analisis sistem kendali beban elektronik

SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013
ISSN 1978-0176
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.
STTN-BATAN
177
Sujatno
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012
ISSN 1978-0176
PENDAHULUAN
TEORI
Latar Belakang
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
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.
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.
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.
Sujatno
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).
178
STTN-BATAN
2.
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013
ISSN 1978-0176
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.
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.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
Tool Set
Multimeter
Tang ampere
Osciloscope
Beban komplemen berupa lampu pijar
Beban konsumen dari lampu pijar
Generator Sinkron
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 :
Bahan yang dibutuhkan :
a.
b.
c.
d.
Komponen pasif
Komponen aktif
Mikrokontroler
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.
Line
CT
Beban
Pada kondisi awal putaran generator tetap dengan
beban nominalnya yang diserap oleh konsumen.
Tetapi pada saat beban puncak atau beban
STTN-BATAN
Gambar 4. Rangkaian Sensor Arus
179
Sujatno
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012
ISSN 1978-0176
Perhitungan :
berfungsi untuk membaca kondisi konversi dan port
3.6 untuk memerintah ADC memulai konversi.
Nilai penguatan dari rangkaian propotional sesuai
dengan rumus membalik (inverting) Yaitu :
AV
Untuk menyelaraskan sinyal jala-jala dengan
keluaran pulsa triger triac dari mikrokontroler di
perlukan rangkaian zero crossing.
= - R2 atau Vout / Vin
R1
AV
=
-
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.
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 Ω, maka
tegangan pada sekunder :
V
=IxR
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
HASIL DAN PEMBAHASAN
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.
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.
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
Sujatno
180
STTN-BATAN
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013
ISSN 1978-0176
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.
mikrokontroler
akan
merespon
Sistem kontrol
jika
terjadi
perubahan arus dari jaringan dan akan memicu
saklar elektronik (Triac), sehingga beban akan
mengalir dari komplemen ke konsumen atau
Gambar 6. Grafik Pengujian Penguat
sebaliknya.
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.
STTN-BATAN
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.
181
Sujatno
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012
ISSN 1978-0176
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 :
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.
1.
2.
3.
Rangkaian Electronic Load Control (ELC)
dengan sensor arus dapat digunakan
sebagai pengatur beban listrik pada
PLTMH.
Electronic Load Control dapat untuk
mengetahui pemakaian beban listrik pada
konsumen.
Tingkat ketelitian dalam pengaturan beban
dengan ELC, standar deviasinya sebesar ±
0,18079
dan
prosentase
ketidak
keseimbangan tegangan sebesar
0,082 %.
Sujatno
182
STTN-BATAN
4.
5.
SEMINAR NASIONAL VIII
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2013
ISSN 1978-0176
TANYA DAN JAWAB
Dapat mengetahui ketidak keseimbangan
tegangan generator terhadap perubahan
beban.
Electronic Load Control (ELC) dengan
kendali utama mikrokontroler unjuk
kerjanya dapat meningkatkan kepekaan
dan kecepatan deteksi.
Pertanyaan
1.
2.
3.
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.
Jawaban
1.
2.
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,
”Interfacing
Komputer
Mikrokontroler”,
Elex
Komputindo, Jakarta.
Apakah tanpa ELC beban listrik konsumen
tidak dapat diukur/diketahui? (Djiwo Harsono)
Selama ini sistem kendali beban elektronik
dilakukan dengan cara seperti apa? Dan apa
keuntungan dari μ Kontrol? (Dewita)
Modul yang diganti/diperbaik funsinya untuk
apa? Dan perbandingan performa setelah
diganti apakah lebih baik dari sebelumnya?
(Iksan)
3.
ELC berfungsi untuk menstabilkan putaran dan
generator walaupun
beban pada konsumen
berubah-ubah, tidak untuk mengukur.
Untuk PLTA, biasanya menggunakan Governor
yaitu yang mengatur input/output air ke turbingenerator. Untuk ELC yang
diatur bahan
input/output air yang masuk dianggap air masuk
tetap, kemudian yang diatur adalah beban dari
generatornya.
Untuk catu daya ke kapasitor baik. Performanya
lebih baik karena yang sama bentuk PCB dan
umpama sudah tidak layak, sudah waktunya
diganti.
2004,
dan
Media
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.
STTN-BATAN
183
Sujatno