SISTEM PENGENDALI BEBAN OTOMATIS PADA PLTMH STAND - ALONE. Slamet

SISTEM PENGENDALI BEBAN OTOMATIS PADA PLTMH STAND - ALONE Slamet Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru Terbarukan, dan Konservasi Energi slamet@p3tkebt.esdm.go.id S A R I Automatic Load Controller (ALC) digunakan sebagai pengaturan pada sisi beban, yang akan menyeimbangkan antara beban dan input power, sehingga daya input akan sama dengan penjumlahan antara beban utama (consumer load) dengan ballast load. Setiap perubahan daya pada consumer load akan selalu diimbangi oleh ballast load. Dengan demikian ALC adalah sebuah governor elektronik yang berfungsi sebagai pengatur tegangan dan frekuensi pada generator agar tetap stabil. Dari hasil uji coba dengan beban konsumen diubah-ubah, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ALC. Hasil pengendali frekuensi memiliki akurasi sekitar 0,01 Hz pada saat terjadi perubahan beban, sedangkan waktu untuk kembali frekuensi maksimum pada kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik. Kata kunci: automotive load controller (ALC), basis microprocessor, consumer load. 1. PENDAHULUAN Pengaturan besarnya debit air yang masuk pada turbin air menggunakan flow control. Besar debit air yang masuk tergantung pada daya yang diperlukan, perubahan beban akan berpengaruh terhadap besarnya air yang masuk. Tetapi flow control lebih komplikasi dengan adanya efek water hammer. Water hammer diakibatkan oleh akselerasi atau deselerasi flow pada penstock. Perubahan flow secara cepat baik akselerasi atau deselerasi akan mengakibatkan kerusakan pada penstock. Permasalahan water hammer pada pembangkit dapat dikurangi dengan cara membuat penstock sependek mungkin, dan mengurangi kecepatan dari sistem flow control atau dengan cara membuat surge tower (tanki penyimpan) dekat dengan pembangkit untuk mengatasi perubahan flow yang mendadak. Sedangkan ALC digunakan sebagai pengaturan pada sisi beban. Debit air dengan sistem load control akan tetap dan load control berada sejajar dengan beban utama yang berfungsi sebagai kompensator beban, yang akan menyeimbangkan antara beban dan input power, sehingga daya input akan sama dengan penjumlahan antara beban utama dengan ballast load. Setiap perubahan daya pada consumer load akan selalu diimbangi oleh ballast load. Dengan demikian, ALC adalah 43

sebuah governor elektronik yang berfungsi sebagai pengatur tegangan dan frekuensi pada generator agar tetap stabil. Oleh karena beban konsumen tidak selalu konstan, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh ALC sehingga: Beban Konsumen + Beban Komplemen = Kapasitas Nominal Generator Formula tersebut berlaku untuk setiap kondisi beban konsumen, sehingga secara grafik dapat juga diilustrasikan seperti di bawah ini: 2. KOMPONEN Semikonduktor Sifat dari rangkaian elektronika daya tidak banyak dipengaruhi oleh device sebenarnya yang digunakan, khususnya jika drop tegangan pada switch yang menghantar rendah jika dibandingkan tegangan lain pada rangkaian. Oleh karena itu device semikonduktor dapat dimodelkan sebagai saklar (switch) ideal untuk melihat sifat rangkaian. Saklar dimodelkan menutup (short circuit) ketika on dan membuka (open circuit) ketika off. Transisi antara kedua keadaan itu diasumsikan terjadi seketika. Gambar 1. Kurva perubahan beban Dari gambar di atas terlihat bahwa daya pembangkit selalu stabil karena perubahan beban konsumen (main load) selalu diimbangi dengan perubahan beban pada beban tiruan/ komplemen (ballast load). Low Harmonic Distortion harus seminimal mungkin karena jika harmonisa pada tegangan fasa generator terlalu tinggi akan berakibat pada kerusakan peralatan elektronik masyarakat. Untuk itu perlu di rancang ballast load dengan double step. Selama ini pengendali frekuensi yang baik memiliki akurasi sekitar 0,01 Hz pada saat terjadi perubahan beban. Sedangkan waktu untuk kembali frekuensi maksimum pada kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik. Dengan mempertimbangkan hal-hal tersebut diharapkan frekuensi tetap terjaga pada kondisi steady state, sehingga daya input tetap maksimum. Ada beberapa komponen semikonduktor yang sangat penting dalam pembuatan kontrol beban automatis, yaitu Thyristor,yang merupakan salah satu tipe devais semi konduktor daya yang paling penting dan telah digunakan secara ekstensif pada rangkaian elektronika daya. Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil, beroperasi antara keadaan nonkonduksi ke konduksi. Struktur Thyristor terdiri atas empat lapisan pnpn dengan tiga pn-junction dan memiliki tiga terminal, yaitu anode (A), katode (K) dan gate (G) terlihat pada Gambar 2. Gambar 2. Simbol Thyristor 44 M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011

Thyristor dibuat melalui proses difusi, ketika tegangan anode dibuat lebih positif dibandingkan dengan tegangan katode, sambungan pn berada pada kondisi forward bias dan sambungan np berada pada kondisi reverse bias, sehingga akan mengalir arus bocor yang kecil antara anode dan katode. Pada kondisi ini Thyristor dikatakan pada kondisi forward blocking atau kondisi off-state, dan arus bocor dikenal arus off-state ID. Jika tegangan anode ke katode VAK ditingkatkan hingga suatu tegangan tertentu, sambungan np akan bocor. Hal ini dikenal dengan avalanche breakdown dan tegangan VAK disebut dengan forward breakdown voltage, VBO, Tegangan jatuh yang terjadi pada Thyristor sangat kecil sekitar 1 Volt. Pada keadaan on, arus anode dibatasi oleh resistensi atau impedansi luar, RL, Arus anode harus lebih besar agar diperoleh cukup banyak aliran pembawa muatan bebas yang melewati sambungan-sambungan, jika tidak devais akan kembali ke kondisi blocking ketika tegangan anode ke katode berkurang. Thyristor pada kondisi on, akan bertindak seperti diode yang tidak dapat dikontrol. Hal ini karena tidak ada lapisan deplesi pada sambungan np karena pembawa muatan yang bergerak bebas. Thyristor akan dapat dihidupkan dengan meningkatkan maju VAK di atas VBO, akan tetapi kondisi ini bersifat merusak. Dalam prakteknya tegangan maju harus dipertahankan di bawah VBO, danthyristor dihidupkan dengan memberikan tegangan positif antara gerbang terhadap katode. Hal ini digambarkan pada Gambar 3 dengan garis putus-putus. Begitu Thyristor dihidupkan dengan sinyal penggerbangan itu dan arus anodanya lebih besar dari arus holding, maka thyristor akan terus berada pada kondisi tersambung secara positif balikan, bahkan bila sinyal penggerbangan dihilangkan. Thyristor dapat dikategorikan sebagai latching device. Aksi regeneratif atau latching yang ditimbulkan dari balikan positif dapat diperlihatkan dengan menggunakan model Thyristor dua transistor. Thyristor dapat dianggap sebagai dua transistor yang komplementer, satu pnp, Q 1 dan yang lainnya npn, Q 2 seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 3. Karakteristik Thyristor hubungan v-ii Gambar 4. Rangkaian ekivalen Thyristor Arus kolektor Ic dari Thyristor secara umum berkaitan dengan arus emitter IE dan arus sambungan kolektor-base I CBO sebagai C E CBO I I I dan penguatan arus commonbase yang didefinisikan sebagai. Untuk transistor Q1, arus emitter adalah arus IA, dan arus kolektor IC 1 dapat diperoleh Dengan adalah penguatan arus dan I CBO1 adalah arus bocor dari Q 1 dan sebaliknya untuk penamaan pada. Untuk Q 2 arus kolektor IC 2 adalah IC2 2IK ICBO2. 45

I I I I I I I, Dengan mengkombinasikan IC 1 dan IC 2 diperoleh A C1 C2 1 A CBO1 2 K CBO 2 tetapi untuk suatu arus penggerbangan I G, IK=I A +I G, maka akan diperoleh 2IG ICBO1 ICBO2 I A 1 ( ) 1 2 Jika arus I G tiba-tiba meningkat, misalnya dari o ke 1 ma, maka akan meningkatkan arus anode I A secara tiba-tiba juga, selanjutnya dan akan meningkat. Dan hal ini akan meningkatkan lebih jauh IA, sehingga terjadi efek regenerasi atau positif reverse. Jika ( + ) cenderung akan menuju harga satu, maka penyebut akan cenderung mendekati nol, yang menghasilkan nilai arus anode I A, dan Thyristor akan dihidupkan dengan arus gerbang kecil. Pada kondisi transien, kapasitansi dari sambungan pn, akan mempengaruhi karakteristik Thyristor. Jika suatuthyristor berada pada keadaan blocking, maka terjadi peningkatan dengan cepat tegangan yang diberikan sepanjang devais sehingga mengakibatkan aliran arus yang besar ke sambungan kapasitor. Arus melalui kapasitor C j2 dapat dinyatakan dengan persamaan (1). dqj ( 2) d dc dv ij2 ( Cj2Vj2) Vj2 Cj2 dt dt dt dt j2 j2 Dengan C j2 dan V j2 adalah kapasitansi dan tegangan dari sambungan J 2. qj 2 adalah muatan pada sambungan tersebut. Jika kecepatan peningkatan tegangan dv/dt cukup besar, ij 2 akan besar dan menghasilkan peningkatan arus bocor mendekati ke nilai satu dan mengakibatkan Thyristor on. Namun arus besar yang melewati kapasitor sambungan akan juga merusak. Suatu Thyristor memerlukan waktu minimum untuk menyebarkan kondisi tersambung ke semua sambungannya secara merata. Jika peningkatan arus anode lebih cepat dibandingkan kecepatan penyebaran dari proses turn-on, titik-titik pemanasan akan terjadi pada devais karena adanya daerah dengan kepadatan arus yang tinggi dan devais akan rusak sebagai hasil dari suhu yang berlebihan. Pada prakteknya, devais harus diproteksi terhadap di/dt yang tinggi. Pada keadaan tunak, diode yang terpasang paralel terhadap beban yang difungsikan sebagai snubber tersambung ketika Thyristor off. Jika Thyristor on ketika diode masih tersambung, maka di/dt akan sangat tinggi dan terbatas oleh induktansi stray dari rangkaian. Dalam prakteknya, di/dt dibatasi dengan menambahkan suatu induktor seri seperti di/dt untuk forward. Namun Thyristor yang berada dalam kondisi on dapat dimatikan dengan mengurangi arus maju ketingkat di bawah arus holding IH. Pada semua teknik komutasi, arus anode dipertahankan di bawah arus holding cukup lama, sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan. Akibat dua sambungan pn, karakteristik turn-off akan mirip dengan pada diode, berkaitan dengan waktu pemulihan reverse. Arus pemulihan reverse puncak dapat lebih besar daripada arus blocking nominal. Tegangan balik muncul pada Thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol. Tegangan balik ini akan mengakselerasi proses turn-off, dengan membuang semua kelebihan muatan dari sambungan pn. 3. DESAIN HADWARE DAN SIMULASI Desain alat kontrol dan proteksi terintegrasi berbasis microprocessor ini adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Desain alat ini terdiri atas tiga bagian besar, yaitu bagian interface, microprocessor, rangkaian TRIAC. Bagian antarmuka (interface) terdiri atas AC to DC converter, current to voltage converter, zero crossing detector, serta CT(Current Transformer) dan PT (Potential Transformer). Sedangkan TRIAC terdiri atas DAC (Digital Analog Converter), Comparator, dan TRIAC. 46 M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011

Turbine Generator (AC 3 Ø) PT Zero crossing detector Microprocessor CT Current to Voltage Converter AC to DC Converter AC to DC Converter TRIAC Driver Ballast/ Complement Load Break Contactor Main/Consumer Load Gambar 5. Diagram blok sistem kontrol beban otomatis pada PLTMH Stand-Alone Berdasarkan kebutuhan pada suatu sistem PLTMH, dalam penelitian ini relai proteksi yang akan digabung dengan kontrol beban adalah under/over voltage reley, under/over frequency dan over current reley. Adapun Blok diagram sistem alat ini diberikan sebagaimana pada Gambar 5, dengan prinsip kerja sebagai berikut:tegangan sistem dipantau dan diturunkan dengan trafo step-down (PT) untuk mendapatkan tegangan sebesar 12 Vac dari sistem tegangan 220 Vac.Besaran arus sistem dipantau melalui current transformer (CT)Untuk fungsi sebagai proteksi over voltage dan under voltage, tegangan sekunder dari trafo step down diubah menjadi tegangan DC oleh rangkaian AC to DC converter. Selanjutnya tegangan DC ini 47

diberikan sebagai masukan pada microprocessor untuk diprogram sedemikian rupa, sehingga apabila ada perubahan tegangan sistem melampaui batas setingan under voltage ataupun over voltage yang terjadi selama waktu tertentu, maka microprocessor akan merespon dan memproses untuk memberikan sinyal masukan untuk men-trip-kan kontaktor.untuk fungsi sebagai proteksi over frequency dan under frequency, tegangan sekunder dari trafo step down diteruskan ke rangkaian Zero Crossing Detector untuk diubah menjadi gelombang pulsa dan dikonversikan menjadi besaran tegangan DC yang sebanding dengan frekuensi sistem. Tegangan DC yang merupakan representasi dari frekuensi sistem, diberikan sebagai masukan microprocessor untuk dilakukan pemrograman sedemikian rupa untuk fungsi ini, sehingga apabila ada perubahan frekuensi sistem melampaui batas setingan over frequency dan under frequency yang terjadi selama waktu tertentu, maka microprocessor akan merespon dan memberikan sinyal untuk melakukan perubahan pada sistem kendali agar frekuensi tetap dalam kondisi stabil namun jika gagal maka akan dilakukan trip pada kontaktor.untuk fungsi proteksi over current, arus sekunder CT dimasukkan ke rangkaian converter arus ke tegangan (current to voltage converter) untuk dikonversikan menjadi besaran tegangan. Kemudian oleh rangkaian converter AC to DC diubah menjadi tegangan DC. Selanjutnya tegangan DC ini diberikan sebagai masukan pada microprocessor untuk dilakukan pemograman sedemikian rupa untuk fungsi ini, sehingga apabila ada perubahan arus sistem melampaui batas setingan over current, maka microprocessor akan merespon dan memberikan sinyal untuk men-trip-kan kontaktor.untuk fungsi sebagai kontrol beban, tegangan DC yang dimasukkan pada microprocessor akan dilakukan proses konversi data digital (ADC) yang akan digunakan untuk mengaktifkan sebuah interrupt. Ketika frekuensi sistem berubah turun, akibat adanya perubahan beban dalam arti ada penambahan beban pada sisi Consumer Load, sampai pada batas yang telah di-set, maka pencacah akan menghitung naik. Demikian sebaliknya, apabila frekuensi sistem berubah naik, maka pencacah akan menghitung mundur/turun. Keluaran pencacah adalah bilangan biner 8 bit, yang diubah menjadi besaran analog berupa tegangan DC oleh DAC(Digital analog converter), sehingga penurunan frekuensi sistem melebihi batas seting akan menghasilakan keluaran tegangan DAC yang juga turun, demikian sebaliknya. Selanjutnya keluaran DAC diinputkan ke sebuah driver sebagai pulsa penyalaan TRIAC yang terhubung dengan ballast/complement load. Perubahan frekuensi sistem akibat adanya perubahan beban akan diimbangi dengan pengendalian arus menuju ballast load, dengan sendirinya, frekuensi sistem akan terjaga pada nilai yang telah ditetapkan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa kondisi waktu kembali frekuensi maksimum pada kondisi semula dibutuhkan sekitar 0,45 detik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6. Hasil simulasi sistem kestabilan kendali pada PLTMH 48 M&E, Vol. 9, No. 3, September 2011

4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. Kesimpulan Berdasarkan hasil perancangan Automatic Load Controller (ALC) pada PLTMH, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut. 1) Rancang bangun automatic load controller pada PLTMH dapat diimplementasikan berbasis microprocessor. 2) Dari hasil pengujian secara real time simulasi telah berhasil mengatur terjadinya perubahan pada Consumer Load 4.2. Saran 1) Hasil rancang bangun ALC ini diperlukan penyempurnaan pada simple design dengan standar industri. 2) Untuk menghindari terjadinya kesalahan dalam pembacaan data digital sebaiknya bisa menggunakan double chip, dengan cara membagi dua fungsi yang processor pertama difungsikan sebagai master sebagai main instruction dan yang chip kedua. DAFTAR PUSTAKA Sarsing Gaoy, S. S. Murthy_, Design of a MicrocontrollerBased Electronic Load Controller for a Self Excited Induction Generator Supplying Single-Phase Loads, Dept. of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology, New Delhi, India Oracle India Pvt. Ltd., Bangalore, India.Journal of Power Electronics, Vol. 10, No. 4, July 2010. Gaurav Kumar Kasal and Bhim Singh, VSC With Star Delta Transformer Based Electronic Load Controller for a Stand-Alone Power Generation, Senior Member, IEEE, 2010. Zuhal, 2000. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta. Penerbit : PT Gramedia Pustaka Utama. Hamzah Berahim, Transformator, 1999. Yogyakarta. Hand-Out mata kuliah Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. J.M. Ramirez, Emmanuel. and M Torres, "An Electronic LoadController for the Self- Excited Induction Generator," IEEE Transactionson Energy Conversion, vol. 22, no. 2, pp 546-548, June 2007. John Uffenbeck, Microcomputers and Microprocessors. Prentice - Hall Internatinal Editions. D. Joshi, K. S. Sandhu and M. K. Soni, "Constant voltage constantfrequency operation for a self excited induction generator," IEEE Trans.Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, pp. 228-234, Mar. 2006. Bhim Singh, S. S. Murthy and S. Gupta, "Analysis and design of electronic load controller for self excited induction generator," IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 21, Vol. 1, pp. 285-293, Mar. 2006. Bhim Singh and V. Rajagopal, "Battery energy storage based voltageand frequency controller for isolated pico hydro systems," Journal of Power Electronics, Vol. 9, No. 6, pp. 874-883, Nov. 2009. 49