makalah22.pdf

SEMINAR NASIONAL VIII

SDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013

ISSN 1978-0176

177 STTN-BATAN Sujatno

ANALISIS SISTEM KENDALI BEBAN ELEKTRONIK (ELC)

SEBAGAI STABILISASI ENERGI LISTRIK

BERBASIS MIKROKONTROLER

SUJATNO

STTN BATAN,

Jl : Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB, Jogjakarta 55281

Email : [email protected]

ABSTRAK

Analisis Sistem Kendali Beban Elektronik (ELC: Electronic Lood Control) Sebagai stabilisasi Energi

Listrik berbasis Mikrokontroler. Telah dilakukan analisis sistem kendali beban elektronik (ELC) pada

pembangkit listrik dengan kendali utama menggunakan mikrokontroler AT89C51/52. Pengendalian beban

dimaksudkan untuk menjaga kestabilan energi listrik yang dihasilkan oleh generator. Sistem kendali

dilakukan dengan cara membuat beban komplemen (ballast Lood), sehingga energi yang dihasilkan oleh

generator akan tetap walaupun beban konsumen berubah-ubah. Pengendalian menggunakan mikrokontroler

dengan tujuan, untuk mengatur bukaan lebar sempitnya sudut triac sebagai switch elektronik. Dimana

unjuk kerjanya berdasarkan perubahan arus yang disebabkan oleh adanya perubahan pada beban

konsumen. Perubahan arus dideteksi oleh trafo arus (CT : Current Transformer), keluaran dari trafo

diperkuat dengan penguat operasional (Op-Amp). Sinyal dari trafo arus yang telah diperkuat yang berupa

sinyal analog dirubah menjadi sinyal digital melalui A/D Converter agar dapat diproses dalam

mikrokontroler. Keluaran dari mikrokontroler akan memicu triac untuk membuka yang besarnya

berdasarkan perubahan arus yang terjadi pada jaringan. Dengan bekerjanya Triac maka jika terjadi

penurunan daya pada konsumen, sisa daya akan mengalir ke beban komplemen (ballast load), sehingga daya

generator senantiasa tetap walaupun beban konsumen mengalami perubahan. Diharapkan bahwa penelitian

ini memungkinkan penentuan karakteristik dan performen suatu ELC berbasis mikrokontroler.

Kata kunci : Beban komplemen, beban konsumen, mikrokontroler

ABSTRACT

Electronic Load Control System Analysis (ELC: Electronic Lood Control) For stabilization of

Electrical Energy-based Microcontroller. Analyzed the electronic load control system (ELC) at a power

plant with the main control using microcontroller AT89C51/52. Controlling expenses is intended to maintain

the stability of the electrical energy produced by the generator. Control system is done by making a load of

complement (ballast Lood), so that the energy produced by the generator will remain even if the consumer

load changes. Control by microcontroller done to control the triac as electronic switches. Where its

performance based on current changes due to changes in consumer load. Changes in currents detected by

current transformer (CT: Current Transformer), the output of the transformer amplified by operational

amplifiers (Op-Amp). Signals from the current transformer which has been strengthened in the form of

converted analog signals into digital signals through A / D converter to be processed in a microcontroller.

The output of the microcontroller will trigger triac to open a magnitude based on the current changes

occurring in the network. With the operation of Triac so if there is a decrease in consumer power, the

remaining power will flow to the load of complement (ballast load), so that the power generator always

remains even though the burden of consumers is changing. It is hoped that this study allows the

determination of the characteristics and performen a microcontroller-based ELC.

Key words: Burden of complement, the burden of consumers, microcontrol.




ISSN 1978-0176

178 Sujatno STTN-BATAN

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Pada setiap pembangkit listrik diperlukan

suatu sistem kontrol yang mengatur agar putaran

turbin - generator tetap konstan, walaupun diberi

beban yang bervariasi. Putaran turbin-generator

yang fluktuasi akan berakibat hasil frekuensi dan

tegangan dari generator tidak konstan. Untuk

mengatasi problema itu ada dua cara yaitu

menggunakan governor atau ELC (Electronic Lood

Control). Governor berfungsi untuk mengatur

putaran turbin-generator agar konstan, dengan cara

mengatur debit air atau uap yang masuk ke runner

turbin. Governor biasanya digunakan pada

pembangkit tenaga air yang berdaya besar. ELC

(Electronic Load Control) berfungsi untuk

mengatur secara otomatis aliran listrik ke beban

konsumen dan beban elektronik (beban

komplemen). ELC banyak digunakan pada

pembangkit tenaga air yang berdaya rendah sampai

sedang seperti misalnya pada pembangkit listrik

Mikrohidro. Pada prinsipnya bahwa pada setiap

pembangkit listrik, putaran turbin-generator

senantiasa harus di jaga konstan, walaupun beban

pada konsumen selalu berubah-ubah. Beban yang

tidak tetap berakibat arus yang mengalir dari

generator ke konsumen juga tidak tetap.

Berdasarkan konsumsi arus oleh konsumen inilah

sebagai dasar untuk mendeteksi beban konsumen.

Dengan menggunakan CT (Circuit transformer)

konsumsi arus ke konsumen dapat di deteksi. Dari

sekunder CT arus di rubah menjadi tegangan

dengan cara memasang resistor. Tegangan dari

sekunder CT masih terlalu kecil sehingga perlu di

perkuat dengan menggunakan penguat operasional

(Op-Amp). Tegangan keluaran dari CT yang

diharapkan mempunyai ring antara 1 Volt sampai

maksimum sekitar 5 Volt. Setiap perubahan arus

pada konsumen maka akan terjadi perubahan

tegangan keluaran dari CT. Setiap perubahan

tegangan ini akan deteksi oleh ADC (Analog to

Digital) untuk dirubah menjadi sinyal digital,

sehingga dapat di proses di dalam mikrokontroler.

Pada sistem mikrokontroler setiap

perubahan tegangan dari ADC akan di deteksi dan

akan digunakan untuk pemicu saklar elektronik

yang dalam hal ini menggunakan triac. Bukaan

gate triac akan membuka sesuai dengan perubahan

arus yang terjadi pada beban konsumen. Dengan

demikian arus listrik akan terbagi dua sebagian ke

konsumen dan sebagian lainnya akan mengalir ke

beban komplemen. Dengan kondisi itu maka arus

yang di keluarkan dari sumber pembangkit listrik

senantiasa tetap sesuai arus nominal nya. Penelitian

ini bertujuan mengetahui ketelitian ELC dengan

kendali mikrokontroler dan unjuk kerja ELC

berdasarkan perubahan arus beban.

TEORI

Jika beban konsumen berubah maka arus

dari generator yang diserap oleh beban juga akan

berubah. Dengan perubahan arus ini diharapkan

tidak mempengaruhi putaran generator, sehingga

tidak berpengaruh pada frekuensi yang dihasilkan.

Untuk menjaga putaran generator tetap konstan

maka daya yang masuk ke turbin dibuat tetap dan

beban yang diterima generator juga tetap. Daya

turbin dipengaruhi oleh debit air, agar daya turbin

tetap konstan, maka debit ait dibuat tetap.

Sedangkan agar beban generator tetap, perlu dibuat

beban komplemen untuk mengimbangi perubahan

pada beban konsumen. Besar beban komplemen

diatur oleh ELC yang menggunakan kendali utama

mikrokontroler, sehingga : Beban Generator =

Beban Konsumen + Beban Komplemen. Gambar 1

menunjukkan blok diagram pembagian daya dengan

ELC

Gambar 1. Blok diagram Pembagian Daya

dengan ELC

Adapun prinsip kerja ELC adalah jika daya yang

diserap oleh beban konsumen berubah akan

mengakibatkan pula perubahan frekuensi dan arus

yang mengalir ke beban. Perubahan arus dan

frekuensi ke beban akan dideteksi oleh sensor arus

yang kemudian dibandingkan dengan harga

referensi yang telah ditentukan. Selanjutnya

rangkaian kontrol yang berupa mikrokontroler akan

memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan

memanipulasi untuk mengatur sudut penyalaan

pada switch statik (Thyristor). Sistem pengatur

putaran generator dengan ELC terdiri dari empat

bagian utama yaitu (SubhanNafis,2008). Sensor

arus berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus

yang disebabkan terjadinya perubahan beban

konsumen. Sensor arus terdiri dari trafo arus (CT)

dan konveter.

1. Sistem Kontrol

Rangkaian kontrol ini berfungsi untuk

mensinkronkan dan membandingkan antara

perubahan arus dan harga referensi yang telah

ditentukan serta memberikan picu pada Triac

(Static switch).




ISSN 1978-0176


2. Static Switch

Switch ini berfungsi untuk menghubungkan antara

sistem kontrol dengan beban komplemen.

Komponen switch ada yang menggunakan triac, scr

dan relai.

3. Beban Komplemen

Beban tiruan ini dapat digunakan lampu atau

resistan. Adapun fungsinya adalah untuk tempat

pengalihan daya dari perubahan daya yang terjadi

pada beban konsumen.

TATA KERJA

Untuk menunjang penelitian ini diperlukan

beberapa peralatan dan bahan antara lain :

Peralatan yang diperlukan

a. Tool Set b. Multimeter c. Tang ampere d. Osciloscope e. Beban komplemen berupa lampu pijar f. Beban konsumen dari lampu pijar g. Generator Sinkron

Bahan yang dibutuhkan :

a. Komponen pasif b. Komponen aktif c. Mikrokontroler d. Trafo CT

LANGKAH PENELITIAN

Rangkaian ELC dibuat dengan menggunakan sensor

arus dalam mengetahui perubahan beban dan

menggunakan kontrol utama mikrokontroler.

Rangkaian rancangan sistem ELC

(Electronic Load Control) seperti terlihat

pada Gambar 2.

Pada kondisi awal putaran generator tetap dengan

beban nominalnya yang diserap oleh konsumen.

Tetapi pada saat beban puncak atau beban

konsumen turun maka keluaran arus dari generator

akan terjadi fluktuasi. Terjadinya perubahan arus

ini maka akan mempengaruhi putaran generator

bisa menjadi lebih cepat atau mungkin akan lebih

lambat dari putaran nominalnya. Dengan demikian

akan terjadi perubahan frekuensi yang dikeluarakan

generator. Untuk itu perubahan beban dari

konsumen dialihkan ke beban komplemen sehinga

beban yang diterima generator senantiasa tetap.

Sebagai sensor perubahan arus digunakan trafo arus

(CT) seperti terlihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Sensor Arus

Trafo arus yang digunakan mempunyai rasio 50 A/

5 A, pada sisi sekunder keluaran arus di ubah

menjadi tegangan dengan memasangkan resistor.

Tegangan ini masih kecil sehingga perlu di naikan

dengan menggunakan rangkaian penguat Op-Amp

(Operastional Amplifier). Tegangan keluaran yang

diharapkan adalah 0 Volt 5 Volt Rangkaian sensor arus seperti terlihat pada gambar berikut ini :

Gambar 4. Rangkaian Sensor Arus

Line CT

Beban




ISSN 1978-0176


Perhitungan :

Nilai penguatan dari rangkaian propotional sesuai

dengan rumus membalik (inverting) Yaitu :

AV = - R2 atau Vout / Vin

R1

AV = - 66 K ,

10 K

AV = - 6,6 x penguatan

Jika ada arus pada line 5 A, maka arus pada sisi

sekunder trafo adalah :

Ip = 5 A, IS = 5 / 10 A = 0,5 A

Pada sekunder trafo dipasang Ri = 1 , maka tegangan pada sekunder :

V = I x R

V = 0,5 x 1

V = 0,5 Volt

Selanjutnya tegangan di perkuat menjadi :

V = 6,6 x 0,5

V = 3,3 Volt AC

Tegangan masih berupa tegangan AC

maka perlu di searahkan dengan penyearah

setengah gelombang, sehingga tegangan menjadi : 5

Volt. Selanjutnya tegangan analog ini akan dirubah

menjadi tegangan digital melalui ADC 0804 agar

perubahan arus dapat di proses di dalam

mikrokontroler. Keluaran dari mikrokontroler

berupa pulsa yang akan di gunakan untuk menyulut

triac yang digunakan sebagai switch pada beban

komplemen. Hasil pulsa keluaran dari trafo berupa

pulsa sinus (AC) seperti terlihat pada Gambar 5.

Pada gambar 5 terlihat bahwa tegangan keluaran

dari trafo arus yang telah dirubah menjadi tegangan

masih berupa tegangan bolak balik. Untuk dapat di

proses di ADC tegangan perlu di searahkan.

Di dalam rangkaian ADC 0804 sinyal

analog dari keluaran trafo akan di rubah menjadi

sinyal digital. Keluaran dari rangkaian ADC di

inputkan ke mikrokontroler pada port 0 dan port 3

yaitu P3.2 (INTO) dan P.3.6 (WR). Port 0

berfungsi untuk membaca kondisi konversi dan port

3.6 untuk memerintah ADC memulai konversi.

Untuk menyelaraskan sinyal jala-jala dengan

keluaran pulsa triger triac dari mikrokontroler di

perlukan rangkaian zero crossing.

ZeroCrossing berfungsi untuk mensinkronkan

gelombang jala-jala dengan pulsa triger yang

dikontrol. Tegangan ac keluaran dari trafo di

bentuk menjadi pulsa gelombang penuh dengan

menggunakan dua dioda D1 dan D2. Seperti

terlihat pada Gambar 6. Rangkaian zero crossing

selanjutnya dihubungkan ke port interrupt (INTI)

AT89S51. Gelombang penuh ini sebagai inputan

pada komparator (LM 311) untuk di ubah menjadi

gelombang kotak dengan tegangan 5 Volt dan

frekuensi sama dengan frekuensi jala-jala yaitu 50

Hz (10 ms). Sinyal tersebut sebagai masukkan pada

mikrokontroler dan akan di olah menjadi sinyal

PWM (Pulse Width Modulation) dengan lebar pulsa

50 Hz (10 ms). Pada sinyal PWM tersebut di seting

pulsa aktif sebesar 9,5 ms dan pulsa aktif lownya

0,5 ms. Sinyal PWM inilah yang nantinya

digunakan untuk mengontrol kerja triac pada

rangkaian ELC dengan cara menggunakan delay

yang dikontrol oleh mikrokontroler.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian trafo arus dilakukan dengan

memberikan arus pada trafo, kemudian pada

keluaran trafo diamati dengan menggunakan meter

arus, hasilnya seperti terlihat pada tabel. 1. Hasil

uji laboratorium output trafo arus adalah sebagai

berikut :

Untuk mempermudah dalam pemrosesan maka

keluaran dari trfo yang berupa arus dirubah menjadi

keluaran yang berupa tegangan. Hasilnya seperti

terlihat pada tabel 2.




ISSN 1978-0176


Dari hasil pada Tabel. 2 terlihat bahwa jika input

CT 0,5 A maka keluaran trafo pada sisi sekunder

sebesar 29,3 mA. Pada hal yang dibutuhkan untuk

pengontrolan adalah tegangan 0 Volt 5 volt. Untuk itu keluaran arus dari trafo dirubah menjadi

tegangan dengan memasanga Ri = 10 k dan

menghasilkan data tegangan 51 mV ac. Tegangan

ini masih jauh dari kebutuhan kebutuhan untuk itu

perlu diperkuat, sehingga dihasilkan 341 mV ac.

Karena yang dibutuhkan adalah tegangan TTL

maksimum 5 Volt maka tegangan out put tersebut

dirubah menjadi tegangan dc agar dapat diproses

dalam A/DC. Hasil akhir seperti terlihat pada Tabel

3. dan grafiknya terlihat pada Gambar 7.

Pada tabel 3. terlihat bahwa tegangan maksimum

telah mencapai 5 volt dc, hai ini sudah memenuhi

syarat sebagai input ke ADC. Dari ADC tegangan

dirubah menjadi sinyal digital, sehingga dapat

diolah dalam mikrokontroler. Sistem kontrol

mikrokontroler akan merespon jika terjadi

perubahan arus dari jaringan dan akan memicu

saklar elektronik (Triac), sehingga beban akan

mengalir dari komplemen ke konsumen atau

sebaliknya.

HASIL PENGUJIAN ADC

Analog to Digital Converter (ADC) adalah

sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah

sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital.

Prinsip kerja dari konveter A/D adalah semua bit-bit

diset, kemudian di uji dan bilamana perlu sesuai

dengan kondisi yang telah ditentukan. Apabila

konversi telah di laksanakan, rangkaian kembali

mengirim sinyal selesai konversi yang berlogika

rendah. Sisi turun sinyal ini akan menghasilkan data

digital yang ekivalen ke dalam register buffer.

Dengan demikian output digital akan tetap

tersimpan sekalipun akan di mulai siklus konversi

yang baru.

Gambar 6. Grafik Pengujian Penguat




ISSN 1978-0176


Dari hasil pengujian tanpa ELC pada Tabel.6

terlihat bahwa tegangan akan mengalami penurunan

pada saat beban konsumen dinaikkan. Demikian

sebaliknya, jika beban konsumen diturunkan maka

tegangan generator akan naik. Jadi dengan demikian

terjadi putaran generator tidak stabil. Pada Tabel.7

hasil pengujian dengan menggunakan ELC terlihat

bahwa tegangan cenderung konstan terhadap beban

konsumen. Jika dibuat grafik seperti terlihat pada

Gambar 8. di bawah ini.

Dari hasil tersebut dapat dihitung simpangan

bakunya (standard deviation) dengan rumus sebagai

berikut :

Untuk prosentase ketidak seimbanganya adalah

sebagai berikut :

Pk = Simpangan baku x 100 %

Rata-rata

KESIMPULAN

Dari hasil pengujian yang telah dilakukan,

maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Rangkaian Electronic Load Control (ELC) dengan sensor arus dapat digunakan

sebagai pengatur beban listrik pada

PLTMH.

2. Electronic Load Control dapat untuk mengetahui pemakaian beban listrik pada

konsumen.

3. Tingkat ketelitian dalam pengaturan beban dengan ELC, standar deviasinya sebesar

0,18079 dan prosentase ketidak

keseimbangan tegangan sebesar

0,082 %.




ISSN 1978-0176


4. Dapat mengetahui ketidak keseimbangan tegangan generator terhadap perubahan

beban.

5. Electronic Load Control (ELC) dengan kendali utama mikrokontroler unjuk

kerjanya dapat meningkatkan kepekaan

dan kecepatan deteksi.

Saran

1. Rangkaian Electronic Load Control (ELC) yang menggunakan sensor arus dan sebagai

sensornya menggunakan trafo arus (CT) maka

perlu dipilih trafo arus yang rasionya tidak

terlalu besar, sehingga responnya lebih baik.

2. Electronic Load Control dengan sensor arus kurang peka terhadap beban induktip, untuk itu

beban induktip pada konsumen perlu diberi

kapasitor.

DAFTAR PUSTAKA

1. AFIANTO EKO PUTRA, 2002, Belajar Mikrokontroler Gaya media,Jogjakarta.

2. ARIS MUNANDAR, 1997, Teknik Tenaga Listrik I , ITB Press, Bandung.

3. CATUR EDI WIDODO, 2004, Interfacing port paralel dan port serial

komputer.

4. FOURYS YUDO. SP, 2009, Desain dan Rancang Bangun Kontrol Beban

Elektronik Pada Pembangkit Listrik

Tenaga Mikrohidro, MST-UGM.

5. FREDRICK W.HUGHES, 1990, Panduan Op-Amp , PT Elex Media Komputindo, Jakarta.

6. FRANK.D.PETRUZELLA,1986, Elektronika Industri, Andi , Jogjakarta.

7. DIDIN WAHYUDIN, 2007, Belajar Mikrokontroler , Andi, Jogjakarta.

8. SUBHAN NAFIS, 2008, Electronic Load Control , Tutorial Dunia Listrik.

9. WIDODO BUDIHARTO, 2004, Interfacing Komputer dan Mikrokontroler, Elex Media Komputindo, Jakarta.

10. ILLIAM D. CHOOPER, 1999. Instrumentasi Elektronika dan Teknik

Pengukuran , Penerbit Erlangga Jakarta.

11. hhttp://www.wihans.web.id/info/rangkaian zero crossing-detektor dengan Op-Amp

Diunduh pada 10 Maret 2010.

TANYA DAN JAWAB

Pertanyaan

1. Apakah tanpa ELC beban listrik konsumen tidak dapat diukur/diketahui? (Djiwo Harsono)

2. Selama ini sistem kendali beban elektronik dilakukan dengan cara seperti apa? Dan apa

keuntungan dari Kontrol? (Dewita) 3. Modul yang diganti/diperbaik funsinya untuk

apa? Dan perbandingan performa setelah

diganti apakah lebih baik dari sebelumnya?

(Iksan)

Jawaban

1. ELC berfungsi untuk menstabilkan putaran dan generator walaupun beban pada konsumen

berubah-ubah, tidak untuk mengukur.

2. Untuk PLTA, biasanya menggunakan Governor yaitu yang mengatur input/output air ke turbin-

generator. Untuk ELC yang diatur bahan

input/output air yang masuk dianggap air masuk

tetap, kemudian yang diatur adalah beban dari

generatornya.

3. Untuk catu daya ke kapasitor baik. Performanya lebih baik karena yang sama bentuk PCB dan

umpama sudah tidak layak, sudah waktunya

diganti.

makalah22.pdf

Documents

Transcript of makalah22.pdf