PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

(1)

PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK

PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

Achmad Hasan

P3 Teknologi Konversi dan Konservasi Energi

Deputi Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi

ABSTRACT

The using of Electronic Load Controller (ELC) to replace governor in Microhydro Power Plant (PLTM) can hopefully manage the enormous changing of load by giving a quick system response and lower price than governor. Because of providing power for electricity require high cost and the geographic condition of Indonesia also the unbalance spread of load, so the PLTM is the most economic energy resource. PLTM is the right plant for providing energy especially for remote area with a low load crowd and far from PLN network.

Keywords : Turbine, generator, governor, ELC, microhydro, power, complement load, consumer load.

1. PENDAHULUAN

Selama ini ada semacam konsensus bahwa pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) harus mempunyai dampak ganda, baik untuk meningkatkan penyediaan dan pemerataan energi khususnya di daerah perdesaan maupun menjadikan wahana guna meningkatkan kemampuan industri dalam negeri untuk menangani pembangunan PLTM mulai dari tahap studi kelayakan, perencanaan, pembuatan mesin dan peralatan, sampai pemasangannya. Selain itu pola pengembangan PLTM diselaraskan dengan tingkat keberadaan yang berupa teknologi tepat guna di perdesaan. Teknologi perdesaan dalam pengembangan irigasi rakyat hampir sama polanya dengan pembangunan PLTM, hanya perlu penyempurnaan karena tenaga listrik tidak mengenal musim. PLTM itu sendiri merupakan teknologi madya yang sudah diaplikasikan sejak dahulu dan diharapkan mempunyai dampak positip terhadap kreatifitas

(2)

Pengontrol Beban Elektronika Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 46

dan dinamisme masyarakat pada pola hidup dalam rangka peningkatan kesejahteraan masyarakat perdesaan.

Seperti diketahui bahwa governor pada PLTM merupakan peralatan pengatur jumlah air yang masuk ke dalam turbin agar tenaga air yang masuk turbin sesuai dengan daya listrik yang dikeluarkan oleh pembangkit hingga putaran akan konstan. Penggunaan governor tersebut kurang menguntungkan bila ditinjau secara ekonomis, karena harganya hampir sama bahkan melebihi harga turbin generator. Para produsen di dalam negeri masih belum sanggup bersaing dengan produksi luar negeri, baik dari segi kualitas maupun harganya. Untuk itu perlunya dibuat disain Electronic Load Controller (ELC) sebagai pengontrol beban komplemen pada PLTM dengan kapasitas sesuai yang dibutuhkan di lapangan.

2. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) 2.1. Komponen PLTM

Pada umumnya PLTM mempunyai tiga komponen utama yang masing-masing fungsinya sangat menentukan, yaitu : turbin air, generator, dan governor (ELC). Pada pembangkit, pengendalian putaran dimaksudkan untuk mengendalikan putaran (frekuensi) generator sehingga pengendalian putaran dalam hal ini diutamakan berfungsi sebagai pengendali frekuensi generator. Perubahan putaran (frekuensi) generator dapat disebabkan karena adanya perubahan daya penggerak. Jika daya air yang masuk ke turbin dibuat selalu tetap sehingga daya penggerak turbin selalu tetap, maka frekuensi dan respon generator akan menjadi fungsi dari beban. Agar frekuensi yang dihasilkan oleh generator besarnya selalu tetap, maka besar beban dari generator harus selalu tetap. Untuk itu diperlukan beban tiruan yang besar bebannya dapat diatur sesuai dengan pengurangan beban dari PLTM. Beban tiruan ini disebut beban komplemen. Pada suatu kondisi beban tertentu (misal pada beban sebesar 75% beban

(3)

penuh), daya air yang masuk ke turbin diatur sehingga diperoleh putaran generator yang dikehendaki. Jika pada beban konsumen terjadi penurunan beban sebesar ∆I, maka beban komplemen akan dilewati arus yang rata-ratanya akan sebesar penurunan arus akibat turunnya beban konsumen (∆I). Dengan demikian generator akan dibebani dengan total beban yang selalu konstan. Diagram blok dari uraian tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Oleh karena daya yang masuk ke turbin dibuat tetap dan beban yang dirasakan oleh generator juga selalu tetap, maka putaran generator senantiasa juga tetap. Dengan kata lain, jika debit air konstan maka generator harus dibebani dengan daya konstan agar putaran generator selalu tetap. Oleh karena beban konsumen tidak selalu konstan, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ELC sedemikian rupa sehingga :

Beban Konsumen + Beban Komplemen = Kapasitas Nominal Generator

Formula tersebut berlaku untuk setiap kondisi beban konsumen. Adapun daya yang tersedia pada terminal generator dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

GENERATOR BEBAN KONSUMEN BEBAN KOMPLEMEN ∆I I I – ∆I

(4)

Pengontrol Beban Elektronika Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 48 ρ Q H Qoutput (kW) = --- ηh.ηm.ηg 0,736 75 1000 Q H = --- ηoverall 0,736 75 = 9,8 Q H ηoverall

Gambar 2. Grafik aplikasi lapangan untuk berbagai jenis turbin Power

Water flow Hn

Hea

(5)

di mana :

Q = Debit air, (m3_/detik)

H = Head, (m)

ηh = Efisiensi hidrolik penggerak mula (turbin air), (%)

ηm = Efisiensi mekanik, (%)

ηg = Efisiensi generator, (%)

ηoverall = Efisiensi turbin-generator, (%)

ρ = Massa jenis air, (kg/m3₎

Dari persamaan output generator tampak bahwa debit air berbanding terbalik dengan head, artinya jika debit airnya besar maka sudah tentu headnya rendah. Demikian pula sebaliknya, jika debit airnya besar maka headnya tinggi.

Berdasarkan grafik aplikasi lapangan untuk berbagai jenis turbin, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2, maka untuk power rating P = 50 kVA, diperoleh data sebagai berikut :

• Jenis turbin yang dapat dipakai adalah Cross Flow Turbine

• Qmaks = 3,5 m3/detik untuk Hmin = 2 m

• Qmin = 0,2 m3/detik untuk Hmaks = 35 m

Dengan kata lain, persyaratan debit air yang memenuhi adalah berada dalam range antara 3,5 m3_{/detik untuk}_head_{antara 2 m hingga 35 m.}

2.2. Sistem Kontrol Electronic Load Controller (ELC)

Pengaturan putaran generator mikrohidro dengan beban komplemen menggunakan sakelar elektronik yang terdiri atas tiga bagian utama, yaitu :

• Sensor Arus dan Rangkaian Kontrol

Alat ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus beban yang dihasilkan oleh generator sebagai akibat adanya perubahan arus

(6)

pada beban konsumen yang kemudian akan dibandingkan dengan harga referensi yang telah ditentukan. Selanjutnya rangkaian kontrol akan memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan memberikan trigger pada SCR sesuai dengan perubahan yang terjadi.

• Sakelar Elektronik (SCR)

Digunakannya SCR karena dengan mengguna-kan arus pengontrol yang kecil dapat men switch arus yang jauh lebih besar. SCR berfungsi sebagai pemutus dan penghantar arus ke beban komplemen yang pengoperasiannya diatur oleh modul kontrol berdasarkan perubahan yang terjadi. Penghantaran dan pemutusan arus dapat dilakukan dengan cara mengatur sudut penyalaan. Modul kontrol yang digunakan adalah modul kontrol yang mendeteksi perubahan arus dan mengubahnya menjadi tegangan, kemudian mengaktifkan gate SCR dengan perubahan arus yang terjadi.

• Beban Komplemen

Beban komplemen digunakan sebagai tempat pengalihan daya dari perubahan yang terjadi pada beban sebenarnya dengan tujuan untuk menjaga agar putaran generator tetap konstan meskipun terjadi perubahan arus pada beban sebenarnya.

Beban konsumen pada PLTM sebagian besar berupa beban penerangan untuk kebutuhan rumah tangga. Karenanya penyaluran daya yang dibutuhkan adalah per fasa, sehingga akan terjadi ketidak-seimbangan daya.

Sensor arus pada setiap fasa pada beban komplemen akan memberikan beban yang tetap konstan dan seimbang. PLTM akan mengalirkan arus ke beban konsumen pada setiap fasa melalui trafo arus sebagai sensor arus dari panel kontrol beban komplemen. Arus sensor ini berperan sebagai input pada rangkaian kontrol. Besar arus

(7)

sensor senantiasa sebanding dengan besar arus beban konsumen atau arus total generator pada setiap fasa. Fungsi arus sensor diubah dari yang semula fungsi arus menjadi fungsi tegangan, kemudian masuk ke rangkaian konverter. Di sini bentuk tegangan diubah menjadi tegangan searah sinus setengah gelombang.

Oleh rangkaian operational amplifier (Op-Amp), bentuk tegangan ini akan diubah menjadi gelombang segitiga, dan selanjutnya akan dibandingkan dengan gelombang gigi gergaji yang nilainya konstan. Gelombang gigi gergaji dan gelombang segitiga mempunyai prioda yang sama, karena keduanya berasal dari sumber jala-jala yang sama dengan frekuensi 50 Hz. Besar tegangan gelombang segitiga akan dipengaruhi oleh perbandingan besar arus sensor dan tegangan referensi pada rangkaian setting kapasitas. Hasil perbandingan ini akan menentukan apakah outputnya berupa pulsa lebar ataukah pulsa sempit. Selanjutnya output tersebut akan masuk ke rangkaian logik bersama dengan pulsa cacah yang dihasilkan oleh rangkaian osilator konstan.

Output rangkaian logik akan menginjeksi trafo pulsa melalui rangkaian darlington. Output trafo pulsa akan memberikan sudut kelambatan pernyalaan pada pulsa dua buah SCR yang dipasang anti paralel. Sudut kelambatan pernyataan ini akan dipengaruhi oleh perubahan beban. Jika beban konsumen besar, maka sudut kelambatan pernyalaan akan membesar pula. Hal ini akan menyebabkan konduktifitas pada SCR mengecil sehingga daya yang disalurkan ke beban komplemen juga kecil. Demikian pula sebaliknya, sehingga total beban akan tetap konstan. Diagram blok satu garis sistem kontrol ELC mikrohidro 50 kVA seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

(8)

2.3. SPESIFIKASI TEKNIS ELC

Tabel 1.

Spesifikasi teknis ELC mikrohidro 50 kVA

NO. U R A I A N KETERANGAN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11. Tegangan Input Tegangan Output Jumlah Fasa Frekuensi Kapasitas

Arus Output Maksimum Beban Komplemen

Tahanan Beban Komplemen Sistem Kompensasi Beban

Temperatur Kerja (ruang) Maksimum Box Panel : • Tipe • Tinggi • Lebar • Tebal • Berat 220 / 380 Volt 220 / 380 Volt 3 50 Hz 50 kVA 70 Amp / Fasa Resistif 3 Ohm / Fasa Linier 400C

Indoor, Wall Mounted 770 mm 654 mm 330 mm 60 kg

(9)

3. PEMBAHASAN 3.1. Analisis Rangkaian

Analisis rangkaian kontrol ELC mikrohidro 50 kVA ini mengacu pada Gambar 4. Untuk rangkaian sensor arus dan rangkaian kontrol diklasifikasikan atas beberapa bagian yang tergabung dalam satu modul, yaitu :

• Rangkaian catu kontrol

• Rangkaian referensi fasa yang dideteksi

• Rangkaian osilator

• Rangkaian deteksi perubahan arus

• Rangkaian integrasi

• Rangkaian trigger (kontrol)

• Rangkaian catu daya

(10)

Tegangan AC 220V, 50Hz dari generator PLTM diturunkan dengan bantuan trafo step down (T2) hingga menjadi 12V sebagai catu daya dan regerensi fasa. Tegangan tersebut disearahkan oleh dioda bridge untuk selanjutnya disalurkan ke IC LM324 sebagai referensi fasa yang dideteksi. Kemudian tegangan tersebut disalurkan ke regulator LM7812CK yang berfungsi mengatur tegangan agar tetap konstan sebesar 12V, selanjutnya dihubungkan ke pin 4 (reset) dan pin 8 (Vcc) IC LM555 (sebagai generator pulsa). Frekuensi gelombang tegangan generator sinusoida akan masuk ke pin 3 IC LM324 (U1A), di mana pada output pin 2 gelombangnya berbentuk pulsa persegi. Pulsa ini akan diumpan balik (feedback) ke IC LM555 (U4) melalui pin 7 (discharge), pin 6 (threshold), pin 2 (trigger), sebagai osilator input untuk memperoleh osilator output dengan frekuensi konstan. Output pin 2 pada IC LM555 (U4) tersebut terhubung dengan pin 5 pada IC LM324 (U1B) melalui tahanan 4k7 ohm, arus pada output pin 7 terbangkitkan pulsa berbentuk gigi gergaji. Selanjutnya output pin 7 dihubungkan ke pin 12 IC LM324 (U1D) untuk diperkuat outputnya pada pin 14, dan akan dibandingkan dengan hasil pulsa rangkaian pendeteksi perubahan pada beban sebenarnya. Hasil penyearahan oleh dioda bridge yang berbentuk tegangan DC akan dibangkitkan menjadi gelombang ramp oleh IC LM324 (U2A) melalui pin 2 dan diatur oleh pin 3 yang mengandung multiturn (R14, R16), untuk selanjutnya diperkuat yang mana bentuk gelombangnya diubah menjadi gigi gergaji untuk dibandingkan melalui pin 9 IC LM324 (U1C). Output pin 8 merupakan hasil penguatan pulsa perubahan beban sebenarnya yang akan dibandingkan dengan pulsa referensi pada pin 1 IC LM324 (U1A) melalui pin 5 dan pin 6 IC MC14011(U3B). Hasil perbandingan tersebut akan dibandingkan lagi dengan pulsa referensi yang fasanya konstan pada pin 7 IC LM555 (U4) melalui pin 12 dan pin 13 IC MC14011 (U3D), sehingga bila terjadi perubahan pada beban sebenarnya maka perubahannya mendekati linier. Pada

(11)

rangkaian pencatu daya terdapat penguat darlington yang berfungsi memperbesar daya dalam penyalaan SCR.

Pada rangkaian ini, output pin 10 IC MC14011 (U3C) akan diperkuat oleh rangkaian darlington untuk selanjutnya dibagi ke pencatu daya SCR sesuai dengan perubahan yang terjadi pada pendeteksian rangkaian kontrol (trigger). SCR bekerja (ON) setelah memperoleh sinyal trigger yang berasal dari rangkaian kontrol, dan tegangan di anoda lebih besar dari pada tegangan di katoda.

Jika terjadi perubahan arus beban generator maka rangkaian kontrol arus akan mengaktifkan SCR dengan memberikan sinyal trigger pada gate sehingga SCR akan menghantar (ON). SCR berkonduktansi dari 00_{hingga 180}0_{C. Konduktansi SCR ditentukan}

oleh sudut penyalaannya. SCR akan menjadi OFF (tidak menghantar) bila tegangan di anoda lebih kecil dari pada tegangan di katoda, dan arus tersebut telah merosot pada aras (level) yang rendah atau pada titik nol. Dengan kata lain, SCR akan menjadi OFF bila tegangan yang diberikan pada SCR berubah dari setengah gelombang positip ke gelombang negatip.

3.2. Printed Circuit Board (PCB)

PCB pada ELC mikrohidro 50 kVA terdiri dari tiga buah kontrol linier (untuk fasa R, S, dan T). Sensor untuk kontrol linier diambil dari output generator. Di atas PCB kontrol linier, dipasang berbagai jenis komponen elektronis. Adapun tata letak komponen kontrol linier tersebut seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Perlu diperhatikan bahwa setiap selesai pemasangan jenis komponen, timah solder harus melekat pada jalur yang benar. Untuk itu perlu memperhatikan bottom layer PCB kontrol linier seperti ditunjukkan pada Gambar 6.

(12)

Gambar 5. Tata letak komponen kontrol linier

(13)

Untuk mengetahui bagaimana tahapan kegiatan yang dilakukan dalam pembuatan prototipe pengontrol beban elektronik mikrohidro 50 kVA, seperti ditunjukkan pada flowchart Gambar 7

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis rangkaian, maka dapat

MULAI DISAINRANGKAIAN PEGANGAN KOMPONEN UNTUK BREAD-BOARDING UJI KINERJA DISAIN BOX

DISAIN TATA LETAK

KOMPONEN & WIRING

PEGANGAN BAHAN MEKANIK, ELEKTRIK & ELEKTRONIK PEMBUATAN BOX ASSEMBLING PANEL KOMPONEN POWER DAN WIRING YA TIDAK OK PEMBUATAN PERAKITAN DAN UJI KINERJA PCB OK PENGESETAN MODUL PCB YA TIDAK YA TIDAK OK A A PEMASANGAN DAN WIRING PCB PADA PANEL PERIKSA HUBUNGAN WIRING PENGUKIAN PANEL KONTROL DI LEM FINISHING DAN PERBAIKAN PENGUMPULAN PENYUSUNAN DATA PENGUJIAN PANEL KONTROL DI INSTANSI PENGESETAN MODUL PCB OK YA TIDAK YA TDK OK SELESAI

Gambar 7. Flowchart pembuatan prototipe ELC mikrohidro 50 kVA

(14)

4. KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis rangkaian, maka dapat diambil kesimpulan dan saran sebagai berikut :

1. PLTM dengan sistem beban komplemen, membutuhkan ketersediaan air yang cukup melimpah, dan generator senantiasa terbebani penuh secara terus-menerus.

2. Dengan menggunakan pengontrol beban elektronik (ELC) sebagai pengganti governor pada PLTM dan beban komplemen, maka selain sangat ekonomis juga konstruksi turbin menjadi lebih sederhana, karena tidak memerlukan pengaturan sudut.

3. Frekuensi sistem PLTM sepenuhnya bergantung pada kecepatan generator yang diputar oleh penggerak mulanya (turbin air). Oleh karena itu kontrol frekuensi pada dasarnya adalah kontrol kecepatan putaran turbin generator pada unit pembangkitan tersebut.

4. Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka ELC dapat didisain agar sistem pengontrolannya dapat dihubungkan dengan micro controller, yaitu dalam bentuk program perangkat lunak. DAFTAR PUSTAKA

[1]. Burr Brown, “Operational Amplifier : Design and Application”, McGraw Hill, Kogakusha Ltd., Revised Edition, 1975.

[2]. Harry, S, “Konsep-Konsep Pengendalian Frekuensi Untuk PLTM”, ITB, Bandung, 2000.

[3]. Henderson, D.S, and Macpherson, D.E, “Development of a Three Phase, Micro Processor Based Electronic Load Controller for Microhydro Generation”, Dept. of Electrical Engineering, University of Edinburgh, 1989.

[4]. Muchlison, “Pengembangan Sumber Energi Mikrohidro di Indonesia”, Lokakarya ASEAN Energi Non Konvensional dan Terbarukan, Bandung, Desember, 1993.

[5]. Suryadi, Chamid, “Pengendali Elektronik Putaran Turbin”, Lokakarya PLTM, PLN – PPMK, Jakarta, 1995.