ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH

SKRIPSI

AINUL ROCHMAN 0806455061

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO DEPOK JUNI 2012

Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana

AINUL ROCHMAN 0806455061

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO DEPOK JUNI 2012

Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

ii Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

iii Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

KATA PENGANTAR Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa Ta’ala, karena berkat rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Penulis menyadari penulisan skripsi ini tidak terlepas dari adanya pihak-pihak yang telah membantu sehingga penulisan skripsi ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Prof. Dr. Ir. Rudy Setiabudy, DEA dan Dr.-Ing. Eko Adhi Setiawan, S.T., M.T yang telah menyediakan waktu, tenaga, serta pikiran dalam membimbing dan mengarahkan penulis dalam skripsi ini; 2. Ir. Budiyanto, MT yang telah memberikan masukan-masukan dalam penulisan skripsi ini; 3. orang tua yang telah mendukung penulis baik moral maupun material; 4. para asisten Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik

(TTPL) yang telah meminjamkan alat-alat ukur untuk penyusunan skrispsi ini; 5. Reno atas charger handphone-nya yang telah diberikan kepada penulis

untuk pengukuran pada skripsi ini; 6. Leonardo dan Gilbert yang telah meminjamkan multimeternya; 7. Ramadhani, Heru, Beng Tito, Aditya yang telah membantu penulis pada

saat pengukuran; dan 8. seluruh sivitas akademika Departemen Teknik Elektro UI yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis juga menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kekurangan sehingga penulis berharap adanya saran dan kritik yang membangun agar ke depannya menjadi lebih baik. Akhirnya, penulis berharap semoga buku skripsi ini dapat berguna bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Depok, 13 Juni 2012

Penulis

iv Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

v Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

ABSTRAK Nama : Ainul Rochman Program Studi : Teknik Elektro Judul : Analisis Perbandingan Sistem Kelistrikan AC dan DC pada Jaringan Tegangan Rendah Sistem distribusi AC telah lama dipilih sebagai sistem distribusi yang handal karena mempunyai kelebihan dalam hal konversi tegangan. Namun demikian, penerapan sistem AC ini menyebabkan perlunya penggunaan konverter AC-DC pada setiap beban DC baik pada rumah tangga, fasilitas komersial, maupun perkantoran. Penggunaan konverter AC-DC ini menimbulkan adanya rugi-rugi konversi dimana rugi-rugi konversi ini dapat semakin meningkat seiring dengan meningkatnya penggunaan beban-beban DC. Skripsi ini membahas tentang perbandingan jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC dan DC serta membahas tentang rugi-rugi konversi yang ada pada konverter AC-DC dari laptop dan ponsel. Selain itu, juga dipaparkan beberapa topologi sistem DC pada rumah tangga yang dapat menjadi alternatif untuk permasalahan rugi-rugi konversi yang ada pada sistem AC. Dari hasil pengukuran, pada AC Adapter laptop yang diuji, didapatkan bahwa konverter AC-DC ini memiliki rugi-rugi 1 W hingga 5 W dengan efisiensi rata-rata 94 %. Sedangkan pada AC Adapter ponsel yang diuji, rugi-rugi konversi rata-rata yang dihasilkan 0,6 W dengan efisiensi rata-rata 78 %. Kata kunci: sistem DC, sistem AC, jatuh tegangan, rugi-rugi daya, rugi-rugi konversi

vi Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

ABSTRACT Name : Ainul Rochman Study Program : Electrical Engineering Title : Comparison Analysis of AC and DC System in Low Voltage Grid AC system has been chosen as a reliable distribution system due to advantages in terms of voltage conversion. However, the AC system application led to the need for the use of AC-DC converters on each DC load on the residential, commercial facilities, and offices. The use of AC-DC converters led to the conversion losses where it can be increased along with increased use of DC loads. This paper discusses comparison of voltage drop and power losses between AC and DC systems and also discusses conversion losses that exist in the AC-DC converters of DC loads, especially in AC Adapter of laptops and mobile phones. Moreover, some of DC system topologies for the household that may be alternative solutions due to the conversion losses problem in existing AC system are also discussed. From the measurement results, it was found that conversion losses of AC Adapter of laptop 1 W up to 5 W with an average efficiency of 94 %. While in AC Adapter of mobile phones tested 0,6 W with an average efficiency of 78%. Keywords: DC systems, AC systems, voltage drop, power losses, conversion losses

vii Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ....................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. iii KATA PENGANTAR ............................................................................................. iv HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ..............................................................v ABSTRAK .............................................................................................................. vi ABSTRACT ........................................................................................................... vii DAFTAR ISI ......................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR .................................................................................................x DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi BAB 1 PENDAHULUAN ........................................................................................1 1.1 Latar Belakang ...............................................................................................1 1.2 Tujuan ...........................................................................................................2 1.3 Batasan Masalah ............................................................................................2 1.4 Metodologi Penelitian ....................................................................................2 1.5 Sistematika Penulisan .....................................................................................2 BAB 2 LANDASAN TEORI....................................................................................4 2.1 Umum ............................................................................................................4 2.2 Sistem Distribusi Arus Searah ........................................................................4 2.3 Sistem Distribusi Arus Bolak-Balik ................................................................6 2.4 Resistansi dan Reaktansi ...............................................................................8 2.5 Jatuh Tegangan ............................................................................................ 10 2.5.1 Perhitungan Jatuh Tegangan ............................................................. 10 2.5.2 Batasan Jatuh Tegangan.................................................................... 12 2.6 Rugi Daya ................................................................................................... 12 2.7 Rugi-rugi Konversi....................................................................................... 13 2.8 Beban ........................................................................................................... 14 2.9 Klasifikasi Tegangan DC ............................................................................. 15 2.10 Skema Beban DC dengan Suplai AC ............................................................ 16 2.11 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh........................................................ 17 2.11.1 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor ................ 19 2.12 Rugi-rugi Penyearah..................................................................................... 21 viii Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

BAB 3 ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM AC DENGAN SISTEM DC TEGANGAN RENDAH DAN ANALISIS RUGI-RUGI KONVERTER ACDC PADA ADAPTOR SWITCHING ...................................................................22 3.1 Umum .......................................................................................................... 22 3.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC ................................................... 22 3.2.1 Deskripsi Studi Kasus ....................................................................... 22 3.2.1.1

Konfigurasi Pengukuran ..................................................... 22

3.2.1.2

Spesifikasi Kabel dan Beban .............................................. 23

3.2.1.3

Spesifikasi Penyearah ......................................................... 24

3.2.1.4

Level Tegangan yang Diterapkan ....................................... 26

3.2.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC pada Lampu Pijar ...... 26 3.2.2.1

Hasil Analisis ..................................................................... 27

3.2.3 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC pada Lampu CFL ...... 31 3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada Konverter AC-DC ...................................33 3.3.1 Deskripsi Studi Kasus ....................................................................... 33 3.3.2 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop ...................... 35 3.3.2.1


3.3.2.2

Hasil Pengukuran dan Analisis ........................................... 35

3.3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Ponsel ...................... 38 3.3.3.1


3.3.3.2

Hasil Pengukuran dan Analisis ........................................... 38

3.3.3.3

Analisis Total Rugi-rugi Konversi AC Adapter Ponsel Berdasarkan Asumsi........................................................... 42

BAB 4 DESAIN TOPOLOGI SISTEM DC PADA RUMAH TANGGA ............ 44 4.1 Umum .......................................................................................................... 44 4.2 Topologi yang Diajukan ............................................................................... 45 4.2.1. Topologi A ....................................................................................... 46 4.2.2. Topologi B ....................................................................................... 49 4.2.3. Topologi C ....................................................................................... 52 BAB 5 KESIMPULAN .......................................................................................... 54 DAFTAR ACUAN ................................................................................................. 55 LAMPIRAN ........................................................................................................... 59

ix Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Segitiga Daya .......................................................................................5 Gambar 2.2. Masalah Kualitas Daya yang Biasa terjadi pada Sistem AC ..................8 Gambar 2.3. Sistem Distribusi DC ......................................................................... 14 Gambar 2.4. Skema Sistem Distribusi AC yang menyuplai Beban Elektronika, Beban Sensitif dan Beban AC ............................................................ 16 Gambar 2.5. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh ............................................. 17 Gambar 2.6. Bentuk Gelombang Masukan AC ....................................................... 18 Gambar 2.7. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh ................................................................................................. 18 Gambar 2.8. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor ................. 19 Gambar 2.9. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor ..................................................................... 19 Gambar 2.10. Pendekatan Tegangan Ripple dengan Bentuk Segitiga ........................ 20 Gambar 3.1. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Penghantar Sistem AC ....................................................................... 23 Gambar 3.2. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Penghantar Sistem DC ....................................................................... 23 Gambar 3.3. Penyearah yang Digunakan pada Percobaan Sistem DC ..................... 24 Gambar 3.4. Rangkaian Penyearah tanpa Kapasitor 680 μF .................................... 25 Gambar 3.5. Rangkaian Penyearah dengan Kapasitor 680 μF ................................. 25 Gambar 3.6. Susunan Sistem untuk Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Sistem AC................................................................................. 26 Gambar 3.7. Susunan Sistem untuk Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Sistem DC................................................................................. 27 Gambar 3.8. Konfigurasi Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop ............................................................................................... 35 Gambar 3.9. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Beban Ponsel Ponsel A ............................................................................................ 40 Gambar 3.10. Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel terhadap Total Rugi-rugi Energi Ponsel Per Tahun ............................................................................... 43 Gambar 4.1. Sistem AC yang menyuplai Beban DC yang terhubung dengan Pembangkit Terbarukan ..................................................................... 46 Gambar 4.2. Skema Topologi A ............................................................................. 48 Gambar 4.3. Skema Topologi B ............................................................................. 51 Gambar 4.4. Skema Topologi C ............................................................................. 53

x Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1.

Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban Lampu Pijar ................... 27

Tabel 3.2.

Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban Lampu Pijar ................... 28

Tabel 3.3.

Hasil Pengukuran Resistansi dan Induktansi Kabel ............................. 29

Tabel 3.4.

Hasil Perhitungan Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu Pijar ..... 30

Tabel 3.5.

Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban lampu CFL .................... 31

Tabel 3.6.

Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban lampu CFL .................... 32

Tabel 3.7.

Hasil Perhitungan Jatuh Tegangan dan Rugi Daya Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu CFL ........................................................ 32

Tabel 3.8.

Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan Baterai Terpasang ..... 36

Tabel 3.9.

Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan tanpa Baterai ............. 36

Tabel 3.10.

Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan baterai terpasang ............................................................................................ 37

Tabel 3.11.

Hasil Pengukuran Replacement dengan laptop tanpa baterai............... 38

Tabel 3.12.

Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel A ........... 39

Tabel 3.13.

Hasil Pengukuran Jatuh Tegangan Charger Ponsel A ......................... 40

Tabel 3.14.

Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Esia .................. 41

Tabel 3.15.

Total Rugi-rugi Energi Ponsel dengan Frekuensi Pengisian yang Berbeda .............................................................................................. 43

xi Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Efisiensi merupakan hal yang penting dalam suatu sistem distribusi listrik apalagi dengan terus berkurangnya cadangan energi fosil akibat pemakaian secara terus-menerus. Adanya pembangkitan terdistribusi sebagai salah satu alternatif untuk mengatasi penggunaan energi fosil juga tidak terlepas dari masalah efisiensi terkait dengan adanya rugi-rugi konversi. Salah satu yang mempengaruhi efisiensi dalam sistem distribusi adalah jenis sistem distribusi yang diterapkan. Hal ini terkait dengan adanya proses konversi tegangan Masalah losses (rugi-rugi) karena konversi tegangan muncul ketika sistem AC yang telah diterapkan selama lebih dari 100 tahun hingga kini menyuplai beban berbasis DC seperti beban elektronika. Untuk beban seperti ini, diperlukan suatu penyearah untuk mengkonversi tegangan AC menjadi tegangan DC. Proses konversi pada beban elektronika ini menimbulkan adanya rugi-rugi konversi (conversion losses) [1]. Walaupun tidak terlalu besar, akan tetapi rugi-rugi konversi ini dapat terakumulasi dengan semakin meningkatnya penggunaan beban-beban elektronika baik di fasilitas komersial, perkantoran maupun di rumah tangga sehingga menyebabkan efisiensi sistem menjadi berkurang. Berkaitan dengan pembangkit energi terbarukan, seperti pembangkitan terdistribusi, masalah efisiensi juga terdapat pada jenis sistem distribusi yang diterapkan. Dengan memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan seperti photovoltaic cell dan fuel cell dimana sumber-sumber tersebut menghasilkan keluaran DC, maka penggunaan sistem distribusi AC dapat menimbulkan lebih banyak losses akibat banyaknya proses konversi tegangan [2]. Penggunaan sistem distribusi DC pada pembangkitan terdistribusi melibatkan lebih sedikit konverter, sehingga sistem distribusinya menjadi lebih efektif dan berpotensi mempunyai efisiensi sistem yang lebih baik [2]. Sistem AC dan DC masing-masing mempunyai keunggulan sehingga dalam skrispi ini diteliti lebih lanjut tentang karakteristik dari masing-masing sistem khususnya jika menggunakan tegangan rendah. Hal ini berdasarkan bahwa 1 Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

2

tegangan yang digunakan untuk menyuplai beban elektronika maupun beban penerangan di rumah tangga atau pun fasilitas komersial merupakan tegangan konsumen atau tegangan rendah.

1.2 Tujuan Tujuan dari skripsi ini adalah: 1. Menganalisis dan membandingkan sistem AC dengan sistem DC pada sistem tegangan rendah menggunakan beban linear dan beban non linear. 2. Menganalisis rugi-rugi konverter AC-DC pada Adaptor berbasis switching 3. Mendesain topologi sistem DC sederhana untuk rumah tangga

1.3 Batasan Masalah Skripsi ini hanya membahas perbandingan sistem AC dengan sistem DC berdasarkan jatuh tegangan dan rugi-rugi penghantar tanpa memperhitungkan sistem proteksi masing-masing sistem dan kalkulasi biaya. Kemudian, analisis rugi-rugi pada konverter AC-DC hanya pada Adaptor laptop dan ponsel. Lalu, desain topologi sistem DC rumah tangga hanya melihat dari sisi rugi-rugi konversinya.

1.4 Metodologi Penelitian Skripsi ini menggunakan metode pengukuran untuk memperoleh besar jatuh tegangan maupun rugi-rugi penghantar dari masing-masing sistem. Selain itu, metode pengukuran juga dilakukan untuk memperoleh besar rugi-rugi dari konverter AC-DC Adaptor berbasis switching.

1.5 Sistematika Penulisan Penulisan skripsi ini dibagi menjadi 5 bab. Bab 1 merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan skripsi. Kemudian bab 2 merupakan landasan teori yang berisi materi-materi yang berkaitan dengan pembahasan masalah. Lalu bab 3 berisi analisis perbandingan sistem AC dengan DC dan analisis rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC pada Adaptor berbasis

Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

3

switching. Bab 3 ini terdiri dari deskripsi studi kasus, analisis perbandingan sistem AC dengan DC tegangan rendah dan analisis rugi-rugi konverter AC-DC pada Adaptor berbasis switching. Selanjutnya bab 4 adalah desain topologi sistem DC untuk rumah tangga yang terdiri dari beberapa topologi yang diajukan. Lalu diakhiri dengan kesimpulan pada bab 5.


BAB 2 LANDASAN TEORI

2.1 Umum Sistem distribusi listrik merupakan penyaluran tenaga listrik yang dibangkitkan oleh pembangkit listrik ke pelanggan. Dalam penyalurannya dapat menggunakan tegangan arus searah atau tegangan arus bolak-balik.

2.2 Sistem Distribusi Arus Searah Sistem distribusi arus searah merupakan penyaluran tenaga listrik dengan menggunakan tegangan dan arus searah atau direct current (DC). Sistem distribusi arus searah merupakan sistem distribusi listrik pertama yang digunakan untuk menyalurkan tenaga listrik. Sistem distribusi ini pertama kali dibangun pada tahun 1882 di Amerika Serikat oleh Thomas Alva Edison dan menggunakan tegangan rendah 120 V [3]. Penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC saat ini lebih jarang diterapkan daripada penyaluran tenaga listrik dengan tegangan AC.

Namun

demikian, penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC memiliki sejumlah keuntungan dibandingkan dengan tegangan AC. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya: 1. dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama, kapasitas penyaluran dengan sistem DC lebih besar daripada dengan sistem AC [4] 2. isolasi sistem DC lebih sederhana daripada sistem AC [4] 3. efisiensi (daya yang terpakai) lebih besar karena faktor daya pada sistem DC = 1, sedangkan faktor daya pada sistem AC belum tentu 1, biasanya kurang dari 1 yang menyebabkaan tidak semua daya total menjadi daya aktif. Gambar 1 menjelaskan tentang faktor daya [4]

4 Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

5

Gambar 2.1 Segitiga Daya

Nilai faktor daya seperti yang digambarkan oleh segitiga daya pada Gambar 2.1 adalah: cos  

P S

Pada sistem DC, karena tidak ada daya reaktif (Q), sudut faktor dayanya bernilai 0. Dengan demikian nilai faktor dayanya adalah: cos 0o  1 atau

P  1 atau total daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi S

daya aktif. Sedangkan pada sistem AC, cos φ dapat bernilai kurang dari 1 diakibatkan terdapatnya daya reaktif (Q) yang salah satunya dapat ditimbulkan oleh beban yang bersifat induktif (lagging). Misalnya sudut faktor daya 37o, maka : cos 37 o  0,8 

Karena

P S

P  1 , maka tidak seluruh daya yang dihasilkan (daya semu) S

menjadi daya aktif. Terdapat daya reaktif yang dihasilkan yaitu sebesar: Q  S  sin 37  0,6  S

4. tidak ada persoalan frekuensi pada penyaluran jarak jauh menggunakan sistem DC [4] 5. penerapan sistem DC dapat mengurangi fluktuasi tegangan pada bebanbeban pelanggan sehingga tegangan yang disuplai ke beban pelanggan hampir dapat dijaga konstan [5]


6

6. dengan rugi korona yang sama dan tingkat gangguan radio (radio interference) tertentu, tegangan DC dapat dinaikkan lebih tinggi daripada tegangan AC [4] 7. lebih rendah biaya saluran udara (overhead line) atau biaya saluran kabel bawah tanah (underground) atau biaya kabel bawah laut (submarine) serta tidak memerlukan kapasitor seri atau shunt [4] Karena adanya keuntungan-keuntungan pada penyaluran dengan tegangan DC, maka penggunaan sistem DC mulai diminati kembali pada tahun 1930-an [4]. Selain memiliki keuntungan, sistem distribusi DC juga memiliki kekurangan. Kekurangan tersebut diantaranya: 1. konversi tegangan dari satu level DC ke level DC lain lebih sulit daripada konversi AC-AC 2. untuk sistem DC tegangan sangat rendah, besar jatuh tegangan meningkat sehingga memberikan peningkatan rugi daya [6] 3. lebih sulit memutuskan (interruption) arus DC disebabkan tidak adanya pemotongan di titik nol (zero-crossing) pada gelombang DC [6] 4. karena tidak adanya tegangan induktansi diri, batasan arus hubung singkat pada rangkaian DC lebih sulit ditentukan daripada rangkaian AC [6]

2.3 Sistem Distribusi Arus Bolak-Balik Sistem distribusi arus bolak-balik merupakan penyaluran tenaga listrik dengan tegangan dan arus bolak-balik atau AC (Alternating Current). Sistem ini pertama kali dikembangkan oleh George Westinghouse dengan sejumlah paten dari Nikola Tesla [3]. Sistem distribusi AC saat ini banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik dan telah diterapkan secara luas selama lebih dari 100 tahun [2]. Sistem ini mempunyai beberapa keunggulan, antara lain adalah: 1. mudahnya proses transformasi tegangan dari satu level ke level lainnya dengan menggunakan transformator 2. kestabilan tegangan AC dapat dikontrol dari daya aktif melalui pengaturan daya reaktif [2]


7

3. cocok dengan beban berupa motor arus bolak-balik (motor AC). Pada motor AC, misalnya motor sinkron, bagian statornya membutuhkan suplai tegangan tiga fasa untuk menghasilkan medan magnet putar stator yang kemudian medan magnet putar stator ini untuk memutarkan rotor [7] 4. sistem proteksi pada sistem distribusi AC lebih berkembang dibandingkan dengan sistem proteksi pada sistem distribusi DC [2]. Hal ini dapat dimaklumi karena

sistem distribusi

AC

telah lama

diterapkan.

Permasalahan-permasalahan di bidang proteksi sejak dulu sampai saat ini telah menghasilkan berbagai perkembangan di bidang proteksi pada sistem distribusi AC. Selain memiliki kelebihan, sistem distribusi arus bolak-balik juga memiliki kekurangan. Kekurangan tersebut diantaranya: 1. karena adanya frekuensi, maka dapat terjadi ketidakstabilan frekuensi akibat faktor tertentu, seperti adanya fluktuasi beban yang membuat nilai frekuensi tidak konstan. 2. diperlukan

adanya

sinkronisasi

generator

untuk

generator

yang

diparalelkan sehingga terdapat syarat yang perlu dipenuhi seperti tegangan sama, frekuensi kedua generator sama, urutan fasa sama dan sudut fasa sama. 3. dalam sistem AC terdapat suatu kondisi voltage sag dan voltage swell yang dapat mempengaruhi kualitas daya. Voltage sag merupakan kondisi dimana tegangan turun di bawah 90% nilai tegangan nominal, sedangkan voltage swell adalah kondisi dimana tegangan naik di atas 110% nilai tegangan nominal. Voltage sag dapat disebabkan adanya pembangkit yang lepas (trip) atau bisa juga adanya beban besar yang masuk ke dalam sistem secara bersamaan, sedangkan voltage swell dapat disebabkan karena adanya beban besar yang hilang secara bersamaan. Selain voltage sag dan voltage swell, terdapat pula kondisi lain pada sistem AC yang dapat mempengaruhi kualitas daya seperti interruption, noise, flicker seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.2.


8

4. pada sistem yang menggunakan tiga fasa, dapat terjadi ketidakseimbangan tiga fasa. Ketidakseimbangan tiga fasa ini dapat disebabkan oleh impedansi beban masing-masing fasa yang tidak identik 5. dapat timbul distorsi harmonik yang mempengaruhi kualitas daya listrik. Ini dapat disebabkan oleh peralatan-peralatan seperti adjustable speed drive atau beban-beban seperti arc furnace, arc welders, dan lain-lain [8]. Idealnya, gelombang tegangan/arus bolak-balik berbentuk sinusoidal. Akan tetapi, karena adanya frekuensi harmonik, terjadi penjumlahan antara gelombang frekuensi harmonik dengan gelombang frekuensi dasar yang kemudian menghasilkan distorsi harmonik dimana gelombang tidak lagi berbentuk sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. 6. nilai faktor daya biasanya kurang dari 1, sehingga tidak seluruh daya total (daya semu) yang dihasilkan pembangkit menjadi daya yang terpakai (daya aktif). Hal ini seperti yang dijelaskan melalui Gambar 2.1.

Gambar 2.2 [9]. Masalah kualitas daya yang biasa terjadi pada sistem AC

2.4 Resistansi dan Reaktansi Diantara yang membedakan sistem DC dengan sistem AC adalah dalam hal impedansi. Impedansi pada sistem DC hanya bergantung pada resistansi penghantar dan beban yang terhubung, sedangkan pada sistem AC tidak hanya resistansi, tetapi juga bergantung pada reaktansi penghantar dan beban yang terhubung.


9

Pada suatu penghantar, nilai resistansi bergantung pada jenis, panjang, dan luas penampang penghantar tersebut. Hal ini sesuai dengan persamaan (2.1). R

 A

(2.1)

dimana: R

: resistansi penghantar (Ω)



: resistivitas penghantar (Ω m)



: panjang penghantar (m)

A

: luas penampang penghantar (m2) Selain itu, nilai resistansi penghantar juga dipengaruhi temperatur. Dengan

temperatur t1 dan t 2 dalam 0C, hubungan antara resistansi dengan temperatur dapat direpresentasikan oleh persamaan (2.2) [8]. Rt 2  Rt1

M  t2 M  t1

(2.2)

dimana:

Rt 2

: resistansi pada temperatur t 2

Rt1

: resistansi pada temperatur t1

M

: koefisien temperatur dari material Hubungan resistansi dengan temperatur dapat juga direpresentasikan

secara lebih sederhana sebagaimana diekspresikan pada persamaan (2.3).

Rt 2  Rt1 1   t 2  t1 

(2.3)

dimana:



: koefisien temperatur penghantar (3,9 x 10-3 untuk tembaga pada temperatur 200 C)

Berdasarkan persamaan (2.3), nilai resistansi suatu penghantar naik seiring dengan kenaikan temperatur. Untuk aluminium dan tembaga, pada kisaran temperatur yang besar, kenaikan resistansi hampir linear terhadap kenaikan temperatur. Adapun reaktansi penghantar terkait dengan nilai induktansi maupun kapasitansi dari penghantar tersebut. Untuk reaktansi induktif, nilainya bergantung pada frekuensi dan induktansi, sedangkan reaktansi kapasitif


10

bergantung pada frekuensi dan kapasitansi. Nilai reaktansi induktif dan reaktansi kapasitif dapat diperoleh dari persamaan (2.4) dan (2.5).

X L  2fL

(2.4)

X C  2fC

(2.5)

dimana:

XL

: reaktansi induktif (Ω)

XC

: reaktansi kapasitif (Ω)

f

: frekuensi sistem (Hz)

C

: kapasitansi penghantar (Farad)

L

: induktansi penghantar (Henry)

2.5 Jatuh Tegangan Jatuh tegangan merupakan selisih tegangan antara titik satu dengan titik lainnya pada suatu saluran.

2.5.1 Perhitungan Jatuh Tegangan Perhitungan jatuh tegangan dapat diturunkan sebagai berikut: Vdrop  Z  I Vdrop  R  jX   I  cos   j sin   Vdrop  I  R cos   I  X sin   j I  X cos   I  R sin  

(2.6)

Untuk tegangan rendah, dapat menggunakan pendekatan: Vdrop  I  R cos   I  X sin 

(2.7)

dimana: Vdrop

: jatuh tegangan sepanjang saluran (V)

R

: resistansi kawat penghantar (Ω)

X

: reaktansi kawat penghantar (Ω)

I

: magnitude arus penghatar (A)



: sudut faktor daya Untuk sistem DC, perhitungan jatuh tegangan

dapat diturunkan dari

persamaan (2.7). Karena tidak ada komponen reaktansi dalam sistem DC, maka


11

komponen impedansi yang berpengaruh hanya resistansi. Sedangkan untuk faktor daya pada DC nilainya 1. Sehingga perhitungan jatuh tegangan untuk sistem DC dapat diturunkan menjadi persamaan (2.8) Vdrop  I  R

(2.8)

Untuk beban satu fasa dengan nilai konsumsi daya dan tegangan DC yang diterapkan diketahui, maka jatuh tegangan dapat diperoleh menggunakan persamaan (2.9) [10]. Vdrop  2 R

P Vdc

(2.9)

dimana : P

: konsumsi daya beban (W)

Vdc

: tegangan DC yang diterapkan (V) Adapun pada sistem AC, untuk beban satu fasa

dimana diketahui

konsumsi daya beban, tegangan rms, dan sudut faktor daya, maka perhitungan jatuh tegangan

diturunkan dari persamaan (2.7) sehingga menghasilkan

persamaan (2.10) [10]. P   P Vdrop  2   R  X  tg  E   E

(2.10)

Sedangkan untuk beban tiga fasa, perhitungan jatuh tegangan dapat menggunakan persamaan (2.11) [10]. 1  P P    R  X  tg  E 3  E 

Vdrop 

(2.11)

dimana: X = reaktansi (Ω)

 = sudut faktor daya Selain resistansi dan/atau reaktansi yang terdapat pada kawat penghantar, jenis beban juga berpengaruh terhadap besar jatuh tegangan [8]. 

Beban resistif Pada faktor daya tinggi, jatuh tegangan sangat bergantung pada resistansi

konduktor. Misalnya pada faktor daya (cos φ ) 0,95, maka sin φ nya adalah 0,31. Sehingga walaupun pada umumnya resistansi lebih kecil daripada reaktansi, dalam hal ini resistansi berperan utama terhadap jatuh tegangan sesuai dengan


12

persamaan (2.10) dan (2.11) dimana tg sama dengan pembagian sin φ dengan cos φ. 

Beban reaktif Pada faktor daya sedang sampai faktor daya rendah, jatuh tegangan sangat

bergantung pada reaktansi konduktor. Misalnya pada faktor daya 0,8, maka sin φ nya adalah 0,6. Karena reaktansi biasanya lebih besar daripada resistansi, maka dalam hal ini beban reaktif merupakan penyebab utama terhadap jatuh tegangan . Hal ini juga sesuai dengan persamaan (2.10) dan (2.11) Faktor daya merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi besar jatuh tegangan . Pengaruh faktor daya terhadap jatuh tegangan

cukup signifikan

sehingga faktor daya yang buruk dapat meningkatkan jatuh tegangan secara signifikan. Jatuh tegangan

dapat lebih tinggi jika menggunakan tegangan yang

semakin rendah pada sistem distribusi, faktor daya yang buruk, rangkaian satu fasa, dan rangkaian yang tidak seimbang. Jatuh tegangan dapat dikurangi dengan beberapa cara diantaranya: 1. Meningkatkan faktor daya, salah satunya dengan menambah kapasitor 2. Memperbesar ukuran konduktor 3. Menyeimbangkan rangkaian

2.5.2 Batasan Jatuh Tegangan Jatuh tegangan

memiliki batas nilai berdasarkan standar tertentu.

Berdasarkan National Electrical Code (NEC), batas jatuh tegangan maksimum yang direkomendasikan adalah sebesar 5 % dari tegangan nominal [11].

2.6 Rugi Daya Dalam suatu sistem distribusi listrik, terdapat sejumlah daya yang disuplai dari sumber sampai ke beban. Besar daya yang disuplai dari sumber dapat tidak sebesar yang diterima oleh beban. Hal ini disebabkan adanya rugi daya (power loss). Untuk beban yang disuplai dengan sistem DC, perhitungan power loss diasumsikan hanya daya aktif dari beban yang disuplai dari sistem AC.


13

Perhitungan rugi daya untuk beban yang disuplai sistem DC dapat menggunakan persamaan 2.12 [10].

Ploss  2 R

P2 Vdc2

(2.12)

dimana: P

: resistansi kawat penghantar (Ω)

R


Vdc

: magnitude arus penghatar (A) Pada sistem AC, adanya daya reaktif turut meningkatkan rugi daya dari

sistem tersebut. Hal ini disebabkan adanya induktansi pada saluran yang mempengaruhi faktor daya. Induktansi yang semakin besar pada saluran dapat membuat faktor daya semakin rendah. Faktor daya yang rendah ini menyebabkan meningkatnya arus untuk memenuhi jumlah daya yang sama. Dengan meningkatnya arus, maka semakin meningkat pula rugi daya pada saluran. Pada beban yang disuplai dengan sistem AC, untuk beban satu fasa, perhitungan rugi daya sebagai berikut [10]:

Ploss  2 

R P2  cos 2  E 2

(2.13)

Sedangkan jika beban yang disuplai merupakan beban tiga fasa, perhitungan rugi daya menggunakan persamaan 2.14 [10].

Ploss 

R P2  3  cos 2  E 2

(2.14)

dimana:

Ploss

: rugi daya (Watt)

R


cos  : faktor daya P

: konsumsi daya oleh beban (Watt)

E

: tegangan rms (fasa ke ground)

2.7 Rugi-rugi Konversi Selain karena faktor daya dan arus, rugi-rugi juga dapat ditimbulkan dari proses konversi. Rugi-rugi konversi timbul karena efisiensi konverter kurang dari


14

100%. Diantara yang dapat menimbulkan rugi-rugi konversi yaitu penyearah dalam beban-beban DC yang disuplai dengan AC.

Suplai AC

DC

Beban sensitif

AC

Beban elektronika

PV

DC

Fuel Cell

Beban elektronika

Blok Baterai

DC

Mikro Turbin M

Elektronika digital

DC

Elektronika digital

DC

DC AC

Beban AC AC DC

Bus DC

Gambar 2.3. Sistem Distribusi DC [10]

Untuk mengurangi rugi-rugi konversi, dapat menerapkan sistem distribusi DC [10]. Dengan menerapkan sistem ini, beban-beban DC dapat disuplai secara lebih efektif karena menggunakan lebih sedikit konverter. Selain itu, sumbersumber energi alternatif seperti photovoltaic cell dan fuel cell yang menghasilkan keluaran DC juga dapat terhubung ke bus DC secara lebih efektif pula. Konfigurasi sistem ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

2.8 Beban Terdapat beberapa jenis beban terkait dengan penggunaannya antara lain beban rumah tangga, beban industri, dan beban perkantoran. Dari beban-beban tersebut, terdapat beban yang dapat beroperasi dengan AC maupun DC. Beban tersebut antara lain:


15

1. Beban resistif yang meliputi lampu pijar, kompor listrik, oven listrik, dan sebagainya. Beban-beban resistif ini merupakan beban yang dimodelkan sebagai resistansi 2. Beban elektronika yang meliputi komputer, TV layar datar, battery charger [12]. Beban ini secara internal menggunakan DC dimana terdapat penyearah jembatan

(bridge rectifier) yang mengkonversi dari AC

menjadi DC. Selain itu, saat ini terdapat lampu fluorescent atau compact fluorescent lamp (CFL) yang dapat beroperasi dengan DC, yaitu yang menggunakan ballast elektronika. Pada CFL sendiri terdapat dua teknik umum agar lampu ini dapat menyala, yaitu [13]: 

Ballast magnetik. Ballast magnetik merupakan teknik awal pada sistem lampu fluorescent. Meskipun inti besi dari ballast sederhana, tetapi ballast ini ukurannya besar dan mempunyai rugi-rugi yang tinggi.



Ballast elektronika. Ballast elektronika merupakan teknologi terbaru yang membawa kepada efisiensi yang lebih baik pada sistem lampu fluorescent. Ballast elektronika memanfaatkan elektronika daya untuk membangkitkan tegangan frekuensi tinggi pada lampu.

3. Beban berputar yang digerakkan dengan universal machine atau frequency controlled machine. Beban seperti pengering rambut (hair dryers), vacuum cleaner, pengaduk makanan (food mixers) biasanya menggunakan motor universal. Motor universal ini sebagian besar merupakan motor DC yang dapat beroperasi baik dengan tegangan AC maupun DC [14]. Selain itu, terdapat beban yang hanya dapat beroperasi dengan menggunakan suplai AC yaitu beban yang mengandung bagian induktif. Hal ini disebabkan suplai DC menghasilkan arus konstan yang melalui bagian induktif dari beban tersebut. Beban dengan breaker mekanis yang didesain untuk tegangan AC juga tidak bisa disuplai dengan DC [12].

2.9 Klasifikasi Tegangan DC Terdapat berbagai level tegangan dalam sistem DC yang diklasifikasikan. Level tegangan DC diklasifikasikan sebagai berikut [5]:


16

1. tegangan tinggi DC dengan kisaran 30 kV < Vdc  1500 kV, 2. tegangan menengah DC dengan kisaran 1500 V < Vdc  30 kV dan 3. tegangan rendah DC dengan Vdc  1500 V

2.10 Skema Beban DC dengan Suplai AC Saat ini, sistem yang banyak digunakan untuk menyuplai energi listrik adalah sistem AC. Namun demikian, sebagian besar beban yang meliputi beban rumah tangga maupun beban perkantoran seperti personal computer (PC), telepon, radio, televisi, printer, dan sebagainya secara internal beroperasi dengan DC. Ditambah lagi dengan meningkatnya penggunaan perangkat-perangkat portable secara signifikan seperti telepon seluler, notebook, yang tidak lepas dari penggunaan cadangan energi (energy storage) berupa baterai yang juga memerlukan suplai DC. Karena sistem AC telah lama diterapkan, maka bebanbeban rumah tangga, perkantoran maupun perangkat-perangkat portable yang secara internal menggunakan DC memerlukan konverter AC-DC atau penyearah. Untuk perangkat portable seperti laptop, konverter AC-DC ini berupa AC Adapter.

Bus AC

Beban elektronika DC AC

DC

Elektronika digital

DC

UPS DC

AC

AC

DC

Beban Sensitif (komputer)

Baterai

Beban AC lain

Gambar 2.4. Skema Sistem distribusi AC yang menyuplai Beban Elektronika, Beban Sensitif dan Beban AC


17

Sistem AC yang menyuplai beban-beban DC melibatkan banyak proses konversi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Proses konversi ini dapat menimbulkan rugi-rugi yang disebut rugi-rugi konversi. Meskipun rugi-rugi konversi yang ditimbulkan tidak terlalu besar, akan tetapi peningkatan penggunaan beban-beban DC pada rumah tangga, perkantoran, dan tempat lainnya dapat menimbulkan akumulasi rugi-rugi konversi dari penyearah yang digunakan, sehingga dampaknya dapat menjadi signifikan terhadap efisiensi sistem.

2.11 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh Untuk menghasilkan keluaran DC dengan masukan AC, salah satunya dapat menggunakan penyearah jembatan gelombang penuh (full wave bridge rectifier). Penyearah jembatan gelombang penuh menggunakan empat buah dioda yang disusun dengan konfigurasi bridge seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5.

D1

D2

+ D4

D3 Vdc

Gambar 2.5. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

Bentuk gelombang masukan AC ditunjukkan pada Gambar 2.6. Pada siklus positif, arus mengalir melalui dioda D2 dan D4 lalu pada siklus negatif, arus mengalir melalui dioda D3 dan D1. Proses ini kemudian menghasilkan keluaran DC seperti ditunjukkan pada gambar 2.7.


18

Gambar 2.6. Bentuk Gelombang Masukan AC

Vdc

Gambar 2.7. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

Besar tegangan rata-rata keluaran DC dapat diperoleh melalui pendekatan yang direpresentasikan oleh persamaan (2.15) [15].

Vdc  0,636  Vm

(2.15)

dimana:

Vdc

: tegangan DC rata-rata hasil keluaran penyearah (V)

Vm

: tegangan maksimum/puncak dari masukan AC (V)

Untuk penyearah yang menggunakan dioda tidak ideal, pada kondisi dimana

Vm  2VT , secara lebih akurat besar tegangan rata-rata DC keluaran penyearah ini dapat diperoleh menggunakan persamaan (2.16).

Vdc  0,636  Vm  2VT 

(2.16)

dimana:

VT = tegangan threshold dioda (0.7 V untuk dioda silikon)


19

2.11.1 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor Penambahan kapasitor pada penyearah jembatan gelombang penuh bertujuan untuk menghasilkan gelombang keluaran DC yang lebih halus. Karakteristik kapasitor yang dapat melakukan pengisian dan pengosongan muatan dapat mengurangi tegangan ripple pada gelombang keluaran penyearah ini. Kapasitor yang ditambahkan pada penyearah terhubung secara paralel dengan beban seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8.

D1

D2

D4

D3

+ Vdc

Gambar 2.8. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor

Gambar 2.9. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor

Hasil keluaran penyearah jembatan gelombang penuh dengan penambahan kapasitor ditunjukkan pada Gambar 2.9. Pada Gambar 2.9 terdapat tegangan keluaran (Vdc) dimana nilainya dapat diperoleh menggunakan persamaan (2.17) [15].


20

Vdc  Vm 

Vr ( p  p )

(2.17)

2

Dengan menggunakan pendekatan bahwa tegangan ripple pada gelombang keluaran berbentuk segitiga seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10, maka tegangan ripple rms (Vr rms) dapat direpresentasikan oleh persamaan (2.18).

Vr ( rms) 

Vr ( p  p )

(2.18)

2 3

atau Vr ( p  p ) 2

 Vr ( rms)  3

(2.19)

Gambar 2.10. Pendekatan Tegangan Ripple dengan Bentuk Segitiga

Sedangkan perhitungan nilai Vr rms dapat menggunakan persamaan (2.20).

Vr ( rms) 

I dc

(2.20)

4 3 fC

dimana:

I dc

: arus yang melalui beban (mA)

f

: frekuensi sistem (Hz)

C

: nilai kapasitansi dari kapasitor (μF)

Sehingga, dengan mengkombinasikan persamaan (2.17) dengan persamaan (2.20), maka :

Vr ( p  p ) 2



I dc 4 3 fC

 3


21

Vr ( p  p )



2

I dc 4 fC

Dengan demikian, persamaan (2.17) dapat ditulis kembali menjadi: Vdc  Vm 

I dc 4 fC

(2.21)

2.12 Rugi-rugi Penyearah (Rectifier Losses) Dalam mengkonversi dari AC menjadi DC, pada penyearah terdapat rectifier losses atau rugi-rugi konversi dari AC menjadi DC. Hal ini menyebabkan daya keluaran dari penyearah lebih kecil daripada daya masukannya. Rugi-rugi penyearah ini bergantung pada nilai forward voltage drop atau VF dan resistansi dari dioda yang digunakan, serta arus beban. Nilai VF bergantung pada jenis dioda yang digunakan. Untuk dioda 1N4007, VF nya berkisar antara 0,8 V sampai dengan 1,1 V. Nilai VF ini berpengaruh terhadap besar rugi-rugi pada dioda. Hubungan antara VF dengan losses pada dioda direpresentasikan oleh persamaan (2.22) [16].

Pdiodeloss  VF  I rms

(2.22)

dimana:

Pdiodeloss

: rugi-rugi pada dioda (W)

VF

: forward voltage drop dari dioda (V)

Banyaknya dioda pada penyearah mempengaruhi besar rectifier losses pada penyearah tersebut sehingga jenis penyearah juga mempengaruhi besar rectifier losses. Pada penyearah gelombang penuh, besar rectifier losses ditunjukkan oleh persamaan (2.23). Prectiferloss  2  VF  I rms

(2.23)


BAB 3 ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM AC DENGAN SISTEM DC TEGANGAN RENDAH DAN ANALISIS RUGI-RUGI KONVERTER ACDC PADA ADAPTOR SWITCHING

3.1 Umum Pada bab ini, ingin diketahui karakteristik sistem AC dan DC tegangan rendah dengan menganalisis jatuh tegangan dan rugi-rugi daya penghantar pada beban linear dan non linear. Jatuh tegangan dan rugi-rugi daya pada sistem DC kemudian dapat dibandingkan dengan sistem AC sehingga dapat dilihat juga peluang penerapan sistem DC tegangan rendah secara lebih luas. Di samping itu, pada bab ini juga akan dianalisis mengenai rugi-rugi konversi pada AC-DC konverter dari beban berbasis switching. Dengan analisis tersebut kemudian juga dapat dianalisis total rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC dengan menggunakan asumsi tertentu. Analisis rugi-rugi konversi ini untuk mengetahui besar rugi-rugi yang ditimbulkan akibat konversi AC-DC pada sebagian beban DC. Rugi-rugi ini yang mungkin bisa diminimalisasi apabila menggunakan sistem DC.

3.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC 3.2.1 Deskripsi Studi Kasus Studi kasus ini berkaitan dengan

konfigurasi pengukuran, spesifikasi

perangkat-perangkat yang digunakan seperti kabel maupun beban yang digunakan dalam pengukuran jatuh tegangan dan rugi daya penghantar pada sistem AC maupun sistem DC. Selain itu, studi kasus ini juga berkaitan dengan level-level tegangan yang diterapkan.

3.2.1.1 Konfigurasi Pengukuran Untuk dapat memperoleh data dan menganalisis jatuh tegangan maupun rugi-rugi daya penghantar pada sistem AC, konfigurasi sistem yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.1.


23

0 – 240 V

Suplai PLN

5m

AC Voltage Regulator

15 m

10 m

20 m

Gambar 3.1. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Penghantar Sistem AC

0 – 240 V

Suplai PLN

Penyearah


5m

10 m

15 m

20 m

Gambar 3.2. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Penghantar Sistem DC

Pada Gambar 3.1 dan 3.2, suplai AC berasal dari PLN yang mempunyai tegangan rms sekitar 220 V dan frekuensi 50 Hz. Untuk mengatur tegangan yang disuplai ke beban menggunakan pengatur tegangan AC atau AC Voltage Regulator. Tegangan keluaran dari AC Voltage Regulator ini berkisar antara 0 V hingga 240 V.

3.2.1.2 Spesifikasi Kabel dan Beban Untuk menyuplai beban dari AC Voltage Regulator ke beban menggunakan kabel jenis NYA merek Federal Kabel dengan luas penampang 1,5 mm2. Berdasarkan [10], diasumsikan besar arus maksimum dari kabel 1,5 mm2 tersebut adalah 14 A. Sedangkan panjang kabel untuk menyuplai beban terdiri dari beberapa ukuran yaitu 5 m, 10 m, 15 m, dan 20 m. Penambahan panjang kabel secara bertahap ini bertujuan untuk melihat karakteristik jatuh tegangan dan rugi-rugi daya penghantar pada sistem AC. Sedangkan beban yang digunakan terdiri dari beban terdiri dari :


24

1. Lampu pijar 100 W berjumlah 5 buah. Lampu ini mempunyai tegangan kerja 100 V hingga 240 V. Kelima lampu ini mempunyai faktor daya sebesar 0,9984 yang diperoleh dari pengukuran menggunakan Power Quality Analyzer dengan merek Hioki 3169-20. Lampu pijar dimodelkan sebagai beban resistif atau beban non switching sehingga perlu diketahui karakteristik jatuh tegangan dan rugi-rugi daya penghantarnya. Beban ini juga termasuk beban yang mengkonsumsi daya yang besar sehingga karakteristik jatuh tegangan dapat lebih terlihat saat pengukuran. 2. Lampu Compact Fluorescent Lamp (CFL) 20 W berjumlah 5 buah dengan tegangan kerja 100 V – 240 V. Kelima lampu ini mempunyai faktor daya sebesar 0,8422 yang diperoleh dari pengukuran menggunakan Power Quality Analyzer dengan merek Hioki 3169-20. Lampu CFL atau lampu hemat energi merupakan lampu yang menggunakan ballast elektronika. Ballast elektronika ini merupakan beban berbasis switching sehingga karakteristiknya perlu dilihat jika disuplai AC maupun DC.

3.2.1.3 Spesifikasi Penyearah Pada percobaan sistem DC, penyearah yang digunakan adalah penyearah jembatan gelombang penuh (Full Wave Bridge Rectifier). Penyearah

ini

ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Keluaran DC dengan Kapasitor

Kapasitor 680 μF

Keluaran DC tanpa Kapasitor Dioda Bridge KBPC1010W

Masukan AC

Gambar 3.3. Penyearah yang Digunakan pada Percobaan Sistem DC


25

Penyearah ini terdiri dari beberapa komponen, yaitu sebagai berikut: a. Dioda Bridge KBPC1010W dengan tegangan panjar maju (forward voltage) sebesar 1,2 V tiap kakinya. b. Kapasitor Elko 680 μF dengan tegangan maksimum 400 V. Penyearah ini dapat menggunakan kapasitor atau tanpa menggunakan kapasitor. Rangkaian penyearah tanpa kapasitor dan dengan kapasitor masingmasing dapat dilihat pada Gambar 3.4 dan 3.5.

D2

D1

Dioda Bridge +

D3

D4

Beban

Vdc

Gambar 3.4. Rangkaian Penyearah tanpa Kapasitor 680 μF

D1

D2

Dioda Bridge +

D4

D3

680 μF

Beban

Vdc

Gambar 3.5 Rangkaian Penyearah dengan Kapasitor 680 μF


26

3.2.1.4 Level Tegangan yang Diterapkan Tegangan keluaran dari AC Voltage Regulator berkisar antara 0 V hingga 240 V. Dalam kisaran tersebut, level yang digunakan pada percobaan baik untuk sistem AC maupun sistem DC yaitu: a. 120 V : penggunaan tegangan ini merupakan sedikit di atas batas bawah dari tegangan yang dapat diterapkan pada beban lampu CFL maupun Pijar b. 210 V : penggunaan tegangan ini masih dalam batas kisaran tegangan kerja dari lampu pijar maupun lampu CFL c. 220 V : tegangan ini merupakan tegangan rms dari penyuplai (PLN). Penggunaaan level tegangan ini dapat mendukung operasi beban lampu pijar maupun CFL secara optimal. Pada sistem DC, juga diterapkan level tegangan ini (220 Vdc) untuk dibandingkan.

3.2.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC dengan Beban Lampu Pijar Untuk melakukan pengukuran jatuh tegangan dan rugi-rugi daya pada sistem AC, menggunakan susunan sistem yang ditunjukkan pada Gambar 3.6.

5m, 10m, 15m, 20m

Suplai PLN


A V1

V2

L

Gambar 3.6. Susunan Sistem untuk Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Sistem AC

Sedangkan konfigurasi yang digunakan untuk pengukuran sistem DC ditunjukkan pada Gambar 3.7.


27

Full Wave Bridge Rectifier

Suplai PLN

5m, 10m, 15m, 20m

A


2 V2

V1

L

Gambar 3.7. Susunan Sistem untuk Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya Sistem DC

3.2.2.1 Hasil dan Analisis Berdasarkan susunan sistem pada Gambar 3.6, beban lampu pijar 100 W yang berjumlah 5 buah terpasang pada posisi L. Beban ini disuplai oleh tegangan AC yang nilainya diatur menggunakan AC Voltage Regulator. Dengan beban berupa lampu pijar, diperoleh hasil pengukuran yang tertera pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban Lampu Pijar Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V1 (V)

A (A)

V2 (V)

120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

1,52 2,06 2,11 1,52 2,06 2,12 1,52 2,06 2,11 1,52 2,06 2,11

119 209 219 119 209 219 118 209 218 119 209 218

Vdrop (V) 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 1 2

% Vdrop 0,8 0,5 0,5 0,8 0,5 0,5 1,7 0,5 0,9 0,8 0,5 0,9

P loss (W) 1,52 2,06 2,11 1,52 2,06 2,12 3,04 2,06 4,22 1,52 2,06 4,22

%P loss 0,8 0,5 0,5 0,8 0,5 0,5 1,7 0,5 0,9 0,8 0,5 0,9

Dari Tabel 3.1, terlihat bahwa jatuh tegangan sekitar 1 V hingga 2 V dengan persentase jatuh tegangan 0,5 hingga 1,7 %. Secara umum, persentase jatuh tegangan di bawah 1 % untuk panjang 5 m hingga 20 m pada level-level


28

tegangan yang diberikan. Nilai ini masih di bawah nilai persentase jatuh tegangan maksimum yang diberikan oleh NEC (National Electric Code), yaitu sebesar 5 %. Selain itu, pengukuran juga menunjukkan bahwa pertambahan panjang kabel dari 5 m hingga 20 m secara umum terjadi kenaikan jatuh tegangan sehingga kenaikan panjang kabel dengan nilai jatuh tegangan bisa dikatakan sebanding. Sedangkan hasil pengukuran sistem DC dengan penyearah menggunakan kapasitor menunjukkan bahwa pada panjang kabel 5 m hingga 20 m, persentase jatuh tegangan dan rugi daya juga di bawah 1 % seperti ditunjukkan pada Tabel 3.2. Sistem DC dengan penyearah tanpa kapasitor juga menunjukkan hal yang tidak jatuh berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa untuk panjang kabel hingga 20 m, jatuh tegangan dan rugi daya tidak terlalu berpengaruh pada operasi beban baik pada sistem AC maupun sistem DC.

Tabel 3.2. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan Beban Lampu Pijar Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V1 (V)

A (A)

V2 (V)

V drop (V)

% Vdrop

P loss (W)

% Ploss

120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

1,51 2,05 2,1 1,51 2,05 2,1 1,51 2,05 2,1 1,51 2,05 2,1

119 209 219 119 208 218 119 208 218 119 208 218

1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2

0,8 0,5 0,5 0,8 0,95 0,9 0,8 0,9 0,9 0,8 0,9 0,9

1,51 2,05 2,1 1,51 4,1 4,2 1,51 4,1 4,2 1,51 4,1 4,2

0,8 0,5 0,5 0,8 0,95 0,9 0,8 0,9 0,9 0,8 0,9 0,9

Adapun secara perhitungan, jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC maupun DC di bawah 1 %. Perhitungan jatuh tegangan dan rugi daya ini menggunakan persamaan 2.10 dan 2.13 untuk sistem AC, lalu menggunakan persamaan 2.9 dan 2.12 untuk sistem DC dengan nilai resistansi dan induktansi yang tertera pada Tabel 3.3.


29

Tabel 3.3. Hasil Pengukuran Resistansi dan Induktansi Kabel Panjang Kabel (m) 5 10 15 20

R (Ω) 0,117 0,231 0,343 0,453

L (μH) 9,7 16,8 25,4 33,2

Sedangkan nilai tg lampu pijar dapat diperoleh dari nilai cos  lampu pijar dimana cos  lampu pijar berdasarkan pengukuran yaitu 0,9984.

cos   0,9984 o , maka :

cos 1   3,24 o , sehingga : tg  tg 3,24 o  0,06 Perhitungan jatuh tegangan sistem AC untuk panjang 20 m dan tegangan suplai 220 V adalah sebagai berikut: P  P  Vdrop  2   R  X tg  E  E  220  2,1 220  2,1  0,453   2  50  33,2 10 6   0,06 220 220  0,96 V  1 V

Kemudian dapat diperoleh persentase jatuh tegangan sebesar: V1  V 2  100% V1 1   100% 220  0,4 %

% Vdrop 

Sedangkan perhitungan jatuh tegangan sistem DC untuk panjang 20 m dan tegangan yang diterapkan (V2) 220 V adalah sebagai berikut: Vdrop  2 R

P Vdc

220  2,1 220  0,95 V  1 V  0,453 

lalu persentase jatuh tegangannya:


30

V1  V 2  100% V1 1   100% 220  0,4 %

% Vdrop 

Sehingga, hasil perhitungan keseluruhan jatuh tegangan sistem AC maupun DC dengan beban lampu pijar ditunjukkan pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu Pijar Sistem AC Panjang V Kabel suplai Vdrop (m) (V) (V)

5

10

15

20

120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

0,2 0,2 0,2 0,3 0,5 0,5 0,5 0,7 0,7 0,7 0,9 1

% Vdrop

P loss (W)

%P loss

0,1 0,1 0,1 0,3 0,2 0,2 0,4 0.3 0,3 0,6 0,4 0,4

0,3 0,5 0,5 0,5 1 1 0,8 1,5 1,5 1 2 2

0,1 0,1 0,1 0,3 0,2 0,2 0,4 0,3 0,3 0,6 0,4 0,4

V drop (V) 0,2 0,2 0,2 0,3 0,5 0,5 0,5 0,7 0,7 0,7 0,9 1

Sistem DC P % loss Vdrop (W) 0,1 0,3 0,1 0,5 0,1 0,5 0,3 0,5 0,2 1 0,2 1 0,4 0,8 0,3 1,4 0,3 1,5 0,6 1 0,4 2 0,4 2

% Ploss 0,1 0,1 0,1 0,3 0,2 0,2 0,4 0,3 0,3 0,6 0,4 0,4

Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa persentase jatuh tegangan dan rugi daya sistem AC maupun sistem DC di bawah 1 % hingga panjang 20 m pada seluruh level tegangan yang diberikan. Hal ini juga tidak berbeda dengan ketika penyearah pada sistem DC tanpa kapasitor (Lampiran). Dengan demikian, untuk panjang 5 m hingga 20 m nilai jatuh tegangan sangat kecil sehingga dianggap tidak ada jatuh tegangan maupun rugi daya baik pada sistem AC maupun DC. Adanya jatuh tegangan yang sangat kecil pada sistem AC maupun DC disebabkan adanya resistansi yang kecil pada kabel. Pada sistem AC, reaktansi tidak berpengaruh karena faktor daya beban yang tinggi.


31

3.2.3 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC dengan Lampu CFL Berdasarkan pengukuran menggunakan susunan pada Gambar 3.6 dengan beban berupa 5 buah lampu CFL 20 W, diperoleh hasil pengukuran sistem AC yang ditunjukkan pada Tabel 3.5.

Tabel 3.5. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban lampu CFL Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V1 (V) 120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

A (A) 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17 0,17

V2 (V) 120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa tidak ada jatuh tegangan pada sistem AC dengan panjang kabel 5 m hingga 20 m. Hal ini salah satunya disebabkan konsumsi daya lampu CFL yang kecil sehingga jatuh tegangan dan rugi dayanya sangat kecil (diabaikan). Kemudian hasil pengukuran sistem DC juga memperlihatkan hal yang sama dimana tidak ada jatuh tegangan hingga panjang 20 m pada level-level tegangan yang diberikan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.6. Sehingga, pengukuran menunjukkan baik pada sistem AC maupun DC, tidak ada jatuh tegangan maupun rugi daya pada panjang 5 m hingga 20 m dengan beban 5 buah lampu CFL atau kalaupun ada, nilai tersebut sangat kecil sehingga diabaikan. Jatuh tegangan dan rugi daya yang sangat kecil juga ditunjukkan secara perhitungan. Dengan cara yang sama pada perhitungan dengan beban lampu pijar dimana nilai faktor daya dari kelima lampu CFL yang digunakan adalah 0,8422 atau tg = 0,64, hasil perhitungan jatuh tegangan dan rugi daya sistem AC dan DC tertera pada Tabel 3.7.


32

Tabel 3.6. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban lampu CFL Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V1 (V) 120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

A (A) 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14

V2 (V) 120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

Tabel 3.7. Hasil Perhitungan Jatuh Tegangan dan Rugi Daya Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu CFL Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V suplai (V) 120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

Sistem AC V drop (V) P loss (W) 0,02 0,005 0,02 0,005 0,02 0,005 0,04 0,009 0,04 0,009 0,04 0,009 0,06 0,01 0,06 0,01 0,06 0,01 0,08 0,02 0,08 0,02 0,08 0,02

Sistem DC V drop (V) P loss (W) 0,02 0,002 0,02 0,002 0,02 0,002 0,03 0,005 0,03 0,005 0,03 0,005 0,05 0,007 0,05 0,007 0,05 0,007 0,06 0,009 0,06 0,009 0,06 0,009

Hasil perhitungan menunjukkan jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC maupun DC mendekati nol sehingga nilai ini dianggap tidak berarti. Karena nilainya yang sangat kecil, hasil ini menunjukkan tidak ada jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC maupun DC untuk panjang 5 m hingga 20 m khususnya dengan beban 5 lampu CFL 20 W.


33

3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada Konverter AC-DC Penggunaan beban-beban DC saat ini banyak terdapat pada rumah tangga, perkantoran, maupun fasilitas-fasilitas komersial. Beban DC yang banyak digunakan salah satunya berupa beban elektronika seperti personal computer (PC), laptop, ponsel, printer, televisi, dan masih banyak yang lainnya. Penggunaan beban-beban ini pada sistem AC menyebabkan perlunya konverter AC-DC untuk mengkonversi tegangan AC dari penyuplai menjadi tegangan DC yang sesuai dengan spesifikasi beban. Kemudian, masalah timbul apabila konverter AC-DC yang digunakan pada setiap beban DC menimbulkan adanya daya-daya yang hilang pada saat proses konversi. Dampaknya, semakin banyak beban DC yang disuplai AC, daya-daya yang hilang akibat proses konversi AC-DC semakin berlipat ganda.

3.3.1 Deskripsi Studi Kasus Pada pengukuran rugi-rugi konverter AC-DC, jenis beban yang digunakan adalah jenis beban tanpa kabel (portable) atau mobile device yang saat ini penggunaannya kian meningkat. Sifat beban portabel ini memanfaatkan baterai yang dapat diisi ulang (rechargable baterry) sebagai sumber energi, sehingga dalam proses pengisian baterai membutuhkan suplai DC yang diperoleh dari keluaran konverter AC-DC (AC Adapter). Pada beban portabel seperti laptop, AC Adapter yang digunakan dapat menyuplai beban secara langsung dengan tanpa baterai. Hal ini menunjukkan bahwa selain sesuai dengan spesifikasi baterai, keluaran dari AC Adapter laptop juga sesuai dengan spesifikasi di dalam beban laptop itu sendiri. Untuk mengetahui besar rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC, beban yang digunakan terdiri dari : 1. Laptop dengan spesifikasi AC Adapter original yang tertulis pada nameplate sebagai berikut : Masukan = 100 – 240 Vac, 50 – 60 Hz, 1,7 A Keluaran = 19,5 V dc, 3,34 A Sedangkan faktor daya dari AC Adapter ini berdasarkan pengukuran menggunakan Hioki 3169-20 yaitu 0,9939.


34

Selain itu, pengukuran rugi-rugi konversi juga menggunakan Replacement AC Adapter atau AC Adapter pengganti yang beredar di pasaran dengan spesifikasi yang tertulis pada nameplate sebagai berikut : Masukan : 100-240 V, 50 - 60 Hz, 1,5 A Keluaran : 19,5 Vdc, 3,34 A Replacement AC Adapter mempunyai nilai faktor daya 0,9777 yang diperoleh dari pengukuran. Laptop atau notebook merupakan salah satu beban yang saat ini banyak digunakan baik di perkantoran, universitas, rumah tangga, maupun fasilitas komersial. Penggunaan laptop bisa melebihi penggunaan komputer desktop di masa mendatang karena konsumsi daya yang rendah dan kemudahannya untuk dibawa (portability) [17]. Beban portabel ini membutuhkan AC adapter untuk mengkonversi tegangan dari suplai menjadi tegangan yang dibutuhkan oleh beban. AC adapter yang digunakan pada proses konversi ini dapat menimbulkan rugi-rugi konversi. Jika penggunaan laptop semakin meningkat, maka akumulasi rugi-rugi konversi dari AC adapter tersebut menjadi semakin besar sehingga dapat mengakibatkan kehilangan daya yang cukup signifikan. 2. Ponsel A dengan spesifikasi charger yang tertulis pada nameplate sebagai berikut: Masukan : 100 – 240 Vac, 50-60 Hz, 125 mA Keluaran : 5 Vdc, 890 mA Sedangkan faktor daya dari charger ini berdasarkan pengukuran adalah 0,9976. Ponsel atau handphone saat ini merupakan alat komunikasi yang sudah tidak asing lagi terutama bagi masyarakat kota sehingga penggunaan beban ini sangat banyak. Beban ini dapat mewakili beban portabel lain seperti tablet dan sebagainya yang juga menggunakan charger. Beban ini secara internal beroperasi dengan DC sehingga memerlukan konverter AC-DC atau charger untuk mengisi baterai sebagai sumber energi. Jika pada proses konversi ACDC pada charger menimbulkan adanya daya yang hilang, maka sekian banyak charger ponsel yang digunakan saat ini juga turut berkontribusi terhadap kehilangan daya tersebut.


35

3. Ponsel B dengan spesifikasi charger yang tertulis pada nameplate sebagai berikut: Masukan : 100 – 240 Vac, 50/60 Hz, 0,15 A Keluaran : 5,3 Vdc, 650 mA Lalu, berdasarkan pengukuran, faktor daya dari charger Ponsel B ini adalah 0,9968.

3.3.2 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop 3.3.2.1 Konfigurasi Pengukuran Untuk melakukan pengukuran rugi-rugi-rugi konversi yang ada pada konverter AC-DC (AC Adapter) pada laptop, konfigurasi yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Suplai PLN

A1 AC Voltage Regulator

V1

A2 AC Adapter Laptop

2 V2

Laptop

Gambar 3.8. Konfigurasi Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop 3.3.2.2 Hasil Pengukuran dan Analisis Pengukuran ini menggunakan dua AC Adapter yang berbeda yaitu AC Adapter original dan Replacement AC Adapter yang beredar di pasaran. Hal ini untuk mengetahui besar rugi-rugi konversi dari masing-masing AC Adapter. Kemudian, pengukuran ini dilakukan dengan baterai terpasang pada laptop dan tanpa baterai. Hal ini untuk mengetahui efisiensi AC Adapter pada kondisi yang berbeda. a. AC Adapter original Hasil pengukuran terhadap AC Adapter dengan baterai terpasang ditunjukkan oleh Tabel 3.8.


36

Tabel 3.8. Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan Baterai Terpasang Input AC Adapter V1 A1 (V) (A) 220 0,18 220 0,17 220 0,21 220 0,21 220 0,28 220 0,29

Output AC Adapter V2 A2 (V) (A) 19,05 1,82 19,07 1,82 18,88 2,37 18,88 2,39 18,45 3,18 18,48 3,17

CPU Usage

Pin (W)

Pout (W)

η (%)

Conv Loss (W)

1% 1% 32% 32% 99% 99%

39,4 37,2 45,9 45,9 61,2 63,4

34,7 34,7 44,7 45 58,7 58,6

88,1 93,4 97,4 98,3 95,8 92,4

4,7 2,5 1,2 0,8 2,6 4,8

Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa efisiensi AC Adapter bervariasi dari 88,1 % hingga 98,3 % dengan efisiensi rata-rata keseluruhan sebesar 94 %. Nilai efisiensi bervariasi terhadap CPU Usage, akan tetapi tidak menunjukkan hubungan yang linear. Hal ini menunjukkan bahwa meningkatnya kerja laptop tidak diiringi dengan meningkatnya efisiensi AC Adapter. Di lain hal, rugi-rugi konversi yang ditimbulkan dari proses konversi pada AC Adapter ini besarnya 0,8 W hingga 4,8 W dengan rugi-rugi konversi rataratanya 2,7 W dimana dalam hal ini rugi-rugi kabel diabaikan. Sedangkan rugirugi konversi paling besar dari AC Adapter ini yaitu pada saat kerja laptop maksimum karena pada saat tersebut konsumsi daya laptop juga maksimum. Daya-daya yang hilang pada saat proses konversi pada AC Adapter ini salah satunya disebabkan oleh rugi-rugi penyearah yang ada di dalam AC Adapter. Pada pengukuran lainnya, yaitu dengan laptop tanpa baterai, menunjukkan hasil yang tertera pada Tabel 3.9.

Tabel 3.9. Hasil Pengukuran Adapter original dengan Laptop tanpa Baterai Input AC Adapter

Output AC Adapter

V1(V) 220 220

V2(V) 19,3 19,1

A1(A) 0,07 0,11

A2(A) 0,76 1,18

CPU Usage

P in (W)

P out (W)

η (%)

1% 30%

15,3 24,05

14,7 22,5

95,8 93,7

Conv loss (W) 0,6 1,5

Hasil pengukuran ini tidak jauh berbeda dengan ketika baterai terpasang pada laptop. Hanya saja konsumsi daya ketika laptop tanpa baterai lebih kecil


37

daripada ketika baterai terpasang. Sebagai akibatnya, rugi-rugi konversi AC Adapter pada pengukuran laptop tanpa baterai juga lebih kecil yaitu berkisar antara 0,6 W hingga 1,5 W. Dari sini dapat diketahui bahwa adanya baterai pada laptop menambah konsumsi daya laptop yang menyebabkan rugi-rugi konversi dari AC Adapter juga makin besar. Dalam laptop terdapat switch internal yang mengatur aliran daya ke rangkaian internal. Switch ini mengizinkan sumber utama (keluaran AC Adapter) menyuplai daya ke rangkaian internal laptop atau baterai yang menyuplai daya ke rangkaian internal laptop tersebut [17]. Sehingga, pada saat baterai tidak terpasang, swicth ini mengizinkan sumber utama untuk menyuplai laptop saja tanpa menyuplai baterai (arus lebih kecil). Sedangkan efisiensi AC Adapter dari pengukuran ini tidak berbeda jauh dengan ketika baterai terpasang, yaitu 93,7 % hingga 95,8 %. Hal ini juga menunjukkan bahwa efisiensi AC Adapter tidak terlalu dipengaruhi oleh ada atau tidaknya baterai. Ada atau tidaknya baterai hanya berpengaruh pada konsumsi daya beban dan rugi-rugi konversinya. b. Replacement AC Adapter Hasil pengukuran Replacement AC Adapter dengan baterai terpasang ditunjukkan oleh Tabel 3.10. Hasil pengukuran pada Replacement AC Adapter menunjukkan bahwa efisiensi dari AC Adapter ini berkisar antara 96,7 % hingga 97,9 % dengan efisiensi rata-rata keseluruhan pengukuran yaitu 97 %. Sedangkan rugi-rugi konversi dari AC Adapter ini yaitu sebesar 1,4 W hingga 1,7 W. Rugirugi ini salah satunya juga disebabkan oleh penyearah.

Tabel 3.10. Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan Baterai Terpasang V1(V)

A1(A)

V2(V)

A2(A)

CPU Usage

Pin (W)

Pout (W)

η (%)

220 220 220 220

0,24 0,3 0,19 0,19

19,81 19,68 19,87 19,87

2,52 3,21 1,97 1,97

27% 99% 1% 1%

51,6 64,5 40,9 40,9

49,9 63,2 39 39

96,7 97,9 95,8 95,8

Conv. loss (W) 1,7 1,4 1,7 1,7


38

Pada pengukuran lainnya, yaitu dengan laptop tanpa baterai, hasil pengukuran tertera pada Tabel 3.11. Hasil pengukuran ini menunjukkan nilai efisiensi rata-rata dari AC Adapter ini yaitu 93 %. Nilai ini tidak jauh berbeda dengan ketika baterai terpasang, yaitu masih di atas 90 %. Sedangkan rugi-rugi konversi dari AC Adapter ini 0,2 hingga 2 W. Secara umum, rugi-rugi konversi ini lebih kecil dibandingkan dengan rugi-rugi konversi ketika baterai terpasang pada laptop. Hal ini juga disebabkan ketika laptop tanpa baterai disuplai secara langsung oleh keluaran AC Adapter, arus keluaran AC Adapter hanya menyuplai laptop sehingga nilainya lebih kecil yang menyebabkan konsumsi daya pada laptop tanpa baterai lebih kecil dibandingkan dengan baterai terpasang. Dengan konsumsi daya yang lebih kecil, maka rugi-rugi konversinya juga lebih kecil.

Tabel 3.11. Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan Laptop tanpa Baterai V1 (V)

A1(A)

V2 (V)

A2 (A)

220 220 220 220 220 220

0,08 0,07 0,1 0,1 0,18 0,18

19,97 19,97 19,94 19,93 19,86 19,86

0,76 0,72 1,01 1,07 1,88 1,9

CPU Usage 1% 1% 27% 27% 99% 99%

Pin (W)

Pout (W)

η (%)

Conv loss (W)

17,2 15,06 21,5 21,5 38,7 38,7

15,2 14,4 20 21,3 37,3 37,7

88,2 95,5 93,6 99 96,4 97,5

2 0,7 1,4 0,2 1,4 0,98

3.3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Ponsel 3.3.3.1 Konfigurasi Pengukuran Konfigurasi pengukuran rugi-rugi konversi AC Adapter atau charger ponsel sama dengan konfigurasi pengukuran pada AC Adapter laptop yang ditunjukkan pada Gambar 3.13. Hanya saja AC Adapter laptop diganti dengan AC Adapter ponsel atau charger ponsel dan beban laptop diganti dengan ponsel.

3.3.3.2 Hasil Pengukuran dan Analisis a. Hasil Pengukuran dan Analisis Charger Ponsel A Dengan beban berupa Ponsel A, hasil pengukuran rugi-rugi konversi pada charger ponsel tersebut tertera pada Tabel 3.12.


39

Tabel 3.12. Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel A Input charger V1(V) A1(mA) 5,7 220 24,7 220 14,4 220 11,5 220 10,2 220

Output charger V2 (V) A2 (A) 5,92 0,16 4,89 0,86 5,8 0,44 5,84 0,34 5,86 0,29

Pin (W)

Pout (W)

η (%)

Conv. loss (W)

1,3 5,4 3,2 2,5 2,2

0,9 4,2 2,6 2 1,7

75,7 77,6 80,7 78,7 75,9

0,3 1,2 0,6 0,5 0,5

Hasil pengukuran pada Tabel 3.12 menunjukkan bahwa efisiensi dari charger Ponsel A berkisar antara 75,7 % hingga 80,7 % dimana nilai rata-ratanya adalah 78 %. Sedangkan konsumsi daya dari ponsel ini bervariasi dimana konsumsi daya rata-rata pada masukan charger adalah 2,9 W. Pada 2 menit pertama pengukuran, konsumsi daya hanya 1,3 W dengan arus DC yang menyuplai sebesar 0,16 A. Sedangkan setelah 2 menit pertama, konsumsi daya bertambah besar menjadi 5,4 W dengan arus DC (A2) yang menyuplai sebesar 0,86 A. Hal ini menunjukkan bahwa besar konsumsi daya ponsel ini tidak konstan, tetapi berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan beban. Di sisi lain, tegangan keluaran dari charger tidak konstan, tetapi dipengaruhi oleh besarnya arus dimana arus keluaran charger yang semakin besar mengakibatkan tegangan keluaran semakin kecil. Namun demikian, variasi tegangan keluaran charger masih dalam kisaran normal, dengan penyimpangan kurang dari  5% dari tegangan nominal yang tertera pada nameplate, 5 V. Dalam hal rugi-rugi konversi, charger ini memiliki rugi-rugi konversi sebesar 0,3 – 1,2 W dengan nilai rata-rata sebesar 0,6 W dimana dalam hal ini rugi-rugi kabel charger diabaikan. Besar rugi-rugi ini dapat disebabkan oleh rugirugi dioda atau penyearah yang ada di dalamnya. Selain pengukuran rugi-rugi konversi, juga dilakukan pengukuran jatuh tegangan dimana konfigurasi pengukuran ditunjukkan pada Gambar 3,9. Pengukuran jatuh tegangan ini menggunakan tegangan keluaran dari charger yaitu sekitar 5 V.


40

5m, 10m, 15m, 20m Suplai PLN

A1 AC Voltage Regulator

A2 Charger Ponsel A

V1

2 V3

V2

Ponsel A

Gambar 3.9. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Beban Ponsel A

Dengan menggunakan tegangan keluaran dari charger, hasil pengukuran ditunjukkan oleh Tabel 3.13. Tabel 3.13. Hasil Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Tegangan Keluaran Charger Ponsel A Panjang Kabel (m)

V1 (V)

A1 (mA)

V3(V)

A2 (A)

5 10 15 20

220 220 220 220

5,7 5,7 5,6 5,6

5,88 5,86 5,85 5,83

0,16 0,16 0,16 0,16

Vdrop (V) 0,04 0,06 0,07 0,09

% Vdrop 0,7 1 1,2 1,5

Besar tegangan keluaran dari charger (V2) pada saat pengukuran rugi-rugi konversi adalah sebesar 5,92 V dengan arus keluaran (A2) 0,16 A (Tabel 3.32). Karena arus yang terukur sebesar 0,16 A, maka pengukuran jatuh tegangan ini mengacu pada tegangan 5,92 V. Pada hasil pengukuran menunjukkan adanya penurunan tegangan dari panjang kabel 5 m hingga 20 m dengan jatuh tegangan yang meningkat dari 0,04 V hingga 0,09 V. Dengan kenaikan jatuh tegangan ini maka persentase jatuh tegangan juga meningkat yaitu hingga 1,5 %. Hal ini disebabkan dengan menerapkan tegangan yang sangat rendah, yaitu sekitar 5 V untuk menyuplai beban, persentase jatuh tegangan menjadi lebih terlihat. Hal ini sesuai dengan persamaan :

Vdrop  2 R

P Vdc


41

dimana tegangan yang diterapkan berbanding terbalik dengan jatuh tegangan. Namun demikian, hingga panjang 20 m, persentase jatuh tegangan hasil pengukuran masih memenuhi standar NEC, yaitu maksimal 5 %. Sehingga, efisiensinya masih normal.

b. Hasil Pengukuran dan Analisis Charger Ponsel B Pengukuran lain dari rugi-rugi konversi yaitu pada AC Adapter / charger ponsel B. Dengan menggunakan konfigurasi yang sama pada pengukuran charger ponsel A, diperoleh hasil pengukuran yang tertera pada Tabel 3.14.

Tabel 3.14 Hasil pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel B V1 (V) 220 220 220 220 220 220 220 220

A1 (mA) 10,3 10,3 10,1 10,1 10,1 10 10 10

V2 (V)

A2 (A)

Pin (W)

Pout (W)

η (%)

Conv. loss (W)

5,2 5,16 5,12 5,08 5,17 5,19 5,21 5,22

0,28 0,28 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27

2,3 2,3 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2

1,5 1,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4

64,5 64 62,4 62 63 63,9 64 64,3

0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Hasil pengukuran pada Tabel 3.14 menunjukkan bahwa konsumsi daya Ponsel B secara umum lebih kecil daripada konsumsi daya Ponsel A, yaitu 1,4 W hingga 1,5 W. Pengukuran ini juga menunjukkan bahwa efisiensi charger Ponsel B berkisar antara 62 % hingga 64,5 % dengan efisiensi rata-rata 63,5 %. Nilai efisiensi ini lebih rendah dibandingkan efisiensi rata-rata charger Ponsel A. Dengan efisiensi sebesar itu, rugi-rugi konversi rata-rata yang ditimbulkan dari charger Ponsel B yaitu sebesar 0,8 W. Rugi-rugi konversi ini lebih kecil dibandingkan dengan rugi-rugi konversi rata-rata dari charger Ponsel A. Hal ini disebabkan konsumsi daya dari Ponsel B juga lebih kecil. Adapun rugi-rugi konversi pada charger Ponsel B salah satunya juga disebabkan oleh rugi-rugi penyearah yang ada di dalamnya.


42

3.3.3.3 Analisis Total Rugi-rugi Konversi AC Adapter Ponsel Berdasarkan Asumsi Untuk menghitung total rugi-rugi konversi, diasumsikan sebagai berikut: 

setiap charger ponsel memiliki rugi-rugi konversi rata-rata yang sama dengan charger ponsel A yaitu sebesar 0,6 W



setiap 2 hari terjadi satu kali pengisian baterai ponsel dimana setiap pengisian membutuhkan waktu 2 jam

Dengan asumsi tersebut, perhitungan rugi-rugi energi untuk setiap pengisian ponsel adalah sebagai berikut: Wconv.loss  0,6  1  2  1,2 Wh

Jika terjadi satu kali pengisian setiap 2 hari, maka terjadi 182 kali pengisian baterai ponsel selama satu tahun, sehingga rugi-rugi energi dari setiap ponsel selama satu tahun adalah: Wconv.loss  1,2  182  218,4 Wh

Berdasarkan data survei dari Nielsen, terdapat sebannyak 125 juta pengguna ponsel di Indonesia per Mei 2011 [18]. Dengan mengasumsikan bahwa 125 juta ponsel tersebut menggunakan charger yang sama dengan charger ponsel A, maka total rugi-rugi energi selama satu tahun dari semua ponsel tersebut adalah: Wconv.loss  218,4  125.000.000  2,73  1010 Wh  27.300 MWh

Adapun dengan frekuensi pengisian ponsel yang berbeda, maka total rugirugi energi yang dihasilkan juga berbeda seperti yang dapat dilihat pada Tabel 3.15. Grafik pada Gambar 3.10 menunjukkan semakin tinggi frekuensi pengisian ponsel, semakin besar rugi-rugi energi akibat proses konversi pada charger ponsel yang ditimbulkan per tahunnya.


43

Tabel 3.15. Total Rugi-rugi Energi Ponsel dengan Frekuensi Pengisian yang Berbeda Frekuensi Pengisian Ponsel 1 kali/3 hari 1 kali/2 hari 1 kali/1 hari 2 kali/1 hari

Wconv.loss/ponsel/tahun

Wconv.loss semua ponsel/tahun

145,2 Wh 218,4 Wh 438 Wh 876 Wh

18.150 MWh 27.300 MWh 54.750 MWh 109.500 MWh

Besar total rugi-rugi konversi AC-DC yang telah dihitung berdasarkan asumsi tersebut hanya pada ponsel. Hal ini belum termasuk rugi-rugi konversi AC-DC pada jenis beban DC lainnya seperti personal computer (PC), televisi LCD, printer, yang jumlahnya juga tidak sedikit. Jika jumlah penggunaan bebanbeban tersebut semakin meningkat, maka ini berpotensi terhadap peningkatan rugi-rugi konversi akibat konverter AC-DC yang digunakan. Oleh karena itu diperlukan suatu alternatif untuk mengatasi permasalahan rugi-rugi konversi yang ada pada setiap beban DC yang disuplai AC.

Total Rugi-rugi Energi/tahun (MWh)

Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel vs Total Rugi-rugi Energi / Tahun 120000 2 kali/1 hari 100000 80000 60000

1 kali / 1 hari

40000 1 kali / 2 hari 20000

1 kali/ 3 hari

0 0

0.5

1 1.5 Frekuensi Pengisian Ponsel

2

2.5

Gambar 3.10. Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel terhadap Total Rugi-rugi Energi Ponsel Per Tahun


BAB 4 DESAIN TOPOLOGI SISTEM DC PADA RUMAH TANGGA

4.1 Umum Rumah tangga merupakan salah satu kategori pelanggan yang paling banyak mengonsumsi energi listrik. Tercatat dari 147.297,47 GWh total energi yang dikonsumsi pelanggan pada kalender 2010 PLN [19], pelanggan rumah tangga mengonsumsi energi sebesar 59.824,94 GWh atau 41 % dari total yang dikonsumsi dari seluruh pelanggan, diikuti oleh industri dengan konsumsi energi sebesar 50.985,20 GWh (35%), komersial 27.157,22 GWh (18%), dan yang lainnya (sosial, gedung perkantoran pemerintah, dan penerangan jalan umum) sebesar 9.330,11 GWh (6%). Dengan konsumsi energi beban rumah tangga sebesar itu, terdapat rugi-rugi energi yang diakibatkan konversi dari AC menjadi DC pada beban-beban yang secara internal beroperasi dengan DC. Beban-beban rumah tangga yang secara internal beroperasi dengan DC jumlahnya tidak sedikit, setidaknya pada sebagian besar rumah tangga terdapat beban elektronika baik berupa televisi, radio, ponsel, komputer atau bahkan laptop. Jika penggunaan beban-beban seperti ini semakin meningkat, maka hal ini bisa menjadi salah satu pemicu meningkatnya rugi-rugi pada sistem yang perlu diperhitungkan. Salah satu alternatif untuk menanggulangi permasalahan rugi-rugi konversi pada sistem AC adalah dengan menerapkan sistem DC. Di samping dapat mengurangi rugi-rugi konversi, sistem DC juga dapat memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan secara lebih optimum dan efektif. Hal ini disebabkan sumber-sumber energi terbarukan seperti photovoltaic cell dan fuel cell menghasilkan keluaran DC. Bukan hanya itu, turbin angin dan mikrohidro juga dapat menghasilkan keluaran DC sehingga semakin banyak sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan secara lebih efektif pada sistem DC. Selain itu, adanya perkembangan terbaru pada elektronika daya yang meliputi konverter DC-DC memiliki dampak yang besar pada penerapan sistem DC. Konverter DCDC berperan penting pada penerapan sistem DC. Efisiensi dari sistem DC bergantung pada efisiensi dari konverter DC-DC yang digunakan. Konverter DCDC biasanya memiliki efisiensi 77% hingga 95 % bergantung pada pabrikan [24]. 44 Universitas Indonesia Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

45

Rumah tangga sebagai pelanggan yang mengonsumsi energi paling besar dapat menerapkan sistem DC untuk mengurangi rugi-rugi konversi AC-DC dan juga memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan secara lebih efisien. Selain itu, hal ini dapat menjadi suatu proses menuju penerapan energi ramah lingkungan karena sumber-sumber energi yang dimanfaatkan tidak menghasilkan emisi CO2. Oleh karena itu, pada bab ini diusulkan beberapa desain topologi sistem DC untuk diterapkan pada rumah tangga. Topologi sistem DC yang didesain ini bertujuan untuk mengurangi rugi-rugi konversi yang ada pada sistem AC dengan memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan.

4.2 Topologi yang Diajukan Selama ini, tegangan yang digunakan untuk menyuplai beban-beban rumah tangga adalah tegangan AC 220 V/380 V yang berasal dari PLN. Penggunaan tegangan AC ini mengharuskan beban-beban yang secara internal beroperasi dengan DC, seperti laptop, ponsel, televisi, personal computer, serta beban DC lainnya untuk menggunakan konverter AC-DC atau penyearah. Sebelumnya, pada bab 3 dijelaskan bahwa rugi-rugi konversi yang ditimbulkan oleh Adapter ponsel dapat menjadi begitu besar disebabkan banyaknya penggunaan beban ini. Hal ini belum termasuk rugi-rugi konversi dari beban DC lainnya dan kenaikan jumlah penggunaan beban-beban DC tersebut. Selain itu, dengan menerapkan sistem AC ini, sumber-sumber energi terbarukan yang sedang dikembangkan seperti photovoltaic cell atau pun fuel cell perlu menggunakan inverter agar dapat terhubung ke grid AC. Setelah dikonversi menjadi AC, kemudian dikonversi lagi menjadi DC pada setiap beban-beban DC seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Konversi yang berlipat ganda ini dapat menimbulkan rugi-rugi konversi yang berlipat ganda pula sehingga membuat sistem menjadi tidak efisien.


46

Bus AC

Beban elektronika DC AC

DC

Elektronika digital

DC

UPS DC

AC

Fuel Cell DC

AC

AC

DC

Beban sensitif (komputer)

Baterai AC

PV DC

Beban lain DC

AC

Mikro Turbin AC

Beban AC lain

DC

Gambar 4.1. Skema Sistem AC yang menyuplai Beban DC yang terhubung dengan Pembangkit Terbarukan [10] Untuk menghindari banyaknya konversi tersebut, pada bab ini diajukan beberapa topologi sistem DC pada rumah tangga yang dapat menjadi alternatif dari permasalahan rugi-rugi konversi pada beban-beban DC terutama pada rumah tangga. Topologi yang diajukan ini mengandalkan pembangkit terbarukan keluaran DC sebagai sumber. Topologi yang diajukan terdiri dari 3 macam yaitu topologi A, topologi B, dan topologi C.

4.2.1 Topologi A Skema topologi A yang diajukan ditunjukkan oleh Gambar 4.2. Topologi ini menggunakan tegangan DC 254 V sebagai tegangan bus utama dimana setiap beban terhubung. Berdasarkan penelitian [20], peralatan-peralatan listrik rumah tangga yang mempunyai tegangan kerja 100 V – 240 V dapat beroperasi pada tegangan DC 254 V. Hal ini disebabkan dengan tegangan kerja 100 V - 240 V, maka tegangan DC yang dapat diterapkan yaitu 113 V hingga 405,6 V sehingga tegangan DC 254 V masih dalam kisarannya. Salah satu peralatan yang dapat beroperasi pada


47

tegangan DC 254 V adalah lampu yang menggunakan ballast elektronika, seperti compact fluorescent lamp (CFL). Di samping itu, beban-beban resistif seperti lampu pijar maupun pemanas yang mempunyai tegangan kerja AC 100 V – 240 V juga dapat disuplai dengan 254 Vdc. Beban resistif seperti kompor listrik dan oven dapat bekerja pada AC maupun DC sehingga beban ini dapat juga disuplai dengan 254 Vdc jika mempunyai tegangan kerja AC 100 – 240 V. a. Sumber Sumber-sumber yang digunakan pada topologi ini merupakan sumbersumber yang memiliki keluaran DC. Sumber-sumber ini terdiri dari photovoltaic cell, fuel cell, dan turbin angin dengan generator DC. 

Photovoltaic Cell Sumber berupa photovoltaic cell (PV) dapat menghasilkan tegangan

keluaran DC sebesar 12 V hingga 14 V. Dengan kisaran tegangan tersebut, dapat menggunakan konverter boost 12 V ke 254 V yang telah dikembangkan [21]. Pada PV ini dapat menggunakan baterai agar tetap dapat menyuplai ketika cahaya mataharai sedang berkurang (cuaca sedang berawan) dan ketika malam hari. 

Fuel Cell Tegangan keluaran dari fuel cell dapat berkisar antara 26 V hingga 43 V

[22]. Tegangan keluaran dari fuel cell ini kemudian dinaikkan menggunakan konverter boost ke 254 V. 

Turbin Angin Turbin angin dapat menghasilkan keluaran DC dengan menggunakan

generator DC. Turbin angin ini menggunakan generator DC yang memiliki tegangan keluaran 12 V. Tegangan keluaran generator ini kemudian dinaikkan dengan konverter boost 12 V ke 254 V. Selain sumber-sumber tersebut, terdapat juga blok baterai sebagai sumber energi cadangan jika sumber-sumber utama mengalami gangguan atau sedang mengalami kekurangan suplai.


48

Beban Resistif & lampu dengan ballast elektronika

Sumber Energi Terbarukan PV

. . . . . . . . . . . . . . . . Baterai. . . . . . . . Keterangan: . : Bus utama 254 V . . . b. Beban

Beban Portabel Baterai

Freezer Kompresor elektronik

LCD Flyback DC/DC converter

Gambar 4.2. Skema Topologi A

Penerapan topologi A ini membuat beban-beban DC dapat disuplai secara lebih efektif bila dibandingkan dengan penerapan sistem AC. Beban-beban ini diantaranya: 

Beban Resistif Untuk beban resistif pada rumah tangga seperti lampu pijar, pemanas dan

beban resistif lainnya yang beroperasi pada tegangan 100-240 Vac dapat disuplai secara langsung dengan tegangan 254 Vdc.


49



Lampu Fluorescent dengan Ballast Elektronika Lampu ini dapat disuplai dengan tegangan 254 Vdc secara langsung.

Tegangan kerja dari lampu ini juga dalam kisaran 100-240 Vac [20]. 

Beban Portabel Untuk beban ini, tidak lagi menggunakan AC Adapter akan tetapi terdapat

konverter DC-DC (konverter buck) di dalam beban yang mengubah tegangan 254 V menjadi tegangan yang dibutuhkan beban. Misalnya, konverter buck 254 V ke 19,5 V untuk laptop dan 254 V ke 5 V untuk ponsel dan sejenisnya. Oleh karena itu pada beban-beban portabel ini memerlukan sedikit modifikasi. Hal ini untuk menghindari banyaknya proses konversi. 

Refrigerator, Freezer, Fridge Beban-beban pendingin seperti refrigerator, freezer, dan fridge saat ini

terdapat yang beroperasi pada tegangan DC yaitu dengan tegangan 12 V atau 24 V [23]. Sehingga, di dalam beban ini ditambahkan konverter buck yang mengubah tegangan 254 V ke 12 V atau 24 V. 

TV LCD Beban rumah tangga berupa TV LCD mengalami modifikasi agar dapat

terhubung dengan bus DC secara lebih efektif. Untuk dapat beroperasi pada tegangan DC 254 V, di dalamnya terdapat konverter boost yang mengubah tegangan DC 254 V menjadi 380V-400V [17]. Dengan menerapkan topologi A, sumber-sumber energi terbarukan dapat termanfaatkan secara lebih efektif dibandingkan dengan menggunakan sistem AC. Pada beban DC, penggunaan konverter AC-DC dapat dihilangkan. Untuk laptop, tidak membutuhkan lagi AC Adapter yang terpisah dari beban, akan tetapi menggunakan konverter buck dengan efisiensi yang tinggi yang ada di dalam laptop. Selain itu, penggunaan topologi ini lebih efektif karena menggunakan satu bus utama 254 V untuk semua beban. Penggunaan 254 V ini seakan-akan menjadi pengganti tegangan 220 V yang berasal dari penyuplai.

4.2.2 Topologi B Pada

topologi

ini,

beban-beban

DC

rumah

tangga

yang

ada

diklasifikasikan berdasarkan pada level tegangan masukannya. Hal ini bertujuan


50

agar beban-beban yang mempunyai tegangan masukan sama dapat disuplai melalui bus yang sama. Sehingga, pada topologi ini digunakan bus-bus dengan level tegangan yang sesuai dengan tegangan masukan sebagian beban-beban DC pada rumah tangga. Selain itu, topologi ini juga menggunakan tegangan bus utama 254 V untuk menyuplai beban resistif maupun lampu dengan ballast elektronika secara langsung. Skema topologi B dapat dilihat pada Gambar 4.3. Sebagian besar beban-beban DC pada rumah tangga mempunyai tegangan masukan 12 V atau 24 V [17]. Beban-beban yang mempunyai tegangan masukan ini antara lain refrigerator/freezer dengan kompresor DC, fridge, kipas DC, lampu LED dan sebagainya. Selain itu, terdapat juga sebagian beban yang memiliki tegangan masukan 48 V seperti pada DC Air Conditioner yang merupakan produk dari DCAIRCO Company [17]. Selain itu, banyak terdapat pula beban-beban DC yang mempunyai tegangan masukan 5 V diantaranya ponsel, smartphone, radio FM serta beban mobile device lainnya. Berdasarkan hal tersebut, pada topologi ini digunakan level tegangan bus 12 V, 24 V, 48 V, dan 5 V selain 254 V. Dengan menerapkan topologi ini, beban-beban DC yang memiliki tegangan yang sesuai dengan tegangan bus tidak lagi memerlukan konverter. Dengan demikian, penggunaan topologi ini dapat menekan rugi-rugi konversi yang sebelumnya ditimbulkan oleh setiap beban DC yang disuplai AC. Pada topologi ini, penggunaan konverter hanya untuk mengkonversi tegangan antar bus dan untuk mengkonversi tegangan keluaran dari sumber-sumber energi terbarukan ke bus 254 V. Adapun ketersediaan konverter untuk diterapkan antar bus pada topologi ini cukup memadai, diantaranya konverter produk dari Samlex America [24]. Konverter yang dapat digunakan dari produk Samlex America pada topologi ini yaitu: 

SD-15A-5 : bus 12 V ke bus 5 V



SD-15B-12: bus 24 V ke bus 12 V



SD-15C-24: bus 48 V ke bus 24 V


51

Beban resistif Sumber Energi Terbarukan . PV . . . . . . . . . . . . . . . Baterai . . . . . . . Keterangan: . . : Bus utama 254 V . : Bus 48. V .

Beban 48 V

Beban 24 V

Beban 12 V Baterai

Beban 5 V

Gambar 4.3. Skema Topologi B

: Bus 24 V : Bus 12 V : Bus 5 V

Pada topologi ini, juga terdapat baterai pada tegangan bus 12 V sebagai sumber energi cadangan ketika terjadi gangguan atau suplai sedang mengalami kekurangan. Hal ini dapat meningkatkan kehandalan dari topologi ini.


52

Dibandingkan dengan topologi A, topologi B lebih efisien karena dapat menghilangkan penggunaan konverter pada sebagian besar beban DC sehingga dapat menghilangkan rugi-rugi konversi dari setiap beban DC. Akan tetapi, topologi B kurang efektif karena terdapat banyak level tegangan bus yang digunakan, sedangkan topologi A hanya menggunakan satu bus utama 254 V untuk semua beban.

4.2.3 Topologi C Skema dari topologi ini ditunjukkan pada Gambar 4.4. Topologi ini merupakan modifikasi dari topologi B dimana setiap bus yang menyuplai beban, yaitu bus 12 V, 24 V, 48 V dan 5 V terhubung langsung dengan bus 254 V masing-masing melalui sebuah konverter buck. Konverter buck ini mengubah tegangan 254 V ke masing-masing tegangan bus yang digunakan. Dengan menerapkan topologi C, maka beban-beban DC juga dapat disuplai secara efektif tanpa perlu menggunakan konverter pada setiap beban. Topologi C lebih efisien dibandingkan dengan topologi A karena konverter pada sebagian besar beban DC rumah tangga dapat dihilangkan. Pada topologi C, hanya dibutuhkan satu konverter buck untuk menyuplai beban-beban DC dengan tegangan masukan yang sama. Akan tetapi, untuk menerapkan topologi ini, dibutuhkan suatu konverter yang dapat mengubah tegangan 254 V ke 5 V dan ke level tegangan bus lainnya. Bila dibandingkan dengan topologi B, topologi C lebih efisien karena untuk menyuplai beban 24 V, 12 V dan 5 V hanya memerlukan satu proses konversi dari tegangan bus 254 V ke tegangan-tegangan bus tersebut. Sedangkan pada topologi B, dibutuhkan lebih dari satu proses konversi dari tegangan bus 254 V untuk menyuplai beban 24 V, 12 V maupun 5 V.


53

Sumber Energi Terbarukan

Beban resistif

PV . Beban 48 V . . . . . Beban 24 V . . . . Baterai . . . Beban 12 V . . Baterai. . . Beban 5 V . . . . Gambar 4.4. Skema Topologi C . Keterangan: . . : Bus utama 254 V. . : Bus 48 V .

: Bus 24 V : Bus 12 V : Bus 5 V


BAB 5 KESIMPULAN

Dari skripsi ini, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada panjang 5 m hingga 20 m, persentase jatuh tegangan dan rugi daya sistem AC maupun sistem DC untuk beban lampu pijar maupun lampu CFL kurang dari 1 % sehingga ini berarti bahwa tidak ada jatuh tegangan maupun rugi daya pada sistem AC maupun DC untuk panjang 5 m hingga 20 m. 2. Rugi-rugi konversi dari AC Adapter laptop sebesar 0,8 W hingga 4,8 W dengan efisiensi rata-rata

94 % hingga 97 %, sedangkan rugi-rugi

konversi rata-rata dari AC Adapter ponsel sebesar 0,6 W hingga 0,8 W dengan efisiensi rata-rata 63 % hingga 78 %. 3. Dengan menerapkan sistem AC, rugi-rugi energi yang ditimbulkan dari konversi pada AC Adapter ponsel berdasarkan jumlah pengguna di Indonesia selama satu tahun adalah 18.150 MWh hingga 109.500 MWh. 4. Penerapan sistem DC pada rumah tangga dapat menggunakan tiga topologi, yaitu topologi A, topologi B, dan topologi C. Topologi A lebih efektif dari pada topologi B dan C karena menggunakan satu bus utama 254 V untuk menyuplai semua beban DC, sedangkan topologi B dan C berpotensi lebih efisien daripada topologi A karena dapat menghilangkan konverter pada sebagian besar beban DC.


DAFTAR ACUAN

[1] Amin, M., Arafat, Y., Lundberg, S. (2011, November 7). Low voltage DC distribution system compared with 230 V AC. Paper presented at IEEE Electrical Power and Energy Conference, 2011. EPEC 2011, Winnipeg, 7 (11), 340-345. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=6070222&co ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query Text%3DLow+voltage+DC+distribution+system+compared+with+230+V+A C [2] Hammerstrom, Donald J. (2007, July 2003). AC Versus DC Distribution Systems—Did We Get it Right?. Paper presented at Power Engineering Society General Meeting, 2007. Tampa, 23 (7). 1-5. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=4275896&co ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query Text%3DAC+Versus+DC+Distribution+Systems%E2%80%94Did+We+Get +it+Right [3] Sulzberger, Carl L. (2003, December 19). triumph of ac From Pearl Street to Niagara. Paper presented at IEEE Power & Energy Magazine. 64-67. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=1197918&co ntentType=Journals+%26+Magazines&searchField%3DSearch_All%26quer yText%3Dtriumph+of+ac+From+Pearl+Street+to+Niagara [4] Arismunandar, A. (1968). Teknik Tegangan Tinggi. Pradnya Paramita: Jakarta [5] Gecan, C.O., Bindiu, R. (2009). Power Capability in Low Voltage DC Distribution Systems. Scientific Bulletin of the Petru Maior University of Tirgu Mures, vol. 6 (XXIII). 109-114.. July 4, 2012. http://scientificbulletin.upm.ro/en/content_09.php [6] Pellis, J. (1997). The DC Low-Voltage House. September 1997. The Eindhoven University of Technology.


56

[7] Chapman, Stephen J. Electric Machinery Fundamentals (4th ed). McGrawHill. [8] Short, T.A. (2004). Electric Power Distribution Handbook. CRC Press LLC [9] Brown, Richard E. (2009). Electric Power Distribution Reliability (2nd ed). CRC Press. [10] Sannino, A., Postiglione, G., & Bollen, M. H. J. (2003, 29 September). Feasibility of a DC Network for Commercial Facilities. Paper presented at IEEE Transactions on Industry Applications. 1499-1507. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=1233614&co ntentType=Journals+%26+Magazines&queryText%3DFeasibility+of+a+dc+ network+for+commercial+facilities [11] McPartland, Brian J., Hartwell, Frederic P., & McPartland, Joseph F. (2011). National Electric Code 2011 Handbook (22nd ed). McGraw-Hills. [12] Nilsson, Daniel. (2005). DC Distribution System. Thesis for Degree of Licentiate of Engineering, pp.4-6, Chalmers University of Technology G¨oteborg, Sweden. [13] Techakittiroj, Kittiphan., Wongpaibool, Virach. (2009, 15 January). Coexistance between AC-distribution and DC-distribution: in the view of appliances. Paper presented at Second International Conference on Computer and Electrical Engineering. ICCEE 2009, Dubai, 15 (01). 421-425. July 4, 2012 pp.422. [14] Paajanen, Pertti., Kaipia, Tero., & Partanen, Janno. (2009, September 22). DC Supply of Low-Voltage Electricity Appliances in Residential. Paper presented at 20th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution – Part 1, 2009. CIRED 2009, Prague, 22 (09). 1-4. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=5255644&co ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query Text%3DDC+Supply+of+LowVoltage+Electricity+Appliances+in+Residential [15] Boylestad, Robert., Nashelsky, Louis. Electronic Devices and Circuit Theory (7th ed). Prenctice Hall


57

[16] Arafat, Yasir., Amin, Mohammad. (2011). Feasibility study of low voltage DC house and compatible home appliance design. Chalmers University of Technology Göteborg, Sweden, pp.25, [17] Rodríguez-Otero, Miguel A., O’Neill-Carrillo, Efraín. (2009, 10 February). Efficient Home Appliances for a Future DC Residence. Paper presented at IEEE Energy 2030 Conference, 2008. ENERGY 2008, Atlanta, 10 (02). 1-6. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=4781006&co ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query Text%3DEfficient+Home+Appliances+for+a+Future+DC+Residence [18] Yahya, M. Dzulfahmi. (2012, February 21). Jumlah Ponsel Lampaui Penduduk. June 12, 2012. http://teknologi.kompasiana.com/gadget/2012/02/21/jumlah-ponsel-lampauipenduduk [19] PLN

(2011,

June).

PLN

Statistics

2010.

June

5,

2012.

http://www.pln.co.id/?p=4828 [20] Budiyanto., Setiabudy, Rudy., & Setiawan, Eko Adhi., Pengembangan Invertor sebagai Konvertor Penaik Tegangan dalam Jaringan Listrik Mikro Arus Searah (DC Microgrid) [21] Budiyanto., Setiabudy, Rudy., Setiawan, Eko Adhi., Sudibyo, Uno Bintang. (June 2011). Development of Direct Current Microgrid Control For Ensuring Power Supply From Renewable Energy Resources. International Journal of Technology (2011) 3: 199-206 [22] Segura, F., Andújar, J. M., Durán, E., (2009, October 06). AC and DC Output Fuel Cell Hybrid System: Design, Building and Testing. Paper presented at 13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009. EPE 2009, Barcelona, 06 (10). 1-10. July 4, 2012. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=5278745&co ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query Text%3DAC+and+DC+Output+Fuel+Cell+Hybrid+System%3A+Design%2 C+Building+and+Testing [23] Chest Style. (n.d). July 4, 2012.


58

http://sundanzer.com/solar-power-refrigerators/chest-style/ [24] Chaidez, Jesica E. (2011). DC House Modeling and System Design. California Polytechnic State University San Luis Obispo.


LAMPIRAN

Tabel Hasil Pengukuran Sistem DC menggunakan Penyearah tanpa Kapasitor dengan Beban Lampu Pijar Panjang Kabel (m) 5 10 15 20

V1 (V)

A (A)

V2 (V)

120 210 120 210 120 210 120 210

1,45 1,96 1,45 1,96 1,45 1,96 1,44 1,95

120 210 120 210 120 210 119 209

Tabel Hasil Pengukuran Sistem DC dengan Penyearah tanpa Kapasitor dengan Beban Lampu CFL Panjang Kabel (m) 5

10

15

20

V1 (V)

A (A)

V2 (V)

120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220

0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14 0,14

120 210 220 120 210 220 120 210 220 120 210 220


60

Hasil Pengukuran Faktor Daya 5 Buah Lampu Pijar 100 W dengan Hioki 3169-20 Date

Time

Average Value Maximum Value Time of Maximum Value Minimum Value Time of Minimum Value 6/6/2012 18:41:19 18:42:19 18:43:19 18:44:19 18:45:19

Power Factor Intantaneous Value -0,9984 -0,9984 6/6/2012 -0,9984 -0,9984 6/6/2012 0,9984 -0,9984 -0,9984 -0,9984 -0,9984 -0,9984

Hasil Pengukuran Faktor Daya 5 Buah Lampu CFL 20 W dengan Hioki 3169-20 Date

Time

Average Value Maximum Value Time of Maximum Value Minimum Value Time of Minimum Value 6/6/2012 18:23:28 18:24:28 18:25:28 18:26:28 18:27:28 18:28:28

Power Factor Intantaneus Value -0,8422 -0,8392 6/6/2012 18:23:28 -0,8456 6/6/2012 18:27:28 -0,8392 -0,8409 -0,8413 -0,8416 -0,8456 -0.8448


61

Hasil Pengukuran Faktor Daya AC Adapter original dengan Hioki 3169-20 Date

Time

average value maximum value time of maximum value minimum value time of minimum value 6/1/2012

18:40:56 18:41:56 18:42:56 18:43:56 18:44:56 18:45:56

Power Factor Instantaneous Value -0,9939 -0,9932 6/1/2012 18:42:56 -0,9947 6/1/2012 18:45:56 -0,9938 -0,9942 -0,9932 -0,9934 -0,9942 -0,9947

Hasil Pengukuran Faktor Daya Replacement AC Adapter dengan Hioki 3169-20 Date

Time


19:40:59 19:41:59 19:42:59 19:43:59 19:44:59 19:45:59

Power Factor Instantaneous Value -0,9777 -0,9762 6/1/2012 19:42:59 -0,9792 6/1/2012 19:40:59 -0,9792 -0,9774 -0,9762 -0,9765 -0,9780 -0,9787


62

Hasil Pengukuran Faktor Daya Charger Ponsel A dengan Hioki 3169-20 Date

Time


17:22:15 17:23:15 17:24:45 17:25:45 17:26:45 17:27:45

Power Factor Instantaneous Value 0,9989 6/1/2012 17:15:45 -0,9973 6/1/2012 17:14:45 0,9987 0,9989 -0,9973 -0,9965 -0,9970 -0,9973

Hasil Pengukuran Faktor Daya Charger Ponsel B dengan Hioki 3169-20 Date

Time


17:14:45 17:15:45 17:16:45 17:17:45 17:18:45 17:19:45

Power Factor Instantaneous Value -0,9968 -0,9964 6/1/2012 17:15:45 0,9970 6/1/2012 17:14:45 -0,9970 -0,9964 -0,9968 -0,9966 -0,9970 -0,9968


ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH SKRIPSI

Recommend Documents