Switching Kapasitor untuk Penghematan Biaya Listrik Yudhi Andrian1
Email :
[email protected] ABSTRAKSI
Beban listrik yang digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang menyebabkan gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai oleh beban, sehingga menimbulkan kerugian yang tidak sedikit. Kerugian daya yang disebabkan beban reaktif induktif bisa dikurangi dengan memperbaiki faktor daya. Sistem yang dirancang mencoba membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel. Dengan kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu mendekati nilai maksimumnya. Faktor daya dihitung dengan cara membandingkan antara sinyal analog arus bolak balik yang dihasilkan oleh sensor arus dengan sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus disebut beban induktip. Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor melalui relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller. Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140 Watt, sehingga data yang diperoleh merupakan data hasil penghematan daya listrik. Besarnya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban. Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi, dimana penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
Kata kunci : Switching kapasitor, penghematan daya, faktor daya, mikrokontroller ATMEGA8535.
ABSTRACT
Electrical load is used generally have inductive reactive load that caused the current wave lags behind the voltage wave. This resulted in the amount of power absorbed from the power source is greater than that used by the load, causing a loss that is not small. Power loss caused by inductive reactive load can be reduced by improving the power factor. System designed try to make a system that connects the circuit power factor is measured by a combination of capacitors that are strung in parallel. With this combination, the expected value of the corrected power factor able to approach its maximum value. Power factor is calculated by comparing the analog signal of alternating current generated by the current sensor with analog signals generated by the voltage sensor. If the analog voltage signal precedes the current analog signal, this is called the load induktip. Furthermore microcontoller will control the switching of capacitors through a relay in accordance with the results of calculations on the microcontroller. Testing is done by connecting an inductive load of TL lamps with various power, starting from 20 watts to 140 Watt power load, so the data obtained by the data of electric power saving. The amount of electric power saving varies, depending on the size of the capacitor is connected to the load. From the test results obtained that the power is successfully saved varies, where the minimum savings is 3.24% and maximum is 7.39%.
Keywords : Switching Capasitor, power saving, power factor, microcontroller ATMEGA8535.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik mengalami peningkatan setiap tahunnya, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun dalam dunia industri. Beban listrik yang digunakan umumnya mempunyai beban bersifat reaktif induktif yang menyebabkan gelombang arus tertinggal dari gelombang tegangan. Hal ini mengakibatkan besarnya daya yang diserap dari sumber lebih besar daripada daya yang dipakai oleh beban (faktor daya tidak maksimal), sehingga menimbulkan kerugian yang tidak sedikit. Kerugian daya yang disebabkan beban reaktif induktif bisa dikurangi dengan memperbaiki faktor daya.
Sistem perbaikan faktor daya yang telah ada saat ini hanyalah dengan menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor paralel. Sehingga hasil yang dicapai belum tentu sesuai untuk semua beban dan faktor daya yang dihasilkan bias saja bukan merupakan faktor daya yang maksimum. Untuk mengatasi hal tersebut, sistem yang akan dirancang ini mencoba membuat suatu sistem yang menghubungkan rangkaian yang diukur faktor dayanya dengan suatu kombinasi kapasitor yang terangkai secara paralel. Dengan kombinasi ini diharapkan nilai faktor daya yang telah diperbaiki mampu mendekati nilai maksimumnya.
RANCANGAN SISTEM Diagram Blok Rangkaian
MCB digunakan untuk memutuskan atau menghubungkan hubungan jala-jalan listrik ke beban yang diuji.
Untuk mengukur tegangan digunakan sensor tegangan. Sensor tegangan yang digunakan adalah trafo stepdown, lalu tegangannya diturunkan dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan. Output dari sensor tegangan akan menjadi masukan ke internal ADC dari mikrokontroller ATMega8535.
Sensor arus berfungsi untuk mengukur kuat arus. Output sensor arus akan menjadi input untuk ADC internal mikrokontroller ATMega8535.
Mikrokontroller berfungsi mengolah data input, menampilkannya pada display LCD dan melakukan tindakan sesuai dengan system kerja alat.
cos φ dihitung dengan cara membandingkan antara sinyal analog arus bolak balik yang dihasilkan oleh sensor arus dan sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor tegangan. Jika sinyal analog tegangan mendahului sinyal analog arus disebut beban induktip, jika sebaliknya sinyal analog arus mendahului sinyal analog tegangan disebut beban kapasitip.
Selanjutnya mikrokontoller akan mengendalikan switching kapasitor melalui relay sesuai dengan hasil perhitungan pada mikrokontroller.
Tombol setting berfungsi untuk menentukan apakah sistem akan dijalankan secara manual atau otomatis.
Desain Hardware
Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA8535
Pada perancangan alat ini akan digunakan mikrokontroller ATMEGA8535 yang berfungsi untuk membaca tegangan analog dari sensor tegangan dan sensor arus, membaca inputan dari tombol, menampilkan data hasil perhitungan ke LCD dan mengendalikan relay. Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler ATMEGA8535. Pada IC inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai
dengan yang dikehendaki. Dalam menjalankan chip IC
mikrokontroler ATMEGA8535 memerlukan komponen elektronika pendukung lainnya. Suatu rangkaian yang paling sederhana dan minim komponen pendukungnya disebut sebagai suatu rangkaian sistem minimum. Sistem minimum ini berfungsi untuk membuat rangkaian mikrokontroller dapat bekerja, jika ada komponen yang kurang, maka mikrokontroller tidak akan bekerja. Dalam perancangan alat ini, sistem minimum mikrokontroler ATMEGA8535 terdiri dari:
1. Chip IC mikrokontroler ATMEGA8535 2. Kristal 11.0592 MHz
3. Kapasitor 4. Resistor
Gambar 2 Rangkaian mikrokontroller ATMEGA8535
Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port A, port B, port C dan port D. Pin 33 sampai 40 adalah Port A yang merupakan port ADC, dimana port ini dapat menerima data analog. Pin 1 sampai 8 adalah port B. Pin 22 sampai 29 adalah port C. Dan Pin 14 sampai 21 adalah port D. Pin 10 dihubungkan ke sumber tegangan 5 volt. Dan pin 11 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini menggunakan komponen kristal sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu. Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor dan sebuah resistor yang dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktip. Lamanya waktu antara aktipnya power pada IC mikrokontroler dan aktipnya program adalah sebesar perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut.
Rangkaian Relay Pengendali Kapasitor
Gambar 3 Rangkaian relay Pengendali Kapasitor
Relay merupakan salah satu komponen elektronik yang terdiri dari lempengan logam sebagai saklar dan kumparan yang berfungsi untuk menghasilkan medan magnet. Pada rangkaian ini digunakan relay 12 volt, ini berarti jika positip relay (kaki 1) dihubungkan ke sumber tegangan 12 volt dan negatip relay (kaki 2) dihubungkan ke ground, maka kumparan akan menghasilkan medan magnet, dimana medan magnet ini akan menarik lempengan yang mengakibatkan saklar (kaki 3) terhubung ke kaki 4. Dengan demikian, kita dapat mengunakan kaki 3 dan kaki 4 pada relay sebagai saklar untuk menghubungkan kapasitor ke sumber tegangan PLN.
Pada rangkaian ini untuk mengaktipkan atau menon-aktipkan relay digunakan transistor tipe NPN. Dari gambar dapat dilihat bahwa negatip relay dihubungkan ke kolektor dari transistor NPN (2SC945), ini berarti jika transistor dalam keadaan aktip maka kolektor akan terhubung ke emitor dimana emitor langsung terhubung ke ground yang menyebabkan tegangan di kolektor menjadi 0 volt, keadaan ini akan mengakibatkan relay aktip. Sebaliknya jika transistor tidak aktip, maka kolektor tidak terhubung ke emitor, sehingga tegangan pada kolektor menjadi 12 volt, keadaan ini menyebabkan tidak aktip.
Kumparan pada relay akan menghasilkan tegangan singkat yang besar ketika relay dinon-aktipkan dan ini dapat merusak transistor yang ada pada rangkaian ini. Untuk mencegah kerusakan pada transistor tersebut sebuah dioda harus dihubungkan ke relay tersebut. Dioda dihubungkan secara terbalik sehingga secara normal dioda ini tidak menghantarkan. Penghantaran hanya terjadi ketika relay dinonaktipkan, pada saat ini arus akan terus mengalir melalui kumparan dan arus ini akan dialirkan ke dioda. Tanpa adanya dioda arus sesaat yang besar itu akan mengalir ke transistor, yang mengakibatkan kerusakan pada transistor.
Untuk menentukan tipe transistor yang digunakan, maka harus diketahui arus yang mengalir pada relay. Relay yang digunakan adalah JQX-4453, relay ini membutuhkan arus 34 mA untuk dapat bekerja, maka transistor yang digunakan harus dapat mengalirkan arus 34 mA pada colektornya. Pada alat ini digunakan transistor tipe NPN C945, yang dapat mengalirkan arus maksimal 100 mA pada kolektornya.
Sensor Arus ACS712
ACS712 adalah Hall Effect current sensor. Hall effect allegro ACS712 merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan arus didalam dunia industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi. Pada umumnya aplikasi sensor ini biasanya digunakan untuk mengontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih.
Output/keluaran dari sensor ini sebesar (>VIOUT(Q)) saat peningkatan arus pada penghantar arus (dari pin 1 dan pin 2 ke pin 3 dan 4), yang digunakan untuk pendeteksian atau perasa arus. Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,2 mΩ dengan daya yang rendah. Jalur terminal konduktif secara kelistrikan diisolasi dari sensor leads/mengarah (pin 5 sampai pin 8). Hal ini menjadikan sensor arus ACS712 dapat digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan isolasi listrik tanpa menggunakan opto-isolator atau teknik isolasi lainnya yang mahal. Ketebalan penghantar arus didalam sensor sebesar 3x kondisi overcurrent. Sensor ini telah dikalibrasi oleh pabrik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 4 Blok Diagram berikut :
Gambar 4 Blok diagram Sensor Arus ACS712 Sensor Tegangan
Sensor tegangan yang digunakan adalah dengan menggunakan trafo step down, trafo ini juga digunakan sebagai power supplay. Rangkaian sensor tegangan ditunjukkan pada gambar 5 berikut ini:
Gambar 5 Sensor tegangan
Sensor tegangan ini menggunakan trafo, output trafo diturunlan lagi tegangannya menggunakan rangkaian pembagi tegangan.
Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)
Gambar 6 Rangkaian Skematik dari LCD ke mikrokontroler
Pada gambar rangkaian di atas pin 1 dihubungkan ke Vcc (5V), pin 2 dan 16 dihubungkan ke Gnd (Ground), pin 3 merupakan pengaturan tegangan Contrast dari LCD, pin 4 merupakan Register Select (RS), pin 5 merupakan R/W (Read/Write), pin 6 merupakan Enable, pin 11-14 merupakan data. Reset, Enable, R/W dan data dihubungkan ke mikrokontroler Atmega8535. Fungsi dari potensiometer (R2) adalah untuk mengatur gelap/terangnya karakter yang ditampilkan pada LCD.
Rancangan Flowchart
Untuk menjelaskan proses-proses yang terjadi dalam sistem switching kapasitor untuk
penghematan daya listrik menggunakan mikrokontroller atmega8535 ini, penulis
menggunakan bagan alir (flowchart). Adapun bentuk flowchart dari rancangan proses
Gambar 7 Rancangan Flowchart Cara Kerja Sistem Pengujian dan Analisa Sistem.
Pengujian beban tanpa penghematan daya Listrik
diperoleh merupakan data beban daya yang sebenarnya, tanpa ada penghematan daya listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data arus, tegangan, cos phi dan daya terukur sebagai berikut:
BEBAN BEBANDAYA ARUS TEGANGAN COSPHI TerukurDAYA
TANPA BEBAN 0 0 210 0 0,00
LAMPU TL 20 W 20 0,1 210 0,96 20,16
LAMPU TL 40 W 40 0,2 210 0,94 39,48
LAMPU TL 40 W +20 W 60 0,34 209 0,85 60,40
LAMPU TL 40 W + 40 W 80 0,47 209 0,82 80,55
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W 100 0,82 208 0,59 100,63
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W 120 1,07 208 0,54 120,18
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W 140 1,41 207 0,48 140,10
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa penghematan daya listrik ditunjukkan pada gambar 8 sebagai berikut:
Gambar 8 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur tanpa penghematan daya listrik
Dari gambar 8 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya beban dengan grafik daya terukur berhimpit, ini menunjukkan bahwa, pembacaan yang dilakukan oleh alat sesuai dengan beban yang diukur.
Pengujian beban dengan penghematan daya Listrik
Pengujian dilakukan dengan menghubungkan beban induktif berupa lampu TL dengan daya yang bervariasi, dimulai dari beban daya 20 Watt sampai beban 140 Watt. Pada pengujian ini switching kapasitor diaktifkan, sehingga data yang diperoleh merupakan data hasil penghematan daya listrik. Dari hasil pengujian didapatkan data arus, tegangan, cos phi dan daya terukur sebagai berikut:
BEBAN Terukur
LAMPU TL 20 W 20 0,09 210 0,98 18,52
LAMPU TL 40 W 40 0,18 210 0,98 37,04
LAMPU TL 40 W +20 W 60 0,28 210 0,98 57,62
LAMPU TL 40 W + 40 W 80 0,38 210 0,97 77,41
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W 100 0,47 209 0,98 96,27
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W 120 0,56 209 0,98 114,70
Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan penghematan daya listrik ditunjukkan pada gambar 9 sebagai berikut:
Gambar 9 Grafik perbandingan Daya Beban dengan daya yang terukur dengan penghematan daya listrik
Dari gambar 9 dapat dilihat bahwa grafik nilai daya terukur berada di bawah grafik daya beban, ini menunjukkan bahwa daya terukur lebih kecil dari daya beban, hal ini disebabkan karena adanya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh switching kapasitor.
Besarnya penghematan daya listrik yang dilakukan oleh alat bervariasi, tergantung dari besarnya kapasitor yang terhubung ke beban. Besarnya penghematan daya listrik dapat dilihat pada tabel berikut ini:
BEBAN
DAYA BEBAN
DAYA Terukur
%
Penghematan Daya
LAMPU TL 20 W 20 18,52 7,39%
LAMPU TL 40 W 40 37,04 7,39%
LAMPU TL 40 W +20 W 60 57,62 3,96%
LAMPU TL 40 W + 40 W 80 77,41 3,24%
LAMPU TL 40 W + 40 W + 20 W 100 96,27 3,73%
LAMPU TL 40 W + 40 W + 40 W + 20 W 140 129,75 7,32%
Dari tabel hasil penghematan daya listrik di atas, didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat mencapai 7,39 %. Hal ini sangat membantu dalam mengurangi beban daya listrik yang digunakan baik dalam rumah tangga maupun dalam industry, sehingga dapat menghemat biaya pengeluaran untuk pembayaran listrik.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian di atas, maka kesimpulannya adalah
1. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa besarnya faktor daya (cos phi)
berbanding terbalik dengan besarnya beban daya dan arus.
2. Semakin besar beban daya dan arus yang diukur, maka semakin kecil pula
faktor dayanya, demikian pula sebaliknya.
3. Tanpa switching kapasitor daya terukur oleh alat akan sama dengan daya
beban.
4. Dengan menggunakan switching kapasitor daya yang terukur lebih rendah dari
daya beban sebenarnya.
5. Dari hasil pengujian didapat bahwa daya listrik yang berhasil dihemat bervariasi, dimana penghematan minimal sebesar 3,24 % dan maksimal mencapai 7,39 %.
DAFTAR PUSTAKA
Bejo, Agus. 2008. C dan AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler
Atmega8535. Edisi Pertama. Yogyakarta: Graha Ilmu.
