RANCANG BANGUN PENYEIMBANGAN ARUS BEBAN PADA …. Halaman... · Tugas Akhir Ini Diajukan sebagai...
Transcript of RANCANG BANGUN PENYEIMBANGAN ARUS BEBAN PADA …. Halaman... · Tugas Akhir Ini Diajukan sebagai...
SKRIPSI
RANCANG BANGUN PENYEIMBANGAN ARUS
BEBAN PADA SISTEM 3 FASA MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLER ATMEGA 2560
AGUS MARDIANA PUTRA
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO DAN KOMPUTER
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
BUKIT JIMBARAN
2016
SKRIPSI
RANCANG BANGUN PENYEIMBANGAN ARUS
BEBAN PADA SISTEM 3 FASA MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLER ATMEGA 2560
AGUS MARDIANA PUTRA
NIM 1204405020
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO DAN KOMPUTER
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
BUKIT JIMBARAN
2016
ii
RANCANG BANGUN PENYEIMBANGAN ARUS BEBAN
PADA SISTEM 3 FASA MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLER ATMEGA 2560
Tugas Akhir Ini Diajukan sebagai Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana S1
(Starata1) Pada Jurusan Teknik Elektro dan Komputer
Fakultas Teknik Universitas Udayana
AGUS MARDIANA PUTRA
NIM 1204405020
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO DAN KOMPUTER
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
BUKIT JIMBARAN
2016
v
UCAPAN TERIMA KASIH
Om Swastyastu, puja dan puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang
Hyang Widhi Wasa / Tuhan Yang Maha Esa karena berkat asung kertha wara
nugraha-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Rancang Bangun
Penyeimbangan Arus Beban pada Sistem 3 Fase menggunakan Mikrokontroler
ATMEGA 2560” ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi salah satu
syarat untuk menyelesaiakan pendidikan sarjana strata satu (S1) Jurusan Teknik
Elektro dan Komputer Fakultas Teknik Universitas Udayana.
Saat penyususan proposal ini, penulis banyak memperoleh petunjuk dan
bimbingan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu pada kesempatan ini penulis ingin
menyampaikan ucapan terima kasih kepada Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede
Suardana, M.T., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana yang
telah memberikan kesempatan bagi penulis bergabung dalam civitas akademika
Fakultas Teknik Universitas Udayana. Bapak Wayan Gede Ariastina, S.T.,
M.Eng.Sc., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro dan Komputer Fakultas
Teknik Universitas Udayana yang telah memberikan kesempatan untuk
menggunakan seluruh fasilitas yang ada di Jurusan Teknik Elektro dan Komputer
Fakultas Teknik Universitas Udayana. Bapak I Gusti Agung Komang Diafari Djuni
H, ST., MT. selaku Pembimbing Akademik yang telah memberikan motivasi dan
pengarahan mengenai informasi yang berkaitan dengan akademik selama penulis
menempuh perkuliahan. Bapak Ir. Cok Gede Indra Partha, M.Erg., MT. selaku
Dosen Pembimbing 1 yang telah memberikan arahan dan saran-saran dalam
penyusunan skripsi ini. Bapak Ir. I Nyoman Budiastra, M.Kes., MT. selaku Dosen
Pembimbing 2 yang telah memberikan arahan dan saran-saran dalam penyusunan
skripsi ini.
Pada kesempatan ini penulis juga menyampaikan terima kasih yang tulus
disertai penghargaan kepada Bapak, Ibu, Adik dan Saudara yang telah memberikan
dukungan moril dalam pennyusunan skripsi. Teman-teman Elektro 2012 yang
senantiasa menghibur, memberikan semangat dan masukkan dalam pengerjaan
skripsi ini. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
vi
Penulis menyadari bahwa dalam skripsi ini masih banyak kekurangnnya.
Maka dari pada itu penulis mengharapkan saran dan kritik demi sempurnanya
laporan ini. Akhir kata penulis mohon maaf apabila ada kesalah penulisan nama
maupun kata-kata sehingga dapat menyinggung perasaan pembaca.
Bukit Jimbaran, Juni 2016
Penulis
vii
ABSTRAK
Rancang bangun penyeimbangan arus beban pada sistem 3 fasa
menggunakan mikrokontroler ATMega 2560 merupakan suatu alat yang berfungsi
untuk mengurangi rugi daya. Rugi daya akibat ketidakseimbangan arus beban
adanya arus mengalir ke fasa netral pada sistem 3 fasa. Arus mengalir ke fasa netral
di trafo distribusi menjadi kerugian bagi PT.PLN (Persero) karena daya terbuang
ke bumi dan tidak dapat digunakan oleh konsumen. Sehingga alat ini akan
menyeimbangkan arus beban untuk mengurangi nilai arus netral. Alat ini juga
dilengkapi dengan sistem monitoring yang menampilkan besarnya arus tiap fasa
termasuk fasa netral.
Metode dalam pembuatan alat ini dibagi menjadi dua bagian yaitu pertama
perancangan perangkat keras (hardware) terdiri dari perancangan komponen
elektronika yang digunakan dengan rangkaian sensor arus, relay, LCD (Liquid
Crystal Display) dan yang lainya. Kedua, perancangan perangkat lunak (software)
berupa program kerja alat termasuk program monitoring menampilkan arus tiap
fasa pada LCD menggunakan Arduino IDE. Sensor arus menggunakan SCT013-
030, output dari sensor arus dihubungkan dengan pin ADC (Analog to Digital
Converter) mikrokontroler ATMega 2560. Selanjutnya mikrokontroler mengolah
data dan menghasilkan nilai arus yang ditampilkan pada LCD. Hasil pengolahan
selain nilai arus berupa perintah untuk mengaktifkan atau menonaktifkan relay yang
menghubungkan sumber 3 fasa dengan beban 1 fasa.
Hasil dari pengujian rancang bangun penyeimbang arus beban pada sistem
3 fasa menggunakan mikrokontroler ATMega 2560 berhasil karena alat melakukan
penyeimbangan arus beban dengan memindahkan saluran beban dari urutan nomor
beban terkecil yang tersambung ke fasa dengan arus beban terbesar menuju fasa
yang memiliki arus beban terkecil ketika arus netral melebihi batas yang diijinkan.
Pada situasi ini arus netral tidak mungkin bernilai nol. Fakta arus maksimun untuk
fasa netral bagi PT.PLN (Persero) sebesar 50 ampere dikalibrasi menjadi 1 ampere
dan digunakan sebagai batas pada prototype ini. Jika arus netral pada monitoring
LCD melebihi 1 ampere maka akan dilakukan penyeimbangan arus beban. Hasil
pengukuran nilai sensor arus yang ditampilkan pada sistem monitoring mendekati
hasil pengukuran menggunakan tang ampere.
Kata kunci : Penyeimbangan arus beban, sistem monitoring, SCT013-030,
mikrokontroler ATMega 2560, saluran beban, arus netral.
viii
ABSTRACT
The design of balancing the load current on three-phase systems using a
microcontroller ATMega 2560 is a tool that serves to reduce the power loss. Power
loss due to the load current unbalance the current flows in the neutral phase on
three-phase systems. Current flows in the neutral phase distribution transformer
into a detriment to PT. PLN (Persero) for the power lost to the earth and can not
be used by consumers. So that it will balanced the load current to reduce the value
of neutral current. The tool is also equipped with a monitoring systems that displays
current magnitude of each phase including the neutral phase.
The methods in making this tool is divided into two parts: first, the design
of hardware consist of designing electronic components which are used by the
current sensor circuits, relay, LCD (Liquid Crystal Display) etc. Second, the design
of software is a tool listing program procedure including the monitoring program
displays the current of each phase on LCD using the Arduino IDE. SCT013-030
current sensor used, the output of the current sensor is connected to the pin ADC
(Analog to Digital Converter) microcontroller ATMega 2560. Then
microcontroller process the data and generate a current value displayed on the
LCD. The other result of processing current value is a command to enable or
disable the relay that connects three-phase resource with single-phase loads.
The result of the test design of balancing load current on three-phase system
using a microcontroller ATMega 2560 succeed balancing the load current by
moving the channel load of sequence number load the smallest connected to the
phase with the current biggest load toward a phase that has a load current smallest
when neutral current exceeds the limit is permitted. In this situation the neutral
current will not be possible be zero. In fact the maximum current value for the
neutral phase for PT. PLN (Persero) 50 amperes calibrated to 1 ampere and is used
as a limit on this prototype. If the neutral current on LCD monitor exceeds 1
ampere, then there will be balancing of the load current. The current sensor
measurement result are displayed on a monitoring approach measurement result
using pliers ampere.
Keywords : Balancing load current, monitoring system, SCT013-030,
microcontroller ATMega 2560, channel load, neutral phase current.
ix
DAFTAR ISI
Halaman
SAMPUL DALAM i
PRASYARAT GELAR ii
LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS iii
LEMBAR PENGESAHAN iv
UCAPAN TERIMA KASIH v
ABSTRAK vii
ABSTRACT viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR ARTI LAMBANG, SINGKATAN DAN ISTILAH xv
DAFTAR LAMPIRAN xvi
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 2
1.3 Tujuan Penelitian 2
1.4 Manfaat Penelitian 2
1.5 Batasan Masalah 3
BAB II KAJIAN PUSTAKA 4
2.1 Tinjauan Mutakhir 4
2.2 Saluran Jaringan Tegangan Rendah 5
2.3 Penyeimbangan Arus Beban pada Sistem 3 Fasa 6
2.4 Blok Diagram Hardware 7
2.4.1 Mikrokontroler arduino 8
2.4.1.1 Arduino Mega 2560 R3 8
2.4.1.2 Arduino IDE 9
2.4.2 Sensor Arus SCT013-030 10
2.4.3 Transistor 11
x
2.4.4 Relay 13
2.4.5 LCD (Liquid Crystal Display) 14
2.4.6 Transformator 15
2.4.7 Dioda 15
2.4.8 Kapasitor 16
2.4.9 Regulator Tegangan 17
BAB III METODE PENELITIAN 18
3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian 18
3.2 Data 18
3.2.1 Sumber data 18
3.2.2 Jenis data 18
3.2.3 Metode pengumpulan data 19
3.3 Bahan 19
3.4 Peralatan Kerja 19
3.5 Langkah Penelitian 20
3.6 Pemodelan Sistem 21
3.7 Metode Perancangan Rancang Bangun Penyeimbangan Arus Beban
pada Sistem 3 Fasa menggunakan Mikrokontroler ATMEGA 2560 22
3.7.1 Perancangan perangkat keras 22
3.7.1.1 Perancangan rangkaian catu daya 23
3.7.1.2 Perancangan rangkaian driver relay 23
3.7.1.3 Perancangan rangkaian sensor arus 24
3.7.1.4 perancangan rangkaian LCD 25
3.7.1.5 Perancangan rangkaian mikrokontroler 26
3.7.2 Perancangan perangkat lunak 26
3.7.3 Alur kerja switching beban pada sistem 3 fasa 32
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 34
4.1 Proses Penyeimbangan Arus Beban pada Sistem 3 Fasa
menggunakan Mikrokontroler ATMega 2560 34
4.2 Hasil Perancangan 34
4.2.1 Penjelasan gambar blok rangkaian penyeimbangan arus beban 35
xi
4.2.2 Penjelasan gambar blok pemodelan beban pada sistem 3 fasa 36
4.3 Pengujian dan Pembahasan Hasil Perancangan 37
4.3.1 Pengujian dan pembahasan rangkaian catu daya 37
4.3.2 Pengujian dan pembahasan rangkaian LCD (Liquid Crystal Display) 39
4.3.3 Pengujian dan pembahasan rangkaian driver relay 41
4.3.4 Pengujian dan pembahasan rangkaian sensor arus 44
4.3.5 pengujian dan pembahasan rangkaian mikrokontroler 47
4.4 Pengujian Keseluruhan Sistem 48
4.4.1 Pengujian penyeimbangan arus beban dengan
arus beban terbesar pada fasa R 49
4.4.1.1 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa S 49
4.4.1.2 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa T 51
4.4.2 Pengujian penyeimbangan arus beban dengan
arus beban terbesar pada fasa S 54
4.4.2.1 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa R 54
4.4.2.2 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa T 57
4.4.3 Pengujian penyeimbangan arus beban dengan
arus beban terbesar pada fasa T 59
4.4.3.1 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa R 60
4.4.3.2 Pengujian dengan arus beban terkecil pada fasa S 62
4.5 Hasil Pengujian Keseluruhan Sistem 64
BAB V SIMPULAN DAN SARAN 69
5.1 Simpulan 69
5.2 Saran 70
DAFTAR PUSTAKA 71
LAMPIRAN
xii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 4.1 Pengukuran Tegangan Keluaran Catu Daya 38
Tabel 4.2 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 49
Tabel 4.3 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 51
Tabel 4.4 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 52
Tabel 4.5 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 53
Tabel 4.6 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 55
Tabel 4.7 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 56
Tabel 4.8 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 57
Tabel 4.9 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 59
Tabel 4.10 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 60
Tabel 4.11 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 61
Tabel 4.12 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 62
Tabel 4.13 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 64
Tabel 4.14 Hasil Pengujian Arus Beban Terbesar pada Fasa R 65
Tabel 4.15 Hasil Pengujian Arus Beban Terbesar pada Fasa S 66
Tabel 4.16 Hasil Pengujian Arus Beban Terbesar pada Fasa T 67
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Line Diagram Gardu Distribusi 5
Gambar 2.2 Blok Diagram Rangkaian 7
Gambar 2.3 Arduino Mega 2560 9
Gambar 2.4 Skema Transformator Arus 10
Gambar 2.5 Sensor Arus SCT013-030 11
Gambar 2.6 Simbol Transistor 12
Gambar 2.7 Rangkaian Transistor Sebagai Saklar 13
Gambar 2.8 LCD 16 x 2 Display 14
Gambar 2.9 Regulator Tegangan 17
Gambar 3.1 Alur Prosedur Penelitian 20
Gambar 3.2 Pemodelan Sistem 21
Gambar 3.3 Blok Diagram Rangkaian 22
Gambar 3.4 Rangkaian Catu Daya 23
Gambar 3.5 Rangkaian Driver Relay 24
Gambar 3.6 Rangkaian Sensor Arus SCT013-030 25
Gambar 3.7 Rangkaian LCD 16x2 25
Gambar 3.8 Flowchart Program Utama 27
Gambar 3.9 Flowchart Program Utama sub-1 28
Gambar 3.10 Flowchart Program Utama sub-2 29
Gambar 3.11 Flowchart Program Utama sub-3 30
Gambar 3.12 Alur Kerja Penyeimbangan Beban 32
Gambar 4.1 Realisasi Hasil Perancangan 35
Gambar 4.2 Blok Diagram Pengujian Rangkaian Catu Daya 38
Gambar 4.3 Blok Diagram Pengujian Rangkaian
LCD (Liquid Crystal Display) 39
Gambar 4.4 Pengujian Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display) 41
Gambar 4.5 Blok Diagram Pengujian Rangkaian Driver Relay 41
Gambar 4.6 Pengujian Driver Relay 44
Gambar 4.7 Blok Diagram Pengujian Rangkaian Sensor Arus 45
xiv
Gambar 4.8 Pengujian Sensor Arus 46
Gambar 4.9 Blok Diagram Pengujian Rangkaian Mikrokontroler 47
Gambar 4.10 Monitor Pengujian Rangkaian Mikrokontroler 48
Gambar 4.11 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 50
Gambar 4.12 Penambahan Beban pada Fasa R dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa R dan Arus Beban Terkecil pada Fasa S 50
Gambar 4.13 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 51
Gambar 4.14 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 52
Gambar 4.15 Penambahan Beban pada Fasa R dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa R dan Arus Beban Terkecil pada Fasa T 53
Gambar 4.16 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa R dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 54
Gambar 4.17 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 55
Gambar 4.18 Penambahan Beban pada Fasa S dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa S dan Arus Beban Terkecil pada Fasa R 56
Gambar 4.19 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 57
Gambar 4.20 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 58
Gambar 4.21 Penambahan Beban pada Fasa S dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa S dan Arus Beban Terkecil pada Fasa T 58
Gambar 4.22 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa S dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa T 59
Gambar 4.23 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 60
Gambar 4.24 Penambahan Beban pada Fasa T dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa T dan Arus Beban Terkecil pada Fasa R 61
xv
Gambar 4.25 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa R 62
Gambar 4.26 Kondisi Awal Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 63
Gambar 4.27 Penambahan Beban pada Fasa T dengan Arus Beban Terbesar
pada Fasa T dan Arus Beban Terkecil pada Fasa S 63
Gambar 4.28 Hasil Penyeimbangan Arus Beban Terbesar pada Fasa T dan
Arus Beban Terkecil pada Fasa S 64
xvi
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG
AC = Alternating Curent
ACS = Alternating Curent Sensor
ADC = Analog to Digital Converter
DC = Direct Current
DPDT = Double Pole Double Throw
DPST = Double Pole Single Throw
FCO = Fuse Cut Out
GND = Ground
GPRS = General Packet Radio Service
GSM = Global System For Mobile Communication
IC = Integrated Circuit
IDE = Integrated Development Environment
JTR = Jaringan Tegangan Rendah
LA = Lightning Arrester
LED = Light Emitting Diode
LCD = Liquid Crystal Display
NC = Normally Close
NO = Normally Open
PCB = Printing Circuit Board
PHB = Panel Hubung Bagi
PLN = Perusahaan Listrik Negara
RISC = Reduced Intrution Set Computer
SCT = Split-core Current Transformer
SLTR = Saluran Listrik Tegangan Rendah
SPDT = Single Pole Double Throw
SPST = Single Pole Single Throw
SUTM = Saluran Udara Tegangan Menengah
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1: Biodata 73
Lampiran 2: Jadwal Kegiatan 74
Lampiran 3: Daftar Anggaran Biaya 75
Lampiran 4: Data Sheet Arduino Mega 2560 R3 77
Lampiran 5: Data Sheet LCD 16x2 85
Lampiran 6: Data Sheet Relay 93
Lampiran 7: Data Sheet LED 95
Lampiran 8: Data Sheet TIP 31 105
Lampiran 9: Data Sheet SCT013-030 115