Simulasi Pengukuran Daya Listrik Sistem 1 Fasa menggunakan

 Simulasi Pengukuran Daya Listrik Sistem 1 Fasa menggunakan LabVIEW
Eti Karuniawati dan Rudy Setiabudy
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Universitas Indonesia, Depok, Indonesia
ABSTRAK Program yang dirancang untuk sistem 1 fasa, dapat dipergunakan untuk simulasi pengukuran
nilai daya aktif, daya nyata, daya reaktif, phasor diagram, melalui Arus dan tegangan listrik
AC yang dinyatakan dengan amplitudo, frekuensi, dan sudut fasa. Prosentase kesalahan hasil
simulasi daya terhadap hasil perhitungan menggunakan teori daya listrik arus bolak-balik
untuk setiap jenis pengukuran daya lebih kecil dari 5.10-5 %. Setiap perubahan perbedaan fasa
arus dan tegangan dapat direspon secara dinamis dengan benar melalui grafik diagram phasor
yang ditampilkan di panel monitor. Grafik spectrum sinyal arus untuk mengamati amplitude
dan frekuensi sinyal fundamental dan sinyal harmonisa dapat merespon setiap perubahan
yang terjadi dengan benar.
ABSTRACT The program is designed for 1-phase systems, simulation can be used to measure the value of
active power, apparent power, reactive power, phasor diagrams, voltage and current through
the AC power represented by amplitude, frequency, and phase angle. The percentage of fault
simulation results of the results calculations using the theory of alternating current electricity
power every type of measurement is smaller than 5.10-5 %. Any change in the phase
difference of current and voltage can be dynamically respond correctly via graphs phasor
diagram shown in panel monitor. Spectrum signal flow graphs for observing the signal
amplitude and frequency of the fundamental and harmonic signals can respond to any
changes that occur to the right.
Key words : Active power; Apparent power; LABVIEW; Phasor diagram; Reactive power
1. Latar Belakang
Tujuan dari skripsi ini adalah merancang simulasi dari suatu alat ukur daya listrik arus
bolak-balik sistem 1 fasa sampai dapat dilakukan perekaman data menggunakan labVIEW
2009. Besarnya data yang dapat disimpan tergantung dengan kemampuan dari memori
komputer yang dipakai. Hasil pengukuran daya listrik disimpan dalam bentuk datalog.
Daya dalam sistem arus bolak-balik dikenal ada tiga macam, yaitu daya aktif (P)
dengan satuan Watt, daya reaktif (Q) dengan satuan VAR dan daya semu (S) dengan satuan
VA. Konsep pemrograman labVIEW untuk simulasi pengukuran daya menggunakan arus dan
tegangan listrik AC yang dinyatakan dengan amplitudo, frekuensi, dan sudut fasa. Dalam
rangkaian listrik arus bolak-balik beda fase antara tegangan dan arus memberikan informasi
tentang sifat beban dan penyerapan daya atau energi listrik. Dengan mengetahui beda fase
antara tegangan dan arus dapat diketaui sifat beban apakah resistif, induktif atau kapasitif.
1 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
Analisa pembebanan yang digunakan dalam simulasi ini adalah tinjauan beban di sisi
sumber, dimana untuk analisa beban non linear menggunakan sumber tegangan sinusoid
namun harus memberikan arus yang non-sinusoid. Pada pembebanan nonlinier arus yang
mengalir ke beban merupakan arus periodik nonsinus, walaupun sumber memberikan
tegangan sinus. Pengertian daya nyata dan daya reaktif pada sinyal sinus berlaku pula pada
sinyal nonsinus. Daya nyata memberikan transfer energi netto, sedangkan daya reaktif tidak
memberikan transfer energi netto.
Untuk mengetahui akurasi dan respon program maka dilakukan pengujian terhadap
program. Pengujian untuk mengetahui tingkat akurasi program dilakukan dengan pemberian
sinyal input ideal yaitu sinyal input murni (tanpa sinyal harmonisa). Sedangkan pengujian
untuk mengetahui respon program terhadap adanya gangguan (sinyal harmonisa) maka pada
input diberikan sinyal harmonisa.
2. Tinjauan Teoritis
Arus dan tegangan sesaat dari suatu bentuk sinusoid dalam suatu periode waktu dapat
dinyatakan dengan persamaan:
! ! = !! Sin !"
! ! = !! !"#(!" + !)
Harga efektif dari sebuah tegangan periodik dimana ! ! = !! Sin !" adalah:
1
!
!!"# =
=
=
1
!
1
!
= !!
!
!(!)! !"
!
!
!
!!! !"#! !" !"
!
!
1 − cos 2!"
!"
2
!!!
!
2!
!!
!
!
1 1
− cos 2!" !"
2 2
Karena harga rata dari fungsi sinusoid yang berubah terhadap waktu sama dengan nol dalam
satu periode, maka:
!!"# = !!
!
2!
!!
!
!1
2
!"
2 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
= !!
! 1 2!
2! 2 !
= !!
1
2
!!"# =
!!
2
Harga efektif arus sesaat !(!) = !! !"# (!" + !) adalah :
!!"# =
1
!
=
1
!
1
!
=
= !!
!
!(!)! !"
!
!
!
! !"#! !" + ! !"
!!
!
!
1 − cos 2(!" + !) !"
2
!
!!
!
2!
!!
1 1
− cos 2(!" + !) !"
2 2
!
!
Karena harga rata dari fungsi sinusoid yang berubah terhadap waktu sama dengan nol dalam
satu periode, maka:
!!"# = !!
!
2!
!!
!1
!
2
= !!
! 1 2!
2! 2 !
= !!
1
2
!!"# =
!"
!!
2
Berikut ini gambar segitiga daya untuk mempresentasikan hubungan anatara daya aktif, daya
reaktif dan daya nyata:
3 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
Daya nyata
(S)
Daya reaktif
(Q)
ϕ Daya Aktif
(P)
Gambar 1. Segitiga Daya
Antara Daya nyata (VA) dan daya aktif (Watt)
dipisahkan oleh sudut φ, yang
merupakan beda sudut antara tegangan dan arus. Menggunakan konsep trigonometri
diperoleh:
! = !!"# !!"# cos !
! = !!"# !!"#
Dengan mengetahui besarnya daya aktif (Watt) dan daya nyata (VA) maka persamaan
menghitung daya reaktif (VAR) menggunakan konsep segitiga daya pada gambar 1 adalah:
!=
!"#$%& !"#" =
! ! − !!
! !!"# !!"# !"# !
=
= !"# ! !
!!"# !!"#
Sedangkan untuk sinyal non sinusoidal digunakan persamaan yang berbeda. Daya
aktif P merupakan tingkat dimana energi yang dikeluarkan, hilang, atau dikonsumsi oleh
beban, sehingga daya aktif (P) ini tidak terpengaruh oleh adanya distorsi harmonisa. Nilai
rms arus total (!!"# ) dari bentuk gelombang harmonik dihitung sebagai akar kuadrat dari
penjumlahan kuadrat rms dari semua komponen individual.
! !"#$
!!"# =
!!!
1
2
!! = 1
2
!
!!! + !!! + !!! + !!! + ⋯ + !!"#$%
Dengan berubahnya konsep daya listrik pada sistem non sinusoidal atau sistem yang
terdistorsi, maka konsep faktor daya juga berubah. Pada sinyal nonsinusoidal dikenal istilah
distortion factor (DF), ini merupakan perbandingan antara nilai rms dari arus frekuensi
fundamental dan nilai total rms. !" =
!!!"#
!!"#
Untuk mendapatkan nilai power factor digunakan persamaan:
!"#$% !"#$%& (!") = cos ! ! !"
4 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
Total Harmonic Distortion, disingkat THD, digunakan sebagai ukuran untuk melihat berapa
besar pengaruh keseluruhan adanya harmonisa terhadap sinyal sinus.
!"# =
1
2
∞
!
!!! !!
!!!"#
!100%
Dimana I1rms sama dengan Irmsfundamental
Kesalahan rata-rata pengukuran (% kesalahan rata-rata) di hitung dengan persamaan :
% kesalahan rata − rata =
%!"#$%$!!" !"#$ !"#$%&%'(#
!"#$"%#$" !"#$%&%'(#
Daya yang digunakan selama periode waktu tertentu diukur dalam Watt-jam (Wh)
atau Kilowatt-jam (kWh). Pengujian untuk mengukur pemakaian daya menggunakan
program simulasi ini diukur dalam watt-detik, sehingga persamaan yang digunakan untuk
menghitung pemakaian daya perdetik adalah:
!"#$% !"#$% =
!"#$%&'! !"#$% !"#$%&%'(# ! !"#" !"#$%
3600
3. Konsep dasar simulasi pengukuran daya Listrik sistem 1 fasa menggunakan
Labview
Berikut ini diagram alur konsep pemrograman yang digunakan:
Gambar 2. Alur Konsep Pemrograman
4. Analisis
Pengujian dengan menggunakan sinyal input murni maupun sinyal input terdistorsi sinyal
harmonisa bertujuan untuk mengetahui tingkat akurasi dan respon program. Pengujian ini
meliputi:
5 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
a) pengujian dengan amplitudo tegangan, sudut fasa dan frekuensi yang konstan (tetap)
tetapi amplitudo arus bervariasi
b) pengujian dengan amplitudo arus, sudut fasa dan frekuensi yang konstan (tetap) tetapi
amplitudo tegangan bervariasi
c) pengujian dengan amplitudo tegangan, amplitudo arus dan frekuensi yang konstan
(tetap) tetapi sudut fasa bervariasi
Prosentase kesalahan hasil simulasi daya terhadap hasil perhitungan menggunakan teori daya
listrik arus bolak-balik untuk setiap jenis pengukuran daya lebih kecil dari 5.10-5 %. Grafik
diagram phasor yang ditampilkan di panel monitor dapat merespon perubahan perbedaan fasa
arus dan tegangan. Gambar 3. (a),(b),(c) berikut ini beberapa contoh tampilan grafiknya:
I Tegangan (V) V Arus (I) Gambar 3. (a). Arus Mendahului Tegangan dengan Beda Sudut Fasa 30°
Tegangan (V) I Arus (I) V Gambar 3. (b). Arus Tertinggal Dari Tegangan dengan Beda Sudut Fasa -60°
6 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
I V Tegangan (V) Arus (I) Gambar 3. (c) Arus dan Tegangan Sefasa dengan Beda Sudut Fasa 0°
Daya aktif hanya dipengaruhi oleh besarnya tegangan dan arus efektif pada frekuensi
fundamental serta beda fasa antara arus dan tegangan. Daya aktif tidak terpengaruh oleh
adanya distorsi sinyal karena daya aktif merupakan tingkat dimana energi yang dikeluarkan,
hilang, atau dikonsumsi oleh beban. Dengan memberikan nilai amplitudo maksimum arus
harmonisa yang bervariasi maka bentuk keluaran sinyal arus juga berubah-ubah tergantung
nilai amplitudo maksimum yang diberikan. Gambar 4 (a), dan (b) menggambarkan
bagaimana sinyal harmonisa mempengaruhi bentuk gelombang sinyal arus.
1
4 3
2
(a)
7 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
1
4 3
2
(b)
Keterangan gambar (a) dan (b) :
1
Gambar bentuk gelombang arus terdistorsi 2
Nilai total power 3
Amplitudo maksimum sinyal harmonisa (komponen harmonisa) 4
Nilai %THD Arus Gambar 4. Pengaruh Sinyal Harmonisa Terhadap Daya Aktif (P), Daya nyata
(S) dan Bentuk Gelombang Arus
Gambar 5. (a),(b),(c), dan (d) berikut ini menggambarkan bentuk gelombang
terdistorsi Akibat adanya sinyal harmonisa
8 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
Gambar 5. Bentuk gelombang terdistorsi Akibat adanya sinyal harmonisa
5. Kesimpulan
Berdasarkan data hasil pengujian program yang dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Program yang dirancang untuk sistem 1 fasa, dapat dipergunakan untuk simulasi
pengukuran nilai daya aktif, daya semu, daya reaktif, phasor diagram, melalui Arus
dan tegangan listrik AC yang dinyatakan dengan amplitudo, frekuensi, dan sudut fasa.
2. Prosentase kesalahan hasil simulasi terhadap hasil perhitungan teori untuk setiap jenis
pengukuran daya lebih kecil dari 5.10-5 %.
3. Setiap perubahan perbedaan fasa arus dan tegangan dapat direspon secara dinamis
dengan benar melalui grafik diagram phasor yang ditampilkan di panel monitor.
4. Grafik spectrum sinyal arus untuk mengamati amplitude dan frekuensi sinyal
fundamental dan sinyal harmonisa dapat merespon setiap perubahan yang terjadi
dengan benar. Distorsi bentuk gelombang akibat sinyal harmonisa direspon dan di
tampilkan melalui grafik gelombang pada panel monitor.
6. Referensi
[1]. Chi Kong Tse, Analisis Rangkaian Linear, Penerbit Erlangga.
[2]. Daniel W. Hart, Power Electronics (International Edition), McGraw-Hill
[3]. Dian Arttanto, Interaksi ARDUINO dan LabVIEW, PT Elex Media Komputindo,
Kompas Gramedia
9 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013
[4]. Nigel P.Cook, Introductory DC/AC Electronics, second edition, Prentice Hall.Inc
[5]. Setiabudy, Rudy, Pengukuran Besaran Listrik, Lembaga Penerbit FEUI (LP-FEUI),
Jakarta 2007
[6]. Sudhirham, Sudaryatno, Analisis Rangkaian Listrik jilid 1, Bandung, ITB April, 2012.
[7]. Sudhirham, Sudaryatno, Analisis HARMONISA, Bandung, ITB, April, 2012.
[8]. William H Hayt, Jack E Kemenerly, Steven M. Durbin, Rangkaian Listrik Jilid II
(Pantur Silaban, Penerjemah), Edisi keenam, Erlangga, Jakarta, 1982.
[9]. ZUHAL, 1988. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Penerbit PT
Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.
[10]. http://www.docstoc.com/docs/88073968/LabVIEW-Basic-I-Indonesiana
[11]. http://www.ni.com/white-paper/3059/en
[12]. http://www.ni.com/white-paper/4714/en
[13]. http://www.metersandinstruments.com/images/power_meas.pdf
[14]. http://www.ni.com/pdf/manuals/373427g.pdf
[15]. http://my.safaribooksonline.com/book/instrumentation/0130618861/basicdefinitionsand-dc-circuits/ch02lev1sec1
10 Universitas Indonesia Simulasi Pengukuran ..., Eti Karuniawati, FT UI, 2013