ANALISIS TRANSDUSER ARUS DENGAN MENGGUNAKAN BERBAGAI MACAM RESISTANSI DAN UKURAN TOROIDA

ANALISIS TRANSDUSER ARUS DENGAN MENGGUNAKAN BERBAGAI MACAM RESISTANSI DAN UKURAN TOROIDA Hans Wibowo Putra Iwa Garniwa Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia UI Depok, 16424 E-mail: [email protected]

Abstrak

Pengukuran arus dapat diartikan sebagai kegiatan mengukur arus yang mengalir melalui sebuah rangkaian tertutup. Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai metode, sebagai contoh dengan menggunakan ampere-meter, trafo arus (trafo penurun tegangan), meter jepit. Metode yang paling umum diketahui adalah dengan menggunakan ampere-meter, dikarenakan oleh faktor teknik dan ekonomi. Namun, ada sebuah fenomena alam yang disebut Efek Hall yang dapat membawa pembaruan dalam mengukur arus. Efek Hall adalah perbedaan tegangan diantara konduktor elektrik, hasil dari perubahan arus listrik di konduktor dan medan magnet yang tegak lurus dengan arus. Kelebihan menggunakan metode ini dalam mengukur arus ialah tahan terhadap debu, kotoran, lumpur, dan air. Karakteristik ini yang membuat alat Efek Hall lebih baik dalam penginderaan optic dan elektromekanik. Efek ini diaplikasikan di dalam alat yang disebut transduser arus. Proyek ini bertujuan untuk melakukan eksperimen menggunakan transduser arus dan toroidal. Toroida dibuat dan diuji untuk memperagakan dan mensimulasikan keadaan di dalam transduser arus dengan menggunakan berbagai macam resistansi dan ukuran toroid, sehingga hasil dari kedua buah alat dapat dibandingkan. Hasil yang diinginkan dari proyek ini adalah pengertian mengenai cara kerja transduser arus dan toroidal termasuk efek memagnetisasi dan demagnetisasi, termasuk membandingkan hasil dari toroida dengan transduser arus. Software skema dan software untuk merancang PCB juga digunakan sebagai bagian dari proyek, bersamaan dengan eksperimen dan simulasi. Kata kumci: Current Measurement; Hall Effect; Toroidals

Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.

Abstract Current measurement is defined as measure current that flows through a closed circuit. This measurement can be done in many ways, such as using an ammeter, current transformer (step down transformer), clamp meter, etc. The most commonly known techniques of measuring current are using an ammeter, because of technical and economic reasons. However, there is a natural phenomenon called Hall Effect that can lead a new way of measuring current. The Hall Effect is the production of a voltage difference across an electrical conductor, transverse to an electric current in the conductor and a magnetic field perpendicular to the current. The advantage of using this method to measure a current is immune to dust, dirt, mud, and water. These characteristics make Hall Effect devices better for optical and electromechanical sensing. This effect is applied in a device called current transducer. This project is aimed to conduct experiments using the current transducer and toroidals. The toroidals were used to replicate and simulate the inside of the current transducer in various resistance and diameter of toroid condition, so the results from both devices can be compared. The expected outcomes of this project are the understanding of the operation of current transducer and toroidals including the magnetized and demagnetized effect. Schematics software and PCB design software are performed as part of this project, along with experiments, calculation, and simulations. Keywords: Current Measurement; Hall Effect; Toroidals

Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.

3

1.

Latar Belakang

Sekarang ini, peralatan elektrik memegang peran penting dalam kehidupan dunia modern. Hampir di setiap aspek hidup manusia memerlukan listrik. Dikarenakan banyaknya kebutuhan akan listrik, pemahaman mengenai listrik diperlukan. Dalam kehidupan sehari-hari, hal-hal yang paling umum berkaitan dengan listrik adalah tegangan, arus, dan daya. Banyak karakteristik dari komponen-konponen listrik ditentukan dari ketiga aspek tersebut. Salah satu aspek yang berkaitan dengan skripsi ini ialah arus, dimana kedua factor lainnya tidak akan dibahas lebih lanjut. Cara yang paling umum untuk mengukur arus didalam sebuah rangkaian tertutup ialah dengan menggunakan ampere-meter. Terkadang, ampere-meter digabung dengan voltmeter menjadi multimeter. Ampere-meter mengukur arus yang mengalir didalam rangkaian dengan cara tertentu. Menurut Hukum Arus Kirchhoff, arus yang masuk selalu sama dengan arus yang keluar. Hal ini berarti dalam mengukur arus, ampere-meter harus diletakkan dengan posisi seri. Ampermeter biasa sudah cukup dapat diandalkan untuk mengukur dalam rangkaianrangkaian listrik yang umum. Namun, terkadang ampere-meter yang biasa tidak dapat digunakan dalam kondisi khusu, seperti dalam lingkungan yang banyak debu, lumpur, kotoran, dan air. Ada solusi untuk hal ini yang disebut dengan Efek Hall. Efek Hall adalah adanya beda tegangan yang muncul diantara konduktor listrik sebagai hasil dari arus listrik yang mengalir di konduktor dan medan magnet yang tegak lurus dengan arus. Fenomena alam ini dapat digunakan untuk mengukur arus dengan lebih dapat diandalkan dan teliti[1]. Di dalam percobaan ini, Efek Hall ampere-meter akan dipelajari, dipraktekkan, dan disimulasikan. Transduser arus produk dari LEM (LTS 15-NP) akan digunakan sebagai komponen utama dalam alat ini. Komponen ini menggunakan prinsip Efek Hall, kemudian menghasilkan tegangan sebagai hasilnya. Cara kerja komponen ini adalah ketika arus mengalir yang mengalir melewati komponen ini membesar, maka tegangan yang berada di keluarannya akan membesar juga, dan begitu juga jika arus mengecil. Untuk mendukung percobaan ini, software Eagle CAD digunakan untuk membuat rangkaian dan PCB. Sebuah benda yang mengambil arus sebagai masukkannya dan memberikan keluaran dalam bentuk tegangan adalah hasil yang diinginkan dalam percobaan ini. Lebih lanjutnya, diharapkan pula agar alat ini dapat mengukur lebih teliti dibandingkan ampere-meter biasa. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang alat yang dapat mengukur arus dengan menggunakan transduser arus dan toroid, lalu membandingkan keluaran dari kedua alat untuk menganalisis hasilnya. Pengujian toroida ditindaklanjuti

Universitas Indonesia Analisis transduser..., Hans Wibowo Putra, FT UI, 2013.

4

dengan penambahan berbagai macam nilai hambatan, untuk mendapatkan hasil seperti yang didapat dari transduser arus.

2. Tinjauan Teoritis 2.1. Ampere-meter Metode ini adalah cara yang paling umum dan menggunakan teknik yang paling sederhana untuk mengukur arus. Pada umunya terdapat dua tipe, ampere-meter analog dan digital. Di dalam rangkaian, ampere-meter diletakkan seri untuk dapat membaca hasil dari perangkat yang ingin diukur. Ada beberapa jenis amperemeter, moving coil ampere-meter, moving iron, electrodynamic, hot wire amperemeter, dan ampere-meter digital.

Gambar 2.1. Simbol Ampere-meter dalam sirkuit

Gambar dibawah ini menunjukkan symbol dari ampere-meter dalam rangkaian sirkuit. Simbol ini merepresentasikan semua jenis ampere-meter baik analog maupun digital.


5

Gambar 2.2. Ampere-meter Digital Ammeter digital menggunakan sebuah analog untuk merubah ke digital (ADC atau A/D atau A ke D) yang merubah sinyal analog dengan jangka waktu yang terus menerus untuk merepresentasikan waktu yang berlainan. Jenis amperemeter ini dipercaya dapat mencapai keakuratan tertinggi dalam membaca arus. Manfaat yang dapat diraih dalam menggunakan alat ini adalah kecepatan dan presisi. Ampere-meter digital sekarang dapat mencapai 300Mhz untuk clock rate. Kepresisian ditunjukkan dari tampilan 7 segmen yang langsung menunjukkan angka dibandingkan dengan menggunakan jarum pada ampere-meter analog. Pada ampere-meter analog, kesalahan manusia dapat terjadi pada pembacaan skala terutama dalam angka yang kecil. Namun, alat tersebut tetap masih memiliki beberapa kekurangan yang membuatnya tidak sempurna. Hal tersebut adalah kesalahan pada kuantisasi dan ketidaklinearan pada konversi analog ke digital dan kesalahan aperture.

2.2. Sensor Arus Hall Efek Hall Efek adalah hasil dari perbedaan tegangan antara dua konduktor listrik, yang dikarenakan oleh adanya arus listrik pada konduktor dan medan magnet yang tegak lurus dengan arus. Transduser arus Hall Efek mempunyai banyak kelebihan, tiga diantaranya paling utama. Hal itu adalah : [18]  Benda ini dapat diisolasi dengan baik dari system elektrikal tegangan tinggi lainnya yang berarti dapat mengurangi masalah keamanan. Dengan kata lain ketika kabel yang membawa arus melewati lingkaran Hall efek, kabel ini tidak menempel sama sekali dengan apapun pada sensor. Sensor ini hanya mengukur berdasarkan medan magnet dari kabel. Keuntungan ini lebih baik jika dibandingkan dengan menggunakan resistor parallel untuk memonitor arus yang lebih tidak aman karena resisitor ini membutuhkan pengamanan tertentu untuk melindungi system pengambilan data.


6  Transduser arus ini dapat dililitkan tak terbatas untuk mendapatkan besaran yang diinginkan. Sebagai contoh, sinyal arus hanya 0.1 Ampere, maka jika dililitkan 10 kali lipat, hasilnya akan 1 Ampere.  Tidak adanya panas yang hilang pada Hall Efek transduser arus. Tidak seperti resistor parallel pengukur arus yang sangat memperhatikan hilangnya energy menjadi panas.

Gambar 2.3. Contoh Transduser Hall Efek Gambar 2.3 menunjukkan contoh dari transduser arus Hall Efek. Ini hanyalah salah satu tipe yang berada di pasaran. Kenyataannya, ada banyak tipe transduser arus di pasaran.

Gambar 2.4. Hall Efek Seperti yang dijelaskan diatas, diagram bagaimana Hall Efek dapat bekerja ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar yang ditunjukkan diatas merupakan penjelasan tersimpel untuk transduser arus, yang pada kenyataannya lebih kompleks. Ada dua jenis sensor transduser arus Hall Efek, yaitu tipe rangkaian tertutup dan rangkaian terbuka. Respon frekuensi yang baik dan kemampuan untuk mengukur arus yang sangat besar merupakan poin utama dari alat ini.


7

2.3. Resistor Paralel Arus Metode ini mengikuti Hukum Ohm, tegangan sama dengan arus dikali dengan hambatan seperti yang ditunjukkan pada Figure 5. Alasan dibalik pemilihan tipe alat ukur ini adalah dapat mengukur arus yang sangat besar yang terkadang ampere-meter tidak mampu. Tegangan jatuh pada titik paralel sebanding dengan arus yang mengalir melaluinya. Sebelumnya, nilai hambatan yang sudah diketahui sejak awal, memudahkan untuk perhitungan nilai arus dengan menghitung nilai tegangan dan hambatan yang ada.

V=IxR Dimana

(2.1)

V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere) R = Hambatan (Ohm)

Sebagai contoh, hambatan yang mempunyai 0.0001 ohm, dimasukkan kedalam rangkaian. Tegangan pada voltmeter menunjukkan bahwa tegangan diantara resistor adalah 0.5 volt. Dengan menggunakan rumus Ohm, hasil perhitungan adalah 5000 Ampere. Detil perhitungan dapat dilihat dibawah ini:

Resisitor shunt yang ideal sangat presisi yang artinya dapat menunjukkan nilai hambatan yang sebenarnya. Hambatan tersebut tidak berubah dengan adanya perubahan temperature, umur, atau arus. Sebagai resistor, resistor shunt mengeluarkan panas dari arus yang mengalir melaluinya. Resistor ini perlu untuk dinilai untuk factor keamanan kedepannya. Karena, apabila alat ini diberi kondisi diluar limitnya, maka resistor akan menjadi panas dan terbakar. Untuk menghitung rating power resistor, rumus dibawah ini digunakan:


8 W = I2 x R Dimana,

(2.2)

W = Daya (Watt) I = Arus (Ampere) R = Hambatan (Ohm)

Formula diatas mengindikasikan bahwa panas yang dihasilkan dalam kuadrat dengan arusnya. Perubahan pada arus sebesar dua kali lipat dapat membuat pembuangan panas meningkat hingga empat kali lipat. Untuk mencegah resistor dari panas yang berlebih, maka biasanya resistor hanya dipakai sebanyak 66% dari kemampuan maksimalnya. [16]

Gambar 2.5. Contoh 100 Amp Resistor Shunt Deteksi arus resistif sangat popular dan berguna dalam banyak kesempatan. Namun, tetap ada kekurangannya, yang paling signifikan adalah :    

Tegangan jatuh dan energy loss Besarnya panas yang hilang Mode tegangan yang umum Kurangnya isolasi listrik

Tegangan jatuh dan energy loss dapat dilihat dari Hukum Ohm, apabila hambatan meningkat maka tegangan jatuh akan meningkat pula. Tegangan jatuh tersebut bukanlah sebuah keuntungan bagi rangkaian keseluruhan. Energi yang hilang karena hambatan dapat pula membawa pengaruh buruk untuk sistem. Lebih lanjutnya, energy yang hilang menjadi panas dapat menurunkan efisiensi dari rangkaian listrik. Kurangnya isolasi pada rangkaian listrik tidaklah terlalu menjadi masalah pada system tegangan kecil, tetapi bisa sangat penting pada tegangan tinggi.


9

2.4. Transformer Arus Transformer arus adalah salah satu metode paling umum yang digunakan pada pengukuran tegangan tinggi. Alat normal tidak mampu untuk menentukan arus karena diluar jangkauan mereka. Transformer arus akan menghasilkan arus yang telah dikurangi tetapi tetap proporsional pada rangkaian, yang kemudian sesuai pada jangkauan kemampuan alat perekam dan pengukur arus. Konstruksi transformer arus terdiri dari lilitan primer, inti magnet, dan lilitan sekunder. Seperti pada teori elektromagnetik, lilitan primer yang merupakan tempat dimana arus mengalir secara bolak-balik, akan memagnetisasi inti. Sebagai hasilnya, lilitan sekunder akan berusaha untuk medemagnetisasi inti sehingga menghasilkan arus yang proporsional tetapi berbeda arah. Sebagai tambahan, inti magnetic akan mengalami saturasi pada arus besar, ketika inti telah termagnetisasi, inti akan memproduksi hysteresis dan akurasinya akan berkurang terkecuali apabila inti didemagnetisasi kembali. Fenomena ini biasa terjadi ketika arus sudah melampaui batas kemampuan transformer. Untuk mengatasi masalah ini, dianjurkan untuk menggunakan bahan yang memiliki permeabilitas tinggi sebagai inti. Sebagai transformer, formula umumnya adalah sebagai berikut: n1/n2 = i1/i2 n1 = jumlah lilitan primer n2 = jumlah lilitan sekunder i1 = arus primer i2 = arus sekunder

Dimana,

(2.3)

Terdapat beberapa jenis transformer arus:   

Bushing type, Window or Donut Wound Type Bar Type

Jenis yang paling umum adalah wound type transformer. Jenis ini mempunyai hasil kinerja yang baik dengan jangkauan kondisi kerja yang luas.


10

Gambar 2.6. Transformer Arus Tipe Wound Tipe bushing diproduksi dengan tujuan lain. Tipe ini digunakan pada circuit breaker dan transformer. Jenis ini tidak memiliki pelindung keras eksternal untuk melindunginya.

Gambar 2.7. Transformer Arus Tipe Donut Transformer arus tipe bar diproduksi untuk lebih stabil dibandingkan tipe lainnya. Alat ini dikencangkan pada kabel yang akan diukur arusnya. Hal ini menghasilkan insulasi yang lebih baik untuk mencegah kebocoran.


11

Gambar 2.8. Transformer Arus Tipe Bar Untuk memproduksi transformer yang ideal tidaklah mungkin. Berdasarkan teori, transformer arus akan menurunkan arus ke level tertentu yang dapat diukur, kemudian lilitan sekunder tersebut harus dapat menunjukkan nilai yang proporsional terhadap lilitan primer. Kedua fungsi tersebut adalah fungsi utama dari alat ini. Pada kenyataannya, kondisi ideal sangatlah sulit untuk dicapai. [9]

2.5. Sensor Arus Koil Rogowski Sebuah inductor yang mempunyai induktansi mutualisme dengan konduktor yang membawa arus utama disebut dengan koil Rogowski. Koil Rogowski mempunyai inti udara sehingga secar teori tidak aka nada hysteresis, saturasi, atau ketidaklinearan. Pada koordinat silindrikal, arus yang melewati kabel pada z axis akan memenuhi persamaan dibawah ini:

Gambar 2.9. Sensor Arus koil Rogowski Koil Rogowski bekerja pada tegangan AC, yang berarti tegangan output nya akan bergantung pada di/dt perubahan arus pada arus primer. Hal ini berarti metode ini


12

tidak bisa digunakan pada komponen DC. Kelebihan dari metode ini adalah kemampuannya yang dapat mengukur hingga ribuan ampere. Sebagai tambahan, tidak adanya inti besi, sehingga hysteresis, saturasi dan ketidaklinearan tidak perlu dipertimbangkan kembali. Kekurangan dari alat ini adalah pengaruh medan magnet dari luar. Sedikit saja interferensi medan magnet dari luar dapat mempengaruhi reabilitas dan kepresisian. Masalah utama yang biasanya muncul adalah ketika mengukur tegangan kecil pada koil Rogowski, tegangan yang diinduksikan pada koil sangatlah kecil. Untuk mengatasi masalah tersebut, ada beberapa langkah yang diambil:     

Meningkatkan Induksi Mutualisme pada Koil Rogowski Menaikkan Tinggi, Ketebalan, atau Jumlah Lilitan pada Koil Rogowski Membuat Koil Rogowski dengan Multilayer Struktur Membuat beberapa koil yang mempunyai ukuran yang sama untuk diserikan Memasang Loop Kepala Amplifier

Untuk menaikkan induktansi mutual koil, inti besi dapat digunakan, tetapi langkah ini dapat menghasilkan masalah saturasi, hysteresis, dan ketidaklinearan. Dengan menggunakan inti yang memiliki permeabilitas tinggi, masalah ini dapat diatasi. Kekurangan dari meningkatkan diameter, ketebalan, dan jumlah lilitan pada koil adalah kabel yang dililitkan akan tidak rapat dan akan sulit untuk menangkal adanya pengaruh dari medan magnet luar, sehingga akan mempengaruhi keakuratan pengukuran. Kabel yang digunakan sebaiknya tidak terlalu tipis, karena akan mudah untuk putus , jadi ruang untuk jumlah lilitan terbatas pada ruangan yang tersedia. Koil Rogowski yang mempunyai multilayer meningkatkan jumlah lilitan pada koil, dikarenakan apabila satu layer saja dapat membuat ratusan lilitan, maka layer ganda akan melipatgandakan jumlah lilitan. Hal ini sangat efektif dalam mengukur arus yang kecil. Pada sisi lain, alat ini memiliki performa yang lebih rendah pada frekuensi tinggi dan jarak antar layer membuat timbulnya kapasitansi yang membawa pengaruh buruk pada frekuensi koil dan phase respons. Secara teori, tidak akan ada kapasitansi yang tersebar sehingga tidak akan mempengaruhi respon frekuensi dari koil. Kenyataannya, timbul kapasitansi diantara koil sehingga respon frekuensi karakteristik akan terpengaruh Dapat digunakan juga loop head amplifier, yang diletakkan sebelum integrator sehingga akan memperbesar sinyal tegangan yang diinduksikan. Keluaran yang dihasilkan dari koil adalah dalam bentuk differential, sehingga perlu untuk diintegrasikan. Rangkaian integrator simple terdiri dari resistor pasif dan kapasitor akan sudah cukup. Belakangan ini, orang memakai integrator elektronik seperti op-amp untuk melakukan hal tersebut. Hal ini akan memperbesar tegangan keluaran yang kecil dari koil ke dalam jangkauan pengukuran.


13

Terdapat dua model koil Rogowski, keras dan fleksibel. Kedua jenis ini memiliki prinsip kerja yang sama, tetapi yang fleksibel mempunyai kelebihan untuk mengelilingi kabel apapun dibandingkan yang keras, sedangkan versi yang keras lebih akurat dan stabil dalam pengukuran. Kedua model ditunjukkan dibawah ini.

Gambar 2.10. Koil Rogowski Fleksibel

Gambar 2.11. Koil Rogowski Kaku Karakteristik dari koil Rogowski bergantung pada pabrik. Setiap pabrikan mempunyai tujuan dan target masing-masing. Dasarnya, karakteristik sensor arus adalah sebagai berikut:        

Linear current range Current linearity Temperature sensitivity Response time Bandwidth Maximum voltage Maximum current Core saturation


14                   

Isolation DC Offset Slew rate Common mode rejection Accuracy Noise immunity Noise generation External power requirement Output type Ruggedness Circuit loading Sensing circuit power loss System cost Zero crossover Hysteresis Di/dt Size Signal to Noise ratio Calibration requirements

Aplikasi koil Rogowski hanya terbatas pada mengukur medan magnet dan arus. Akhir-akhir ini, kemajuan elektronik power membuat penggunaan koil Rogowski semakin luas. Dari penggunaan standard seperti mengukur arus hingga aplikasi pada mikrokontroler. Area-area baru dimana koil Rogowski dapat digunakan:              

Power and power quality monitoring Rectifier monitoring DC current Wiring integrity Fuse monitoring Relay protection Switchgear Sudden short circuit testing Monitoring arc furnaces Lightning test facilty Monitoring weld quality Protection of slip ring induction motor Electromagnetic launchers On-line insulation discharge monitoring


15

Gambar 2.12. Integrator Sirkuit Sederhana Figure diatas menunjukkan rangkaian sederhana dari system integrator. Integrator merupakan komponen penting pada koil Rogowski, karena keluaran dari koil mengikuti perubahan arus terhadap waktu. Besarnya perubahan arus terhadap waktu tersebut dikonversikan menjadi linear oleh integrator. Contoh paling sederhana adalah menggunakan op-amp seperti ditunjukkan diatas. Keluaran dari integrator basic dapat ditentukan oleh persamaan:

(2.4)

Dimana, Vout = Tegangan Keluar R = Hambatan C = Kapasitansi Vin = Tegangan Masuk

Namun, model ini mempunyai keridaksempurnaan seperti kesalahan offset, arus bocor, kurang stabilnya op-amp dan pergeseran temperatur.

Dalam teknologi yang sudah maju, integrator digital ditemukan dengan fase dan besaran yang mendekati ideal, yang sulit dicapai dengan analog integrator. Keuntungan lainnya jika menggunakan digital integrator adalah: 

Performa yang stabil  Kemampuan bertahan memegang kunci dalam memonitor energi. Dalam lingkungan yang bertemperatur tinggi, analog integrator akan mudah panas dan akan error dalam pengukuran.


16 

Karakteristik Fase yang baik  Digital Integrator mempunyai respon fase yang konsisten dan akurat. Mengurangi cost  Op-amp tidak diperlukan didalam digital  integrator. 2.6. Sensor Arus Toroidal Cara lainnya untuk mengukur arus adalah menggunakan toroidal, walaupun banyak bentuk dan struktur yang dapat digunakan, fluks pemusat toroidal yang paling umum digunakan. Ketika kabel yang dialiri arus diletakkan pada tengah toroid, kepadatan fluks akan meningkat . Medan pada toroid dapat dihitung dengan:

(2.5)

Dimana, µr = permeabilitas dari toroid r = radius of the toroid µo = permeabilitas udara Material toroid adalah aspek yang perlu diperhatikan dalam mendesain sensor arus toroidal. Sebagian besar aplikasi sensor arus ini akan memilih material yangn nilai saturasinya lebih tinggi daripada kepadatan fluks. Hal ini terjadi saturasi terjadi secara perlahan pada sebagian material, dengan permeabilitas mulai menurun saat fluks melewati level tertentu. Permeabilitas material kebanyakan ditentukan oleh temperatur. Dalam meningkatkan kemapuan sensor arus toroid, terdapat tiga cara untuk mencapainya:   

Meningkatkan sensitivitas dari transduser arus dengan menggunakan material tertentu. Menurunkan gap udara. Meningkatkan jumlah lilitan yang melalui toroid.

3. Metode Penelitian Sistematika dari pengujian ini bersifat praktek dan trial and error. Contoh-contoh objek yang akan diuji, diambil secara acak atas petunjuk pembimbing, kemudian diuji langsung di laboratorium. Hasil-hasil yang telah didapat kemudian diacukan kedalam teori dasar yang ada apakah sesuai dengan yang diharapkan atau tidak. Dari banyaknya pengujian yang telah dilakukan, hanya sebagian saja yang dimasukkan kedalam skripsi, dikarenakan faktor ketidaksempurnaan dan kesalahan lainnya. Semua hasil yang memenuhi syarat tersebut akan dianalisa, yang pada akhirnya akan menjadi suatu kesimpulan.


17

4.

Hasil Penelitian dan Pembahasan

4.1. Perbandingan transduser arus dan toroid yang telah dibuat Dengan adanya pengujian ini, mahasiswa dapat menyimpulkan bahwa ketika resistansi di lilitan sekunder berkurang, tegangan toroid akan mengecil impulsnya dan terjadi kondisi sebaliknya. Bentuk lekukan gelombang tegangan pada toroid juga mengecil jika nilai resistansinya dikurangi, dikarenakan arus sekunder yang mengalir menjadi lebih besar, sehingga tegangan sekunder menjadi cepat berkurang. Persamaannya adalah:

(4.1) Dimana : Φ = fluks pada inti Vs = tegangan sekunder

Untuk arus pada lilitan sekunder, dipengaruhi oleh besarnya resitansi, yang hubungannya seperti pada rumus dibawah ini :

(4.2) Dimana: Is = arus sekunder Rs = hambatan sekunder


18

Untuk menghitung arus rata-rata sekunder, maka dapat melalui rumus dibawah ini:

(4.3) Dimana: ΔIp = perubahan pada arus primer Ns = jumlah lilitan sekunder Np = jumlah lilitan primer

Pada pengujian transdsuser arus didapatkan hasil tegangan keluar sebesar 110 mV untuk arus primer sebesar 1 A. Nilai ini yang akan dijadikan acuan untuk pengujian dengan menggunakan toroid hasil buatan mahasiswa. Hasil dari beberapa pengujian yang didapat : TABEL PERBANDINGAN HASIL PENGUJIAN JENIS TOROID

BESAR HAMBATAN

HASIL Vout

KETERANGAN

Toroid Abu-Abu

100 ohm

120 mV

Kedua Terbaik

Toroid Abu-Abu

82 ohm

101 mV

Terbaik

Toroid Hitam

10 ohm

25 mV

Toroid Hitam

2 ohm

5 mV

Toroid Abu-Abu

Tanpa Resistor

5 mV

Toroid Hitam

Tanpa Resistor

6 mV

Berdasarkan tabel diatas, apabila ingin membuat toroid dengan hasil keluaran sama dengan hasil keluaran dengan transduser arus, maka sebaiknya menggunakan hambatan antara 82-100 ohm. Sehingga diharapkan dapat menghasilkan tegangan keluar 110 mV untuk arus primer sebesar 1 A. Apabila melakukan pengukuran tanpa resistor, maka perlu menambah lilitan sekunder. Sebagai contoh, jika ingin mengukur dengan Toroid Abu-Abu tanpa resistor, maka sebaiknya lilitan digandakan sebanyak 22 kali. Pada pengujian diatas,


19

Toroid Abu-Abu mempunyai lilitan sekunder sebanyak 20 lilitan dan menghasilkan tegangan sekunder 5mV. Untuk mencapai 110 mV, maka, 110 mV / 5 mV = 22. Dimana,

20 lilitan x 22 = 440 lilitan

Jadi untuk mendapatkan 110 mV, Toroid Abu-Abu harus dililit sebanyak 440 lilitan.

Namun, dalam hasil-hasil diatas banyak terjadi gangguan ripple dalam tegangan keluar. Hal ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan dalam melilit dan masalah teknis, seperti interferensi dari medan magnet lainnya. Ditengah-tengah setiap gambar hasil adalah hasil keluaran dari rangkaian integrator. Dalam proyek ini, integrator yang digunakan telah menjadi satu didalam osiloskop. Jikalau tidak, maka mahasiswa perlu membuat rangkaian integrator untuk mengintegrasikan keluaran dari toroid. Dalam kondisi yang ideal, sinyal yang dihasilkan dari integrator adalah gelombang kotak sempurna, tetapi seperti yang dapat dilihat dari hasilnya, sinyal yang dihasilkan masih memiliki arah menurun atau menaik. Hal ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan koneksi, interferensi dari medan magnet luar, dan limit dari komponen. Pada kenyataannya, sulit untuk mendapatkan hasil yang seperti seperti yang kita harapkan . 4.2. Pengujian transduser arus Transduser arus menunjukkan respon yang baik dalam memproduksi tegangan keluaran. Benda ini bekerja sesuai dengan kondisi ideal. Namun, masih ada sedikit ripple pada tegangan outputnya. Hal ini disebabkan oleh kurang baiknya koneksi pada PCB dan papan percobaan. Respon yang baik dapat disimpulkan berdasarkan figure dibawah ini:


20

Gambar 4.1. Tegangan Keluar Transduser Arus Gambar diatas mempunyai frekuensi dan skala yang sama pada osilskop. Baris pertama pada gambar adalah penghasil sinyal, baris kedua adalah tegangan pada resistor 10 ohm, dan baris terakhir adalah keluaran dari transduser arus.

Transduser arus sendiri memiliki waktu tenggang untuk bereaksi terhadap perubahan pada arus yang mengalir. Seperti dapat dilihat dibawah ini:


21

Gambar 4.2. Waktu Tenggang Tegangan Keluar Didalam transduser arus, terdapat rangkaian elektronik termasuk rangkaian integrator. Rangkaian elektronik ini diaktifkan oleh tegangan 5 (lima) volt dari luar. Tanpa adanya tegangan lima volt tersebut, rangkaian ini tidak akan aktif, sebagai hasilnya tegangan keluarannya akan sejenis dengan keluaran dari toroidal sebelum diintegrasikan didalam osiloskop. Figur dibawah ini akan menunjukkan lebih jelasnya.


22

Gambar 4.3. Tegangan Keluar Transduser Arus Tanpa Power Supply Tampak tanpa adanya power supply, maka rangkaian integrator didalam transduser arus tidak aktif, sehingga gelombang yang dihasilkan bentuknya masih berupa impuls saja.


23

Gambar 4.4. Tegangan Keluar Transduser Arus Dengan Power Supply Dengan aktifnya rangkaian integrator pada transduser arus, maka tegangan yang dihasilkan lebih berbentuk gelombang kotak. Hal ini dapat dilihat pada gambar diatas. 5. Kesimpulan Proyek ini mempunyai beberapa hasil yang dapat disimpulkan bahwa transduser arus dipengaruhi oleh banyaknya lilitan, tegangan, dan arus yang mau diukur. Komponen ini tampak dapat bekerja secara ideal dalam kondisi tertentu. Namun, waktu delay tetap harus diperhitungkan. Tegangan keluar pada transduser arus akan meningkat secara proporsional dengan banyaknya lilitan dan arus yang mau diukur. Namun, sebagai acuan, transduser akan menggunakan 1 lilitan dan arus primer 1 Ampere yang akan diuji. Hasil tegangan keluar dari transduser arus adalah 110 mV untuk arus yang diukur sebesar 1 A.Terdapat 2 ukuran toroid dan 4 nilai hambatan yang diuji dalam pengujian ini, yaitu Toroid Abu-Abu dan Toroid Hitam, juga resistor sebesar 100 ohm, 82 ohm, 10 ohm, dan 2 ohm. Berdasarkan tabel pada bagian analisa, resistor 82 ohm dan Toroid Abu-Abu menunjukkan hasil yang paling mendekati dengan transduser arus, yaitu sebesar 101 mV. Tabel tersebut juga memperlihatkan adanya pengaruh hambatan terhadap teganga sekunder, dimana semakin besar hambatan maka akan semakin besar pula tegangan sekunder.


24

6. Kepustakaan [1] Hall Effect 2010, Wikipedia, viewed 10 November 2010, < http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect > [2] Current Transformer Explained 2010, The Electricity Forum, viewed 10 November 2010, < http://www.electricityforum.com/products/currenttransformer.htm> [3] How do Rogowski Coils Work ? 2010, Rocoil, viewed 10 November 2010, < http://homepage.ntlworld.com/rocoil/principle.htm> [4] Current Transducer 2010, Current Transducer, viewed 10 November 2010, < http://currenttransducer.org/> [5] Meeker, D 2006, FEMM 4.2 Magnetostatic Tutorial, viewed 10 October 2010, . [6] “Measure AC and DC Current Amps Using a Hall Effect Current Sensor Clamp”. Accessed June 29,2011. http://www.scienceshareware.com/how-tomeasure-AC-DC-current-with-a-hall-effect-clamp-.htm [7] Arevausitr. “Current Transformer”. Accessed June 30, 2011. http://www.arevausitr.com/images/pic_currenttransformersGIF.gif [8] DST Solar. “Hall Effect”. Accessed June 31, 2011. http://www.dstsolar.com/images/dc_img_2.jpg [9] General Electric. “Selecting Current Transformer Part 1”. Accessed June 30, 2011. http://www.geindustrial.com/Newsletter/current_transformer_paper.pdf [10] Honeywell. “Hall Effect Sensor”. Accessed June 30, 2011. http://rocky.digikey.com/weblib/Honeywell%20Sensing%20&%20Control/Web %20Photos/CSLA2CD.jpg [11] John Loomis. “Simple Integrator”. Accessed June 31, 2011. http://www.johnloomis.org/ece303L/lab5/integrator2_sm.gif [12]McGraw-Hill Science & Technology Encyclopedia. “Current Measurement”. Accessed June 28, 2011. http://www.answer.com/topic/current-measurement

[13]Pemuk. “Flexible Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.pemuk.com/pageimages/coil.jpg [14]Pemuk. “Rigid Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.highcurrenttech.com/g-seri2.gif


25

[15]Pemuk. “Rogowski Coil”. Accessed June 31, 2011. http://www.pemuk.com/pageimages/basic.jpg [16]RC Electronics. “Current Shunt Resistors”. Accessed June 29, 2011. http://www.rc-electronics-usa.com/current-shunt.html [17]Reuk. “100 Amp Current Shunt Resistor”. Accessed June 30, 2011. http://www.reuk.co.uk/OtherImages/100amp-current-shunt-resistor.jpg [18] Science Hareware. n.d. “How to measure DC / AC current”. Accessed June 28, 2011. http://www.scienceshareware.com/how-to-measure-DCcurrent.htm. [19]Wikimedia. “Ammeter”. Accessed June 30, 2011. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Ammeter.png [20]Wikipedia. “Current Transformer”. Last modified May 24, 2011. http://en.wikipedia.org/wiki/Current_transformer


26


ANALISIS TRANSDUSER ARUS DENGAN MENGGUNAKAN BERBAGAI MACAM RESISTANSI DAN UKURAN TOROIDA

Recommend Documents