PENGENDALIAN BEBAN GENERATOR PLTMH BERBASIS …repo.polinpdg.ac.id/588/1/ASCNITech_2016_REKAYASA_-_Anton... · Sensorini memiliki presisi, low-offset, dan rangkaian sensor linier

PENGENDALIAN BEBAN GENERATOR PLTMH BERBASIS

MIKROKONTROLLER

Anton 1)

, Yuliarman 2)

, Tuti Angraini 1)

1)

Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang, Padang

Kampus Limau Manis – Padang 2)

Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang, Padang

Kampus Limau Manis – Padang

email : [email protected]

Abstrak

Pengendalian Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMh) pada umumnya menggunakan

perangkat Electronic Load Controller (ELC), yang memiliki beberapa kekurangan, antara lain

kestabilan yang masih kurang dan harus dilakukan pemantauan secara berkala. Dengan adanya

kelemahan tersebut pada penelitian ini dibuatlah alat pengendali beban generator menggunakan

Mikrokontroller. Penelitian ini menggunakan beban complement yang dibutuhkan pada generator

pembangkit listrik agar perubahan dari beban konsumen tidak mempengaruhi tegangan, dengan

mempertahankan nilai arus set point yang telah didapatkan sebelumnya. Hasil Penelitian menunjukan

pemakaian sensor Arus, dapat mendeteksi perubahan arus untuk mengalihkan ke beban komplemen,

sehingga dapat mempertahankan tegangan stabil 220,2 Volt sampai 220,4 volt.

Kata kunci

Beban generator, Tegangan, Mirokontroller dan Sensor Arus.

1. Pendahuluan

Menurut data Statistik PT. PLN Kapasitas pembangkit yang ada di Indonesia sebesar 32.000 MW,

dari kapasitas tersebut hanya 10,68 % yang berasal dari sumber energy air [1]. selebihnya adalah pembangkit

yang membutuhkan energi melalui proses menggunakan bahan bakar. Akibat adanya prosess pembakaran

dari bahan bakar yang digunakan, untuk menggerakkan mesin penggerak mula akan berdampak pada

pencemaran lingkungan menghasilkan emisi Carbon Dioksida (CO2) [2]. Agar pencemaran dapat dikurangai

sebaiknya memanfaatkan pembangkit dari energi ramah lingkungan (menggunakan air).Pusat Listrik Tenaga

Mikro hidro (PLTMh), merupakan pusat listrik yang memanfaatkan aliran air guna menghasilka tenaga

listrik.

Kenstabilan aliran listrik yang dihasilkan oleh generator, perlu dilakukan dengan menggunakan

system pengontrolan. penggunaan beban pada generator Mikrohidro tidak saja dapat memenuhi kebutuhan

listrik untuk penerangan, namun dapat digunakan untuk menunjang kegiatan produktif skala kecil seperti

pengolahan hasil pascapanen dan industri kerajinan rakyat [3].

PLTMh merupakan pembangkit ramah lingkungan dan mampu menjadi pemicu pertumbuhan

ekonomi pedesaan, karena merupakan sinergi dari menjaga lingkungan, melestarikan hutan dan daerah

tangkapan air (catchment area), sehingga sepantasnya potensi mikro hidro ini dimanfaatkan seoptimal

mungkin dengan mempertimbangkan beberapa aspek, antara lain aspekteknis, lingkungan, ekonomi dan

sosial guna mewujudkan pemerataan energi listrik didesa tertinggal dan terpencil [4].

2. Tinjauan Pustaka

2.1 Perubahan beban PLTMh

Beban listrik pada PLTMh seringkali mengalami perubahan, akibat perubahan tersebut berakibat

kenaikan putaran generator, frekuensi naik dan tegangan menjadi besar. Perubahan tersebut terjadi akibat

faktor ketersediaan air, pemakaian beban tidak sesuai dengan kemampuan PLTMh atau jenis beban yang

digunakan, salah satu besaran yang listrik yang dapat berubah apabila beban yang dipakai tidak sesuai

42

National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x

dengan kapasiras pembangkit, dengan kata lain daya terpakai lebih kecil dari kapasitas PLTMh yang ada,

akibatnya tegangan menjadi naik [5].

Perubahan tegangan pada peralatan listrik dapat memungkinkan usia peralatan menjadi lebih singkat, agar

kondisi gangguan perubahan tegangan dapat diatasi solusi yang bisa dilakukan yaitu memanfaatkan

Programmable Logic Control (PLC), dengan metode algoritma Proportional Integral Derivative PID sebagai

pengontrol [6].

2.2 Generator

Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-

balik. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga seabagai alternator, generator AC (alternating current),

atau generator sinkron. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah

putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutub-

kutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak

dapat dijalankan sendiri karena kutub-kutub rotor tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar

pada waktu sakelar terhubung dengan jala-jala. Konstruksi generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua

bagian utama, yaitu: (1) stator, yakni bagian diam yang mengeluarkan tegangan bolak balik, dan (2) rotor,

yakni bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator. Stator terdiri dari

badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal

dan name plate pada generator. Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan

terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan

tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor

silinder). Konstruksi dari generator sinkron ini dapat dilihat pada Gambar 1 [7].

Gambar 1. Konstruksi Generator AC

2.2.1 Segitiga Daya Segitiga daya adalah sketsa daya kompleks, daya reaktif, dan daya aktif. Gambar 2 adalah sketsa

dari segitiga daya yang bersifat induktif dengan sudut antara daya kompleks dan daya aktif adalah θ, untuk

sketsa dari segitiga daya yang bersifat kapasitif dengan sudut antara daya kompleks dan daya aktif adalah θ

adalah seperti dibawah ini [8]

Gambar 2a. Segitiga Daya yang Bersifat Induktif. Gambar 2b. Segitiga daya yang bersifat reaktif.

2.2.2 Jumlah Kutub

Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl yang

dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan: [7]

.......................................................... (1) 43


dimana :

f = frekuensi tegangan (Hz)

p = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan rotor (rpm)

2.2.3 Generator tanpa Beban Jika poros generator diputar dengan kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan If, maka

tegangan E0 akan terinduksi pada kumparan jangkar stator sebesar:

......................................................................(2)

Dimana:

c = Konstanta mesin

n = Putaran sinkron

Φ = fluks yang dihasilkan oleh If

Generator arus bolak-balik yang dioperasikan tanpa beban, arus jangkarnya kan nol (Ia = 0)

sehingga tegangan terminal Vt = Va = Vo. Karena besar ggl induksi merupakan fungsi dari flux magnet, maka

ggl induksi dapat dirumuskan:

..............................................................(3)

Berarti pengaturan arus medan sampai kondisi tertentu akan mengakibatkan ggl induksi tanpa beban

dalam keadaan saturasi.

2.2.4 Generator Berbeban Tiga macam sifat beban jika dihubungkan dengan generator, yaitu: beban resistif, beban induktif,

dan beban kapasitif. Akibat pembeban ini akan berpengaruh terhadap tegangan beban dan faktor dayanya.

Gambar 4 menunjukkan jika beban generator bersifat resistif mengakibatkan penurunan tegangan relatif kecil

dengan faktor daya sama dengan satu. Jika beban generator bersifat induktif terjadi penurunan tegangan yang

cukup besar dengan faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya, Jika beban generator bersifat kapasitif

akan terjadi kenaikan tegangan yang cukup besar dengan faktor daya mendahului (leading).

Gambar 3. Karakteristik Berbeban

Hubungan antara tegangan tanpa beban (Eo) dengan tegangan berbeban (V) disebut regulasi tegangan, yang

dinyatakan sebagai berikut:[3]

................................(4)

2.3 Sensor Arus

Sensor arus digunakan IC ACS712x20A yang dapat membaca nilai arus hingga 20 Ampere. Output

dari sensor arus ACS712x20A ini berupa tegangan yang proporsional dengan nilai arus input yang dibaca,

dengan sensitivitas 100 mV/A.

Sensor arus ini adalah salah satu produkdari allegro untuk solusi ekonomis dan presisi dalam

pengukuran arus AC maupun DC. Sensorini memiliki presisi, low-offset, dan rangkaian sensor linier hall

dengan konduksi tembaga yang ditempatkan dengan permukaan dari aliran arus yang disensor. Ketika arus

mengalir pada permukaan konduktor maka akan menghasilkan medan magnet yang dirasakan oleh IC hall

effect yang terintegrasi kemudian oleh piranti tersebut dapat diubah ketegangan. Sensor ini memungkinkan

untuk tidak menggunakan optoisolator karena antara terminal input arus dengan outputnya sudah terisolasi

secara kelistrikannya. Hal ini karena yang dirasakan atau yang disensor adalah efek hall dari arus input yang

disensor.[9]

44


Gambar 4. Pin-out IC ACS712.

Tabel 1. Penjelasan Fungsi Tiap Kaki pada IC ACS712

Nomor Nama Deskripsi

1 dan 2 IP+ Terminal arus yang disampelkan: fuse internal

3 dan 4 IP- Terminal arus yang disampelkan: fuse internal

5 GND Terminal ground

6 FILTER Terminal untuk kapasitor eksternal yang mengatur bandwith

7 VOUT Sinyal output analog

8 VCC Terminal suplai tegangan IC

Gambar 5. Karakteristik Output sensor arus ACS712 20A.

2.4 Arduino Uno

Arduino didefenisikan sebagai sebuah platform elektronik yang open source, berbasis pada

software dan hardware yang flexibel dan mudah digunakan, yang ditujukan untuk para seniman, desainer,

hobbies, dan setiap orang yang tertarik dalam membuat objek atau lingkungan yang interaktif.

Namun arduino tidak hanya dipakai untuk menamai board rangkaiannya saja, tetapi juga untuk menamai

bahasa dan software pemrogramannya,serta lingkungan pemrogramannya atau IDE-nya (Integrated

Development Environment).

2.4.1 Perangkat Keras (Hardware) Arduino Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328 yang merupakan produk dari

Atmel, seperti yang terlihat pada gambar 6. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat

digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala

ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller, tabel dibawah ini memperlihatkan

spesifikasi Arduino Uno.

45


Tabel 2. Spesifikasi Arduino Uno

Spesifikasi Keterangan

Input Voltage (Recomended) 7 - 12 Volt

Operating Voltage 5 Volt

Input Voltage (Limit) 6 – 20 Volt

Digital I / O Pin 14 (6 mendukung output PWM)

Analog Input Pin 6

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3 V Pin 50 mA

Flas Memory 32KB, 0,5 KB pada Bootloader

SRAM 2 KB

EEPROM 1KB

Clock Speed 16 MHz

2.4.2 Perangkat Lunak (Software) Arduino Arduino board merupakan perangkat yang berbasiskan mikrokontroler. Perangkat lunak merupakan

komponen yang membuat sebuah mikrokontroller dapat bekerja. Arduino board akan bekerja sesuai dengan

perintah yang ada dalam perangkat lunak yang ditanamkan padanya. Bahasa Pemrograman Arduino adalah

bahasa pemrograman utama yang digunakan untuk membuat program untuk arduino board. Bahasa

pemrograman arduino menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya. IDE (Integrated Development

Environment) adalah program khusus berjalan pada komputer anda yang memungkinkan anda untuk menulis

sketsa untuk papan arduino dalam bahasa yang sederhana model setelah pengolahan bahasa

3. Metode Penelitian

Metode yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari:

3.1 Perancangan Sistem Perancangan dan pembuatan sistem pengendalian beban generator dengan pengontrol

Mikrokontroler bertujuan untuk memberikan gambaran terhadap rancangan mekanik, rancangan elektronik,

rancangan software, blok diagram sistem, serta flow chart sistem kerja alat pengontrol beban generator dari

awal hingga akhir yang pada akhirnya sudah dapat digunakan untuk mengendalikan beban generator

dengan baik. Sistem pengendalian beban generator otomatis ini menggunakan Arduino Uno. Sistem

pengontrolan beban generator ini akan mengalihkan beban yang tidak terpakai atau beban berlebih ke beban

komplemen.

Agar dapat merancang suatu sistem dengan lebih baik, terlebih dahulu merancang blok diagram

sistem yang akan dibuat. Blok diagram sistem yang akan dibuat diperlihatkan pada gambar 7.

Gambar 6. Blok Diagram Sistem Pengendali Beban Generator

46


3.1.1 Perancangan Hardware

Perancangan hardware meliputi:

a. Perancangan Rangkaian Wiring Beban Komplemen

Beban komplemen digunakan sebagai beban pengalihan daya atau kelebihan daya dari perubahan yang

terjadi pada beban yang sebenarnya dengan tujuan agar menjaga tegangan output dari generator tetap

konstan sehingga tegangan listrik yang masuk pada beban konsumen stabil 220 VAC. Beban komplemen

yang digunakan disini adalah berupa lampu pijar, dimana saat tegangan generator naik, maka beban

komplemen ini akan aktif, sehingga kelebihan daya yang dihasilkan oleh generator tadi akan stabil kembali.

Pengaktifan beban komplemen menggunakan relay yang terkendali oleh pin-pin yang ada pada

Mikrokontroler. Beban komplemen yang dipakai berupa lampu pijar 100W dan 25W. Agar beban

komplemen memiliki variasi yang cukup banyak, berdaya tinggi, dan hanya memerlukan sedikit relay dan

port, maka dirancang sebuah strategi dimana beban pada relay pertama adalah lampu pijar 25W, relay kedua

adalah lampu pijar 25W, relay ketiga adalah lampu pijar 100W, relay keempat adalah lampu pijar 100W dan

relay kelima adalah lampu pijar 100W

3.1.2 Perancangan Software Perancangan system kontrol menggunakan mikrokontroler, tentunya tidak dapat berjalan sendiri

tanpa terlebih dahulu diprogram. Pada system yang akan dibuat akan diprogram dengan menggunakan

mikrokontroler Arduino Uno.4. Hasil dan Pembahasan

Bagian Hasil dan Pembahasan merupakan bagian yang memuat semua temuan ilmiah yang diperoleh sebagai

data hasil penelitian. Bagian ini diharapkan memberikan penjelasan ilmiah yang secara logis dapat

menerangkan alasan diperolehnya hasil-hasil tersebut yang dideskripsikan secara jelas, lengkap, terinci,

terpadu, sistematis, serta berkesinambungan. Adapun bagian dari perancangan software adalah:

a. Flowchart Digunakan untuk menggambarkan alogaritma pemograman atau proses kerja suatu sistem sehingga

dapat dimengerti oleh orang lain. Flowchart sistem kerja program (alogaritma pemograman) dari

sistem pengendalian beban generator otomatis ditampilkan pada gambar di bawah ini.

47


START

Inisialisasi pembacaan data

ADC arduino,tegangan

generator

Tegangan <220V

Beban komplemen 1 terputus

Tegangan <220V

Tegangan <220V

Tegangan <220V

Tegangan <220V





STOP

Beban komplemen 1 terhubung





Y

Y

Y

Y

T

T

T

T

T

Gambar 7. Flowchart Kerja Sistem

4. Hasil dan Pembahasan

No. Beban

Konsumen (W)

Arus Beban

Konsumen (A)

Tegangan

Generator (V)

1 50 0,216 220,2

2 100 0,437 220,6

3 150 0,651 222,7

4 200 0,897 220,3

5 250 1,104 220,1

6 350 1,52 222,4

48


konsumen dan tegangan generator seperti gambar dibawah ini:

No. Beban

Konsumen (W)

Arus Beban

Konsumen (A)

Tegangan

Generator (V)

1 350 1,5 224

2 250 1,42 266

3 200 1,29 306

4 150 0,8 384

5 100 0,4 437

5. Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan merupakan pernyataan singkat, jelas, dan tepat tentang apa yang diperoleh, memuat keunggulan

dan kelemahan, dapat dibuktikan, serta terkait langsung dengan tujuan penelitian. Uraian pada bagian ini

harus merupakan pernyataan yang pernah dianalisis/dibahas pada bagian sebelumnya, bukan pernyataan yang

sama sekali baru dan tidak pernah dibahas pada bagian sebelumnya, serta merupakan jawaban atas

permasalahan yang dirumuskan. Bagian ini tidak perlu ada uraian penjelasan lagi.

Saran memuat berbagai usulan atau pendapat yang sebaiknya dikaitkan oleh penelitian sejenis. Saran dibuat

berdasarkan kelemahan, pengalaman, kesulitan, kesalahan, temuan baru yang belum diteliti dan berbagai

kemungkinan arah penelitian selanjutnya

Daftar Pustaka

[1] PT. PLN, 2012, Statistik PLN, Sekertaris PT. PLN Persero

[2] International Energy Egency (IEA), 2013, CO2 Emissions from fuel Combustion Highlights, France.

[3] PS, Widodo. 2012. “Pembangkit Listrik dengan Potensi Sumber Energi Setempat sebagai Wujud

Pemerataan Energi Listrik di Desa Tertinggal dan Terpencil (Studi Kasus di Desa Munggu Kecamatan

Ngabang, Kabupaten Landak)”. Jurusan teknik mesin, 8(3):151 – 164.

[4] http://www.scrbd.com, 2009, Pemanfaatan Tenaga Air

[5] Anton, Aidil Zamri and Tuti Angraini, 2013, The PLC Utilization to Mantain stability of the load

voltage on MHP, Prosiding Annual South East Asian International Seminar (ASAIS ), Politeknik

Negeri Jakarta.

[6] Hardiansyah.,EkaFirmansyah., dan M Isnaeni BS. 2012. “Pengendalian Beban Generator Secara

Otomatis dengan Alogaritma PID Pada PLTMH Berbasis PLC”.Jurnal Teknologi, 5(2): 114-121.

[7] Direktorat Pendidikan Menengah Kejuruan. 2003. Teori Dasar Generator. Yogyakarta: Departemen

Pendidikan Nasional.

[8] Nahvi, Mahmood., Joseph Edminister. 2011. Schaum’s Outline Teori dan Soal-soal Rangkaian Listrik.

Terjemahan oleh Gunawan Prasetio, Wiwit Kastawan. Jakarta: Erlangga.

[9] Cekdin, Cekmas., Taufik Barlian. 2013. Rangkaian Listrik. Edisi 1. Yogyakarta: Andi.

[10] Rakhmawati, Renny. 2010. “Design Of Var, Watt, Pf Digital Metre Single Phase”. Jurnal

Teknologi,10(2): 60-114.

[11] Jufri, Hilman HR., Nasruddin M.N., Bisman P. 2011. “Rancang Bangun Alat Ukur Daya Arus Bolak-

Balk Berbasis Mikrokontroler Atmega 8535”. Jurnal Teknologi, 2(1):1-9.

[12] Clayton, George., Steve Winder. 2005. Operational Amplifiers. terjemahan olhe Wayan Santika.

Jakarta: Erlangga.

Biodata Penulis

Anton, memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T), Program Studi Elektro [Sekolah Tinggi Teknik Padang], lulus tahun

1995. Tahun 2002 memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) dari Program Studi Elektro [Universitas Gajah Mada].

49


http://www.scrbd.com/

Documents

PENGENDALIAN BEBAN GENERATOR PLTMH BERBASIS …repo.polinpdg.ac.id/588/1/ASCNITech_2016_REKAYASA_-_Anton... · Sensorini memiliki presisi, low-offset, dan rangkaian sensor linier