Transduser Arus Bolak-Balik Menggunakan Kumparan Rogowski

Transkripsi

1 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau Transuser Arus Boak-Baik Menggunakan Kumparan Rogowski Buhi Anto 1, Anri Saputra 1 Jurusan Teknik Eektro Universitas Riau J. HR. Subrantas km 12,5 Simpang Baru, Pekanbaru, tep/fax (761) 66596/(761) e-mai: buhianto.ur@gmai.com Abstrak Paparan ini menampikan perancangan an pembuatan kumparan rogowski berikut rangkaian pengkonisi sinyanya untuk igunakan sebagai aat ukur arus boak-baik. Tegangan inuksi paa ujungujung kumparan rogowski ihubungkan ke rangkaian integrator aktif untuk menapatkan sinya tegangan yang berbaning urus engan arus yang iukur. Kemuian keuaran rangkaian integrator iperkuat tingkatannya an isearahkan menggunakan rangkaian penyearah presisi berbasis penguat operasiona. Tegangan keuaran penyearah ibuat rata terebih ahuu engan pemasangan kapasitor perata sebeum ihubungkan kepaa port masukan anaog mikrokontroer ATMEGA Pembacaan ATMEGA 8535 itampikan paa ayar LCD. Pengujian engan menggunakan pembaning aat ukur arus boak-baik berbasis besi putar keas,5 memperihatkan bahwa untuk rentang pengukuran arus sampai 5 A, persentase kesaahan pengukuran maksimum aaah 2,5%. Kata kunci: kumparan rogowski, integrator aktif, penyearah presisi, mikrokontroer ATMEGA8535 Abstract This paper presents an attempt to esign an make a rogowski coi together with its signa conitioning circuit for aternating current measurement. The inuce votage between rogowski coi ens is connecte to active integrator circuit to yie votage signa that is inear corresponing with the measure current. The output of integrator circuit is ampifie its eve before rectifie using precision rectifier circuit. The output of precision rectifier is fitere using capacitor before connecte to anaog input port of ATMEGA8535 microcontroer. Microcontroer performs ata acquisition of the signa, processes it an sens information of the rms vaue of the measure current to an LCD ispay. A test with.5 cass moving-iron type amperemeter as a comparison shows that for measurement of aternating current from to 5 amperes, the maximum vaue of error measurement is 2.5%. Keywors: rogowski coi, active integrator, precision rectifier, ATMEGA8535 microcontroer 1. Penahuuan Untuk mengukur arus boak-baik yang besar biasanya igunakan sensor trafo arus atau CT (current transformer). Konstruksi CT teriri atas inti yang berbentuk toroi an beitan yang iiitkan paa inti tersebut. Prinsip kerja CT aaah seperti prinsip kerja transformator paa umumnya. Sisi primer CT aaah penghantar yang akan iukur arusnya, yang ietakkan i tengah-tengah toroi, seangkan sisi sekuner CT aaah beitan paa inti toroi tersebut. Untuk mengukur arus boak-baik, sisi sekuner CT ihubungkan engan aat ukur amperemeter. CT konvensiona menggunakan inti ari bahan feromagnetik. Bahan feromagnetik memiiki keungguan paa niai permeabiitasnya yang besar sehingga fuks magnet yang ihasikan oeh arus yang mengair paa penghantar apat ikumpukan aam jumah yang sangat banyak i aam bahan feromagnetik, sehingga arus inuksi yang iperoeh ari sisi sekuner CT apat igunakan untuk menggerakkan beban engan resistansi renah seperti jarum penunjuk amperemeter atau ree proteksi eektromekanik [1]. Namun bahan feromag-netik memiiki karakteristik bahwa rapat fuksnya akan jenuh jika arus magnetisasinya terau besar. Bersama engan fenomena kejenuhan inti, efek histeresis an fuks magnet sisa, menyebabkan bentuk arus sisi sekunernya mengaami istorsi sehingga pembacaan aat ukur amperemeter menjai kurang teiti, begitu pua engan penurunan kinerja ree proteksi sebagaimana ijeaskan paa [2] engan mengacu ke [3]. Kumparan rogowski, seperti namanya, itemukan oeh Water Rogowski paa tahun 1912 [4]. Konstruksi kumparan rogowski aaah seperti CT tetapi menggunakan inti uara. Meskipun sama-sama menggunakan inti uara, kumparan rogowski berbea engan inear couper baik ari segi konstruksi maupun prinsip kerjanya. Ujung-ujung kumparan rogowski itutup engan beban impeansi tinggi seangkan ujung-ujung inear couper itutup engan beban impeansi renah [1,5]. Meskipun teah ama ikena namun kumparan rogowski baru muai ikembangkan akhir-akhir ini seiring engan kemajuan teknoogi piranti eektronika pengkonisi sinya. Bersama engan MOCT (magneto-optic current transucer) kumparan rogowski teah imasukkan aam keompok transuser arus istrik generasi baru [6]. 28

2 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau Berbea engan bahan feromagnetik, karakteristik magnetisasi uara aaah inier an tiak mengaami efek jenuh sehingga arus sisi primer ari sensor kumparan rogowski akan ipetakan secara sempurna paa sisi sekunernya. Karena karakteristik iniernya, kumparan rogowski teah igunakan untuk mengukur arus-arus peraihan seperti arus-arus paa percobaan hubung singkat, percobaan petir an percobaan partia ischarge [4]. Disamping itu, kumparan rogowski teah igunakan untuk menggantikan CT konvensiona paa rangkaian sensor ree proteksi igita [1] an pengukuran arus berfrekuensi tinggi [7,8]. Seain keungguan karakteristik magnetisasinya yang inier an tiak jenuh, kumparan rogowski mempunyai keungguan-keungguan ain atas CT yaitu konstruksinya seerhana an tiak maha serta bersifat non-intrusif aam arti paa konisi-konisi tertentu pemasangan kumparan rogowski tiak membebani penghantar yang akan iukur arusnya [7]. Karena keungguan-keungguan tersebut maka kami tertarik untuk membuat kumparan rogowski aam rangka penguasaan teknoogi transuser ini. Transuser yang ibuat igunakan untuk mengukur arus boak-baik engan frekuensi nomina 5 hertz. 2. Prinsip Kerja Kumparan Rogowski Konstruksi kumparan rogowski iperihatkan paa Gambar 1. Konstruksi tersebut inamakan kumparan rogowski engan satu-apis beitan (singe ayer wining rogowski coi) [1,7,9]. Beitan tersebut iiitkan i sepanjang inti toroi. Mean magnet i sekitar penghantar apat menginuksikan tegangan paa beitan tersebut sehingga akan mempengaruhi keteitian pengukuran arus yang mengair paa penghantar. Tegangan inuksi tersebut ikompensasi oeh iitan tungga yang beraa i tengah-tengah beitan [1,9]. Penghantar yang iukur arusnya Inti ari bahan nonmagnetik b rc a Liitan kompensasi p v coi q Gambar 1: Konstruksi kumparan rogowski Kumparan rogowski merupakan apikasi ari Hukum Ampere an Hukum Faraay. Hukum Ampere menyatakan bahwa integra garis ari mean magnet H i sepanjang intasan tertutup aaah sama engan tota arus yang iingkupi oeh intasan tertutup tersebut. Secara matematika Hukum Ampere apat ituis sebagai berikut, i H H cos (1) imana H aaah mean magnet, aaah eemen keci ari intasan magnetik imana niai H ievauasi an i aaah arus yang iingkupi oeh intasan tertutup. Hukum Faraay-Lenz menyatakan bahwa tegangan inuksi akan ibangkitkan apabia terapat perubahan fuks magnet (Hukum Faraay) an apabia tegangan inuksi tersebut muncu paa sebuah sirkit tertutup, maka terapat arus inuksi yang arah airnya aaah seemikian sehingga fuks magnet yang ihasikannya seau meawan perubahan fuks magnet penghasinya (Hukum Lenz). Jika arus istrik mengair paa penghantar yang terapat i tengah-tengah toroi, maka tegangan inuksi (v coi) akan muncu paa ujung-ujung kumparan rogowski (paa termina p an termina q). Tegangan inuksi tersebut merupakan integrasi ari tegangan inuksi paa setiap iitan ari kumparan rogowski. Dengan mengambi teba 1 iitan sebagai (yaitu eemen panjang ari intasan magnetik inti kumparan rogowski) maka tegangan inuksi paa setiap iitan aaah sebagai berikut, 281

3 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau v H B S H S o o A cos (2) S S imana µ o aaah permeabiitas ruang hampa, A aaah uas penampang iitan. Tegangan inuksi tota aaah sebagai berikut, vcoi v n o An H i cos o An H o An cos (3) imana n aaah jumah iitan per satuan panjang. Dari persamaan (3) terihat bahwa tegangan inuksi paa ujung-ujung kumparan rogowski berbaning urus engan iferensia arus yang iukur. Konstanta pembaningnya inamakan inuktansi bersama kumparan M, sehingga iperoeh, i v coi M (4) sehingga iperoeh, N M o An o A (5) imana N aaah jumah iitan kumparan rogowski. Persamaan (4) memperihatkan bahwa untuk menapatkan sinya arus yang iukur, maka sinya keuaran kumparan rogowski harus iewatkan paa rangkaian integrator. Jika arus i aaah berbentuk geombang sinus engan frekuensi ω, maka persamaan (4) apat ituis sebagai berikut, v coi 2I sint 2IM cos t M (6) sehingga niai maksimum v coi aaah, v coi maks 2IM (7) sehingga iperoeh niai M yaitu, vcoimaks M (8) 2I 3. Metoe Peneitian Daam peneitian ini teah iakukan perancangan, pembuatan an pengujian transuser arus boak-baik yang menggunakan kumparan rogowski sebagai sensor arusnya. Kumparan rogowski yang ibuat aaah ari jenis beitan satu-apis. Rancangan transuser secara iagram bok iperihatkan paa Gambar 2. Rangkaian pengkonisi sinya teriri atas rangkaian penguat integrator an rangkaian penyearah presisi yang iengkapi engan kapasitor perata. Keuaran penyearah presisi ihubungkan ke masukan anaog ari mikrokontroer ATMEGA8535. Mikrokontroer menampikan hasi akuisisi ata paa ayar LCD. Sistem pengukuran irancang untuk mengukur arus boak-baik sampai 5 ampere. Niai ini itetapkan karena pertimbangan keterbatasan peraatan yang terseia i aboratorium pengujian. Oeh karena itu rancangan kumparan rogowski an besar penguatan rangkaian integrator isesuaikan untuk tujuan iatas. 282

4 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau i Integrator Penguat Penyearah presisi Mikrokontroer ATMEGA8535 L C D Gambar 2: Diagram bok sistem pengukuran Tabe 1: Parameter inti kumparan rogowski Parameter Niai (cm) b a r c 5,5 2,4 3,95 Inti kumparan rogowski menggunakan bahan pastik berongga. Bahan ini aaah bera-sa ari mainan anak-anak. Parameter inti kumparan iperihatkan paa Tabe 1. Dari Tabe 1, panjang intasan magnetik bahan inti apat itentukan yaitu, 2 rc 24,82cm, 2482m Seanjutnya uas penampang inti kumparan aaah sebagai berikut, A 1 ( b a) 7,55cm, 755m 4 Niai v coi-maks paa arus sebesar 5 ampere engan frekuensi 5 Hz aaah iharapkan sebesar 5 mv, sehingga ari persamaan (8) iperoeh niai M sebesar 22,5 µh. Jumah iitan kumparan rogowski N apat ihitung engan menyeesaikan persamaan (5) sehingga iperoeh N = 5886 iitan. Gambar 3. Rangkaian inverting integrator [1] Rangkaian integrator aaah ari jenis integrator aktif berbasis penguat operasiona. Rangkaian integrator iperihatkan paa Gambar 3. Dengan mengambi niai R f >> R, maka sinya keuaran integrator aaah sebagai berikut, v out 1 RC v in (9) Disini iambi niai R =1 kω, R f = 33 kω an C = 1nF. Penguat tegangan menggunakan rangkaian penguat pembaik seperti iperihatkan paa Gambar 4. Dengan mengambi R in = 2 kω an R f = 1 kω iperoeh penguatan tegangan sebesar -5. R f V in R in - + V out Gambar 4. Rangkaian penguat pembaik Rangkaian penyearah presisi berfungsi menyearahkan sinya keuaran rangkaian penguat tegangan untuk seanjutnya ibaca oeh mikrokontroer. Rangkaian penyearah presisi yang igunakan iperihatkan paa Gambar

5 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau Gambar 5. Rangkaian penyearah presisi [11] Mikrokontroer berfungsi mengakuisisi sinya keuaran rangkaian penyearah presisi, mengoahnya an menampikan hasinya paa ayar LCD. Mikrokontroer yang igunakan aaah ATMEGA Hasi an Pembahasan Kumparan rogowski yang teah ibuat beserta rangkaian transusernya iperihatkan paa Gambar 6 an Gambar 7. Seanjutnya iakukan pengujian untuk mengukur kinerja transuser. Peraatan yang igunakan aaah sumber tegangan boak-baik yang apat iatur, beban resistif an amperemeter besi putar keas,5. Rangkaian pengujian iperihatkan paa Gambar 8. Proseur pengujian aaah tegangan sumber inaikkan secara bertahap sehingga terapat kenaikan arus secara bertahap pua. Untuk setiap tahap kenaikan arus iakukan pencatatan terhaap pembacaan amperemeter an pembacaan transuser. Hasi pengujian itampikan paa Tabe 2. Kumparan rogowski Gambar 6. Kumparan rogowski yang ibuat Gambar 7. Rangkaian transuser yang terakit aam kotak A Variabe AC suppy Transuser 4,7 ohm, 17 W Gambar 8. Rangkaian pengujian 284

6 Seminar Nasiona Teknoogi Informasi Komunikasi an Inustri (SNTIKI) 4 ISSN : Fakutas Sains an Teknoogi UIN Sutan Syarif Kasim Riau Tabe 2. Hasi pengujian transuser engan pembaning amperemeter besi putar keas,5 Pembacaan amperemeter (A) Pembacaan transuser (A) Persentase kesaahan (%),5,5 1, 1, 1,5 1,5 2, 2, 2,5 2,5 3, 3, 3,5 3,5 4, 4,1 2,5 4,5 4,5 5, 5, Persentase kesaahan pengukuran ihitung engan menggunakan persamaan berikut, kesaahan pengukuran pembacaan _ amperemeter pembacaan _ transuser pembacaan _ amperemeter 1% Hasi pengujian sebagaimana itampikan paa Tabe 2 memperihatkan bahwa untuk rentang pengukuran arus resistif sampai 5 ampere, persentase kesaahan pengukuran maksimum aaah 2,5 % 5. Kesimpuan Kumparan rogowski jenis beitan satu-apis teah irancang an ibuat bersama engan rangkaian pengkonisi sinyanya an rangkaian pengoah ata. Hasi pengujian pengukuran arus resistif engan menggunakan amperemeter besi putar keas,5 sebagai pembaning teah memperihatkan bahwa kesaahan pengukuran maksimum ari transuser kumparan rogowski aaah 2,5 %. Transuser ini apat ikembangkan ebih anjut sehingga apat igunakan untuk mengukur arus boak-baik secara rea-time engan mempergunakan teknik pencupikan (samping) an penggunaan konverter anaog ke igita jenis bipoar yang kompatibe engan mikrokontroer yang igunakan. References [1] Kojovic L. A. et a. Practica Aspects of Rogowski Coi Appications to Reaying. IEEE Power System Reaying Committee Specia Report. September 21 [2] Rezaee M, an Heyari H. Design Moification of Rogowski Coi for Current Measurement in Low Frequency. Iranian Journa of Eectrica an Eectronic Engineering. Vo. 6, no. 4, December 21, pp [3] Guerra F. C. F, an Mota W. S. Current Transformer Moe. IEEE Transactions on Power Deivery. Vo. 22, no. 1, Januari 27, pp [4] War D. A., an Exon J. L. T. Using Rogowski cois for transient current measurements. Engineering Science an Eucation Journa. Vo. 2, No. 3, pp , Jun [5] Wentz E. C. Linear Couper. US Patent No. 2,411,43. November [6] Uren E.A. Overview of IEEE C Stanar for Anaog Inputs to Protective Reays from Eectronic Votage an Current Transucers. IEEE Power System Conference an Exposition, Atanta, USA. November 26. [7] Argueso M, Robes G, Sanz J. Measurement of High Frequency Currents with a Rogowski Coi. Congreso Hispano-Luso e Ingenieria Eectrica, 9CHLIE, Marbea, Espana. Juy 25. [8] Dubickas V, an Ein H. High-Frequency Moe of the Rogowski Coi with a Sma Number of Turns. IEEE Transactions on Instrumentation an Measurement. Vo. 56 no.6. December 27. pp [9] Ramboz J. D. Machinabe Rogowski Coi, Design an Caibration. IEEE Transactions on Instrumentation an Measurement. Vo. 45 no.2. Apri pp [1] Kushnerov A, an Pokryvaio A. Design of Rogowski Coi with Integrator. Ben-Gurion University of The Negev. 26 [11] Ro Eiott. Precision Rectifiers