BAB II DASAR TEORI 2.1. Sistem Listrik 3 Fase

4

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori yang berkaitan dengan tugas akhir yang dibuat, antara lain teori sistem listrik 3 fase, Arduino UNO ATmega328, sensor ZMPT101B, sensor SCT-013, modul LM2596 DC-DC step-down dan switching power

supply 12V 3A.

2.1. Sistem Listrik 3 Fase

Sistem listrik tiga fase merupakan rangkaian listrik yang memiliki besaran tegangan sinusoidal dengan frekuensi yang sama dan perbedaan sudut untuk setiap fasenya sebesar 120°, maka tegangan dikatakan seimbang. Jika diberi beban yang sama sehingga arus yang dihasilkan oleh tegangan juga seimbang, maka keseluruhan sirkuit disebut sebagai rangkaian tiga fase yang seimbang. Sistem listrik 3 fase ini memiliki 3 kabel fase yang biasanya disimbolkan dengan R-S-T. Frekuensi dari sistem 3 fase umumnya 50Hz.[3]

Gambar 2.1 Sinyal tegangan sistem 3 fase[3]

Pada sistem 3 fase terdapat dua jenis hubungan yakni hubung bintang (Y) dan hubung segitiga (delta, Δ, D).

2.1.1. Hubungan Bintang (Y)

Pada hubung bintang (Y), ujung-ujung tiap fase dihubungan menjadi satu dan menjadi titik netral atau titik bintang. Tegangan antara dua terminal dari tiga terminal a – b – c mempunyai besar magnitude dan beda fase yang berbeda dengan tegangan tiap terminal terhadapa titik netral. Tegangan Va,

5

Gambar 2.2 Hubungan Bintang (Y)

Dengan adanya titik netral maka besaran tegangan fase dihitung terhadap titik netralnya, juga membentuk sistem tegangan 3 fase yang seimbang dengan magnitudenya (√3 dikali magnitude dari tegangan fase).

V_line = √3 × Vfase = 1,73 × Vfase…(2.1) V_line = Beda potensial antar fase (phase to phase)

V_fase = Beda potensial antara fase terhadap netral (phase to netral) Sedangkan untuk arus yang mengalir pada semua fase mempunyai nilai yang sama jika memiliki beban yang sama,

I_line = I_fase…(2.2) I_a = I_b = I_c…(2.3) I_line = Arus yang mengalir pada saluran I_fase = Arus yang mengalir pada satu fase

2.1.2. Hubungan Segitiga

Pada hubungan segitiga (delta, Δ, D) ketiga fase saling dihubungkan sehingga membentuk hubungan segitiga 3 fase.

6

Dengan tidak adanya titik netral, maka besarnya tegangan saluran dihitung antar fase, karena tegangan saluran dan tegangan fase mempunyai besar magnitude yang sama, maka:

Vline = Vfase…(2.4)

Arus saluran dan arus fase tidak sama dan hubungan antara kedua arus tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan hukum kirchoff, sehingga:

I_line = √3 × Ifase= 1,73 × Ifase…(2.5)

2.1.3. Daya pada Sistem 3 Fase a) Beban Seimbang

Jumlah daya yang diberikan oleh suatu generator 3 fase atau daya yang diserap oleh beban 3 fase, diperoleh dengan menjumlahkan daya dari tiap-tiap fase. Pada sistem yang seimbang, daya total tersebut sama dengan tiga kali daya fase, karena daya pada tiap-tiap fasenya sama.

Gambar 2.4 Hubungan Bintang dan Segitiga yang Seimbang

Jika sudut antara arus dan tegangan adalah sebesar θ, maka besarnya daya perfase adalah:

P_fase = V_fase × I_fase × cos φ…(2.6) Pfase = daya satu fase

cos φ = faktor daya

Sedangkan besarnya total daya adalah penjumlahan dari besarnya daya tiap fase, dan dapat dituliskan dengan,

7

Pada hubungan bintang, karena besarnya tegangan saluran adalah 1,73 dikalikan dengan tegangan fase maka tegangan perfasenya menjadi tegangan line dibagi 1,73, dengan nilai arus saluran sama dengan arus fase, arus line sama dengan arus fase, maka daya total (Ptotal) pada rangkaian hubung bintang (Y) adalah:

P_total = 3 ×Vline

1.73 × Iline× cos φ = 1.73 × Vline× Iline× cosφ…(2.8) P_total = daya total listrik 3 fase

Dan pada hubung segitiga, dengan besaran tegangan line yang sama dengan tegangan fasenya, tegangan line sama dengan tegangan fase, dan besaran arusnya arus line sama dengan 1,73 dikalikan dengan arus fase, sehingga arus perfasenya menjadi arus line dibagi 1,73, maka daya total (Ptotal) pada rangkaian segitiga adalah:

P_total = 3 × V_line×Iline

1.73× cos φ = 1.73 × Vline× Iline× cosφ…(2.9) Dari persamaan total daya pada kedua jenis hubungan terlihat bahwa besarnya daya pada kedua jenis hubungan adalah sama, yang membedakan hanya pada tegangan kerja dan arus yang mengalirinya saja, dan berlaku pada kondisi beban yang seimbang.

b) Beban Tidak Seimbang

Sifat terpenting dari pembebanan yang seimbang adalah jumlah

phasor dari ketiga tegangan adalah sama dengan nol, begitupula

dengan jumlah phasor dari arus pada ketiga fase juga sama dengan nol. Jika impedansi beban dari ketiga fase tidak sama, maka jumlah phasor dan arus netralnya (In) tidak sama dengan nol dan beban dikatakan tidak seimbang. Ketidakseimbangan beban ini dapat saja terjadi karena hubung singkat pada beban.

Dalam sistem 3 fase ada 2 jenis ketidakseimbangan, yaitu: 1) Ketidakseimbangan pada beban.

8

Gambar 2.5 Ketidakseimbangan Beban pada Sistem 3 Fase

Pada saat terjadi gangguan, saluran netral pada hubungan bintang akan teraliri arus listrik. Ketidakseimbangan beban pada sistem 3 fase dapat diketahui dengan indikasi naiknya arus pada salah satu fase dengan tidak wajar, arus pada tiap fase mempunyai perbedaan yang cukup signifikan, hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan.

2.1.4. Faktor Daya Listrik

Faktor daya listrik adalah perbandingan antara daya aktif dengan daya nyata, atau dapat dirumuskan sebagai berikut :[6]

cos φ =P

S …(2.10) dimana :

P = daya aktif dalam kW S = daya nyata dalam kVA

Umumnya faktor daya listrik ini disebut juga coshinus phi ( cos 𝜑 ).

Beban reaktif seperti induktor dan kapasitor tidak membuat daya terdisipasi, namun kenyataannya bahwa kedua beban tersebut menurunkan voltase dan menaikan arus yang membuat beban reaktif seperti melakukan disipasi listrik. Hal ini disebut daya reaktif dalam satuan VAR

(volt-ampere-reactive), simbol matematis untuk daya reaktif adalah Q . Daya reaktif adalah fungsi elemen disipasi dari rangkaian reaktansi (X)[6]

Q = I2_{X (satuan VAR) Q =}V2

9

Jumlah sebenarnya dari daya yang digunakan/dihamburkan dalam rangkaian disebut daya aktif (true power) dalam satuan W (watt), simbol matematis untuk daya aktif adalah P. Daya aktif adalah fungsi elemen disipasi dari rangkaian resistansi (R).

P = I2R (satuan W) Q =V2

R (satuan W)…(2.12)

Kombinasi dari daya reaktif dan daya aktif adalah daya nyata (apparent power). Dalam satuan VA (volt-ampere), simbol matematis untuk daya nyata ini adalah S. Daya nyata adalah fungsi elemen disipasi dari rangkaian impedansi (Z).

S = I2Z (satuan VA) Q =V2

Z (satuan VA)…(2.13)

Hal ini dapat pula dinyatakan sebagai penjumlahan secara vektoris antara daya aktif dengan daya reaktif.[6]

Gambar 2.6 Segitiga Daya [6]

Hubungan antara ketiga daya listrik tersebut, secara matematika dapat dinyatakan sebagai berikut :

S2 _{= P}2_{+ Q}2_…(2.14) cos φ =P S atau P = S × cos φ…(2.15) sin φ =Q S atau Q = S × sin φ…(2.16) I = S √3×V atau I = P √3×V×cos φ …(2.17)

10

Gambar 2.7 Vektor dan Gelombang Arus dan Tegangan Beban Induktif [7] Dari Gambar 2.7 gelombang arus terlambat sebesar sudut 𝜑 terhadap gelombang tegangan, hal ini disebabkan karena sebagian arus yang dikonsumsi oleh beban dimanfaatkan untuk mendapatkan daya reaktif.[7]

2.2. ArduinoUno

Gambar 2.8 Arduino UNO ATmega328[2]

Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328. Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang ke adaptor-DC atau baterai untuk menjalankannya.

Dalam hal koneksi USB-to-serial Arduino UNO menggunakan fitur Atmega8U2 yang diprogram sebagai konverter USB-to-serial berbeda dengan

11

Tabel 2.1 Spesifikasi Arduino UNO

Mikrokontroler ATmega328

Tegangan Operasi 5V

Input Voltage (disarankan) 7-12V

Input Voltage (limit) 6-20V

Pin Digital I/O 14 (6 pin output PWM)

Pin Input Analog 6

Arus DC per pin I/O 40 mA Arus DC untuk pin 3.3V 50 mA

Flash Memory 32KB (0,5 KB digunakan

untuk bootloader) SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Clock Speed 16 Hz 2.3. Sensor ZMPT101B Gambar 2.9 Sensor ZMPT101B

ZMPT101B Ultra Micro Voltage Transformer adalah sensor yang berukuran kecil, akurasi tinggi, konsistensi yang baik untuk pengukuran tegangan dan pengukuran daya. Aplikasi dari sensor ini, diantaranya : [5]

a. Sensor arus lebih

b. Ground fault detection

c. Pengukuran

d. Analog to digital circuit

Pada modul komponen sensor ZMPT101B terdiri dari trafo step down yang diumpankan pada rangkaian op-amp sebagai pembanding dan kemudian akan menghasilkan nilai sinyal analog.[5]

12

Tabel 2.2 Spesifikasi elektrik ZMPT101B[3] Spesifikasi Elektrik

Arus Primer 2 mA

Arus Sekunder 2 mA

Rasio Balik 1000:1000

Error sudut fase ≤20⁰ (50Ω)

Jarak arus 0 – 3 mA

Linearitas 0.1%

Tingkat akurasi 0.2

Gambar 2.10 skematik ZMPT101B[4] 2.3.1. Penentuan tegangan output maksimum rms:[3]

(Bipolar AD) 𝑈𝑚𝑎𝑥 =𝑝𝑒𝑎𝑘 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒

√2 …(2.18) (Unipolar AD) 𝑈𝑚𝑎𝑥 =peak voltage

2√2 … (2.19)

𝑈𝑚𝑎𝑥 = ditentukan oleh tegangan puncak AD di lingkaran pengambilan sampel pada prinsipnya.

2.3.2. Penentuan limiting resistor R` Pembatas arus resistor R` =V

I...(2.20) V = nilai tegangan masukan

I = nilai arus yang beroperasi (ketika hambatan kabel dibandingkan dengan hambatan arus resistor R`, dapat diabaikan.)

ZMPT101B biasanya bekerja pada arus sekitar 1 ~ 2mA. Untuk masukkan voltage ≤ 100V, biasanya arus yang dipilih adalah I = 2mA. Sedangkan untuk masukan voltage ≥ 220V, biasanya arus yang dipilih adalah 1mA ≤ I ≤ 2mA untuk mengurangi daya resistor.

13 2.3.3. Penentuan sampling resistor R

R =Vomax

I = Vomax

Vimax. R`…(2.21) Vomax = Batas maksimal tegangan keluaran V_imax = Batas maksimal tegangan masukan

2.4. Sensor SCT-013

Gambar 2.11 Sensor SCT-013

Sensor arus adalah suatu komponen pelengkap pada system tenaga listrik yang dapat berfungsi sebagai pengontrol arus yang mengalir pada suatu rangkaian atau instalasi listrik supaya dapat terbaca.[3]

Prinsip kerja sensor arus adalah dimana sebatang penghantar dialiri arus yang dilewatkan melalui cincin toroid / sensor maka akan menimbulkan medan magnet, sehingga memiliki fluks magnet yang melingkar kemudian ditangkap oleh lilitan.[3]

Tabel 2.3 Karakteristik sensor arus SCT-013

Ukuran 13mm x 13mm

Panjang kabel 1 m

Material Core Ferrite

Fire resistance property In accordance with UL

94-V0

Ketahanan dielektrik 1000V AC/1MIN 5 mA

Sensitivitas 20A/1V

Input current 0~100A AC

Output Mode 0~50mA

Bekerja di temperature −25℃ ~ 75℃

14

Gambar 2.12 Dimensi Sensor SCT-013

Gambar 2.13 Diagram Skematik

Gambar 2.14 Bagian Dalam Sensor SCT-013

Dengan mengolah sinyal induksi, maka akan diperoleh nilai arus yang dilewatkan untuk mencatu beban. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi tegangan yang sinyalnya berbentuk gelombang sinusoida. Disini digunakan sensor arus SCT-013, dengan batas minimal arus yang diukur 0A dan batas maksimal 100A. Sensor Arus terdiri dari kumparan sekunder dan kumparan primer yang dililitkan pada suatu inti magnet. Arus yang akan dideteksi dialirkan kekumparan primer. Arus ini menghasilkan medan magnet yang mengalir kekumparan sekunder. Inti magnetik pada sensor berfungsi agar fluks magnet yang dihasilkan oleh kumparan primer menembus kumparan sekunder. Perubahan fluks yang dihasilkan oleh arus primer mengakibatkan timbulnya tegangan listrik induksi pada kumparan sekunder. [3]

15

Sensor arus yang digunakan dalam topik skripsi ini memiliki keluaran berupa tegangan, dimana komponen di dalam SCT-013 sudah terdapat hambatan R burden yang disambungkan paralel dengan keluaran sensor.

2.5. Switching Power Supply 12V 3A

Gambar 2.15 Switching Power Supply 12V 3A

Switching power supply ini memberikan keluaran 5V dengan stabil hinggal 3000mA. Dengan masukkan tegangan 100~220V .

Tabel 2.4 Spesifikasi switching power supply 12V 3A

Dimensi 85𝑚𝑚 × 58𝑚𝑚 × 34𝑚𝑚

Sumber tegangan 100~220 VAC Tegangan output 12 VDC Daya maksimal 3A (36W)

2.6. LM2596 DC-DC Step Down Adjustable Power Supply Module

Gambar 2.16 Modul LM2596

Regulator LM2596 adalah rangkaian terpadu monolitik yang ideal untuk desain yang mudah dan aman dari regulator pengatur step down

16

(konverter buck) tegangan DC-DC. Mampu menggerakkan beban 3,0 A dengan sangat baik. Perangkat ini dibuat dengan jenis output yang dapat disesuaikan.

Tabel 2.5 Spesifikasi modul LM2596 Tegangan input 3~40 VDC

Tegangan output 1,5~35 VDC Arus Maksimal 3A