Rancang Bangun Sistem Pendeteksian dan Monitoring Harmonisa Menggunakan Metode DFT Disampaikan Oleh, Dimas Okky Anggriawan 2209100195
Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo, M.Eng Dr. Ardyono Priyadi, S.T, M.Eng
SEMINAR TUGAS AKHIR, JUNI 2013 Jurusan Teknik Elektro, ITS Kampus ITS, Sukolilo
PENDAHULUAN
2
Latar Belakang [tentang harmonisa]
Harmonisa, http://1.bp.blogspot.com
Filter harmonisa pasif, sumber google
Akibat •Beban – beban non linier seperti inverter, VSD, Lampu Fluorescent, motor asinkron
Penyebab
•Menurunnya kualitas daya pada sistem tenaga listrik dan kerusakankerusakan dini pada peralatan sistem tenaga
Harmonisa, http://elektro.unsyiah.ac.id
Mereduksi •FLUKE 43B •HIOKI PQA 3195
•Melakukan proses pefilteran
Alat Ukur Standar
FLUKE 43B, sumber google
PENDAHULUAN Latar Belakang [Pengukuran Harmonisa]
Alat Ukur Standar • FLUKE 43B • HIOKI PQA 3195
Kelemahan • Mahal • Tidak bisa terintergasi dengan
Webserver
FLUKE 43B, HIOKI, sumber google
3
Prototipe • CT-235 • Mikrokontroller • Borland Delphi • Metode DFT
Prototipe
PENDAHULUAN
4
Tujuan dan Batasan
Tujuan • Menggunakan mikrokontroller sebagai interface antara Current Transformer dengan Personal Computer • Merancang suatu prototipe pendeteksian dan monitoring harmonisa dengan menggunakan metode Discrete Fourier Transform (DFT) dan mikrokontroller serta software borland delphi
Batasan • harmonisa yang dianalisis adalah harmonisa arus • Pengujian dilakukan pada beban linier 275 Watt pada jaringan distribusi 220 V • Metode yang digunakan dalam menganalisis harmonisa adalah metode DFT
TINJAUAN PUSTAKA Harmonisa
Tentang Harmonisa Definisi : Gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya [1]
Ket. Gambar
Menunjukkan bentuk gelombang arus dasar, arus harmonisa, dan arus terdistorsi.
Sumber : Beban-beban non linier yang terhubung ke sistem distribusi antara lain : inverter, UPS, komputer, printer, televisi, lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast Efek
: Penurunan kualitas daya, rugi – rugi daya dan temperatur secara abnormal pada peralatan-peralatan tenaga listrik [1]
5
TINJAUAN PUSTAKA Harmonisa
Cara Analisis Harmonisa Umumnya analisis harmonisa arus dilakukan dengan mentransformasikan sinyal arus dari domain waktu ke domain frekuensi.
Ket. Gambar
Transformasi dari domain waktu ke domain frekuensi. sumber : http://img.felixonline.co.uk
Analisis harmonisa selanjutnya merupakan proses perhitungan magnitude dari komponen dasar dan komponen-komponen harmonisa pada orde yang lebih tinggi dari suatu gelombang [2].
6
TINJAUAN PUSTAKA
7
Metode DFT 2ft X ( f ) x(t ).e dt N 1
X (m) x(n)e
FT Kontinyu
j 2mn N
FT Diskrit
n 0
N 1
X (m) x(n)[cos( n 0
2nm 2nm ) j sin( )] N N
Analisa DFT, sumber : www.phon.ucl.ac.uk
N 1
X (m)riil X (m) X (m)riil X (m)imajiner tan X (m)imajiner 2
2
1
X (m)riil x(n) cos( n 0
N 1
2nm ) N
X (m)imajiner x(n) sin( n 0
2nm ) N
TINJAUAN PUSTAKA Analisis Harmonisa
8
Ket. Persamaan
N
THDi
2 i n n2
i1
Menunjukkan besarnya distorsi harmonisa terhadap arus frekuensi dasar Keterangan : i n adalah besarnya arus harmonisa orde n N adalah orde harmonisa tertinggi yang dianalisa i adalah arus fasa pada frekuensi dasar
Spektrum Arus Menunjukkan representasi grafis dari level komponen pada domain frekuensi
Spektrum arus, Sumber, http://blogs.mathworks.com
PERANCANGAN PROTOTIPE Diagram Blok Keseluruhan Prototipe
Komponen Prototipe 1. Current Transformer 2. Driver akuisisi data 3. Mikrokontroller 4. RS 232 5. Borland Delphi
Diagram blok pendeteksian dan monitoring harmonisa
9
PERANCANGAN PROTOTIPE Pengujian CT
Tabel. Karakteristik input – output CT-235
Pengujian CT 235
Beban
I primer V out hitung (V) V out uji (V) Rasio
1
1,35
0,380
0,217
0,16
2
2,69
0,753
0,430
0,16
3
4,07
1,139
0,650
0,16
4
5,37
1,503
0,860
0,16
Kesimpulan Rasio Linier sebagai acuan untuk penggunaan CT sebagai Sensor arus
10
PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data parameter Rasio CT Input Mikro Rp CT Gain offset ADC Time Delay
nilai 2000 0–5V 270 1,004 2,491 8 bit 0,4
Keterangan Rasio primer dan sekunder CT Input dari CT-235 Resistor terpasang pada output CT Gain pada akuisisi data Offset pada akuisisi data Resolusi 0,02 V Pengiriman data per sampel (mikro detik)
Ket. Tabel
Parameter Akuisisi Data
Ket. Gambar
Rangkaian power supply
11
PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data
Rangkaian input arus AC dari CT-235
Rangkaian inverting adder amplifier
Rangkain inverting amplifier
Gelombang hasil rangkaian amplifier, sumber http://i.stack.imgur.com
12
PERANCANGAN PROTOTIPE Perancangan Desain Akuisisi Data
Ket. Gambar
Perancangan pengiriman data
Ket. Gambar
Perancangan akusisi data
13
PERANCANGAN PROTOTIPE Diagram Blok Software Analisis Harmonisa
14
Komponen Software - Bagian Pembacaan Sinyal Dari mikrokontroller - Bagian Pengkondisi Sinyal - Bagian Analisis Harmonisa (metode DFT dan THDi) - Bagian Display Diagram blok software analisis harmonisa
PENGUJIAN PROTOTIPE Beban dan Rangkaian Pengujian
Komponen Pengujian
- Beban Linier : Resistor 4 x 275 Watt Beban 275 Watt
- Alat Ukur Standar Multimeter ( DC 0.5%, AC 1.5%) FLUKE 43B (THD 3%, Arus r.m.s 1%)
CT-235
Hardware
PC
CT-PQA FLUKE 43B
15
PENGUJIAN PROTOTIPE Hasil Pengujian rangkaian buffer dan inverting Tabel. Hasil pengukuran Inverting Amplifier
Tabel. Hasil pengukuran rangkaian buffer N o 1 2 3 4
Tegangan input (V) 0,412 0,669 0,757 0,888
Tegangan output (V) 0,413 0,669 0,757 0,888 Rata - rata
Kesalahan relatif (%) 0,24% 0% 0% 0% 0,06%
Tegangan input (V) 0,438 0,654 0,884 0,994
Vo
kesalahan relatif rata - rata = ((0,24%+0%+0%+0%)/4)=0,06%
Penguat (Gain) 1,004 1,004 1,004 1,004
Tegangan Out (V) 0,44 0,66 0,89 1
Tegangan Out hitung (V) 0,439 0,658 0,887 0.998 Rata -rata
Kesalahan relatif (%) 0,23% 0,30% 0,34% 0,20% 0,26%
Rf xVi Ri kesalahan relatif rata – rata =((0,23%+0,3%+0,34%+0,2%)/4)=0,26%
Kesalahan relatif rata – rata pada rangkaian buffer adalah 0,06% dan rangkaian inverting amplifier adalah 0,26%
16
PENGUJIAN PROTOTIPE Hasil Pengujian inverting adder dan output ADC Tabel. Hasil pengukuran output ADC Tegangan No input (V) 1 2,44 2 2,011 3 1,768 4 1,546
Tegangan output ADC (V) 2,439 1,998 1,756 1,547 Rata - rata
Kesalahan relatif (%) 0,04% 0,64% 0,67% 0,06% 0,35%
Tabel. Hasil pengukuran Inverting adder Amplifier Tegangan Tegangan input DC input DC (E1) (E2) 0,12 2,491 0,36 2,491 0,59 2,491 0,76 2,491
Vo (V 1 Kesalahan relatif rata – rata = ((0,04%+0,64%+0,67%+0,06%)/4)=0,35%
17
Tegangan Output (V) 2,62 2,86 3,02 3,26
Tegangan Output hitung (V) 2,611 2,851 3,081 3,251 Rata - Rata
Kesalahan Relatif (%) 0,3% 0,32% 0,23% 0,28% 0,28%
Rf Rf V 2 ) R1 R2 kesalahan relatif rata – rata = ((0,3%+0,32%+0,23%+0,28%)/4)=0,28%
Kesalahan relatif rata – rata pada rangkaian inverting adder amplifier adalah 0,28% dan output ADC adalah 0,35%
PENGUJIAN PROTOTIPE Pengukuran Bentuk Gelombang Arus
Gambar 4.4
Kesimpulan Bentuk gelombang arus di prototipe pada data SinyalArus6.txt hasil pengukuran beban linier 275 Watt
Terjadi error pembacaan pada amplitudo
Gambar 4.4 Bentuk gelombang arus hasil pengukuran beban linier 275 Watt diprototipe pada sampel 1 – 150 dari data SinyalArus6.txt
Pada bentuk gelombang arus tersebut terlihat bahwa bentuk gelombang arus tidak mencapai titik puncak amplitudo arus. Hal ini akan mempengaruhi pembacaan arus r.m.s dan THDi
18
PENGUJIAN PROTOTIPE Pengukuran Arus r.m.s
Tabel. Hasil pengukuran arus r.m.s oleh prototipe pada beban linier 275 Watt Data yang disimpan Prototipe SinyalArus6 SinyalArus7 SinyalArus8 SinyalArus9 SinyalArus10
Level arus (A) Prototipe FLUKE 0,766 1,14 0,766 1,14 0,757 1,14 0,754 1,14 0,754 1,14 Rata-rata
Kesalahan (A) 0,374 0,374 0,383 0,386 0,386 0,374
Kesalahan relatif (%) 32,8% 32,8% 33,6% 33,86% 33,86% 33,38%
Kesimpulan hasil pengukuran nilai arus r.m.s dibandingkan dengan FLUKE 43B memiliki error pembacaan relatif rata – rata adalah 33,38%
19
PENGUJIAN PROTOTIPE Pengujian Hasil DFT Gambar 4.10
Harmonisa keluar pada frekuensi kelipatan 50 Hz
Nilai amplitudo pada frekuensi dasar dan kelipatannnya dari hasil proses DFT pada data SinyalArus6.txt
Gambar 4.10 Nilai frekuensi pada frekuensi dasar dari hasil proses DFT pada data SinyalArus6.txt
Kesimpulan • Pada prototipe menunjukkan frekuensi dasar 50 Hz mempunyai nilai amplitudo yang lebih tinggi daripada nilai amplitudo pada frekuensi kelipatan dari frekuensi dasar 50Hz muncul
20
PENGUJIAN PROTOTIPE Pengujian Level THDi
Hasil pengukuran level THDi oleh prototipe pada beban linier 275 Watt Beban Linier Bebanlinier1.txt Bebanlinier2.txt Bebanlinier3.txt Bebanlinier4.txt
THDi FLUKE 43B (%) Prototipe (%) 2% 1,48% 2% 1,48% 2% 1,48% 2% 1,48% Rata - rata
Kesalahan Relatif (%) 26% 26% 26% 26% 26%
Kesimpulan hasil pengukuran nilai THDi oleh prototipe dibandingkan dengan alat ukur standar FLUKE 43B memiliki error relatif pembacaan rata – rata adalah 26%
21
PENGUJIAN PROTOTIPE Pengujian Level THDi
Hasil pengukuran level THDi oleh prototipe pada beban non- linier 125 Watt Beban non Linier komputer5.txt komputer6.txt komputer7.txt komputer8.txt
THDi FLUKE 43B Prototipe 84% 84% 84% 84% Rata - rata
Kesalahan Relatif 137% 137% 139% 139%
63% 63% 65% 65% 64%
Kesimpulan hasil pengukuran nilai THDi oleh prototipe dibandingkan dengan alat ukur standar FLUKE 43B memiliki error relatif pembacaan rata – rata adalah 64%
22
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
23
Kesimpulan Dari Pelaksanaan Tugas Akhir
Ket. Gambar
Prototipe sistem pendeteksian dan monitoring harmonisa arus yang dihasilkan
Komunikasi serial antara mikrokontroller dengan personal computer memiliki keterbatasan dalam time delay dengan nilai maksimum sebesar 400 mikro detik. Pada proses ADC menggunakan jumlah 8 bit sehingga resolusinya sebesar 0.02 Volt. Metode DFT dalam mengolah data gelombang arus dalam domain waktu ke dalam bentuk domain frekuensi belum bisa secara realtime tetapi data gelombang arus disimpan terlebih dahulu. Prototipe yang dibuat dalam tugas akhir ini mampu memantau keberadaan harmonisa arus hingga orde 15 (frekuensi 750 Hz) dan dalam menyajikan data arus r.m.s dan THDi memiliki error pembacaan relatif rata – rata yaitu 33,38% dan 37,36%. Sumber : Buku Tugas Akhir – Dimas Okky A
KESIMPULAN DAN SARAN Rekomendasi
24
Rekomendasi Untuk Penelitian Selanjutnya
Ket. Gambar
Salah satu panel pada viewform prototipe.
Perlu ditingkatkannya kapasitas dan spesifikasi CT agar keandalan dan ketelitian pengukuran dapat ditingkatkan Dalam proses ADC memerlukan IC yang lebih baik dengan mikrokontoller seperti ARM komunikasi antara mikrokontroller dengan personal computer memerlukan device yang mampu meningkatkan software borland delphi dalam penerimaan data. Metode transformasi bisa menggunakan metode transformasi lain seperti transformasi Wavelet, transformasi Stockwell Pengintegrasian prototipe dengan sistem web server sehingga data online dapat dikirim dan ditampilkan melalui media internet. Sumber : Buku Tugas Akhir – Dimas Okky A
DAFTAR PUSTAKA
25
Daftar Referensi Utama
Ket. Gambar
Salah satu panel pada viewform prototipe.
[1] Arfian, E.T, “Desain Sistem Pendeteksian dan Monitoring Harmonisa Berbasis LabVIEW Menggunakan Metode Transformasi S”, Tugas Akhir Elektro ITS, 2011 [2] Setiawan, A, “Kajian Pengaruh Harmonisa Terhadap Sistem Tenaga Listrik”, Jurnal Eltek, Vol. 05, No. 02, Oktober, 2007 [3] Arrillaga, J., Watson, N.R., “Power System Harmonics Second Edition”, John Wiley & Sons Ltd, England, Ch. 1,2,5, 2003. [4] Radiana, S.G., “Discreate Fourier Transform Menjadi Fast Fourier Transform”
, Desember 2009 [5] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1993 [6] Sholikul, M.H “Mengenal Mikrokontroller AVR Atmega 16”,Ilmukomputer.com 7] Teddy, M.Z “Pemrogaman Delphi Untuk Pemula: IDE dan Struktur Pemrogaman”, Ilmukomputer.com
DAFTAR PUSTAKA
26
Daftar Referensi Utama
Ket. Gambar
Salah satu panel pada viewform prototipe.
[7] Sevgi.Levent , Uluisika.Cagatay, “Labview - Based Virtual Instrument for Engineering Education: A Numerical Fourier Transform Tool”, Dogus University, Istanbul, 2006 [8] Rohman .Y, Budikarso .A, Amran .H , “Rancang bangun sistem pengukuran arus berbasis mikrokontroller Atmega 8535” Paper PENS, Surabaya [9] Rahmat , “Desain dan Implementasi Sistem Akuisisi Data Harmonisa Arus Listrik Secara Real Time”, POLI REKAYASA Vol 5, No. 1, Unand, Padang, 2009 [10] Sugiarto. I, Thiang, Siswanto.T.J “Disain dan Implementasi Modul Akuisisi Data sebagai Alternatif Modul DAQ LabVIEW” Universitas Kristen Petra, Surabaya
TERIMA KASIH 1. Bapak Sugiarto dan Ibu Endang Ariyani sebagai Ayah dan Ibu tercinta yang sudah memberikan kasih sayang yang luar biasa kepada saya 2. Prof. Mauridhi Hery P., Dr. Ardyono Priyadi, atas segala ilmu dan kesabaran dalam membimbing penulis hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini. 3. Teman – teman asisten laboratorium instrumentasi, pengukuran dan identifikasi sistem tenaga (LIPIST) dan teman – teman asisten laboratorium elektronika dasar. 4. Arfian Ady Tama, Angga Pradana, Fauzi dan Vonda yang sudah membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini.
