PERANCANGAN SISTEM PERBAIKAN FAKTOR DAYA (cos φ) OTOMATISDENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMega8535
SKRIPSI
MANONGGOR SITUMORANG 070801026
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Universitas Sumatera Utara
PERANCANGAN SISTEM PERBAIKAN FAKTOR DAYA (cos φ) OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMega8535
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar sarjana sains
MANONGGOR SITUMORANG 070801026
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
Kategori Nama NIM Program Studi Departemen Fakultas
: PERANCANGAN SISTEM PERBAIKAN FAKTOR DAYA (cos φ) OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMega8535 : SKRIPSI : MANONGGOR SITUMORANG : 070801026 : SARJANA (S1) FISIKA : FISIKA : MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM (MIPA) UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Diluluskankan di : Medan, 7 Mei 2013
Diketahui/ Disetujui oleh Ketua Departemen Fisika FMIPA USU
Dr. Marhaposan Situmorang NIP : 195510301980031003
Pembimbing
Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng,Sc NIP: 195609181985031002
Universitas Sumatera Utara
PERNYATAAN
PERANCANGAN SISTEM PERBAIKAN FAKTOR DAYA (cos φ) OTOMATIS DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMega8535
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dari ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 7 Mei 2013
MANONGGOR SITUMORANG 070801026
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Segala Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Tuhan, karena dengan limpah karunia-Nya skripsi ini berhasil diselesaiakan dalam waktu yang telah ditetapkan.
Ucapan terimakasih kepada bapak Dr. BismanPerangin-angin, M.Eng,Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan panduan dan penuh percaya kepada saya untuk menyempurnakan hingga pada penyelesaian tugas akhir ini. Panduan ringkas, padat dan professional telah diberikan agar penulis dapat menyelesaikan tugas ini dengan baik. Ucapan terimakasih juga ditujukan kepada Ketua Departemen Fisika FMIPA USU, Dr. Marhaposan Situmorang, Dekan dan Pembantu Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, semua staf dosen di Departemen Fisika FMIPA USU, juga pegawai di FMIPA USU. Kepada semua rekan-rekan kuliah Fisika angkatan 2007 “PHYSICS I DO”, senior dan adikadik yang telah memberikan bantuan, semangat serta dorongan. Kepada teman-teman alumni SMA Bintang Timur Balige yang memberikan dukungan dan dorongan. Kepada rekan-rekan asisten Lab. Elektronika Dasar FMIPA USU, Bang Fahry, Lyri, Vina, Emy, dan Rony. Kepada ito br. Tambunan yang telah memberikan waktu dan dukungan serta doa hingga selesainya tugas akhir ini. Juga tentunya kepada Ayah dan Bunda yang telah bersusah payah, serta tak bosan-bosannya memberikan perhatian dan cintanya, juga kepada kakak N.Mutiara, Ito Rose, Ito Hara, Dekrino dan semua sanak keluarga yang selama ini memberikan bantuan dan dorongan yang diperlukan. Puji Tuhan, semua yang baik akan dibalas oleh-Nya. Akhir kata, semoga tulisan ini bermanfaat bagi pembaca dan penulis sangat mengharapkan saran yang membangun dalam penyempurnaan tulisan ini.
Medan, 7 Mei 2013
Penulis
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Beban listrik yang digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang menyebabkan gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai oleh beban, sehingga menimbulkan kerugian yang tidak sedikit. Kerugian daya yang disebabkan beban reaktif induktif bisa dikurangi dengan memperbaiki faktor daya. Sistem yang dirancang mencoba membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel. Dengan kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu mendekati nilai maksimumnya. Faktor daya dihitung dengan cara membandingkan antara sinyal analog arus bolak-balik yang dihasilkan oleh sensor arus dengan sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus disebut beban induktif. Selanjutnya mikrokontoler akan mengendalikan switching kapasitor melalui relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroler. Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 18 Watt sampai beban 108 Watt, sehingga data yang diperoleh merupakan data hasil penghematan daya listrik. Besarnya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban. Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi, dimana penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
Universitas Sumatera Utara
DESIGNING POWER FACTOR (cos φ) IMPROVEMENT SYSTEM USING MICROCONTROLLER ATMega8535
ABSTRACT
Electrical load is used generally have inductive reactive load that caused the current wave lags behind the voltage wave. This resulted in the amount of power absorbed from the power source is greater than that used by the load, causing a loss that is not small. Power loss caused by inductive reactive load can be reduced by improving the power factor. System designed try to make a system that connects the circuit power factor is measured by a combination of capacitors that are strung in parallel. With this combination, the expected value of the corrected power factor able to approach its maximum value. Power factor is calculated by comparing the analog signal of alternating current generated by the current sensor with analog signals generated by the voltage sensor. If the analog voltage signal precedes the current analog signal, this is called the load inductive. Furthermore microcontroller will control the switching of capacitors through a relay in accordance with the results of calculations on the microcontroller. Testing is done by connecting an inductive load of TL lamps with various power, starting from 18 watts to 108 Watt power load, so the data obtained by the data of electric power saving. The amount of electric power saving varies, depending on the size of the capacitor is connected to the load. From the test results obtained that the power is successfully saved varies, where the minimum savings is 3.24% and maximum is 7.39%.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman Persetujuan ....................................................................................................... ii Pernyataan ........................................................................................................ iii Penghargaan ..................................................................................................... iv Abstrak ............................................................................................................. vi Abstract ............................................................................................................ vi Daftar Isi ........................................................................................................... vii Daftar Tabel ...................................................................................................... x Daftar Gambar .................................................................................................. xi Daftar Lampiran ............................................................................................... xii Bab I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1.2 Rumusan Masalah .......................................................................... 1.3 Batasan Masalah ............................................................................. 1.4 Tujuan Penelitian ........................................................................... 1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................ 1.6 Sistematika Penulisan ....................................................................
1 2 2 2 2 3
Bab II Tinjauan Pustaka 2.1 Daya …………………………………………..…………………. 2.2 Daya Kompleks ……………………………….…...…………….. 2.2.1 Daya Nyata ........................................................................... 2.2.2 Daya Reaktif ......................................................................... 2.2.3 Daya Tampak ........................................................................ 2.3 Faktor Daya ……………………………………………………… 2.3.1 Beban Resistif Murni ……………………………………… 2.3.2 Beban Induktif …………………………..…………………. 2.3.3 Beban Kapasitif .................................................................... 2.4 Kapasitor Bank .............................................................................. 2.4.1 Struktur dan Defenisi Kapasitor ............................................ 2.4.2 Rangkaian Kapasitor ............................................................. 2.4.3 Prinsip Perbaikan Kapasitor ................................................. 2.5 Mikrokontroler ATMega8535 ........................................................ 2.5.1 Arsistektur ATMega8535 ..................................................... 2.5.2 Konfigurasi Pin ..................................................................... 2.5.3 Peta Memori ......................................................................... 2.5.4 Stack Pointer ........................................................................ 2.5.5 Komunikasi Serial dengan Uart ............................................ 2.5.6 Timer ATMega8535 ............................................................. 2.5.7 Interupsi ............................................................................... 2.5.8 Fitur ..................................................................................... 2.5.8.1 Analog to Digital Converter (ADC) .......................... 2.5.8.2 Pulse Width Modulation ...........................................
4 5 6 6 7 7 9 10 11 12 12 14 14 16 17 20 21 23 23 23 23 24 24 25
Universitas Sumatera Utara
Bab III Perancangan Sistem 3.1 Perancangan Perangkat Keras (Hardware) ………..…………….. 3.1.1 Konfigurasi Sistem ………………………….…………….. 3.1.2 Rangkaian Power Supply ..................................................... 3.1.3 Sensor Arus ACS712 ………………………..…………….. 3.1.4 Sensor Tegangan ……………………………..……………. 3.1.5 Rangkaian Relay Pengendali Kapasitor ……………………. 3.1.6 Rangkaian Kapasitor Bank …………………..……………. 3.1.7 Rangkaian Mikrokontroler ATMega8535 ……..…………... 3.1.8 Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display) ……..………….. 3.2 Perancangan Perangkat Lunak (software) ……………..………… 3.2.1 Perancangan Program ........................................................... 3.2.2 Metode Perhitungan cos φ ……………….……..…………. 3.2.3 Flowchart (Diagram Alir) Program …….………..………… Bab IV Pengujian Sistem 4.1 Data Hasil Pengujian ..................................................................... 4.1.1 Hasil Pengujian Daya Untuk Beban Tanpa Sambungan Kapasitor .............................................................................. 4.1.2 Hasil Pengujian Daya Dengan beban Tetap 108 W dan Kapasitor Manual ................................................................. 4.1.3 Hasil Pengujian Daya Untuk Kapasitor Diatur Secara Otomatis ............................................................................... 4.2 Analisa Data Hasil Pengujian ........................................................ 4.2.1 Untuk Beban Tanpa Sambungan Kapasitor .......................... 4.2.2 Untuk Data Hasil Pengujian Beban Tetap dan Kapasitor Mode Manual ....................................................................... 4.2.3 Untuk Beban Diatur dan Kapasitor Diaktifkan Dengan Mode Otomatis Untuk Mendapatkan nilai cos φ Maksimum . Bab V Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan ................................................................................... 5.2 Saran ............................................................................................. Daftar Pustaka Lampiran
26 26 28 29 30 31 33 36 38 39 39 43 44 47 47 48 48 49 50 51 55 56 58
.................................................................................................. 60
.......................................................................................................... 62
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 3.5 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Deskripsi pin ATMega8535 …..…………..…………………….. Vektor interupsi ATMega5835 ……………..…………………… Deskripsi pin terminal sensor arus ACS712 ……………………... Daftar masing-masing nilai kapasitor bank ……………………… Fungsi tombol inputan …………………………………………… Daftar relay yang aktif dan nilai kapasitansi setiap mode ……….. Peta memori LCD …………………………..…………………… Hasil pengujian daya untuk beban tanpa sambungan kapasitor …. Hasil pengujian untuk beban tetap dengan kapasitansi diatur …... Hasil perbandingan perhitungan dengan pengujian dengan beban tetap dan kapasitansi diatur ……………………………………... Hasil pengujian dengan kapasitansi diatur secara otomatis ……... Hasil perbandingan daya sebelum dan setelah perbaikan ………..
20 23 30 33 34 35 38 47 48 48 49 49
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17 Gambar 3.18 Gambar 3.19 Gambar 3.20
Diagram daya …………………………………………………….. Sinyal arus dan tegangan untuk beban bersifat resistif murni …… Sinyal arus dan tegangan untuk beban bersifat induktif …………. Sifat beban induktif (arus tertinggal dari tegangan/ lagging) ……. Sinyal arus dan tegangan untuk beban kapasitif …………………. Sifat beban kapasitif (arus menahului tegangan /leading) ……….. Prinsip dasar kapasitor …………………………………………… Rangkaian kapasitor secara seri …………………………………. Rangkaian kapasitor secara parallel ……………………………… Prinsip perbaikan faktor daya ……………………………………. Arsitektur ATMega8535 …………………………………………. Konfigurasi pin ATMega8535 …………………………………… Peta memori program ……………………………………………. Peta memori data ………………………………………………… Koneksi dengan filter LC pada suplai ADC …………………….. Register ADMUX ………………………………………………... Diagram blok system ……………………………………………. Bentuk fisik MCB 1 phase ………………………………………. Rangkaian power supply …………………………………………. Rangkaian sensor arus ACS712 …………………………………. Diagram pin-out ACS712 ………………………………………... Diagram blok sensor arus ACS712 ……………………………… Rangkaian sensor tegangan ……………………………………… Rangkaian relay pengendali kapasitor …………………………… Tombol inputan ke mikrokontroler ATMega8535 ……………….. Rangkaian kapasitor bank ………………………………………. Rangkaian system minimum mikrokontroler ATMega8535 ……. Rangkaian skematik dari LCD ke mikrokontroler ………………. Pemilihan tipe file ………………………………………………… Dialog konfirmasi dengan penggunaan CodeWizardAVR ……… Pemilihan tipe mikrokontroler dan kristal ………………………. Seting PORTA dan PORTB ……………………………………… Seting penempatan LCD pada PORTC ………………………….. Generate, save dan exit …………………………………………... Metode perhitungan sinyal tegangan terhadap waktu …………… Flowchart program ……………………………………………….
5 9 10 10 11 11 13 14 14 16 19 21 22 22 25 25 26 27 28 29 29 30 31 31 34 35 37 38 39 40 40 41 42 43 44 46
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Lampiran B
Gambar Rangkaian Keseluruhan Program Keseluruhan Pada Mikrokontroler ATMega8535
Universitas Sumatera Utara
