BAB II
SISTEM CATU DAYA
2.1 Catu Daya Secara Umum
Dalam industri telekomunikasi, sistem catu daya merupakan salah satu hal yang mutlak diperlukan untuk membangun, menggunakan, memelihara, dan menjamin ketersediaan jaringan telekomunikasi. Bagaimana mungkin suatu perangkat dapat beroperasi tanpa suatu catuan listrik atau energi. Untuk itu diperlukan suatu informasi mengenai hal-hal yang berhubungan dengan sistem catu daya tersebut.
2.2 Sistem Catu Daya
Catu daya atau energi listrik diperlukan untuk mengoperasikan seluruh perangkat telekomunikasi. Energi listrik yang digunakan untuk mencatu perangkat tersebut berupa arus listrik bolak-balik (AC) dan arus searah (DC). (Gambar 2.1)
Sumber arus bolak balik dapat diperoleh dari PLN sebagai sumber daya utamanya. Hal ini disebabkan karena catuan PLN dianggap sangat ekonomis, dapat dipercaya dan merupakan sumber energi yang mudah di dalam pemeliharaannya. Selain itu PT.TELKOM juga menyediakan perangkat diesel engine generator yang berfungsi sebagai pembangkit cadangan apabila catuan listrik utama dari PLN mengalami pemadaman atau gangguan. Sedangkan untuk catuan arus searah memerlukan perangkat yang disebut rectifier.
Penggunaan energi listrik tergantung beban yang akan dicatu. Sebagai contoh, beban-beban penting seperti perangkat sentral dan transmisi mendapat
catuan yang langsung dari baterai dimana baterai tersebut langsung terhubung ke rectifier. Hal ini dimaksudkan agar pada saat listrik padam maka tidak akan terjadi perangkat yang mati [6].
Gambar 2.1 Blok Diagram Instalasi Catu Daya Telekomunikasi Secara Umum Keterangan gambar :
PLN : Perusahaan Listrik Negara, merupakan perusahaan yang menyediakan catuan tegangan tinggi dari PLN menjadi tegangan menengah yang sesuai dengan kebutuhan (150 KV menjadi 20KV) maka diperlukan suatu trafo penurun tegangan.
AVR : Automatic Voltage Regulator, merupakan perangkat yang berfungsi untuk menstabilkan tegangan catuan AC yang dari PLN, dan apabila diesel menyala maka bay-pass switch akan dioperasikan (kontaknya menutup).
DEG : Diesel Engine Generator, berfungsi sebagai sumber catuan cadangan.
ATS : Automatic Transfer Switch, merupakan perangkat yang berfungsi sebagai pemindah / pengalih sumber catuan arus bolak-balik secara otomatis.
MDP : Main Distribution Panel, merupakan perangkat yang berfungsi sebagai panel distribusi sumber catuan / energi arus bolak-balik (PLN/DEG).
SDP : Sub Distribution Panel, merupakan perangkat yang befungsi sebagai panel yang terdekat dari beban dan biasa digunakan untuk mencatu sumber catuan / energi arus bolak-balik (PLN/DEG). Biasanya panel ini berisi MCB, lampu indicator, sekering pembatas, dan digunakan untuk pemeliharaan.
Rectifier : Berfungsi untuk mengubah catuan input arus bolak-balik menjadi catuan output arus searah.
Inverter : Berfungsi untuk mengubah catuan input arus searah menjadi catuan output arus bolak-balik. Inverter ini biasa digunakan untuk catuan no break sistem.
Baterai : Berfungsi sebagai energi cadangan jika rectifier tidak berfungsi.
2.2.1 Maksud dan Persyaratan Catu Daya 1. Voltage Regulator (Pengaturan Tegangan)
Tegangan yang didapat dari jaringan listrik sangat tidak stabil sehingga tidak mungkin untuk disambung langsung dengan perangkat yang memerlukannya. Untuk mengatasi hal-hal tersebut sebelum disambungkan dengan perangkat, terlebih dahulu diusahakan untuk menstabilkannya yaitu dengan alat pengatur tegangan (perangkat AVR).
2. Convertion (pengubahan)
Tiap perangkat telekomunikasi membutuhkan catu daya, yaitu tegangan dan arus yang berbeda sesuai dengan sistem yang digunakan.
Untuk menyesuaikannya maka tegangan yang didapat dari sumber catuan (PLN atau Diesel Genset) harus diadakan perubahan terlebih dahulu, baik tegangan AC-DC (converter AC-DC) dan tegangan DC-AC (Converter DC-AC).
3. Baterai (cadangan catuan listrik)
Untuk menjaga pemutusan pada saat pemindahan daya dari sumber catuan tegangan utama ke sumber catuan cadangan, maka diperlukan cadangan tersendiri yang dapat digunakan selama masa transisi tersebut.
Untuk mengatasi pemutusan bila terjadi gangguan, maka diperlukan sumber catuan cadangan yaitu Diesel Engine Generator. Perangkat ini digunakan untuk mengatasi bila PLN mati. Sistem catuan pada telekomunikasi tersebut
diatas disebut dengan no-break sistem yaitu sistem catuan tanpa adanya pemutusan arus.
Beban AC pada gedung telekomunikasi dibagi ke dalam tiga katagori yaitu:
1. Beban AC penting (Essential).
Perangkat yang termasuk dalam katagori ini, apabila catuan AC putus untuk sementara waktu maka tidak akan mengalami mengganggu terhadap pelayanan telekomunikasi yang diberikan kepada konsumen.
Contohnya: rectifier.
2. Beban AC tidak penting (Non Essential).
Perangkat ini apabila catuan AC terputus untuk waktu yang lama beban AC dalam katagori ini tidak menyebabkan terputusnya pada pelayanan telekomunikasi, seperti lampu penerangan, air conditioning maupun untuk keperluan umum.
3. Beban AC yang tidak boleh terputus (No Break System).
Perangkat ini apabila catuan AC ini terputusnya, maka akan berakibat serius terhadap pelayanan komunikasi, seperti perangkat sentral, transmisi, multimedia, server, AC sentral.
2.2.2 Pembagi Daya Listrik (Panel Induk)
Daya listrik dari sumber utama harus dibagi dalam kelompok-kelompok terpisah (sub panel). Banyak kelompok tersebut tergantung dari klasifikasi beban (pembagian beban).
Keuntungan pengelompokan beban terpisah antara lain untuk mengurangi ukuran kapasitas dari pembangkit tegangan cadangan. Dengan demikian panel ini
berfungsi untuk mendistribusikan daya listrik dan sumbernya ke dalam kelompok- kelompok beban dan ke masing-masing perangkat yang membutuhkannya. Selain kabel-kabel rel pembagi, juga terdapat alat pengaman atau pembatas arus seperti fuse (sekering) MCB untuk mengatasi hubungan sigkat atau kelebihan arus pemakaian, instrumen pengukur seperti volt meter, amper meter, cos phi meter, frequensi meter, watt meter, lampu-lampu indikator dan saklar pemutus.
Berdasarkan jenis penggunaannya, terdapat 2 jenis panel, yaitu [6]:
Panel daya AC
Panel daya DC
Berdasarkan sistem perkawatannya, terdapat 2 macam panel, yaitu:
Sistem distribusi MDP dan SDP
Pesawat-pesawat / beban-beban yang mendapat suplay daya listrik langsung dari sub panel induk (gambar 2.2). Dimana sistem ini mula-mula hantaran pengisi utama mensuplay panel induk, kemudian didistribusikan ke sub-sub panel untuk mensuplai beban. Sistem ini digunakan bila beban- bebannya tersebar ke dalam beberapa ruangan yang berbeda dan berjauhan.
Sistem busbar
Pesawat-pesawat/beban-beban yang mendapat suplay daya listrik langsung dari rel-rel panel induk (gambar 2.3). Dimana hantaran pengisi utama ini mensuplay panel dan dari panel ini, daya listrik disalurkan melalui rel-rel pembagi. Beban-beban disambungkan pada rel-rel tersebut.
Sistem ini dipakai apabila beban-bebannya berkelompok dalam satu ruangan.
Gambar 2.2 Sistem Distribusi MDP dan SDP
Gambar 2.3 Panel Sistem Busbar
Sebagai mana sudah dijelaskan sebelumnya, bahwa panel berfungsi untuk mendistribusikan daya listrik, sebagai catuan input utamanya adalah PLN. Panel dapat disambungkan pada sistem tegangan tinggi maupun sistem tegangan rendah, sebagai berikut:
1. Sambungan tegangan medium atau tinggi.
Untuk kebutuhan daya diatas 4400 VA sampai 20 KVA digunakan sambungan AC 3 phasa. Untuk sistem tegangan ini maka harus disediakan
trafo distribusi penurun tegangan 20 KV ke tegangan 220/380 V yang tidak disatukan dengan pelanggan umum lainnya seperti (gambar 2.4)
Gambar 2.4 Instalasi Daya Sambungan Tegangan Medium
2. Sambungan tegangan rendah
Untuk kebutuhan daya mulai dari 450 VA sampai 4400 VA digunakan sambungan AC 1 phasa 220 Volt (gambar 2.5).
Gambar 2.5 Instalasi Daya Sambungan Tegangan Rendah
2.3 Sistem Tenaga Listrik
Salah satu cara yang paling ekonomis, mudah dan aman untuk mengirimkan energi adalah melalui bentuk energi listrik. Pada pusat pembangkit,
sumber daya energi primer seperti bahan bakar fosil (minyak, gas alam, dan batubara), hidro, panas bumi, dan nuklir diubah menjadi energi listrik. Generator sinkron mengubah energi mekanis yang dihasilkan pada poros turbin menjadi energi listrik tiga fasa.
Melalui transformator penaik tegangan (step-up transformator) energi listrik ini dikirimkan melalui saluran transmisi bertegangan tinggi menuju pusat- pusat beban. Peningkatan tegangan dimaksudkan untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi. Dengan demikian saluran transmisi bertegangan tinggi akan membawa aliran arus yang rendah dan berarti mengurangi rugi panas (heat loss) I²R yang menyertainya. Ketika saluran transmisi mencapai pusat beban, tegangan tersebut diturunkan menjadi tegangan menengah, melalui transformator penurun tegangan (step-down transformator).
Di pusat-pusat beban yang terhubung dengan saluran distribusi, energi listrik ini diubah menjadi energi listrik yang terpakai lainnya seperti energi mekanis (motor), penerangan, pamanas, pendingin, dan sebagainya. Elemen pokok sistem tenaga listrik dapat dilihat pada Gambar 2.6 [5].
Gambar 2.6 Elemen Pokok Sistem Tenaga Listrik
2.3.1 Saluran Transmisi dan Distribusi
Saluran transmisi berfungsi untuk menyalurkan tenaga listrik bertegangan tinggi ke pusat-pusat beban dalam jumlah besar, maka saluran distribusi berfungsi membagikan tenaga listrik tersebut kepada pihak pemakai melalui saluran tegangan rendah.
Generator sinkron dipusat pembangkit biasanya menghasilkan tenaga listrik dengan tegangan antara 6-20 kV yang kemudian, dengan bantuan transformator tegangan tersebut di naikkan menjadi 150-500 kV. Saluran tegangan tinggi (STT) menyalurkan tenaga listrik menuju pusat penerima, disini tegangan diturunkan menjadi tegangan subtransmisi 70 kV. Pada gardu induk (GI), tenaga listrik yang diterima kemudian dilepaskan menuju trafo distribusi (TD) dalam bentuk tegangan menengah 20 kV. Melalui trafo distribusi yang tersebar di berbagai pusat-pusat beban, tegangan distribusi primer ini diturunkan menjadi tegangan rendah 220/380 V yang akhirnya diterima konsumen. Contoh saluran transmisi dan distribusi terlihat pada Gambar 2.7 [5].
Gambar 2.7 Saluran Transmisi dan Distribusi
2.4 Generator Sinkron
Tegangan output dari generator sinkron adalah tegangan bolak-balik, karena itu generator sinkron disebut juga generator AC.
Perbedaan prinsip antara generator DC dengan generator AC adalah untuk generator DC, kumparan jangkar ada pada bagian rotor dan terletak diantara kutub-kutub magnit yang tetap ditempat, diputar oleh tenaga mekanik. Pada generator AC, konstruksinya sebaliknya, yaitu kumparan jangkar disebut juga kumparan stator karena berada pada tempat yang tetap, sedangkan kumparan rotor bersama-sama dengan kutub magnit diputar oleh tenaga mekanik.
Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnit yang terletak diantara kutub magnit utara dan selatan diputar oleh tenaga air atau tenaga lainnya, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnit atau fluks yang bersifat bolak-balik atau fluks putar. Fluks putar ini akan memotong-motong kumparan stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator akan timbul gaya gerak listrik (ggl) karena pengaruh induksi dari fluks putar tersebut. Gaya gerak listrik yang timbul pada kumparan stator juga bersifat bolak- balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor [11].
Frekuensi keluaran generator tergantung pada kecepatan rotasi dari rotor dan jumlah kutubnya. Semakin cepat, semakin tinggi pula frekuensinya. Semakin lambat, semakin rendah pula frekuensinya. Semakin banyak kutub pada rotor, semakin tinggi pula frekuensinya pada kecepatan tertentu.
Ketika rotor telah berotasi beberapa derajat sehingga kedua kutub berdekatan (utara dan selatan) telah melewati stu belitan, tegangan yang di induksikan dalam belitan tersebut akan bervariasi hingga selesai satu siklus.
Untuk suatu frekuensi yang ditentukan, semakin banyak jumlah kutub, semakin lambat kecepatan putaran. Prinsip ini dapat dijelaskan sebagai berikut, misalkan:
sebuah generator dua kutub harus berotasi dengan kecepatan empat kali lipat dari kecepatan generator delapan kutub untuk menghasilkan frekuensi yang sama dari tegangan yang dibangkitkan. Frekuensi pada semua generator AC dalam satuan hertz (Hz), yaitu banyaknya siklus per detik, berkaitan dengan jumlah kutub dan kecepatan rotasi sesuai dengan persamaan berikut:
F = 120 n.p (2.1)
Keterangan:
F = frekuensi (Hz) n = jumlah putaran (rpm) p = jumlah kutub generator
Generator sinkron yang banyak dijumpai pada industri adalah generator tiga fasa, dalam hal ini jumlah kumparan stator ada tiga kelompok atau tiga fasa.
Gambar 2.8 Konstruksi Generator Sinkron
Besar gaya gerak listrik induksi kumparan stator atau gaya gerak listrik induksi armature per fasa adalah:
Eₐ/ph = 4,44 . f . M . ɸ . kd (2.2)
Keterangan:
Eₐ/ph = gaya gerak listrik armature per fasa (volt) f = frekuensi (Hz)
M = jumlah kumparan per fasa kd = faktor distribusi
Selain itu, untuk menghitung kapasitas daya dari generator pun dapat menggunakan persamaan-persamaan berikut:
P = V . I₁Ø (2.3)
atau
P = V . √3 . I₃Ø (2.4)
Keterangan:
P = kapasitas daya generator (kVA) V = tegangan output generator (V)
I₁Ø = arus output generator fasa tunggal (A) I₃Ø = arus output generator tiga fasa (A)
2.4.1 Generator Sinkron Tanpa Beban
Dengan memutar generator pada kecepatan sinkron dan rotor di beri arus medan (If), maka tegangan (Eₐ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator.
Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut [12]:
Eₐ = c.n.ɸ (2.5)
Keterangan:
Eₐ = Tegangan (volt) c = konstanta mesin n = putaran sinkron (rpm)
ɸ = fluks yang dihasilkan oleh If (Nm²/ C)
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If). Apabila arus medan (If) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Eₐ seperti yang terlihat pada kurva berikut.
Gambar 2.9 Karakteristik Generator Sinkron Tanpa Beban
2.4.2 Generator Sinkron Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar bersifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm). Reaktansi pemagnet (Xm) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs). Persamaan tegangan generator adalah [12]:
Ea = V + I.Ra + jI.Xs (2.6)
Xs = Xm + Xa (2.7)
Keterangan:
Ea = tegangan induksi pada jangkar (volt) V = tegangan terminal output (volt) Ra = resistansi jangkar (ohm) Xs = reaktansi sinkron (ohm) Xa = reaktansi fluks bocor (ohm) Xm = reaktansi pemagnet (ohm)
2.5 Panel ATS dan AMF (Automatic Transfer Switch dan Automatic Mains Failure)
Panel ATS dan AMF berfungsi untuk membuka suplai listrik dari genset dan menutup suplai listrik dari PLN secara automatic dan juga membuka suplai listrik dari PLN dan Menutup suplai Listrik dari genset secara automatic ketika suplai listrik dari PLN kembali.
Gambar 2.10 Panel ATS dan AMF (Deepsea 7210)
Panel ini di sediakan dengan saling bertautan Scara mekanis atau tiang listrik kontaktor atau MCCB. Dipasang di dinding atau di luar ruangan yang terdiri bebas kabinet dengan kabel. Aliran keluar dan masuk terjadi melalui basis melalui alumunium gland plates. Sambungan dapat berupa kabel keras atau dengan cara tiang tunggal atau dengan multi-pin konektor. Panel ini memiliki sirkuit yang begitu di lantik sehingga mulai mengirim sinyal ke generator jika terjadi kegagalan suplai utama, dilengkapi dengan urutan tahap relai yang membuatnya yakin bahwa pasokan generator memiliki fase akurat rotasi.
Perubahan panel sumber arus hanya setelah waktu tunda, ini memberikan waktu yang cukup untuk generator mulai sebelum mengambil beban. Panel ini juga di lengkapi dengan manual over-ride kendali.
Dari penjelasan singkat diatas dapat diketahui fungsi alat ini, yaitu sebuah alat yang berfungsi menyalakan genset jika sumber listrik utama mati atau padam (dilakukan oleh AMF) dan menghubungkan daya listrik yang dihasilkan oleh genset terhadap beban (dilakukan oleh ATS). Di dalam panel ATS/AMF terdapat beberapa rangkaian relai yang terdiri dari beberapa blok yang memiliki fungsi dan tugas masing masing. Antra lain [7]:
1. Relai detector Sumber daya Utama.
Relai ini berfungsi untuk memberikan informasi kondisi sumber listrik utama (hidup atau mati) kepada rangkaian relai start atau off engine dan ATS untuk di proses pada tahap selanjutnya.
2. Relai detector Daya Genset
Relai detector ini berfungsi untuk memberikan informasi kondisi tegangan atau daya genset kepada rangkaian relai relai start/off engine dan ATS untuk di proses pada tahap selanjutnya.
3. Blok start/stop engine, berfungsi untuk menyalakan mesin genset
Blok ini bekerja berdasarkan masukan dari relai detector tenaga listrik utama dan detektor daya genset. Jika tegangan listrik utama maka blok ini akan menyalakan mesin genset dan jika tegangan listrik utama atau PLN telah menyala kembali, maka genset akan dimatikan secara automatis.
4. Blok AMF
Selain seperti yang dijelaskan pada paragraf ke dua, blok AMF bekerja sama dengan blok start/stop engine. Yang paling penting disini adalah, block AMF harus menghubungkan masing sumber tegangan utama dan atau tegangan dari genset hanya saat yang tepat.
2.5.1 Prinsip Kerja Panel ATS dan AMF
Panel ATS dan AMF berfungsi memparalelkan kerja dua set generator atau lebih untuk memperoleh sumber daya sebesar jumlah generator tersebut.
Panel ATS dan AMF dapat bekerja scara manual (dilakukan oleh operator) atau dengan otomatis (system dilakukan oleh modul ATS dan AMF).
Sistem Kerja Panel ATS dan AMF ini adalah Automatic Start/Stop Engine, Automatic Synchrone dan Automatic On/Off Breaker. Yaitu pada mode Automatic ketika power PLN mengalami pemadaman, Maka genset secara otomatis akan menyala, jika genset utama mengalami kegagalan start, maka secara otomatis genset cadangan akan menyala dan mencatu beban. Proses ini akan terus berlangsung sampai sumber catuan utama (PLN) kembali normal lagi, lalu genset akan mati secara otomatis jika sumber catuan utama telah kembali normal. Saat ini terdapat dua jenis panel ATS dan AMF yaitu panel konvensional dan panel digital.
2.5.2 Panel ATS dan AMF Konvensional
Merupakan panel yang dibuat menggunakan relai relai mekanik dan beberapa timer sehingga memiliki banyak kekurangan jika dilihat dari segi keandalannya. Selain itu, panel konvensional akan terdapat banyak sambungan kabel kabel sehingga sangat menyulitkan dalam perbaikan jika terjadi kerusakan pada salah satu komponen. Berbicara tentang keandalan, panel konvensional umumnya tidak dilengkapi dengan sensor sensor kondisi mesin sehingga panel ini tidak dapat mematikan mesin jika terjadi gejala kerusakan. Sebenarnya bisa saja panel ini dilengkapi dengan sensor sensor kondisi mesin dan fungsi lainnya, namun akan sangat banyak sekali relai dan pengawatan yang perlu ditambahkan.
Satu satunya kelebihan panel ATS/AMF konvensional adalah harganya yang relative murah.
2.5.3 Panel ATS dan AMF Digital
Merupakan produk dari pabrikan yang memiliki keandalan yang sangat jauh lebih baik dibandingkan dengan panel konvensional. Keandalan yang saya maksud adalah fitur-fitur yang berfungsi untuk menjaga dan mengontrol kondisi mesin selalu berada dalam keadaan yang baik sehingga kemungkinan mesin mengalami rusak parah dapat dihindari. Jika dengan panel konfensional mesin tidak akan mati saat terjadi gejala kerusakan atau gejala masalah lain, kecuali setelah menekan tombol emergency, namun tidak dengan panel digital. Sehingga dengan panel ATS dan AMF digital diharapkan gejala kerusakan awal dapat ditangani dengan tepat sebelum kerusakan yang lebih besar benar benar terjadi.
Kemudahan lainnya adalah fitur antarmuka pada panel digital sangat membantu kita untuk memasukkan parameter parameter kontrol dan disesuaikan dengan kebutuhan pengguna. Dengan segala fitur dan kelebihan panel digital ini maka wajar saja jika pabrikan membanderol dengan harga yang tinggi.
Diluar dua macam panel ATS dan AMF yang di sebutkan di atas, pada kenyataannya ada satu jenis panel lain yang beredar di pasaran saat ini, yaitu panel ATS dan AMF yang dibangun dengan tulang punggung sebuah PLC ataupun Smart Relay (versi sederhana dari PLC). ATS dan AMF dengan tulang punggung PLC/smart relay sangat menguntungkan para produsen karena proses pembuatan yang lebih gampang dan sedikit kabel serta ruang yang terpakai, namun sayangnnya fitur yang tersedia sangat terbatas dan hampir sama dengan panel konfensional.
Disinilah banyak konsumen yang 'kecewa' karena mendengar kalimat
“panel ATS dan AMF dengan PLC atau Smart relay” padahal fitur yang
ditawarkan dan fungsi yang dapat dilakukan panel tersebut tidak jauh beda dengan panel konvensional (berbasis rele). Ketidak tahuan konsumen ini yang menyebabkan para perakit panel tidak berniat menambahkan fitur-fitur lain pada panel ini.
2.6 Pemutus Daya (Circuit Breaker)
Setiap sistem tenaga listrik dilengkapi dengan sistem proteksi untuk mencegah terjadinya kerusakan pada peralatan sistem dan mempertahankan kestabilan sistem ketika terjadi gangguan, sehingga kontinuitas pelayanan dapat dipertahankan. Salah satu sistem proteksi adalah pemutus daya (circuit breaker).
Berikut ini adalah syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh pemutus daya agar dapat melakukan pengamanan terhadap perangkat-perangkat listrik lainnya [2]:
1. Mampu menyalurkan arus maksimum sistem secara kontinu.
2. Mampu memutuskan dan menutup jaringan dalam keadaan berbeban dan berhubung singkat tanpa menimbulkan kerusakan pada pemutus daya itu sendiri.
3. Dapat memutuskan arus hubung singkat dengan kecepatan tinggi agar arus hubung singkat tidak sampai merusak peralatan sistem, membuat sistem kehilangan kestabilan, dan merusak pemutus daya itu sendiri.
Pemutus daya (circuit breaker) mempuntai beberapa jenis, yaitu pemutus daya udara (Air Circuit Breaker), pemutus daya minyak (Oil Circuit Breaker),
pemutus daya udara tekan (Air-Blast Circuit Breaker) dan pemutus daya vakum (Vacuum Circuit Breaker).
Gambar 2.11 Konstruksi Pemutus Daya
2.6.1 Pemutus Daya Udara (Air Circuit Breaker)
Pemutus daya ini menggunakan metode pemadaman busur api yang paling sederhana, yaitu dengan memperpanjang lintasan busur apinya. Perpanjangan busur api dapat dilakukan dengan beberapa cara, antara lain dengan menggunakan kontak sela tanduk, seperti ditunjukkan pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Kontak Sela Tanduk
Saat kontak dipisahkan, busur api terbentuk pada bagian bawah kontaknya.
Panas yang ditimbulkan busur api membuat suhu dibagian bawah kontak lebih tinggi dari pada suhu bagian atasnya, sehingga terjadi aliran udara dari bawah ke
atas. Aliran udara ini mendorong busur api bergerak ke atas. Busur api yang panjang sangat mudah dipadamkan oleh arus konveksi udara, sehingga busur api sudah padam sebelum mencapai ujung tanduk. Pemutus daya seperti ini digunakan untuk rangkaian ac dan dc tegangan rendah, dengan arus pemutusan sampai ratusan ampere.
Khusus untuk pemutus daya ac tegangan rendah, kontaknya dapat dibuat dari bahan bertitik lebur rendah seperti kuningan dan tembaga. Busur api akan padam saat arus mencapai harga nol yang pertama, karena tegangan tidak cukup kuat menimbulkan emisi medan yang dapat mengawali terpaan balik busur api.
Letak isolasi penghubung kontak harus diatur sedemikian rupa sehingga tidak gosong oleh panas yang ditimbulkan busur api.
Gambar 2.13 Pemutus Daya dengan Palang Metal
Untuk rangkaian bertegangan lebih tinggi, konstruksi kontak dan pemadam busur api dibuat seperti pada gambar 2.13 Busur api yang sudah memanjang karena dorongan udara, dipotong-potong menjadi beberapa seksi oleh tabir metal. Sehingga busur api pada setiap seksi selain mengalami pemanjangan, juga mengalami efek pendinginan. Pemutus daya ini digunakan untuk memutus arus sampai 50 kA dan dapat digunakan pada rangkaian bertegangan sampai 10 kV [2].
2.6.2 Pemutus Daya Minyak (Oil Circuit Breaker)
Konstruksi pemutus daya minyak telah diberikan pada gambar 2.11 Saat kontak dipisahkan, busur api akan terjadi dalam minyak, sehingga minyak menguap dan menimbulkan gelembung gas yang menyelubungi busur api, seperti gambar 2.14
Gambar 2.14 Pemutus Daya Minyak
Karena panas yang ditimbulkan busur api,minyak mengalami dekomposisi dan menghasilkan gas hydrogen yang bersifat menghambat produksi pasangan ion. Oleh karena itu pemadaman busur api tergantung pada pemanjangan dan pendinginan busur api, dan juga tergantung pada jenis gas hasil dekomposisi minyak.
Minyak yang berada diantara kontak sangat efektif memutuskan arus.
Kelemahannya adalah minyak mudah terbakar dan kekentalan minyak menghambat pemisahan kontak, sehingga tidak cocok untuk sistem yang membutuhkan pemutusan arus yang cepat. Jenis pemutus daya ini, dapat memutuskan arus hubung singkat sampai 10 kA pada rangkaian bertegangan sampai 500 kV.
2.6.3 Pemutus daya Udara-Tekan (Air-Blast Circuit Breaker)
Pemutus daya ini digunakan untuk mengatasi kelemahan pada pemutus daya minyak, yaitu dengan membuat media isolator kontak dari bahan yang tidak mudah terbakar dan tidak mengalami pemisahan kontak sehingga pemisahan kontak dapat dilakukan dalam waktu yang sangat cepat.
Saat busur api timbul, udara bertekanan tinggi ditiupkan untuk mendinginkan busur api dan menyingkirkan partikel dari sela kontak. Pada gambar 2.15 udara ditiupkan tegak lurus terhadap busur api menelusuri permukaan tabir isolator, sehingga busur api bertambah panjang. Hal ini memberi efek pendinginan terhadap busur api dan memberi peluang bagi partikel bermuatan untuk mengadakan rekombinasi. Pemutus daya jenis ini mampu memutus arus sampai 40 kA pada rangkaian ac bertegangan sampai 765 kV.
Gambar 2.15 Pemutus Udara Tekan
2.6.4 Pemutus Daya Vakum (Vacuum Circuit Breaker)
Pada pemutus daya vakum, kontak ditempatkan pada suatu bilik vakum seperti ditunjukkan pada gambar 2.16. Untuk mencegah udara masuk ke dalam bilik, maka bilik harus ditutup rapat dan kontak bergeraknya di ikat ketat dengan perapat logam.
Gambar 2.16 Pemutus Daya Vakum
Jika kontak dibuka, maka pada kontak katoda terjadi emisi thermis dan medan tegangan yang tinggi yang memproduksi elektron-elektron yang bebas.
Elektron hasil emisi ini bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya menuju anoda, elektron-elektron bebas ini tidak bertemu dengan molekul udara sehingga tidak terjadi ionisasi tumbukan. Akibatnya tidak ada penambahan elektron bebas yang mengawali pembentukan busur api. Dengan kata lain busur api dapat dipadamkan.
2.7 Kabel
Bagian utama dari suatu kabel adalah inti atau konduktor, bahan isolasi, bahan pengisi, bahan pengikat, bahan pelindung beban mekanik dan selubung pelindung luar, semua bahan tersebut harus membentuk suatu konstruksi yang membuat kabel fleksibel dan meskipun fleksibel tetap memiliki kekuatan mekanis yang memadai. Pada gambar 2.17 ditunjukkan penampang konstruksi suatu kabel tiga fasa.
Gambar 2.17 Penampang Kabel Tegangan Tinggi
Kabel tegangan tinggi pada umumnya berinti tunggal dan berinti tiga, bahannya terbuat dari pilinan serat tembaga dan aluminium. Bentuk penampangnya tidak berupa lingkatran, tetapi dibuat sektoral agar dengan diameter luar yang tetap diperoleh luas penampang inti yang tetap diperoleh diameter luar yang lebih kecil, sehingga ongkos pembuatannya lebih murah.
Inti dibungkus dengan bahan isolasi utama yang sifat mekanisnya fleksibel sehingga mudah digelar, dan perubahan kekuatan mekanisnya tidak begitu kentara jika suhunya berubah-ubah dari suhu kamar sampai suhu operasi. Suhu termalnya yang utama adalah memiliki ketahanan termal yang tinggi, koefisien mulai panas rendah, daya tahan panas tinggi dan tidak mudah terbakar. Sifat bahan elektrik yang utama adalah memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi agar diameter luar dapat dikurangi shingga ongkos pembuatan kabel berkurang, tahanan isolasinya tinggi dan rugi-rugi dielektriknya rendah. Sedangkan sifat kimianya adalah tidak bereaksi dengan asam dan alkali pada suhu kerja dan tidak menghisap air atau kedap air.
Bahan isolasi yang digunakan antara lain minyak, bahan polymer dn kertas yang diresapi minyak mineral. Jika bahan isolasi utama berupa bahan padat seperti polymer dan karet, maka karena permukaan konduktor yang tidak benar-
benar mulus, maka di antara konduktor dengan isolasi utama dibuat lapisan tipis yang terbuat dari bahan silikon.
Jika bahan isolasi utama kabel adalah kertas, maka kertas harus di- keringkan terlebih dahulu, karena kertas yang dijumpai sehari-hari selalu lembab, sebab serat kertas menyerap air dari udara disekitarnya. Pengeringan kertas dilakukan dalam bejana vakum pada suhu 120-135°C. setelah itu dicelup kedalam minyak mineral dan resin dalam bejana vakum dan dikeringkan dalam bejana sangat rapat. Minyak harus memiliki kekentalan yang rendah pada suhu pencelupan tetapi kekentalannya tinggi pada suhu operasi kabel, koefisien muainya rendah dan titik bekunya harus dibawah suhu operasi kabel. Resin adalah bahan tambahan untuk mencegah terjadinya oksidasi sebab oksidasi dapat mempercepat penuaan dan menimbulkan pelapukan.
Ada kabel yang bahan isolasinya berupa serat yang diresapi minyak, jenis ini dibuat agar kabel lebih fleksibel sehingga mudah digelar. Penyambungan kabel jenis ini memperoleh keuntungan karena minyak tidak keluar dari ujung-ujung kabel sehingga tidak terjadi rongga-rongga udara dalam isolasi kabel. Kelemahan utama dari kabel ini terletak pada kemungkinan terjadinya gelembung gas saat beroperasi melayani beban yang berubah-ubah sehingga kabel mengalami pemanasan dan pendinginan secara bergantian. Akibatnya, jenis kabel ini hanya untuk tegangan arus bolak-balik sampai 35 kV saja.
Jenis bahan isolasi kabel yang lain adalah kertas yang diresapi minyak bertekanan. Kabel ini digunakan untuk transmisi tegangan tinggi. Minyak bertekanan akan mencegah terbentuknya rongga-rongga gas dalam kabel, karena aliran minyak dalam kabel akan segera mengisi rongga tersebut dengan minyak.
Dengan cara ini, kelemahan yang terdapat pada kabel berisolasi serat dapat diratasi, tetapi ongkos pembuatannya lebih tinggi karena adanya perangkat tambahan, yaitu alat untuk membuat minyak tetap bertekanan. Berikut ini adalah rumus untuk menentukan luas penampang kabel [2] :
ΔS = ( I )² . R (2.8)
ΔS = ( I )² ρL A (2.9)
Keterangan :
ΔS = kerugian daya sepanjang kabel (VA) I = arus beban (ampere)
Ρ = tahanan jenis penghantar (Ω mm²/m) L = panjang penampang kabel (m) A = luas penampang kabel (mm²) R = kerugian daya (5%)
Setelah tahu pada umumnya penghantar listrik dibuat dari bahan logam yang terbuat dari tembaga dan aluminium, penggunaan dan pemilihan logam tersebut karena telah memenuhi standar teknik. Dalam standar teknik tersebut penghantar listrik dapat diklasifikasikan sebagai berikut [3]:
Klasifikasi menurut kekerasan
Klasifikasi menurut bentuk (konstruksi)
Klasifikasi menurut jumlah penghantar
Klasifikasi menurut jenis isolasi
2.7.1 Klasifikasi Menurut Kekerasan
Berdasarkan kekerasannya jenis tembaga dan aluminium dapat dibagi menjadi 4 golongan yaitu :
Bare Cooper Conductor Half (BBC 1/2H)
Penghantar jenis ini disebut juga penghantar tembaga setengah keras. Pada umumnya dipergunakan untuk jaringan listrik yang tidak direntangkan dengan mendapat daya tarik yang tinggi. Penghantar jenia ini memiliki gaya atau tegangan tarik putusnya di bawah 41 Kg/mm².
Bare Cooper Conductor Hard (BBC)
Penghantar ini disebut juga penghantar jenis keras. Penghantar jenis ini dapat dipergunakan sebagai jaringan listrik yang direntang dengan mendapat gaya tarik cukup tinggi dan memiliki gaya atau tegangan tarik putus > 41 Kg/mm².
All Aluminium Conductor (AAC)
Penghantar jenis ini disebut juga penghantar aluminium jenis murni. Pada umumnya penghantar jenis ini dipakai untuk keperluan tertentu misalnya penghantar listrik pada lemari pembagi karena kemampuan tarik putusnya sangat rendah yaitu sekitar 18 Kg/mm².
All Aluminium Alloy Conductor (AAAC)
Penghantar jenis ini disebut juga penghantar aluminium jenis campuran. Penggunaan penghantar ini hampir sama dengan penghantar AC, hanya tegangan tarik putusnya lebih besar yaitu 28 Kg/mm/2.
Berikut ini adalah tabel tahanan jenis penghantar listrik berdasarkan bahan penghantarnya :
Tabel 2.1 Tahanan Jenis Penghantar Listrik
Bahan Penghantar Listrik Tahanan Jenis (Ω.mm²/m)
Aluminium 0.03
Air raksa 0.957
Arang 13-100
Besi 0.13
Bismuth 1.2
Emas 0.022
Kuningan 0.08
Nikel 0.12-0.42
Nikrom 1.0
Perak 0.163
Seng 0.061
Tembaga 0.0175
Timah 0.13
2.7.2 Klasifikasi Menurut Bentuk (konstruksi)
Berdasarkan bentuknya akan kita jumpai bentuk-bentuk penghantar listrik sebagai berikut :
Penghantar listrik bentuk pejal (solid)
Penghantar bentuk pejal sering kita jumpai pada kabel-kabel yang biasa dipasang pada jaringan instalasi rumah, contohnya NGA atau NYA.
Dalam penggunaannya kabel atau kawat yang mempunyai bentuk pejal ini memiliki diameter sampai ± 6,8 mm² atau dengan penampang 10 mm².
ukuran seperti ini dimaksudkan untuk memudahkan dalam penggulungan dan pemasangannya.
Gambar 2.18 Kabel Pejal (solid)
Penghantar listrik bentuk berlilit
Penghantar bentuk berlilit pada umumnya terdiri dari beberapa isian yang dipasang berlilit. Kabel PVC tegangan rendah NYA penghantar bentuk berlilit ini mempunyai ukuran dimulai dari 1 mm² sampai 50 mm² dengan tujuan agar memudahkan penggulungan dan pemasangan. Kabel atau penghantar berlilit banyak dipergunakan sebagai kabel arus yang dipakai menghubungkan satu unit ke unit lainnya.
Gambar 2.19 Kabel Berlilit
Penghantar listrik kawat serabut
Bentuk fisik penghantar serabut pada umumnya lentur dan fleksibel, selain itu banyak dipergunakan pada bagian-bagian yang sulit dan sempit seperti pada rangkaian instalasi listrik kendaraan mobil atau sepeda motor.
Gambar 2.20 Kabel kawat Serabut
2.7.3 Klasifikasi Menurut Jumlah Penghantarnya
Klasifikasi berdasar jumlah penghantar maksudnya adalah kabel tersebut dapat dipakai untuk satu, dua atau beberapa macam penghantar misalnya untuk bagian fasanya saja, untuk fasa dengan netral atau fasa R, S, T, dan netral.
Berdasar kepada jumlah penghantar, maka penghantar listrik dapat dibagi menjadi:
Penghantar Listrik Simplex
Penghantar atau kabel simplex adalah kabel yang berfungsi untuk menghantarkan satu aliran listrik saja, sebagai contoh misalnya bagian fasanya saja atau netralnya saja. Penghantar ini biasanya mempunyai isolasi. Jenis kabel ini contohnya NYA, NYM, NYY.
Gambar 2.21 Kabel Listrik Simplex
Penghantar Listrik Duplex
Penghantar listrik duplex adalah penghantar atau kabel yang dapat menghantarkan dua macam aliran listrik, misalnya fasa dengan fasa atau fasa dengan netral. Seperti juga halnya dengan penghantar simplex, penghantar duplex juga pada umumnya masing-masing penghantar memiliki isolasi yang diselubungi dengan bahan pelindung. Contoh dari kabel jenis ini adalah NYM, NYY.
Gambar 2.22 Kabel Listrik Duplex
Penghantar Listrik Triplex
Penghantar listrik triplex adalah penghantar listrik atau kabel yang dapat menghantarkan 3 (tiga) macam aliran listrik seperti fasa R, S, T atau fasa netral atau hubungan tanah. Contoh dari kabel jenis ini adalah NYM, NYY, NYMHY.
Gambar 2.23 Kabel Listrik Triplex
Penghantar Listrik Quadruplex
Penghantar quadruplex adalah penghantar atau kabel yang dapat menghantarkan 4 (empat) macam alirab fasa R, S, T, dan hubungan tanah atau 2 aliran fasa dengan netral dan hubungan tanah. Contoh kabel jenis ini adalah NYM, NYY, dan NYMHY.
Gambar 2.24 Kabel Listrik Quadruplex
2.7.4 Klasifikasi Menurut Macam Isolasi
Pada umumnya kabel-kabel yang banyak di pasaran memiliki isolasi, baik yang terbuat dari karet maupun plastik dengan berbagai bentuk dan ukurannya.
Selain isolasi aada juga kabel-kabel yang dilengkapi dengan semacam perisai dan bentuk pengaman lainnya. Jenis dan macam penghantar yang akan dibahas disini adalah jenis penghantar yang sering dipakai pada instalasi rumah tinggal, kantor, dan bangunan sejenisnya dengan pemasangan tetap. Di antara jenis kabel tersebut adalah Snur, NGA, NYA, NYM. Berikut adalah nomenklatur kabel menurut SPLN [3]:
Tabel 2.2 Nomenklatur Kabel menurut SPLN
Huruf Keterangan Kabel
N Kabel standar dengan inti tembaga.
NA Kabel standar dengan aluminium sebagai penghantar.
Y Isolasi PVC.
G Isolasi karet.
A Kawat berisolasi.
Y Selubung PVC Y pada akhir nomeklatur.
M Selubung PVC.
R Kawat baja bulat (perisai).
Gb Kawat pipa baja (perisai).
B Pipa baja.
I Untuk isolasi di luar jangkauan tangan.
re Penghantar padat bulat.
rm Penghantar bulat berkawat banyak.
Se Penghantar bentuk pejal (padat).
Sm Penghantar dipilin bentuk sektor.
f Penghantar halus dipintal bulat.
ff Penghantar sangat fleksibel.
Z Penghantar z.
D Penghantar 3 jalur yang di tengah sebagai pelindung.
H Kabel untuk alat bergerak.
rd Inti dipilih bentuk bulat.
fe Inti pipih.
-1 Kabel dengan sistem pangenal warna urat dengan hijau-kuning.
-0 Kabel dengan sistem pangenal warna urat tanpa hijau-kuning.
Sebagai contoh :
Sebuah penghantar atau kabel mempunyai spesifikasi.
NYHGbY 4 x 100 mm / 0.6 / 1 kV
Artinya kabel tersebut memiliki ketentuan sebagai berikut : N : kabel jenis standar dengan penghantar tembaga.
Y : mempunyai isolasi PVC.
H : kabel untuk alat bergerak.
Gb : kawat pipa baja (perisai).
Y : berisolasi PVC bagian luar.
4x : mempunyai 4 saluran merah – kuning – biru – hitam.
100 mm² : tiap saluran berpenampang masing-masing 100 mm².
0,6 / 1KV: arus yang diijinkan 600 volt, arus maksimal 1000 volt.
2.8 Uninterruptible Power Supply (UPS)
Uninterruptible power supply adalah peralatan listrik yang berfungsi untuk memberi daya sementara ketika daya utama dari jaringan padam. Daya sementara ini bersumber dari daya DC yang disimpan pada baterai. UPS dihubungkan dengan beban-beban sensitif sehingga ketika suplai daya dari jaringan terganggu, beban-beban kritikal ini tetap mendapatkan sumber energi listrik dari UPS. UPS juga menghasilkan keluaran tegangan yang berkualitas karena dapat meminimalisir distorsi tegangan, voltage sag, dan voltage sweel. UPS dilengkapi dengan peralatan interface untuk komunikasi dengan komputer. UPS dipasang diantara sumber listrik utama (PLN), generator dan beban yang akan disuplai.
Selama terjadi gangguan pada sumber listrik utama maka UPS akan mencatu beban sementara sampai generator hidup dan siap mencatu beban. Untuk mengetahui berapa kapasitas UPS yang sesuai untuk mencatu beban, dapat menggunakan rumus [4] :
Beban nominal UPS = C . Eff.inverter (2.10) Keterangan :
Beban nominal UPS = volt ampere
C = kapasitas UPS (Volt Ampere)
Eff. Inverter = 95% (tergantung merek UPS)
Saat ini, uninterruptible power supply (UPS) sudah sangat luas digunakan untuk berbagai kebutuhan rumah tangga maupun kebutuhan industri. UPS terdiri dari tiga komponen utama yaitu terdiri dari rectifier, inverter dan saklar pemindah.
2.8.1 Rectifier
Gambar 2.25 Skema Dasar Rectifier
Rangkaian penyearah yang sederhana ini akan mengubah catuan input tegangan AC menjadi tegangan output DC melalui proses perubahan tegangan pada trafo input kemudian disearahkan pada rangkaian rectifier yang selanjutnya akan difilter untuk menghilangkan bagian ripple pada output DC sehingga dihasilkan tegangan DC yang dikehendaki. Rectifier mempunyai 3 proses pengisian baterai yaitu [9]:
1. Floating Charge
Floating charge adalah jenis pengisian dari rectifier ke baterai untuk menjaga baterai dalam keadaan penuh dan baterai tidak mengeluarkan maupun menerima arus listrik saat mencapai tegangan floating dan baterai tetap tersambung ke rectifier dan beban.
2. Equalizing Charge
Equalizing charge adalah jenis pengisian baterai untuk menyamakan atau meratakan tegangan yang terjadi karena baterai lama tidak digunakan atau setelah baterai digunakan untuk mencatu beban.
3. Boosting Charge
Boosting charge adalah jenis pengisian baterai dengan cara cepat yang digunakan untuk mengisi baterai baru atau baterai mengalami pengosongan yang besar akibat mencatu beban dalam kurun waktu yang lama.
Pada rangkaian di atas merupakan bagan suatu rangkaian penyearah sederhana tanpa dilengkapi dengan stabilisator. Rangkaian penyearah seperti ini kurang cocok digunakan untuk mencatu daya pada perangkat telekomunikasi, terutama untuk beban yang berubah-ubah sepanjang hari. Rangkaian penyearah seperti di atas biasanya hanya digunakan untuk mengisi baterai starter mobil dan sebagainya. Berikut ini adalah fungsi lain rectifier :
Mencatu beban dengan tegangan nominal yang stabil pada toleransi + 0,5% sampai dengan 2%. Dengan demikian penyearah harus dilengkapi dengan rangkaian stabilisator.
Menjamin keamanan tegangan kerja untuk perangkat telekomunikasi (limit tegangan beban). Mungkin terjadi karena disebabkan oleh suatu gangguan, unit regulator tidak berfungsi sebagaiman mestinya, sehingga berakibat tegangan output naik atau turun dari batas tegangan kerjanya. Bila
tegangan naik jauh melebihi batas normal maka dapat merusak perangkat- perangkat telekomunikasi yang dicatunya. Demikian bila tegangan output turun jauh dibawah tegangan normal, maka perangkat-perangkat telekomunikasi tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya dan mengakibatkan pelayanan telekomunikasi terganggu. Setiap perangkat telekomunikasi agar dapat bekerja dengan baik harus mendapat catuan listrik pada daerah tegangan tertentu. Daerah tegangan kerja adalah batas- batas tegangan dimana perangkat telekomunikasi masih dapat bekerja secara normal.
Dilengkapi dengan sistem pengamanan seperti thermo relay, circuit breaker, sekering yang menjamin keamanan-keamanan bagian dari komponen rectifier itu sendiri dari arus dan tegangan yang lebih besar.
Dilengkapi dengan fasilitas pengaturan tegangan manual apabila fungsi otomatis tidak bekerja.
Mampu menyediakan arus beban yang dibutuhkan.
Mempunyai fasilitas untuk melayani kebutuhan pengisian baterai dengan berbagai macam tegangan.
Dilengkapi dengan pengontrol fasa tegangan. Apabila sistem mengalami gagal fasa, maka sistem kontrol tersebut akan secara otomatis mematikan rectifier dan mengalihkan catuan tegangan DC dari baterai sampai rectifier dapat bekerja normal kembali.
Dilengkapi dengan unit pembatas arus. Apabila arus yang mengalir melebihi kemampuan rectifier, maka unit ini akan menurunkan tegangan output secara otomatis. Dengan demikian arus pengisian baterai akan
dikurangi untuk memenuhi catuan beban. Sehingga kenaikan arus yang melebihi kemampuan rectifier dapat dihindari.
Dilengkapi dengan sistem sinyal, baik itu sinyal lampu ataupun sinyal alarm yang dapat memberitahu operator tentang kinerja rectifier saat itu.
2.8.2 Inverter
Inverter merupakan perangkat yang digunakan untuk mengubah input berupa tegangan DC menjadi output bertegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan baterai cell, bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain [8].
Gambar 2.26 Rangkaian Inverter
Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti ditunjukkan pada (Gambar 2.26). Bila sakelar S1dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 macam :
inverter 1 fasa
inverter 3 fasa
Inverter biasanya menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM). Inverter juga dapat dibedakan dengan cara pengaturan tegangannya, yaitu :
jika yang diatur tegangan input konstan disebut Voltage Fed Inverter (VFI)
jika yang diatur arus input konstan disebut Current Fed Inverter (CFI)
jika tegangan input yang diatur disebut Variable dc linked inverter
2.8.3 Saklar Pemindah (Transfer Switch)
Saklar pemindahan ini untuk memilih sumber daya yang tersedia antara sistem bypass dengan sistem utama UPS. Sistem bypass bekerja jika ada kondisi tidak normal pada elemen UPS. Dalam kondisi normal saklar pemindahan ini terhubung dengan terminal sistem utama UPS, jika kondisi UPS tidak normal saklar pemisah ini otomatis berpindah ke terminal bypass. Saklar pemindahan yang cenderung digunakan yaitu saklar statis dan saklar elektromekanikal.
Saklar statis terbuat dari bahan semikonduktor, waktu pemindahannya (3-4) ms. Saklar elektromekanikal waktu pemindahannya (50-100) ms. Untuk pembangkit listrik, saklar statis lebih dominan digunakan.
2.9 Baterai
Baterai adalah suatu alat penyimpanan energi listrik yang dapat di isi (charge) setelah energi listrik di dalam baterai digunakan. Kapasitas atau kemampuan menyimpan energi ditentukan oleh semua komponen di dalam baterai seperti jenis material yang digunakan dan jenis elektrolitnya sehingga dikenal baterai asam dan baterai alkali [11].
Alat untuk mengisi energi listrik ke dalam baterai biasanya menggunakan rectifier yang berfungsi mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah dan tegangan outputnya sesuai dengan tegangan baterai. Kapasitas rectifier ini ditentukan oleh kapasitas baterai, sehingga besarnya arus dan tegangan pengisisan serta waktu sangat menentukan kondisi baterai. Jika tegangan baik dan sesuai (lebih tinggi dari pada tegangan baterai) sehingga arus pengisian dapat mengalir mangisi baterai tersebut.
Untuk mengetahui apakah baterai sudah terisi penuh dan dapat menyimpannya dengan baik maka perlu dilakuakan pengukuran kondisi baterai dengan cara menguji secara simulasi beban yang dapat diatur sehingga arusnya pun dapat diatur pada arus yang tetap maka tegangan baterai akan turun dari tegangan nominalnya. Waktu penurunan tegangan dibandingkan dengan karakteristik baterai tersebut maka dapat diketahui kondisi baterai tersebut, apakah mempunyai kapasitas yang baik atau buruk < 40%.
1 3 2 4
5 2.9.1 Prinsip Dasar Baterai
Gambar 2.27 Kontruksi Sel Listrik / Sel Baterai
Kontruksi Sel Listrik / Sel Baterai:
1. Plat positif 2. Plat negatif
3. Separator / Penyekat 4. Elektrolit / Cairan Kimia 5. Container / Wadah
Apabila dua logam yang berbeda dimasukan ke dalam suatu larutan kimia/elektrolit, diantara kedua logam tersebut akan timbul suatu beda logam potensial. Besarnya beda potensial tergantung jenis dan kwalitas logam atau jenis elektrolitnya, beda potensial antara kedua logam tersebut adalah karena adanya electric cell yang mempunyai aktif material (Gambar 2.27).
Separator adalah suatu bahan berbentuk lembaran seluas permukaan plat yang fungsinya sebagai pemisah atau penyekat antara plat positif dengan plat negatif dan sekaligus juga dapat memperlancar proses reaksi kimia di dalam sel baterai.
Kapasitas suatu sel baterai adalah banyaknya daya listrik yang dapat disupplaikan selama discharge. Kapasitas baterai tergantung pada efisiensi komponen kimia dan luas permukaan elektrode, biasanya dinyatakan dalam satuan Ampere Hour (AH).
Tahanan dalam sel listrik ini bertambah sesuai dengan bertambahnya umur yang akhirnya seperti sel yang sudah habis dipakai, tahanan dalam naik secara cepat menjadi basar harganya yang disebabkan oleh:
1. Efek polarisasi, semakin lama/semakin berumur sel listrik depolarisasi menjadi tidak aktif/tidak berguna dan membentuk air sehingga tahanan dalam sel akan menjadi naik.
2. Reaksi kimia, efek sekunder dari reaksi kimia mengakibatkan bagian dalam sel terbentuk campuran yang menyebabkan tahanan menjadi lebih besar terhadap arus.
2.9.2 Proses Pengisian Baterai
Ketika arus melalui elektrolit KOH sehingga molekul memisahkan diri menjadi ion K+ dan ion (OH-) bergerak ke plat positif dan ion K+ menuju plat negatif, jadi plat positif mengubah ion 2Ni(OH)3, begitu juga plat negatif akan mengubah Fe. Sebenarnya disini tidak terjadi perubahan komposisi dari elektrolit dan spesifik grefity tetap konstan selama proses pengisian dan pengosongan (charging dan discharging) [1].
2.9.3 Proses Pengosongan Baterai
Terjadi proses kebalikan terhadap proses pengisian dimana, plat positif adalah 2Ni(OH)3 + K 2Ni(OH) + 2KOH plat negatif adalah Fe + 2KOH Fe(OH)2.
Di sini terjadi proses perubahan menjadi seperti keadaan semula. Selama pengosongan diperoleh keuntungan kondisi yang tetap dimana merupakan keuntungan yang besar dibandingkan dengan baterai asam.
2.9.4 Jumlah dan Kapasitas Baterai
Jumlah baterai yang di butuhkan dalam suatu bank untuk mencatu suatu beban dapat ditentukan dengan mengetahui berapa tegangan kerja yang dibutuhkan beban tersebut.
Kapasitas suatu baterai adalah menyatakan besarnya arus listrik (Ampere) baterai yang dapat di suplai atau di alirkan ke suatu rangkaian luar atau beban dalam jangka waktu (jam) tertentu, untuk memberikan tegangan tertentu kapasitas baterai (Ah) dinyatakan sebagai berikut :
C = I . t (2.11)
Keterangan :
C = kapasitas baterai (Ampere hour atau Ah) I = arus listrik (Ampere)
t = waktu (jam)
Seandainya baterai-baterai tersebut memiliki kapasitas yang berbeda-beda namun disusun paralel untuk membagi rata beban yang ada, maka untuk menghitung lama waktu yang dapat mereka tangani untuk mencatu energi listrik sebesar :
t =ΣCΣI (2.12)
keterangan :
ΣC = total kapasitas seluruh baterai (Ampere hour atau Ah) Σ I = total arus beban yang ada (Ampere)
Selain itu, biasanya baterai-baterai ini disusun seri dan di satukan dalam satu bank. Hal ini di maksudkan agar dapat di peroleh tegangan yang di inginkan untuk mencatu beban-beban arus searah dalam keadaan darurat. Dalam penentuan jumlah baterai yang di butuhkan untuk mencatu beban, maka harus diketahui kapasitas dari beban tersebut. Kemudian untuk mengetahui berapa daya total dapat menggunakan rumus berikut :
P = V . I (2.13)
Keterangan : P = daya (Watt) V = tegangan (Volt) I = arus (Ampere)
2.10 Faktor Daya
Dalam rangkaian listrik, biasannya terdapat tiga macam beban listrik yaitu beban resistif, beban induktif, dan beban kapasitif. Beban resistif adalah beban yang hanya terdiri dari tahanan ohm dan daya yang dikonsumsinya hanya daya aktif saja. Beban induktif mempunyai ciri-ciri, disamping mengkonsumsi daya aktif, juga menyerap daya reaktif (Q) dan daya aktif (P) biasa disebut dengan daya semu (S) seperti gambar dibawah ini [9] :
Gambar 2.28 Vektor Diagram Segitiga Daya Dari gambar 2.28 menyatakan bahwa daya semu = S
S = √P² + Q² (2.14)
Dan dari gambar 2.28 diatas diperoleh rumus segitiga daya : Satu fasa :
P = V.I Cos φ (2.15)
Q = V.I Sin φ (2.16)
S = V.I (2.17)
Tiga fasa :
P = √3. V.I Cos φ (2.18)
Q = √3.V.I Sin φ (2.19)
S = √3. V.I (2.20)
ϕ
Keterangan :
P = Daya nyata (watt) Q = Daya reaktif (VAR) S = Daya semu (VA) V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere) Cos φ = faktor daya Sin φ = faktor daya
Perbandingan antara daya aktif dan daya semu disebut faktor daya.
Faktor daya = daya aktif
daya semu atau Cos φ = PS (2.21)
Nilai faktor daya (Cos φ) yang besar, membawa pengaruh baik pada jaringan primer maupun sekunder. Makin besar daya reaktif suatu beban, maka semakin kecil pula faktor dayanya.
Faktor daya (Cos φ) yang terbelakang terjadi pada kondisi dimana arus terbelakang terhadap tegangan dan keadaan ini dijumpai pada jaringan yang banyak terdapat beban induktif. Sebaliknya faktor daya yang terdahulu terjadi pada kondisi dimana arus mendahului tegangan dan keadaan ini dijumpai pada beban kapasitif.
2.11 Analisa Sistem Beban
Beban sistem tenaga listrik merupakan pemakaian tenaga listrik dari para pelanggan listrik. Oleh karena itu besar kecilnya beban beserta perubahannya tergantung pada kebutuhan para pelanggan akan tenaga listrik. Tidak ada
perhitungan yang eksak mengenai berapa besarnya beban sistem pada suatu saat, yang dapat dilakukan hanyalah membuat perkiraan beban. Maka masalah perkiraan beban merupakan masalah yang sangat menentukan bagi perusahaan- perusahaan yang menyediakan jasa dalam bidang listrik dan telekomunikasi.
Untuk dapat membuat perkiraan beban yang sebaik mungkin, sangat diperlukan data dari beban sistem tenaga listrik yang sudah terjadi di masa lalu, kemudian di analisa. Berikut ini adalah kelompok perkiraan beban [5]:
1. Perkiraan Beban Jangka Panjang
Perkiraan beban jangka panjang adalah untuk jangka waktu diatas satu tahun. Dalam perkiraan beban jangka panjang masalah-masalah makro ekonomi yang merupakan masalah ekstern perusahaan yang menyediakan jasa dalam bidang listrik dan telekomunikasi, merupakan faktor utama yang menentukan arah perkiraan beban. Faktor makro tersebut misalnya pendapatan per kapita penduduk Indonesia. Kenaikan beban listrik untuk jangka panjang di Indonesia masih akan relatif tinggi dibandingkan dengan negara-negara maju, misalnya negara eropa.
2. Perkiraan Beban Jangka Menengah
Perkiraan beban jangka menengah adalah untuk jangka waktu dari satu bulan sampai dengan satu tahun. Poros beban jangka menengah adalah perkiraan beban jangka panjang, sehingga perkiraan beban jangka menengah tidaklah menyimpang terlalu jauh terhadap perkiraan beban jangka panjang. Dalam perkiraan beban jangka menengah adalah masalah- masalah manajerial perusahaan merupakan faktor utama yang menentukan.
Dalam perkiraan jangka panjang biasanya hanya diperkirakan beban
puncak yang tertinggi yang akan terjadi dalam sistem tenaga listrik, karena perkiraan beban jangka panjang lebih banyak dipergunakan untuk keperluan perencanaan perkembangan sistem.
3. Perkiraan Beban Jangka Pendek
Perkiraan beban jangka pendek adalah untuk jangka waktu beberapa jam sampai satu minggu (168 jam). Dalam perkiraan beban jangka pendek terdapat batas atas untuk beban maksimum dan batas bawah untuk beban minimum yang ditentukan oleh perkiraan beban jangka menengah. Besarnya beban untuk setiap jam ditentukan dengan memperhatikan langgam beban di waktu lalu dengan memperhatikan berbagai informasi yang dapat mempengaruhi besarnya beban sistem seperti acara televisi, cuaca dan suhu udara.
2.11.1 Cara-cara Memperkirakan Beban
Salah satu faktor yang sangat menentukan dalam membuat rencana operasi sistem tenaga listrik adalah perkiraan beban yang akan di alami oleh sistem tenaga listrik tersebut. Tidak ada rumus eksak untuk ini, karena besarnya beban ditentukan oleh para pemakai (konsumen) tenaga listrik yang secara bebas dapat menentukan pemakaiannya. Namun karena pada umumnya kebutuhan tenaga listrik seorang konsumen sifatnya periodik maka grafik pemakaian tenaga listrik atau lazimnya disebut sebagai grafik beban dari sistem tenaga listrik juga mempunyai sifat periodik.
Grafik beban secara perlahan-lahan berubah bentuknya baik kwantitatif maupun kwalitatif. Perubahan ini antara lain disebabkan oleh [4]:
a. Bertambahnya jumlah konsumen.
b. Bertambahnya konsumsi tenaga listrik akibat adanya peralatan baru.
c. Suhu udara, apabila suhu udara tinggi maka pemakaian alat penyejuk udara bertambah.
d. Kegiatan sosial masyarakat. Sebagai contoh adanya pertandingan olahraga sepakbola yang di siarkan suatu televisi ternyata menimbulkan kenaikan beban.
Dari uraian di atas diketahui bahwa tidak di temukan rumus yang eksak untuk menentukan besarnya beban. Tetapi beban dapat diperkirakan besarnya berdasarkan pengalaman-pengalaman dan pengamatan-pengamatan di masa lalu kemudian di adakan perkiraan untuk masa yang akan datang. Beberapa metode yang dipakai untuk memperkirakan beban adalah:
1. Metode Least Square
Beban dimasa silam dicatat dan kemudian ditarik garis ekstrapolasi. Metode ini dapat dipakai untuk memperkirakan beban puncak yang akan terjadi di sistem tenaga listrik untuk beberapa tahun yang akan datang.
d₁² + d₂² + d₃² +……… (2.22)
Gambar 2.29 Metode Least Square
2. Metode Eksponensial
Metode ini dapat di pakai jika sistem tenaga listrik yang dibahas masih jauh dari kejenuhan dan ada suatu target kenaikan penjualan yang ingin di capai.
Gambar 2.30 Metode Eksponensial Keterangan:
B₀ = beban puncak pada saat sekarang.
P = Presentase kenaikan beban per tahun yang di targetkan.
T = jumlah tahun yang akan datang.
3. Metode Curve Fit
Metode ini dapat dipakai apabila sudah terlihat adanya kejenuhan pada sistem tenaga listrik yang dibahas. Kejenuhan dapat terjadi karena semua orang telah memakai tenaga listrik, dan tidak ada pengembangan industri.
Gambar 2.31 Metode Curve Fit Keterangan:
B₀ = beban puncak pada saat sekarang t = jumlah tahun yang ditentukan
a = konstanta yang di cari secara coba-coba 4. Metode Koefisien Beban
Metode ini dipakai untuk memperkirakan beban harian dari suatu sistem tenaga listrik. Beban untuk setiap jam diberi koefisien yang menggambarkan besarnya beban pada jam tersebut dalam perbandingan terhadap beban puncak. Koefisien-koefisien ini berbeda untuk hari senin sampai dengan minggu dan juga untuk hari libur bukan minggu. Beban puncak dapat diperkirakan dengan melihat beban puncak mingguan tahun- tahun yang lalu kemudian dengan menggunakan koefisien-koefisien tersebut dapat memperkirakan grafik beban harian untuk minggu yang akan datang.
Gambar 2.32 Metode Koefisien Beban
5. Metode Pendekatan Linier
Metode ini hanya dapat dipakai untuk memperkirakan beban beberapa puluh menit ke depan dan biasanya konstanta a juga tergantung kepada ramalan cuaca. Metode ini juga dapat dipakai untuk memperkirakan beban puncak beberapa puluh menit sebelumnya.
Gambar 2.33 Metode Pendekatan Linier B = at + b₀ dimana:
B = beban pada saat t
a = suatu konstanta yang harus ditentukan b₀= beban pada saat t = t₀
6. Metoda Markov
Metoda ini di pakai untuk memperkirakan beban puncak sistem tenaga listrik dalam jangka panjang dengan memperhitungkan kegiatan- kegiatan ekonomi dalam suatu negara secara makro.
