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 : anton.poli2000@gmail.com
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
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 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]
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]
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.
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
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.
konsumen dan tegangan generator seperti gambar dibawah ini:
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].
