. 15 Realisasi Sensor Tegangan ............................................................. 52 Gambar 3. 16 Perancangan Beban 3 Fasa ............................................................. 53 Gambar 3. 17 Realisasi Beban 3 Fasa ................................................................... 53 Gambar 3. 18 Perancangan SistemAutomatic Voltage Regulator ......................... 54 Gambar 3. 19 Realisasi Sistem Automatic Voltage Regulator.............................. 54 Gambar 4. 1 Pengujian PID pada PLC CJ1M Omron .......................................... 55 Gambar 4. 2Tampilan Program dan Pengukuran Data dengan MCC-Daq ........... 55 Gambar 4. 3 Grafik Tanggapan untuk Kp = 1, Ki = 0,75 ..................................... 58 Gambar 4. 4 Grafik Tanggapan untuk Kp = 1, Ki = 0,84 ..................................... 58 Gambar 4. 5 Grafik Tanggapan untuk Kp = 1, Ki = 1 .......................................... 58 Gambar 4. 6 Grafik Tanggapan untuk Kp = 1, Ki = 1,63 ..................................... 58 Gambar 4. 7 Rangkaian Pengujian Konverter Satu Fasa Semi Terkendali........... 59 Gambar 4. 8 Grafik Pengukuran Konverter Satu Fasa Semi Terkendali .............. 60 Gambar 4. 9 Rangkaian Sensor Tegangan ............................................................ 61 Gambar 4. 10 Grafik Pengujian Sensor Tegangan ................................................ 62 Gambar 4. 11 Tanggapan Osiloskop Sensor Tegangan ........................................ 62 Gambar 4. 12 Grafik Saat Beban 0 W .................................................................. 64 Gambar 4. 13 Grafik Saat Beban 15 W ................................................................ 64 Gambar 4. 14 Grafik Saat Beban 60 W ................................................................ 65 Gambar 4. 15 Grafik Saat Beban 75 W ................................................................ 65 Gambar 4. 16 Grafik Saat Beban 100 W .............................................................. 65 Gambar 4. 17 Grafik Saat Beban 115 W .............................................................. 66 Gambar 4. 18 Tanggapan Loop Terbuka............................................................... 67 Gambar 4. 19 Tanggapan Loop Tertutup untuk 60 W .......................................... 68 Gambar 4. 20 Tanggapan Loop Tertutup untuk 75 W .......................................... 69 Gambar 4. 21 Tanggapan Loop Tertutup untuk 100 W ........................................ 69
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Tegangan dan Arus Line pada Sistem Tiga Fasa ................................. 17 2. 2 Pengaruh Tuning PID ........................................................................... 30 Tabel Tabel 3. 1 Spesifikasi Pengendalian ..................................................................... 43 Tabel 3. 2 Spesifikasi CPU Unit CJ1M ................................................................ 43 Tabel 3. 3 Spesifikasi Input Analog MAD42 ....................................................... 44 Tabel 3. 4 Spesifikasi Output Analog MAD42 ..................................................... 44 Tabel 3. 5 Parameter Setting Program PI .............................................................. 45 Tabel 4. 1 Tabel Pengujian Parameter P ............................................................... 56 Tabel 4. 2 Tabel Pengujian Parameter P dan I ...................................................... 57 Tabel 4. 3 Data Pengukuran Konverter Satu Fasa Semi Terkendali ..................... 59 Tabel 4. 4 Tabel Pengujian Sensor Tegangan ....................................................... 61 Tabel 4. 5 Data Rangkaian Generator Sinkron dengan Sumber Penyearah Jembatan Simetris Tanpa Beban ......................................................... 63 Tabel 4. 6 Tabel Pengujian Generator Sinkron dengan Loop Terbuka ................. 64 Tabel 4. 7 Tabel Pengujian Loop Tertutup............................................................ 68
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Data sheet LM 358
Lampiran B Data sheet PLC OMRON CJ1M
Lampiran C Data sheet MAD 42 Lampiran D DASYLab Lampiran E Measurement computing USB 1208LS (MCC DAQ) manual
xiv
DAFTAR PUSTAKA
1. Bolton,W.2006.Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol. Jakarta:
Erlangga.
2. Harahap, M. Rusli. 1996. Mesin Arus Searah. Jakarta: PT. Gramedia.
3. Langsdrof, Alexander S. 1995. Theory of Alternating Current Machine.
New York: McGraw – Hill, Inc.
4. Sarjono. 2011. Rancangan Pengendali KecepatanMotor DC Eksitasi
Terpisah dengan Proposional dan Integral (PI) Berbasis Programmable Logic Controller (PLC). Universitas Gadjah Mada : Yogyakarta.
5. Surya, Hasan. 2010. Elektronika Daya. Bandung: Penerbit Politeknik Negeri Bandung. 6. Theraja, BL. 1990. Book of Electrical Technology Vol. 2. New Delhi. 7. Wijayanto, Kartono. 2009. Elektronika Analog. Bandung: Penerbit Politeknik Negeri Bandung.
71
