PERANCANGAN ALAT PENCATATAN PEMAKAIAN LISTRIK DIGITAL
HUDARSONO
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
ABSTRAK HUDARSONO (G74103001). Perancangan Alat Pencatatan Pemakaian Listrik Digital. Dibimbing oleh MAHFUDDIN ZUHRI dan AHMAD AMINUDIN. Penelitian ini dilakukan untuk merancang sebuah alat pencatatan pemakaian listrik (meteran listrik) digital untuk penggunaan skala kecil (rumah tangga) dengan akurasi yang diperoleh dari hasil pengujian adalah 98%. Meteran listrik ini juga memiliki kemampuan untuk berkomunikasi dalam jaringan karena meteran listrik memiliki fitur device addressing yang memungkinkan pembedaan antara meteran listrik yang satu dengan yang lainya. Selain itu, meteran listrik juga dapat berkomunikasi dengan PC (Personal Computer) melalui komunikasi serial dengan interface RS232 melalui aplikasi software yang telah dibuat dalam penelitian ini. Variabel listrik yang dapat dibaca oleh meteran listrik ini adalah akumulasi pemakaian energy, tegangan RMS, arus RMS, daya aktif, daya reaktif, daya total, faktor daya, dan frekuensi. Kata kunci: meteran listrik, device addressing, pemakaian energi, Personal Computer
PERANCANGAN ALAT PENCATATAN PEMAKAIAN LISTRIK DIGITAL
HUDARSONO
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 24 Agustus 1985 dari pasangan Bapak Husani dan Ibu Helenawati. Penulis merupakan putra kedua dari empat bersaudara. Sejak lahir hingga menyelesaikan pendidikan menegah atas, penulis tinggal di kota Lubuklinggau, Sumatera Selatan. Setelah lulus dari SLTA Xaverius Lubuklinggau, penulis melanjutkan studi di Departemen Fisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor. Selama mahasiswa, penulis juga aktif dalam mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa yang diselenggarakan oleh DIKTI. Selain bidang Fisika, bidang IT (Information Technology) juga sangat diminati oleh penulis sehingga penulis juga mengikuti training CCNA (Cisco Certified Networking Associate) dan juga sebagai asisten dalam training tersebut. Penulis juga telah menulis sebuah buku dalam bidang IT yang sedang dalam proses penerbitan.
Judul Nama NRP
: Peracangan Alat Pencatatan Pemakaian Listrik Digital : Hudarsono : G74103001
Menyetujui :
Mahfuddin Zuhri, M.Si Pembimbing I
Ahmad Aminudin, M.Si Pembimbing II
Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M.S. NIP. 131 473 999
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Penelitian yang telah diselesaikan ini bertemakan perancangan pencatatan pemakaian listrik digital. Skripsi ini dibuat dalam rangka untuk memperoleh gelar sarjana dari Departemen Fisika IPB Bogor. Skripsi ini telah memuat hal – hal utama dan penting dalam penelitian ini, dan diharapkan karya ini akan berguna untuk perkembangan penelitian selanjutnya. Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah ikut berkontribusi sehingga skripsi dapat selesaikan dalam rangka memperoleh gelar sarjana. Ucapan terima kasih juga penulis haturkan kepada dosen pembimbing yaitu Mahfuddin Zuhri M.Si dan Ahmad Aminuddin M.Si yang telah membimbing selama proses penelitian ini. Dan juga kepada pihak PLN (Pak Ilham dan Pak Boyke) yang telah mendukung penelitian ini, penulis ucapkan terima kasih. Terima kasih juga kepada dosen-dosen lain yang telah memberi masukan dalam penelitian ini, terutama kepada Ardian Arif M.Si dan Irmansyah M.Si selaku dosen penguji. Kepada temanteman bagian instrumentasi yang telah banyak membantu yaitu Rizal dan Subhi, penulis juga ucapkan terima kasih. Akhir kata, semoga hasil penelitian ini dapat digunakan dengan baik ataupun dikembangkan untuk penelitian selanjutnya.
Bogor, Agustus 2007
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR ISI …………………………………………………………………………….. vii DAFTAR GAMBAR …………………………………………………………………….. viii DAFTAR TABEL ……………………………………………………………………….. ix PENDAHULUAN ……………………………………………………………………….. Latar Belakang ………………………………………………………………………. Tujuan Penelitian …………………………………………………………………….
1 1 1
TINJAUAN PUSTAKA ………………………………………………………………….. Meteran Listrik Digital ………………………………………………………………. Perhitungan Daya Listrik …………………………………………………………….. Daya Aktif dan Daya Reaktif ………………………………………………………… Daya Aktif ……………………………………………………………………………. Daya Reaktif …………………………………………………………………………. Faktor Daya …………………………………………………………………………… Pengukur Tegangan dan Pengukur Arus ……………………………………………... Pengukur Arus ………………………………………………………………………… Pengukur Tegangan …………………………………………………………………… Standardisasi Meteran Listrik ………………………………………………………… Mixed-Signal Microcontroller MAXQ3120 …………………………………………..
1 1 2 2 2 3 3 4 4 5 5 5
BAHAN DAN METODE …………………………………………………………………. Tempat dan Waktu Penelitian ………………………………………………………… Alat dan Bahan ………………………………………………………………………..
6 6 6
HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………………………………….
9
SIMPULAN DAN SARAN ………………………………………………………………... 13 Simpulan ………………………………………………………………………………. 13 Saran …………………………………………………………………………………… 13 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………………… 13 LAMPIRAN ……………………………………………………………………………….. 14
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Meteran Listrik Digital ………………………………………………………. 2 Gambar 2. Kurva Hubugan Tegangan, Arus, dan Daya …………………………………. 2 Gambar 3. Kurva Hubugan antar Daya, Arus, dan Tegangan …………………………… 3 Gambar 4. Rangkaian Pengukur Arus …………………………………………………… 4 Gambar 5. Rangkaian Pengukur Tegangan ……………………………………………… 5 Gambar 6. Mikrokontroler MAXQ3120 …………………………………………………. 5 Gambar 7. Diagram Blok Front-End MAXQ3120 ………………………………………. 6 Gambar 8. Desain Meteran Listrik Digital ……………………………………………….. 7 Gambar 9. Format Paket Daya ……………………………………………………………. 7 Gambar 10. Desain Sensor Tegangan ……………………………………………………… 7 Gambar 11. Desain Sensor Arus …………………………………………………………… 7 Gambar 12. Rangkaian Pengujian Sensor Tegangan ……………………………………… 8 Gambar 13. Rangkaian Pengujian Sensor Arus …………………………………………… 8 Gambar 14. Diagram Alir Penelitian ………………………………………………………. 8 Gambar 15. Hasil Pengujian Sensor Arus …………………………………………………. 9 Gambar 16. Hasil Pengujian Sensor Tegangan ……………………………………………. 9 Gambar 17. Diagram Alir Kerja DSP ……………………………………………………… 12 Gambar 18. Struktur Program Meteran Listrik …………………………………………….. 13
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1. Tabel 2. Tabel 3. Tabel 4. Tabel 5. Tabel 6. Tabel 7. Tabel 8. Tabel 9.
Data Pengukuran Nilai Offset ADC ………………………………………………. 9 Data Pengukuran Nilai Gain Sensor Tegangan …………………………………… 10 Data Pengukuran Nilai Gain Sensor Arus ………………………………………… 10 Hasil Pengukuran Nilai Offset Sensor …………………………………………….. 11 Hasil Pengukuran Nilai Offset Daya ………………………………………………. 11 Hasil Pengukuran berbagai Beban dengan Power Logic PM800 …………………..11 Hasil Pengukuran berbagai Beban dengan Meteran Listrik Rancangan…………… 11 Hasil Pengukuran Akumulai Pemakaian Energi berbagai Beban selama 15 menit .. 12 Hasil Perhitungan Persentase Perbedaan Hasil Pengukuran terhadap PM800 ……..12
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Saat ini, dengan tingkat pertumbuhan penduduk yang tinggi setiap tahunnya, maka kebutuhan akan energi listrik juga semakin meningkat. Kita tahu bahwa energi listrik merupakan salah satu energi yang memegang peranan vital dalam berbagai aspek kehidupan, baik rumah tangga maupun industri. Di Indonesia terdapat sebuah perusahaan negara yang berperan untuk memenuhi kebutuhan semua penduduk akan energi listrik, yaitu dengan cara menyalurkan energi listrik ke pelanggan dengan menggunakan sarana transmisi berupa kabel listrik. Walaupun pembangkit listrik telah mengalami proses swastanisasi, proses distribusi dan layanannya masih dipercayakan pada PLN ( Perusahaan Listrik Negara). Dengan semakin banyaknya pelanggan PLN, maka jaringan distribusi listrik pun akan semakin besar. Semakin besarnya jaringan listrik PLN, maka akan dibutuhkan usaha yang semakin besar untuk pengawasan dan kontrol. Apalagi saat ini proses pengontrolan dan pengawasan masih dilakukan secara manual dengan menggunakan tenaga manusia, sehingga biaya dan waktu yang dibutuhkan akan semakin besar. Semakin maraknya pencurian listrik yang dilakukan baik oleh industri maupun rumah tangga juga perlu menjadi perhatian khusus untuk menghindari kerugian. Walaupun untuk tingkat industri telah diatasi dengan cara menggunakan AMR (Automated Meter Reading) sehingga tingkat pencurian dapat diminimalisir, tapi untuk tingkat rumah tangga masih belum teratasi dengan baik. Mengingat tingginya biaya untuk instalasi AMR ini, maka pemasangan AMR di rumah tangga dirasa kurang efektif. Selain pencurian listrik, kasus human error juga sering menjadi keluhan para pelanggan yaitu kesalahan pencatatan pemakaian listrik oleh pekerja PLN apalagi untuk daerah-daerah yang sulit dijangkau oleh sarana transportasi. Selain itu biasanya keluhan juga timbul akibat waktu pencatatan yang tidak benar-benar tepat waktu oleh pekerja PLN. Kapabilitas PLN untuk menanggapi keluhankeluhan ini juga belum memadai. Hal ini dapat dipahami mengingat sarana dan prasarana yang dimiliki pihak PLN dalam distribusi listrik yang belum benar-benar memadai, sehingga pihak PLN mengalami kesulitan untuk memberikan data-data pemakaian listrik oleh pelanggan secara akurat dan konkret. Ini juga disebabkan karena saat ini meteran listrik yang
digunakan oleh PLN masih berupa meteran listrik analog sehingga belum memiliki kemampuan untuk mengirimkan data secara otomatis melalui jaringan. Tujuan Penelitian Secara umum penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah meteran listrik digital yang mampu membaca berbagai variabel pemakaian energi listrik memungkinkan pengembangan untuk komunikasi dalam jaringan. Dengan adanya fasilitas ini diharapkan dapat : 9 meminimalisir tingkat pencurian listrik dan manipulasi meteran listrik milik PLN, 9 meminimalisir kemungkinan terjadinya kesalahan pencatatan pemakaian listrik, 9 memberikan hasil pengukuran yang lebih akurat, 9 memungkinkan pelanggan mengetahui berbagai informasi mengenai pemakaian beban rumah tangga. TINJAUAN PUSTAKA Meteran Listrik Digital Meteran listrik merupakan sebuat alat yang dirancang agar dapat mengukur energi listrik yang digunakan oleh pemakai listrik. Pada umumnya, meteran listrik dipasang diantara jaringan penyedia listrik dan pemakai, sehingga arus listrik yang digunakan oleh pemakai akan melewati meteran listrik terlebih dahulu untuk diukur. Dengan demikian, semua energi listrik yang dipakai oleh pemakai akan diukur oleh meteran listrik. Biasanya meteran listrik akan mengakumulasi energi total yang digunakan oleh pemakai pada selang waktu tertentu. Pada umumnya meteran listrik terdiri dari dua jenis yaitu meteran listrik analog dan digital. Meteran listrik digital memiliki beberapa kelebihan dibanding meteran analog baik dalam hal akurasi, keamanan maupun dalam hal komunikasi. Meteran listrik digital biasanya menggunakan komponen-komponen elektronik untuk mengukur penggunaan energi listrik dan pengolahan data hasil pengukuran juga dilakukan secara elektronik. Pada umumnya meteran listrik digital menggunakan LCD (Liquid Crsytal Display) sebagai penampil data akumulasi pemakaian listrik dan menggunakan memori elektronik untuk mengakumulasi jumlah pemakaian energi listrik. Salah satu tipe meteran listrik yang banyak dipakai sekarang ini biasanya disebut sebagai KWH Meter (KiloWattHours Meter).
2
KWH Meter mengukur jumlah energi yang dipakai oleh beban dalam satuan KiloWattHour, dimana satu KWH berarti jumlah energi yang setara dengan pemakaian daya satu KiloWatt selama satu jam atau setara dengan 1000 watt x 1 jam x 3600 detik/jam yaitu 3.600.000 joule. Satuan energi yang digunakan dalam pengukuran jumlah pemakaian energi listrik adalah KiloWattHours dimana KiloWatt sendiri adalah satuan daya pemakaian. Jadi energi dapat diperoleh dengan persamaan (1). W = ∫ pdt
tidak akan menghasilkan penggunaan daya yang sesungguhnya dalam watt. Karena pada umumnya, terdapat beban yang bersifat kapasitif atau induktif yang membuat tegangan dan arus tidak sefasa.
(1)
Dalam persamaan (1), W adalah energi, p adalah daya sesaat, dan t adalah selang waktu pemakaian. Jadi Meteran Listrik bekerja dengan cara mengukur daya pemakaian listrik tiap satuan waktu lalu mengintegralkannya selama selang waktu tertentu untuk memperoleh akumulasi pemakaian listrik.
Gambar 1 Meteran Listrik Digital
Perhitungan Daya Listrik Pada awalnya, perhitungan daya ini terlihat sangat sederhana, yaitu bila tegangan dan arus bersifat sinusoidal, maka nilai RMS (RootMeanSquare) nya hanya 1/ 2 kali nilai puncak tegangan dan arus. Dengan mengalikan nilai RMS tegangan dan arus maka akan diperoleh daya dalam watt. Tapi pada kenyataannya, cara seperti ini tidak dapat digunakan dalam perhitungan daya yang digunakan di rumah tangga. Ada dua alasan yang utama yaitu: 9 Tegangan yang ditransimisikan dari perusahaan listrik memang hampir sinusoidal, tapi arusnya belum tentu sinusoidal terutama bila terdapat beban non linear seperti lampu fluororencent, switching power supply membuat arus yang digunakan tidak sinusoidal. Maka mencari nilai RMS arus dengan mengalikan 1/ 2 tidak lagi memenuhi. 9 Walaupun bila ternyata arus bersifat sinusoidal, kecuali tegangan dan arus tepat satu fasa, maka cara sederhana dengan mengalikan nilai RMS tegangan dan arus
Gambar 2 Kurva Hubungan Tegangan, Arus, dan Daya
Daya Aktif dan Daya Reaktif Daya pemakaian listrik sendiri terdiri dari dua bagian yaitu daya aktif (active/real power) dan daya reaktif (reactive power). Secara sederhana, dapat dibayangkan bahwa daya aktif merupakan daya yang dipakai oleh beban sedangkan daya reaktif merupakan daya yang diserap tapi tidak digunakan untuk melakukan kerja karena beban tidak dapat menggunakan semua daya yang disediakan oleh penyedia listrik. Seperti pernyataan dalam sebuah makalah, “Dalam hal daya reaktif, jumlah energi yang mengalir menuju satu arah sama besar dengan jumlah energi yang mengalir dalam arah yang berlawanan. Hal itu berarti bahwa energi tersebut tidak ditransmisikan dan tidak juga diserap”.[13] Daya aktif ini merupakan daya yang digunakan oleh beban resitif murni sedangkan daya reaktif disebabkan oleh adanya beban induktif atau kapasitif (beban reaktif). Beban induktif memiliki daya reaktif yang positif sedangkan beban kapasitif akan memiliki daya reaktif yang negatif. Jadi daya yang digunakan oleh beban untuk melakukan kerja merupakan daya aktif. Dalam perhitungan daya pemakaian oleh pihak penyedia listrik, yang dikenakan biaya hanya daya aktifnya saja. Daya Aktif Pada arus AC (Alternating Current), tegangan bersifat sinusoidal sedang arusnya bisa bersifat sinusoidal ataupun tidak (bila terdapat beban tidak linear). Bila terdapat beban reaktif maka arus dan tegangan akan mengalami pergeseran fasa sebesar φ . Pada
