MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009 PENGAMANAN ARUS LEBIH MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER Harifuddin Jurusan Pendidikan Teknik Elektro, FT UNM Abstrak Proteksi merupakan hal yang sangat penting pada sistem tenaga listrik. Banyak peralatan yang dapat digunakan sebagai peralatan proteksi. Salah satu dari peralatan tersebut adalah relay proteksi. Relay proteksi dapat mendeteksi kondisi abnormal yang terjadi pada jaringan listrik. Peralatan ini membatasi kerusakan pada area tertentu dan mencegah pengaruh kerusakan pada jaringan lain. Salah satu tipe yang banyak digunakan adalah relay arus lebih. Dalam pertumbuhan relay ini, awalnya menggunakan prinsip elektromagnetik yang memiliki kelebihan dengan konstruksi yang kuat dan relatif menghambat semua lingkungan. Namun bagaimanpun relay ini memiliki kelemahan karena mempunyai respons yang lambat dan hanya mempunyai satu tipe karaktreristik waktu. Dengan menggunkan teknologi mikrokontrioller, pada perkembangan selanjutnya kita dapat mendesain proteksi arus lebih dengan karakteristik aliran arus lebih dari satu dengan memilih melalui tombol menu dan memiliki respons waktu yang sesuai dengan karakteristik waktu yang dipilih. Proteksi arus lebih ini menggunakan transformator arus sebagai transdusernya. Transduser didesain untuk mengubah pengukuran AC dengan level 0-10 A menjadi pengukuran undirectional dengan level 0-5 V. Sinyal dari transduser ini diperkuat dengan sebuah penguat jaringan dan kemudian diubah menjadi arus DC melalui penyearah. Output dari penyearah ini dibuat sebagai data untuk ADC menjadi sinyal digital. Output dari ADC kemudian diproses di dalam mikrokontroller. Data yang diproses di dalam mikrokontroller merupakan nilai arus yang melalui beban, kemudian akan dibandingkan dengan nilai arus setting, kemudian mikrokontroller memberikan sinyal kepada kontak relay untuk memutuskan arus ke beban. Untuk penundaan waktu ada lima jenis karakteristik waktu dan setiap karakteristik mempunyai perbedaan waktu untuk memutuskan arus ke beban. Berdasarkan hasil pengukuran, alat ini dapat bekerja secara optimal sampai arus yang meleati beban sama dengan 1,5 A, factor ketelitian 93,5 %. Di atas 1, 5 A, alat ini tetap bekerja tetapi ketelitian pengukuran menjadi lebih kecil. Hal ini disebabkan oleh arus saturasi pada transformator. Kata Kunci: Relay proteksi, Arus lebih, mikrokontroller Berbagai relai dan peralatan listrik lainnya yang saling berkoordinasi dan untuk menghasilkan sistem proteksi yang handal, efektif, dan efisien ialah merupakan suatu masalah yang besar dan rumit. Beberapa sistem bersikap diskriminatif terhadap lokasi gangguan dan melibatkan beberapa parameter, misalnya waktu, arah, arus, jarak, kesetimbangan arus, dan perbandingan fasa, sedangkan sistem-sistem lainnya membuat diskriminatif menurut tipe gangguan, misalnya rele urutan negatif dan sebagian menggunakan kombinasi antara lokasi dan tipe gangguan. Sistem-sistem tersebut dapat dibagi dalam dua klasifikasi yaitu tipe unit dan tipe non unit. Proteksi unit berarti bahwa suatu sistem peralatan atau zona dilindungi secara unik terlepas dari bagian-bagian yang berdekatan. Proteksi non unit adalah yang menggunakan beberapa rele dan peralatan yang saling berhubungan untuk memberi perlindungan kepada lebih dari satu zona. Banyak jenis peralatan yang digunakan untuk sistem proteksi ini, dan salah satu diantaranya ialah relai proteksi. Relai proteksi mendeteksi suatu keadaan yang tidak normal seperti terjadinya gangguan pada rangkaian listrik. Alat ini berfungsi untuk membatasi kerusakan pada daerah yang terganggu dan mencegah pengaruhnya untuk menyebar ke rangkaian sekitarnya. Salah satu jenis relai proteksi yang banyak dipakai adalah relai arus lebih (overcurrent relay). Relai jenis ini dalam perkembangannya diawali dengan menerapkan prinsip elektromagnetik yang memiliki kelebihan dalam konstruksi perangkat keras
yang kuat dan relatif tahan terhadap segala lingkungan, namun di sisi lain relai jenis ini memiliki kelemahan yaitu mempunyai waktu respon yang lambat dan hanya memiliki satu jenis karakteristik arus-waktu. Dengan menerapkan teknologi mikrokontroller yang kini berkembang dengan pesat, maka dapat dirancang suatu sistem proteksi arus lebih yang memiliki karakteristik arus-waktu lebih dari satu, yang pemilihannya dapat dilakukan melalui tombol menu dan memiliki respon waktu yang sesuai dengan karakteristik aruswaktu yang dipilih. Batasan-batasan yang dianggap perlu di dalam perancangan alat ini sebagai berikut ini : - Arus maksimum yang lewat dibatasi hingga 10 A - Arus minimum yang dapat disetting sebesar 10 ma. Karakteristik arus-waktu yang ditetapkan yaitu: - Standart Inverse - Very Inverse - Long Time Inverse - Definit Time Respon waktu ditentukan oleh tiap-tiap karakteristik arus-waktu. Alat ini difungsikan untuk sistem fasa satu. Keadaan tersebut akan bisa dinyatakan dengan sempurna, apabila sumber dari jaringan PLN mempunyai sistem pengamanan yang baik, dan memiliki perlindungan terhadap pentanahan. kristal dan dua buah kapasitor untuk membentuk rangkaian clock yang lengkap. Gaambar 1. Blok diagram relay arus lebih Nilai kapasitor yang dipakai adalah 30 pf, dan nilai ini diambil dari data book yang menyatakan bahwa nilai kapasitansi yang diperkenankan untuk osilator kristal adalah 20 pf 40 pf dan jika menggunakan kondensator keramik resonator, maka nilai kapasitansinya adalah 30 pf 50 pf. Karena osilator yang digunakan adalah osilator kristal, maka nilai kapasitansi dari kapasitornya adalah berkisar di antara 20 pf 40 pf. Gambar 2 menunjukkan suatu gambar rangkaian clock dari mokrokontroller 89C51. PEMODELAN RELAI ARUS LEBIH Tiga langkah dalam pemodelan relay arus lebih ini adalah: 1. Merancang diagram blok sistem secara keseluruhan 2. Merancang rangkaian elektronika yang diperlukan untuk setiap blok sistem 3. Merencanakan perangkat lunaknya PERANCANGAN RELAI ARUS LEBIH Blok diagram perancangan relay arus lebih ditunjukkan pada gambar 1. 1. P erencanaan rangkaian clock Rangkaian clock yang digunakan paling tidak menggunakan sistem 89C51, ini merupakan rangkaian clock yang dianjurkan oleh intel selaku pembuat mikrokontroller. Rangkaian clock ini mempergunakan fasilitas internal clock generator yang terdapat dalam mikrokontroller 89C51 dan hanya membutuhkan tambahan komponen yang terdiri dari satu buah Gambar 2. Rangkaian clock dan reset mikrokontroller 89C51
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009 2. Perencanaan ADC Di dalam pendahuluan telah dijelaskan sebelumnya bahwa dalam pembuatan peralatan untuk memproteksi arus lebih ini, digunakan rangkaian ADC jenis successive approximation. Dan jenis ADC yang dipakai adalah ADC 0804 yang merupakan produksi Nasional semikonduktor, yang merupakan IC 8 bit dengan waktu konversi 100 mikro detik. ADC jenis successive approximation yang dapat bekerja dengan masukan 0 volt sampai 5 volt dengan power supply sebesar 5 volt. Gambar rangkaian ADC 0804 dapat dilihat pada gambar 3. control dan tombol untuk menampilkan time delay. Apabila ada salah satu tombol yang ditekan maka pin DA dari 74C922 akan bernilai logic 0 sehingga akan mengaktifkan INT0 dari 89C51. Hal ini menandakan bahwa mikrokontroller mendapatkan perintah interrupt dari luar. Gambar 4. Rangkaian PPI8255 Gambar 3.Rangkaian ADC 3. Perencanaan Rangkaian PPI 8255 Peralatan lain yang dapat dikendalikan seperti Keypad dan Driver relay elektronik diperlukan satu buah PPI 8255. Rangkaian PPI 8255 ditunjukkan pada gambar 4. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa PPI 8255 digunakan untuk mengontrol unit driver relay elektronik melalui PA0 dan PA1-PA2 digunakan sebagai indikator jaringan listrik dalam keadaan sambung atau putus. Sedangkan PC0 PC3 digunakan sebagai port input dari keypad dan encoder. 4. Perencanaan rangkaian keypad Keypad yang direncanakan merupakan Keypad matrik 2*4 (2 baris dan 4 kolom). Keypad ini dihubungkan dengan IC 74C922 sebagai keypad encoder. Keypad ini mempunyai fungsi untuk memasukkan data yang terdiri dari time delay, feedback control reverb, output Gambar 5. Rangkaian keypad 5. Perencanaan rangkaian display Rangkaian display memakai rangkaian atau modul display jenis M 1632 yang
mempunyai 2 baris, dan setiap baris dapat menampilkan 16 karakter. Kapasitas ROM internalnya 192 karakter dengan 5x7 dot matrix. Kapasitas ROM internalnya 80x8 bit data (40x8 bit tiap baris). Alamat yang digunakan untuk menampilkan data pada LCD ialah: Baris 1, alamat 00H sampai 0FH Baris 2, alamat 40H sampai 4FH Tabel 1. Operasi dasar LCD RS R/W Operasi 0 0 Operasi Internal 0 1 Baca Kondisi Sibuk 1 0 Tulis Data 1 1 Baca Data Operasi dasar dari LCD M 1632 terdiri dari 4 kondisi, yaitu instruksi mengakses pemroses internal, instruksi membaca kondisi sibuk, instruksi menulis data, dan instruksi membaca data. Pada tabel 1 diperlihatkan operasi dasar LCD. Gambar 6. Modul LCD 6. Perencanaan Rangkaian Penguat dan Rectifier Perancangan untuk rangkaian penguat (non inverting), dengan R 3 = 250 KW (variabel) maka: = = 1 + = 1+ 0 10 =1 = 1 + 250 10 = 26 Perancangan untuk rangkaian rectifier: Penyearah presisi (setengah gelombang) Dengan R 6 = R 10 = 10 KW maka: V o = 0 bila E i negatif V o = -E i bila E i positif Perata tegangan (integrator) = = = 12 4,7 = 2,55 7. Perencanaan rangkaian relay elektronik Rangakaian Relay Elektronik menggunakan optocoupler TIL 113 sebagai drivernya, dan Triac BTA12 sebagai switchnya. 8. Perencanaan Tranduser Tranduser yang dirancang disini adalah untuk mengubah besaran elektrik arus bolakbalik yang besarnya 0-10 Ampere menjadi besaran elektrik tegangan searah yang besarnya 0,5 Volt. HASIL PENGUKURAN DAN PERHITUNGAN 1. Pengukuran besar arus yang melewati beban Tabel 2 Pengukuran besar arus yang melewati beban BEBAN (W) Arus yang lewat (A) Arus pada Display (A) Arus menurut teori (A) 0 0 0 0 40 0,17 0,17 0,181 80 0,33 0,34 0,364 160 0,66 0,70 0,727 240 1 1,04 1,09 320 1,33 1,32 1,455 500 1,84 1,63 2,273 Berdasarkan tabel 2 dapat dilihat bahwa semakin besar beban yang dipasang, semakin tidak presisi arus yang dapat dideteksi. Untuk beban 1,5 A kebawah dapat dikatakan faktor presisinya 93,5%, sedangkan untuk beban 1,5 A keatas, faktor presisinya semakin kecil. 2. Pengukuran delay time dari masingmasing karakteristik Faktor yang membuat delay time tidak sesuai dengan perancangan antara lain pada programnya, tiap command (perintah) pada program membutuhkan waktu eksekusi.
MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 1, Juni 2009 KARAKTERISTIK (ms) BEBAN I setup Standard Very Extremely Long Definite (W) (A) inverse inverse inverse time time Undelayed 40 0,2 1720 860 600 1240 1040 400 80 0,5 1460 580 400 840 1000 320 160 1 1220 440 320 680 980 340 240 1,2 1140 420 280 560 920 280 320 1,5 1060 380 260 500 880 260 Perbandingan dengan perancangan, Tabel 3 Hasil Pengukuran delay time Tabel 4. Perancangan delay time KARAKTERISTIK (ms) BEBAN I setup Standard Very Extremely Long Definite (W) (A) Undelayed inverse inverse inverse time time 40 0,2 1252 68 2 603 120 0 80 0,5 1057 27 0,32 240 120 0 160 1 945 13,5 0,08 120 120 0 240 1,2 919 11 0,055 100 120 0 320 1,5 889 9 0,036 80 120 0 SIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi yang diperoleh maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: a. Rangkaian penguat dan rectifier dapat mengolah sinyal dari trafo arus (sekunder) sehingga dapat diterima oleh ADC sebagai data untuk pengukuran arus yang melewati beban, sebagaimana ditunjukkan pada analisa hasil pengukuran pada tabel 2. b. Alat ini dapat bekerja sampai beban 1,5 A. Selebihnya masih dapat bekerja namun faktor presisi pengukuran arus menjadi semakin kecil. Hal ini disebabkan oleh kejenuhan trafo arus. Pemilihan karakteristik arus waktu dapat dilakukan dan dapat berjalan sesuai dengan delay time-nya masing-masing. c. Berdasarkan hasil pengujian, alat dapat berjalan dengan baik, yaitu dapat memproteksi suatu beban terhadap arus lebih yang lewat, dengan harga setting yang dapat diprogram (programmable). d. Hasil ini membuktikan bahwa memang perlu pengaman arus lebih untuk pengamanan sistem. DAFTAR PUSTAKA Coughlin, Robert F, Driscoll, Frederick F, Soemitro, Herman Widodo, 1994. Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear, Edisi Kedua, Erlangga: Jakarta. Eggebrecht, Lewis, C, 1987. Interfacing to The IBM Personal Computer, Howard W. Sams & Co: Indianapolis. Hall, Douglas V., 1988. Microprocessor and Interfacing, Programming and Hardware, Gregg Division McGraw Hill Book Company. Intel Corporation, 1987. Microprocessor and Peripheral Handbook, Volume II Peripheral, Intel Corp, Santa Clara: California. Malvino, Albert Paul, Ph.D., Barmawi, M, Prof, Ph.D., Prinsip-Prinsip Elektronika, Edisi ketiga, Jilid 2, Erlangga, Jakarta, 1987 Wasito S, 1992. Vademekum Elektronika, Gramedia: Jakarta. Wilhelm, Robert E, Jr, 1992. Programmable Controller Handbook, 9 th Ed., Hayden Book Company, Hasbrouck Heights: New Jersey.