AUTOMATISASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega32

Transkripsi

1 AUTOMATISASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega32 Hendra Gunawan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Siliwangi Tasikmalaya ABSTRAK Nilai faktor daya yang rendah Cosφ<0,85 lagging dari peralatan elektrik rumah tangga menyebabkan penggunaan daya menjadi kurang optimal dan pada saat alat-alat elektrik tersebut dihidupkan atau dimatikan dengan waktu tidak bersamaan, maka akan menyebabkan nilai faktor daya yang berubah-ubah. Untuk memperbaiki nilai faktor daya yang berubah-ubah dapat dilakukan dengan memasang kapasitor yang seharusnya berubah-ubah secara otomatis yang terhubung paralel terhadap beban. Pada perancangan alat Automatisasi Perbaikan Faktor Daya ini menggunakan IC ATmega 32 sebagai prosesor untuk menghitung dan menentukan kapasitor yang di butuhkan sebagai kompensasi daya reaktif dari beban induktif. Hasil didapat bahwa dari jenis beban 3 lampu TL dengan nilai faktor daya sebelum perbaikan cos 1 = 0,51 lagging, maka aktifnya kapasitor 2 µf dan 8 µf dapat memperbaiki nilai faktor daya menjadi cos 2 =0,94 lagging. Kata kunci : Perbaikan faktor daya, Kapasitor, ATmega32 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Permasalahan yang ada pada konsumen PLN, terutama pada peralatan elektrik rumah tangga adalah rendahnya kualitas faktor daya yang disebabkan oleh beban elektrik yang bersifat induktif. Beban dengan jenis induktif ini akan menyebabkan rendahnya faktor daya (Cosφ<0,85 lagging). Oleh sebab itu, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui berapa besar faktor daya yang dihasilkan, dan daya yang dapat dihemat baik sebelum maupun sesudah dilakukan perbaikan, dan apakah cos yang dihasilkan 0,85 lagging. Perbaikan faktor daya dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor. Namun penggunaan alat elektrik yang tidak bersamaan dapat menyebabkan nilai faktor daya tidak tetap. Untuk memperbaiki nilai faktor daya yang tidak tetap dapat dilakukan dengan memasang kapasitor yang seharusnya berubah-ubah secara otomatis yang terhubung paralel dengan beban. 1.2.Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Merancang dan membuat alat automatisasi perbaikan faktor daya agar dapat menghitung dan menentukan kapasitor yang dibutuhkan. 2. Untuk Mengetahui apakah alat yang dibuat dapat memperbaiki nilai faktor daya dengan cos φ yang di inginkan = 0, Untuk mengetahui berapa besar daya yang dihemat dengan adanya perbaikan faktor daya tersebut. 1.3.Batasan Masalah Adapun pembatasan masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Nilai kapasitor disesuaikan dengan yang ada dipasaran. 2. Sensor arus yang dipakai adalah Electricity current sensor 5A. 3. Arus maksimal dalam penelitian ini adalah 4A. 2. LANDASAN TEORI 2.1. Daya Listrik Daya listrik dapat diklasifikasikan menjadi tiga yaitu: - Daya aktif ( P ) adalah daya yang terpakai untuk melakukan energi sebenarnya. Satuan daya aktif adalah Watt. - Daya reaktif ( Q ) adalah jumlah daya yang diperlukan untuk pembentukan 1

2 medan magnet. Satuan daya reaktif adalah Volt Ampere Reaktif. - Daya semu ( S ) adalah daya yang dihasilkan oleh perkalian antara tegangan dan arus dalam suatu jaringan. Satuan daya semu adalah Volt Ampere. Hubungan ketiga macam daya tersebut dijelaskan sebagai berikut : Gambar 2.3 Beban bersifat induktif Sedangkan untuk beban yang bersifat kapasitif adalah gelombang arus mendahului gelombang tegangannya (leading). Gambar berikut menunjukkan beban bersifat kapasitif: Dimana: Gambar 2.1 Segitiga daya Gambar 2.4 Beban bersifat kapasitif 2.2.Perbaikan Faktor Daya Dalam sebuah sumber arus bolak balik (AC = Alternating Current), bila beban yang diaplikasikan bersifat resistif murni, maka gelombang dari tegangan dan arus adalah sefasa. Ditunjukkan dengan gambar berikut: Sebuah kapasitor daya atau yang dikenal dengan nama kapasitor bank harus mempunyai daya Qc yang sama dengan daya reaktif dari sistem yang akan diperbaiki factor dayanya. Jika keadaan ini dipenuhi, kapasitor bank akan memperbaiki faktor daya menjadi bernilai maksimum (cos = 1). Besarnya daya reaktif yang diperlukan untuk mengubah faktor daya dari cos 1 menjadi cos 2 dapat ditentukan dengan : Gambar 2.2 Beban bersifat resistif Bila beban bersifat induktif maka yang akan terjadi gelombang arus akan tertinggal dari gelombang tegangan (lagging). Gambar berikut menunjukkan beban bersifat induktif: Gambar 2.5 Prinsip perbaikan faktor daya 2.3.Sensor Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai panca indra pada manusia. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara 2

3 elektronik berfungsi mengubah suatu besaran (misalnya : temperatur, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik. 2.4.Operational Amplifier Inverting Sebuah op-amp menerima arus atau tegangan kecil pada masukannya dan menjangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar pada keluarannya. Penguat opamp memiliki penguatan (gain) yang relative linier, keluarannya dikendalikan sebagai fungsi dari pada masukan. Tabel 2.1 Tabel kebenaran gerbang logika XOR A B output Gambar 2.8 Simbol gerbang logika XOR Gambar 2.6 Skema rangkaian op-amp inverting 2.5.Detektor Fasa Non-Inverting Komparator Non-inverting komparator dibuat dengan menghubungkan tegangan masukan (V in ) pada masukan non-inverting dan suatu tegangan referensi (V ref ) pada terminal inverting. V ref Gambar 2.7 Rangkaian Non-Inverting Komparator Gerbang Logika XOR Gerbang logika XOR hanya akan menghasilkan output dengan logika 0 jika semua input secara bersamaaan bernilai rendah atau semua input bernilai tinggi atau dapat disimpulkan gerbang XOR akan menghasilkan output dengan logika 0 jika inputnya bernilai sama semua. tabel kebenarannya dapat dilihat pada tabel 2.3. Gambar 2.9. Sinyal Input dan Output Detektor Fasa 2.6.Mikrokontroler ATMEGA32 Mikrokontroler ATmega32 adalah Mikrokontroler buatan ATMEL dari keluarga AVR (Alf and Vegard s Risc processor). ATmega32 memiliki 32 saluran input output untuk berbagai keperluan (PortA, PortB, PortC, PortD), CPU terdiri 32 buah register, timer/counter dengan mode pembanding (compare), interupsi internal dan eksternal, port Universal Synchronous Asynchronous serial Receiver and Transmitter ( USART ) untuk komunikasi serial, 8 saluran ADC 10-bit, Watchdog Timer yang dapat diprogram dengan osilator internal. 3

4 dalam pengaturan faktor daya itu sendiri yang berpengaruh dalam pengaturannya yakni tegangan dan arus. Gambar 2.10 Pin Mikrokontroler ATmega32 3. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1. Blok Diagram Blok diagram dari sistem Automatisasi Perbaikan Faktor Daya Berbasis Mikrokontrol Atmega32 : Gambar 3.3 Electricity current sensor Karena sinyal dan tegangan output dari sensor arus terlalu kecil, maka digunakan rangkaian penguat op-amp. Rangkaian inverting amplifier ini menggunakan IC op-amp LM358. Gambar 3.4 Rangkaian penguat arus Gambar 3.1 Blok diagram perencanaan sistem 3.2. Sensor Tegangan Sensor tegangan menggunakan trafo penurun tegangan (trafo step down) 220 Volt/6 Volt. Dikarenakan mikrokontroler ATmega32 bekerja pada tegangan kurang dari atau sama dengan 5 volt, maka difungsikan resistor pembagi tegangan untuk menurunkan tegangan dari tegangan 6 volt menjadi tegangan 4 volt. Gambar 3.2 Skema rangkaian sensor tegangan 3.3. Sensor Arus Untuk pengukuran arus, digunakan Electricity current sensor 5A. Tujuan penggunaan sensor arus ini adalah karena 3.4. Zero Crossing Detector (Deteksi Beda Phase) Rangkaian zero crossing detector ini menggunakan menggunakan IC LM358 dengan tujuan membaca dan mengubah gelombang sinus menjadi kotak dimana masukan dari IC LM358 ini dari sensor arus dan sensor tegangan. Keluaran dari rangkaian zero crossing detector ini berupa sinyal kotak yang akan dijadikan masukan untuk IC 74HC86 yang mana didalam IC tersebut terdapat gerbang logiaka XOR. Menggunakan gerbang logika XOR ini bertujuan untuk menghasilkan sinyal kotak yang menunjukkan nilai beda phasa antara arus dan tegangan. Selanjutnya, keluaran berupa sinyal kotak yang menunjukkan nilai beda phasa ini akan dijadikan input mikrokontroller untuk di proses sebagai nilai cos. 4

5 Gambar 3.5 Rangkaian zero crossing detector 3.5.Sitem Minimun ATmega32 Sistem minimum mikrokontroler ATmega32 adalah rangkaian elektronik minimum yang diperlukan untuk beroperasinya IC mikrokontroler ATmega32. Sistem minimum ini kemudian bisa dihubungkan dengan rangkaian lain untuk menjalankan fungsi tertentu. Gambar 3.6 Skema rangkaian sitem minimum ATmega32 Gambar 3.7 Skema rangkaian control switch kapasitor Tabel 3.1 Konfigurasi relay yang terhubung dengan kapasitor Relay Kapasitor Relay 1 2 µf Relay 2 4 µf Relay 3 6 µf Relay 4 8 µf Relay 5 12 µf 3.7.Bank Kapasitor Bank kapasitor yang digunakan untuk melakukan perbaikan faktor daya ini adalah kapasitor AC yang tegangan kerjanya lebih besar dari 220 Volt. Dimisalkan pada saluran beban dengan frekuensi 50 Hz, arus 0,9A, Cosφ 1 = 0,63 dan Cosφ yang diinginkan adalah Cosφ 2 = Maka : Diketahui : 3.6.Rangkaian Control Switch Kapasitor Switch kapasitor mengggunakan relay sebanyak lima buah yang dipasang secara seri dengan kapasitor AC dan menggunakan komponen ULN2003 sebagai IC driver untuk mengatur relay mana saja yang dibutuhkan untuk melakukan kompensasi daya reaktifnya. Dimana : 5

6 Besarnya kapasitansi kapasitor yang harus dipasang dapat dihitung dengan : Selain untuk mendeteksi perubahan tegangan, dalam pembuatan alat ini sensor tegangan memiliki fungsi lain yaitu sebagai sensor pendeteksi gelombang AC yang nantinya akan dijadikan untuk input pada rangkaian zero crossing detector. Mengacu pada kapasitor yang telah tersedia, maka kapasitor dengan nilai 6 µf pada relay 3 ( tabel 3.1 ) yang akan digunakan sebagai pengkonfensasi daya reaktif. 4. PENGUJIAN DAN ANALISA Setelah perancangan perangkat keras ( hardware ) dan perancangan perangkat lunak ( software ) serta pembuatan alat secara keseluruhan telah selesai dilakukan, maka selanjutnya adalah melakukan pengujian beserta analisa yang dimaksudkan untuk mengetahui kinerja dari alat yang telah dibuat. 4.1.Pengujian Sensor Tegangan Pengujian sensor tegangan dengan cara membandingka hasil pengukuran antara sensor tegangan yang dibuat (APFD) dengan alat ukur yang ada (SANWA). Tabel 4.1 Pengujian sensor tegangan Gambar 4.2 Gelombang output dari sensor tegangan 4.2.Pengujian Sensor Arus Dikarenakan tegangan keluaran dari sensor arus terlalu kecil dan tidak memungkinkan untuk dibaca oleh mikrokontrol, maka diperlukan adanya penguatan seperti yang telah diuraikan pada contoh sub bab 3.2. Berikut adalah tabel tegangan keluaran dari sensor arus sebelum penguatan dan sesudah penguatan. Tabel 4.2 Tegangan keluaran dari sensor arus Pengujian sensor arus dilakukan dengan cara membandingkan sensor arus yang dibuat dengan alat ukur clam meter digital merk HIOKI terhadap beban yang berbeda-beda. Tabel 4.3 Pengujian sensor arus Gambar 4.1 Grafik pengujian sensor tegangan Persentasi error dari alat ukur sensor tegangan (APFD) terhadap alat ukur (SANWA): 6

7 dan Gambar 4.6 menunjukkan gambar sinyal keluaran dari IC-XOR 74HC86. Gambar 4.3 Grafik pengujian sensor arus Sama halnya dengan sensor tegangan, dalam pembuatan alat ini sensor arus memiliki fungsi lain yaitu sebagai sensor untuk mendeteksi gelombang AC dari arus beban yang nantinya akan dijadikan untuk input pada rangkaian zero crossing detector. Gambar 4.5 Sinyal keluaran rangkaian zero crossing detector Gambar 4.6 Sinyal keluaran dari IC-XOR 74HC86 Gambar 4.4 Gelombang output dari sensor arus 4.3.Pengujian Pendeteksi Beda Fasa Keluaran gelombang sinus yang dihasilkan dari sensor arus dan sensor tegangan dijadikan masukan untuk rangkaian zero crossing detector yang kemudian dijadikan masukan untuk IC- XOR. Sinyal keluaran dari IC-XOR ini akan yang menginformasikan data beda fasa antara tegangan dan arus. IC-XOR digunakan sebagai pembanding dari 2 gelombang masukan yaitu gelombang arus dan gelombang tegangan yang merupakan keluaran dari zero crossing detector yang mempunyai beda phase. Gambar 4.5 menunjukkan gambar sinyal keluaran rangkaian zero crossing detector antara sensor tegangan dan sensor arus menggunakan beban motor fase tunggal 4.4.Pengujian Sistem Minimum Atmega32 dan LCD 2x16 Pengujian Sistem Minimum Atmega32 dan LCD dilakukan dengan mengirimkan program ke mikrokontroler dan dialamatkan ke Port C yang terhubung ke LCD untuk menampilkan teks dengan menggunakan aplikasi Code Vision AVR. Berikut adalah list program untuk menampilkan teks pada LCD : #include <mega32.h> // Alphanumeric LCD Module functions #asm.equ lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm #include <lcd.h> void main(void) { lcd_init(16); lcd_clear(); lcd_gotoxy(2,0); lcd_putsf("tes LCD 2X16"); lcd_gotoxy(2,1); lcd_putsf("avr ATmega32"); while (1); } 7

8 melakukan pengujian alat secara keseluruhan yang meliputi sensor arus, sensor tegangan, nilai faktor daya dan nilai kapasitor yang dibutuhkan sebagai kompensasi daya reaktif dari beban yang terpasang. Dari hasil pengujian tersebut diperoleh data sebagai berikut: Tabel 4.4 Hasil perbandingan pengukuran alat ukur APFD dengan alat ukur HIOKI 3286 sebelum menggunakan kapasitor. Gambar 4.6 Pengujian sistem minimum ATmega32 dan LCD 2x Pengujian Rangkaian Driver Relay Komponen utama dari rangkaian driver relay ini adalah IC ULN2003 yang nantinya akan mengkombinasikan kapasitor. Driver relay dikontrol dari PORTD.0 sampai dengan PORTD.5 pada mikrokontroler, sehingga ketika IC ULN2003 diberi logika 1 (high) dari PORTD pada mikrokontroler, maka relay akan aktif dan mengkombinasikan kapasitor sesuai dengan data yang dibutuhkan. Tabel 4.5 Hasil perbandingan pengukuran alat ukur APFD dengan alat ukur HIOKI 3286 sesudah menggunakan kapasitor. Tabel 4.6 Daya reaktif sebelum menggunakan kapasitor Gambar 4.8 Pengujian rangkaian driver relay Pada gambar diatas menunjukan ketika pin 1 dari IC ULN2003 diberi logika 1 (high) atau diberi input tegangan DC 5 volt, maka relay 1 aktif diketahui dengan menyalanya led yang difungsikan sebagai indikator dari relay yang aktif. 4.6.Pengujian Keseluruhan Setelah dilakukan pengujian subsitem dari alat ini, selanjutnya adalah Tabel 4.7 Daya reaktif sesudah menggunakan kapasitor 8

9 Tabel 4.13 Selisih Daya Sebelum dan Sesudah Perbaikan Faktor Daya (S Hemat ) Selisih daya reaktif: Jenis beban 3 Lampu TL ( data tabel 4.6 sebelum perbaikan dan data tabel 4.7 sesudah perbaikan alat ukur HIOKI ) Dengan perhitungan yang sama seperti di atas, selisih daya reaktif sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya (Q C ) untuk jenis beban yang lainnya dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 4.12 Selisih daya reaktif sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya (Q C ) Selisih daya semu (S Hemat ): Jenis beban 3 Lampu TL ( data tabel 4.7 sebelum perbaikan dan data tabel 4.11 sesudah perbaikan alat ukur HIOKI ) Dengan perhitungan yang sama seperti di atas, selisih daya semu sebelum dan sesudah perbaikan faktor daya (S hemat) untuk jenis beban yang lainnya dapat dilihat pada tabel berikut: Analisa Data Berdasarkan data hasil pengujian, data hasil percobaan dan data hasil perhitungan, maka dapat dianalisa bahwa : Sensor tegangan yang dibuat dan digunakan pada alat ini masih memiliki error pembacaan tegangan. pada volt meter merk SANWA terbaca 230 volt sedangkan pada sensor tegangan APFD terbaca 233,4 volt. Artinya ada selisih error dari sensor tegangan APFD terhadap volt meter SANWA sebesar 1,45%. Kemudian pada volt meter merk SANWA terbaca 198 volt sedangkan pada sensor tegangan APFD terbaca 200 volt. Artinya ada selisih error dari sensor tegangan APFD terhadap volt meter SANWA sebesar 1%. Pada sensor arus masih terdapat error pembacaan arus dibandingkan terhadap clamp meter HIOKI. Error pembacaan arus terbesar pada kisaran arus 1,5 ampere yaitu sebesar 18,95%. Untuk mendapatkan informasi beda fase dari beban terpasang, sinyal analog dari sensor arus dan sensor tegangan terlebih dahulu dijadikan sinyal digital oleh rangkaian zero crossing detector, kemudian IC XOR akan membandingkan dua sinyal digital tersebut selanjutnya hasil dari perbandingan IC XOR dikonversi oleh ADC internal mikrokontroler ATmega32 menjadi nilai cos. sebelum driver relay kapasitor aktif (tabel 4.4), pada Jenis beban lampu pijar cos = 0,99 terukur pada clamp meter HIOKI dan cos = 0,98 terukur pada APFD. Jika dibandingkan dengan tabel 4.5 Jenis beban lampu pijar nilai cos tidak ada perbaikan dikarenakan nilai cos lebih besar dari 0,95.

10 Sebelum kapasitor aktif (tabel 4.4) pada jenis beban 3 lampu TL pada alat ukur HIOKI cos 1 = 0,5 dan pada alat ukur APFD cos 1 = 0,51. Dengan aktifnya kapasitor (tabel 4.5) 2 µf dan 8 µf, pada alat ukur HIOKI cos 2 = 0,9 sedangkan pada alat ukur APFD cos 2 = 0,94. Daya reaktif yang di serap oleh kapasitor sebesar 70% dan S Hemat sebesar 42%. Tasikmalaya, Universitas Siliwangi, Tasikmalaya, Fredrick H. Hughes, Panduan OP-AMP, PT Elex Media Komputindo, Jakarta, Syahban Rangkuti, Mikrokontroller ATMEL AVR, Informatika, Bandung, Atmel Corporation, Microcontroller With 32Kbytes In-System Programmable Flash, Atmel Corporation, KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan 1. Alat yang dibuat dapat menghitung dan menentukan nilai kapasitor yang dibutuhkan untuk mengkompensasi daya reaktif dari jenis beban induktif 2. Sebelum kapasitor aktif (tabel 4.4) pada jenis beban 3 lampu TL pada alat ukur HIOKI cos 1 = 0,5 dan pada alat ukur APFD cos 1 = 0,51. Dengan aktifnya kapasitor (tabel 4.5) 2 µf dan 8 µf, pada alat ukur HIOKI cos 2 = 0,9 sedangkan pada alat ukur APFD cos 2 = 0,94. Daya 3. Dengan aktifnya kapasitor (tabel 4.5) 2 µf dan 8 µf, Daya reaktif yang di serap oleh kapasitor sebesar 70% dan S Hemat sebesar 42%. 5.2.Saran Pembuatan alat Automatisasi Perbaikan Faktor Daya ini tentu tidak lepas dari berbagai macam kekurangan, ada beberapa saran disampaikan demi peningkatan kualitas dan kehandalan pada alat ini : 1. Agar perbaikan faktor daya lebih efektif diperlukan rangkaian kombinasi kapasitor yang lebih bervariasi dengan selisih nilai kapasitas kapaitor yang lebih kecil. 2. Diperlukannya pengaman atau pun peredam loncatan bunga api yang diakibatkan dari pensaklaran relay dan beban terpasang sehingga dapat mempengaruhi kinerja dari alat dan juga dapat mempengaruhi lifetime dari IC mikrokontrol ATmega DAFTAR PUSTAKA 1. Joseph A. Eedminister, Electric circuits 2/ed, Mc Graw-Hill International Book Company, Singapore, Fajar Chandra Nurhuda, Analisis Perbaikan Faktor Daya Pada Tegangan Rendah 380/220V Di Asia Plaza 10

11