- RP2U Unsyiah - Universitas Syiah Kuala

ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
SIMULASI SINKRONISASI GENERATOR 3 FASA PADA PLTMH
ISOLATED BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 16
Muhammad Rizal Fachri 1) Syukriyadin 2) Hendrayana 3)
1,3)
Magister Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala
2)
Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala
Darussalam, Banda Aceh
email : [email protected]
dikembangkan untuk pembangkitan tenaga listrik adalah
pemanfaatan energi terbarukan seperti angin, surya,
biomassa dan energi air (mikrohidro)[1].
Kadang pembangkitan sebuah generator tidak cukup
untuk menyuplai pasokan listrik untuk wilayah tersebut
maka diperlukan Pengoperasian generator secara paralel
untuk meninkatkan pasokan listrik ke beban. Proses paralel
atau disebut juga dengan proses sinkronisasi dapat
dilakukan secara manual dan bisa juga secara otomatis.
Proses sinkronisasi secara manual yaitu sebelum generator
satu dengan yang lain terhubung paralel, maka operator
haruslah memperhatikan alat ukur synchroscope,
voltmeter, dan frekuensi meter. Jika alat ukur
synchroscope pada posisi tepat di jam 12, voltmeter dan
frekeunsi meter antara PLTMH dengan PLN menunjukkan
angka yang sama barulah operator dapat menghubungkan
antara kedua sistem. Kelemahan dari proses inkronisasi
secara manual adalah memungkinkan terjadinya kesalahan
pada operator (human error). Kesalahan tersebut bisa
terjadi karena operator dalam melihat alat-alat ukur tidak
teliti. Proses sinkronisasi secara otomatis yaitu peralatan
sinkronisasi dapat mengubungkan secara otomatis bila
persyaratan sinkronisasi kedua generator terpenuhi. Supaya
syarat sinkron dipenuhi secara otomatis maka diperlukan
alat otomatis yang dapat mendeteksi persyaratan
sinkronisasi dan setelah persyaratan terpenuhi dapat
menghubungkan kedua sistem secara tepat tanpa adanya
kesalahan[2, 6].
ABSTRACT
Synchronization very necessary when paralleling
generators on hydro power plant (PLTMH) to increase the
supply of electric power to the load in the islanding mode.
The requirements of the synchronization process is
voltage, frequency, phase angle, and phase sequence
between the generator should be the same. Synchronized
tools be found in the market is still quite large and also
difficult to gained, so this is aimed to develop sync for
facilitated detection synchronization conditions that are
designed using a microcontroller and more simple. Design
synchronous tools using ATMEGA 16 microcontroller that
can detect when the terms synchronous and synchronous
parameters are met then will automatically parallelize
generator. Automatic synchronization tool includes
control unit to read the terms synchronous generator,
needs to be designed voltage, frequency and phase
different sensors of the generators. Based on simulation
result is shown that conditions in the requirements of the
synchronous, voltage, frequency on the two generators has
the same and phase difference at the output XOR sensor
circuit has been shown 0, then the microcontroller send
output signal "on" to the relay/switching circuit to issue
an order for closing the breaker.
Key words
PLTMH, Sinkronisasi, Mikrokontroler, ATMEGA 16
1. Pendahuluan
2. Landasan Teori
Permintaan akan energi listrik yang terus meningkat,
sementara jumlah penyediaan energi listrik terbatas,
dimungkinkan timbulnya dampak krisis energi dan kenaikan
tarif listrik. Mengatasi hal tersebut tidak mungkin hanya
mengandalkan sumber energi fosil, karena cadangan energi
fosil di Indonesia sangat terbatas dan jika terus digunakan
bukan tidak mungkin dalam waktu yang singkat akan habis.
Upaya lain yang mungkin
PLTMH merupakan pembangkit listrik yang
menggunakan energi potensial air dan dapat
diklasifikasikan atau di kelompokkan berdasarkan metode
mendapatkan head, sistem operasi dan jenis turbin yang
digunakan[7].
Prinsip kerja dari PLTMH seperti pada gambar 1.
Suatu pembangkit listrik tenaga mikrohydro tergantung
dengan:
 Debit air
42
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013


Ketinggian (jatuh ketinggian)
Efesiensi.
Gambar 3 Rotor sangkar
Rotor kumparan/belitan (wound rotor), Kumparan
dihubungkan bintang dibagian dalam dan ujung yang lain
dihubungkan dengan slipring ke tahanan luar. Kumparan
dapat dikembangkan menjadi pengaturan kecepatan
putaran motor. Pada kerja normal slipring hubung singkat
secara otomatis, sehingga rotor bekerja seperti rotor
sangkar. Seperti ditunjukan pada gambar 4 berikut.
Gambar 1 Cara kerja PLTMH[7]
Dengan demikin dapat diformulasikan secara
sederhana, daya (P) yang dibangkitkan dari suatu
pembangkit PLTMH adalah:
P = g x Q x H x ……………………(1)
P = Daya mekanik (Watt)
Q = Debit aliran (m3/s)
g = Konstanta percepatan gravitasi bumi (m/s2)
H = ketinggian aliran air (m)
 = Efesiensi
Gambar 4 Rotor kumparan/belitan
Keuntungan mesin induksi 3 phasa :
 Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila
motor dengan rotor sangkar.
 Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi.
 Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak
ada sikat sehingga rugi gesekan kecil.
 Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan
motor hampir tidak diperlukan.
Kerugian Penggunaan Mesin Induksi
 Kecepatan tidak mudah dikontrol
 Power faktor rendah pada beban ringan
Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal
Generator yang sering digunakan oleh PLTMH
merupakan mesin induksi sebagai generator atau disebut
juga generator asinkron. Mesin induksi adalah suatu mesin
listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak
dengan menggunakan gandengan medan listrik dan
mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor.
Mesin induksi merupakan motor yang paling banyak kita
jumpai dalam industri[8].
Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar
dan terletak pada bagian luar. Dibuat dari besi bundar
berlaminasi dan mempunyai alur – alur sebagai tempat
meletakkan kumparan seperti terlihat pada gambar 2.
2.1 Mesin Induksi Sebagai Generator
Penggunaan Mesin Induksi Sebagai Generator (MISG)
telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui
kehandalannya. Meskipun dari segi effisiensi, khususnya
pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik
generator Sinkron, tetapi karena mesin induksi banyak
tersedia dipasaran dengan range daya yang luas dan
konstruksi mesin induksi jauh lebih sederhana dibanding
generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run a
way speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG
dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron
untuk pembangkit Mikrohidro.
Mesin induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai
generator satu fasa maupun tiga fasa. Pada mesin induksi
yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat
Gambar 2 Stator motor
Rotor sangkar seperti pada gambar 3 adalah bagian
dari mesin yang berputar bebas dan letaknya bagian dalam.
Terbuat dari besi laminasi yang mempunyai slot dengan
batang alumunium / tembaga yang dihubungkan singkat
pada ujungnya.
43
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
pengatur tegangan. Pada mesin induksi sebagai generator
tegangan keluarannya sangat dipengaruhi oleh besarnya
beban dan nilai kapasitor eksitasi.
Dalam pengoperasiannya, generator induksi sangat
sensitif terhadap perubahan beban. Perubahan beban akan
menyebabkan tegangan dan frekuensi output generator
induksi berfluktuatif. Untuk menjaga output generator
induksi tidak berfluktuatif, perlu dilakukan analisis
mengenai regulasi tegangan dan frekuensi output generator
induksi.
Salah satu cara untuk mengatasi naik-turun tegangan
dan frekuensi adalah dengan mengatur beban generator
menggunakan IGC (Induction Generator Control).
Apabila beban berkurang maka IGC berkerja untuk
memerintahkan
memindahkan
beban
ke
beban
penyeimbang (ballast load) agar beban tetap saja nominal
(konstan) seperti terlihat pada gambar 5[1].
operasikan generator, kemudian dilihat urutan lampu
(nyala) urutan lampu akan berubah menurut urutan L1-L2L3-L1-L2-L3
b. Voltmeter, frekuensi meter dan syncronscope.
Ketetapan sudut fasa dapat dilihat dari segi
syncronscope. Bila jarum penunjuk berputar berlawanan
arah jarum jam, berarti frekuensi generator lebih rendah
dan bila searah jarum jam berarti frekuensi generator lebih
tinggi. Pada saat jarum jam telah menunjukkan kedudukan
vertikal, berarti beda fasa generator dan jala-jala telah nol,
atau selisih fasa telah nol. Seperti yang ditunjukan gambar
6 bentuk diagram sinkronisasi generator[2].
Paralel generator secara otomatis biasanya
menggunakan alat yang secara otomatis memonitor beda
fasa, tegangan, dan frekuensi. Apabila semua kondisi telah
mencapai alat memberi sinyal bekerja saklar untuk paralel
dapat dimasukkan.
Gambar 6 Diagram alur sinkronisasi generator[8]
Gambar 5 Aplikasi penggunaan IGC (Induction Generator Control) pada
generator asinkron[11]
2.3 Mikrokontroler AVR ATMEGA 16
2.2 Sinkronisasi Generator
AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit
buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced
Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi
dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32
register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan
mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial
UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power
saving, ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai
In-System Programmable Flash on-chip yang pengijinkan
memori program untuk diprogram ulang dalam system
menggunakan hubungan serial SPI. ATMega16.
ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per
MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi
konsumsi daya versus kecepatan proses.
Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara
lain:
1. Advanced RISC Architecture
- 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle
Execution
Untuk melakukan operasi paralel generator maka
dilakukan tahap sinkronisasi terlebih dahulu. Beberapa
parameter yang harus sama untuk syarat sinkronisasi
adalah:
1. Tegangan
2. Frekuensi
3. Urutan Fasa
4. Sudut Fasa
Dengan berkembangnya teknologi maka proses
sinkronisasi dapat dilakukan secara otomatis pada
synchronizing panel.
Ada beberapa cara untuk memparalelkan generator yaitu:
a. Lampu cahaya berputar dan watt meter.
Pilih lampu dengan tegangan kerja 2 kali tegangan
fasa netral generator atau gunakan 2 lampu yang
dihubungkan seri. Dalam saklar 5 terbuka
44
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
- 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation
- Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
- On-chip 2-cycle Multiplier
2. Nonvolatile Program and Data Memories
- 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash
- Optional Boot Code Section with Independent Lock
Bits
- 512 Bytes EEPROM
- 512 Bytes Internal SRAM
- Programming Lock for Software Security
3. Peripheral Features
- Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers
and Compare Mode
- Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers
and Compare Modes
- One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler,
Compare Mode, and Capture Mode
- Real Time Counter with Separate Oscillator
- Four PWM Channels
- 8-channel, 10-bit ADC
- Byte-oriented Two-wire Serial Interface
- Programmable Serial USART
4. Special Microcontroller Features
- Power-on Reset and Programmable Brown-out
Detection
- Internal Calibrated RC Oscillator
- External and Internal Interrupt Sources
- Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction,
Power-save, Power down, Standby and Extended
Standby
5. I/O and Package
- 32 Programmable I/O Lines
- 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44pad MLF
6. Operating Voltages
- 2.7 - 5.5V for Atmega16L
- 4.5 - 5.5V for Atmega16
3. Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dengan
mengambil beberapa studi literatur atau sumber yang
berkaitan dengan sinkronisasi generator 3 fasa pada
PLTMH isolated. Melakukan simulasi terhadap
sinkronisasi generator 3 fasa berbasis Atmega 16, dan
diambil data-data yang diperoleh. Dari proses penelitian
diambil data mengenai kerja sistem keseluruhan kemudian
dilakukan analisis terhadap untuk setiap proses dan
melakukan perbaikan terhadap kekurangan yang
menyimpang dari teoritis.
4. Hasil dan Pembahasan
4.1 Rangkaian Sensor Tegangan
Tegangan sumber 220V tidak bisa disuplay langsung
kemasukkan mikrokontroler. Tegangan operasional
microkontroler jauh lebih rendah dari pada tegangan
sumber,
ini
dapat
mengakibatkan
kerusakan
mikrokontroler oleh karena itu tegangnya harus diturunkan
dulu dengan resistor pembagi tegangan, dan kemudian
disearahkan dengan penyearah gelombang penuh kemudian
memperhalus ripple nya menggunakan low pass filter
yaitu komponen resistor 10k dan capasitor 10 μF yang
diparalelkan untuk menghilangkan kandungan gelombang
AC. Seperti yang titunjukan pada gambar 8 berikut.
Gambar 8 Rangkaian sensor tegangan
Tegangan keluaran (output) DC ditentukan oleh R
dan RL sebagai pembagi tegangan. Dimana R1 = 2.2k dan
R2 = 10k sehinga dapat dirumuskan sebagai berikut:
…...…………………..(2)
Gambar 7 Pin-pin ATMega16 kemasan 40-pin[4]
Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP
(dual inline package) ditunjukkan oleh gambar 7. Guna
memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur
Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program
dan data)[4].
Vo dc = 4.918 Volt
45
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
……………………………………(3)
Riak Tegangan AC adalah:
……………………..(4)
Gambar 10 Rangkaian zero crossing detector
Sinyal keluaran dari rangkaian zero crossing detector
seperti pada gambar 11 dibawah.
Secara umum, R harus lebih rendah dari RL hal ini
untuk memelihara level output DC, sehingga didapat
tegangan keluaran pada sensor tegangan Vo = 4.99 V.
Persentase tegangan riak adalah 100/(2 x10-3x10-6x
50)=10% Dimana, tegangan DC turun 5% dan harga
tegangan akan berubah-ubah pada harga 90% - 100% dari
nilai puncak.
Bentuk sinyal keluaran dari sensor tegangan seperti
pada gambar 9 dibawah. Dimana sinyal masukannya
berupa gelombang sinusoidal (AC) yang diubah menjadi
gelombang searah (DC).
Gambar 11 Bentuk sinyal keluaran zero crossing detector
4.3 Rangkaian Sensor Frekuensi
Tegangan masukan untuk sensor frekuensi terlebih dulu
diturunkan sama halnya seperti pada sensor tegangan.
Sensor frekuensi merupakan rangkaian zero crossing
detector di mana pada outputnya dihubungkan ke masukan
IC LM2917. IC LM2917 merupakan converter frekuensi
ke tegangan DC yang cukup sederhana karena IC LM2917
didesain khusus oleh National semiconductor sebagai
frequency to voltage converter sehingga tidak
membutuhkan komponen eksternal yang banyak.
Rangkaian converter frekuensi ke tegangan dengan IC
LM2917 ini dapat dioperasikan dengan tegangan kerja +12
volt DC hingga +24 volt DC. IC LM2917 ini memiliki
output yang linier dengan arus output maksimal 30mA.
Rangkaian sensor frekuensi seperti pada gambar 12
berikut.
Gambar 9 Sinyal keluaran dari sensor tegangan
4.2 Rangkaian Zero Crossing detector
Rangkaian zero crossing detector (ZCD) berfungsi
untuk mengetahui titik nol dari gelombang sumber AC.
Pada saat menerima sinyal,
ZCD memancarkan
serangkaian sinyal persegi panjang gelombang unipolar, di
mana setengah siklus positif dari sinyal tegangan
sinusoidal di konversikan menjadi pulsa persegi panjang
dari +5 volt dengan amplitudo konstan dan setengah siklus
negatif ditekan menjadi 0 volt. Rangkaian lengkapnya
seperti pada gambar 10 berikut ini.
Gambar 12 Rangkaian sensor frekuensi
46
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
Hasil sinyal keluaran sensor frekuensi berupa sinyal
segi empat yang di ubah dari sinyal masukan sinusoidal.
Seperti terlihat pada gambar 12 berikut.
4.5 Sinkronisasi
Setelah menciptakan semua kondisi yaitu berupa
sensor tegangan, sensor frekuensi dan sensor fasa. Maka
Port B pada mikrokontroler atmega 16 digunakan untuk
input sinyal sensor. Sehingga sinyal-sinyal sensor tersebut
dikirim ke mikrokontroler Atmega 16 kemudian
ditampilkan data sinyal sensor yang terukur pada LCD
yang terhubung pada port A mikrokontroler, dimana bila
digunakan untuk mengakses data, maka data akan
dimultiplex, seperti yang ditunjukan pada gambar 16
Rangkaian Utama dari microkontroler atmega 16.
Vin
6
4
2
0
-2
-4
-6
Vout
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
0
0.01
0.02
Time (s)
0.03
0.04
Gambar 13 Bentuk sinyal keluaran dari sensor frekuensi
4.4 Rangkaian Sensor Fasa
Rangkian IC XOR digunakan untuk menentukan sensor
fasa sebelum disinkronisakan yaitu berupa berbentuk
gelombang pulsa. Jadi pada saat keluaran gelombang dari
comparator atau opamp yang satunya bernilai 1 dan
gelombang keluaran comparator satunya lagi 0 maka
keluaran dari IC XOR adalah 1, sehingga IC XOR tidak
bekerja maka tidak tidak terjadi sinkronisasi dan apabila
keluaran keduanya dari comparator bernilai 1 atau keduaduanya keluaran comparator 0 maka keluaran dari IC XOR
adalah 0, maka IC XOR akan bekerja sehingga
menggerakkan kontak untuk sinkron. Rangkaian sensor
fasa seperti ditunjukan pada gambar 14 berikut.
Gambar 16 Rangkaian utama mikrokontroler ATMEGA 16
Ketika sinyal telah tercapai pada batas yang diterima
dimana tegangan, frekuensi kedua generator telah sama
dan beda fasa pada keluaran rangkaian sensor fasa XOR
telah menunjukan 0, maka mirokontroler mengirim sinyal
“on” ke relay/switching breaker yang terhubung pada port
lainnya, untuk memerintahkan circuit breaker yang di
gunakan untuk mengambil keputusan menutup breaker.
Gambar 17 menujukan rangkaian dari relay/switch
breaker.
Gambar 14 Rangkaian sensor frekuensi
Hasil sinyal keluaran dari sensor fasa seperti
ditunjukan pada gambar 15 berikut.
Gambar 17 Rangkaian Driver Relay
Gambar 15 Bentuk sinyal keluaran sensor fasa
47
ISSN: 2088-9984
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
[5] Putra, Firmansyah., 2010, “Simulasi Paralel Generator
5. Kesimpulan
Secara Otomatis Pada Kapal Star-50 / BSBC 50.000
DWT Dengan Menggunakan Pendekatan Software
Labview 8.5”, ITS, Surabaya, Indonesia.
[6] Thamrin, N.J., 2011, “Rancang Bangun Alat
Sinkronisasi Otomatis Pltmh Dengan Jaringan
Distribusi PLN Berbasis Mikrokontroler Atmega 16 ”,
Merancang Alat sinkronisasi otomatis perlu dibuatkan
sensor-sensor yang dibutuhkan untuk menciptakan konsisi
dari syarat sinkron. Sensor tegangan, sensor frekuensi dan
sensor fasa digunakan untuk menciptakan kondisi syarat
sinkron.
Sinyal-sinyal sensor tersebut dikirim ke mikrokontroler
Atmega 16 melalui port B untuk diproses sampai berada
dalam parameter yang dapat diterima dan terus ditampilkan
pada LCD yang terhubung pada port A mikrokontroler.
kondisi syarat sinkron dimana tegangan, frekuensi telah
sama kedua generator dan beda fasa pada keluaran
rangkaian sensor XOR telah menunjukkan 0, maka
mikrokontroler mengeluarkan sinyal “on” ke switching
breaker yang digunakan untuk mengeluarkan perintah
untuk menutup breaker.
UGM, Yokyakarta, Indonesia.
[7] Anggraini, Ika novia., Mei
2012, “Pembangunan
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Dengan
Pemanfaatan Potensi Air di Desa Banteng Besi
Kabupaten Lebong Propinsi Bengkulu”, Teknik Elektro
Universitas Bengkulu, Indonesia.
[8] Anindito, Haryo, Wimbo., “Sinkronisasi Paralel
Generator”, November 2012.
[9] Abdurrahman, Sutedjo., “Dasar-dasar Motor Indiksi 3
fasa”, Maret 2011.
[10] Irianto, Gagarin, Chairul., 2004,“Suatu Studi Penggunaan
Motor Induksi sebagai Generator: Penentuan Nilai
Kapasitor Untuk Penyedia Daya Reaktip”, Universitas
Trisakti, Indonesia.
[11] Renerconsys., 2010, “Digital Load Controller (DLC)
REFERENSI
[1] Almuzahid, Ihsan., 2012, “Rancang Bangun Sinkronisasi
Generator 1 Fasa untuk PLTMH Berbasis Mikrokontroler
ATMEGA 16”, Politeknik Negeri Bandung, Indonesia.
[2] Dabowsa, Ahmad I. Abo., Juni 2011, “Design of an
For Induction Generator (IGC) & Synchronous
Generator (ELC)”, Bandung, Indonesia.
[12] Kurniawan, Taupik alif., “Rancang Bangun Microchip
Prototype Rangkaian Detektor Fasa Sebagai
Rangkaian Pembaca Keluaran Sensor Kelembaban
dan Konduktivitas Elektrik Berbasis Software Lasi
7.0”, Departemen Teknik Elektro Universitas
Indonesia, Depok, Indonesia.
Automatic Synchronizing Device for Dual - Electrical
Generators Based on CAN Protocol”, The Islamic
University of Gaza, Palestina.
[3] Kundu,
Palash.,
Das,
Aribinda.,
2009,
“Microprocessor - Bassed System For Identification of
Phase Sequence Anf Detected of Phasa Unbalance of
Three - Phase Ac Supply”, Jadavpur University, India.
[4] Hadi, Mokh. Sholihul., “Mengenal Mikrokontroler AVR
ATMega16”,
Komunitas
eLearning
IlmuKomputer.Com., 2003.
48