BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustakaeprints.undip.ac.id/67182/6/3._BAB_II_kikik.pdf10 BAB II...
Transcript of BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustakaeprints.undip.ac.id/67182/6/3._BAB_II_kikik.pdf10 BAB II...
10
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Gagasan dan ide penyusun tentang Tugas Akhir ini atas dasar observasi
yang penyusun lakukan saat melaksanakan Kerja Praktik di PT PLN (Persero)
TJBT APP Semarang Basecamp Semarang. Penyusun mendapatkan banyak
pengetahuan mengenai sistem transmisi tenaga listrik. Penyusun kemudian
berkeinginan melakukan pembahasan mengenai sistem proteksi yang terdapat
pada jaringan tegangan tinggi konfigurasi double busbar terutama pada relai
diferensial yang diaplikasikan sebagai proteksi transformator. Berikut ada
beberapa kutipan pokok dalam beberapa jurnal atau karya tulis lain.
Pada transformator daya 10 MVA 70/20 KV mempunyai arus nominal (IN) pada
sisi primer adalah 82.5 A dan pada sisi sekunder 289 A. yang akan berubah jika
terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa yaitu sebesar 873.65 A pada sisi primer
dan 3042.01 pada sisi sekunder. Selisih arus seting pada rele differensial pada
transformator daya di gardu induk talang ratu adalah mendekati nol, dengan
demikian rating in pada rele diset menjadi 1 A. Ketika terjadi ganguan hubung
singkat dengan arus yang sebesar itu makan rele differensial ini akan bekerja
untuk mengamankan transformator daya[1]
. Relai diferensial digunakan sebagai
pengaman utama pada transformator terhadap gangguan, baik dari dalam
transformator maupun daerah sekitarnya yang masih dalam zona pengamanan
relai tersebut. Digunakannya relai diferensial sebagai proteksi transformator
karena relai diferensial adalah proteksi unit dengan tingkat sensitivitas dan
11
selektivitas yang sangat tinggi. Prinsip kerja relai diferensial berdasarkan
keseimbangan arus, di mana relai akan bereaksi jika dua atau lebih besaran listrik
yang sama pada wilayah kerja relai mempunyai nilai yang lebih besar dari nilai
yang telah ditentukan (setting value) [2]
. Penelitian ini menggunakan metode
sekunder yang bekerja sama dengan PLN Rembang dan Gardu Induk di PT.
Semen Merah Putih Indonesia Rembang Jawa Tengah sebagai sumber data serta
didukung dengan jurnal-jurnal yang sesuai dengan penelitian yang sedang
dilakukan. Data yang diperoleh dari sumber terlebih dahulu diseleksi sesuai
kebutuhan kemudian diolah menggunakan perhitungan manual. Perhitungan yang
digunakan meliputi nilai arus nominal, arus rating, arus sekunder pada CT, arus
differensial, arus restrain, setting kecuraman, arus setting, nilai rasio current
transformer (CT), error mismatch dan gangguan pada trafo daya[3]
.
Persamaan dari ketiga referensi tersebut dengan laporan tugas akhir
penulis adalah membahas mengenai rele diferensial sebagai proteksi pada
transformator tenaga. Perbedaan laporan tugas akhir ini dengan laporan tugas
akhir yang dijadikan referensi adalah penulis akan membahas relai diferensial
yang diaplikasikan sebagai proteksi transformator pada gardu induk tegangan
tinggi konfigurasi double busbar . Meskipun bay trafo pada tegangan ekstra tinggi
dan tegangan tinggi memiliki konfigurasi sistem yang sama, namun tegangan
yang digunakan berbeda. Tegangan Ekstra Tinggi menggunakan tegangan 500
KV dan menggunakan konfigurasi satu setengah circuit breaker sedangkan
Tegangan Tinggi menggunakan tegangan 150 KV atau 70 KV. Pada pembahasan
12
kali ini penulis akan menggunakan sistem 150 KV yang akan di simulasikan pada
tegangan 220 VAC.
Proteksi pada Tegangan Ekstra Tinggi menggunakan pola duplikasi
proteksi, artinya memiliki dua buah proteksi utama yaitu Diferensial utama 1,
Diferensial utama 2, Restricted Earth Fault (REF) 1 , dan Restricted Earth Fault
(REF) 2. Fungsi dari transformator tenaganya juga berbeda, apabila di tegangan
ekstra tegangan tinggi trafo berfungsi sebagai penyalur tenaga untuk gardu induk
tegangan ekstra tinggi lainnya dan menurunkan tegangan dari tegangan 500 KV
ke tegangan 150KV. Sementara pada Tegangan Tinggi hanya menggunakan pola
proteksi utama dan cadangan, pola proteksi utama menggunakan Rele Diferensial
dan rele gangguan ke tanah Restricted Earth Fault (REF). Fungsi trafo tenaga di
tegangan tinggi digunakan untuk menurunkan tegangan tinggi 150 KV ke
tegangan rendah 20KV . Penulis juga melakukan inovasi dengan membuat alat
simulasi relai diferensial sebagai proteksi transformator menggunakan prinsip
kerja seperti relai yang ada di lapangan, namun hanya mensimulasikan satu fasa
yang mewakili tiga fasa sistem sesungguhnya dengan nilai arus yang jauh lebih
kecil.
Dalam laporan Tugas Akhir ini penulis tidak membahas analisa setting
yang digunakan pada sistem asli, namun hanya membahas simulasi gangguan
internal dan eksternal yang disebabkan hubung singkat. Alasan pembuatan alat
simulasi tersebut terutama karena pembelajaran hanya dengan teori saja masih
cukup sulit sehingga dibuat alat simulasi untuk menggambarkan kerja relai
diferensial sebagai proteksi transformator tegangan tinggi.
13
2.2 Sistem Ketenagalistrikan
Secara umum sistem tenaga listrik dapat dikatakan terdiri dari tiga bagian
utama, yaitu: pembangkit tenaga listrik, penyaluran tenaga listrik, dan distribusi
tenaga listrik. Sistem tenaga listrik modern merupakan sistem yang komplek yang
terdiri dari pusat pembangkit, saluran transmisi dan jaringan distribusi yang
berfungsi untuk menyalurkan daya dari pusat pembangkit ke pusat beban. Untuk
memenuhi tujuan operasi sistem tenaga listrik, ketiga bagian yaitu pembangkit,
penyaluran dan distribusi tersebut satu dengan yang lainnya tidak dapat
dipisahkan seperti terlihat pada gambar 2-1.
Gambar 2-1 Sistem Ketenagalistrikan[4]
Pembangkitan adalah proses dimana listrik diciptakan, listrik adalah suatu
energi dimana energi hanya bisa dirubah, bisa dari energi apapun contohnya
adalah PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) dari energi air, PLTU (Pembangkit
Listrik Tenaga Uap) dari uap panas, PLTP (Pembangkit Listrik Tenaga Panas
Bumi). Prinsip pembangkitan energi listrik pada dasarnya energi yang akan
dirubah menjadi energi listrik dipakai untuk memutar turbin yang terhubung
14
dengan generator, dalam generator ada kumparan dan magnet digerakkan oleh
turbin yang bergerak oleh energi primer, menghasilkan elektromagnetik yang
akan menghasilkan listrik. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator
pembangkit listrik sekitar 12 KV – 20 KV dan disalurkan ke Transmisi, sebelum
masuk ke Transmisi tegangan di naikkan oleh Trafo Step Up[4]
.
Transmisi adalah proses penyaluran listrik dari pembangkitan ke distribusi
listrik. Standar tegangan pada sistem transmisi di Indonesia diklasifikasikan
sebagai tegangan ekstra tinggi (TET) yaitu dengan tegangan 500 KV untuk
penyaluran tegangan tinggi (TT) dengan tegangan 150 KV dan 70 KV yang
diturunkan untuk distribusi [4]
. Namun, penggunaan tegangan tinggi 70 KV
kebanyakan berada di wilayah Jawa Timur, di wilayah Jawa Tengah jarang
ditemui pemakaian sistem tegangan tinggi 70 KV . Tujuan tegangan dinaikan dari
pembangkitan adalah agar dapat meminimalisir rugi-rugi daya dan drop tegangan,
karena penyaluran pasti melalui jalur yang panjang, semakin panjang jalur maka
akan semakin berpengaruh pada rugi daya jika tegangan tidak dinaikan. Contoh
konsumen pemakai supply langsung dari tegangan tinggi seperti pabrik semen
maupun industri besar .
Distribusi adalah proses penyaluran dari transmisi hingga ke konsumen,
Distribusi terbagi menjadi distribusi primer dan distribusi sekunder. Distribusi
primer adalah penyaluran listrik dari transmisi yang telah diturunkan tegangannya
oleh trafo step-down menjadi 20 KV yang diklasifikasikan sebagai tegangan
menengah (TM), dan disalurkan melalui penyulang-penyulang (feeder) . Contoh
konsumen pemakai jaringan tegangan menengah (TM) adalah untuk bisnis seperti
15
mall, hotel maupun industri menengah . Sebelum masuk ke Distribusi sekunder
listrik akan diturunkan lagi tegangannya oleh trafo step-down menjadi tegangan
pakai. Distribusi sekunder adalah saluran dari trafo step-down distribusi hingga ke
kWh pelanggan untuk rumah tangga dan kantor, tegangan pada distribusi
sekunder adalah tegangan pakai yaitu 380/220 Volt yang diklasifikasikan sebagai
tegangan rendah (TR).
Pada laporan tugas akhir ini penulis lebih fokus pada sistem penyaluran
atau transmisi tenaga listrik. Sistem transmisi terdiri dari saluran transmisi, gardu
induk, dan pengaturan beban. Saluran transmisi berdasarkan pemasangannya,
dibagi menjadi :
1) Saluran Udara (Overhead Lines), saluran transmisi yang menyalurkan
energi listrik melalui kawat-kawat yang digantung pada isolator antara
menara atau tiang transmisi. Kelemahan dari saluran udara ini adalah
terkendala cuaca, gangguan yang ditimbulkan juga sering terjadi akibar dari
petir, pohon yang tumbang, layang-layang, burung yang hinggap dan masih
banyak lagi.
2) Saluran kabel bawah tanah (underground cable), saluran transmisi yang
menyalurkanm energi listrik melalui kabel yang dipendam didalam tanah.
Biasanya di pasang pada daerah perkotaan yang padat penduduk. Contoh
pemakaian saluran kabel bawah tanah adalah Gardu Induk Simpang Lima
150 KV.
16
2.3 Gardu Induk
Gardu Induk sebagai salah satu komponen pada sistem penyaluran
tenaga listrik memegang peranan yang sangat penting karena merupakan
penghubung pelayanan tenaga listrik ke konsumen [5]
. Menurut penulis Gardu
induk adalah unit pusat beban yang merupakan gabungan dari transformer dan
rangkaian switchgear yang tergabung dalamsatu kesatuan melalui sistem kontrol
yang saling mendukung untuk keperluan operasional. Pada dasarnya gardu induk
bekerja mengubah tegangan yang dibangkitkan oleh pusat pembangkit tenaga
listrik menjaditenaga listrik menjadi tegangan tinggi atau tegangan transmisi
dansebaliknya mengubah tegangan menengah atau tegangan distribusi.
Gardu Induk juga merupakan sub sistem dari sistem penyaluran
(transmisi) tenaga listrik, atau merupakan satu kesatuan dari sistem penyaluran
(transmisi). Penyaluran (transmisi) merupakan sub sistem dari sistem tenaga
listrik.Berarti, gardu induk merupakan sub-sub sistem dari sistem tenaga
listrik. Sebagai sub sistem dari sistem penyaluran (transmisi), gardu induk
mempunyai peranan penting, dalam pengoperasiannya tidak dapat dipisahkan dari
sistem penyaluran (transmisi) secara keseluruhan. Pengaturan daya ke gardu-
gardu induk lainnya melalui tegangan tinggi dan gardu-gardu induk distribusi
melalui feeder tegangan menengah.
Dalam Tugas Akhir ini lebih membahas tentang peralatan pada Gardu
Induk Tegangan Tinggi yang memiliki tegangan 150 kV dengan konfigurasi
double busbar. Hal tersebut bertujuan untuk meningkatkan keandalan sistem
17
penyaluran tenaga listrik, karena sistem double busbar mempunyai keuntungan
sangat efektif untuk mengurangi terjadinya pemadaman beban, khususnya
melakukan perubahan sistem (maneuver system) pada saat pemeliharaan . Gambar
2-2 dibawah ini merupakan Gardu Induk Krapyak 150/20 KV dengan Konfigurasi
double busbar.
Gambar 2-2 Gardu Induk Krapyak 150/20kV konfigurasi double busbar
(Sumber : GI Krapyak,diambil tanggal 14 Maret 2018)
Gardu induk adalah suatu instalasi yang terdiri dari peralatan listrik yang
berfungsi untuk[5]
:
1) Mentransformasikan daya listrik :
a. Dari tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi (500 KV/150 KV).
b. Dari tegangan tinggi ke tegangan yang lebih rendah (150 KV/ 70 KV).
c. Dari tegangan tinggi ke tegangan menengah (150 KV/ 20 KV, 70
18
KV/20 KV).
d. Dengan frequensi tetap (di Indonesia 50/60 Hertz).
2) Untuk pengukuran, pengawasan operasi serta pengamanan dari system
tenaga listrik.
3) Pengaturan pelayanan beban ke gardu induk-gardu induk lain melalui
tegangan tinggi dan ke gardu distribusi-gardu distribusi, setelah melalui
proses penurunan tegangan melalui penyulang-penyulang (feeder- feeder)
tegangan menengah yang ada di gardu induk.
4) Untuk sarana telekomunikasi (pada umumnya untuk internal PLN), yang
kita kenal dengan istilah SCADA.
Gambar 2-3 Single Line Gardu Induk Sistem Double Busbar[6]
Peralatan gardu induk dalam sistem double busbar adalah sebagai berikut :
1) Busbar atau Rel
PMT PHT
CT
PT
LA
CT
PT
LA
CT
PT LA
Rel I
Rel II
PMS Rel
PMS Line
PMT KOPPEL
19
Merupakan titik pertemuan/hubungan antara trafo – trafo tenaga,
Saluran Udara TT, Saluran Kabel TT dan peralatan listrik lainnya untuk
menerima dan menyalurkan tenaga listrik/daya listrik[6]
2) Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB)
Sedangkan definisi PMT berdasarkan IEEE C37.100:1992 (Standard
definitions for power switchgear) adalah merupakan peralatan saklar/
switching mekanis, yang mampu menutup, mengalirkan dan memutus arus
beban dalam kondisi normal sesuai dengan ratingnya serta mampu menutup,
mengalirkan (dalam periode waktu tertentu) dan memutus arus beban dalam
spesifik kondisi abnormal/gangguan sesuai dengan ratingnya)[6]
. Fungsi
utamanya adalah sebagai alat pembuka atau penutup suatu rangkaian listrik
dalam kondisi berbeban, serta mampu membuka atau menutup saat terjadi
arus gangguan (hubung singkat) pada jaringan atau peralatann lain.PMT
menjadi salah satu perangkat sistem proteksi yang bekerja apabila
mendapatkan trigger dari master trip yang diteruskan melalui tripping coil
PMT jika terjadi gangguan yang dibaca oleh rele proteksi.
Untuk menggerakkan PMT, perlu adanya suatu mekanik penggerak
yang di supply oleh sumber dc 110volt.Berdasarkan mekanik penggeraknya,
PMT dibagi menjadi :
a. PMT Single Pole : pada PMT jenis ini menggunakan mekanik
penggerak pada masing-masing fasa agar pada saat terjadi gangguan
20
PMT dapat reclose satu fasa. Penempatan PMT ini biasanya pada bay
penghantar.
Gambar 2-4 PMT Dengan Mekanik Penggerak Single Pole [6]
Keterangan :
1. Pondasi
2. Kerangka (structure)
3. Mekanik Penggerak
4. Isolator Support
5. Ruang Pemutus
6. a.Terminal Utama Atas
b.Terminal Utama Bawah
7. Lemari control lokal
8. Pentanahan/grounding
21
b. PMT Three Pole : pada PMT jenis ini menggunakan mekanik
penggerak yang menghubungkan antar satu fasa dengan fasa lainnya,
dilengkapi dengan kopel mekanik. Penempatan PMT jenis ini yaitu
pada bay trafo, bay kople, dan PMT pada kubikel 20 KV .
Gambar 2-5 PMT Dengan Mekanik Penggerak Three Pole[6]
Keterangan :
1. Pondasi
2. Kerangka (stucture)
3. Mekanik Penggerak
4. Isolator support
5. Ruang Pemutus
6. 6a. Terminal Utama Atas
6b. Terminal Utama Bawah
7. Lemari kontrol lokal
22
8. Pentanahan (grounding)
9. Pipa gas SF6 dan jalur kabel kontrol
3) Pemisah/PMS (Disconnecting Switch/DS)
Disconnecting switch atau pemisah (PMS) suatu peralatan sistem tenaga
listrik yang berfungsi sebagai saklar pemisah rangkaian listrik dalam kondisi
bertegangan atau tidak bertegangan tanpa arus beban. Ada dua macam fungsi
PMS, yaitu:
Pemisah Rel/Bus: berfungsi untuk memisahkan peralatan listrik dari peralatan lain
atau instalasi lain yang bertegangan. PMS ini boleh dibuka atau ditutup hanya
pada rangkaian jaringan yang tidak berbeban. Pemisah ini terletak berdekatan
dengan rel/bus , fungsinya adalah menyambung dan memutuskan tegangan yang
akan dipakai oleh sistem, jika memakai sistem bus 1 maka pms yang terhubung
adalah pms rel 1 [6]
. Pemisah ini mempermudah pengamanan pekerja pada saat
dilakukannya pemeliharaan.
Gambar 2-6 Pemisah Dengan Konstruksi Lengan Ganda[6]
23
Keterangan :
1) Rangka Pendukung
2) Penggerak Mekanik
3) Pemutar
4) Isolator
5) Lengan Pemisah
6) Kontak
7) Sela Pelindung
8) Sakelar Pembumian
9) Terminal
4) Transformator
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan
mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik
yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi
elektromagnetik[6]
.
Pengertian transformator menurut Buku Pedoman Transformator Tenaga
PT.PLN(Pesero), trafo merupakan peralatan statis dimana rangkaian magnetik dan
belitan yang terdiri dari 2 atau lebih belitan, secara induksi elektromagnetik,
mentransformasikan daya (arus dan tegangan) sistem AC ke sistem arus dan
tegangan lain pada frekuensi yang sama (IEC 60076 -1 tahun 2011). Trafo
menggunakan prinsip elektromagnetik yaitu hukum hukum ampere dan induksi
faraday, dimana perubahan arus atau medan listrik dapat membangkitkan medan
magnet dan perubahan medan magnet / fluks medan magnet dapat
24
membangkitkan tegangan induksi.
Menurut Prof.Dr.Zuhal M.Sc.EE pengertian transformator adalah suatu alat
listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih
rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet
berdasarkan prinsip induksi-elektromagnetik.
Dari definisi transformator diatas, maka pengertian transformator adalah
suatu peralatan yang terdiri dari lempengan besi dan belitan berfungsi untuk
mengubah tegangan listrik dari tegangan listrik bolak-balik menjadi lebih tinggi
ataupun rendah dengan menggunakan induksi elektromagnetik pada frekuensi
yang tetap.
Gambar 2-7 Prinsip Hukum Elektromagnetik[7]
Trafo terdiri atas inti besi dengan kumparan-kumparan yang ada di sisi primer
dan sisi sekunder. Prinsip kerja trafo berdasarkan hukum Faraday yang berbunyi
“ Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya
gerak listrik (GGL) Induksi yang sebanding dengan laju perubahan fluks” .
25
Jika pada salah satu kumparan diberi arus bolak-balik yang mengalir pada
inti besi, maka jumlah garis gaya magnet berubah-ubah. Maka timbulah induksi di
sisi primer, begitu pula pada sisi sekunder jika diberi arus bolak-balik, akibatnya
kedua ujung terdapat beda tegangan dan timbul gaya gerak listrik. Besar tegangan
keluaran (GGL) dari sebuah transformator, nilainya berbanding lurus dengan
besar perubahan fluks pada saat terjadi induksi. Jika kumparan primer suatu
transformator dihubungkan ke sumber tegangan bolak balik, sementara kumparan
sekunder dalam keadaan tidak dibebani, maka di kumparan primer mengalir arus
yang disebut dengan arus beban nol (Io). Arus ini akan membangkitkan fluks
bolak-balik pada inti. Fluks bolak-balik ini dilingkupi oleh kumparan primer dan
kumparan sekunder, sehingga pada kedua kumparan timbul gaya gerak listrik
yang besarnya
E1 = 4.44.N1.f1. ............................................................................ (persamaan2-1)
E2 = - 4.44.N2.f2.
Pada persamaan di atas diketahui bahwa:
E1= Gaya gerak listrik pada kumparan primer (Volt)
E2= Gaya gerak listrik pada kumparan sekunder (Volt)
N1= Jumlah belitan kumparan primer
N2= Jumlah belitan kumparan sekunder
f = frekuensi tegangan sumber (Hz), dan
= fluks magnetik pada inti (weber)
Sehingga, didapat rumus :
26
=
............................................................ (persamaan2-2)
Dengan mengabaikan rugi-rugi tahanan dan adanya fluks bocor,maka
perbandingan transformasinya adalah ,
a =
..................................................................... (persamaan 2-3)
Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir
pada kumparan sekunder sebesar I2=V2/ZL. Arus beban I2 ini akan
menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2I2 yang cenderung menentang
fluks yang ada akibat arus pemagnetan (IM). Agar fluks tidak berubah
nilainya, maka pada kumparan primer harus mengalir arus sebesar I1 = I0 +
I2. Sehingga berlaku hubungan :
=
..................................................................... (persamaan 2-4)
Jadi, ggl induksi di masing-masing kumparan berbanding lurus dengan jumlah
lilitan. Kuat arus di masing-masing kumparan berbanding dengan jumlah lilitan.
Apabila dan termasuk dalam transformator step up
(penaik tegangan) , dan apabila dan termasuk dalam
transformator step down (penurun tegangan)
Macam-macam jenis transformator :
a. Transformator Tenaga
27
Transformator tenaga mentransformasikan daya (arus dan tegangan) sistem
AC ke sistem arus dan tegangan lain pada frekuensi yang sama[10]
. Dalam
sistem transmisi transformator berfungsi untuk menaikkan (trafo step up)
tegangan dari pembangkit untuk disalurkan kepada gardu induk lain melalui
saluran udara tegangan ekstra tinggi, saluran udara tinggi, maupun melalui
saluran kabel tegangan tinggi. Trafo tenaga juga berfungsi sebagai penurun
tegangan (step down) dari saluran transmisi kemudian ditransformasikan ke
saluran distribusi.
Gambar 2-8 Konstruksi Trafo Tenaga[10]
Keterangan :
1. Kumparan Tegangan Tinggi
2. Kumparan Tegangan Rendah
3. Inti
4. Minyak Isolasi
5. Tangki Baja
6. Bushing Tegangan Rendah
7. Bushing Tegangan Tinggi
28
b. Transformator Distribusi
Prinsip kerja transformasi distribusi sama dengan transformasi tenaga, yaitu
mentransformasikan tegangan dari tegangan tinggi ke tegangan rendah,
namun transformasi distribusi menggunakan daya yang lebih rendah.
Transformator distribusi digunakan untuk membagi/menyalurkan arus atau
energi listrik dengan tegangan distribusi supaya jumlah energi yangtercecer
dan hilang sia-sia diperjalanan tidak terlalu banyak [10]
. Daya keluaran dari
transformator tenaga akan diturunkan sehingga energi listrik dapat
digunakan oleh masyarakat .
Gambar 2-9 Konstruksi Trafo Distrbusi[10]
Trafo distribusi memiliki konstruksi peralatan yang hampir sama dengan
trafo tenaga, bedanya adalah penempatannya. Jika trafo tenaga berada di
29
pusat pembangkit dan gardu induk, trafo distribusi berada di tiang-tiang
penyangga saluran udara tenaga listrik.
c. Transformator Instrumen/Pengukuran
Untuk proses pengukuran di Gardu Induk diperlukan trafo instrumen, yang
terdiri dari :
• Transformator Tegangan (Potential Transformer/PT) atau Transformator
Kapasitif Tegangan (Capasitif Voltage Transformert/CVT), adalah Trafo
tegangan adalah peralatan yang mentransformasi tegangan sistem yang lebih
tinggi ke suatu tegangan sistem yang lebih rendah untuk kebutuhan proteksi
dan pengukuran sehingga tegangan yang mengalir dalam sistem dapat
diukur menggunakan voltmeter dengan ketelitian yang akurat[7]
.
Dengan mengetahui dan melalui perbandingan transformasi diatas,
membaca , serta mengganggap transformator ideal, maka tegangan
adalah :
x = x atau,
x ....................................................................... (persamaan 2-5)
Sehingga dari rumus dapat disimpulkan, bahwa antara tegangan dan jumlah
belitan di transformator tegangan sebanding, apabila di kumparan primer
memiliki tegangan yang besar, maka jumlah lilitannya juga banyak.
30
Gambar 2-10 Bagian Utama Trafo Tegangan[7]
• Trafo Arus (Current Transformator - CT) yaitu peralatan yang digunakan
untuk melakukan pengukuran besaran arus pada intalasi tenaga listrik
disisi primer (TET, TT dan TM) yang berskala besar dengan melakukan
transformasi dari besaran arus yang besar menjadi besaran arus yang kecil
secara akurat dan teliti untuk keperluan pengukuran dan proteksi [7]
.
-
Gambar 2-11 Bagian Utama Trafo Arus[7]
Prinsip kerja transformator arus adalah jika ada arus mengalir pada sisi
primer ( ) maka pada kumparan primer akan mengalir gaya gerak listik sebesar
x . Gaya gerak magnet ini memproduksi fluks pada inti. Fluks ini
membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder .
Jika terminal kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder
mengalir arus . Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet x , pada kumparan
31
sekunder. Bila pada trafo arus tidak ada rugi-rugi daya (trafo ideal), maka berlaku
persamaan yang didapat dari rumus perbandingan trafo (2.4) :
x = x , atau
=
................................................................... (persamaan 2-6)
2.4. Prinsip Kerja Gardu Induk Konfigurasi Double Busbar Pada Bay
Transformator
Sistem double busbar terdiri dari 2 rel, rel tersebut berfungsi sebagai titik
pertemuan antara trafo tenaga, saluran udara tegangan ekstra tinggi, saluran udara
tegangan tinggi dan peralatan listrik lainnya. Jika dilihat dari single line pada
gambar 2-3 , maka gardu induk terdiri dari bay transformator dan bay penghantar.
Bay transformator berfungsi menyalurkan daya dari pusat pembangkit hingga
diturunkan menjadi besaran yang lebih kecil hingga listrik dapat digunakan oleh
masyarakat. Daya disupply dari busbar, lalu masuk ke PMS Rel 1 yang
disambungkan pada peralatan di bay transformator. Lalu aliran daya masuk ke
PMT sisi HV, yaitu pemutus tenaga yang berfungsi memutus rangkaian beban
yang terganggu agar tidak sampai menyebar ke jalur utama(rel). Kemudian, aliran
daya akan masuk current transformator(CT) sisi HV guna dilakukan
metering/pengukuran dan proteksi transformator. Setelah itu daya akan di
transformasikan dari besaran 150KV menjadi 20KV dan siap didistribusikan
kepada penyulang-penyulang lain hingga sampai ke konsumen.
32
2.5. Sistem Proteksi Transformator
Transformator sebagai salah satu komponen penting pada sebuah gardu
induk yang memerlukan pengamanan agar jika terjadi gangguan, maka gangguan
tersebut tidak merusak peralatan dan mengganggu sistem kerja komponen lain.
Dalam sistem ketenagalistrikan tidak mungkin berjalan dengan normal, pasti ada
gangguan. Gangguan tersebut tentu saja tidak dapat dihilangkan, namun dapat
dicegah dengan adanya sistem proteksi. Untuk mengamankan peralatan gardu
induk, perlu adanya sistem proteksi untuk mengamankan peralatan tersebut dari
gangguan baik gangguan dari sistem maupun non sistem . Pengertian sistem
proteksi adalah susunan perangkat proteksi secara lengkap yang terdiri dari
perangkat utama dan perangkat-perangkat lain yang dibutuhkan untuk melakukan
fungsi tertentu berdasarkan prinsip-prinsip proteksi sesuai dengan definisi yang
terdapat pada standart IEC 6255-20[12]
.
Gambar 2-12 Perangkat Sistem Proteksi[13]
Untuk menyuplai daya ke relai proteksi dan PMT agar dapat mengolah
informasi yang diterima dan memberikan perintah ke PMT diperlukan sumber
33
DC sebesar 110V sehingga dapat melaksanakan perintah yang diterima dari relai
pengaman. Rele pengaman atau rele proteksi adalah perlengkapan untuk
mendeteksi gangguan atau kondisi ketidaknormalan pada sistem tenaga listrik,
berfungsi untuk membebaskan/ mengisolasi gangguan, menghilangkan kondisi
tidak normal, dan untuk menghasilkan sinyal atau indikasi. Rele proteksi akan
membaca keadaan yang telah di berikan oleh trafo instrumen (terdiri dari trafo
arus dan trafo tegangan) , kedua trafo ini menjadi inputan rele proteksi untuk
membaca, membandingkan, dan mengukur keadaan saat normal maupun pada
saat terjadi gangguan. Ketika rele proteksi merasakan gangguan, maka rele akan
mentrigger tripping coil pada PMT untuk memberikan perintah kepada PMT
untuk melakukan trip.
34
Gambar 2-13 Skema Proteksi Elektrik Trafo[13]
Pola proteksi pada gardu induk konfigurasi double busbar dibagi menjadi
proteksi utama (main protection) dan proteksi cadangan (back up protection).
Proteksi cadangan ini bekerja apabila proteksi utama gagal dalam memerintahkan
trip pada PMT dan proteksi utama tidak dapat melakukan perintah trip kepada
PMT diluar daerah pengamannya. Pada pembahasan tugas akhir ini penulis akan
membahas proteksi utama pada Transformator, yaitu relai diferensial.
Proteksi utama adalah sistem proteksi yang diharapkan sebagai prioritas
OCR/GFR
50/51/51G
REL 20 kV
OCR/GFR
50/51P/51GP
OCR/GFR
50/51S/51GS
Diferensial
REF
REF SBEF
51NS
35
pengamanan gangguan atau menghilangkan kondisi tidak normal pada
transformator. Proteksi ini dimaksudkan untuk pengaman pertama saat terjadinya
gangguan dalam kawasan yang harus dilindungi.
Proteksi utama transformator tenaga umumnya adalah rele yang mengambil
parameter pengukuran dari besaran analog listrik yaitu tegangan dan arus,maka
proteksi utama trafo dapat dikatakan sebagai proteksi elektrik. Proteksi utama
trafo menggunakan relai diferensial dan relai Restricted Earth Fault (REF).
2.6. Relai Diferensial
Relai diferensial adalah relai yang bekerja apabila mendeteksi adanya
perbedaan fasor dan atau perbedaan nilai sesaat arus masuk dan arus keluar.
Dalam hal ini perbandingan arus belitan primer, sekunder dan atau tersier (jika
tersier dibebani). Prinsip kerja relai diferensial adalah membandingkan dua vektor
arus atau lebih yang masuk ke relai.
Gambar 2-14 Rangkaian Relai Diferensial dan gambar fisik relai [13]
I = 0
KAWASAN
PENGAMANAN
I1 I2 CT1 CT2
i1 i2
Alat yang diproteksi
36
Apabila sisi primer trafo arus primer dialiri arus , maka pada sisi
primer trafo arus akan mengalir arus . Pada saat yang sama, sisi sekunder
dari kedua CT akan mengalir arus dan yang besarnya tergantung dari rasio
trafo arus (CT) yang terpasang.
Jika besar arus sekunder CT menunjukkan = maka relai tidak akan
bekerja karena tidak ada selisih arus (∆i=0). Namun jika besar arus sekunder CT
menunjukkan ≠ maka relai akan bekerja karena adanya selisih arus (∆i≠0).
Selisih arus ini yang dinamakan arus diferensial yang mendasari bekerjanya relai.
Dalam keadaan normal (tanpa gangguan), arus yang mengalir ke relai sama
dengan nol, karena arus dari kedua sisi saling meniadakan satu sama lain.
......................(persamaan 2-7)
Dimana, Id = Nilai arus diferensial
I1 = Nilai arus sekunder CT 1
I2 = Nilai arus sekunder CT 2
Prinsip ini berdasarkan pada Hukum Khirchoff 1 : “Arus total yang
masuk melalui titik percabangan dalam rangkaian listrik sama dengan arus total
yang keluar dari titik percabangan tersebut” [17]
. Dengan rumus :
................................................................................ (persamaan 2-8)
Diferensial trafo merupakan proteksi utama elektrik yang ada pada trafo
tenaga sebagai pengaman utama dari gangguan hubung singkat yang terjadi di
37
dalam kumparan fasa . Gangguan hubung singkat biasanya terjadi akibat adanya
kerusakan isolasi kawat . Akibat dari kerusakan tersebut adalah :
1. Hubung singkat antara kumparan fasa satu dengan fasa yang lainnya.
2. Hubung singkat antara masing-masing lilitan dalam satu kumparan.
3. Hubung singkat antara kumparan sisi tegangan tinggi dengan sisi tegangan
rendah.
4. Hubung singkat antara belitan dengan tangki/body trafo.
Sifat relai diferensial yakni :
1. Sangat selektif dan cepat (tanpa waktu tunda).
2. Merupakan pengaman utama (main protection).
3. Tidak dapat digunakan sebagai pengaman cadangan untuk daerah/seksi
selanjutnya.
4. Tidak perlu koordinasi dengan relai proteksi lain.
5. Daerah pengamanannya dibatasi oleh pemasangan trafo arus (CT).
Menurut referensi [12] Agar relai diferensial tidak melakukan kerja saat
kondisi normal (tidak terjadi gangguan), ada beberapa persyaratan berikut:
1. CT1 dan CT2 harus memiliki rasio yang sama, sehingga I1 = I2 menggunakan
penjumlahan vektor dengan perbedaan sudut 180º.
2. Sambungan dan polaritas CT1 dan CT2 harus benar.
Perbedaan nilai sudut fasa pada arus sangat mempengaruhi penjumlahan
nilai arus yang mengalir melalui relai diferensial. Karena adanya perbedaan sudut
fasa pada arus maka penjumlahan nilai arus menggunakan vektor.
38
2.6.1 Kerja Proteksi Relai Diferensial Jika Terjadi Gangguan
1) Jika terjadi gangguan di dalam daerah pengamanannya
Jika relai diferensial dipasang sebagai proteksi suatu peralatan dan terjadi
gangguan di daerah pengamanannya maka relai diferensial harus bekerja.
Seperti terlihat pada gambar 2-15, pada saat CT1 mengalir arus I1 maka
pada CT2 tidak ada arus yang mengalir (I2=0). Hal ini disebabkan karena
arus gangguan mengalir pada titik gangguan sehingga tidak ada arus yang
mengalir pada CT2 (I2=0), yang mengakibatkan I1≠ I2 (∆i≠0) sehingga relai
bekerja.
Gambar 2-15 Rangkaian Relai Diferensial dengan Gangguan Internal [14]
2) Jika terjadi gangguan di luar daerah pengamanannya
Apabila terjadi gangguan di luar daerah pengamanannya maka relai
diferensial tidak boleh bekerja. Seperti pada gambar 2-16 , pada saat sisi
primer kedua CT dialiri arus I1 dan I2, dengan adanya rasio CT1 dan CT2
yang sedemikian, maka besar arus yang mengalir pada sekunder CT1 dan
CT2 yang menuju relai besarnya sama (I1 = I2). Atau dengan kata lain tidak
39
ada selisih arus yang mengalir pada relai sehingga relai tidak bekerja. Hal
ini disebabkan karena sirkulasi arus gangguan diluar daerah pengamanan
kerja relai tidak mempengaruhi arus yang mengalir pada kedua CT yang
terpasang, sebab apabila pada primer CT1 dan CT2 mengalir arus
gangguan, dengan adanya perbandingan rasio trafo arus maka pada sisi
sekunder juga akan mengalir arus gangguan yang besarnya I1 = I2.
Gambar 2-16 Rangkaian Diferensial dengan Gangguan Eksternal[14]
2.7. Peralatan Simulasi
2.7.1 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah chip atau Integrated Circuit (IC) yang bisa
diprogram menggunakan komputer. Tujuan ditanamkannya program pada
mikrokontroler adalah supaya rangkaian elektronik dapat membaca input,
kemudian memproses input tersebut, sehingga menghasilkan output yang sesuai
dengan keinginan. Jadi mikrokontroler berfungsi sebagai otak yang mengatur
input, proses, dan output sebuah rangkaian elektronik.
40
Dalam simulasi kali ini, penulis menggunakan mikrokontroler jenis
Arduino. Arduino adalah pengendali mikro single-board bersifat open-source
yang dirancang untuk mempermudah penggunaan elektronik dalam berbagai
bidang. Hardware-nya memiliki prosesor Atmel AVR dan software-nya memiliki
bahasa pemrograman sendiri.
Gambar 2-17 Pin input/output Arduino Mega 2560[19]
Arduino dapat diaktifkan melalui beberapa cara, yaitu dengan kabel USB
yang tersambung dengan laptop, melalui catu daya dengan daya eksternal 6 Volt
sampai 20 volt. Jika diberi tegangan kurang dari 7 Volt, maka, pin 5 Volt
41
mungkin akan menghasilkan tegangan kurang dari 5 Volt dan ini akan membuat
papan menjadi tidak stabil. Jika sumber tegangan menggunakan lebih dari 12
Volt, regulator tegangan akan mengalami panas berlebihan dan bisa merusak
papan. Rentang sumber tegangan yang dianjurkan adalah 7 Volt sampai 12 Volt.
Pin tegangan yang tersedia pada papan Arduino adalah sebagai berikut:
1. VIN: Adalah input tegangan untuk papan Arduino ketika menggunakan
sumber daya eksternal (sebagai „saingan‟ tegangan 5 Volt dari koneksi USB
atau sumber daya ter-regulator lainnya). Anda dapat memberikan tegangan
melalui pin ini, atau jika memasok tegangan untuk papan melalui jack power,
kita bisa mengakses/mengambil tegangan melalui pin ini.
2. 5V: Sebuah pin yang mengeluarkan tegangan ter-regulator 5 Volt, dari pin ini
tegangan sudah diatur (ter-regulator) dari regulator yang tersedia (built-in)
pada papan. Arduino dapat diaktifkan dengan sumber daya baik berasal
dari jack power DC (7-12 Volt), konektor USB (5 Volt), atau pin VIN
pada board (7-12 Volt). Memberikan tegangan melalui pin 5V atau 3,3V
secara langsung tanpa melewati regulator dapat merusak papan Arduino.
3. 3V3: Sebuah pin yang menghasilkan tegangan 3,3 Volt. Tegangan ini
dihasilkan oleh regulator yang terdapat pada papan (on-board). Arus
maksimum yang dihasilkan adalah 50 mA.
4. GND: Pin Ground atau Massa.
5. IOREF: Pin ini pada papan Arduino berfungsi untuk memberikan referensi
tegangan yang beroperasi pada microcontroller. Sebuah perisai (shield)
dikonfigurasi dengan benar untuk dapat membaca pin tegangan IOREF dan
42
memilih sumber daya yang tepat atau mengaktifkan penerjemah tegangan
(voltage translator) pada output untuk bekerja pada tegangan 5 Volt atau 3,3
Volt.
Masing-masing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan
sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan
digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat
memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up
internal (yang terputus secara default) sebesar 20 – 50 kilo ohms. Selain itu,
beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain:
1. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2:
17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan
sebagai Receiver (RX) dan Transciver (TX) TTL data serial. Pins 0
dan 1 juga terhubung ke pin yang sesuai dari ATmega16U2 USB-to-Serial
TTL.
2. Eksternal Interruption : 2 (0 interrupt), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt
5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), dan 21 (interrupt 2). Pin ini
dapat dikonfigurasi untuk memicu interrupt pada nilai yang rendah,
naik atau jatuh atau perubahan nilai.
3. PWM Pin 2-13 dan 44-46 Menyediakan 8-bit PWM keluaran dengan
analogWrite () function.
4. SPI: Pin 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Pin ini
mendukung komunikasi SPI menggunakan SPI Library. Pin SPI juga
43
terputus pada header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Uno,
Duemilanove dan Diecimila.
5. LED : Pin 13. Terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13
Ketika pin pada nilai besar, LED menyala, ketika pin yang rendah, akan
mati.
6. TWI I2C : Pin 20 (SDA) dan Pin 21 (SCL). Dukungan komunikasi
TWI menggunakan Wire Library.
Arduino Mega 2560 memiliki 256 KB flash memory untuk
menyimpan kode (yang 8 KB digunakan untuk bootloader), 8 KB SRAM dan 4
KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan perpustakaan
EEPROM). Selain itu, Arduino Mega 2560 memiliki sejumlah fasilitas untuk
berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, bahkan mikrokontroler lain.
Arduino Mega 2560 menyediakan empat UART hardware untuk TTL (5V)
komunikasi serial. Sebuah chip ATmega16U2 yang terdapat pada papan
digunakan sebagai media komunikasi serial melalui USB dan muncul sebagai
COM Port Virtual (pada Device komputer) untuk berkomunikasi dengan
perangkat lunak pada komputer. Perangkat lunak Arduino termasuk di
dalamnya serial monitor memungkinkan data tekstual sederhana dikirim ke
dan dari papan Arduino. LED RX dan TX (pada pin 13) akan berkedip
ketika data sedang dikirim atau diterima melalui chip USB-to-serial yang
terhubung melalui USB komputer (tetapi tidak berlaku untuk komunikasi
serial seperti pada pin 0 dan 1).
44
Arduino Mega 2560 mempunyai 16 pin input analog yang masing-
masing menyediakan resolusi 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara
otomatis pin ini dapat diukur/diatur mulai dari ground sampai 5 V,
meskipun bisa juga merubah titik jangkauan tertinggi menggunakan pin
AREF dengan fungsi analog Reference(). Pin lain yang ada Board yaitu AREF,
untuk mengubah tegangan referensi pada input analog dan Reset (untuk
menghidupkan ulang mikrokontroler).
Pemrograman Arduino Mega 2560 dapat dilakukan menggunakan
aplikasi IDE (Integrated Development Environment) yang merupakan
software open source dari Arduino. Software ini berfungsi untuk menulis
program, meng-compile menjadi kode biner, dan meng-upload ke dalam memori
mikrokontroler. Berikut adalah cara menggunakan software Arduino IDE:
1. Jalankan Arduino IDE dengan menjalankan aplikasi Arduino yang sudah
terinstal pada komputer atau laptop.
Gambar 2-18 Aplikasi Arduino IDE
45
Gambar 2-19 Tampilan Awal Arduino IDE
2. Pilih menu Tools → Board
Pilih board “Arduino Mega or Mega 2560” karena di sini akan
menggunakan Arduino Mega 2560. Gambar 2-20 menunjukkan
tampilan saat pemilihan board “Arduino Mega or Mega 2560”.
Gambar 2-20 Memilih board Arduino Mega
3. Tulis sketch (program) sesuai project yang dikerjakan, atau dapat
memilih menu File → Examples → Basics, kemudian pilih library yang
hendak dijalankan. Bagian examples berisi contoh-contoh sketch bawaan
46
untuk mempermudah user ketika memprogram Arduino. Gambar 2-21
merupakan contoh sketch LED.
Gambar 2-21 Contoh sketch LED
4. Klik tombol Upload pada toolbar untuk mengirim sketch tersebut ke
Arduino. Dapat dilihat bahwa lampu LED RX pada Arduino akan berkedip-
kedip ketika menerima program. Gambar 2-22 menunjukkan ikon upload.
Gambar 2-22 Ikon Upload
5. Jika program berhasil di-upload, maka akan muncul tampilan seperti
gambar 2-23 di bawah.
47
Gambar 2-23 Program berhasil diupload
Sebaliknya, jika terjadi kesalahan pada pemrograman dan pengiriman
data gagal. Gambar 2-24 menunjukkan tampilan saat program gagal di-upload.
Gambar 2-24 Program gagal diupload
2.7.2 Catu Daya
Arus listrik yang biasa digunakan untuk keperluaan sehari-hari pada
umumnya akan dibangkitkan, dikirim dan didistribusikan ke tempat masing-
masing dalam bentuk arus bolak-balik atau arus AC (Alternating Current). Akan
tetapi, peralatan elektronika yang kita gunakan untuk sekarang ini sebagian besar
membutuhkan arus DC dengan tegangan yang lebih rendah untuk
pengoperasiannya. Rangkaian yang mengubah arus listrik AC menjadi DC ini
disebut dengan DC power supply atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan
catu daya DC. Pada gambar di bawah ini ditunjukkan blok diagram catu daya.
48
220 VAC
Trafo Step
Down
Dioda
Kapasitor
Voltage
Regulator
VDC
Input
Gambar 2-25 Blok Diagram Catu Daya
Berikut ini adalah penjelasan singkat tentang prinsip kerja catu daya pada masing-
masing blok.
2.7.2.1 Transformator Step Down
Gmabar 2-26 Gamber fisik Trafo Step Down 5A
(Sumber: dokumen pribadi. Diambil pada tanggal 28 Mei 2018)
49
Transformator yang digunakan untuk Catu Daya adalah Transformator
jenis step-down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik sesuai dengan
kebutuhan komponen elektronika yang terdapat pada rangkaian Catu Daya (DC
power supply), yaitu menurunkan dari tegangan 220 VAC menjadi 12 VDC.
Prinsip kerja dari trafo ini sudah dijelaskan pada sub-bab 2.3 Gardu Induk .
2.7.2.2 Dioda
Dioda adalah peralatan elektronika yang berfungsi sebagai penyearah
yang digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Dioda
hanya akan menghantarkan arus searah saja, dari kutub anoda ke kutub katoda/
dari kutub positif ke kutub negatif. Hal ini dikarenakan struktur dioda yang
terbuat dari sambungan semikonduktor P dan N.
Gambar 2-27 Dioda Penyearah
(Sumber: berbagielektro.blogspot.com. Diakses tanggal 29 Mei 2018
Pukul 10.00 WIB)
Apabila dioda semikonduktor ini diberi tegangan maju(forward bias),
yaitu tegangan dengan arah aliran dari anoda ke katoda maka dengan tegangan
yang kecil saja (umumnya 0.6-0.7volt) akan mengalir maju. Dengan kenaikan
tegangan yang kecil saja sudah di dapat arus maju yang besar.
50
Sebaliknya, apabila dioda ini diberi tegangan maju (reverse bias), yaitu tegangan
dengan arah aliran dari katoda ke anoda maka arus tidak akan mengalir . tetapi
untuk tegangan diatas batas dioda, akan mengalir arus yang sangat besar. Pada
titik batas ini dioda tidak mampu lagi menahan disipasi daya yang besar, yang
biasa disebut dengan tegangan tembus.
Menurut referensi (16) ada berbagai jenis dioda yang dibuat sesuai dengan
fungsinya tanpa meninggalkan karakteristik serta spesifikasinya, seperti dioda
penyearah (rectifier), dioda Emisi Cahaya (LED), dioda Zenner, dioda photo
(Photo-Dioda) dan Dioda Varactor
Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari power supply/catu
daya yang berfungsi untuk mengubah sinyal tegangan AC (Alternating Current)
menjadi tegangan DC (Direct Current). Komponen utama dalam penyearah
gelombang adalah dioda yang dikonfiguarsikan secara forward bias. Dalam
sebuah power supply tegangan rendah, sebelum tegangan AC tersebut di ubah
menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu di turunkan menggunakan
transformator stepdown.
Gambar 2-28 Penyearah Gelombang (rectifier)[20]
51
Penyearah terdiri dari dioda bridge, yaitu empat buah dioda yang
dirangkai membentuk sebuah jembatan. Dioda bridge digunakan sebagai
penyearah arus bolak-balik satu gelombang penuh. Owen Bishop (2002)
menyatakan bahwa selama setengah siklus positif, dioda D1 dan dioda D2 diberi
bias maju, sehingga keduanya menghantarkan arus. Sementara dioda D3 dan
dioda D4 diberi bias mundur sehingga keduanya tidak menghantarkan arus. Arus
mengalir melalui beban sebagai berikut :
: Penyearah setengah gelombang siklus positif
: Penyearah setengah gelombang siklus negatif
Gambar 2-29 Penyearah gelombang penuh dan bentuk gelombangnya[20]
Selama setengah siklus negatif, dioda D1 dan dioda D2 diberi bias
mundur, sehingga keduanya tidak menghantarkan listrik. Sementara itu, dioda
D3 dan dioda D4 diberi bias maju sehingga dapat menghantarkan listrik.
Karena gelombang yang dihasilkan oleh penyearah dioda masih dalam
bentuk dc denyut dan terdapat ripple, maka untuk membuatnya menjadi dc murni
perlu ditambahkannya kapasitor sebagai penghilang ripple tersebut. Bentuk
52
gelombang yang dihasilkan oleh penyearah dioda gelombang penuh adalah
sebagai berikut :
Gambar 2-30 Bentuk gelombang ouput rectifier[20]
2.7.2.3 Kapasitor Sebagai Penyaring (Filter)
Gambar 2-31 Bentuk fisik kapasitor
(Sumber : dokumen pribadi. Diambil tanggal 3 Juni 2018 jam 14.43 WIB)
Kapasitor menurut Michael Tooley adalah perangkat yang digunakan
untuk menyimpan muatan listrik . Penyaring pada rangkaian catu daya berupa
komponen kapasitor yang berfungsi untuk meratakan sinyal arus yang keluar dari
rectifier.
53
Gambar 2-32 Struktur Kapasitor[21]
Kapasitor terdiri dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh bahan-
bahan dielektrik seperti, kaca, kertas, gelas, dll seperti yang ditunjukkan oleh
gambar 2-31. Jika kedua plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan
akan berkumpul pada salah satu kaki elektroda. Muatan positif tidak akan bisa
mengalir menuju kutub negatif begitupun sebaliknya. Muatan ini tersimpan
selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kaki.
Seperti yang kita ketahui, tegangan DC yang dihasilkan oleh rectifier masih
memiliki ripple yang sangat besar. Untuk mendapatkan tegangan DC yang rata
(low ripple), maka diperlukan kapasitor sebagai filter. Kapasitor sendiri memiliki
kemampuan untuk pengisian (charging) dan pengosongan (discharging),
kemampuan kapasitor inilah yang berfungsi untuk mengurangi ripple/riak pada
arus listrik tersebut. Ketika gelombang mengalami penurunan nilai, maka
kapasitor akan melakukan discharge sehingga bentuk gelombang mengalami
54
kestabilan/lurus. Semakin besar nilai kapasitansi suatu kapasitor maka itu semakin
baik.
Gambar 2-33 Rangkaian Penyearah ditamabah kapasitor [20]
Ketika beban menarik arus dari rangkaian, tegangan akan jatuh perlahan-
lahaan namun akan kembali lagi ke puncak oleh pulsa berikutnya. Hasilnya adalah
gelombang DC dengan sedikit riak gelombang. Kapasitor yang digunakan bernilai
4700 mF atau lebih apabila arus yang ditarik oleh beban tidak terlalu besar,
tegangan output yang dihasilkan akan setara gelombang DC murni.
55
2.7.2.4 Voltage Regulator
Gambar 2-34 Bentuk fisik IC 7812
(Sumber: dokumen pribadi. Diambil tanggal 03 Juni 2018 jam 14.39 WIB)
Regulator tegangan diperlukan untuk menyetabilkan tegangan hasil dari
penyearahan. Voltage regulator merupakan suatu komponen yang mengambil
tegangan input tak teregulasi yang bisa berflukturasi dari waktu ke waktu, dan
menghasilkan tegangan konstan yang teregulasi yaitu tegangan stabil yang tidak
terpengaruh oleh perubahan input, perubahan beban , dan perubahan arus.
Regulator tegangan dengan keluaran bervariasi berarti tegangan yang dihasilkan
dapat diatur dengan range tertentu.
Gambar 2-35 Dioda zenner pada power supply[18]
56
Komponen elektronika yang digunakan sebagai regulator tegangan adalah
dioda zener. Ciri khas dioda zener yakni bila dibias forward, maka dioda zener
akan bertindak sebagai dioda pada umumnya, sedangkan bila dibias reverse dioda
zener akan mengalirkan arus dari katoda ke anoda dengan syarat diberi catu
tegangan yang lebih besar dari tegangan spesifikasi dioda tersebut.
Oleh karena itu, meski mendapatkan catu secara reverse, apabila tegangan
catu kurang dari tegangan tembus maka arus dari katoda tidak akan mengalir
menuju anoda. Dioda zener akan memberikan tegangan output yang relatif tetap
sesuai dengan spesifikasi tegangan zener tersebut. Misalnya dioda zener memiliki
spesifikasi tegangan 5 Volt, maka ketika dilewati sebuah tegangan 6,5 Volt,
tegangan output dioda akan tetap pada batas 5 Volt. Namun ketika tegangan yang
melewati dioda zener sudah melewati batas toleransi yang dijinkan, misal 8 Volt,
maka dioda zener sudah tidak mampu lagi menahan tegangan spesifikasi 5 Volt
tersebut. Akibatnya, kondisi dioda zener akan mengalami kerusakan.
Gambar 2-36 Diagram Pinout dari Voltage Regulator[22]
Besarnya tegangan keluaran IC seri 78XX dan 79XX ini dinyatakan
dengan dua angka terakhir pada serinya. Misal, IC 7812 adalah regulator tegangan
positif dengan tegangan keluaran 12 volt, sedangkan IC 7912 adalah regulator
tegangan negatif dengan tegangan keluara -12 volt.
57
Gambar 2-37 Blok diagram internal IC 78XX[22]
Pada gambar 2-37 yang merupakan blok diagram internal IC 78XX, blok
tegangan referensi adalah dimana dioda zener berada. Bila tegangan input yang
masuk pada LM7805 sesuai dengan tegangan minimalnya, misal 8 Volt, maka
output zener akan menjadi 5 V namun bila input berada dibawah nilai tersebut,
maka zener akan cut-off. Rangkaian pass element dan error amplifier digunakan
untuk mengatur parameter pada rangkaian sehingga tegangan output akan tetap
konstan meskipun arus beban dan tegangan input berubah. IC 78XX dilengkapi
dengan thermal protection, yakni jika disipasi daya pada regulator terlalu besar
maka tegangan output regulator akan turun ke 0 V sampai IC dingin kembali.
Tabel 2-1 berikut ini menunjukkan beberapa tipe regulator beserta batasan
tegangannya.
58
Tipe
Regulator
Vin min Vin maks Vout
7805 8 V 20 V 5 V
7808 11,5 V 23 V 8 V
7812 15,5 V 27 V 12 V
7824 28 V 38 V 24 V
Tabel 2-1 Tegangan Input IC L7805 dan IC L7812[22]
Batasan nilai tegangan masukan IC regulator yang terdapat dalam tabel
adalah nilai DC, bukan tegangan sekunder dari trafo. Berdasarkan tabel 2-1 diatas,
diambil kesimpulan bahwa nilai tegangan output akan tetap konstan meskipun
tegangan input bervariasi, namun dalam range tertentu.
Gambar 2-38 Rangkaian Catu Daya Dengan Output 12V
Pemakaian heatsink (alumunium pendingin) dianjurkan jika komponen ini
digunakan untuk mencatu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen IC
59
regulator tegangan hanya bisa dilewati arus maksimal 1 Ampere. Kemampuan
memberikan catu daya dari IC regulator tegangan dapat ditingkatkan kapasitasnya
dengan menambahkan transistor eksternal, bisa transistor NPN atau PNP.
Transistor adalah komponen semikonduktor yang terdiri atas sebuah bahan
tipe p dan diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah
bahan tipe n dan diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Ketiga terminal
transistor disebut Emitor, Basis, dan Collector.
Dengan penambahan transistor luar, maka sebagian besar dari arus akan
dilewatkan pada transistor ini, sehingga IC regulator tegangan hanya berfungsi
sebagai pengontrol tegangan saja. Gelombang output yang dihasilkan oleh
serangkaian catu daya berupa arus dc murni .
2.7.3 Sensor Arus ACS712
ACS712 adalah sensor arus yang menggunakan prinsip efek Hall yang
akan mendeteksi arus yang mengalir dari IP+ dan IP- dan memberikan ooutput
berupa tegangan yang selanjutnya dikirim ke Arduino Mega 2560. ACS712
merupakan sensor yang ekonomis dan presisi baik untuk pengukuran AC ataupun
DC dan sensor ini memiliki tipe variasi sesuai arus maksimalnya yakni 5A, 20A,
dan 30A dengan Vcc 5V. Berikut merupakan pinout sensor arus ACS712
60
Gambar 2-39 Sensor Arus ACS712[23]
Gambar 2-40 Pin Out Diagram ACS712[23]
Pada ACS 712, terdapat lempengan tembaga pada saat mendeteksi arus
dimulai dengan menggunakan Hukum Faraday yaitu bagaimana arus listrik yang
mengalir melalui konduktor akan menimbulkan medan elektromagnetik dan dapat
membuat atau menginduksi arus ke konduktor. Tahap selanjutnya adalah efek
Hall. Efek Hall adalah peristiwa terbentuknya beda potensial antara dua sisi
material yang dialiri arus listrik ketika material tersebut ditempatkan dalam medan
61
magnet yang arahnya tegak lurus arah aliran muatan (arah arus). Efek Hall
menggunakan fenomena gaya Lorentz .
Ketika arus listrik (I) mengalir pada lempengan tembaga akan
terpengaruh oleh medan magnet (B) yang tegak lurus dengan arus, maka
pembawa muatan yang bergerak pada logam akan mengalami pembelokan oleh
medan magnet tersebut. Akibat dari proses ini akan terjadi pengumpulan muatan
pada sisi logam. Pengumpulan muatan dapat menyebabkan sisi logam menjadi
lebih elektropositif ataupun elektronegatif tergantung pada pembawa muatannya.
Perbedaan di kedua sisi tersebut menimbulkan perbedaan beda potensial yang
disebut sebagai Potensial Hall.
Gambar 2-41 Prinsip Keerja Efek Hall[24]
Sensor arus ACS712 memiliki sensor efek Hall yang diletakkan pada
konduktor tembaga sehingga jika arus mengalir melalui konduktor dan
menghasilkan medan magnet, medan magnet akan diteksi oleh sensor efek Hall
62
yang outputnya berupa tegangan dengan nilai sesuai dengan arus input. Penguatan
Viout yang dihasilkan oleh sensor ini akan dikuatkan oleh op-amp yang sudah ada
di dalam IC ACS712 dan di filter melalui kapasitor di dalamnya sehingga output
yang dihasilkan berupa tegangan . Karakteristik dari sensor ini adalah ketika tidak
ada arus yang mengalir pada rangkaian maka keluaran sensor adalah setengah dari
Vcc yaitu 2,5 V. Ketika arus mengalir dari pin IP+ ke IP-, maka keluaran akan
>2,5 V, sedangkan ketika arus mengalir dari IP- ke IP+ maka keluaran akan <2,5
V Berikut merupakan pinout dari sensor arus ACS712. Gambar 2-27 di bawah
adalah hubungan antara tegangan output dengan arus yang dideteksi sensor.
Gambar 2-42 Hubungan Tegangan Output dengan Arus [23]
63
2.7.4 Driver Relai IC ULN2803
Gambar 2-43 Gambar fisik IC ULN2803[27]
Driver relai merupakan rangkaian yang digunakan untuk menggerakkan
relai. Rangkaian ini digunakan sebagai interface antara relai yang memiliki
tegangan kerja bervariasi (misal 12 VDC) dengan mikrokontroler yang hanya
bertegangan 5 VDC karena tegangan output sebesar 5 VDC tersebut belum dapat
digunakan untuk mengaktifkan relai.
ULN2803 merupakan salah satu IC yang mampu difungsikan sebagai driver
relai. IC ini mempunyai 8 buah pasangan transistor Darlington npn, dengan
tegangan output maksimal 50 V dan arus setiap pin mencapai 500mA.
Keuntungan transistor Darlington yakni mempunyai impedansi input tinggi dan
impedansi output rendah.
64
Gambar 2-44 Rangkaian Darlington Dalam ULN2803[27]
Gambar 2-44 menunjukkan gambar rangkaian darlington yang terdapat di
dalam setiap pin IC ULN2803, dimana transistor dimanfaatkan sebagai saklar
untuk memacu cara kerja relay. Rangkaian darlington terdiri dari dua buah
transistor bipolar yang penguatannya lebih tinggi karena arus akan dikuatkan dua
kali oleh transistor pertama dan dilanjutkan transistor kedua untuk mendapatkan
arus yang besar yang disebut ß atau hFE.
Cara kerja rangkaian darlington untuk menggerakkan relay adalah ketika
input rangkaian belum mendapatkan tegangan, maka transistor satu dan transistor
dua tidak akan aktif karena tidak ada arus yang mengalir ke basis sehingga coil
relay tidak akan aktif karena tegangan balik dari dioda akan di teruskan melalui
dioda com.
Ketika input mendapatkan tegangan 5 volt, maka arus akan naik sehingga
kedua transistor akan aktif/bekerja. Arus input transistor dua merupakan
kombinasi dari arus input dan arus emiter dari transistor satu, sehingga arus akan
65
terkumpul dalam jumlah yang banyak. Arus yang mengalir keluar dari transistor
dua akan memberikan jalan bagi rangkaian yang terhubung output ULN2803 yaitu
relay, untuk tersambung ke ground. Sehingga bisa dikatan bahwa output
ULN2803 adalah nol atau ground.
Pada gambar 2-45 merupakan gambaran pin input dan pin output IC ULN
2803 dimana pin 1-8 menerima sinyal tingkat rendah misal dari mikrokontroler
Arduino Mega 2560, pin 9 sebagai grounding(untuk referensi tingkat sinyal
rendah). Pin 10 adalah COM sebagai inputan sumber pada sisi yang lebih tinggi
dan umumnya akan dihubungkan ke tegangan positif. Pin 11-18 adalah output
(Pin 1 untuk pin 18, Pin 2 untuk 12, dst).
Gambar 2-45 Pin Out IC ULN2803[27]
66
2.7.5 Relai 12 VDC
Relay adalah suatu perangkat yang bekerja dengan sistem elektromagnetik
yang bekerja dengan menggerakan beberapa kontaktor atau suatu saklar elektronik
yang dapat dikendalikan lewat rangkaian elektronik lain dan dengan
memanfaatkan tenaga listrik sebagai energi sumbernya. Kontaktor yang tersusun
beberapa akan tertutup (ON) atau terbuka (OFF) dikarenakan efek induksi dari
magnet yang dihasilkan oleh kumparan (induktor) saat dialiri arus listrik. Gambar
2-46 menunjukkan bagian-bagian dari sebuah relai.
Gambar 2-46 Bagian-bagian dari relay
(Sumber:https://teknikelektronika.com/pengertian-relay-fungsi-relay/. Diakses
pada tanggal 03 Juli 2018 Jam 22.10)
Relai memiliki sebuah kumparan tegangan rendah yang dililitkan pada
sebuah inti. Terdapat sebuah armatur besi yang akan tertarik menuju inti apabila
67
arus mengalir melewati kumparan. Armatur ini terpasang pada sebuah tuas
berpegas. Ketika armatur tertarik menuju ini, kontak jalur bersama akan berubah
posisinya dari kontak normal-tertutup ke kontak normal-terbuka[14]
.
Dalam rancangan alat yang dibuat, digunakan relay jenis double pole double
throw (DPDT). Dalam hal ini, relai memiliki satu coil yang apabila ia diberi arus
DC ia akan menginduksi kumparan dan akan menggerakkan 2 kontak secara
bersamaan. Digunakannya relai tersebut bertujuan agar dapat menggerakkan dua
beban sekaligus. Pada laporan tugas akhir ini penulis menggunakan relai merk
Omron type MY2 sebagai simulasi switch untuk menggambarkan prinsip kerja
PMT dan PMS . Berikut adalah spesifikasi dari relay MY2 dari Omron:
- Double Pole Models
- 8 Pins; 2NO + 2NC
- Imax 10A; Vmax : AC250V/DC125V
- Pilihan teg koil AC : 6/12/24/50/110/220 V
- Pilihan teg koil DC : 6/12/24/48/110 V
- Contact resistance 100 ms max.
- Operate time 20 ms max.
- Release time 20 ms max.
- Max. operating frequency Mechanical: 18,000 operations/hr
- Dimension : H28 W21,5 D36mm
68
Gambar 2-47 Wiring Relay Omron MY2[28]
Keterangan :
a) Terminal 13 dan 14 adalah trigger untuk menyalakan coil.
b) Terminal 1 dan 4 adalah common kontak.
c) Terminal 5 dan 8 adalah kontak NO (Normally Open).
d) Terminal 9 dan 12 adalah kontak NC (Normally Close).
e) Saat Coil masih padam, kondisi kontak relay masih dalam keadaannormal,
yakni keadaan kontak masih sama seperti gambar 2-29.
f) Saat Coil mendapatkan sumber listrik lewat terminal 13 dan 14, maka
keadaan kontak relay akan berubah seperti terlihat pada gambar 2-29.
69
2.7.6 Push Button
Gambar 2-48 Push Button dan simbolnya
(Sumber: https://electronics.stackexchange.com. Diakses tanggal 04 Juli
jam 11.15)
Push Button atau sakelar tekan adalah sakelar yang berguna untuk
pemakaian kontak sementara. Sakelar dioperasikan dengan cara menekan sebuah
tombol.Sakelar ditunjukkan secara skematis pada gambar 2-48 NO (Normally
Open) dan NC (Normally Closed). Ada juga yang menyebutkan jenis push-to-
make (tekan untuk menyambungkan) dengan menekan tombol, kontak-kontak
akan tertekan hingga saling bersentuuhan dan sakelar menutup. Jenis lainnya
adalah push-to-break (tekan untuk menyambung) kontaknya adalah kontak
normal tertutup, namun akan dipaksa membuka ketika tombol ditekan[16]
.
Sebuah sakelar yang menyambung atau memutuskan sambungan selama
sekejap hanya akan menutup/membuka selama tombol ditekan. Ketika tombol
dilepas maka sakelar akan kembali ke posisi semula. Sedangkan pada sakelar
mengunci (latching) penyambungan atau pemutusan daya pada posisi di tekan
terus-menerus, harus ditekan sekali lagi jika akan mengembalikan sakelar pada
posisi normal.
70
Gambar 2-49 Bentuk fisik push button
(Sumber: dokumen pribadi. Diambil tanggal 3 Juni 2018 jam
14.41WIB)
2.7.7 Rangkaian Debouncer
Rangkaian debouncer adalah saklar penghubung antara push button dan
mikrokontroler yang berperan sebagai gate untuk menghubungkan sinyal yang
diberikan oleh push button kepada mikrokontroler melalui rangkaian smitch
trigger atau IC 7414 LS. Switch yang sederhana seringkali menimbulkan
bouncing.Untuk menghilangkan sinyal bouncing dari sebuah switch dapat
menggunakan cara dengan software maupun dengan hardware.
Gambar 2-50 Datasheet IC 7414 dan bentuk fisiknya
Schmitt trigger merupakan suatu rangkaian yang dapat mendeteksi tegangan
71
input yang melintasi suatu peringkat tertentu. Selain itu schmitt trigger sangat
berguna untuk pengkondisi sinyal segitiga ataupun bentuk gelombang lainnya,
maka output schmitt trigger akan menghasilkan suatu keluaran gelombang segi
empat dengan pinggiran naik dan pinggiran turun yang tajam.
IC 74LS14 merupakan salah satu jenis IC yang telah terpaket yang terdiri dari 6
buah inverter dengan schmitt trigger. Fungsi dari IC ini adalah sebagai pembalik
dan pemantap atau untuk mendeteksi taraf dan membentuk kembali pulsa-pulsa
yang buruk pada bagian tepinya (membentuk sinyal kotak) .
Gambar 2-51 Rangkaian debouncer dan outputnya [29]
Gambar 2-52 Rangkaian Schmit Trigger Dalam IC 7414LS[29]
Pada gambar 2-52 terdiri dari dua buah transistor dengan kondisi saat
72
transistor pertama bekerja maka transistor kedua tidak akan bekerja, begitu juga
sebaliknya. Rangkaian transistor diatas memungkinkan dua perbedaan referensi
tegangan (Vthreshold) yaitu tegangan nilai batas atas (Vt+) dan batas bawah (Vt-)
Pada saat mendapat input tegangan 5volt, maka arus akan mengalir ke
ground, karena Vinput rangkaian schmit trigger mendapatkan input 0 dan tidak
mendapatkan tegangan sebesar 5volt karena telah terbagi dengan transistor Q2
sehingga arus mengalir ke ground.
Pada saat mendapat input tegangan 5volt, maka arus akan mengalir ke pin
out dan menuju ke R2, dan Vin rangkaian mendapat input tegangan 5volt
sehingga Vt+ akan menguat karena mendapatkan tegangan dua kali, lalu arus
mengalir ke transistor dua untuk dikirim ke terminal output sehingga
menghasilkan 5volt sama dengan input Vin rangkaiannya.
Rangkaian schmit trigger bekerja mengikuti kondisi push button yang
tersambung di rangkaian debouncer. Pada saat saklar ditekan, maka arus akan
mengalir
Penggunaan resistor berfungsi sebagai pembatas arus agar tidak melebihi
inputan sumber. Biasanya digunakan kapasitor 100 nF yang terpasang parallel
dengan gerbang Schmitt trigger guna mengurangi tingkat bouncing dengan
memanfaatkan pelepasan muatan yang terjadi tidak secara mendadak.
Untuk menentukan besarnya kapasitor pada saat proses charging
menggunakan perhitungan sebagai berikut :
)............ ................................................... (persamaan 2-9)
73
Dimana, : tegangan pada kapasitor
: tegangan initial untuk kapasitor
T dalam satuan sekon
R dan C adalah nilai dari resistor dan kapsitor dalam satuan ohm dan farad [29]