3
BAB II KWH-METER ELEKTRONIK
2.1.
UMUM
Energi ialah besar daya terpakai oleh beban dikalikan dengan lamanya pemakaian daya tersebut atau daya yang dikeluarkan oleh pembangkit energi listrik dikalikan dengan lamanya pembangkit beroperasi mencatu daya tersebut. Satuan besaran energi adalah wattjam atau kilo-wattjam. Energi listrik dinyatakan dalam rumus :
W = V.I . cos Ø. t ..........................................................(2.1)
Di mana : W
: Energi listrik (kWh )
V
: Tegangan listrik (Volt)
I
: Arus listrik (Ampere)
Cos Ø
: Faktor daya
t
: Waktu (jam)
Alat untuk mengukur besarnya energi dinamakan watt-jam-meter atau kilowatt-jam-meter, namun lazim disebut Wh-meter atau kWh-meter (h dari kata hour = jam). Alat ukur ini membutuhkan besaran tegangan, besaran arus dan waktu. KWh-meter
elektronik
termasuk
dalam
kWh-meter
statik
yang
menggunakan komponen elektronik sebagai pemroses utama. Komponen elektronik mendeteksi tegangan dan arus sesaat dan diproses untuk menghasilkan pulsa yang mempunyai frekuensi sebanding dengan energi yang diukur (kWh). KWh-meter elektronik ini mempunyai empat bagian utama yaitu :
3
3
Universitas Sumatera Utara
4
1. Bagian sensor tegangan dan arus 2. Bagian pengali 3. Bagian pemroses 4. Bagian tampilan / display
2.2.
PRINSIP KERJA Cara kerja kWh-meter elektronik secara umum terdiri dari 3 tahap, yaitu : 1. Mendeteksi tegangan dan arus sesaat. 2. Mengalikan kedua besaran tersebut (tegangan dan arus) untuk memperoleh daya sesaat. 3. Mengintegrasikan/mengakumulasi hasil perkalian tegangan dan arus pada butir 2 di atas. Gambar 2.1 dapat menjelaskan secara umum prinsif kerja kWh-meter
elektronik. Komponen catu daya adalah rangkaian internal alat ukur kWh, yang berfungsi sebagai sumber tegangan pada kWh-meter tersebut. Komponen V adalah rangkaian internal alat ukur kWh, yang terdiri dari sensor tegangan. Komponen I adalah rangkaian internal alat ukur kWh, yang terdiri dari sensor arus.
Supply AC Indikator operasi Catu Daya
V
Pengali
ADC
Mikro prosesor
Display
Memory
I
Load
Gambar 2.1. Diagram Blok KWh-meter Elektronik 4
Universitas Sumatera Utara
5
Komponen pengali adalah bagian alat ukur yang mengintegrasikan besaran tegangan dan besaran arus. Komponen ADC adalah bagian alat ukur yang merubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Komponen mikroprosesor adalah suatu piranti pengolahan data. Komponen memori adalah suatu piranti yang menyimpan informasi digital berupa bilangan-bilangan biner. Indikator operasi adalah suatu piranti yang memberikan sinyal kasat mata, yang menunjukan bahwa alat ukur sedang beroperasi. Sedangkan komponen display adalah piranti yang menampilkan energi aktif yang terukur.
2.3.
KOMPONEN CATU DAYA
Tegangan yang di butuhkan oleh peralatan elektronik adalah tegangan rendah yaitu kurang atau sama dengan 24 volt DC. Sehingga diperlukan sebuah alat yang dapat menurunkan tegangan dan disearahkan sehingga menghasilkan tegangan DC sebesar 24 volt. Pada Gambar 2.2 ditunjukkan rangkaian penurun tegangan dan penghasil tegangan DC. Penurun tegangan ini berupa autotrafo dan penghasil tegangan DC berupa penyearah jembatan.
220 V AC
24 V DC
Gambar 2.2 Rangkaian Penurun Tegangan dan Penghasil Tegangan DC
5
Universitas Sumatera Utara
6
2.4.
KOMPONEN TEGANGAN
Komponen tegangan adalah sensor tegangan yang berfungsi untuk menentukan tegangan jala-jala listrik setiap saat. Hal ini diperlukan untuk mengukur tegangan setiap saat. Sensor tegangan ini berupa pembagi tegangan dan sebuah op-amp seperti ditujukkan pada Gambar 2.3. Tegangan yang dihasilkan masih berupa sinyal sinusoidal. Tegangan ini akan diteruskan ke input rangkaian pengali.
220 K
2k
+
10k
5K
Gambar 2.3 Rangkaian Sensor Tegangan
2.5.
KOMPONEN ARUS
Sensor arus berupa suatu CT (Current Transfomer) yang kontruksinya seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Primer CT berupa sebatang kawat. Arus beban dilewatkan melalui kawat ini. Inti CT berupa cincin solenoida sedangkan kumparan sekunder berupa kawat email digulung pada cincin solenoida. Jika primer dialiri arus maka pada kumparan sekunder diinduksikan arus yang sebanding dengan arus primer. Arus yang mengalir ke kumparan sekunder akan diteruskan ke input rangkaian pengali. Arus keluar dari sensor arus masih berupa sinyal sinusoidal. Sensor arus berfungsi untuk mendeteksi dan menghitung arus yag dipakai oleh konsumen. Mendeteksi arus diperlukan untuk menghitung daya rata-rata yang digunakan oleh konsumen. 6
Universitas Sumatera Utara
7
47k vcc 20k
2k
+
47k
-
28k
10k
Arus keluaran
10k
Gambar 2.4 Rangkaian Sensor Arus
2.6.
KOMPONEN PENGALI (MULTIPLIER)
Rangkaian Multiplier terdiri dari dua input yaitu output dari sensor tegangan dan output dari sensor arus dan menghasilkan satu output. Rangkaian pengali dapat dilihat pada Gambar 2.5. Rangkaian ini berfungsi sebagai pengali output dari sensor tegangan dan output dari sensor arus. Level tegangan keluaran dari rangkaian pengali berkisar antara 0 – 5 V.
+12 V
Ry
Rx
Sensor tegangan Sensor arus
10
2k1 11
6
RL
RL
1
5
2
9 MC 1495
4
Ke ADC
14
7 -12 V
0.01µF 10k
3
13
12
8
10k
5k
5k
5k
Gambar 2.5 Rangkaian Pengali (Multiplier) 7
Universitas Sumatera Utara
8
Keluaran dari rangkaian pengali diteruskan ke rangkaian penyearah seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.6. Sinyal output dari rangkaian pengali disearahkan agar bagian negatif dari sinyal tersebut menjadi positif. Kemudian diteruskan ke rangkaian Analog to Digital Converter (ADC).
R
Vo
D1
Vi
V+
R
D2 +
V-
Gambar 2.6 Rangkaian Penyearah
2.7.
ADC (ANALOG TO DIGITAL CONVERTER)
Sebuah Analog to Digital Converter (biasanya disingkat ADC, A/D atau A to D) adalah sebuah rangkaian elektronik yang berfungsi mengubah sinyal kontinu (analog) menjadi keluaran diskrit/digital. Umumnya, sebuah ADC adalah sebuah piranti elektronik yang mengubah sebuah tegangan menjadi sebuah bilangan digital biner.
1 2
V
Output 8 bit ke Mikroprosesor
CS
VCC
20
RD
CLK R
19
CLK IN
4
Vin (+) Vin (-) A GND
6 7 8
V Ref/2
9
3 5
INTR
11 12 13 14 15 16 17 18
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
WR
10 K
D GND 10
150 pF
VCC = 5 V
10 K 10 µF
Gambar 2.7 Rangkaian ADC 8
Universitas Sumatera Utara
9
Pada Gambar 2.7. memperlihatkan rangkaian ADC. ADC ini memerlukan dua input analog yaitu Vin (+) dan Vin (-). Input analog ini merupakan output dari rangkaian penyearah yang berkisar antara 0 – 5 V. Input dari rangkaian penyearah akan diubah kedalam bentuk bilangan biner sebanyak 8 bit. Output 8 bit ini akan diteruskan ke mikroprosesor.
2.8.
MIKROPROSESOR
Mikroprosesor, dikenal dengan sebutan Central Processing Unit (CPU) artinya unit pengolahan pusat. Mikroprosesor adalah pusat dari proses perhitungan dan pengolahan data yang terbuat dari sebuah lempengan yang disebut “chip”. Chip sering disebut juga dengan “Integrated Circuit (IC)”, bentuknya kecil, terbuat dari lempengan silikon dan bisa terdiri dari 10 juta transistor. Mikroprosesor berfungsi sebagai tempat untuk melakukan pelbagai pengolahan data. Pekerjaan pengolahan data diantaranya: mencatat, melihat, membaca, membandingkan, menghitung, mengingat, mengurutkan maupun membandingkan. Dalam bekerja, fungsi dari Mikroprosesor terbagi menjadi : •
Internal Memory, berfungsi untuk menyimpan data dan program.
•
ALU (Arithmatic Logical Unit), untuk melaksanakan perbagai macam perhitungan.
•
Control Unit, bertugas untuk mengatur seluruh operasi.
Mikroprosesor juga memiliki unit antarmuka masukan/keluaran yang menghubungkan sistem mikroprosesor ke piranti eksternal. piranti itu adalah I/O yang bersifat dua arah. Artinya menyediakan sambungan ke dan dari sistem mikroprosesor dengan piranti-piranti lain. Gambar 2.8 menunjukkan kaki atau pin pada mikroprosesor. Pin D0-D7 digunakan untuk mentransfer data dari dan ke memori dan peralatan peripheral.
9
Universitas Sumatera Utara
10
Vss
1
40
RESET
HALT
2
39
EXTAL
MR
3
38
XTAL
IRQ
4
37
E
VMA
5
36
RE
NMI
6
35
Vcc Standby
BA
7
34
R/W
Vcc
8
33
D0
A0
9
32
D1
A1
10
31
D2
A2
11
30
D3
A3
12
29
D4
A4
13
28
D5
A5
14
27
D6
A6
15
26
D7
A7
16
25
A15
A8
17
24
A14
A9
18
23
A13
A10
19
22
A12
A11
20
21
Vss
Gambar 2.8 Konfigurasi Pin Pada Mikroprosesor
Dari peralatan peripheral tersebut akan di teruskan ke sebuah piranti. Piranti itu adalah driver display yang digunakan pada bagian tampilan kWh-meter elektronik.
2.9. TAMPILAN (DISPLAY)
Hasil akhir dari seluruh proses Kwh-meter elektronik adalah display atau tampilan. Tampilan inilah yang menunjukkan hasil pengukuran. KWh-meter elektronik mempunyai dua jenis tampilan yaitu tampilan anaolg dan tampilan digital atau liquid crytal display.
(a)
(b)
Gambar 2.9 Jenis Tampilan KWh-meter Elektronik 10
Universitas Sumatera Utara
11
Tampilan analog seperti Gambar 2.9.a menggunakan motor stepper untuk mengerakkan single rate drum-register. Pada Gambar 2.9.b adalah tampilan kWhmeter elektronik yang menggunakan LCD.
11
Universitas Sumatera Utara
