PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS
TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA
MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL
OLEH :
NAMA : RISA RIANI
NIM
: 080402067
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
TUGAS AKHIR
PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR
HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM
DIGITAL
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana
(S-1) pada Departemen Teknik Elektro Konsentrasi Energi Listrik
OLEH :
NAMA : RISA RIANI
NIM
: 080402067
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada tanggal 28 bulan Mei tahun 2012 di depan penguji :
1. Ir. Sumantri Zulkarnaen : Ketua Penguji 2. Ir. Zulkarnaen Pane : Anggota Penguji 3. Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji
Diketahui Oleh : Disetujui Oleh :
Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir
ABSTRAK
Penggunaan hubungan delta-delta pada transformator memiliki kelebihan
yaitu masih mampu menyalurkan daya hingga 57,7% dari kapasitas total meskipun
salah satu transformatornya terbuka (open) dari sistem. Pada tugas akhir ini,
kelebihan delta-delta dikembangkan dengan merancang sebuah simulasi sistem back up menggunakan transformator cadangan yang akan menggantikan transformator yang terlepas secara otomatis saat penggunaan daya oleh beban telah mendekati batas
kemampuan transformator hubungan open-delta (kondisi fault). Fungsi pendeteksi
fault dan pengontrolan dalam sistem simulasi dirancang menggunakan rangkaian logika. Penanganan fault kemudian dilakukan setelah rentang waktu tertentu, guna menjamin fault terjadi secara permanen. Pada akhirnya, implementasi dari rancangan ini diharapkan menghasilkan sebuah sistem yang fault tolerant.
Pengujian yang dilakukan terhadap rancangan, diperoleh persentase kesalahan
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah
memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan, halangan,
dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam
penulis hadiahkan kepada junjungan Nabi Muhammad S.A.W.
Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yaitu ayahanda Sawal dan
ibunda Lummasari, serta adik Oci Khairani yang merupakan bagian dari hidup
penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga
sekarang. Serta tidak lupa kepada yang teristimewa Ricky Hariady yang telah begitu
banyak memberi dorongan dan motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas
Akhir ini.
Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan
untuk memenuhi persyaratan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik
Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini:
PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya
Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari
berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima
1 Bapak Ir. Satria Ginting, M.T selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas
nasehat, bimbingan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Ahri Bariun, M.Sc selaku Penasehat Akademis penulis, atas
bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan selama ini.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rachmad Fauzi ST, MT
selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
4. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan
seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara atas segala bantuannya.
5. Abang, kakak dan teman-teman di elektro : Kak Taci, B’Luthfi, B’Gifari,
B’Suib, B’Rudy, B’Harry, B’Sujek, B’Kira, B’Prindi, B’Cisco, B’Harapan,
Maria, Aji, Wilvian, Yuli dan Wangto, semoga silaturrahmi kita terus terjaga.
6. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari
segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu, saran dan kritik dengan tujuan
menyempurnakan dan mengembangkan kajian bidang ini sangat penulis harapkan.
Akhir kata penulis berserah diri pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir ini
bermanfaat bagi pembaca sekalian.
Medan, Mei 2012
Penulis
2.5 Transformator Tiga Fasa ... 18
2.5.1 Umum ... 18
2.5.2 Kontruksi Transformator Tiga Fasa ... 19
2.5.3 Hubungan Tiga Fasa Transformator ... 20
2.5.4 Jenis Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa ... 22
2.6 Transformator Tiga Fasa hubungan Open-delta... 27
IV. SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA
MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL ... 48
4.1 Umum ... 48
4.2 Transformator Bank ... 52
4.3 Over Current Sensor ... 54
4.4 Fault Detector ... 59
4.5 Fault Handler ... 62
4.6 Reset ... 65
V. PENGUJIAN ... 68
5.1 Pengujian Over Current Sensor ... 68
5.2 Pengujian timer ... 72
5.2.1 Pengujian timer fault ... 72
5.2.2 Pengujian timer reset ... 73
VI. KESIMPULAN DAN SARAN ... 75
6.1 Kesimpulan... 75
6.2 Saran ... 76
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kontruksi Transformator Tipe Inti (core type) ... 8
Gambar 2.2 Kontruksi Transformator Tipe Cangkang (shell type) ... 8
Gambar 2.3 Aliran Fluks pada Transformator ... 9
Gambar 2.4 Gambar Gelombang I tertinggal 900 dari V ... 11
Gambar 2.5 Gambar Gelombang Tegangan (eP) tertinggal 900 dari Fluks (Ф)11 Gambar 2.6 Transformator Keadaan Berbeban ... 13
Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Transformator ... 13
Gambar 2.8 Diagram Vektor Transformator ... 14
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Transformator dari Sisi Primer ... 15
Gambar 2.10 Penyederhanaan akhir Rangkaian Transformator ... 15
Gambar 2.11 Diagram Vektor Transformator Berbeban Resistif ... 16
Gambar 2.12 Diagram Vektor Transformator Berbeban Induktif ... 17
Gambar 2.13 Diagram Vektor Transformator Berbeban Kapasitif ... 18
Gambar 2.14 Transformator Tiga Fasa tipe Inti ... 19
Gambar 2.15 Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang ... 19
Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang ... 20
Gambar 2.17 Transformator Tiga Fasa hubungan Bintang ... 21
Gambar 2.18 Transformator Tiga Fasa hubungan Delta ... 22
Gambar 2.19 Transformator Tiga Fasa hubungan YY... 23
Gambar 2.20 Transformator Tiga Fasa hubungan Y∆ ... 24
Gambar 2.22 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆∆ ... 26
Gambar 2.23 Transformator Tiga Fasa Open-delta Berbeban ... 28
Gambar 2.24 Diagram Fasor Tegangan dan Arus Transformator Open-delta .. 28
Gambar 3.1 Rangkaian sederhana logika AND ... 34
Gambar 3.2 Simbol gerbang AND ... 34
Gambar 3.3 Rangkaian sederhana logika OR ... 35
Gambar 3.4 Simbol gerbang dan ekspresi Boolean OR ... 35
Gambar 3.5 Simbol NOT ... 36
Gambar 3.6 Rangkaian Gabungan NOT, OR dan AND ... 37
Gambar 3.7 Rangkaian penyederhanaan gabungan NOT, OR dan AND ... 37
Gambar 3.8 Rangkaian Flip-Flop JK ... 38
Gambar 3.9 Rangkaian Flip-Flop D ... 40
Gambar 3.10 Rangkaian Logika menggunakan IC TTL 7408 ... 41
Gambar 3.11 Rangkaian Logika menggunakan IC CMOS 4801 ... 42
Gambar 3.12 Diagram sambungan IC seri 7404 ... 43
Gambar 3.13 Diagram sambungan IC seri 7408 ... 43
Gambar 3.14 Diagram sambungan IC seri 7432 ... 44
Gambar 3.15 Diagram sambungan IC seri 7474 ... 44
Gambar 3.16 Diagram sambungan IC seri 7476 ... 45
Gambar 3.17 Diagram koneksi IC seri 74123 ... 46
Gambar 3.18 Rangkaian Pewaktu ... 47
Gambar 4.2 Diagram Alir Sistem... 51
Gambar 4.3 Rangkaian Skematik Transformer Bank ... 53
Gambar 4.4 Rangkaian Skematik Current Sensor ... 55
Gambar 4.5 Rangkaian Skematik Komparator ... 57
Gambar 4.6 Rangkaian Skematik Fault Detector ... 60
Gambar 4.7 Diagram waktu Fault Detector ... 61
Gambar 4.8 Rangkaian Skematik Fault Handler ... 64
Gambar 4.9 Rangkaian Skematik Reset ... 66
Gambar 4.10 Diagram waktu saat kondisi Reset ... 67
Gambar 5.1 Grafik Tegangan Sekunder Transformator terhadap Beban ... 70
Gambar 5.2 Grafik Tegangan line to line Transformator dan Beban ... 71
Gambar 5.3 Grafik Tegangan setting Over Current Sensor ... 71
Gambar 5.4 Grafik timer fault ... 72
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Tabel Kebenaran Logika AND ... 34
Tabel 3.2 Tabel Kebenaran Logika OR ... 35
Tabel 3.3 Tabel Kebenaran NOT ... 36
Tabel 3.4 Tabel Flip-Flop JK ... 39
Tabel 3.5 Tabel Flip-Flop D... 40
Tabel 3.6 Tabel Kebenaran IC seri 74123 ... 46
Tabel 5.1 Pengujian Over Current transformator berbeban pada tegangan 220 V ... 69
Tabel 5.2 Pewaktu Fault ... 72
ABSTRAK
Penggunaan hubungan delta-delta pada transformator memiliki kelebihan
yaitu masih mampu menyalurkan daya hingga 57,7% dari kapasitas total meskipun
salah satu transformatornya terbuka (open) dari sistem. Pada tugas akhir ini,
kelebihan delta-delta dikembangkan dengan merancang sebuah simulasi sistem back up menggunakan transformator cadangan yang akan menggantikan transformator yang terlepas secara otomatis saat penggunaan daya oleh beban telah mendekati batas
kemampuan transformator hubungan open-delta (kondisi fault). Fungsi pendeteksi
fault dan pengontrolan dalam sistem simulasi dirancang menggunakan rangkaian logika. Penanganan fault kemudian dilakukan setelah rentang waktu tertentu, guna menjamin fault terjadi secara permanen. Pada akhirnya, implementasi dari rancangan ini diharapkan menghasilkan sebuah sistem yang fault tolerant.
Pengujian yang dilakukan terhadap rancangan, diperoleh persentase kesalahan
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Transformator yaitu suatu alat yang dapat memindahkan energi listrik
bolak-balik (AC) dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya melalui suatu
gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi eletromagnetik pada frekuensi
yang sama. Berdasarkan pemakaiannya transformator dapat dikelompokkan tiga
jenis, yaitu Transformator Daya, Transformator Distribusi dan Transformator
Pengukuran. Karena supply tegangan dan arus tiga fasa, juga untuk melayani beban yang terhubung tiga fasa maka transformator yang digunakan yaitu transformator tiga
fasa. Transformator tiga fasa dapat berupa satu unit transformator tiga fasa atau pun
tiga unit transformator satu fasa yang disebut transformator bank tiga fasa. Tiga unit transformator satu fasa dapat dihubungkan agar membentuk sistem tiga fasa dengan
cara menghubungkan antara belitan transformator. Ada empat kemungkinan
hubungan transformator bank tiga fasa yaitu Hubungan Wye, Hubungan Wye-Delta, Hubungan Delta- Wye dan Hubungan Delta- Delta.Hubungan Delta-Delta
memiliki keuntungan daripada hubungan lainnya karena jika salah satu belitan
mengalami kerusakan ataupun perbaikan dan tidak dapat melayani beban, maka dua
belitan lainnya masih dapat beroperasi dengan menggunakan hubungan open delta.
Dalam industri yang bergerak di bidang kelistrikan, kontinuitas pelayanan
transformator bank tiga fasa mengalami kegagalan dan dua transformator lainnya menjadihubungan open-delta dan penyaluran daya masih dapat diatasi untuk
sementara. Hal ini akan membutuhkan waktu yang cukup lama dalam pemasangan
transformator yang baru ke sistem semula bila dilakukan secara manual dengan
menggunakan tenaga manusia. Untuk itu perlu suatu alat berbasis digital yang
mendeteksi kondisi sistem dan secara otomatis mengalihkan transformator yang gagal
ke transformator cadangan, sehingga pekerjaan dapat selesai dalam waktu yang relatif
singkat dan efisien.
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Berdasarkan latar belakang tersebut, penulis bermaksud membuat suatu
prototypealat otomatis berbasis sistem digital dengan membuka transformator pada hubungan delta-delta menjadi open-delta dan apabila open-delta mendekati 57,7%
dari kapasitas delta-delta, maka sistem akan mengalihkannya ke transformator
cadangan secara otomatis, sehingga keandalan kontinutas pelayanan energi listrik
tidak terputus.
Manfaat penulisan tugas akhir ini yaitu diharapkan dapat menjadi sumbangan
dalam memperkaya ilmu pengetahuan dan memunculkan ide-ide kreatif dalam
merancang suatu alat otomatis transformator lainnya.
1.3 Batasan Masalah
Agar pembahasan pada tugas akhir ini tidak meluas, maka penulis membatasi
1. Membahas perancangan prototypepengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital.
2. Transformator yang digunakan tiga unit transformator satu fasa.
3. Pengambilan keputusan digital menggunakan gerbang-gerbang logika binary.
4. Menggunakan beban resitif yang terhubung delta.
5. Tidak membahas sensor dan penyebab kegagalan transformator delta-delta
menjadi transformator open-delta.
6. Pembahasan hubungan open delta tidak ditinjau secara rinci.
7. Tidak membahas harmonisa.
1.4 Metode Penulisan
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini, maka penulis menerapkan
beberapa metode studi diantaranya :
1. Studi Literatur
Yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini
dari buku- buku referensi yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan
juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain.
2. Studi Bimbingan
Yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir dengan dosen
pembimbing yang telah ditunjuk Departemen Teknik Elektro USU dalam hal
3. Diskusi dan tanya jawab
Yaitu dengan mengadakan diskusi dan tanya jawab dengan dosen-dosen di
lingkungan Departemen Teknik Elektro FT USU, dan rekan-rekan mahasiswa
yang memahami masalah yang berhubungan dengan tugas akhir ini.
1.5 Sistematika Penulisan
Agar pembahasan pada tugas akhir ini menjadi runtun dan teratur, maka
menggunakan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang
masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan,
metode penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II TRANSFORMATOR
Bab ini menjelaskan tentang transformator secara umum,
kontruksi, prinsip kerja, transformator tiga fasa, transformator
tiga fasa hubungan delta-delta, dan transformator tiga fasa
hubungan open-delta.
BAB III SISTEM DIGITAL
Bab ini menjelaskan bilangan biner, gerbang-gerbang logika
BAB IV SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL
Bab ini menjelaskan simulasi yang mendeteksi faultpada transformator tiga fasa hubungan open-delta, tundaan waktu
setelah transformator gagal (open) dan pengalihan transformator gagal ke transformator cadangan yang dituju.
BAB V PENGUJIAN
Bab ini berisikan tentang hasil pengujian curren sensor dan
timer yang dilakukan pada simulasi rancangan pengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan
sistem digital.
BAB VI PENUTUP
Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran dari penulisan
BAB II
TRANSFORMATOR
2.1 Umum
Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang mengubah suatu nilai
arus maupun tegangan (energi listrik AC) pada satu rangkaian listrik atau lebih ke
rangkaian listrik lainnya tanpa perubahan frekuensi, melalui suatu gandengan magnet
dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.
Pada umumnya transformator terdiri dari suatu inti yang terbuat dari besi
berlapis dan dua buah kumparan utama yaitu kumparan primer dan kumparan
sekunder. Kumparan primer dan kumparan sekunder terhubung secara magnetik
dengan menggunakan fluks magnetik bersama yang terdapat pada inti. Salah satu
dari dua kumparan transformator dihubungkan ke sumber energi listrik dan kumparan
kedua (serta kumparan ketiga jika ada) akanmenyuplai energi listrik ke beban.
Kumparan transformator yang terhubung ke sumber daya disebut kumparan primer
sedangkan kumparan yang terhubung ke beban disebut kumparan sekunder, jika
terdapat kumparan ketiga disebut kumparan tersier.
Penggunaan transformator sangatlah luas, baik dalam jaringan listrik maupun
dalam bidang elektronika.Pada jaringan listrik, transformator digunakan untuk
menaikkan tegangan (step up) dan menurunkan tegangan (step down) mulai dari pembangkit hingga menuju beban.Penggunaan transformator yang sederhana dan
(AC). Misalnya tegangan listrik yang dibangkitkan pada pembangkit berkisar 13,8
dan 24 KV, dikarenakan jarak beban dari pembangkit sangatlah jauh maka
penyaluran energi listrik (AC) tersebut akan mengalami kerugian sebesar I2R watt. Kerugian ini akan berkurang apabila menggunakan tegangan yang dinaikkan menjadi
tegangan tinggi pada awal saluran transmisi dan menurunkan kembali tegangan pada
ujung saluran hingga menuju ke beban (distribusi). Transformator yang banyak
digunakan pada jaringan energi listrik ini yaitu transformator tenaga dan
transformator distribusi.
Selain itu,transformator yang digunakan juga di bidang elektronika berupa
transformator yang kapasitasnya jauh lebih kecil.Misalnya, transformator yang
digunakan untuk peralatan rumah tangga, yang terpakai pada adaptor, charger
elektronik, televisi, radio dan alat elektronik lainnya.
2.2 Konstruksi Transformator
Konstruksi transformator yang paling penting yaitu inti transformator, yang
terbuat dari bahan ferromagnetik berupa plat-plat tipis yang ditumpuk menjadi satu
(laminasi) dan terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan meminimalisir rugi-rugi
arus eddy. Berdasarkan konstruksi intinya, transformator ada dua tipe yaitu tipe inti
(core type) dan tipe cangkang (shell type).
Tipe Inti (core type)
Tipe inti terdiri dari suatu persegi sederhana dengan laminasi besi berisolasi
transformator tipe inti seperti ditunjukkan Gambar 2.1, kumparan mengelilingi inti
dengan lempengan inti berbentuk huruf U atau L. Peletakan kumparan pada inti diatur
secara berhimpitan antara kumparan primer dengan kumparan sekunder.
Gambar 2.1 Kontruksi Transformator Tipe Inti (core type)
Tipe Cangkang (shell type)
Tipe cangkang terdiri dari tiga kaki dengan lapisan inti berisolasi dan
kumparan dibelitkan pada pusat kaki inti, sedangkan konstruksi intinya berbentuk
huruf E dan I atau huruf F, seperti ditunjukkan Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kontruksi Transformator Tipe Cangkang (shell type) Kumparan
Inti
Tipe U Tipe L
Kumparan
Inti
2.3 Prinsip Kerja Transformator
Transformator terdiri dari dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang
terpisah secara elektrik namun terhubung secara magnetik. Transformator bekerja
berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis dimana gaya gerak listrik diinduksikan
pada suatu koil yang melingkupi perubahan fluks.
Gambar 2.3 Aliran Fluks pada Transformator
Pada transformator tanpa beban, kumparan primernya terhubung ke sumber
tegangan AC (VP) dalam rangkaian tertutup, menghasilkan arus primer (IP) yang
sinusoidal melalui kumparan NP. Arus IP ini akan menghasilkan gaya gerak magnet (ggm) sebesar NPIPdan membentuk fluks bolak-balik (Ф) yang terperangkap dalam
inti besi seperti ditunjukkan Gambar 2.3. Jika VP merupakan gelombang sinus dan IP menghasilkan fluks sinusoidal yang sefasa, maka Ф:
Ф = Фmaks sin ωt (2.1)
Dimana : Ф = fluks magnetik (Weber)
ωt = kecepatan sudut putar
Fluks bolak balik yang mengalir pada kumparan primer akan terjadi induksi
sendiri (self inductance, ФLP) yang kemudian fluks ini juga akan mengelilingi inti besi yang mengakibatkan fluks bersama (mutual inductance, ФM) dan menimbulkan fluks magnet pada kumparan sekunder (ФLS), sehingga keseluruhan energi listrik
dapat dipindahkan secara magnetik.
e = (-) N dФ (2.2)
dt
Dimana : e = gaya gerak listrik (Volt)
N = jumlah belitan pada kumparan
Di sisi kumparan primer :
ФP = ФM + ФLP (2.3)
vP(t) = NP dФM + NPdФLP (2.4)
dt dt
vP(t) = eP(t) + eLP(t) (2.5)
Tegangan primer atau eP(t) yang diinduksikan oleh fluks bersama sebesar NP dФM dt
Tegangan sekunder atau eS(t) yang diinduksikan oleh fluks bersama sebesar NS dФM dt Bila rugi tahanan dan fluks bocor diabaikan, hubungan persamaan di atas yaitu:
eP(t) = NP = a (2.9)
Transformator tanpa beban menganggap belitan primer (NP) sebagai resistif murni sehingga IPakan tertinggal 900 dari VP yang terlihat pada gelombang sinusoidal ditunjukkan Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Gambar Gelombang I tertinggal 900 dari V eP (t) = - NPd(Фmaks sin ωt)
dt
eP (t) = - NPω Фmakscos ωt
eP (t) = NP ω Фmaks sin (ωt - 900) (2.10)
Tegangan (eP) tertinggal 900 dari fluks (Ф) ditunjukkan Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Gambar Gelombang Tegangan (eP) tertinggal 900dari Fluks (Ф) Ip, Фp
Vp
Ф
Harga efektifnya (EP) yaitu:
Sedangkan pada sisi sekunder, fluks bersama juga menimbulkan eS, yaitu :
eS(t) = NS ω Фmaks cos ωt (2.12)
Harga efektifnya ESyaitu :
ES = 4,44 NSfФmaks (2.13)
Dimana : ФP = fluks total primer (Weber) ФLP = fluks lingkup primer (Weber)
ФM = fluks bersama kumparan primer dan sekunder (Weber) ФS = fluks total sekunder (Weber)
ФLS = fluks lingkup sekunder (Weber)
NP = jumlah belitan kumparan primer
NS = jumlah belitan kumparan sekunder
eP(t)= gaya gerak listrik terinduksi pada kumparan primer (Volt)
eS(t)= gaya gerak listrik terinduksi pada kumparan sekunder (Volt)
2.4 Transformator Berbeban
Apabila kumparan sekunder transformator dihubungkan ke beban (ZL) pada
Gambar 2.6 Transformator Keadaan Berbeban
Arus I2 yang mengalir pada kumparan sekunder (N2I2) menimbulkan gaya
gerak magnet (ggm) sinusiodal yang membentuk fluks (Ф2). Fluks ini akan melawan fluks bersama yang ada (ФM). Agar fluks bersama bernilai konstan, pada kumparan
primer harus mengalir sebesar I2’ untuk dapat melawan fluks yang dibangkitkan arus
beban I2, seperti ditunjukkan Gambar 2.7, sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer yaitu:
I1 = I0 + I2’ (2.14)
I0 = Ic + Im jika rugi-rugi inti diabaikan(Ic), maka I0 =Im
I1 = Im + I2’ (2.15)
Gambar 2.8 Diagram Vektor Transformator
Berdasarkan Gambar 2.8 yang menampilkan diagram vektor suatu
transformator, maka dapat diketahui hubungan penjumlahan vektornya yaitu:
V1 = I1R1 + I1X1 + E1 E2 = I2R2 + I2X2 + V2
Bila hubungan perbandingan tegangan dan belitan dimisalkan a , sehingga :
E1/E2= N1/N2 = a
E1 = a E2
E1 = a (I2R2 + I2X2 + V2)
V1 = I1R1 + I1X1 + a (I2R2 + I2X2 + V2)
V1 = I1R1 + I1X1 + a I2R2 + a I2X2 + aV2 karena I2= aI’2, maka V1 = I1R1 + I1X1 + a (aI’2R2) + a (aI’2X2) + aV2
V1 = I1R1 + I1X1 + a2I’2R2 + a2I’2X2 + aV2
Dari persamaan 2.16, jika semua parameter sekunder dinyatakan pada sisi
rangkaian primer maka seluruh komponen sekunder perlu dikalikan dengan faktor a2, sehingga rangkaian ekivalennya berubah seperti ditunjukkan Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Transformator dari Sisi Primer
Gambar 2.9 disederhanakan menjadi Gambar 2.10 dengan menggunakan
variabel REK dan XEKyaitu :
REK = R1 + a2R2 (2.17)
XEK = X1 + a2X2 (2.18)
Gambar 2.10 Penyederhanaan akhir Rangkaian Transformator
2.4.1 Resistif
Transformator yang terhubung dengan beban resistif murni (RL) pada
ditunjukkan Gambar 2.7. Dikarenakan pada kumparan sekunder transformator
terdapat R2 dan X2, maka ini mengakibatkan beda fasa antara I2 dan E2 yaitu sebesar
tan θ2 = X2 / (R2+RL), ditunjukkan Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Diagram Vektor Transformator Berbeban Resistif
2.4.2 Induktif
Transformator dihubungkan dengan beban induktif (ZL), arus sekunder I2akan
mengalir dari kumparan sekunder menuju ke beban, ditunjukkan Gambar 2.7.
Diasumsikan beban memiliki faktor daya tertinggal (lagging), seperti ditunjukkan Gambar 2.12.
I2N2 memberikan kenaikan fluks (Ф2) yang melingkupi hanya kumparan sekunder dan tidak pada kumparan primer. Fluks lingkup sekunder Ф2 sefasa dengan I2, dengan alasan yang sama fluks lingkup primer Ф1 sefasa dengan I1. Fluks lingkup sekunder
menginduksi gaya gerak listrik E2 pada kumparan sekunder, fluks tertinggal 900.
Gambar 2.12 Diagram Vektor Transformator Berbeban Induktif
2.4.3 Kapasitif
Apabila beban yang terhubung disisi sekunder beban kapasitif (ZC), arus
beban I2 mendahului V2 dengan faktor daya mendahului (leading), ditunjukkan
Gambar 2.13 Diagram Vektor Transformator Berbeban Kapasitif
2.5 Transformator Tiga Fasa 2.5.1 Umum
Secara umum dalam sistem pembangkit dan distribusi di dunia menggunakan
sistem AC tiga fasa, ini penting untuk memahami bagaimana transformator dapat
digunakan dalam sistem tiga fasa.
Transformator tiga fasa dapat dibentuk dengan 2 cara. Cara pertama secara
sederhana dengan mengambil tiga unit transformator satu fasa dan
menghubungkannya pada suatu bank 3 fasa, ditunjukkan Gambar 2.14. Sedangkan
cara kedua dengan membuat transformator tiga fasa yang terdiri dari tiga kumparan
yang dibelit pada suatu inti bersama, ditunjukkan Gambar 2.15. Kedua cara tersebut
2.5.2 Kontruksi Transformator Tiga fasa
Untuk mengurangi kerugian yang dipengaruhi oleh arus pusar di dalam inti,
rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis.Transformator
tiga fasa menjadi dua tipe yaitu tipe inti seperti ditunjukkan Gambar 2.14 dan tipe
cangkang ditunjukkan Gambar 2.15. Pada tipe inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi sedangkan tipe cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon
steel, tipe cangkang ini dapat disusun dari tiga unit transformator satu fasa.
Gambar 2.14 Transformator Tiga Fasa tipe Inti
Dari Gambar 2.14 akan terlihat pemakaian inti besi pada transformator tiga
fasa akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan pemakaian tiga buah transformator
fasa tunggal. Pada bidang abcd ditunjukkan Gambar 2.15 hanya mengalir fluks
sebesar (ФR/2 - ФS/2). Sedangkan berdasarkan diagram vektornya diketahui bahwa nilai vektor tersebut adalah sebesar (√3/2) ФR, ditunjukkan Gambar 2.16.
Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang
Apabila digunakan tiga buah transformator fasa tunggal, pada bagian tersebut
akan mengalir fluks sebesar ФR. Penggunaan inti akan lebih hemat dengan transformator tiga fasa.Konstruksi satu unit transformator tiga fasa lebih praktis
karena lebih murah dan lebih efisien sedangkan keuntungan kontruksi tiga unit
transformator satu fasa hubungan delta-delta yaitu jika terjadi masalah pada salah satu
unitnya maka, unit itu bisa dipindahkan tanpa merusak sistem tiga fasa transformator.
2.5.3 Hubungan Tiga Fasa Transformator
Secara umum hubungan tiga fasa pada transformator terbagi dua jenis yaitu
hubungan bintang dan hubungan delta.Masing-masing hubungan ini memiliki
karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda.Hubungan bintang dan hubungan
Hubungan bintang
Hubungan bintang atau wye dibentuk dengan menggabungkan tiga belitan
dengan rating yang sama pada satu common, ditunjukkan pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17 Transformator Tiga Fasa hubungan Bintang
VLINE = VRS = VST = VTR
VFASA = VR = VS = VT IFASA = IR = IS = IT
IFASA = ILINE
VLINE = √3 VFASA (2.19)
Dimana : VFASA = Tegangan line ke netral (Volt) VLINE = Tegangan line ke line (Volt) ILINE = Arus line ke line (Ampere) IFASA = Arus line ke netral (Ampere)
Hubungan delta
Hubungan delta dibentuk dengan menghubungkan sisi tegangan tinggi dan
tegangan rendah pada belitan yang berbeda dengan membentuk segitiga, ditunjukkan
Gambar 2.18 Transformator Tiga Fasa hubungan Delta
VLINE = VRS = VST = VTR ILINE = IR-IT = IS-IR = IT-IS
IFASA = IR = IS = IT
VLINE = VFASA
ILINE = √3 IFASA (2.20)
Dimana : VFASA = Tegangan fasa (Volt)
VLINE = Tegangan line ke line (Volt) ILINE = Arus line ke line(Ampere) IFASA = Arus fasa (Ampere)
2.5.4 Jenis Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa
Dengan menggunakan hubungan wye atau delta pada sisi primer maupun
sekunder transformator maka ada 4 kemungkinan jenis hubungan belitan
transformator tiga fasa yang terbentuk, yaitu:
Hubungan wye-wye (Y-Y)
Gambar 2.19 Transformator Tiga Fasa hubungan YY
Dalam hubungan YY, tegangan primer pada masing-masing fasa yaitu:
VøP = VLP / √3 (2.21)
Dimana : VøP = Tegangan fasa sisi primer (Volt) VLP = Tegangan line sisi primer (Volt)
Dalam hubungan Y-Y, jika beban transformator tidak seimbang maka
tegangan fasa pada transformator juga tidak akan seimbang. Jadi, tegangan fasa
primer berbanding lurus terhadap tegangan fasa sekunder dan perbandingan belitan
transformator (a)yaitu :
VLP = √3VøP = a (2.22)
VLS √3VøS
Hubungan wye-delta (Y∆)
Hubungan wye-delta (Y∆) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar 2.20.
Gambar 2.20 Transformator Tiga Fasa hubungan Y∆
Dalam hubungan wye-delta tegangan line pada sisi primer sebanding dengan tegangan fasanya yaitu, VLP = √3 VøP. Sedangkan pada sisi sekunder, tegangan line
sama dengan tegangan fasa yaitu, VLS = VøS. Jadi, perbandingan tegangan pada
hubungan ini yaitu :
VLP = √3VøP = √3a (2.22)
VLS VøS
Kelebihan hubungan wye-delta ini lebih stabil dan tidak terdapat masalah
terhadap beban tidak seimbang maupun harmonisa.
Hubungan delta-wye (∆Y)
Hubungan delta-wye (∆Y) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar 2.21.
Gambar 2.21 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆Y
Kelebihan hubungan delta-wye sama dengan hubungan wye-delta. Pada
hubungan ini tegangan line pada sisi primer sama dengan tegangan fasanya yaitu, VLP = VøP. Sedangkan pada sisi sekunder, tegangan line sebanding dengan tegangan fasanya yaitu, VLS = √3VøS. Sehingga perbandingan tegangan transformator yaitu :
VLP = VøP = a (2.23)
VLS √3VøS √3
Hubungan delta-delta (∆∆)
Hubungan delta-delta (∆∆) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar
2.22.Pada hubungan ini, sisi primer maupun sekunder transformator terhubung delta
Gambar 2.22 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆∆
Pada hubungan ini tegangan line sama dengan tegangan fasa baik disisi primer maupun sekunder transformator yaitu, VLP = VøP dan VLS = VøS. Sehingga perbandingan tegangan transformator menjadi,
VLP = VøP = a (2.24)
VLS VøS
Kelebihan pada hubungan ∆∆ yaitu tidak terjadi perbedaan fasa dan tetap
stabil terhadap beban tidak seimbang maupun harmonisa.Selain itu, kelebihan dari
penggunaan delta-delta yaitu jika salah satu belitan fasanya putus maka transformator
ini masih dapat bekerja dalam melayani beban meski hanya menggunakan dua belitan
saja, ini disebut hubungan open delta.
Menentukan arus dengan menggunakan delta-delta sama juga seperti hubungan delta
sebelumnya yaitu:
ILINE= √3 IFASA (2.25)
Dimana : ILINE = Arus line to line (Ampere) IFASA = Arus fasa(Ampere)
2.6 Transformator Tiga Fasa hubungan Open-delta
Transformator tiga fasa hubungan open-delta umumnya hanya digunakan
untuk sementara apabila transformator yang mengalami kerusakan dalam sistem tiga
fasa hubungan delta-delta akan diperbaiki atau diganti dengan transformator yang
baru. Hubungann open-delta ini menggunakan dua belitan dalam melayani beban tiga
fasa.Perubahan belitan pada inti tidak perlu dilakukan untuk mengurangi
leakageimpedance untuk memperoleh sistem yang lebih seimbang.Selain itu, hubungan open-delta juga dilakukan jika beban yang dilayani sekarang terlalu kecil
dibandingkan dengan kapasitas transformatornya.
Untuk menentukan daya pada transformator open-delta maka perlu
diperhatikan vektor tegangan dan vektor arusnya.Dengan mengubah hubungan
kumparan transformator menjadi hubungan open-delta maka tegangan tiga fasanya
Gambar 2.23 Transformator Tiga Fasa Open-delta Berbeban
VCA = - VAB - VBC
= - V 1200 - V 00 = (0,5 - j0,866) V - 1 V
= V 2400 (2.26)
Jika transformator open-delta melayani beban tiga fasa resistif yang seimbang
maka vektor arus dan tegangannya sebagai berikut:
Gambar 2.24 Diagram vektor Tegangan dan Arus Transformator Open-delta
Dari Gambar 2.24 terlihat bahwa arus fasa Iab tertinggal dari tegangan Vab
sebesar 300sedangkanarus fasa Ibc mendahului Vbc sebesar 300. Hubungan arus fasa dan arus line adalah sebagai berikut :
Ib = Ibc
Ic = -Iab - Ibc (2.27)
Sehingga besar daya pada transformator open delta yaitu:
P = VI Cos θ
Dari persamaan di atas terlihat bahwa pada transformator open-delta
kapasitasnya akan berkurang dibandingkan dengan transformator delta-delta.
Besarnya kapasitas transformator open-delta tidak sama dengan penjumlahan
kapasitas kedua transformator 1 fasa tetapi hanya 86,6% nya. Hal ini dapat dijelaskan
dengan persamaan-persamaan berikut ini :
Kapasitas ∆-∆ = √3 VLINE ILINE = √3 VLINE (√3 IFASA)
Sedangkan hubungan open-delta, arus line to line sama dengan arus fasa sehingga : Kapasitas V-V = √3 VLINE ILINE
= √3 VLINEIFASA (2.33)
Dengan membandingkan kedua persamaan diatas, maka diperoleh :
S V-V = √3 VLINE IFASA S ∆-∆ 3 VLINE IFASA
= 0,577 atau 57,7% (2.34)
Dimana :SV-V = rating KVA transformator hubungan open-delta S ∆-∆ = rating KVA transformator hubungan delta-delta
Transformator open-delta dengan dua belitan seharusnya dapat menyuplai 2/3
persen dari kapasitas total transformator hubungan delta-delta, tetapi ternyata kedua
belitan tersebut hanya mampu menyuplai 57,7 persen dari kapasitas total
transformator. Jadi, perbandingan transformator atau yang disebut juga faktor utilitas
yaitu 57,7 / 66,6 = 0,866 atau 86,6 persen saat kedua belitannya melayani keadaan
berbeban. Dengan dioperasikan seperti ini, transformator masih dapat mengirim daya
tiga fasa dengan urutan belitan yang sama, tetapi kapasitasnya yang turun menjadi
57,7 persen dari kapasitas total transformator delta-delta. Misalnya, transformator
delta-delta bekerja pada beban nominalnya, jika transformator tersebut diubah
menjadi open-delta dengan beban yang sama seperti sebelumnya, maka sisa kedua
transformator akan mengalami overload atau beban lebih masing-masing sebesar 173,2 persen.
Untuk mencegah kerusakan akibat terjadinya overload ini, maka beban transformator harus dikurangi atau menggunakan otomatisasi yang dapat
menghubungkan sistem open-delta langsung menjadi delta-delta tanpa mengurangi
BAB III
SISTEM DIGITAL
Sistem digital merupakam wahana pengembangan bilangan biner 0 dan 1 yang
terdapat pada komputer, kalkulator dan sistem terpadu lainnya.Hal ini merupakan
satu bidang yang menarik karena penggunaan rangkaian digital yang telah
berkembang pesat.Rangkaian yang hanya menangani sinyal tinggi dan rendah disebut
rangkaian digital.Rangkaian digital lebih menonjol dan lebih produktif terutama
dikarenakan IC digital yang diandalkan dengan harga yang lebih murah.
3.1. Bilangan Biner
Banyak sistem bilangan yang dapat dan telah digunakan dalam melaksanakan
perhitungan.Karena komponan - komponen komputer digital yang merupakan sistem
digital bersifat saklar (switch), sistem bilangan yang paling sesuai untuk komputer adalah sistem bilangan biner (binary).Bilangan biner hanya dua macam simbol yaitu 0 dan 1.
an-1an-2...a1a0a-1a-2...a-m = an-1Rn-1...+ a1R1+ a0R0 + a-1R-1...+ a-mR-m (3.1) Dimana : an-1 = angka paling kiri
R = 2 (angka dasar dari sistem bilangan)
n = cacah angka yang menunjukkan bilangan bulat
m = cacah angka yang menunjukkan bilangan pecahan
Dapat disadari bahwa bila kita bekerja dengan lebih dari satu bilangan, maka
dasar setiap bilangan. Untuk mencegah hal ini, pada setiap bilangan dicantumkan
dasar bilangannya, seperti (101)2 atau 1012 untuk menyatakan bilangan biner 101
dalam biner.Dalam praktek pemograman komputer, sering tanda tersebut hanya
diberikan kepada bilangan yang bukan puluhan.
3.2 Gerbang Logika Binary
Bentuk dasar blok dari setiap rangkaian digital adalah suatu gerbang logika.
Gerbang logika akan kita gunakan untuk operasi bilangan biner sehingga istilah ini
disebut gerbang logika binary. Gerbang logika dapat disusun dengan menggunakan saklar sederhana, relay, transistor dan dioda atau IC. Istilah logika digunakan untuk
menyatakan suatu proses pengambilan keputusan. Maka suatu gerbang logika
merupakan suatu rangkaian yang dapat memutuskan “ya” dan “tidak” pada keluaran
berdasarkan masukannya. Jenis gerbang logika binary yaitu gerbang AND, OR, NOT,
NAND, NOR, XOR dan XNOR. Pada perancangan yang digunakan hanya gerbang
logika AND, OR dan NOT.
3.2.1 Gerbang AND
Gerbang AND disebut juga gerbang semua atau tidak. Gambar 3.1
menunjukkan dasar tentang gerbang AND dengan saklar sederhana. Dalam
Gambar 3.1 Rangkaian sederhana logika AND
Agar keluaran atau lampu menyala dengan menutup kedua saklar (A dan B)
ditutup. Simbol gerbang AND ditunjukkan Gambar 3.2 dan tabel kebenarannya
ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Gambar 3.2 Simbol gerbang AND
Tabel 3.1 Tabel Kebenaran Logika AND
MASUKAN KELUARAN
A B Y
Tegangan Biner Tegangan Biner Menyala Biner
Rendah 0 Rendah 0 Tidak 0
Rendah 0 Tinggi 1 Tidak 0
Tinggi 1 Rendah 0 Tidak 0
Tinggi 1 Tinggi 1 Ya 1
Suatu perkalian titik (.) pada masukkan untuk menyatakan ekspresi Boolean
fungsi AND yaitu A.B = Y. Tabel 3.1 menunjukkan tabel kebenaran gerbang AND.
3.2.2 Gerbang OR
Gebang OR disebut juga gerbang setiap atau tidak. Gambar 3.3 menunjukkan
dasar tentang gerbang OR. Keluaran atau lampu akan menyala bila masing-masing
atau kedua saklar masukannya tertutup, tetapi lampu tidak akan menyala bila
masukan kedua saklarnya terbuka. Simbol gerbang OR ditumjukkan Gambar 3.4.
Gambar 3.3 Rangkaian sederhana logika OR
Gambar 3.4 Simbol gerbang dan ekspresi Boolean OR
Tabel 3.2 Tabel Kebenaran Logika OR
MASUKAN KELUARAN
A B Y
Saklar Biner Saklar Biner Menyala Biner
Terbuka 0 Terbuka 0 Tidak 0
Terbuka 0 Tertutup 1 Ya 1
Tertutup 1 Terbuka 0 Ya 1
Tertutup 1 Tertutup 1 Ya 1
Suatu tanda positif (+) pada masukan untuk menyatakan ekspresi Boolean
fungsi OR yaitu A+B = Y. Tabel kebenaran OR ditunjukkan Tabel 3.2. Keluaran
gerbang OR akan bernilai rendah bila kedua masukannya rendah (A=0 dan B=0).
Dalam implementasi gerbang OR dapat menggunakan IC tipe 7432.
3.2.3 Pembalik (NOT)
Rangkaian NOT disebut juga pembalik atau komplemen. Rangkaian NOT
hanya dengan satu masukan dan satu keluaran yang fungsinya dengan memberikan
suatu keluaran yang tidak sama dengan masukannya. Simbol NOT ditunjukkan
Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Simbol NOT
Tabel 3.3 Tabel Kebenaran NOT
MASUKAN KELUARAN
A Y
Tegangan Biner Tegangan Biner
Rendah 0 Tinggi 1
Tinggi 1 Rendah 0
Tabel kebenaran rangkaian NOT ditunjukkan Tabel 3.3.Bila tegangan pada
masukan rendah maka keluarannya tinggi begitu juga untuk masukan tinggi maka
kan lagi keluarannya menjadi A, sehingga A = A. Dalam implementasi gerbang NOT
dapat menggunakan IC tipe 7404.
Dari literatur, gerbang NAND lebih banyak tersedia dibanding gerbang
lainnya.Oleh karena itu, gerbang NAND digunakan secara luas sehingga disebut
gerbang universal. Gerbang NAND dapat digunakan dalam merangkai rangkaian
gabungan (NOT, OR, AND) mengunakan satu jenis IC tipe 7400,
A . B + A . C = Y (3.2)
Gambar 3.6 Rangkaian Gabungan NOT, OR dan AND
Gambar 3.6 memperlihatkan untuk permasalahan di atas menggunakan
gerbang NOT, OR, AND sehingga membutuhkan tiga IC yang berbeda. Untuk
menyearahkan permasalahan di atas maka semua gerbang hanya menggunakan satu
jenis IC NAND seperti ditunjukkan Gambar 3.7.Dalam perancangan rangkaian
digital, hal ini merupakan akhir yang paling baik dengan biaya yang paling murah.
3.3 FLIP-FLOP
Rangkaian logika terbagi dua yaitu rangkaian logika gabungan yang
menggunakan gerbang AND, OR, NOT dan rangkaian logika sekuensial yang
meliputi peralatan memory dan pewaktu. Blok bangunan dasar untuk rangkaian logika sekuensial berupa flip-flop (FF). Flip-flop dihubungkan untuk membentuk pencacah,
register geser dan peralatan memory lainnya.Flip-flop dibedakan atas beberapa jenis yaitu RS, JK, D dan T. Flip-flop RS merupakan dasar dari flip-flop jenis lainnya.Pada
perancangan prototype otomatisasi hanya menggunakan flip-flop JK dan T.
3.3.1 FLIP-FLOP JK
Flip-flop JK diberinama berdasarkan masukannya, J dan K. Flip-flop ini
mengatasi kelemahan flip-flop RS yang melarang masukan R=S=1, dengan
meng-AND-kan masukan dari luas seperti ditunjukkan Gambar 3.13.
Tabel 3.4 Flip-flop JK
Apabila masukan J=K=0, maka keadaan selanjutnya (Q’) bergantung pada
keadaan sekarang (Q). Sedangkan masukan J=K=1, hal ini membuat keadaan
keluaran selanjutnya (Q’) berbalik dari keadaan sekarang (Q). Flip-flop JK akan
berubah untuk setiap perubahan J dan K, hal ini menunjukkan flip-flop JK bekerja tak
serempak. Untuk menyerempakkan (sinkron) pada flip-flop perlu ditambahkan
penabuh.Ini dilakukan dengan meng-AND-kan pulsa clock dengan masukan J dan K.
3.3.2 FLIP-FLOP D
Nama flip-flop D berasal kata Delay (tunda). Flip-flop ini hanya satu masukan D. Flip-flop D akan mengikuti keadaan D pada saat penabuh aktif, yaitu Q’= D untuk
sinyal penabuh berlogika 1 (CP = 1) seperti Tabel 3.5. Bila masukan D berubah saat
CP = 0 maka Q’ tidak berubah (Q = Q’). Dikatakan keadaan keluaran Q’ dipalang
pada keadaan D saat perubahan CP dari aktif (CP = 1) ke tidak aktif (CP = 0).
Flip-flop D dapat dibentuk dari flip-Flip-flop JK dengan membalik masukan K seperti
Gambar 3.9 Rangkaian Flip-Flop D
Tabel 3.5 Tabel Flip-Flip D
D Q Q'
0 0 0
0 1 0
1 0 1
1 1 1
3.4 IC Logika Praktis
Gerbang-gerbang logika yang ada umumnya diimplementasikan dalam sebuah
rangkaian terintegrasi atau biasa disebut IC (Integrated Circuit).Terdapat dua jenis IC logika praktis yang umum digunakan, yaitu TTL (transistor-transistor logic) dan CMOS (Complementary Metal-oxyde Semiconductor).
TTL (Transistor - Transistor Logic)
IC jenis TTL menggunakan tegangan 0V sebagai level tegangan logika rendah
(low) dan tegangan +5 V sebagai level tegangan logika tinggi (high). Diagram rangkaian logika menggunakan IC TTL 7408 ditunjukkan Gambar 3.10.Catu daya
yang teratur 5V dc untuk semua peralatan TTL.Daya postif (Vcc) ke kaki 14 dan
GND ke kaki 7. Saklar masukan A dan B ke kaki 1 dan 2. Bila saklar pada posisi ke
maka logis 0 diberikan pada masukan. Seperti Gambar 3.10, LED dan resistor
pembatas 150Ω terhubung ke GND. Bila keluaran pada kaki 3 tinggi (mendekati
+5V) maka arus mengalir melalui LED sehingga LED dapat menyala.
Gambar 3.10 Rangkaian Logika menggunakan IC TTL 7408
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Penggunaan IC TTL memiliki kekurangan yaitu pemakaian daya yang
besar.Maka dikembangkan IC yang hampir tidak mengkonsumsi daya yaitu CMOS
(complementary metal oxide semikonduktor). IC CMOS, Vdd (tegangan positif) terhubung ke kaki 14 dan Vss (GND atau tegangan negatif) ke kaki 7. Apabila
menggunakan CMOS, semua masukan yang tidak terpakai dihubungkan ke GND
atau Vdd. Diagram logika rangkaian gerbang AND 2 pada IC CMOS 4081 masukan .
Gambar 3.11 Rangkaian Logika menggunakan IC CMOS 4801
Keluaran gerbang AND ditunjukkan pada kaki 3. Transistor akan
meng-on-kan LED bila kaki 3 tinggi dan meng-off-meng-on-kan LED ketika keluarannya rendah. Seperti
pada Gambar 3.11, apabila saklar A dan B pada posisi ke atas dengan masukan tinggi
maka keluaran tinggi. Keluaran tinggi (sekitar +5V) pada basis Q1 meng-on-kan
transistor dan LED dapat menyala.
Pada tugas akhir ini sendiri akan menggunakan IC jenis TTL karena lebih
tahan terhadap tegangan statik dan lebih kebal terhadap noise. IC yang akan digunakan adalah seri 7404, 7408, 7432, 7474, 7476, dan 74123.
3.4.1 IC Seri 7404
IC seri 7404 merupakan IC TTL yang terdiri dari enam buah gerbang NOT.
Gambar 3.12 menampilkan diagram sambungan dari IC 7404.
5V CMOS
Gambar 3.12 Diagram sambungan IC seri 7404
3.4.2 IC Seri 7408
IC seri 7408 merupakan IC TTL yang terdiri dari empat buah gerbang AND
dua masukan. Gambar 3.13 menampilkan diagram sambungan dari IC 7408.
Gambar 3.13 Diagram sambungan IC seri 7408
3.4.3 IC Seri 7432
IC seri 7432 merupakan IC TTL yang terdiri dari empat buah gerbang OR dua
Gambar 3.14 Diagram sambungan IC seri 7432
3.4.4 IC Seri 7474
IC seri 7474 merupakan IC TTL yang terdiri dari dua buah flip-flop D dengan
pewaktu (clock).Gambar 3.15 menampilkan diagram sambungan dari IC 7474.
Gambar 3.15 Diagram sambungan IC seri 7474
Pin CK berfungsi sebagai pewaktu (clock) yang bersifat high-to-low edge
sehingga keluaran flip-flop D akan berubah hanya saat pin CK berubah (transisi) dari
nilai logika rendah menjadi logika tinggi. Pin CLR berfungsi sebagai sinyal clear
preset yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai tinggi. Pin CLR dan PR ini
bersifat active-low, sehingga akan berfungsi saat diberi nilai logika rendah.
3.4.5 IC Seri 7476
IC seri 7476 merupakan IC TTL yang terdiri dua buah flip-flop JK dengan
pewaktu (clock). Gambar 3.16 menampilkan diagram sambungan dari IC 7476.
Gambar 3.16 Diagram sambungan IC seri 7476
Pin CK berfungsi sebagai pewaktu (clock) yang bersifat low-to-high edge
sehingga keluaran flip-flop JK akan berubah hanya saat pin CK berubah (transisi)
dari nilai logika tinggi menjadi logika rendah. Pin CLR berfungsi sebagai sinyal clear
yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai rendah. Pin PR berfungsi sebagai sinyal
preset yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai tinggi. Pin CLR dan PR ini
bersifat active-low, sehingga akan berfungsi saat diberi nilai logika rendah.
3.4.6 IC seri 74123
IC seri 74123 merupakan monostable multivibrator yang dapat ditrigger
kembali, yang mampu menghasilkan pulsa output mulai dari beberapa nano detik
monostable multivibrator dalam satu IC, dimana pada setiap monostable
multivibrator terdapat tiga masukan yang memberikan pilihan trigger baik yang
leading edge maupun yang trailing edge. Gambar 3.17 menampilkan diagram koneksi
dari IC seri 74123. Masukan A merupakan masukan trigger yang aktif saat transisi
rendah (low) sedangkan masukan B merupakan masukan trigger yang aktif saat transisi tinggi (high). Masukan clear berfungsi mengakhiri pulsa pada output tanpa pengaruh dari komponen pewaktuan. Masukan CLR juga dapat digunakan sebagai
trigger ketika diberi pulsa transisi rendah (low). Sekali trigger, lebar pulsa dapat diperpanjang dengan men-trigger kembali atau dipendekkan dengan masukan rendah
(low) pada CLR. Tabel 3.6 menunjukkan tabel kebenaran dari IC seri 74123.
Gambar 3.17 Diagram koneksi IC seri 74123
Tabel 3.6 Tabel Kebenaran IC seri 74123
Rangkaian pewaktu IC seri 74123 ditunjukkan Gambar 3.18.Lebar pulsa
outputakan ditentukan oleh resistor eksternal (RX) dan kapasitor eksternal (CX). Untuk CX>> 1000 pF lebar pulsa keluaran (TW) dapat ditentukan dengan persamaan 3.3.
Gambar 3.18 Rangkaian Pewaktu
TW = K x RX x CX (3.3)
Dimana: TW = lebar pulsa (ns)
K = konstanta (0,37)
RX = resistor eksternal (kΩ)
CX = kapasitor eksternal (pF) Rx
Cx Vcc
BAB IV
SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS
TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA
MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL
4.1. Umum
Pada tugas akhir ini dirancang sebuahsimulasi sistem transformator tiga fasa
hubungan delta-delta yang mampu mentoleransi gangguan (fault tolerant).Simulasi sistem menggunakan tiga unit transformator satu fasa.Jika salah satu transformator
hubungan delta-delta dibuka, maka sementara waktu sistem menjadi hubungan
open-delta. Hubungan open-delta hanya mampu menyuplai 57,7% dari kapasitas total,
untuk mengatasi kondisi overload open-delta ini, maka dibutuhkan satu transformator
cadangan (back up) yang secara otomatis dapat menggantikan transformator sebelumnya (open) dan membentuk kembali sistem tiga fasa hubungan delta-delta.
Gambaran simulasi secara umum ditampilkan dalam sebuah rangkaian
skematik pada Gambar 4.1.Sistem simulasi yang dirancang terdiri dari dua sub-sistem
Untuk mendeteksi terjadinya fault pada sistem, sub-sistem fault detector
membutuhkan dua jenis masukan yaitu signal dari kondisi transformator (on/off) dan
signal dari arus line melebihi setting yang ditentukan.Masukan kondisi transformator berfungsi sebagai indikator apabila ada transformator pada transformer bank yang gagal atau terlepas dari sistem.Jenis masukan ini dapat berasal dari sistem proteksi
transformator sendiri (seperti relay) yang mengirimkan sinyal apabila transformator mengalami kegagalan atau terlepas dari sistem, dimana nilai logika high
mengindikasikan transformator yang gagal (off) dan berlogika low mengindikasikan transformator on.Sedangkan masukan arus lebih dari sensor arus berfungsi sebagai indikator apabila arus pada salah satu atau lebih line melebihi setting yang telah ditetapkan.Jenis masukan ini menggunakan sensor arus lebih (over-current sensor) yang terpasang pada setiap line. Kondisi fault terjadi apabila ada satu transformator pada transformer bank terbuka sehingga membentuk hubungan opendelta, dan arus yang melewati satu atau lebih line melebihi batas yang telah ditentukan. Untuk mencegah sistem menjadi tidak stabil akibat munculnya kondisi yang berubah-ubah
dalam waktu yang singkat, maka sub-sistem fault detectorakan terlebih dahulu memastikan bahwa sebuah kondisi terjadi secara permanen dengan menunggu selama
rentang waktu tertentu sebelum menyatakan terjadinya fault.
Selanjutnya sub-sistem fault detectorakan mengirimkan sinyal kepada sub-sistem fault handler untuk mengatasi kegagalan yang telah terjadi, dengan melakukan rekonfigurasi sistem dengan menghubungkan transformator cadangan ke sistem
sesuai dengan transformer gagal. Dengan terhubungnya transformator cadangan,
Untuk mengetahui kemana transformator cadangan akan dihubungkan, sub-sistem
fault handler membutuhkan masukan berupa kondisi transformator (on/off) dari transformator bank.
Proses-proses yang dilalui oleh sistem sebagaimana dijelaskan diatas beserta
sub-bagian yang bertanggung jawab pada setiap proses tersebut ditampilkan dalam
sebuah diagram alir pada Gambar 4.2.
4.2 Transformator Bank
Transformator bank berfungsi menghubungkan tiga unit transformator satu
fasa untuk membentuk transformator tiga fasa.Hubungan tiga fasa yang digunakan
pada kondisi normal yaitu hubungan delta-delta, dimana setiap belitan dari sisi primer
dan sekunder transformator satu fasa dihubungkan dengan relay seperti yang
ditampilkan pada Gambar 4.3.
Relay akanenergize jika supply dari catu daya +5 V. Kondisi transformator berlogikalow jika switch ke on dan relay telah energize, sehingga transformator terhubung ke sistem (on). Sedangkan kondisi transformator berlogika high jika switch
keoffdan relay tidak energize. Dengan menggunakan transformator yang rusak pada salah satu transformator hubungan delta-delta, maka perlu dilakukan pengukuran
pada masing-masing transformator untuk mengetahui transformator mana yang
mengalami kerusakan. Setelah diketahui transformator yang rusak, misal T1, maka
tekan switch 1 pada posisi off sehingga kondisi transformator tersebut akan berlogika
Gambar 4.3 Rangkaian Skematik Transformator Bank T3
T2
4.3. Over-Current Sensor
Sensor arus lebih (over-currentsensor) berfungsi untuk mengindikasikan arus yang melebihi nilai tertentu (nilai setting) pada salah satu atau lebih line antara transformator dan beban. Keluaran dari sub-sistem ini akan bernilai high apabila arus yang melalui line melebihi setting yang telah ditetapkan, dan bernilai low apabila arus yang melalui line kurang dari setting yang telah ditetapkan. Untuk melaksanakan fungsi ini, sub-sistem over-current sensor dibagi menjadi dua sub-sistem yang lebih kecil yaitu current sensor dan komparator. Sub-sistem current sensor berfungsi mengukur arus yang melalui line dan mengubahnya menjadi tegangan, sementara sub-sistem komparator berfungsi membandingkan hasil pengukuran current sensor
dengan nilai tertentu yang dapat diatur (setting).Gambar 4.4 menampilkan rangkaian skematik dari current sensor yang dirancang. Current sensor melakukan pengukuran dengan melewatkan arus line pada sebuah resistor 1 Ω. Tegangan jatuh yang timbul
pada resistor ini kemudian dibaca oleh penguat instrumentasi (instrumentation amplifier). Penguat instrumentasi digunakan karena memiliki CMRR yang tinggi.Penguat jenis ini membutuhkan tiga op-amp, dimana dua op-amp dikiri
berfungsi sebagai buffer sedangkan satu op-amp disebelah kanan berfungsi sebagai penguat differensial.Adapun nilai penguatan dari penguat instrumentasi dapat diubah
dengan mudah hanya dengan merubah nilai resistansi satu resistor saja yaitu RG
sesuai dengan Persamaan 4.1.
β = 1 + R1.R2 (4.1)
Pada rancangan tugas akhir ini, arus yang melewati line dibatasi sebesar 350 mA (sesuai dengan rating transformator yang digunakan).Adapun keluaran
maksimum yang diharapkan dari current sensor adalah sebesar 5 V agar sesuai dengan level tegangan TTL. Dengan ketentuan tersebut dirancang penguat
instrumentasi dengan penguatan sebesar,
β = 5 / 350 mA ≈ 15 (4.2)
Untuk menghasilkan penguatan sebesar 15, maka digunakan resistor yaitu
R1 = 3300 Ω dan R2 = 470 Ω
β1 = 1 + 3300x3300 = 15 (4.3)
470
IC op-amp yang digunakan sendiri adalah tipe LM324 karena didalamnya
terdapat 4 buah op-amp sehingga untuk membangun sebuah penguat instrumentasi
hanya membutuhkan satu IC.Keluaran dari penguat instrumentasi ini masih dalam
bentuk sinusoidal sehingga perlu disearahkan menggunakan precision rectifier.Precision rectifier digunakan agar tegangan yang keluar dari rectifier tidak berkurang akibat tegangan jatuh pada dioda.Tegangan keluaran dari precision rectifier ini kemudian diratakan menggunakan kapasitor.
Tegangan yang telah diratakan pada kapasitor inilah yang kemudian
dibandingkan dengan tegangan setting oleh komparator.Gambar 4.5 menampilkan rangkaian skematik dari sub-sistem komparator. Keluaran komparator akan bernilai
lebih tinggi dari tegangan setting. Keluaran dari komparator ini telah disesuaikan dengan level tegangan logika TTL yaitu 5 V.
Gambar 4.5 Rangkaian Skematik Komparator
Tegangan setting diperoleh menggunakan sebuah pembagi tegangan (voltage divider) dengan resistor RV1 menggunakan tipe variabel resistor dengan nilai maksimum, sehingga diperoleh rentang tegangan yang diperoleh yaitu
VMIN = 0 x 5 V = 0 V (4.4)
10k + 10k
VMAX = 10k x 5 V = 2,5 V (4.5)
Agar proses setting dapat dilakukan dengan mudah, maka nilai tegangan
setting ini perlu ditampilkan pada sebuah panel meter. Untuk dapat ditampilkan pada
panel meter, maka tegangan ini terlebih dahulu perlu disangga (buffer) menggunakan sebuah op-amp yang disusun dalam konfigurasi non-inverting amplifier. Mengingat tegangan setting maksimum dari voltage divider adalah sebesar 2.5 V sedangkan
panel meter yang tersedia adalah yang berukuran lebih besar (15 V), maka tegangan ini akan dikuatkan sebesar 4 kali sehingga tegangan setting maksimum yang terbaca pada panel meter menjadi 10 V. Untuk memperoleh penguatan sebesar 4 kali ini
digunakan resistor R6 dan R7 menurut Persamaan 4.6.
β2 = 1 + (R6/ R7) (4.6)
β2 = 1 + (10k / 3300) = 4 (4.7)
Tegangan yang dihasilkan oleh op-amp masih belum mampu menggerakkan
kumparan pada panel meter sehingga perlu ditambahkan buffer arus menggunakan transistor yang disusun secara emitor follower.Faktor penguatan total apabila tegangan setting dilihat dari panel meter menjadi 60 kali.
βT = β1 xβ2 (4.8)
βT = 15 x 4 = 60 (4.9)
4.4. Fault Detector
Gambar 4.6 menampilkan rangkaian skematik sub-sistem fault detector. Sebagaimana telah disebutkan sub-sistem fault detector menerima dua jenis masukan yaitu kondisi transformator (on/off) dan signal arus lebih. Masukan kondisi transformator mengindikasikan adanya transformator yang rusak atau terlepas dari
sistem, sedangkan masukan signal arus lebih (OC) mengindikasikan apakah arus pada salah satu atau lebih line melebihi setting yang ditetapkan.Pada setiap jenis masukan sendiri terdapat tiga masukan masing-masing dari setiap fasa. Karena
sub-sistem fault detector tidak perduli mengenai fasa mana yang mengalami kegagalan, maka masukan dari setiap fasa untuk masing-masing jenis masukan dapat di-OR-kan
(oleh U1:A-D) terlebih dahulu, sehingga keluarannya akan high apabila satu atau lebih masukannya high. Selanjutnya karena untuk menyatakan kondisi fault
membutuhkan kedua kondisi masukan ini terpenuhi, maka kedua jenis masukan ini
selanjutnya di-AND-kan (oleh U2:C) sehingga keluarannya akan high apabila kedua masukannya high.
Keluaran dari gerbang AND kemudian akan memicu sebuah monostable
multivibrator digital (IC 74123) yang keluarannya akan menjadi clock bagi flip-flop JK. Monostable multivibrator ini berfungsi memberikan jeda waktu tertentu sebelum
Keluaran Q dari monostable multivibrator ini bernilai low ketika normal dan
high ketika terpicu sebagaimana ditampilkan pada tabel kebenaran, Tabel 3.12. Lama waktu kondisi terpicu sendiri dapat diatur melalui resistor RX dan kapasitor CX sesuai Persamaan 3.3. Pada tugas akhir ini dirancang jeda waktu selama 4 detik sehingga
digunakan resistor dengan nilai 33k dan kapasitor dengan nilai 330uF.
T W = 0,37 x 33 x 330.000.000 ns = 4 s (4.10)
Flip-flop JK yang digunakan IC 7467 merupakan tipe negativeedgeclock, sehingga keadaan flip-flop akan berubah ketika clock berubah dari logika high ke
low. Untuk itu clock dari flip-flop ini akan dihubungkan ke keluaran Q dari monostable multivibrator sehingga flip-flop akan terpicu setelah jeda waktu beberapa
detik setelah multivibrator dipicu. Dengan masukan K terhubung ke ground dan masukan J terhubung ke keluaran AND (U2:C), maka keluaran dari flip-flop ini akan
bernilai sama dengan keluaran dari gerbang AND (U2:C) yang akan bernilai high (1) apabila masih terjadi kondisi yang menyebabkan fault (ada transformator yang rusak atau terlepas dan ada arus line yang melebihi setting), atau tetap bernilai low (0) apabila sistem telah kembali ke kondisi normal. Gambar 4.7 menampilkan diagram
waktu sub-sistem fault detector ketika terjadi sebuah fault.
