Redaksi-Hal 1 Final.pmd

Topik Utama
SISTEM PENGENDALI BEBAN OTOMATIS
PADA PLTMH STAND - ALONE
Slamet
Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan,
Energi Baru Terbarukan, dan Konservasi Energi
[email protected]
SARI
Automatic Load Controller (ALC) digunakan sebagai pengaturan pada sisi beban, yang akan
menyeimbangkan antara beban dan input power, sehingga daya input akan sama dengan
penjumlahan antara beban utama (consumer load) dengan ballast load. Setiap perubahan daya
pada consumer load akan selalu diimbangi oleh ballast load. Dengan demikian ALC adalah sebuah
governor elektronik yang berfungsi sebagai pengatur tegangan dan frekuensi pada generator agar
tetap stabil.
Dari hasil uji coba dengan beban konsumen diubah-ubah, maka untuk menjaga kestabilan putaran
turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ALC. Hasil pengendali
frekuensi memiliki akurasi sekitar 0,01 Hz pada saat terjadi perubahan beban, sedangkan waktu
untuk kembali frekuensi maksimum pada kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik.
Kata kunci: automotive load controller (ALC), basis microprocessor, consumer load.
1. PENDAHULUAN
Pengaturan besarnya debit air yang masuk pada
turbin air menggunakan flow control. Besar debit
air yang masuk tergantung pada daya yang
diperlukan, perubahan beban akan berpengaruh
terhadap besarnya air yang masuk. Tetapi flow
control lebih komplikasi dengan adanya efek
water hammer. Water hammer diakibatkan oleh
akselerasi atau deselerasi flow pada penstock.
Perubahan flow secara cepat baik akselerasi
atau deselerasi akan mengakibatkan kerusakan
pada penstock. Permasalahan water hammer
pada pembangkit dapat dikurangi dengan cara
membuat penstock sependek mungkin, dan
mengurangi kecepatan dari sistem flow control
atau dengan cara membuat surge tower (tanki
penyimpan) dekat dengan pembangkit untuk
mengatasi perubahan flow yang mendadak.
Sedangkan ALC digunakan sebagai pengaturan
pada sisi beban. Debit air dengan sistem load
control akan tetap dan load control berada
sejajar dengan beban utama yang berfungsi
sebagai kompensator beban, yang akan
menyeimbangkan antara beban dan input
power, sehingga daya input akan sama dengan
penjumlahan antara beban utama dengan
ballast load. Setiap perubahan daya pada
consumer load akan selalu diimbangi oleh
ballast load. Dengan demikian, ALC adalah
Sistem Pengendali Beban Otomatis Pada PLTMH Stand Alone ; Slamet
43
Topik Utama
sebuah governor elektronik yang berfungsi
sebagai pengatur tegangan dan frekuensi pada
generator agar tetap stabil. Oleh karena beban
konsumen tidak selalu konstan, maka untuk
menjaga kestabilan putaran turbin generator
diperlukan beban komplemen yang besarnya
diatur oleh ALC sehingga:
Beban Konsumen + Beban Komplemen =
Kapasitas Nominal Generator
Formula tersebut berlaku untuk setiap kondisi
beban konsumen, sehingga secara grafik dapat
juga diilustrasikan seperti di bawah ini:
2. KOMPONEN
Semikonduktor
Sifat dari rangkaian elektronika daya tidak banyak
dipengaruhi oleh device sebenarnya yang
digunakan, khususnya jika drop tegangan pada
switch yang menghantar rendah jika
dibandingkan tegangan lain pada rangkaian.
Oleh karena itu device semikonduktor dapat
dimodelkan sebagai saklar (switch) ideal untuk
melihat sifat rangkaian. Saklar dimodelkan
menutup (short circuit) ketika on dan membuka
(open circuit) ketika off. Transisi antara kedua
keadaan itu diasumsikan terjadi seketika.
Gambar 1. Kurva perubahan beban
Dari gambar di atas terlihat bahwa daya
pembangkit selalu stabil karena perubahan
beban konsumen (main load) selalu diimbangi
dengan perubahan beban pada beban tiruan/
komplemen (ballast load).
Low Harmonic Distortion harus seminimal
mungkin karena jika harmonisa pada tegangan
fasa generator terlalu tinggi akan berakibat pada
kerusakan peralatan elektronik masyarakat.
Untuk itu perlu di rancang ballast load dengan
double step. Selama ini pengendali frekuensi
yang baik memiliki akurasi sekitar 0,01 Hz pada
saat terjadi perubahan beban. Sedangkan
waktu untuk kembali frekuensi maksimum pada
kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik.
Dengan mempertimbangkan hal-hal tersebut
diharapkan frekuensi tetap terjaga pada kondisi
steady state, sehingga daya input tetap
maksimum.
44
Ada beberapa komponen semikonduktor yang
sangat penting dalam pembuatan kontrol beban
automatis, yaitu Thyristor,yang merupakan salah
satu tipe devais semi konduktor daya yang paling
penting dan telah digunakan secara ekstensif
pada rangkaian elektronika daya. Thyristor
biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil,
beroperasi antara keadaan nonkonduksi ke
konduksi. Struktur Thyristor terdiri atas empat
lapisan pnpn dengan tiga pn-junction dan
memiliki tiga terminal, yaitu anode (A), katode
(K) dan gate (G) terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Simbol Thyristor
M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011
Topik Utama
Thyristor dibuat melalui proses difusi, ketika
tegangan anode dibuat lebih positif dibandingkan
dengan tegangan katode, sambungan pn berada
pada kondisi forward bias dan sambungan np
berada pada kondisi reverse bias, sehingga
akan mengalir arus bocor yang kecil antara
anode dan katode. Pada kondisi ini Thyristor
dikatakan pada kondisi forward blocking atau
kondisi off-state, dan arus bocor dikenal arus
off-state ID. Jika tegangan anode ke katode VAK
ditingkatkan hingga suatu tegangan tertentu,
sambungan np akan bocor. Hal ini dikenal
dengan avalanche breakdown dan tegangan
VAK disebut dengan forward breakdown voltage,
VBO, Tegangan jatuh yang terjadi pada Thyristor
sangat kecil sekitar 1 Volt. Pada keadaan on,
arus anode dibatasi oleh resistensi atau
impedansi luar, RL, Arus anode harus lebih
besar agar diperoleh cukup banyak aliran
pembawa muatan bebas yang melewati
sambungan-sambungan, jika tidak devais akan
kembali ke kondisi blocking ketika tegangan
anode ke katode berkurang. Thyristor pada
kondisi on, akan bertindak seperti diode yang
tidak dapat dikontrol. Hal ini karena tidak ada
lapisan deplesi pada sambungan np karena
pembawa muatan yang bergerak bebas.
Thyristor akan dapat dihidupkan dengan
meningkatkan maju VAK di atas VBO, akan
tetapi kondisi ini bersifat merusak. Dalam
prakteknya tegangan maju harus dipertahankan
di bawah VBO, danThyristor dihidupkan dengan
memberikan tegangan positif antara gerbang
terhadap katode. Hal ini digambarkan pada
Gambar 3 dengan garis putus-putus. Begitu
Thyristor dihidupkan dengan sinyal
penggerbangan itu dan arus anodanya lebih
besar dari arus holding, maka thyristor akan
terus berada pada kondisi tersambung secara
positif balikan, bahkan bila sinyal penggerbangan
dihilangkan. Thyristor dapat dikategorikan
sebagai latching device. Aksi regeneratif atau
latching yang ditimbulkan dari balikan positif
dapat diperlihatkan dengan menggunakan model
Thyristor dua transistor. Thyristor dapat
dianggap sebagai dua transistor yang
komplementer, satu pnp, Q1 dan yang lainnya
npn, Q2 seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 3. Karakteristik Thyristor
hubungan v-ii
Gambar 4. Rangkaian ekivalen Thyristor
Arus kolektor Ic dari Thyristor secara umum
berkaitan dengan arus emitter IE dan arus
sambungan kolektor-base I CBO sebagai
I C   I E  I CBO dan penguatan arus commonbase yang didefinisikan sebagai
.
Untuk transistor Q1, arus emitter adalah arus
IA, dan arus kolektor IC 1 dapat diperoleh
Dengan
adalah penguatan
arus dan ICBO1 adalah arus bocor dari Q1 dan
. Untuk Q2
sebaliknya untuk penamaan pada
arus kolektor IC2 adalah I C 2   2 I K  I CBO 2 .
Sistem Pengendali Beban Otomatis Pada PLTMH Stand Alone ; Slamet
45
Topik Utama
Dengan mengkombinasikan IC1 dan IC2 diperoleh I A  I C1  I C 2  1 I A  ICBO1 2 I K  I CBO 2 ,
tetapi untuk suatu arus penggerbangan IG,
IK=IA+IG, maka akan diperoleh
IA 
 2 IG  I CBO1  I CBO 2
1  (1   2 )
Jika arus IG tiba-tiba meningkat, misalnya dari o
ke 1 mA, maka akan meningkatkan arus anode
IA secara tiba-tiba juga, selanjutnya
dan
akan meningkat. Dan hal ini akan meningkatkan
lebih jauh IA, sehingga terjadi efek regenerasi
atau positif reverse. Jika (
+
) cenderung
akan menuju harga satu, maka penyebut akan
cenderung mendekati nol, yang menghasilkan
nilai arus anode I A , dan Thyristor akan
dihidupkan dengan arus gerbang kecil. Pada
kondisi transien, kapasitansi dari sambungan
pn, akan mempengaruhi karakteristik Thyristor.
Jika suatuThyristor berada pada keadaan
blocking, maka terjadi peningkatan dengan
cepat tegangan yang diberikan sepanjang
devais sehingga mengakibatkan aliran arus
yang besar ke sambungan kapasitor. Arus
melalui kapasitor Cj2 dapat dinyatakan dengan
persamaan (1).
i j2 
dC j 2
dV
d (qj 2) d
 (C j 2V j 2 )  Vj 2
 Cj 2 j 2
dt
dt
dt
dt
Dengan C j2 dan Vj2 adalah kapasitansi dan
tegangan dari sambungan J2. qj2 adalah muatan
pada sambungan tersebut. Jika kecepatan
peningkatan tegangan dv/dt cukup besar, ij2
akan besar dan menghasilkan peningkatan arus
bocor mendekati ke nilai satu dan
mengakibatkan Thyristor on. Namun arus besar
yang melewati kapasitor sambungan akan juga
merusak. Suatu Thyristor memerlukan waktu
minimum untuk menyebarkan kondisi
tersambung ke semua sambungannya secara
merata. Jika peningkatan arus anode lebih
cepat dibandingkan kecepatan penyebaran dari
46
proses turn-on, titik-titik pemanasan akan terjadi
pada devais karena adanya daerah dengan
kepadatan arus yang tinggi dan devais akan
rusak sebagai hasil dari suhu yang berlebihan.
Pada prakteknya, devais harus diproteksi
terhadap di/dt yang tinggi. Pada keadaan tunak,
diode yang terpasang paralel terhadap beban
yang difungsikan sebagai snubber tersambung
ketika Thyristor off. Jika Thyristor on ketika diode
masih tersambung, maka di/dt akan sangat
tinggi dan terbatas oleh induktansi stray dari
rangkaian. Dalam prakteknya, di/dt dibatasi
dengan menambahkan suatu induktor seri
seperti di/dt untuk forward. Namun Thyristor yang
berada dalam kondisi on dapat dimatikan dengan
mengurangi arus maju ketingkat di bawah arus
holding IH. Pada semua teknik komutasi, arus
anode dipertahankan di bawah arus holding
cukup lama, sehingga semua kelebihan
pembawa muatan pada keempat layer dapat
dikeluarkan.
Akibat dua sambungan pn, karakteristik turn-off
akan mirip dengan pada diode, berkaitan dengan
waktu pemulihan reverse. Arus pemulihan
reverse puncak dapat lebih besar daripada arus
blocking nominal. Tegangan balik muncul pada
Thyristor seketika setelah arus maju menuju ke
nol. Tegangan balik ini akan mengakselerasi
proses turn-off, dengan membuang semua
kelebihan muatan dari sambungan pn.
3. DESAIN HADWARE DAN SIMULASI
Desain alat kontrol dan proteksi terintegrasi
berbasis microprocessor ini adalah seperti
ditunjukkan pada Gambar 5. Desain alat ini terdiri
atas tiga bagian besar, yaitu bagian interface,
microprocessor, rangkaian TRIAC. Bagian antarmuka (interface) terdiri atas AC to DC converter,
current to voltage converter, zero crossing
detector, serta CT(Current Transformer) dan PT
(Potential Transformer). Sedangkan TRIAC
terdiri atas DAC (Digital Analog Converter),
Comparator, dan TRIAC.
M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011
Topik Utama
Turbine
Generator
(AC 3 Ø)
PT
Zero crossing
detector
Microprocessor
AC to DC
Converter
CT
Current to Voltage
Converter
AC to DC
Converter
Driver
TRIAC
Ballast/
Complement Load
Break
Contactor
Main/Consumer Load
Gambar 5. Diagram blok sistem kontrol beban otomatis
pada PLTMH Stand-Alone
Berdasarkan kebutuhan pada suatu sistem
PLTMH, dalam penelitian ini relai proteksi yang
akan digabung dengan kontrol beban adalah
under/over voltage reley, under/over frequency
dan over current reley. Adapun Blok diagram
sistem alat ini diberikan sebagaimana pada
Gambar 5, dengan prinsip kerja sebagai
berikut:Tegangan sistem dipantau dan
diturunkan dengan trafo step-down (PT) untuk
mendapatkan tegangan sebesar 12 Vac dari
sistem tegangan 220 Vac.Besaran arus sistem
dipantau melalui current transformer (CT)Untuk
fungsi sebagai proteksi over voltage dan under
voltage, tegangan sekunder dari trafo step down
diubah menjadi tegangan DC oleh rangkaian AC
to DC converter. Selanjutnya tegangan DC ini
Sistem Pengendali Beban Otomatis Pada PLTMH Stand Alone ; Slamet
47
Topik Utama
diberikan
sebagai
masukan
pada
microprocessor untuk diprogram sedemikian
rupa, sehingga apabila ada perubahan tegangan
sistem melampaui batas setingan under voltage
ataupun over voltage yang terjadi selama waktu
tertentu, maka microprocessor akan merespon
dan memproses untuk memberikan sinyal
masukan untuk men-trip-kan kontaktor.Untuk
fungsi sebagai proteksi over frequency dan
under frequency, tegangan sekunder dari trafo
step down diteruskan ke rangkaian Zero
Crossing Detector untuk diubah menjadi
gelombang pulsa dan dikonversikan menjadi
besaran tegangan DC yang sebanding dengan
frekuensi sistem. Tegangan DC yang
merupakan representasi dari frekuensi sistem,
diberikan sebagai masukan microprocessor
untuk dilakukan pemrograman sedemikian rupa
untuk fungsi ini, sehingga apabila ada
perubahan frekuensi sistem melampaui batas
setingan over frequency dan under frequency
yang terjadi selama waktu tertentu, maka
microprocessor akan merespon dan
memberikan sinyal untuk melakukan perubahan
pada sistem kendali agar frekuensi tetap dalam
kondisi stabil namun jika gagal maka akan
dilakukan trip pada kontaktor.Untuk fungsi
proteksi over current, arus sekunder CT
dimasukkan ke rangkaian converter arus ke
tegangan (current to voltage converter) untuk
dikonversikan menjadi besaran tegangan.
Kemudian oleh rangkaian converter AC to DC
diubah menjadi tegangan DC. Selanjutnya
tegangan DC ini diberikan sebagai masukan
pada microprocessor untuk dilakukan
pemograman sedemikian rupa untuk fungsi ini,
sehingga apabila ada perubahan arus sistem
melampaui batas setingan over current, maka
microprocessor akan merespon dan
memberikan sinyal untuk men-trip-kan
kontaktor.Untuk fungsi sebagai kontrol beban,
tegangan DC yang dimasukkan pada
microprocessor akan dilakukan proses konversi
data digital (ADC) yang akan digunakan untuk
48
mengaktifkan sebuah interrupt. Ketika frekuensi
sistem berubah turun, akibat adanya perubahan
beban dalam arti ada penambahan beban pada
sisi Consumer Load, sampai pada batas yang
telah di-set, maka pencacah akan menghitung
naik. Demikian sebaliknya, apabila frekuensi
sistem berubah naik, maka pencacah akan
menghitung mundur/turun. Keluaran pencacah
adalah bilangan biner 8 bit, yang diubah menjadi
besaran analog berupa tegangan DC oleh
DAC(Digital analog converter), sehingga
penurunan frekuensi sistem melebihi batas
seting akan menghasilakan keluaran tegangan
DAC yang juga turun, demikian sebaliknya.
Selanjutnya keluaran DAC diinputkan ke sebuah
driver sebagai pulsa penyalaan TRIAC yang
terhubung dengan ballast/complement load.
Perubahan frekuensi sistem akibat adanya
perubahan beban akan diimbangi dengan
pengendalian arus menuju ballast load, dengan
sendirinya, frekuensi sistem akan terjaga pada
nilai yang telah ditetapkan.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa kondisi
waktu kembali frekuensi maksimum pada
kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Hasil simulasi sistem kestabilan
kendali pada PLTMH
M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011
Topik Utama
4. KESIMPULAN DAN SARAN
4.1. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perancangan Automatic Load
Controller (ALC) pada PLTMH, maka dapat
disimpulkan beberapa hal sebagai berikut.
1) Rancang bangun automatic load controller
pada PLTMH dapat diimplementasikan
berbasis microprocessor.
2) Dari hasil pengujian secara real time
simulasi telah berhasil mengatur terjadinya
perubahan pada Consumer Load
4.2. Saran
1)
2)
Hasil rancang bangun ALC ini diperlukan
penyempurnaan pada simple design
dengan standar industri.
Untuk menghindari terjadinya kesalahan
dalam pembacaan data digital sebaiknya
bisa menggunakan double chip, dengan
cara membagi dua fungsi yang processor
pertama difungsikan sebagai master
sebagai main instruction dan yang chip
kedua.
DAFTAR PUSTAKA
Sarsing Gaoy, S. S. Murthy_, Design of a
MicrocontrollerBased Electronic Load
Controller for a Self Excited Induction
Generator Supplying Single-Phase Loads,
Dept. of Electrical Engineering, Indian
Institute of Technology, New Delhi, India__
Oracle India Pvt. Ltd., Bangalore,
India.Journal of Power Electronics, Vol. 10,
No. 4, July 2010.
Gaurav Kumar Kasal and Bhim Singh, VSC
With Star Delta Transformer Based
Electronic Load Controller for a Stand-Alone
Power Generation, Senior Member, IEEE,
2010.
Zuhal, 2000. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya. Jakarta. Penerbit : PT
Gramedia Pustaka Utama.
Hamzah Berahim, Transformator, 1999.
Yogyakarta. Hand-Out mata kuliah Jurusan
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Gadjah Mada.
J.M. Ramirez, Emmanuel. and M Torres, "An
Electronic LoadController for the SelfExcited Induction Generator," IEEE
Transactionson Energy Conversion, vol. 22,
no. 2, pp 546 - 548, June 2007.
John Uffenbeck, Microcomputers and
Microprocessors. Prentice - Hall Internatinal
Editions.
D. Joshi, K. S. Sandhu and M. K. Soni,
"Constant voltage constantfrequency
operation for a self excited induction
generator," IEEE Trans.Energy Conversion,
Vol. 21, No. 1, pp. 228-234, Mar. 2006.
Bhim Singh, S. S. Murthy and S. Gupta, "Analysis
and design of electronic load controller for
self excited induction generator," IEEE
Trans. Energy Conversion, Vol. 21, Vol. 1,
pp. 285-293, Mar. 2006.
Bhim Singh and V. Rajagopal, "Battery energy
storage based voltageand frequency
controller for isolated pico hydro systems,"
Journal of Power Electronics, Vol. 9, No. 6,
pp. 874-883, Nov. 2009.
Sistem Pengendali Beban Otomatis Pada PLTMH Stand Alone ; Slamet
49