bab ii landasan teori
advertisement
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pembangkit Listrik Pembangkit listrik adalah sebuah industri yang bergerak dalam pembangkitan energi listrik. Hampir semua setiap pembangkit menggunakan generator, yaitu mesin listrik yang berputar, untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan membuat gerakan relatif antara medan magnet dan konduktor. Sumber Energi yang digunakan untuk memutar generator sangat bervariasi. Hal ini tergantung terutama pada bahan bakar yang tersedia dan pada jenis teknologi yang dimiliki perusahaan untuk membangkitkan energi listrik. Berdasarkan bahan bakar yang digunakan Pembangit Listrik dapat diklasifikasikan menjadi : a. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir b. Pembangkit Listrik Tenaga Fosil dengan penjabaran Diesel, Gas Alam, dan Batu Bara. c. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi d. Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa yaitu seperti Limbah Tebu, Kotoran Sapi dan Metana. e. Pembangkit Listrik Tenaga Gas Panas di Industri hasil suatu proses, seperti peleburan besi, dan steam (uap) sisa. f. Pembangkit Listrik Tenaga Panas Matahari / dikenal dengan Solar Cell. Jika dikategorikan berdasarkan prime mover atau penggerak klasifikasinya : a. Turbin Uap b. Turbin Gas c. Combine Cycle atau penggabungan dari Turbin Uap dan Gas d. Turbin Air 5 mulanya, 6 2.1.1. Pembangkit Listrik Tenaga Air PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) adalah istilah yang mengacu pada listrik yang dihasilkan oleh tenaga air, tenaga listrik dihasilkan melalui penggunaan gaya gravitasi dari air terjun atau air yang mengalir. Ini adalah bentuk energi paling banyak digunakan dan merupakan energi terbarukan. Setelah sebuah komplek pembangkit listrik tenaga air dibangun, proyeknya tidak menghasilkan limbah langsung, dan memiliki tingkat output yang lebih rendah dari gas rumah kaca karbon dioksida (CO2) dibandingkan Pembangkit Listrik bahan bakar fosil. Di seluruh dunia, pada tahun 2006 supply daya keseluruhan pembangkit mencapai 777 GWe, dan 2998 TWh dihasilkan dari Pembangkit Listrik Tenaga Air. Ini adalah sekitar 20% dari listrik dunia, dan mencakup sekitar 88% listrik dari sumber terbarukan. 2.1.2. Spesialisasi Berdasarkan Luas dan Kapasitas Daya yang Dibangkitkan Meskipun tidak ada definisi resmi untuk rentang kapasitas daya yang dibangkitkan, namun pembangkit listrik tenaga air yang membangkitkan lebih dari 10 GW dianggap fasilitas listrik tenaga air besar. Saat ini, hanya tiga pembangkit yang memproduksi lebih dari 10 GW (10.000 MW) yang beroperasi di seluruh dunia, Three Gorges Dam sebesar 22,5 GW, Bendungan Itaipu 14 GW dan Bendungan Guri sebesar 10.2 GW. PLTA skala besar lebih sering dilihat sebagai kekuatan terbesar penghasil produksi listrik di dunia, dengan beberapa fasilitas, pembangkit listrik tenaga air mampu menghasilkan lebih dari dua kali lipat lebih besar dari kapasitas terpasang di pembangkit tenaga nuklir saat ini. Berikut adalah perkiraan klasifikasi PLTA beradasarkan Energi Listrik yang dibangkitkan. a). Small Hidro Pembangkit listrik kecil atau Smallhydro adalah pembangkit listrik tenaga air pada skala melayani komunitas kecil atau industri. Definisi dari proyek Smallhydro 7 bervariasi, namun kapasitas pembangkitan mencapai di atas 10 megawatt (MW) yang secara umum dapat diterima sebagai Smallhydro. b). Mikro Hidro Mikro hidro di Vietnam adalah istilah yang digunakan untuk instalasi listrik tenaga air yang biasanya memproduksi hingga 100 KW. Hidro c). Pico Pico Hydro adalah istilah yang digunakan untuk listrik tenaga air di bawah 5 KW. Hal ini berguna dalam kecil, masyarakat terpencil yang membutuhkan hanya sejumlah kecil listrik. Misalnya, untuk satu atau dua lampu neon dan TV atau radio untuk beberapa rumah. Tabel 2.1. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air/Hidro No Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Hidro 1 Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) 2 Pembangkit Listrik Tenaga Minihidro (PLTM), 3 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) 4 Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH). Kapasitas Daya (kW) > 5000 100 – 5000 10 - 100 <10 2.2. Plant 2.2.1. Motor Induksi Tiga Fasa Secara umum motor listrik adalah suatu alat yang dapat merubah energi listrik menjadi energi mekanik yang berupa tenaga putar dan motor ini bekerja berdasarkan 8 prinsip induksi elektromagnetik. Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling banyak digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar yang dihasilkan oleh arus rotor. Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tenaga tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron. Medan putar stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus, rotor pun akan berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi bila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. 2.2.1.1. Konstruksi Motor induksi tiga fasa terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian yang diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Untuk berbagai motor induksi tiga fasa konstruksi statornya adalah sama, akan tetapi halnya dengan rotor. Rotor motor induksi tiga fasa secara garis besar terbagi dua jenis yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Diantaranya rotor dan stator terdapat celah udara yang merupakan ruang tempat lewat fluks stator sehingga menyebabkan rotor berputar. Celah udara terdapat antara stator dan rotor yang diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil kerja motor yang optimum, bila celah udara antara stator dan rotor tertalu besar akan mengakibatkan efesiensi motor induksi menjadi rendah. Sebaiknya bila jarak celah terlalu kecil atau sempit akan menimbulkan kerusakan mekanis pada mesin. 9 Gambar 2.1. Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Rangka stator motor induksi didesain dengan baik dengan 4 tujuan yang jelas yaitu: a. Menutupi inti dan kumparan. b. Melindungi bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan gangguan objek atau gangguan udara terbuka. c. Menyalurkan torsi kebagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena itu stator disesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan. d. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara motor, sehingga pendinginan motor lebih efektif. Mengenai bagian utama dari motor tersebut, dapat dijelaskan sebagai berikut : a) Stator Stator merupakan bagian yang diam dari motor induksi tiga fasa. Bagian dari stator ini terdiri dari laminasi-laminasi tipis yang disusun dan dibentuk sedemikian rupa sehingga segmen yang berbentuk silinder berhubungan satu dengan yang lainnya serta mempunyai alur-alur (slot) sebagai tempat konduktor, 10 lubang pada lapisan laminasi yang berbentuk slot pada inti stator berupa kawat tembaga atau batang tembaga. Kumparan stator pada umumnya terdiri dari kawat tembaga untuk motor berdaya kecil, sedangkan untuk motor berdaya besar kumparan statornya terdiri dari lempengan tembaga. Kumparan stator berfungsi untuk menghasilkan fluks magnet pada saat diberikan tegangan tiga fasa. Konstruksi stator motor induksi terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut: a. Rumah stator dari besi tulang. b. Stator dari besi lunak atau baja silikon. c. Alur dan gigi, bahannya sama dengan inti stator dimana alur ini merupakan tempat meletakkan belitan stator. d. Belitan stator dari tembaga. e. Bantalan poros. Gambar 2.2. Bentuk fisik stator 11 b) Rotor Rotor merupakan bagian yang bergerak dari suatu motor induksi. Sebagaimana halnya dengan stator, inti rotor juga merupakan susunan dari laminasi-laminasi tipis yang umumnya terbuat dari baja silikon yang bermutu tinggi. Laminasi tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga merupakan segmen yang berbentuk silinder serta memiliki alur sebagai tempat konduktor rotor. Konstruksi rotor motor induksi terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut : a. Inti rotor, bahannya sama dengan inti stator. b. Alur dan gigi, bahannya sama dengan inti, alur merupakan tempat meletakkan belitan atau kumparan rotor. c. Belitan rotor, bahannya dari tembaga. d. Poros atau as. Gambar 2.3. Bentuk fisik dari Rotor 2.2.1.2. Medan Magnet Berputar Perputaran motor pada arus bolak-balik ditimbulkan karena adanya medan putar (fluksi yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Syaratsyarat terjadinya medan putar adalah : a. Stator dihubungkan dengan sumber daya fasa banyak. b. Kumparan-kumparan stator harus digeser simetris. c. Tegangan sumber mempunyai beda fasa. 12 Untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron dapat diturunkan sebagai berikut: đđ = 120đ đ ........................................................................................... (2.1) Ns = Kecepatan medan putar stator (Rpm) f = frekuensi (Hz) p = jumlah kutub 2.2.1.3. Prinsip Kerja Motor Induksi Prinsip kerja motor induksi adalah berdasarkan induksi elektromagnetik, yakni bila kumparan stator diberi sumber tegangan bolak-balik tiga fasa maka arus akan mengalir pada kumparan tersebut, sehingga menimbulkan medan putar (garisgaris gaya fluksi) yang berputar dengan kecepatan sinkron. Garis-garis gaya fluksi (medan putar) dari stator tersebut yang berputar akan memotong konduktor-konduktor pada rotor sehingga timbul EMF (electro motive force) atau GGL (gaya gerak listrik) atau tegangan induksi. Berhubung kumparan motor merupakan rangkaian tertutup maka pada kumparan tersebut mengalir arus. Arus yang mengalir pada konduktor rotor yang berada pada medan magnet berputar dari stator, maka pada penghantar rotor tersebut timbul gaya-gaya yang berpasangan dan berlawanan arah, dimana gaya-gaya tersebut berusaha menggerakkannya dalam arah tegak lurus terhadap medan. Penampang stator dan rotor motor induksi dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam. Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan oleh penggunaan aturan tangan kanan flemming menunjukkan bahwa arus induksi dengan konduktor dalam konduktor pembaca dengan konduktor mengalir arus berada dalam medan magnet dan gaya yang ditimbulkan pada konduktor mengarah ke atas karena medan magnet di bawah konduktor lebih kuat dari medan yang di atasnya. Agar sederhana, hanya satu konduktor yang dijelaskan atau diperhatikan. Tetapi konduktor-konduktor rotor 13 yang berdekatan lainnya dalam medan stator juga mengalirkan arus dalam arah seperti konduktor yang ditunjukkan dan juga mempunyai suatu gaya ke arah atas. Pada setengah siklus berikutnya, arah medan stator akan dibalik dan arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya pada rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor di bawah kutub-kutub medan stator lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutar rotor searah jarum jam. Jika kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang menahan, motor akan melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang sama dengan perputaran medan magnet stator. 2.2.2. Motor Induksi Sebagai Generator Motor induksi tiga fasa merupakan motor yang banyak digunakan. Motor induksi rotor sangkar sangat kokoh, sederhana, murah, dan mudah perawatannya. Motor induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan medan putar. Motor listrik tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator satu fasa maupun tiga fasa. Pada motor induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat pengatur tegangan. Pada motor induksi sebagai generator tegangan keluarannya sangat dipengaruhi oleh besarnya beban dan nilai kapasitor eksitasi. Pada umumnya pengendalian tegangan generator induksi menggunakan Induction Generator Controller (IGC). IGC merupakan piranti elektronis yang menyensor tegangan, kemudian mengatur besar beban penyeimbang. IGC merupakan priranti elektronis yang menyensor tegangan, kemudian mengatur besar beban penyeimbang. IGC berbasis komputer dan berbasis komparator, Kelemahan IGC adalah menggunakan teknologi yang tidak sederhana. Motor induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan cara memutar rotor pada kecepatan diatas kecepatan medan putar atau mesin bekerja pada slip negatif. Agar motor induksi dapat berfungsi sebagai generator maka diperlukan arus eksitasi, arus eksitasi tersebut didapat dari kapasitor. 14 Salah satu cara untuk mengendalikan tegangan dan frekuensi pada generator ini adalah dengan cara mengatur beban pada (output) generator. Apabila beban nyata berkurang maka ada mekanisme yang mengatur beban penyeimbang (ballast load) agar terjadi keseimbangan antara masukan dan keluaran pada generator induksi tersebut. 2.2.2.1. Rangkaian Ekivalen Generator Induksi Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan dari pada saat motor induksi bekerja sebagai motor. Dimana ketika motor berfungsi sebagai motor, kumparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan timbul kecepatan putar dengan kecepatan sinkron. Namun jika motor berfungsi sebagai generator, pada rotor motor diputar oleh sumber penggerak, dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang yang berputar didalam medan magnet (kumparan stator) akan membangkitkan tegangan, dan apabila dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan stator sehingga timbul arus pada kumparan stator sebagai reaksi atas gaya mekanik yang diberikan. Pada proses perubahan motor induksi menjadi generator induksi dibutuhkan daya reaktif atau daya magnetisasi untuk membangkitkan tegangan pada terminal keluarannya. Dalam hal ini yang berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang nilainya disesuaikan dengan daya reaktif yang diperlukan. Kebutuhan daya reaktif dapat dipenuhi dengan memasang suatu unit kapasitor pada terminal keluaran, dimana kapasitor menarik daya reaktif kapasitif atau dengan kata lain kapasitor memberikan daya reaktif induktif pada mesin induksi. Kerja dari kapasitor ini dapat dikatakan juga sebagai suatu sistem penguat (eksitasi), sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan generator induksi penguatan sendiri. 15 Gambar 2.4. Rangkaian Ekivalen Generator Induksi (Zuhal, 1991) Keterangan: R1 = Resistansi Belitan Stator Perfasa X1 = Reaktansi Belitan Stator Perfasa R2 = Resistansi Belitan Rotor Perfasa X2 = Reaktansi Belitan Rotor Perfasa Rc = Resistansi Rugi-Rugi Inti Xm = Reaktansi Magnetisasi 2.2.2.2. Hubungan Bintang (Y) Hubungan bintang akan mengurangi arus line dan torsi starting sekitar 3 kali dibandingkan dengan hubungan segitiga. Pada hubungan bintang ini arus fase sama dengan arus pada jala-jala. Skema umum dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini. Gambar 2.5. Hubungan Bintang (Michael Neidle,1999) 16 Pada hubungan bintang berlaku persamaan: VL = 3 .Vp ........................................................................................... (2.2) IP = IL .................................................................................................... (2.3) Keterangan: VL = Tegangan fasa-fasa VP = Tegangan fasa IP = Arus fasa IL = Arus fasa-fasa Tegangan fasa-fasa adalah tiga kali tegangan fasa ( 3 =1,73) Pada sebuah beban seimbang, rumus umum untuk daya tiga fasa menjadi : P = 3 .V. I cosΦ ................................................................................... (2.4) dimana nilai V dan I adalah nilai fasa-fasa. 2.2.2.3. Hubungan Segitiga (Δ) Hubungan segitiga juga disebut hubungan mesh. Skema umum dapat dilihat pada gambar 2.6, yakni untuk hubungan segitiga tegangan fasa-fasa sama dengan tegangan fasa. Gambar 2.6. Hubungan Segitiga (Michael Neidle, 1999) 17 Pada hubungan segitiga berlaku persamaan: IL = 3 . IP ..................................................................................... (2.5) VL = VP .......................................................................................... (2.6) Arus fasa-fasa adalah 3 kali arus fasa. Seperti rumus umum sebelumnya untuk daya tiga fasa dapat dilihat pada persamaan (2.4) dengan acuan persamaan (2.5) dan (2.6). 2.3. Sinkronisasi Generator Sinkronisasi generator adalah proses menggabungkan dua generator atau lebih dan kemudian dioperasikan secara bersama-sama dengan tujuan : 1. Mendapatkan daya yang lebih besar, 2. Untuk efisiensi biaya operasional dan pembelian 3. Untuk memudahkan penentuan kapasitas generator 4. Untuk menjamin kontinyuitas ketersediaan daya listrik Maka untuk mensinkronkan dua generator atau lebih harus memperhatikan parameter persyaratan sinkronisasi generator tersebut, persyaratan yang harus dipenuhi adalah : - Tegangan kedua generator harus mempunyai amplitudo yang sama. - Tegangan kedua generator harus mempunyai frekuensi yang sama, dan - Tegangan antar generator harus sefasa. Persyaratan tersebut harus dipenuhi apabila akan mensikronkan dua atau lebih generator dan mensejajarkan sistem jaringan lebih dari dua generator pembangkit. Metoda sederhana yang digunakan untuk mensikronkan dua generator atau lebih adalah dengan mempergunakan sinkronskop lampu. Dan perlu diperhatikan saat memakai metoda sederhana ini adalah lampu-lampu indikator harus sanggup menahan dua kali tegangan antar fasa. Terdapat tiga metoda sederhana menggunakan sinkronoskop lampu yaitu : 18 īˇ Sinkronoskop Lampu Gelap Jenis sinkronoskop lampu gelap pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan U, V dengan V dan W dengan W. Untuk lebih jelasnya terdapat pada gambar berikut : Gambar 2.7. Skema sinkronoskop lampu gelap Pada hubungan ini jika tegangan antar fasa adalah sama maka ketiga lampu akan gelap yang disebabkan beda tegangan adalah nol. Demikian juga sebaliknya, jika lampu menyala maka di antara fasa terdapat beda tegangan. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar Gambar 2.8. Beda Tegangan antara fasa dan sinkronoskop lampu gelap 19 īˇ Sinkronoskop Lampu Terang Jenis sinkronoskop lampu terang pada prinsipnya menghubungkan antara ketiga fasa, yaitu U dengan V, V dengan W dan W dengan U. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 2.9. Skema Sinkronoskop lampu terang Sinkronoskop jenis ini merupakan kebalikan dari sinkronoskop lampu gelap. Jika antara fasa terdapat beda tegangan maka ketiga lampu akan menyala sama terang dan generator siap untuk disinkron. Kelemahan dari metoda sinkronoskop ini adalah kita tidak mengetahui seberapa terang lampu tersebut sampai generator siap diparalel. Hal ini dapat dijelaskan dengan gambar di bawah ini. Gambar 2.10. Beda tegangan antar fasa sinkronoskop lampu terang 20 īˇ Sinkronoskop Lampu Terang Gelap Sinkronoskop metoda ini dapat dikatakan merupakan perpaduan antara sinkronoskop lampu gelap dan sinkronoskop lampu terang. Prinsip dari sinkronoskop ini adalah dengan menghubungkan satu fasa sama dengan dua fasa yang berlainan, yaitu fasa U dengan fasa U, fasa V dengan fasa W dan fasa W dengan fasa V. Lihat gambar di bawah : Gambar 2.11. Skema sinkronoskop lampu terang gelap Pada sinkronoskop ini generator siap disinkronkan, jika satu lampu gelap dan dua lampu lainya terang. Pada kejadian ini dapat diterangkan pada gambar berikut : Gambar 2.12. Beda tegangan antara fasa sinkronoskop lampu terang gelap. 21 Namun apabila persyaratan paralel antar generator tidak terpenuhi maka : 1. Jika frekuensi tidak sama Berdasarkan rumus f = ((p x n)/120) maka terdapat hubungan kesebandingan antara f dan n, jika frekuensi tidak sama atau f1>f2, maka seolah-olah generator pertama (G1) akan menarik Generator kedua (G2). Dan G2 diperlakukan sebagai beban (motor) oleh G1. tegangan tidak sama 2. Jika Gambar 2.13. Diagram Paralel 2 Generator Diagram di atas, diketahui bahwa G1 dengan tegangan output E1 / phasa dengan tegangan G2 adalah E2 / phasa, dan Rbeban atau busbar kirchoff, bahwa E ≈ 0 Pada loop 1, E1 – E2 – I1 x Rbusbar = 0 E1 – E2 – I1 x 0 = 0 Karena G1 paralel G2 maka, E1 = E2, sehingga E1 – E1 – I1 x Rbusbar = 0 I1 = (0/Rbusbar) = 0/0 = 0 Apabila E1 ≠ E2 maka, E1 – E2 = ΔE I1 = (ΔE/Rbusbar) = ΔE/0 = ~ Maka arus I1 akan masuk ke G2. = 0 dengan hukum 22 Generator yang dikoneksikan ke busbar sistem atau generator lain harus disinkronisasi dahulu. Sinkronisasi generator yang berarti frekuensi, tegangan, urutan fasa yang harus sama. Proses umum sinkronisasi : 1. Mengatur kecepatan regulator turbin sehingga frekuensi sistem. 2. Mengatur eksitasi sehingga generator (E 0) sama dengan tegangan sistem (E). 3. Mengamati sudut fasa antara E0 dan E mealui sinkronoskop tegangan alternator, harus sama dengan tegangan sistem. Tunggu hingga Cek jarum penunjuk menyentuh 0, berarti kedua generator sudah sefasa. 4. Meng-on kan CB lalu menghubungkan ke sistem. Gambar 2.14. Synchronoscope CB/Switch Sinkron R Load S T K1 K2 U V 3ɸ W U V W 3ɸ Generator Generator 2 1 Gambar 2.15. Wiring diagram sinkronisasi generator 3 fasa 23 2.4. Peralatan Komponen Proteksi Generator 2.4.1. Reverse Power Relay Reverse Power Relay (RPR) yang berfungsi sebagai pengaman terhadap generator yang mengalami gangguan, dimana gangguan terjadi karena beban balik / reverse power pada salah satu generator yang seharusnya memberi kontribusi daya harus terdesak oleh generator lain dan menjadi motor, saat diparalel maupun disinkronkan, peran RPR adalah untuk memutuskan kinerja Circuit Breaker apabila hal tersebut terjadi, dengan demikian berarti menghindarkan generator dari kerusakan yang lebih lanjut, sehingga pada akhirnya salah satu generator yang masih bekerja normal yang akan tetap dapat menyalurkan energinya ke sisi beban. Relai daya balik berfungsi untuk mendeteksi aliran daya balik aktif yang masuk pada generator. Berubahnya aliran daya aktif pada arah generator akan membuat generator menjadi motor, dikenal sebagai peristiwa motoring. Pengaruh ini disebabkan oleh pengaruh rendahnya input daya dari prime mover. Bila daya input ini tidak dapat mengatasi rugi-rugi daya yang ada maka kekurangan daya dapat diperoleh dengan menyerap daya aktif dari jaringan yang diparalel. Selama penguatan masih ada maka aliran daya aktif generator sama halnya dengan saat generator bekerja sebagai motor, sehingga daya aktif masuk ke generator dan daya reaktif dapat masuk atau keluar dari generator. Peristiwa motoring ini dapat juga menimbulkan kerusakan lebih parah, misalkan pada turbin uap ketika aliran uap berhenti. Temperatur sudu-sudu akan naik akibat rugi gesekan turbin dengan udara. Untuk itu di dalam turbin gas dan uap dilengkapi sensor aliran dan temperatur yang dapat memberikan pesan pada relai untuk trip. Akan tetapi pada generator juga dipasang relai daya balik yang berfungsi sebagai cadangan bila pengaman di turbin gagal bekerja. RPR generator yang tanpa gangguan I akan bernilai positif, saat terjadi gangguan I akan bernilai negatif karena arah aliran daya aktif generator berubah saat gangguan terjadi. Adapun single line diagram relai daya balik adalah sebagai berikut : 24 Gambar 2.16. Single line diagram RPR Keterangan : CT : Current Transformator C : Current Sensor P : Potential Sensor VT : Voltage Transformator T : Trip Set Point TC : Triping Coil Pada gambar tersebut, apabila terjadi gangguan pada F1, maka relai akan dapat men-tripkan CB2, apabila gangguan terjadi pada F2, maka relai tidak akan mentripkan CB2 karena arah aliran arus yang terbalik dari kanan ke kiri. 2.4.2. Komponen Peralatan Pendukung Elektronika Daya 1. Komponen Pasif Komponen pasif adalah komponen elektronika yang pengoperasiannya tidak memerlukan sumber tegangan atau sumber arus tersendiri. Adapun yang termasuk komponen pasif antara lain : 25 a). Resistor Resistor adalah suatu komponen elektronika yang fungsinya untuk menghambat arus listrik. Resistor dapat dibagi menjadi dua, yaitu : 1). Resistor Tetap Resistor tetap adalah resistor yang memiliki nilai hambatan yang tetap. Resistor memiliki batas kemampuan daya misalnya : 1/16 watt, 1/8 watt, ¼ watt, ½ watt. Artinya resitor hanya dapat dioperasikan dengan daya maksimal sesuai dengan kemampuan dayanya. Simbol Resistor Tetap : Gambar 2.17. Simbol Resistor a (oneline diagram) b (bentuk fisik) Gambar 2.18. Resistor Untuk mengetahui nilai hambatan suatu resistor dapat dilihat atau dibaca dari warna yang tertera pada bagian luar badan resistor tersebut yang berupa gelang warna. 26 Tabel 2.2. Kode Warna Gelang Resistor Warna Hitam Coklat Merah Jingga Kuning Hijau Biru Ungu Abu-abu Putih Emas Perak Tidak Berwarna 1 dan 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - Gelang ke 3 x1 x 10 x 100 x 1000 x 10000 x 100000 x 1000000 x 10000000 x 100000000 x 1000000000 x 0.1 x 0.01 - 4 1% 2% 2% 5% 10 % 20 % Gambar 2.19. Kode Warna Gelang Resistor 27 Keterangan untuk 4 band/gelang : ī§ Gelang ke-1 dan ke-2 menyatakan angka dari resistor tersebut. ī§ Gelang ke-3 menyatakan faktor pengali (banyaknya nol). ī§ Gelang ke-4 menyatakan toleransi. Misalnya : Resistor dengan warna : Merah Hitam Kuning Perak Maka nilainya 2 104 0 10 % Berarti nilai resistor tersebut adalah = 200.000 Ohm atau 200 Kohm dengan toleransi sebesar 10%. Range hambatan resistor tersebut adalah : = 200.000 - 10% = 10% x 200.000 = 20.000 Ohm = 200.000 - 20.000 sampai 200.000 + 20.000 = 180.000 sampai 220.000 Ohm. 2). Resistor yang Tidak Tetap (Variabel) Resistor Variabel ialah resistor yang nilai hambatannya atau resistansinya dapat diubah-ubah. Jenisnya antara lain : hambatan geser, trimpot dan potensiometer. Yang banyak digunakan ialah trimpot dan potensiometer. a. Potensiometer Resistor yang nilai resistansinya dapat diubah-ubah dengan memutar poros yang telah tersedia. Potensiometer pada dasarnya sama dengan trimpot secara fungsional. Simbol Potensiometer : 28 Gambar 2.20. Simbol dan bentuk fisik Potensio b. Trimpot Resistor yang nilai resistansinya dapat diubah-ubah dengan cara memutar porosnya dengan menggunakan obeng. Untuk mengetahui nilai hambatan dari suatu trimpot dapat dilihat dari angka yang tercantum pada badan trimpot tersebut. Simbol Trimpot : Gambar 2.21. Simbol dan bentuk fisik trimpot Karakteristik hambatan resistor terhadap arus dan tegangan dapat digambarkan dalam grafik sebagai berikut : I (Amp) R 0 Gambar 2.22. Karakteristik Resistif 29 b). Kapasitor Kapasitor adalah suatu komponen elektronika yang dapat menyimpan dan melepaskan muatan listrik atau energi listrik. Kemampuan untuk menyimpan muatan listrik pada kapasitor disebut dengan kapasitansi atau kapasitas. Seperti halnya hambatan, kapasitor dapat dibagi menjadi : 1). Kapasitor Tetap Kapasitor tetap merupakan kapasitor yang mempunyai nilai kapasitas yang tetap. Simbol Kapasitor Tetap : Gambar 2.23. Simbol kapasitor Kapasitor dapat dibedakan dari bahan yang digunakan sebagai lapisan diantara lempeng-lempeng logam yang disebut dielektrikum. Dielektrikum tersebut dapat berupa keramik, mika, mylar, kertas, polyester ataupun film. Pada umumnya kapasitor yanng terbuat dari bahan diatas nilainya kurang dari 1 mikrofarad (1mF). Satuan kapasitor adalah Farad, dimana 1 farad = 10 3 mF = 106 mF = 109 nF =1012 pF. Untuk mengetahui besarnya nilai kapasitas atau kapasitansi pada kapasitor dapat dibaca melalui kode angka pada badan kapasitor tersebut yang terdiri dari 3 angka. Angka pertama dan kedua menunjukkan angka atau nilai, angka ketiga menunjukkan faktor pengali atau jumlah nol, dan satuan yang digunakan ialah pikofarad (pF). Contoh : Pada badan kapasitor tertulis angka 103 artinya nilai kapasitas dari kapasitor tersebut adalah 10x103 pF = 10 x 1000 pF = 10nF = 0,01 mF. Kapasitor tetap yang memiliki nilai lebih dari atau sama dengan 1mF 30 adalah kapasitor elektrolit (elco). Kapasitor ini memiliki polaritas (memiliki kutub positif dan kutub negatif) disebutkan tegangan kerjanya. Misalnya : 100mF 16 V artinya elco memiliki kapasitas 100mF dan tegangan kerjanya tidak boleh melebihi 16 volt. Simbol Elco : Gambar 2.24. Simbol kapasitor Elco Gambar 2.25. Bentuk fisik kapasitor 2). Kapasitor Tidak Tetap Kapasitor tidak tetap adalah kapasitor yang memiliki nilai kapasitansi atau kapasitas yang dapat diubah-ubah. c). Dioda Dioda merupakan suatu semikonduktor yang hanya dapat menghantar arus listrik dan tegangan pada satu arah saja. Bahan pokok untuk pembuatan dioda adalah Germanium (Ge) dan Silikon/Silsilum (Si). 31 Gambar 2.26. Karakteristik Dioda Dioda terdiri dari : 1). Dioda Kontak Titik Dioda ini dipergunakan untuk mengubah frekuensi tinggi menjadi frekuensi rendah. Contoh tipe dari dioda ini misalnya; OA 70, OA 90 dan 1N 60. Simbol Dioda Kontak Titik : Gambar 2.27. Simbol dioda 2). Dioda Hubungan Dioda ini dapat mengalirkan arus atau tegangan yang besar hanya satu arah. Dioda ini biasa digunakan untuk menyearahkan arus dan tegangan. Dioda ini memiliki tegangan maksimal dan arus maksimal, misalnya Dioda tipe 1N4001 ada 2 jenis yaitu yang berkapasitas 1A/50V dan 1A/100V. 32 Simbol dioda hubungan sama dengan simbol dioda kontak titik. 3). Dioda Zener Dioda Zener adalah dioda yang bekerja pada daerah breakdown atau pada daerah kerja reverse bias. Dioda ini banyak digunakan untuk pembatas tegangan. Tipe dari dioda zener dibedakan oleh tegangan pembatasnya. Misalnya 12 V, ini berarti dioda zener dapat membatasi tegangan yang lebih besar dari 12 V atau menjadi 12 V. Simbol Dioda Zener : Gambar 2.28. Simbol jenis dioda Gambar 2.29. Dioda IN 4818 4). Dioda Pemancar Cahaya (LED) LED adalah kepanjangan dari Light Emitting Diode (Dioda Pemancar Cahaya). Dioda ini akan mengeluarkan cahaya bila diberi tegangan sebesar 1,8 V dengan arus 1,5 mA. LED banyak digunakan sebagai lampu indikator dan peraga (display). Simbol LED : 33 Gambar 2.30. Simbol dan bentuk fisik LED 2. Komponen Aktif Komponen aktif adalah komponen elektronika yang dalam pengoperasiannya memerlukan sumber arus atau sumber tegangan tersendiri. Yang termasuk komponen aktif antara lain : a). Transistor Transistor memiliki dua jenis yaitu: Transistor Bipolar dan Transistor Unipolar. Transistor Bipolar adalah transistor yang memiliki dua persambungan kutub (seperti pada gambar 1). Transistor Unipolar adalah transistor yang hanya memiliki satu buah persambungan kutub (seperti pada gambar 2). Transistor biasa terdiri dari 3 buah kaki yang masing-masing diberi nama: emitor, basis dan kolektor. Transistor bipolar dapat diibaratkan dengan dua buah dioda yang tergambar pada gambar 2.33. Simbol Transistor : Gambar 2.31. Simbol transistor bipolar 34 Untuk mengetahui kaki-kaki transistor lebih mudah dengan melihat data sheet pada lampiran transistor yang mencantumkan kaki-kaki transistor. Gambar 2.32. Transistor 9013 jenis NPN yang di pakai dalam proyek akhir ini Aplikasi transistor tidak hanya dibatasi pada penguatan sinyal saja. Tetapi dapat juga diaplikasikan sebagai sebuah saklar (switch) pada peralatan kontrol lainnya. Saat transistor berada dalam kondisi saturasi, berarti transistor tersebut merupakan saklar tertutup dari kolektor ke emitor. Jika transistor tersumbat (cut off) berarti transistor seperti sebuah saklar yang terbuka. Rangkaian switching transistor ditunjukkan pada gambar berikut ini : Gambar 2.33. (a) Rangkaian Transistor sebagai Penyaklar (b) Penggambaran Transistor (c) Garis Beban DC Tegangan disekitar loop input memberikan : IB.RB + VBE – VBB = 0 Persamaan ......................................................... (2.7) 35 sehingga diperoleh : IB = (VBB – VBE)/ RB Persamaan ........................................................... (2.8) Gambar (b) menjelaskan karakteristik transistor sebagai saklar. Pada saat VBB / VS yang masuk melalui RB negatif, maka sambungan basis-emitor mendapat bias mundur dan mengakibatkan transistor menjadi cut off sehingga secara ideal tidak ada arus kolektor yang mengalir. Hal ini juga terjadi bila VS sama dengan nol. Jika VS positif dan lebih besar dari turn-on voltage, maka sambungan basis-emitor akan mendapat bias maju. Pada saat VS mencapai tegangan sekitar 0,5 – 0,7 V, transistor akan aktif, dan jika dinaikkan terus transistor akan mengalami kejenuhan/saturasi. Dalam kondisi ini secara ideal besarnya VCE sama dengan nol dan dalam kondisi jenuh, penambahan VS tidak akan berpengaruh lagi pada nilai VCE. Berdasarkan prinsip kerja tersebut, maka switching transistor dapat digunakan sebagai pengemudi aliran arus listrik untuk mengendalikan motor. 2.4.3. Tranformator 2.4.3.1. Definisi Transformator disingkat dengan trafo. Trafo terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan primer dan lilitan skunder. Trafo bekerja berdasarkan sistem perubahan gaya medan listrik, yang dapat digunakan untuk menaikan atau menurunkan tegangan listrik AC. Transformator sebagai alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain tanpa merubah frekuensi dari sistem, melalui suatu kumparan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnet. Penggunaan trafo dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dan dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. Dalam bidang tenaga listrik pemakaian transformator dikelompokkan menjadi : 1. Transformator daya, trafo ini digunakan untuk menaikkan tegangan pembangkit untuk disalurkan ke jaringan transmisi dan ditribusi. Biasa disebut Step Up. 2. Transformator distribusi, untuk menurunkan tegangan jaringan transmisi 36 menjadi tegangan distribusi. Disebut juga Step Down. 3. Transformator instrument, digunakan untuk pengukuran yang terdiri atas transformator arus (current transformer-CT) dan transformator tegangan (potential transformator-PT). Pada umunya transformator terdiri atas sebuah inti, yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Rasio perubahan tegangan akan tergantung dari rasio jumlah lilitan pada kedua kumparan. Kumparan terbuat dari kawat tembaga yang dibelit diseputar “kaki” inti trafo. U1 : tegangan primer U2 : tegangan sekunder I1 : arus primer I2 : arus sekunder Np : Lilitan Primer Ns : Lilitan Sekunder Gambar 2.34. Bagan Transformator Sumber : Sumanto, Teori Transformator, Yogyakarta : ANDI OFFSET,1991, p.1 Prinsip Kerja Transformator Apabila kumpuran primer dihubungkan dengan sumber, maka akan mengalir arus bolak-balik I1 pada kumparan tersebut. Oleh karena kumparan mempunyai inti, arus I1 menimbulkan fluks magnit yang juga berubah-ubah pada intinya. Akibat adanya fluks magnit yang berubah-ubah, pada kumparan primer akan timbull GGL induksi ep. Besarnya GGL induksi pada kumparan primer adalah (Sulasno, p.114115): ep = - Np Dimana : đđˇ đđĄ volt ................................................................................. (2.9) ep = GGL induksi pada kumparan primer Np = Jumlah Llilitan kumparan primer dΦ = perubahan garis-garis gaya magnit dalam satuan weber dt = perubahan waktu dalam satuan detik 37 Fluks magnit yang menginduksikan GGL induksi ep juga dialami oleh kumparan sekunder karena merupakan fluks bersama (mutual fluks). Dengan demikian fluks tersebut menginduksikan GGL induksi ep pada kumparan sekunder (Sulasno, p. 114-115); đđˇ es = - Ns đđĄ volt ................................................................................... (2.10) Dimana Ns adalah jumlah lilitan kumparan sekunder. Dari persamaan ep dan es didapatkan perbandingan lilitan berdasarkan perbaningan GGL induksi, yaitu (Sulasno, p.114-115): a = ep/es = Np/Ns ................................................................................. (2.11) a = nilai perbandingan lilitan transformer (trun ratio) Apabila, a < 1, maka transformator berfungsi untuk menaikkan tegangan (step up). a > 1, maka transformator berfungsi untuk menurunkan tegangan (step down). 2.4.3.2 Transformator Tegangan Transformator tegangan atau disebut juga dengan voltage transformer / potential transformer adalah peralatan listrik yang mengubah tegangan tinggi ke rendah dalam rangkaian arus bolak balik yang berfungsi memperoleh tegangan sebanding dengan tegangan yang hendak dipergunakan untuk pengukuran instumen peralatan pada sirkuit cabang. Perbedaan PT dengan transformator daya / tenaga membutuhkan tegangan dan daya keluarannya sedangkan pada trafo tegangan yang dibutuhkan adalah ketelitian dan penurunan tegangan yang disesuaikan dengan alat ukur. īˇ Tegangan primer dan sekunder pengenal Tegangan primer yang berasal dari potential transformer adalah tegangan pengenal yang diperoleh dari sistem dan tegangan sekunder pengenal diperoleh dari tegangan primer. Potential transformer yang dipasang outdoor secara normal 38 dihubungkan antara fasa dan tanah, untuk sistem tiga fasa, dimana nilai standar dari tegangan pengenal adalah 1 3 kali dari nilai tegangan pengenal sistem. Pemilihan dari potensial trafo / trafo tegangan untuk metering 80-120% dari tegangan pengenal dan untuk proteksi antara 0,05 s/d 1,5 atau 1,9 dari tegangan pengenal sebagai faktor tegangan. Sesuai dengan IEC, faktor tegangan PT yaitu : a). 1,9 kali tegangan pengenal untuk PT tidak diketanahkan. b). 1,5 kali tegangan pengenal untuk PT diketanahkan solid. Lamanya kenaikan tegangan ini adalah sebesar 30 detik. īˇ Kesalahan tegangan PT Jika terjadi jatuh tegangan pada PT yang tidak diperhitungkan, dan dalam hal ini tidak terjadi kesalahan pada tegangan primer, maka dapat dijelaskan perbandingan antara tegangan primer dan sekunder seperti pada gambar berikut. Gambar 2.35. Rangkaian PT Tetapi pada kenyataannya tidak mungkin terjadi, karena terdapat tegangan jatuh dalam tahanan belitan, hal ini berpengaruh pada perbandingan tegangan antara primer dan sekunder. đđ Us = đđ đĨ đđ − đĨ đ ....................................................................... (2.12) keterangan : Δ U = Tegangan Jatuh Kesalahan dalam reproduksi PT akan berdampak pada amplitude dan fasa, kesalahan pada amplitude dikatakan sebagai kesalahan tegangan atau kesalahan ratio dan kesalahan pada fasa dikatakan sebagai pergeseran fasa. 39 ΔU (NS/NP) UP US δ Gambar 2.36. Vektor Tegangan Gambar 2.37. Vektor tegangan sekunder sebagai referensi diambil 100% Terlihat pada gambar 2.36 terdapat pergeseran sudut sebesar δ dan gambar 2.37, menjelaskan dari gambar 2.36 yang dipresentasikan dalam bentuk garis dengan tegangan sekunder sebagai referensi vektor diambil dimensi 100 %, lebih dari itu pada sistem koordinat sebagai ujung dari referensi vektor dalam persen. Bila δ sangat kecil sudutnya kesalahan ε dan kesalahan fasa langsung dapat terbaca dalam persen pada sumbu axis tersebut (ε = 1% = 1 centiradians = 34,4 minutes). Kesalahan tegangan positif bila tegangan sekunder melebihi tegangan pengenalnya dan kesalahan fasa postif bila tegangan sekunder leading dari primernya, arah positif nantinya akan turun dalam axis ε dan axis δ akan ke kanan. 40 Kesalahan tegangan : R.E (%) = 100.( K n Vs –Vp ) Vp ................................................................... (2.13) Keterangan : R.E = ratio error (%) Kn = ratio nominal Vs = tegangan sekunder Vp = tegangan primer 2.4.3.3. Trafo Arus Current Transformer (CT) adalah suatu peralatan yang dapat merubah arus besar menjadi arus kecil, yang dipergunakan dalam rangkaian arus bolak-balik. Fungsi dari CT adalah untuk mendapatkan arus yangsebanding dengan arus yang hendak di ukur ( sisi sekunder 5 A atau 1A) dan untuk memisahkan sirkuit dari sistem yang hendak di ukur instument. Perbedaan CT dengan trafo tenaga yaitu trafo tenaga arusnya tergantung beban sisi sekunder, tetapi pada trafo arus seperti pada ampere meter yang disisipkan ke dalam sirkuit primer, arusnya tidak tergantung beban sisi sekunder, melainkan tergantung pada arus disisi primernya. īˇ Rangkaian CT Trafo arus (CT) terdiri dari belitan primer, belitan sekunder dan inti magnet. Jika arus primer yang masuk ke CT pada terminal P1/K dan arus yang mengalir ke sekunder pada terminal S1/K, seperti pada gambar 2.40. (lihat arah arus sekunder Is yang masuk ke ampere meter). Selanjutnya terdapat terminal kedua pada CT disisi primer yaitu P2/L terminal yang arusnya diperoleh dari P1/K dialirkan ke beban dan S2/L sisi sekunder adalah terminal yang arusnya diperoleh dari S1/K. 41 Gambar 2.38. Rangkaian equivalen CT Dalam hal ini, polaritas sisi sekunder harus disesuaikan dengan masuknya arus di terminal sisi primer (tidak boleh terbalik). Secara normal sesai dengan IEC terminal S2/1 harus ditanahkan sebagai pengamanan sekunder CT terhadap tegangan tinggi akibat kopling kapasitif, sehingga sudut antara arus primer dan sekunder = nol, kalau S1/K yang ditanahkan maka sudut arus antara 180°. Pada gambar 2.38, terlihat arus yang masuk ke sekunder (Is) diperoleh dari arus primer (Ip), yang diasumsikan arus dari primer tidak error (kesalahan). Dalam kenyataanya arus primer yang masuk ke sekunder sebagian akan masuk ke inti magnetik yang terdapat pada sisi sekunder tersebut, seperti terlihat pada gambar 2.38. Gambar 2.39. Rangkaian eqiuvalen arus sisi sekunder Ie (NS/NP) IP IS δ Gambar 2.40. Vektor dari arus CT 42 Gambar 2.41. Vektor arus sekunder sebagai referensi diambil 100% Pada gambar 2.39 terlihat arus dari sisi primer tidak semua masuk ke sisi sekunder, sebagian arus akan masuk ke rangkaian inti, sehingga terjadi pergeseran sudut δ seperti terlihat pada gambar 2.40 hal ini dikatakan sebagai kesalahan reproduksi dari CT. Kesalahan reproduksi akan terlihat dalam amplitude dan fasa, kesalahan dalam amplitudo dikatakan sebagai pergeseran fasa. Pada gambar 2.41 memperlihatkan arus sekunder Is dipilih sebagai acuan dalam 100%, sebagai poros sumbu yang dapat dibagi dalam persen. Saat sudut δ sangat kecil, maka kesalahan arus ε dan kesalahan fasa δ langsung dapat dibaca dalam persen pada axis tersebut (ε = 1% = 1 centiradians = 34,4 minute). Sesuai penjelasan di atas, bahwa kesalahan arus positif, jika arus sekunder melebihi arus pengenalnya dan kesalahan fasa negatif jika arus sekunder leading (mendahului) dari arus primer. Sebagai konsekuensi axis ε akan turun dan axis δ akan kekanan. 2.4.4. Relai Relai adalah saklar (switch) elektrik yang bekerja berdasarkan medan magnet. Relai terdiri dari suatu lilitan dan switch mekanik. Switch mekanik akan bergerak jika ada arus listrik yang mengalir melalui lilitan. Susunan kontak pada relay adalah: - Normally Open : Relai akan menutup bila dialiri arus listrik. - Normally Close : Relai akan membuka bila dialiri arus listrik. 43 - Changeover : Relai ini memiliki kontak tengah yang akan melepaskan diri dan membuat kontak lainnya berhubungan Gambar 2.42. Diagram rangkaian relai Gambar 2.43. Relai SPDT 12VDC 2.4.5. Kontaktor Kontaktor adalah jenis switch yang bekerja secara magnetik yaitu kontak bekerja apabila kumparan diberi energi. The National Manufacture Assosiation (NEMA) mendefinisikan kontaktor magnetis sebagai alat yang digerakan secara magnetis untuk menyambung dan membuka rangkaian daya listrik. Tidak seperti relai, kontaktor dirancang untuk menyambung dan membuka rangkaian daya listrik tanpa merusak. Beban-beban tersebut meliputi lampu, pemanas, transformator, kapasitor, dan motor listrik. 44 Gambar 2.44. Bentuk fisik dan main kontak Kontaktor Sebuah kontaktor terdiri dari koil, beberapa kontak Normally Open (NO) dan beberapa Normally Close (NC). Pada saat satu kontaktor normal, NO akan membuka dan pada saat kontaktor bekerja, NO akan menutup. Sedangkan kontak NC sebaliknya yaitu ketika dalam keadaan normal kontak NC akan menutup dan dalam keadaan bekerja kontak NC akan membuka. Koil adalah lilitan yang apabila diberi tegangan akan terjadi magnetisasi dan menarik kontak-kontaknya sehingga terjadi perubahan atau bekerja. Kontaktor yang dioperasikan secara elektromagnetis adalah salah satu mekanisme yang paling bermanfaat yang pernah dirancang untuk penutupan dan pembukaan rangkaian listrik. Kontaktor termasuk jenis saklar motor yang digerakkan oleh magnet seperti yang telah dijelaskan di atas. Bila pada jepitan a dan b kumparan magnet diberi tegangan, maka magnet akan menarik jangkar sehingga kontak-kontak bergerak yang berhubungan dengan jangkar tersebut ikut tertarik. Tegangan yang harus dipasangkan dapat tegangan bolak balik (AC) maupun tegangan searah (DC), tergantung dari bagaimana magnet tersebut dirancangkan. Untuk beberapa keperluan digunakan juga kumparan arus (bukan tegangan), akan tetapi dari segi produksi lebih disukai kumparan tegangan karena besarnya tegangan umumnya sudah dinormalisasi dan tidak tergantung dari keperluan alat pemakai. 45 2.4.6. Sensor Tegangan dan Arus 1). Sensor Tegangan Variabel tegangan mempunyai satuan volt yang merupakan satuan standar kelistrikan. Pendeteksi tegangan sangat penting dalam instrumentasi pengukuran, hampir semua sensor mengeluarkan keluaran dalam bentuk tegangan. Saat ini sudah banyak kita temuka voltmeter yang biasa digunakan bersamaan amperemeter dan ohmmeter. Sampai saat ini pengukuran tegangan, arus, dan resistansi sudah memakai alat ukur portable. Metode pengukuran tegangan terdapat 2 metode yaitu, metode elektronik dan metode mekanik. Metode mekanik adalah metode yang biasa digunakan pada voltmeter analog dimana besarnya beda potensialnya dapat menggerakkan kumparan dan membuat jarum meter menyimpang hingga saat dikalibrasi dapat menunjukkan besarnya tegangan yang terukur. Sedangkan metode elektronik atau disebut juga digital memanfaatkan komponen analog to digital converter atau ADC yang besarnya perbedaan potensial dapat ditampilkan menggunakan display seperti LED seven segment, juga LCD. Gambar 2..45. Analogi Rangkaian Sensor Tegangan 2). Sensor Arus Sensor arus adalah peralatan yang digunakan untuk merubah suatu bentuk besaran fisik menjadi suatu bentuk besaran listrik sehingga dapat dianalisa menggunakan rangkaian listrik tertentu. Dalam suatu rangkaian elektronik terdapat tegangan, arus dan 46 hambatan yang saling berhubungan. Amperemeter adalah alat untuk mengukur arus yang mengalir pada suatau rangkaian, arus listrik yang mengalir pada suatu konduktor menimbulkan medan magnit. Oleh sebab itu arus listrik dapat diukur dengan besarnya medan magnet. Medan magnet dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain : 1) Besar arus listrik 2) Jarak medan magnet terhadap suatu titik pengukuran 3) Arah medan magnet yang terbentuk Medan magnet adalah suatu medan yang dibentuk dengan menggerakkan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan munculnya gaya saat muatan listrik bergerak. Putaran mekanika kuantum dari satu partikel membentuk medan magnet dan putaran hal itu dipengaruhi oleh putaran itu sendiri seperti arus listrik loop. Sebuah medan magnet adalah medan vektor, yaitu berhubungan dengan setiap titik ruang vektor yang dapat berubah menurut waktu. Arah dari medan ini seimbang dengan arah jarum kompas yang terletak didalam medan tersebut. Secara konvensional kuat arus dapat diukur dengan menghubungkan alat secara seri pada rangkaian. Cara ini memiliki kelemahan karena dapat menganggu aliran arus yang akan diukur. Kemajuan teknologi digital mampu meningkatkan kemampuan alat ukur. Sensor arus adalah sebatang kawat teraliri arus listrik menuju beban dilewatkan diantara cincin toroid dan sejumlah kawat email yang digulung pada cincin toroid tersebut, maka kumparan kawat pada cincin tersebut akan menginduksikan arus listrik dari sebatang kawat arus tersebut. Dengan mengolah sinyal induksi pada kawat kumparan toroid tersebut maka akan diperoleh nilai arus yang dilewatkan untuk mensuplay beban pada ujung kawat arus. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang sinusoidal. Jenis penguat yang digunakan pada pengolah sinyal arus diatas merupakan penguat non inverting, pada bagian belakang diberikan sebuah dioda terpasang sebagai callper yang memotong sinyal dibawah sumbu nol dan kapasitor berfungsi sebagai pemurni tegangan DC. 47 Gambar 2.46. Analogi Rangkaian Sensor Arus 2.4.7. Penguat Operasional Penguat operasional (Op-Amp) merupakan kumpulan puluhan transistor dan resistor dalam bentuk satu chip IC. Op-Amp merupakan komponen aktif linear yang merupakan penguat kopel langsung (direct coupling), dengan penguatan terbuka (open gain) yang sangat besar dan dapat dipakai untuk menjumlahkan, mengalikan, membagi, mendiferensialkan, serta mengintegralkan tegangan listrik. IC Op-Amp sering dipakai untuk perhitungan-perhitungan analog, instrumentasi, maupun berbagai macam aplikasi kontrol. IC LM324 didesain secara sempurna dalam hal pengunaan 4 buah Op-Amp secara bersamaan dalam satu chip. IC Op-Amp LM324 memiliki suhu operasional di udara bebas 0-7°C, kemampuan penggunaan saluran input yang berkorelasi dengan saluran pentanahan, dapat dicatu menggunakan mode catu daya tunggal maupun catu daya ganda. Vcc untuk LM 324 mulai ±5V – 32 V. Masukan Pembalik V2 Vi V1 Masukan Non Pembalik Vo + Gambar 2.47. Simbol Op-Amp 48 Gambar 2.48. Struktur pin LM324 1). Inverting Inverting amplifier ini, input dengan output-nya berlawanan polaritas. Jadi ada tanda minus pada rumus penguatannya. Penguatan inverting amplifier adalah bisa lebih kecil nilai besaran dari 1, misalnya -0.2 , -0.5 , -0.7 , dst dan selalu negatif. Rumus nya : Vo īŊ Rf Vi ...................................................................................... (2.14) Ri Rf Vi Ri Vo Gambar 2.49. Rangkaian inverting Amplifier 2). Non-Inverting Rangkaian no- inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan input-nya dari masukan non-inverting. Rumusnya seperti berikut : Rf īĢ Ri Vi .................................................................................. (2.15) Vo īŊī Ri 49 sehingga persamaan menjadi Rf īĢ 1)Vi ................................................................................ (2.16) Ri Hasil tegangan output noninverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif. Vo īŊ ( Rangkaiannya adalah seperti pada gambar berikut ini : Rf Vo Ri Vi Gambar 2.50. Rangkaian Non-Inverting Amplifier 3). Buffer Rangkaian buffer adalah rangkaian yang input-nya sama dengan hasil output-nya. Dalam hal ini seperti rangkaian common collector yaitu berpenguatan = 1. Rangkaiannya seperti pada gambar berikut ini : R Vo Vi Gambar 2.51. Rangkaian Buffer Nilai R yang terpasang gunanya untuk membatasi arus yang di keluarkan. Besar nilainya tergantung dari indikasi dari komponennya, biasanya tidak dipasang akan tetapi arus dimaksimalkan sesuai dengan kemampuan op-amp-nya. 4). Comparator Rangkaian comparator (pembanding) ini ada 3 macam yaitu : a. Rangkaian pembanding 1 op-amp tanpa jendela input b. Rangkaian pembanding 1 op-amp dengan jendela input c. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output luar 50 d. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output dalam Rangkaian pembanding dengan 1 op-amp tanpa jendela input, artinya rangkaian komparator/pembanding yang langsung dibandingkan. Seperti pada gambar berikut ini adalah komparator biasa dan hasilnya langsung dibandingkan dengan referensinya. Rangkaian komparator dengan jendela input rangkaiannya hampir sama dengan rangkaian noninverting hanya saja parameternya terbalik. Seperti pada gambar berikut ini dan contoh hasil dari input dan output-nya dan perhitungannya. +Vsat 0 -Vsat Vo Gambar 2.52. Rangkaian komparator /pembanding dengan referensi 0 volt Gambar 2.53. Rangkaian komparator dengan jendela Perhitungan menentukan jendela Volt reference Up (Vru) dan Volt reference low (Vrl) adalah sebagai berikut : ī R1 Vru īŊ ī¨īĢ Vsat īŠī īŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽ......................................................................................... (2.17)ī ī R1 īĢ R2 51 ī R1 Vrl īŊ ī¨ī Vsat īŠī īŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽīŽ......................................................................................... R1 īĢ R2 ī (2.18) Sedangkan untuk komparator dengan 2 op-amp ada 3 macam variasi seperti gambar berikut: Gambar 2.54. Rangkaian komparator 2 op-amp dengan input campuran Gambar 2.55. Rangkaian komparator 2 op-amp dengan input positif 52 īˇ Gambar 2.56. Rangkaian komparator 2 op-amp dengan input negatif 2.4.8. Regulator Tegangan Sebuah sistem elektronik tidak akan bisa beroperasi tanpa sumber catu daya (Power Supply). Sumber tegangan tersebut dapat berupa sumber tegangan Alternate Current (AC) atau Direct Current (DC) dimana besar kecilnya daya output harus stabil dan harus disesuaikan dengan kebutuhan. Misalnya IC TTL membutuhkan tegangan DC stabil 5Volt, IC CMOS membutuhkan tegangan DC stabil 12 Volt dan sebagainya. Salah satu metode agar dapat menghasilkan tegangan output DC stabil adalah dengan menggunakan IC 78XX untuk tegangan positif dan IC 79XX untuk tegangan negatif dalam system Regulator Tegangan. 1. IC 7805 untuk menstabilakan tegangan DC +5 Volt 2. IC 7809 untuk menstabilakan tegangan DC +9 Volt 3. IC 7812 untuk menstabilakan tegangan DC +12 Volt 4. IC 7824 untuk menstabilakan tegangan DC +24 Volt 53 5. IC 7905 untuk menstabilakan tegangan DC -5 Volt 6. IC 7909 untuk menstabilakan tegangan DC -9 Volt 7. IC 7912 untuk menstabilakan tegangan DC -12 Volt 8. IC 7924 untuk menstabilakan tegangan DC -24 Volt Berikut adalah skema elektronik Regulator Tegangan menggunakan IC 78XX dan IC 79XX dimana “XX” adalah tegangan stabil DC output. Gambar 2.57. Bentuk fisik IC Regulator Regulator adalah rangkaian regulasi atau pengatur tegangan keluaran dari sebuah catu daya agar efek dari naik atau turunnya tegangan jala-jala tidak mempengaruhi tegangan catu daya sehingga menjadi stabil. Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple -nya kecil, tetapi ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan DC keluarannya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil. Ada beberapa alasan yang mungkin diperlukannya sebuah regulator : 1. Fluktuasi tegangan jala-jala 2. Perubahan tegangan akibat beban (load) 3. Perlu pembatasan arus dan tegangan untuk keperluan tertentu 54 Gambar 2.58. Skema penerapan rangkaian IC regulator tegangan IC regulator tersebut akan bekerja sebagai regulator tegangan DC yang stabil jika tegangan input di atas atau sama dengan MIV (Minimum Input Voltage), sedangkan arus maksimum beban output yang diperbolehkan harus kurang dari atau sama dengan MC (Maximum Current) sesuai karakteristik masing-masing. 2.4.9. Konsep Penyearah Tegangan DC Konsep dasar penyearah gelombang dimana penyearah gelombang dalam suatu power supply atau catu daya. Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari power supply/catu daya yang berfungsi untuk mengubah sinyal tegangan AC (Alternating Current) menjadi tegangan DC (Direct Current). Komponen utama dalam penyearah gelombang adalah dioda yang dikonfiguarsikan secara forward bias. Dalam sebuah power supply tegangan rendah, sebelum tegangan AC tersebut di ubah menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu di turunkan menggunakan transformator step down. Terdapat 3 bagian utama dalam penyearah gelombang pada suatu power supply yaitu, transformer, penyearah gelombang / rectifier (diode) dan filter (kapasitor) yang digambarkan dalam blok diagram berikut. 55 Gambar 2.59. Diagram blok penyearah tegangan DC Pada dasarnya konsep penyearah gelombang dibagi dalam 2 jenis yaitu, Penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. - Penyearah Setengah Gelombang (Half Wave rectifier) Gambar 2.60. Penyearah setengah gelombang Penyearah setengah gelombang (half wave rectifer) hanya menggunakan 1 buah dioda sebagai komponen utama dalam menyearahkan gelombang AC. Prinsip kerja dari penyearah setengah gelombang ini adalah mengambil sisi sinyal positif dari gelombang AC dari transformator. Pada saat transformator memberikan output sisi positif dari gelombang AC maka diode dalam keadaan forward bias sehingga sisi positif dari gelombang AC tersebut dilewatkan dan pada saat transformator memberikan sinyal sisi negatif gelombang AC maka dioda dalam posisi reverse bias, sehingga sinyal sisi negatif tegangan AC tersebut ditahan atau tidak dilewatkan seperti terlihat pada gambar sinyal output penyearah setengah gelombang berikut. 56 Gambar 2.61. Gelombang penyearah setengah gelombang Formulasi yang digunakan pada penyearah setengah gelombang sebagai berikut. V avg = - đđ .................................................................................... (2.19) đđ Penyearah Gelombang Penuh Penyearah gelombang penuh (Full wave Rectifier) dapat dibuat dengan 2 macam yaitu, menggunakan 4 dioda dan 2 dioda. Untuk membuat penyearah gelombang penuh dengan 4 dioda menggunakan transformator non-CT seperti terlihat pada gambar berikut : Gambar 2.62. Penyearah Gelombang penuh metoda Jembatan 57 Prinsip kerja dari penyearah gelombang penuh dengan 4 diode diatas dimulai pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga level tegangan sisi puncak positif tersebut akan di leawatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat output transformator memberikan level tegangan sisi puncak negatif maka D2, D4 pada posisi forward bias dan D1, D2 pada posisi reverse bias sehingan level tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D4. Untuk lebih dapat dilihat pada grafik output berikut. jelasnya Gambar 2.63. Gelombang keluaran penyearah gelombang penuh Penyearah gelombang dengan 2 dioda menggunakan tranformator dengan CT (Center Tap). Formulasi rumus terdapat dalam persamaan 2.20. Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 2.64. Penyearah gelombang penuh dengan 2 Dioda dan Trafo Center Tap 58 Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh dengan 2 dioda ini dapat bekerja karena menggunakan transformator dengan CT. Transformator dengan CT seperti pada gambar diatas dapat memberikan output tegangan AC pada kedua terminal output sekunder terhadap terminal CT dengan level tegangan yang berbeda fasa 180°. Pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak positif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak pada kondisi ini D1 pada posisi forward dan D2 pada posisi reverse. negatif, Sehingga sisi puncak positif dilewatkan melalui D1. Kemudian pada saat terminal output transformator pada D1 memberikan sinyal puncak negatif maka terminal output pada D2 memberikan sinyal puncak positif, pada kondisi ini D1 posisi reverse dan D2 pada posisi forward. Sehingga sinyal puncak positif dilewatkan melalui D2. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar output penyearah gelombang penuh dan pada persamaan 2.20 berikut : . Gambar 2.65. Gelombang keluaran penyearah gelombang penuh dengan 2 Dioda Formulasi pada penyearah gelombang penuh sebagai berikut : Vavg = 2đđ ................................................................................... (2.20) đ Penyearah yang dilengkapi dengan filter kapasitor, agar tegangan penyearahan gelombang AC lebih rata dan menjadi tegangan DC maka dipasang filter kapasitor pada bagian output rangkaian penyearah seperti terlihat pada gambar berikut. 59 Gambar 2.66. Penyearah dengan menggunakan filter kapasitor dan gelombang keluarannya Fungsi kapasitor pada rangkaian diatas untuk menekan riple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC. Setelah dipasang filter kapasitor maka output dari rangkaian penyearah gelombang penuh ini akan menjadi tegangan DC (Direct Current) yang dapat diformulasikan sebagai berikut : V dc = 2đđđđĨ đ ............................................................................... (2.21) Kemudian untuk nilai ripple tegangan dapat dirumuskan sebagai berikut : VRipple = đŧđŋđđđ ............................................................................ (2.22) đđļ 2.5. Penggunaan program proteus Proteus adalah sebuah software untuk mendesain PCB yang juga dilengkapi dengan simulasi pada level skematik sebelum rangkaian skematik di-upgrade ke PCB sehingga sebelum PCBnya di cetak kita akan tahu apakah PCB yang akan kita cetak sudah benar atau tidak. Proteus mengkombinasikan program ISIS untuk membuat skematik desain rangkaian dengan program ARES untuk membuat layout PCB dari skematik yang kita buat. Pengalaman saya menggunakan Proteus ini, 60 software ini bagus digunakan untuk desain rangkaian mikrokontroller dan elektronis. Proteus juga bagus untuk belajar elektronika seperti dasar-dasar elektronika sampai pada aplikasi mikrokontroller. Software ini jika di install menyediakan banyak contoh aplikasi desain yang disertakan dalam library sehingga kita bisa belajar dari contoh-contoh yang sudah ada. Pengenalan PROTEUS. Fitur-fitur dari PROTEUS adalah sebagai berikut : 1. Memiliki kemampuan untuk mensimulasikan hasil rancangan baik digital maupun analog maupun gabungan keduanya, mendukung simulasi yang menarik dan simulasi secara grafis, 2. Mendukung simulasi berbagai jenis microcontroller seperti PIC, 8051 series. 3. Memiliki model-model peripheral yang interactive seperti LED, tampilan LCD, RS232, dan berbagai jenis library lainnya, 4. Mendukung instrument-instrument virtual seperti voltmeter, ammeter, osciloscope, logic analyser, dll, 5. Memiliki kemampuan menampilkan berbagi jenis analisis secara grafis seperti transient, frekuensi, noise, distorsi, AC dan DC, dll. 6. Mendukung berbagai jenis komponen-komponen analog, 7. Mendukung open architecture sehingga kita bisa memasukkan program seperti C++ untuk keperluan simulasi, 8. Mendukung pembuatan PCB yang di-update secara langsung dari program ISIS ke program pembuat PCB-ARES. Pengenalan ISIS. ISIS dipergunakan untuk keperluan pendidikan dan perancangan. Beberapa fitur umum dari ISIS adalah sebagai berikut : 1. Windows dapat dioperasikan pada Windows 98/Me/2k/XP dan Windows terbaru. 61 2. Routing secara otomatis dan memiliki fasilitas penempatan dan penghapusan dot. 3. Sangat powerful untuk pemilihan komponen dan pemberian properties-nya. 4. Mendukung untuk perancangan berbagai jenis bus dan komponen-komponen pin, port modul dan jalur. 5. Memiliki fasilitas report terhadap kesalahan-kesalahan perancangan dan simulasi elektrik. 6. Mendukung fasilitas interkoneksi dengan program pembuat PCB-ARES. 7. Memiliki fasilitas untuk menambahkan package dari komponen yang belum didukung. Pengenalan ARES. ARES (Advanced Routing and Editing Software) digunakan untuk membuat modul layout PCB. Adapun fitur-fitur dari ARES adalah sebagai berikut : 1. Memiliki database dengan tingkat keakuratan 32-bit dan memberikan resolusi sampai 10 nm, resolusi angular 0,1 derajat dan ukuran maksimum board sampai kurang lebih 10 m. ARES mendukung sampai 16 layer. 2. Terintegrasi dengan program pembuat skematik ISIS, dengan kemampuan untuk menentukan informasi routing pada skematik. 3. Visualisasi board 3-Dimensi. 4. Penggambaran 2-Dimensi dengan simbol yang terdapat dalam library.
