No title

ISSN: 2088-9984

Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013

SIMULASI SINKRONISASI GENERATOR 3 FASA PADA PLTMH ISOLATED BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 16 Muhammad Rizal Fachri 1) Syukriyadin 2) Hendrayana 3) 1,3)

Magister Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala 2) Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala Darussalam, Banda Aceh email : [email protected]

dikembangkan untuk pembangkitan tenaga listrik adalah pemanfaatan energi terbarukan seperti angin, surya, biomassa dan energi air (mikrohidro)[1]. Kadang pembangkitan sebuah generator tidak cukup untuk menyuplai pasokan listrik untuk wilayah tersebut maka diperlukan Pengoperasian generator secara paralel untuk meninkatkan pasokan listrik ke beban. Proses paralel atau disebut juga dengan proses sinkronisasi dapat dilakukan secara manual dan bisa juga secara otomatis. Proses sinkronisasi secara manual yaitu sebelum generator satu dengan yang lain terhubung paralel, maka operator haruslah memperhatikan alat ukur synchroscope, voltmeter, dan frekuensi meter. Jika alat ukur synchroscope pada posisi tepat di jam 12, voltmeter dan frekeunsi meter antara PLTMH dengan PLN menunjukkan angka yang sama barulah operator dapat menghubungkan antara kedua sistem. Kelemahan dari proses inkronisasi secara manual adalah memungkinkan terjadinya kesalahan pada operator (human error). Kesalahan tersebut bisa terjadi karena operator dalam melihat alat-alat ukur tidak teliti. Proses sinkronisasi secara otomatis yaitu peralatan sinkronisasi dapat mengubungkan secara otomatis bila persyaratan sinkronisasi kedua generator terpenuhi. Supaya syarat sinkron dipenuhi secara otomatis maka diperlukan alat otomatis yang dapat mendeteksi persyaratan sinkronisasi dan setelah persyaratan terpenuhi dapat menghubungkan kedua sistem secara tepat tanpa adanya kesalahan[2, 6].

ABSTRACT Synchronization very necessary when paralleling generators on hydro power plant (PLTMH) to increase the supply of electric power to the load in the islanding mode. The requirements of the synchronization process is voltage, frequency, phase angle, and phase sequence between the generator should be the same. Synchronized tools be found in the market is still quite large and also difficult to gained, so this is aimed to develop sync for facilitated detection synchronization conditions that are designed using a microcontroller and more simple. Design synchronous tools using ATMEGA 16 microcontroller that can detect when the terms synchronous and synchronous parameters are met then will automatically parallelize generator. Automatic synchronization tool includes control unit to read the terms synchronous generator, needs to be designed voltage, frequency and phase different sensors of the generators. Based on simulation result is shown that conditions in the requirements of the synchronous, voltage, frequency on the two generators has the same and phase difference at the output XOR sensor circuit has been shown 0, then the microcontroller send output signal "on" to the relay/switching circuit to issue an order for closing the breaker.

Key words PLTMH, Sinkronisasi, Mikrokontroler, ATMEGA 16

1. Pendahuluan

2. Landasan Teori

Permintaan akan energi listrik yang terus meningkat, sementara jumlah penyediaan energi listrik terbatas, dimungkinkan timbulnya dampak krisis energi dan kenaikan tarif listrik. Mengatasi hal tersebut tidak mungkin hanya mengandalkan sumber energi fosil, karena cadangan energi fosil di Indonesia sangat terbatas dan jika terus digunakan bukan tidak mungkin dalam waktu yang singkat akan habis. Upaya lain yang mungkin

PLTMH merupakan pembangkit listrik yang menggunakan energi potensial air dan dapat diklasifikasikan atau di kelompokkan berdasarkan metode mendapatkan head, sistem operasi dan jenis turbin yang digunakan[7]. Prinsip kerja dari PLTMH seperti pada gambar 1. Suatu pembangkit listrik tenaga mikrohydro tergantung dengan:  Debit air 42

ISSN: 2088-9984

Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013  

Ketinggian (jatuh ketinggian) Efesiensi.

Gambar 3 Rotor sangkar

Rotor kumparan/belitan (wound rotor), Kumparan dihubungkan bintang dibagian dalam dan ujung yang lain dihubungkan dengan slipring ke tahanan luar. Kumparan dapat dikembangkan menjadi pengaturan kecepatan putaran motor. Pada kerja normal slipring hubung singkat secara otomatis, sehingga rotor bekerja seperti rotor sangkar. Seperti ditunjukan pada gambar 4 berikut.

Gambar 1 Cara kerja PLTMH[7]

Dengan demikin dapat diformulasikan secara sederhana, daya (P) yang dibangkitkan dari suatu pembangkit PLTMH adalah: P = g x Q x H x ……………………(1) P = Daya mekanik (Watt) Q = Debit aliran (m3/s) g = Konstanta percepatan gravitasi bumi (m/s2) H = ketinggian aliran air (m)  = Efesiensi

Gambar 4 Rotor kumparan/belitan

Keuntungan mesin induksi 3 phasa :  Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila motor dengan rotor sangkar.  Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi.  Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan kecil.  Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan motor hampir tidak diperlukan. Kerugian Penggunaan Mesin Induksi  Kecepatan tidak mudah dikontrol  Power faktor rendah pada beban ringan Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal

Generator yang sering digunakan oleh PLTMH merupakan mesin induksi sebagai generator atau disebut juga generator asinkron. Mesin induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Mesin induksi merupakan motor yang paling banyak kita jumpai dalam industri[8]. Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar dan terletak pada bagian luar. Dibuat dari besi bundar berlaminasi dan mempunyai alur – alur sebagai tempat meletakkan kumparan seperti terlihat pada gambar 2.

2.1 Mesin Induksi Sebagai Generator Penggunaan Mesin Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui kehandalannya. Meskipun dari segi effisiensi, khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator Sinkron, tetapi karena mesin induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya yang luas dan konstruksi mesin induksi jauh lebih sederhana dibanding generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run a way speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron untuk pembangkit Mikrohidro. Mesin induksi tiga fasa dapat dioperasikan sebagai generator satu fasa maupun tiga fasa. Pada mesin induksi yang dioperasikan sebagai generator tidak terdapat

Gambar 2 Stator motor

Rotor sangkar seperti pada gambar 3 adalah bagian dari mesin yang berputar bebas dan letaknya bagian dalam. Terbuat dari besi laminasi yang mempunyai slot dengan batang alumunium / tembaga yang dihubungkan singkat pada ujungnya.

43

ISSN: 2088-9984


pengatur tegangan. Pada mesin induksi sebagai generator tegangan keluarannya sangat dipengaruhi oleh besarnya beban dan nilai kapasitor eksitasi. Dalam pengoperasiannya, generator induksi sangat sensitif terhadap perubahan beban. Perubahan beban akan menyebabkan tegangan dan frekuensi output generator induksi berfluktuatif. Untuk menjaga output generator induksi tidak berfluktuatif, perlu dilakukan analisis mengenai regulasi tegangan dan frekuensi output generator induksi. Salah satu cara untuk mengatasi naik-turun tegangan dan frekuensi adalah dengan mengatur beban generator menggunakan IGC (Induction Generator Control). Apabila beban berkurang maka IGC berkerja untuk memerintahkan memindahkan beban ke beban penyeimbang (ballast load) agar beban tetap saja nominal (konstan) seperti terlihat pada gambar 5[1].

operasikan generator, kemudian dilihat urutan lampu (nyala) urutan lampu akan berubah menurut urutan L1-L2L3-L1-L2-L3 b. Voltmeter, frekuensi meter dan syncronscope. Ketetapan sudut fasa dapat dilihat dari segi syncronscope. Bila jarum penunjuk berputar berlawanan arah jarum jam, berarti frekuensi generator lebih rendah dan bila searah jarum jam berarti frekuensi generator lebih tinggi. Pada saat jarum jam telah menunjukkan kedudukan vertikal, berarti beda fasa generator dan jala-jala telah nol, atau selisih fasa telah nol. Seperti yang ditunjukan gambar 6 bentuk diagram sinkronisasi generator[2]. Paralel generator secara otomatis biasanya menggunakan alat yang secara otomatis memonitor beda fasa, tegangan, dan frekuensi. Apabila semua kondisi telah mencapai alat memberi sinyal bekerja saklar untuk paralel dapat dimasukkan.

Gambar 6 Diagram alur sinkronisasi generator[8] Gambar 5 Aplikasi penggunaan IGC (Induction Generator Control) pada generator asinkron[11]

2.3 Mikrokontroler AVR ATMEGA 16

2.2 Sinkronisasi Generator

AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang pengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam system menggunakan hubungan serial SPI. ATMega16. ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain: 1. Advanced RISC Architecture - 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution

Untuk melakukan operasi paralel generator maka dilakukan tahap sinkronisasi terlebih dahulu. Beberapa parameter yang harus sama untuk syarat sinkronisasi adalah: 1. Tegangan 2. Frekuensi 3. Urutan Fasa 4. Sudut Fasa Dengan berkembangnya teknologi maka proses sinkronisasi dapat dilakukan secara otomatis pada synchronizing panel. Ada beberapa cara untuk memparalelkan generator yaitu: a. Lampu cahaya berputar dan watt meter. Pilih lampu dengan tegangan kerja 2 kali tegangan fasa netral generator atau gunakan 2 lampu yang dihubungkan seri. Dalam saklar 5 terbuka

44

ISSN: 2088-9984


- 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation - Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz - On-chip 2-cycle Multiplier 2. Nonvolatile Program and Data Memories - 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash - Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits - 512 Bytes EEPROM - 512 Bytes Internal SRAM - Programming Lock for Software Security 3. Peripheral Features - Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Mode - Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes - One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode - Real Time Counter with Separate Oscillator - Four PWM Channels - 8-channel, 10-bit ADC - Byte-oriented Two-wire Serial Interface - Programmable Serial USART 4. Special Microcontroller Features - Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection - Internal Calibrated RC Oscillator - External and Internal Interrupt Sources - Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power down, Standby and Extended Standby 5. I/O and Package - 32 Programmable I/O Lines - 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44pad MLF 6. Operating Voltages - 2.7 - 5.5V for Atmega16L - 4.5 - 5.5V for Atmega16

3. Metode Penelitian Metode penelitian yang digunakan dengan mengambil beberapa studi literatur atau sumber yang berkaitan dengan sinkronisasi generator 3 fasa pada PLTMH isolated. Melakukan simulasi terhadap sinkronisasi generator 3 fasa berbasis Atmega 16, dan diambil data-data yang diperoleh. Dari proses penelitian diambil data mengenai kerja sistem keseluruhan kemudian dilakukan analisis terhadap untuk setiap proses dan melakukan perbaikan terhadap kekurangan yang menyimpang dari teoritis.

4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Rangkaian Sensor Tegangan Tegangan sumber 220V tidak bisa disuplay langsung kemasukkan mikrokontroler. Tegangan operasional microkontroler jauh lebih rendah dari pada tegangan sumber, ini dapat mengakibatkan kerusakan mikrokontroler oleh karena itu tegangnya harus diturunkan dulu dengan resistor pembagi tegangan, dan kemudian disearahkan dengan penyearah gelombang penuh kemudian memperhalus ripple nya menggunakan low pass filter yaitu komponen resistor 10k dan capasitor 10 μF yang diparalelkan untuk menghilangkan kandungan gelombang AC. Seperti yang titunjukan pada gambar 8 berikut.

Gambar 8 Rangkaian sensor tegangan

Tegangan keluaran (output) DC ditentukan oleh R dan RL sebagai pembagi tegangan. Dimana R1 = 2.2k dan R2 = 10k sehinga dapat dirumuskan sebagai berikut: …...…………………..(2)

Gambar 7 Pin-pin ATMega16 kemasan 40-pin[4]

Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package) ditunjukkan oleh gambar 7. Guna memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data)[4].

Vo dc = 4.918 Volt

45

ISSN: 2088-9984


……………………………………(3)

Riak Tegangan AC adalah: ……………………..(4) Gambar 10 Rangkaian zero crossing detector

Sinyal keluaran dari rangkaian zero crossing detector seperti pada gambar 11 dibawah.

Secara umum, R harus lebih rendah dari RL hal ini untuk memelihara level output DC, sehingga didapat tegangan keluaran pada sensor tegangan Vo = 4.99 V. Persentase tegangan riak adalah 100/(2 x10-3x10-6x 50)=10% Dimana, tegangan DC turun 5% dan harga tegangan akan berubah-ubah pada harga 90% - 100% dari nilai puncak. Bentuk sinyal keluaran dari sensor tegangan seperti pada gambar 9 dibawah. Dimana sinyal masukannya berupa gelombang sinusoidal (AC) yang diubah menjadi gelombang searah (DC).

Gambar 11 Bentuk sinyal keluaran zero crossing detector

4.3 Rangkaian Sensor Frekuensi Tegangan masukan untuk sensor frekuensi terlebih dulu diturunkan sama halnya seperti pada sensor tegangan. Sensor frekuensi merupakan rangkaian zero crossing detector di mana pada outputnya dihubungkan ke masukan IC LM2917. IC LM2917 merupakan converter frekuensi ke tegangan DC yang cukup sederhana karena IC LM2917 didesain khusus oleh National semiconductor sebagai frequency to voltage converter sehingga tidak membutuhkan komponen eksternal yang banyak. Rangkaian converter frekuensi ke tegangan dengan IC LM2917 ini dapat dioperasikan dengan tegangan kerja +12 volt DC hingga +24 volt DC. IC LM2917 ini memiliki output yang linier dengan arus output maksimal 30mA. Rangkaian sensor frekuensi seperti pada gambar 12 berikut.

Gambar 9 Sinyal keluaran dari sensor tegangan

4.2 Rangkaian Zero Crossing detector Rangkaian zero crossing detector (ZCD) berfungsi untuk mengetahui titik nol dari gelombang sumber AC. Pada saat menerima sinyal, ZCD memancarkan serangkaian sinyal persegi panjang gelombang unipolar, di mana setengah siklus positif dari sinyal tegangan sinusoidal di konversikan menjadi pulsa persegi panjang dari +5 volt dengan amplitudo konstan dan setengah siklus negatif ditekan menjadi 0 volt. Rangkaian lengkapnya seperti pada gambar 10 berikut ini.

Gambar 12 Rangkaian sensor frekuensi

46

ISSN: 2088-9984


Hasil sinyal keluaran sensor frekuensi berupa sinyal segi empat yang di ubah dari sinyal masukan sinusoidal. Seperti terlihat pada gambar 12 berikut.

4.5 Sinkronisasi Setelah menciptakan semua kondisi yaitu berupa sensor tegangan, sensor frekuensi dan sensor fasa. Maka Port B pada mikrokontroler atmega 16 digunakan untuk input sinyal sensor. Sehingga sinyal-sinyal sensor tersebut dikirim ke mikrokontroler Atmega 16 kemudian ditampilkan data sinyal sensor yang terukur pada LCD yang terhubung pada port A mikrokontroler, dimana bila digunakan untuk mengakses data, maka data akan dimultiplex, seperti yang ditunjukan pada gambar 16 Rangkaian Utama dari microkontroler atmega 16.

Vin 6 4 2 0 -2 -4 -6 Vout 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0

0.01

0.02 Time (s)

0.03

0.04

Gambar 13 Bentuk sinyal keluaran dari sensor frekuensi

4.4 Rangkaian Sensor Fasa Rangkian IC XOR digunakan untuk menentukan sensor fasa sebelum disinkronisakan yaitu berupa berbentuk gelombang pulsa. Jadi pada saat keluaran gelombang dari comparator atau opamp yang satunya bernilai 1 dan gelombang keluaran comparator satunya lagi 0 maka keluaran dari IC XOR adalah 1, sehingga IC XOR tidak bekerja maka tidak tidak terjadi sinkronisasi dan apabila keluaran keduanya dari comparator bernilai 1 atau keduaduanya keluaran comparator 0 maka keluaran dari IC XOR adalah 0, maka IC XOR akan bekerja sehingga menggerakkan kontak untuk sinkron. Rangkaian sensor fasa seperti ditunjukan pada gambar 14 berikut.

Gambar 16 Rangkaian utama mikrokontroler ATMEGA 16

Ketika sinyal telah tercapai pada batas yang diterima dimana tegangan, frekuensi kedua generator telah sama dan beda fasa pada keluaran rangkaian sensor fasa XOR telah menunjukan 0, maka mirokontroler mengirim sinyal “on” ke relay/switching breaker yang terhubung pada port lainnya, untuk memerintahkan circuit breaker yang di gunakan untuk mengambil keputusan menutup breaker. Gambar 17 menujukan rangkaian dari relay/switch breaker.

Gambar 14 Rangkaian sensor frekuensi

Hasil sinyal keluaran dari sensor fasa seperti ditunjukan pada gambar 15 berikut.

Gambar 17 Rangkaian Driver Relay Gambar 15 Bentuk sinyal keluaran sensor fasa

47

ISSN: 2088-9984


[5] Putra, Firmansyah., 2010, “Simulasi Paralel Generator

5. Kesimpulan

Secara Otomatis Pada Kapal Star-50 / BSBC 50.000 DWT Dengan Menggunakan Pendekatan Software Labview 8.5”, ITS, Surabaya, Indonesia. [6] Thamrin, N.J., 2011, “Rancang Bangun Alat Sinkronisasi Otomatis Pltmh Dengan Jaringan Distribusi PLN Berbasis Mikrokontroler Atmega 16 ”,

Merancang Alat sinkronisasi otomatis perlu dibuatkan sensor-sensor yang dibutuhkan untuk menciptakan konsisi dari syarat sinkron. Sensor tegangan, sensor frekuensi dan sensor fasa digunakan untuk menciptakan kondisi syarat sinkron. Sinyal-sinyal sensor tersebut dikirim ke mikrokontroler Atmega 16 melalui port B untuk diproses sampai berada dalam parameter yang dapat diterima dan terus ditampilkan pada LCD yang terhubung pada port A mikrokontroler. kondisi syarat sinkron dimana tegangan, frekuensi telah sama kedua generator dan beda fasa pada keluaran rangkaian sensor XOR telah menunjukkan 0, maka mikrokontroler mengeluarkan sinyal “on” ke switching breaker yang digunakan untuk mengeluarkan perintah untuk menutup breaker.

UGM, Yokyakarta, Indonesia. [7] Anggraini, Ika novia., Mei

2012, “Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Dengan Pemanfaatan Potensi Air di Desa Banteng Besi Kabupaten Lebong Propinsi Bengkulu”, Teknik Elektro

Universitas Bengkulu, Indonesia. [8] Anindito, Haryo, Wimbo., “Sinkronisasi Paralel Generator”, November 2012. [9] Abdurrahman, Sutedjo., “Dasar-dasar Motor Indiksi 3 fasa”, Maret 2011. [10] Irianto, Gagarin, Chairul., 2004,“Suatu Studi Penggunaan Motor Induksi sebagai Generator: Penentuan Nilai Kapasitor Untuk Penyedia Daya Reaktip”, Universitas Trisakti, Indonesia. [11] Renerconsys., 2010, “Digital Load Controller (DLC)

REFERENSI [1] Almuzahid, Ihsan., 2012, “Rancang Bangun Sinkronisasi Generator 1 Fasa untuk PLTMH Berbasis Mikrokontroler ATMEGA 16”, Politeknik Negeri Bandung, Indonesia. [2] Dabowsa, Ahmad I. Abo., Juni 2011, “Design of an

For Induction Generator (IGC) & Synchronous Generator (ELC)”, Bandung, Indonesia. [12] Kurniawan, Taupik alif., “Rancang Bangun Microchip Prototype Rangkaian Detektor Fasa Sebagai Rangkaian Pembaca Keluaran Sensor Kelembaban dan Konduktivitas Elektrik Berbasis Software Lasi 7.0”, Departemen Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, Indonesia.

Automatic Synchronizing Device for Dual - Electrical Generators Based on CAN Protocol”, The Islamic University of Gaza, Palestina. [3] Kundu, Palash., Das, Aribinda., 2009, “Microprocessor - Bassed System For Identification of Phase Sequence Anf Detected of Phasa Unbalance of Three - Phase Ac Supply”, Jadavpur University, India. [4] Hadi, Mokh. Sholihul., “Mengenal Mikrokontroler AVR ATMega16”, Komunitas eLearning IlmuKomputer.Com., 2003.

48

No title

Recommend Documents