Jurnal
Elektro
PENS
Teknik Elektro Industri Vol.2, No.2, 2014
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Rancang Bangun Charger Baterai dan
Automatic Transfer Switch
(ATS) Panel Surya – PLN Untuk Sumber Daya Tempat Sampah
Otomatis
Mughni Syahid
[1], Drs. Irianto, MT
[2], Epyk Sunarno, S.ST, MT
[3][1] Mahasiswa [2] Dosen Pembimbing 1 [3] Dosen Pembimbing 2
Program Studi D3 Teknik Elektro Industri Departemen Teknik Elektro Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111
Tel: (031) 594 7280; Fax: (031) 594 6114
Email:syahidmughni@gmail.com,irianto@eepis-its.edu, epyk@eepis-its.edu
Abstrak
Panel Surya adalah pembangkit listrik yang sangat tergantung cahaya matahari. Pada sistem solar charger dengan sumber hanya panel surya maka charger baterai tidak akan mengisi baterai ketika cuaca mendung sehingga waktu pengisian menjadi lama. Pada proyek akhir ini dibuat charger baterai yang dilengkapi dengan Automatic Transfer Switch (ATS) sumber panel surya dan PLN agar ketika cuaca mendung sumber charger baterai berasal dari PLN. Baterai ini nantinya akan digunakan untuk sumber daya peralatan elektronik tempat sampah otomatis. Metode charger yang dipakai adalah metode arus konstan setpoint 1,44 Ampere dan tegangan konstan setpoint 14,4 Volt yang bekerja secara sekuensial. Untuk mejaga agar kondisi konstan sesuai setpoint maka output buck converter dipasang sensor arus dan tegangan untuk umpan balik ke mikrokontroller yang terdapat program kontrol propotional integral (PI) agar merubah nilai duty cycle converter secara otomatis. Kontrol PI dapat menstabilkan tegangan output sesuai dengan setpoint 14,4 Volt dengan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai steady state adalah 1,1 detik. Pada charger baterai ini untuk mengisi baterai membutuhkan waktu 6 sampai dengan 6,5 jam.
1.Pendahuluan
Saat ini, penggunaan panel surya sebagai energi terbarukan memang sudah berkembang pesat. Panel surya menghasilkan energi gratis dengan mengkonversi cahaya matahari menjadi energi listrik yang dapat disimpan ke dalam baterai sehingga dapat digunakan kapan pun baik siang maupun malam. Permasalahan yang terjadi jika menggunakan panel surya sebaga sumber energi listrik adalah ketika cuaca mendung. Ketika cuaca mendung panel surya tidak dapat menangkap cahaya matahari secara maksimal sehingga tidak dapat mengkonversi secara maksimal ke energi listrik dan daya yang dihasilkan rendah. Jika digunakan untuk mencharger baterai maka pengisian baterai menjadi lambat dan lama atau bahkan tidak terjadi pengisian karena tegangan terlalu kecil. Pada Proyek Akhir ini dibuat charger baterai yang dilengkapis dengan automatic transfer switch (ATS) untuk sumber dari panel surya dan sumber PLN. Sensor LDR digunakan untuk mengetahui kondisi cerah atau mendung sehingga sumber charger dapat dipilih secara otomatis. Diharapkan dengan metode charger ini pengisian baterai tidak terkendala saat cuaca mendung dan baterai dapat diisi dengan maksimal. Gambar 1.1 menunukkan blog diagram sistem secara keseluruhan.
Gambar 1.1. Blok Diagram Sistem Keseluruhan.
Untuk menyempurnakan tujuan diatas maka digunakan beberapa referensi yaitu “Rancang Bangun
Solar Charger Untuk Keperluan Daerah Pendakian
dan Perkemahan Menggunakan Metode PI
Controller” ditulis oleh A. Arif Gunawan Amri [1], “Rancang Bangun Sistem Pedal Power Sebagai Energi Alternatif” ditulis oleh M. Thanthawi Yahya [2], “Disain Prototype DC–DC Konverter Untuk Topologi Baru Pemanfaatan Photovoltaic Pada LED Sebagai Sumber Penerangan Dalam Rumah Standart” ditulis oleh Achmad Mufid [3].
2.Metode
2.1 Panel Surya
Panel surya adalah pembangkit listrik yang mengubah cahaya matahari menjadi listrik. Panel surya juga sering disebut dengan solar cell. Efisiensi dari panel surya sangat tergantung dari intensitas cahaya matahari, semakin cerah cahaya matahari maka semakin bagus efisiensinya. Pada sistem ini menggunakan panel surya 2 x 30 Wp sehingga menghasilkan daya 60 Wp. Gambar 2.1 menunjukkan bentuk fisik dari panel surya.
Gambar 2.1. Bentuk Fisik dari Panel Surya
2.2 Buck Converter
Gambar 2.2. Rangkaian buck coverter
Output Buck converter dapat dirumuskan:
( 2.1 )
Dimana:
Vout : Tegangan output (Volt)
D : Duty cycle
Vin : Tegangan input (Volt)
2.3 Totempole
Rangkaian totemplole digunakan untuk mengurangi atau meminimalkan power losses pada
switching elektronik. Gambar 2.3 menunjukkan
rangkaian totempole.
Gambar 2.3. Rangkaian Totempole
2.4 Pembangkitan PWM (Pulse Widht Modulation)
Pembangkitan PWM untuk sistem switching
mosfet adalah dengan mengatur duty cycle PWM agar
output tegangan buck converter dapat berubah.
Pembangkitan PWM pada mikrokontroller
memanfaatkan Timer 1 dengan variabel untuk mengatur PWM adalah OCR1A. Gambar 2.4 menunjukkan pembangkitan sinyal PWM dengan mikrokontroller.
Gambar 2.4. Pembangkitan Sinyal PWM dengan Mikrokontroller
2.5 Sensor Tegangan
Sensor tegangan menggunakan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel dengan output buck converter. Fungsi resistor ini adalah untuk menurunkan tegangan dari tegangan sumber menjadi tegangan yang dikehendaki. Gambar 2.5 menunjukkan gambar rangkaian sensor tegangan dengan resistor pembagi tegangan.
Gambar 2.5. Rangkaian Sensor Tegangan.
Dari rangkaian di atas dapat dihitung bahwa tegangan keluaran pada R2 adalah:
( 2.2)
Dimana:
Vs : Tegangan input / V out buck
(Volt)
Vo : Tegangan output / ADC 0 (Volt)
R1 : Resistor 1 (Ohm)
R2 : Resistor 2 (Ohm)
2.6 Sensor Arus ACS 712
Sensor arus ACS 712 adalah salah satu solusi ekonomis dan presisi dalam pengukuran arus AC maupun DC. Sensor srus ini bekerja dengan prinsip medan magnet atau hall effect. Sensor arus yang digunakan dalah berkapasits maksimal 5 Ampere. Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian dari sensor arus ACS ACS 712.
Gambar 2.6. Rangkaian Sensor Arus ACS712.
0 255
0
OCR1A 255
0
OCR1A 255
0
OCR1A OCR1A 255 0
2.7 Sensor LDR
Sensor cahaya light dependent resistor (LDR) dipakai untuk mendeteksi intensitas cahaya. Jika intensitas cahaya tinggi maka resistansi LDR akan kecil begitu sebaliknya. Gambar 2.7 menunjukkan rangkain sensor LDR.
Gambar 2.7. Rangkaian Sensor LDR
2.8 Relay
Relay adalah sebuah saklar elektronik yang dapat dikendalikan dari rangkaian elektronik lainnya yaitu bagian colinya. Relay standart memiliki kontak No dan NC. Gambar 2.8 menunjukkan rangkaian relay.
Gambar 2.8. Rangkain Relay
2.9 Penyearah AC ke DC
Rangkaian penyearah ini menggunakan dioda untuk menyearahkan tegangan AC dari output transformator menjadi tegangan DC. Sistem penyearah ini adalah gelombang penuh menggunakan 2 buah dioda sehingga menggunakan transformator CT. Gambar 2.9 menunukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dua dioda.
Gambar 2.9. Rangkain Penyarah
2.10 Regulator 5 V
Regulator 5 volt ini menggunakan ic LM2576 untuk mnyuplay tegangan mikrokontroller, lcd, relay
dan sensor arus. Rangkain regulator dengan ic LM2576 seperti ditunjukkan pad gambar 2.10.
Gambar 3.10. Rangkain Regulator (LM2576)
2.11 Sensor PLN
Rangkain sensor PLN ini digunakan untuk mendeteksi ada tidaknya tegangan PLN. Output dari rangkain ini adalah high/low atau 1/0. Rangkain sensor PLN seperti ditunjukkan pad gambar 2.11.
Gambar 3.11. Rangkain Sensor PLN
2.12 Minimum sistem ATMega 16
Mikrokontroller adalah otak untuk mengontrol kerja dari sistem ATS dan charger baterai buck
converter. Pada proyek akhir ini digunakan
mikrokontroler jenis ATmega16 yang memiliki 4 port
yang masing-masing 8 bit serta fasilitas lainnya seperti ADC untuk sensor dan timer untu PWM. Gambar 2.12 menunjukkan rangkain minimum sistemAtmega 16.
Gambar 2.12. Minimum Sistem Mikrokontroler ATMega 16.
3.Hasil Pengujian
3.1 Pengujian Kontrol PI
Pengujiann kontrol PI dilakukan pula dengan memberikan gangguan pada tegangan output buck converter sehingga diketahui apakah tegangan output
setpoint. Gangguan dilakukan dengan memberikan beban tambahan pada output buck converter tersebut.. Gambar 3.1 menunjukkan gambar respon tegangan output buck converter saat diberikan gangguan. Respon tegangan output tersebut ditampilkan pada oscilloscope dengan memperbesar nilai time/div.
Gambar 3.1. Respon Tegangan Output Buck
Converter saat Diberikan Gangguan Penambahan
Beban
Dari Gambar 3.1 respon tegangan output buck converter tersebut diketahui waktu tunak (settling time) yaitu ukuran waktu yang menyatakan respon telah masuk ±5%, atau ±2%, atau ±0.5% dari keadaan
steady state sebesar 4,4 div x 250 ms = 1100ms. Sehinggga waktu untuk tegangan output menjadi stabil adalah 1,1 dekik.
3.2 Pengujian Charger Sumber PLN
Pada pengujian ini adalah untuk mengetahui nilai tegangan, arus dan waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai hingga penuh dengan sumber PLN. Tabel 3.1 menunjukkan pengujian dari charger baterai dengan sumber PLN.
Tabel 3.1. Pengujian Charger Baterai Sumber PLN
Waktu
Dari pengujian charger baterai tersebut diketahui bahwa charger dimulai saat tegangan baterai adalah 10,48 Volt. Dengan metode arus konstan yaitu arus 1,44 Ampere maka tegangan charger ketika dihubungkan dengan baterai menjadi 11,75 Volt.Tegangan baterai akan mengalami kenaikan begitu pula tegangan chargernya. Setelah tegangan charger mengalami kenaikan mencapai 14,4 V maka mode charger berganti ke mode tegangan konstan. Gambar 3.2 menunjukkan grafik tegangan charger dan tegangan baterai sumber PLN. Gambar 3.3 menunjukkan grafik arus charger sumber PLN.
Gambar 3.2. Grafik Tegangan Charger dan Tegangan Baterai Sumber PLN
Gambar 3.3. Grafik Arus Charger Sumber PLN
3.3 Pengujian Charger Sumber Panel Surya
Tabel 3.2. Pengujian Charger Baterai Sumber Panel Surya
Dari pengujian charger baterai tersebut diketahui bahwa charger dimulai saat tegangan baterai adalah 10,80 Volt. Dengan metode arus konstan yaitu arus 1,44 Ampere maka tegangan charger ketika dihubungkan dengan baterai menjadi 11,90 Volt.Tegangan baterai akan mengalami kenaikan begitu pula tegangan chargernya. Setelah tegangan charger mengalami kenaikan mencapai 14,4 V maka mode charger berganti ke mode tegangan konstan. Gambar 3.4 menunjukkan grafik tegangan charger dan tegangan baterai sumber panel surya. Gambar 3.5 menunjukkan grafik arus charger sumber panel surya.
Gambar 3.4. Grafik Tegangan Charger dan Tegangan Baterai Sumber Panel Surya
Gambar 3.5. Grafik Arus Charger Sumber Panel Surya
3.4 Kesesuaian sistem dengan perencanaan
Dari hasil pengujian alat dan dibandingkan dengan perencanaan sebagian besar sudah sesuai dengan perencanaan sehingga sistem dapat berkerja dengan baik. Baterai yang digunakan mampu untuk menyuplay beban. Panel surya mampu untuk mencharger dari pengisian awal jam 9.30 sampai dengan jam 15.00. Dari hasil konversi sensor tegangan hasilnya sudah cukup bagus dengan error rata-rata 0,19 % sedangkan sensor arus ACS 712 5A memiliki error rata-rata 2,95 %. Sensor LDR mampu membaca ADC dan membedakan kondisi cerah dan mendung sehingga sistem ATS bekerja dengan baik. Kontrol PI dapat menstabilkan tegangan charger 14.4 Volt dengan error 2,01% dengan tegangan input charger minimal 15 Volt. Jika tegangan input semakin besar maka error pun akan semakin kecil, error terkecil terukur 0,07 %. Yang kurang sesuai dengan perencanaan adalah waktu charger yang direncanakan 5 jam dalam pengujian menjadi 6 sampai 6.5 jam.
4.Diskusi
Dari data pengujian Buck converter dapat diketahui bahwa buck converter sudah berfungsi dengan baik dengan menurunkan tegangan input saat duty cycle di set 55% seperti pada tabel 3.1. Sensor tegangan berfungsi dengan baik dengan menurunkan dari tegangan input menjadi teganan output yang lebih kecil dengan error terbesar 0,28 ditunjukkan pada tabel 3.2. Sensor arus juga bekerja dengan baik dengan merubah arus yang di sensing menjadi tegangan dengan error terbesar 0,36 ditunjukkan dengan tabel 3.3. Dari data pengujian charging baterai sumber PLN diketahui bahwa charging dimulai dari tegangan 11,75 Volt sampai dengan 14,4 Volt dengan arus konstan dan charger berganti ke mode tegangan konstan sterlah tegangan charger mencapai 14,4 Volt sehingga arus turun seperti ditunjukkan pada gambar 3.4. Waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai hingga penuh adalah 6 jam lebih 30 menit. Pada pengujian charger panel surya sistem charger sama yaitu tegangan dimulai dari 11,71 hingga mencapai 14,4 dengan arus konstan kemudian mode berganti ke tegangan konstan setelah tegangangan charger mencapai 14,4 Volt sehingga arus turun. Waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai adalah 5 jam lebih 30 menit. Gambar 3.6 menunjukkan foto sistem charger dan ATS sedangkan Gambar 3.6 menunjukkan foto sistem charger dan ATS yang diintegrasikan dengan beban tempat sampah otomatis.
Gambar 3.6. Foto Sistem Charger dan ATS
Gambar 3.7. Foto Sistem Charger dan ATS Terintegrasi dengan Tempat Sampah Otomatis
5.Kesimpulan
1. Error rata-rata sensor tegangan 0,19 % sedangkan error rata-rata sensor arus ACS 712 5A 2,95 % sehingga hasil pembacaan kedua sensor tersebut cukup baik.
2. Kontrol PI dapat menstabilkan tegangan output sesuai dengan set point 14,4 Volt dengan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai steady state
adalah 1,1 detik.
3. Waktu yang dibutuhkan untuk mencharger baterai 6 sampai dengan 6,5 jam.
Ucapan terima kasih
1. Kedua orang tua yang selalu mendo’akan, memberi dukungan dan motivasi.
2. Bapak Dr. Zainal Arief, ST.MT. selaku Direktur Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
3. Bapak Ir. Sutedjo, MT. selaku Ketua Program Studi D3 Teknik Elektro Industri.
4. Bapak Drs. Irianto, MT. selaku dosen pembimbing satu.
5. Bapak Epyk Sunarno, SST, MT. selaku dosen pembimbing dua.
6. Dosen Penguji yang telah memberikan
pertanyaan dan saran dalam peyempurnaan proyek akhir ini.
7. Dosen Teknik Elektro Industri yang telah memberikan bantuan dan saran.
8. Abel Ichsan A. selaku partner proyek akhir, terima kasih atas kerjasama dan dukungannya. 9. Teman-teman Jurusan Teknik Elektro Industri
khususnya kelas 3 D3 ELIN B serta teman-teman di Lab Robot PENS khususnya tim KRPAI Beroda.
10. Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu per satu sehingga terselesaikannya proyek akhir ini.
Referensi
[1] Amri, A. Arif Gunawan (2010). Rancang Bangun Solar Charger Untuk Keperluan Daerah Pendakian dan Perkemahan Menggunakan Metode PI Controller. Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS. Surabaya. [2] Yahya, M. Thanthawi (2010). Rancang Bangun Sistem Pedal
Power Sebagai Energi Alternatif. Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS. Surabaya. [3] Mufid, Achmad (2010). Disain Prototype DC–DC Konverter
Untuk Topologi Baru Pemanfaatan Photovoltaic Pada LED Sebagai Sumber Penerangan Dalam Rumah Standart. Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS. Surabaya.
[4] Widowati,Ambar (2009). Rancang Bangun DC House Dengan Memanfaatkan Energi Matahari. Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS. Surabaya. [5] “Datasheet ACS 712” diunduh 5 Oktober 2013 dari internet:
