perancangan dan pembuatan alat ukur rpm turbin

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
1. PENDAHULUAN
Data historis dari besaran fisis seperti kecepatan putar sudu turbin angin dan kecepatan angin
diperlukan untuk menentukan perancangan sudu dan sistem alarm. Penggunaan sistem alarm
sangat penting untuk mencegah terjadinya kerusakan jika kecepatan putar sudu berlebih.
Tindakan setelah alarm aktif bisa saja berupa pengereman mekanik pada sumbu putar atau
dengan aktuator lainnya.
Untuk memperoleh data historis maka diperlukan perancangan alat ukur rpm yang dapat
menyalin data pengukuran setiap waktunya dan memberikan situasi terkini dari turbin angin.
Dalam perancangan ini digunakan metoda yang berbeda dari kebanyakan alat ukur rpm lainnya
seperti tachometer yang mengandalkan keahlian operator dalam pengukuran dan mempunyai
tingkat kesulitan dalam penyalinan data untuk pengukuran yang kontinu. Besaran yang diukur
adalah frekuensi tegangan keluaran generator, alat ukur akan mentransduksi frekuensi
tegangan menjadi frekuensi mekanik generator yang dapat diubah nilainya menjadi rpm[3].
Pada metode pengukuran tradisional yang menggunakan sensor gerak dan optik terlalu banyak
gangguan yang dapat mempengaruhi kualitas pengukuran karena turbin angin. Hal ini
dikarenakan sistem turbin angin berhubungan langsung dengan lingkungan luar. Untuk
mengatasi hal tersebut maka dikembangkanlah alat ukur yang dapat dioperasikan dari jarak
jauh dan mampu mengurangi pengaruh gangguan dari lingkungan. Alat ukur ini juga dirancang
agar dapat menyalin data pengukuran dan menampilkannya dalam bentuk tabel dan grafik.
2. TEORI DASAR
2.1 Zero Crossing Detection
Zero crossing detection adalah metoda paling umum untuk mengetahui frekuensi atau perioda
suatu gelombang. Metode ini berfungsi untuk menentukan frekuensi suatu gelombang dengan
1/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
cara mendeteksi banyaknya simpul (satu frekuensi terdiri dari 2 simpul) pada suatu rentang
waktu.
2.2. Mesin Elektrik
Jika medan magnet menembus suatu permukaan konduktor maka perubahan fluks medan
magnet terhadap waktu akan menghasilkan elektron yang teriduksi atau electromotive force
(emf).
Medan magnet pada rotor diperoleh dari arus DC pada kumparan(a a’, b b’, c c’) rotor atau
langsung disediakan oleh magnet permanent.
Rotor terhubung dengan penggerak
mekanik (dalam hal ini turbin angin). Pada bagian stator akan terinduksi oleh medan magnet
rotor sehingga dihasilkan arus AC yang terhubung pada beban. Rotor terbagi atas dua jenis
yaitu tipe
salient dan clylindrical Tipe salie
nt
di
gunakan untuk generator yang berputar pada kecepatan rendah dan biasanya memiliki banyak
kutub. Sedangkan tipe
cylindrical
digunakan untuk generator uap yang berputar pada kecepatan tinggi dan hanya memiliki dua
kutub.
Karena perbedaan fasa fluks magnet mempengaruhi fasa arus pada kumparan stator maka
konfigurasi penyusunan p kutub menghasilkan p/2 siklus fluks magnet pada satu rotasi
mengakibatkan tegangan yang dihasilkan pada stator berosilasi p/2 kali frekuensi
putaranPerbedaan fasa yang dipengaruhi oleh jumlah kutub pada generator.
3. RANCANGAN / PERCOBAAN / SIMULASI
3.1. Skenario Pengukuran
Sinyal yang diukur berasal dari sinyal tegangan keluaran generator turbin angin yang
mempunyai hubungan proporsional dengan frekuensi mekanik seperti yang ditunjukkan pada
2/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
persamaan II.2. Pada dasarnya alat ukur ini mendeteksi frekuensi listrik untuk mendapatkan
nilai rpm dari generator. Tegangan masukan yang diperlukan untuk permulaan pengukuran
adalah 2.8 volt. Keadaan ini merupakan nilai rata-rata yang didapatkan dari percobaan dan
simulasi. Apabila tegangan kurang dari 2.8 volt sinyal tetap dilewatkan namun tidak mampu
menyalakan optocoupler dengan baik , sehingga generator dapat dinyatakan dalam keadaan
diam. Sinyal listrik diteruskan ke rangkaian konversi sinyal untuk diubah menjadi pulsa 0-5 volt
agar bisa diproses di mikrokontroler. Rangkaian clipper berperan untuk menggerakkan
optocoupler yang menghasilkan pulsa 0-5 volt yang mempunyai frekuensi yang sama dengan
sinyal masukan.
Pada mikrokontroler sinyal yang sudah berbentuk pulsa 0-5 volt akan dihitung oleh counter
dengan durasi 1 detik untuk mendapatkan nilai frekuensi. Frekuensi listrik ini akan diubah ke
rpm. Perhitungan akan terus dilakukan dalam setiap detik. Nilai rpm akan disimpan di buffer
dan dikeluarkan melalui kaki keluaran mikrokontroler ke seven segment dan port serial. Agar
dapat diamati oleh perangkat lain seperti komputer, diperlukan perangkat lunak yang menerima
data dari port serial. Perangkat lunak yang digunakan adalah perangkat lunak akuisisi data
berbasis visual basic.
3.2. Rangkaian Konversi Sinyal
Clipper
Frekuensi tegangan disadap dan dilewatkan ke rangkaian clipper, pada rangkaian clipper sinyal
input sinusoidal akan dibentuk menjadi sinyal yang dibutuhkan oleh rangkaian berikutnya.
Dengan menempatkan 4 dioda yang berfungsi sebagai clipper positif dengan tegangan
breakdown sebesar 4 x 0.7 volt = 2.8 volt. Rangkaian clipper negatif akan membalikkan sinyal
yang keluar dari clipper positif sehingga memiliki keluaran yang bisa digunakan untuk
menggerakkan optocoupler.
Optocoupler
Sinyal dari rangkaian clipper akan digunakan untuk mengoperasikan optocoupler 4N35 yang
berfungsi sebagai pembentuk pulsa 0-5 volt. Optocoupler juga berfungsi sebagai isolasi elektrik
bagi rangkaian berikutnya.
3/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
Setiap optocoupler mempunyai tegangan jatuh (Vd). Untuk jenis 4N35 tegangan jatuh bernilai
1.5 volt dengan arus operasi antara 10-100mA. dengan tegangan suplai (Vs) 2.8 volt maka
perbedaan tegangan menjadi Vs-Vd = (2.8-1.5)volt = 1.3 volt
Jika diperlukan arus 10 mA maka hambatan yang harus dipakai adalah
R = V/I , R=1.3 volt/10 mA = 130 ohm. Nilai hambatan ini adalah nilai maksimum agar arus
minimum dapat disediakan. Untuk mencegah fluktuasi nilai maka dipasang hambatan yang
lebih kecil sebesar 100mA.
Transistor
Transistor memiliki tiga bagian utama yaitu, basis, emiter dan kolektor. Basis dihubungkan ke
arus yang menentukan transistor dalam keadaan aktif atau tidak. Sedangkan kolektor dan
emitor dihubungkan dengan sumber tegangan dan ground. Transistor yang dipakai pada
rangkaian konversi sinyal adalah C945 bertipe NPN.
Pulsa keluaran 4N35 akan diperkuat dengan transistor C945. Pemilihan transistor disesuaikan
dengan kebutuhan penguatan arus yang diperlukan, tergantung keadaan arus dari pulsa
keluaran optocoupler. Pemakaian transistor ditujukan untuk menyempurnakan pulsa dari
optocoupler yang sangat bergantung intensitas LED yang mengirim pulsa ke fotodioda. Apabila
cahaya yang dikirim oleh LED redup maka arus basis yang dihasilkan oleh fotodioda sangat
kecil sehingga membuat sinyal high tidak lagi 5 volt.
Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan pada AVR Atmega8535 dengan frekuensi clock 11.059200
MHz. Rangkaian mikrokontroler mempunyai fungsi utama didalam sistem alat ukur :
1. Melakukan penghitungan pulsa.
4/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
Pulsa masukan dari rangkaian konversi pulsa akan dihitung jumlahnya oleh counter selama 1
detik. Nilai ini akan disimpan sebagai frekuensi listrik dan diubah menjadi rpm dengan
persamaan 2.2 . Dengan nilai p=16 maka merupakan nilai yang didapat dari perhitungan pulsa
selama 1 detik yang dilakukan oleh mikrokontroler.
2. Menampilkan nilai rpm pada seven segment (dekoder)
Port A dan Port C merupakan kaki keluaran pada Mikrokontroler ATmega8535. Pada kaki ini
hasil perhitungan dikirim ke seven segment yang berlaku sebagai tampilan hasil pengukuran.
3. Mengirimkan dan menerima data digital melalui RS-232
Fasilitas USART yang dimiliki mikrokontroler akan mengirimkan data yang telah diolah menjadi
nilai rpm untuk dikeluarkan melalui PORT D.1 (TXD). Agar data dapat dikirimkan ke komputer
melalui RS-232 maka tingkat tegangan data yang berasal dari kaki PORT D.1 diubah menjadi
tingkat tegangan RS-232 oleh MAX-232. Proses sebaliknya ketika mikrokontroler menerima
data dari komputer, tingkat tegangan RS-232 akan diubah oleh MAX-232 menjadi tingkat
tegangan TTL agar dapat diterima oleh kaki PORT D.0 (RXD).
4. HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA
Dengan data yang diperoleh dari pengukuran dapat diolah untuk mendapatkan beberapa
parameter karakteristik statik dari alat ukur.
Dengan menganggap rpm sebenarnya sebagai masukan dan rpm terukur sebagai keluaran
diperoleh persamaan menggunakan Microsoft Office Excel.
4.1. Akurasi
5/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
Akurasi adalah derajat kedekatan antara pengukuran dengan nilai sebenarnya. Alat ukur
memiliki akurasi diatas 96 % untuk pengukuran diatas 11.25 rpm.
4.2. Range
Untuk pengukuran frekuensi listrik yang mempunyai amplitudo < 50 volt alat ukur bisa berfungsi
menghitung hingga 1000 hz atau 7500 rpm. Rentang pengukuran dibatasi oleh kemampuan
alat ukur menerima sinyal masukan bertegangan tinggi karena rangkaian konversi sinyal hanya
mampu menerima masukan tegangan maksimal sebesar 50 volt atau sekitar 600 rpm.
4.3. Bias
Bias adalah perbedaan harga rata-rata output alat ukur untuk semua input yang sama dengan
harga benar. Untuk alat ukur ini bias bernilai 0.370 rpm.
4.4. Resolusi
Jika masukan naik perlahan dari suatu harga (bukan nol) , sampai kenaikan tersebut
memberikan perubahan numerik pada keluaran yang dibaca maka nilai inilah yang disebut
resolusi. Resolusi yang didapat pada alat ukur ini adalah 3.75 rpm.
4.5. Presisi
Presisi adalah derajat kedekatan kesamaan pengukuran antara satu dengan lainnya. Jika hasil
pengukuran saling berdekatan (mengumpul) maka dikatakan mempunyai presisi tinggi dan
sebaliknya jika hasil pengukuran menyebar maka dikatakan mempunyai presisi rendah. Alat
ukur ini memiliki presisi yang tinggi jika dilihat dari persebaran data pengukuran pada suatu nilai
benar.
6/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
5. KESIMPULAN DAN SARAN
Pada perancangan alat ukur rpm yang dikembangkan dengan menggunakan metoda zero
crossing detection diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Diperoleh linearitas yang tinggi (m=0.999) antara nilai terukur dan nilai sebenarnya. Hal
ini menunjukkan gangguan dari lingkungan dapat dihilangkan
2. Dengan tingkat akurasi 96 %, alat ukur ini sudah bisa merepresentasikan putaran turbin
angin yang sebenarnya
3. Alat ukur memiliki resolusi 3.75 rpm dan range pengukuran antara 0 rpm hingga 600 rpm
4. Resolusi pengukuran dapat diperkecil dengan cara memperlama waktu sampling.
5. Proses pengamatan secara kontinu dapat dilakukan dengan sistem akuisisi data yang
sudah disertai tampilan grafik
6. Alat ukur memiliki kelemahan terhadap masukan yang mempunyai nilai tegangan yang
tinggi
Beberapa saran yang bisa diberikan setelah penelitian ini dilakukan adalah:
1. Untuk mendapatkan karakteristik sistem turbin angin sensor rpm bisa digabungkan
dengan sensor kecepatan angin dan dapat diperoleh hubungan antara kecepatan angin dan
kecepatan putar sudu turbin angin.
2. Dikembangkan sensor rpm untuk range yang lebih luas dengan cara merancang
rangkaian yang tahan terhadap masukan bertegangan tinggi.
6. DAFTAR PUSTAKA
1. Freris, L. L. Wind Energy Conversion Systems. UK : Prentice Hall, 1990.
2. Arifujjaman, Md. An Isolated Small Wind Turbine Emulator. M.S. thesis, University of
Newfoundland, Canada, 2006.
3. Yamaye, A. Zia dan Bala, L. Juan. Electromechanical Energy Device and Power System.
New York : John Wiley & Sons, 1994.
4. Malvino, A. Paul. Electronic Principles.New York : McGraw-Hill, 1999.
5. Doebelin, O. Ernest. Measurement System Application and System : Singapore :
7/8
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSIN
McGraw-Hill, 1990.
6. ITB, Teknik Fisika. Lab TFII modul 10: Karakteristik Statik. Bandung : Teknik Fisika ITB.
7. Wilson, S. Jon. Sensor Technology Handbook. USA: Elvesier, 2005
8. Nuruddin, Ahmad. Sensor Technology. Bandung : ITB, 2004
Oleh:
Sutandri Siregar, Dr. Ir. Edi Leksono, M.Eng, Dr.-Ing. Aman Mostavan, DEA dan Ir. Kemas
Rifian, M.Sc
Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung
September – 2008
8/8