ANALISIS SISTEM KENDALI BEBAN ELEKTRONIK (ELC) SEBAGAI STABILISASI ENERGI LISTRIK BERBASIS MIKROKONTROLER

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176

ANALISIS SISTEM KENDALI BEBAN ELEKTRONIK (ELC) SEBAGAI STABILISASI ENERGI LISTRIK BERBASIS MIKROKONTROLER SUJATNO STTN – BATAN, Jl : Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB, Jogjakarta 55281 Email : [email protected] ABSTRAK Analisis Sistem Kendali Beban Elektronik (ELC: Electronic Lood Control) Sebagai stabilisasi Energi Listrik berbasis Mikrokontroler. Telah dilakukan analisis sistem kendali beban elektronik (ELC) pada pembangkit listrik dengan kendali utama menggunakan mikrokontroler AT89C51/52. Pengendalian beban dimaksudkan untuk menjaga kestabilan energi listrik yang dihasilkan oleh generator. Sistem kendali dilakukan dengan cara membuat beban komplemen (ballast Lood), sehingga energi yang dihasilkan oleh generator akan tetap walaupun beban konsumen berubah-ubah. Pengendalian menggunakan mikrokontroler dengan tujuan, untuk mengatur bukaan lebar sempitnya sudut triac sebagai switch elektronik. Dimana unjuk kerjanya berdasarkan perubahan arus yang disebabkan oleh adanya perubahan pada beban konsumen. Perubahan arus dideteksi oleh trafo arus (CT : Current Transformer), keluaran dari trafo diperkuat dengan penguat operasional (Op-Amp). Sinyal dari trafo arus yang telah diperkuat yang berupa sinyal analog dirubah menjadi sinyal digital melalui A/D Converter agar dapat diproses dalam mikrokontroler. Keluaran dari mikrokontroler akan memicu triac untuk membuka yang besarnya berdasarkan perubahan arus yang terjadi pada jaringan. Dengan bekerjanya Triac maka jika terjadi penurunan daya pada konsumen, sisa daya akan mengalir ke beban komplemen (ballast load), sehingga daya generator senantiasa tetap walaupun beban konsumen mengalami perubahan. Diharapkan bahwa penelitian ini memungkinkan penentuan karakteristik dan performen suatu ELC berbasis mikrokontroler. Kata kunci : Beban komplemen, beban konsumen, mikrokontroler

ABSTRACT Electronic Load Control System Analysis (ELC: Electronic Lood Control) For stabilization of Electrical Energy-based Microcontroller. Analyzed the electronic load control system (ELC) at a power plant with the main control using microcontroller AT89C51/52. Controlling expenses is intended to maintain the stability of the electrical energy produced by the generator. Control system is done by making a load of complement (ballast Lood), so that the energy produced by the generator will remain even if the consumer load changes. Control by microcontroller done to control the triac as electronic switches. Where its performance based on current changes due to changes in consumer load. Changes in currents detected by current transformer (CT: Current Transformer), the output of the transformer amplified by operational amplifiers (Op-Amp). Signals from the current transformer which has been strengthened in the form of converted analog signals into digital signals through A / D converter to be processed in a microcontroller. The output of the microcontroller will trigger triac to open a magnitude based on the current changes occurring in the network. With the operation of Triac so if there is a decrease in consumer power, the remaining power will flow to the load of complement (ballast load), so that the power generator always remains even though the burden of consumers is changing. It is hoped that this study allows the determination of the characteristics and performen a microcontroller-based ELC. Key words: Burden of complement, the burden of consumers, microcontrol.

STTN-BATAN

177

Sujatno

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 PENDAHULUAN

TEORI

Latar Belakang

Jika beban konsumen berubah maka arus dari generator yang diserap oleh beban juga akan berubah. Dengan perubahan arus ini diharapkan tidak mempengaruhi putaran generator, sehingga tidak berpengaruh pada frekuensi yang dihasilkan. Untuk menjaga putaran generator tetap konstan maka daya yang masuk ke turbin dibuat tetap dan beban yang diterima generator juga tetap. Daya turbin dipengaruhi oleh debit air, agar daya turbin tetap konstan, maka debit ait dibuat tetap. Sedangkan agar beban generator tetap, perlu dibuat beban komplemen untuk mengimbangi perubahan pada beban konsumen. Besar beban komplemen diatur oleh ELC yang menggunakan kendali utama mikrokontroler, sehingga : Beban Generator = Beban Konsumen + Beban Komplemen. Gambar 1 menunjukkan blok diagram pembagian daya dengan ELC

Pada setiap pembangkit listrik diperlukan suatu sistem kontrol yang mengatur agar putaran turbin - generator tetap konstan, walaupun diberi beban yang bervariasi. Putaran turbin-generator yang fluktuasi akan berakibat hasil frekuensi dan tegangan dari generator tidak konstan. Untuk mengatasi problema itu ada dua cara yaitu menggunakan governor atau ELC (Electronic Lood Control). Governor berfungsi untuk mengatur putaran turbin-generator agar konstan, dengan cara mengatur debit air atau uap yang masuk ke runner turbin. Governor biasanya digunakan pada pembangkit tenaga air yang berdaya besar. ELC (Electronic Load Control) berfungsi untuk mengatur secara otomatis aliran listrik ke beban konsumen dan beban elektronik (beban komplemen). ELC banyak digunakan pada pembangkit tenaga air yang berdaya rendah sampai sedang seperti misalnya pada pembangkit listrik Mikrohidro. Pada prinsipnya bahwa pada setiap pembangkit listrik, putaran turbin-generator senantiasa harus di jaga konstan, walaupun beban pada konsumen selalu berubah-ubah. Beban yang tidak tetap berakibat arus yang mengalir dari generator ke konsumen juga tidak tetap. Berdasarkan konsumsi arus oleh konsumen inilah sebagai dasar untuk mendeteksi beban konsumen. Dengan menggunakan CT (Circuit transformer) konsumsi arus ke konsumen dapat di deteksi. Dari sekunder CT arus di rubah menjadi tegangan dengan cara memasang resistor. Tegangan dari sekunder CT masih terlalu kecil sehingga perlu di perkuat dengan menggunakan penguat operasional (Op-Amp). Tegangan keluaran dari CT yang diharapkan mempunyai ring antara 1 Volt sampai maksimum sekitar 5 Volt. Setiap perubahan arus pada konsumen maka akan terjadi perubahan tegangan keluaran dari CT. Setiap perubahan tegangan ini akan deteksi oleh ADC (Analog to Digital) untuk dirubah menjadi sinyal digital, sehingga dapat di proses di dalam mikrokontroler.

Gambar 1. Blok diagram Pembagian Daya dengan ELC Adapun prinsip kerja ELC adalah jika daya yang diserap oleh beban konsumen berubah akan mengakibatkan pula perubahan frekuensi dan arus yang mengalir ke beban. Perubahan arus dan frekuensi ke beban akan dideteksi oleh sensor arus yang kemudian dibandingkan dengan harga referensi yang telah ditentukan. Selanjutnya rangkaian kontrol yang berupa mikrokontroler akan memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan memanipulasi untuk mengatur sudut penyalaan pada switch statik (Thyristor). Sistem pengatur putaran generator dengan ELC terdiri dari empat bagian utama yaitu (SubhanNafis,2008). Sensor arus berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus yang disebabkan terjadinya perubahan beban konsumen. Sensor arus terdiri dari trafo arus (CT) dan konveter.

Pada sistem mikrokontroler setiap perubahan tegangan dari ADC akan di deteksi dan akan digunakan untuk pemicu saklar elektronik yang dalam hal ini menggunakan triac. Bukaan gate triac akan membuka sesuai dengan perubahan arus yang terjadi pada beban konsumen. Dengan demikian arus listrik akan terbagi dua sebagian ke konsumen dan sebagian lainnya akan mengalir ke beban komplemen. Dengan kondisi itu maka arus yang di keluarkan dari sumber pembangkit listrik senantiasa tetap sesuai arus nominal nya. Penelitian ini bertujuan mengetahui ketelitian ELC dengan kendali mikrokontroler dan unjuk kerja ELC berdasarkan perubahan arus beban.

Sujatno

1.

Sistem Kontrol

Rangkaian kontrol ini berfungsi untuk mensinkronkan dan membandingkan antara perubahan arus dan harga referensi yang telah ditentukan serta memberikan picu pada Triac (Static switch).

178

STTN-BATAN

2.

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 konsumen turun maka keluaran arus dari generator akan terjadi fluktuasi. Terjadinya perubahan arus ini maka akan mempengaruhi putaran generator bisa menjadi lebih cepat atau mungkin akan lebih lambat dari putaran nominalnya. Dengan demikian akan terjadi perubahan frekuensi yang dikeluarakan generator. Untuk itu perubahan beban dari konsumen dialihkan ke beban komplemen sehinga beban yang diterima generator senantiasa tetap. Sebagai sensor perubahan arus digunakan trafo arus (CT) seperti terlihat pada Gambar 3.

Static Switch

Switch ini berfungsi untuk menghubungkan antara sistem kontrol dengan beban komplemen. Komponen switch ada yang menggunakan triac, scr dan relai. 3.

Beban Komplemen

Beban tiruan ini dapat digunakan lampu atau resistan. Adapun fungsinya adalah untuk tempat pengalihan daya dari perubahan daya yang terjadi pada beban konsumen.

TATA KERJA Untuk menunjang penelitian ini diperlukan beberapa peralatan dan bahan antara lain : Peralatan yang diperlukan a. b. c. d. e. f. g.

Tool Set Multimeter Tang ampere Osciloscope Beban komplemen berupa lampu pijar Beban konsumen dari lampu pijar Generator Sinkron

Gambar 3. Sensor Arus Trafo arus yang digunakan mempunyai rasio 50 A/ 5 A, pada sisi sekunder keluaran arus di ubah menjadi tegangan dengan memasangkan resistor. Tegangan ini masih kecil sehingga perlu di naikan dengan menggunakan rangkaian penguat Op-Amp (Operastional Amplifier). Tegangan keluaran yang diharapkan adalah 0 Volt – 5 Volt Rangkaian sensor arus seperti terlihat pada gambar berikut ini :

Bahan yang dibutuhkan : a. b. c. d.

Komponen pasif Komponen aktif Mikrokontroler Trafo CT

LANGKAH PENELITIAN Rangkaian ELC dibuat dengan menggunakan sensor arus dalam mengetahui perubahan beban dan menggunakan kontrol utama mikrokontroler. Rangkaian rancangan sistem ELC (Electronic Load Control) seperti terlihat pada Gambar 2.

Line

CT

Beban Pada kondisi awal putaran generator tetap dengan beban nominalnya yang diserap oleh konsumen. Tetapi pada saat beban puncak atau beban

STTN-BATAN

Gambar 4. Rangkaian Sensor Arus

179

Sujatno

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Perhitungan :

berfungsi untuk membaca kondisi konversi dan port 3.6 untuk memerintah ADC memulai konversi.

Nilai penguatan dari rangkaian propotional sesuai dengan rumus membalik (inverting) Yaitu : AV

Untuk menyelaraskan sinyal jala-jala dengan keluaran pulsa triger triac dari mikrokontroler di perlukan rangkaian zero crossing.

= - R2 atau Vout / Vin R1

AV

=

-

ZeroCrossing berfungsi untuk mensinkronkan gelombang jala-jala dengan pulsa triger yang dikontrol. Tegangan ac keluaran dari trafo di bentuk menjadi pulsa gelombang penuh dengan menggunakan dua dioda D1 dan D2. Seperti terlihat pada Gambar 6. Rangkaian zero crossing selanjutnya dihubungkan ke port interrupt (INTI) AT89S51. Gelombang penuh ini sebagai inputan pada komparator (LM 311) untuk di ubah menjadi gelombang kotak dengan tegangan 5 Volt dan frekuensi sama dengan frekuensi jala-jala yaitu 50 Hz (10 ms). Sinyal tersebut sebagai masukkan pada mikrokontroler dan akan di olah menjadi sinyal PWM (Pulse Width Modulation) dengan lebar pulsa 50 Hz (10 ms). Pada sinyal PWM tersebut di seting pulsa aktif sebesar 9,5 ms dan pulsa aktif lownya 0,5 ms. Sinyal PWM inilah yang nantinya digunakan untuk mengontrol kerja triac pada rangkaian ELC dengan cara menggunakan delay yang dikontrol oleh mikrokontroler.

66 K , 10 K

AV

= - 6,6 x penguatan

Jika ada arus pada line 5 A, maka arus pada sisi sekunder trafo adalah : Ip = 5 A,

IS = 5 / 10 A = 0,5 A

Pada sekunder trafo dipasang Ri = 1 Ω, maka tegangan pada sekunder : V

=IxR

V

= 0,5 x 1

V

= 0,5 Volt

Selanjutnya tegangan di perkuat menjadi : V

= 6,6 x 0,5

V

= 3,3 Volt AC HASIL DAN PEMBAHASAN

Tegangan masih berupa tegangan AC maka perlu di searahkan dengan penyearah setengah gelombang, sehingga tegangan menjadi : 5 Volt. Selanjutnya tegangan analog ini akan dirubah menjadi tegangan digital melalui ADC 0804 agar perubahan arus dapat di proses di dalam mikrokontroler. Keluaran dari mikrokontroler berupa pulsa yang akan di gunakan untuk menyulut triac yang digunakan sebagai switch pada beban komplemen. Hasil pulsa keluaran dari trafo berupa pulsa sinus (AC) seperti terlihat pada Gambar 5.

Pengujian trafo arus dilakukan dengan memberikan arus pada trafo, kemudian pada keluaran trafo diamati dengan menggunakan meter arus, hasilnya seperti terlihat pada tabel. 1. Hasil uji laboratorium output trafo arus adalah sebagai berikut :

Untuk mempermudah dalam pemrosesan maka keluaran dari trfo yang berupa arus dirubah menjadi keluaran yang berupa tegangan. Hasilnya seperti terlihat pada tabel 2.

Pada gambar 5 terlihat bahwa tegangan keluaran dari trafo arus yang telah dirubah menjadi tegangan masih berupa tegangan bolak balik. Untuk dapat di proses di ADC tegangan perlu di searahkan. Di dalam rangkaian ADC 0804 sinyal analog dari keluaran trafo akan di rubah menjadi sinyal digital. Keluaran dari rangkaian ADC di inputkan ke mikrokontroler pada port 0 dan port 3 yaitu P3.2 (INTO) dan P.3.6 (WR). Port 0

Sujatno

180

STTN-BATAN

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176

Pada tabel 3. terlihat bahwa tegangan maksimum telah mencapai 5 volt dc, hai ini sudah memenuhi syarat sebagai input ke ADC. Dari ADC tegangan dirubah menjadi sinyal digital, sehingga dapat diolah dalam mikrokontroler. mikrokontroler

akan

merespon

Sistem kontrol jika

terjadi

perubahan arus dari jaringan dan akan memicu saklar elektronik (Triac), sehingga beban akan mengalir dari komplemen ke konsumen atau

Gambar 6. Grafik Pengujian Penguat

sebaliknya.

Dari hasil pada Tabel. 2 terlihat bahwa jika input CT 0,5 A maka keluaran trafo pada sisi sekunder sebesar 29,3 mA. Pada hal yang dibutuhkan untuk pengontrolan adalah tegangan 0 Volt – 5 volt. Untuk itu keluaran arus dari trafo dirubah menjadi tegangan dengan memasanga Ri = 10 k dan menghasilkan data tegangan 51 mV ac. Tegangan ini masih jauh dari kebutuhan kebutuhan untuk itu perlu diperkuat, sehingga dihasilkan 341 mV ac. Karena yang dibutuhkan adalah tegangan TTL maksimum 5 Volt maka tegangan out put tersebut dirubah menjadi tegangan dc agar dapat diproses dalam A/DC. Hasil akhir seperti terlihat pada Tabel 3. dan grafiknya terlihat pada Gambar 7.

STTN-BATAN

HASIL PENGUJIAN ADC Analog to Digital Converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital. Prinsip kerja dari konveter A/D adalah semua bit-bit diset, kemudian di uji dan bilamana perlu sesuai dengan kondisi yang telah ditentukan. Apabila konversi telah di laksanakan, rangkaian kembali mengirim sinyal selesai konversi yang berlogika rendah. Sisi turun sinyal ini akan menghasilkan data digital yang ekivalen ke dalam register buffer. Dengan demikian output digital akan tetap tersimpan sekalipun akan di mulai siklus konversi yang baru.

181

Sujatno

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176

Dari hasil tersebut dapat dihitung simpangan bakunya (standard deviation) dengan rumus sebagai berikut :

Untuk prosentase ketidak seimbanganya adalah sebagai berikut : Pk = Simpangan baku x 100 % Rata-rata

KESIMPULAN Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut : Dari hasil pengujian tanpa ELC pada Tabel.6 terlihat bahwa tegangan akan mengalami penurunan pada saat beban konsumen dinaikkan. Demikian sebaliknya, jika beban konsumen diturunkan maka tegangan generator akan naik. Jadi dengan demikian terjadi putaran generator tidak stabil. Pada Tabel.7 hasil pengujian dengan menggunakan ELC terlihat bahwa tegangan cenderung konstan terhadap beban konsumen. Jika dibuat grafik seperti terlihat pada Gambar 8. di bawah ini.

1.

2.

3.

Rangkaian Electronic Load Control (ELC) dengan sensor arus dapat digunakan sebagai pengatur beban listrik pada PLTMH. Electronic Load Control dapat untuk mengetahui pemakaian beban listrik pada konsumen. Tingkat ketelitian dalam pengaturan beban dengan ELC, standar deviasinya sebesar ± 0,18079 dan prosentase ketidak keseimbangan tegangan sebesar 0,082 %.

Sujatno

182

STTN-BATAN

4.

5.

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013 ISSN 1978-0176 TANYA DAN JAWAB

Dapat mengetahui ketidak keseimbangan tegangan generator terhadap perubahan beban. Electronic Load Control (ELC) dengan kendali utama mikrokontroler unjuk kerjanya dapat meningkatkan kepekaan dan kecepatan deteksi.

Pertanyaan 1. 2.

3.

Saran 1.

Rangkaian Electronic Load Control (ELC) yang menggunakan sensor arus dan sebagai sensornya menggunakan trafo arus (CT) maka perlu dipilih trafo arus yang rasionya tidak terlalu besar, sehingga responnya lebih baik.

2.

Electronic Load Control dengan sensor arus kurang peka terhadap beban induktip, untuk itu beban induktip pada konsumen perlu diberi kapasitor.

Jawaban 1.

2.

DAFTAR PUSTAKA 1.

AFIANTO EKO PUTRA, 2002, ”Belajar Mikrokontroler “ Gaya media,Jogjakarta.

2.

ARIS MUNANDAR, 1997, “ Teknik Tenaga Listrik I “, ITB Press, Bandung.

3.

CATUR EDI WIDODO, 2004,” Interfacing port paralel dan port serial komputer.

4.

FOURYS YUDO. SP, 2009, “ Desain dan Rancang Bangun Kontrol Beban Elektronik Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”, MST-UGM.

5.

FREDRICK W.HUGHES, 1990, “ Panduan Op-Amp “, PT Elex Media Komputindo, Jakarta.

6.

FRANK.D.PETRUZELLA,1986, “Elektronika Industri, Andi “, Jogjakarta.

7.

DIDIN WAHYUDIN, 2007, “ Belajar Mikrokontroler ”, Andi, Jogjakarta.

8.

SUBHAN NAFIS, 2008, “ Electronic Load Control “, Tutorial Dunia – Listrik.

9.

WIDODO BUDIHARTO, ”Interfacing Komputer Mikrokontroler”, Elex Komputindo, Jakarta.

Apakah tanpa ELC beban listrik konsumen tidak dapat diukur/diketahui? (Djiwo Harsono) Selama ini sistem kendali beban elektronik dilakukan dengan cara seperti apa? Dan apa keuntungan dari μ Kontrol? (Dewita) Modul yang diganti/diperbaik funsinya untuk apa? Dan perbandingan performa setelah diganti apakah lebih baik dari sebelumnya? (Iksan)

3.

ELC berfungsi untuk menstabilkan putaran dan generator walaupun beban pada konsumen berubah-ubah, tidak untuk mengukur. Untuk PLTA, biasanya menggunakan Governor yaitu yang mengatur input/output air ke turbingenerator. Untuk ELC yang diatur bahan input/output air yang masuk dianggap air masuk tetap, kemudian yang diatur adalah beban dari generatornya. Untuk catu daya ke kapasitor baik. Performanya lebih baik karena yang sama bentuk PCB dan umpama sudah tidak layak, sudah waktunya diganti.

2004, dan Media

10. ILLIAM D. CHOOPER, 1999. “ Instrumentasi Elektronika dan Teknik Pengukuran “, Penerbit Erlangga Jakarta. 11. hhttp://www.wihans.web.id/info/rangkaian zero crossing-detektor dengan Op-Amp Diunduh pada 10 Maret 2010.

STTN-BATAN

183

Sujatno