PENGENDALIAN SINKRONISASI GENERATOR DENGAN SUMBER PEMBANGKIT LISTRIK SECARA OTOMATIS BERBASIS MIKROKONTROLLER

PENGENDALIAN SINKRONISASI GENERATOR DENGAN SUMBER PEMBANGKIT LISTRIK SECARA OTOMATIS BERBASIS MIKROKONTROLLER Setya Ardhi Dosen Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknik Surabaya e-mail: setyaardhi@stts.edu ABSTRAK Sinkronisasi secara otomatis dua sumber pembangkit listrik dimana dilakukan dengan memparalel antara sumber listrik PLN dengan sebuah Alternator. Proses ini dilakukan bukan hanya sekedar menghubungkan kabel tetapi proses ini dilakukan dengan menghubungkan kedua sumber pembangkit listrik harus dalam kondisi polaritas dan jumlah fase yang sama, tegangan sama, dan frekuensi sama. Tujuan dari proses sinkronisasi ini untuk menjamin kontinyuitas aliran daya listrik khususnya penyediaan sumber daya listrik, maka dari itu dibutuhkan waktu dalam proses sinkronisasi tersebut. Proses paralel antara sumber listrik PLN dengan sebuah Alternator bisa dikendalikan dengan beberapa alat yang dibutuhkan seperti pendeteksi tegangan, arus dan frekuensi seperti zero crossing detector baik dari alternator atau sumber listrik PLN, kemudian pengendali alternator dan kontaktor sinkron, serta motor sebagai fungsi penggerak alternator. Pada penelitian ini dikembangkanlah sebuah alat sinkronisasi secara otomatis dimana kerja paralel dua unit pembangkit listrik bolak balik tersebut dibuat dan dikontrol oleh sebuah perangkat PLC dan sebuah mikrokontroller dimana dan dihubungkan dengan penyediaan sumber daya listrik supaya bisa memenuhi keuntungan teknis dan ekonomis. Hasil yang didapatkan setelah proses percobaan didapatkan kecepatan waktu proses sinkronisasi antara sumber listrik PLN dengan Alternator yang dicoba dimana membutuhkan waktu dibawah dua menit, dimana pada umumnya membutuhkan lebih lama dalam proses sinkronisasi. Kata kunci: Sinkronisasi, alternator, PLC ABSTRACT Automatic synchronization of two sources of power generation is done by paralleingl between the source of the electricity with an alternator. This process carried out is not just a connecting cable but this process is done by connecting the two sources of power generation to be in a state of polarity and the amount of the same phase, same voltage and same frequency. The goal of this synchronization process is to ensure the continuity of the flow of electric power resources, especially the provision of electricity, and therefore it takes time in the synchronization process. Parallel process between the source of the electricity with an alternator can be controlled with a few tools needed such as detection voltage, current and frequency such as zero crossing detector either from alternator or the source of the electricity, then controllers and contactors synchronous alternators, as well as a function of the motor driving the alternator. In this study, it is developing an automatic synchronization tool in which two parallel working alternating power generation unit was created and controlled by a PLC device and a microcontroller which is connected with the supply and power resources in order to meet the technical and economic advantages. The results obtained after the trial shows speed processing time synchronization between the source of the electricity to the alternator attempted takes under two minutes, which generally takes longer in the synchronization process. Keywords: Synchronization, alternator, PLC. 36

PENDAHULUAN Guna menjamin kontinyuitas aliran daya listrik khususnya dalam kegiatan dunia induksi; maka penyediaan sumber daya listrik adalah persoalan utama yang harus direncanakan sejak awal secara cermat dan teliti sehingga dalam operasionalnya dapat memberikan keuntungan teknis dan ekonomis atau dengan kata lain penggunaan daya listrik harus memenuhi kriteria efisien dan efektif. Pada umumnya untuk suatu aktivitas yang seluruh kegiatannya tergantung kepada sumber listrik (dunia industri), penyediaan sumber daya listrik diklasifikasikan sebagai sumber pembangkit utama (main power) sekaligus sumber pembangkit listrik cadangan (standby power). Keduanya harus ada, guna menjamin/ mendukung kontinyuitas aliran listrik yang diperlukan yang dapat dioperasikan menurut kebutuhan dimana dibahas oleh [5] Nicholas C. Seeley (September-2012), dalam prosiding dengan judul Advances in Generator Control and Automatic Synchronization. Dalam pembahasan ini sumber pembangkit listrik cadangan dipilih generator sinkron 3 phase yang digerakkan oleh motor DC (Direct Current) dengan operasi/ kerja sinkronisasi secara otomatis. KERJA PARALEL 2 (DUA) UNIT PEMBANGKIT LISTRIK ARUS BOLAK- BALIK Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai teori teori yang menjadi landasan dalam pembuatan parallel 2 unit pembangkit listrik arus bolak balik. Guna menjamin kontinyuitas aliran daya listrik khususnya dalam kegiatan dunia induksi diperlukan yang dapat dioperasikan menurut kebutuhan : Dioperasikan secara bergantian; kondisi ini dilakukan atas pertimbangan ekonomi atau teknis (perbaikan). Dioperasikan bersama-sama; namun masing-masing sumber pembangkit listrik menanggung beban listrik sendiri-sendiri yang saling berbeda baik karakteristiknya maupun kapasitasnya. Kedua sumber pembangkit listrik dioperasikan paralel (sinkron); baik secara manual maupun secara otomatis. Syarat-syarat operasi paralel yang dibahas oleh Michael J. Thompson [4] pada halaman 3 dimana berikut ini harus dipenuhi sebelum sebuah in coming alternator dapat dihubungkan secara paralel dengan bus-bar : 1. Tegangan in coming alternator harus sama dengan tegangan bus-bar (jala-jala). 2. Frekuensi in coming harus sama dengan frekuensi bus-bar (jala-jala). 3. Fase (phase) tegangan dari in coming alternator harus sama dengan fase tegangan bus-bar yang berhubungan. 4. Urutan dan jumlah fase tegangan dari in coming alternator harus sama dengan urutan dan jumlah fase tegangan bus-bar (jala-jala). Pada pembahasan Theraja, B.L. dalam buku A Textbook of Electrical Technology dimana [3], pada halaman 140-160 Tegangan in coming alternator harus sama dengan tegangan bus-bar (jala-jala). Jika kedua tegangan sumber listrik pada kondisi : 1. atau E E 1 E 2 E 1 E2 0 paralel berhasil/ berlanjut. 2. E1 E2 atau E E E 0 1 2 parelel akan gagal (tidak berhasil). Frekuensi in coming harus sama dengan frekuensi bus-bar (jala-jala). 1. f1 f 2 parelel berhasil dan berlanjut dengan kondisi sistem operasi paralel stabil. 2. f1 f 2 paralel berhasil dan berlanjut dengan kondisi sistem operasi paralel kedua sumber pembangkit saling membebani (induksi). dimana : f = frekuensi pada busbar(main Power (Hertz)) 1 f 2 = frekuensi incoming alternator (Hertz) Fase (phase) tegangan dari in coming alternator harus sama dengan fase tegangan bus-bar yang berhubungan. Jika kondisi phase tegangan dari 2 (dua) sumber pembangkit yang berbeda pada posisi: 1. Phase tegangan VJ Phase tegangan VA 37

parelel berhasil dan berlanjut. 2. Phase tegangan VJ Phase tegangan VA paralel tidak berhasil (gagal). Urutan dan jumlah fase tegangan yang dibahas oleh Helfrick, Albert D., dan William D. Cooper., [2] dari in coming alternator harus sama dengan urutan dan jumlah fase tegangan bus-bar (jala-jala) dapat dapat dilakukan dengan 2 (dua) cara yaitu : 1.Polaritas Meter (Phase Sequence) Alat ini dapat mendeteksi arah putaran/ polaritas daripada urutan phase yang berdasarkan arah putaran dari sebuah motor induksi 3 phase terlihat pada gambar 2 Gambar 2. Pengukuran Urutan Phase dari sistem 3 phase 2.Lampu Gelap Terang Untuk mengetahui urutan phase dalam sistem 3 (tiga) phase dalam kaitannya degan operasi paralel (sinkron) 2 sumber pembangkit dapat juga digunakan prinsip pengukuran lampu gelap-terang seperti rangkaian yang terlihat pada gambar 3 Gambar 3. Diagram Phase tegangan guna menentukan urutan phase SPESIFIKASI ALAT Pada penelitian ini adapun komponen atau pendukung yang dibutuhkan adalah sumber pembangkit tenaga utamanya adalah PT PLN. Dan sebagai sumber pembangkit cadangannya adalah alternator/generator sinkron 3 phase yang digerakkan oleh motor DC, dimana diambil dari Buku Petunjuk Praktikum Lab Mesin Listrik Politeknik Perkapalan ITS, P.17-25. Spesifikasi (Data teknik) Sumber Listrik PT PLN Jumlah Phase : 3 Fase Tegangan : 220/380 Volt Frekuensi : 50 Hz Pemutus Utama: 8 A Spesifikasi (Data teknik) Sumber Listrik Dari Alternator Alternator : Jenis : 3 Phase Synchronous Generator Tipe : DL 1026 No : 098809 Jumlah Phase : 3 Phase Kapasitas Daya : 1100 VA Tegangan : 380 Volt Arus : 1.67A Frekuensi : 50 Hz Putaran : 3000 Rpm Power Factor : 0.8 Isolasi : F Eksitasi o Tegangan : 200 Volt o Arus : 0.173 pada cos = 1 0.23 pada cos = 0.8 Penggerak Utama : Motor DC Jenis : DC Motor Excitation Compound Kapasitas Daya : 1100 W V Supply : 220 Volt Arus : 6.9 A Putaran : 3000 Rpm Eksitasi : 0.67 A Isolasi : F Dalam pembuatan penelitian ini perlu diperhatikan tentang batasan-batasan tegangan yang dapat diterima baik oleh motor ataupun oleh generator. Tegangan maksimum yang dapat diterima oleh motor adalah 220 Volt DC. Tegangan eksitasi motor adalah 100 Volt, 0,4 Ampere. Untuk arus 38

motor maksimum adalah hal ini tegangan yang mampu diterima oleh motor adalah 220 Volt DC. Yang dimaksud Sedangkan tegangan maksimum yang dapat diterima oleh eksitasi generator juga 220 Volt DC. Dalam pembuatan Alat Automatic Sinkronisasi Generator dengan menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) ada beberapa hal yang perlu diperhatikan. Hal pertama yang perlu diperhatikan adalah tegangan. Tegangan dalam hal ini perlu diperhatikan karena ada batas-batas maksimum tegangan yang masuk pada tegangan suplai untuk motor juga tegangan maksimum yang dapat ditanggung oleh eksitasi generator. Tidak kalah pentingnya juga arus yang mengalir ke suplai motor dan eksitasi generator, karena motor serta generator juga mempunyai arus maksimum yang diperbolehkan. Kemampuan tegangan maksimal motor adalah 220 Volt serta arus maksimal yang dapat lewat adalah 6,7 Ampere, informasi ini diperoleh dari name plate pada motor. Arus pengaman juga sangat penting untuk diperhatikan untuk mencegah terjadinya kerusakan pada generator karena arus berlebih. Dalam pengaman arus lebih disini digunakan 2 pengamanan. Yang pertama pengaman dengan MCB yang dilengkapi dengan deteksi arus lebih. Arus minimum yang terdeteksi adalah 2,4 A. Karena dirasa arus yang mengalir ini terlalu besar maka pengamana kedua dilakukan yaitu dengan menggunakan fuse kaca sebesar 500mA. Untuk spesifikasi dari motor dan generator telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Lebih lanjut motor yang digunakan adalah sebuah motor DC dengan kapasitas 1,1 KW yang kemudian dikopel dengan generator yang mempunyai kapasitas 1,1 KVA. Motor diberi tegangan suplai yang diatur oleh rangkaian mikrokontroller melalui sebuah MOSFET. Juga dengan tegangan eksitasi generator, yang diatur juga oleh sebuah mikrokontroller. Untuk starting awal motor, terutama motor DC, tegangan suplai tidak boleh langsung tinggi, melainkan diatur secara perlahan-lahan sehingga mencapai putaran yang diinginkan. PERANCANGAN ALAT Pembuatan alat Automatic Sinkronisasi Generator dengan menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) ini adalah pertama kalinya dibuat. Konsep secara keseluruhan dari alat automatic sinkronisasi ini adalah untuk mensinkronkan antara 2 generator (pembangkit listrik). Untuk mensinkronkan antar 2 generator, perlu diperhatikan adanya syarat-syarat. Karena di dalam penelitian ini terkendala oleh peralatan, maka generator yang satu digantikan fungsinya dengan sumber dari PLN. Gambar 4. Blok Diagram Perancangan Alat Tidak hanya pada generator saja, namun pada PLCnya juga terkendala. Dalam hal ini terkendalanya adalah PLC yang digunakan memiliki output relay, jadi tidak bisa mengatur kecepatan motor melalui PWM. Fungsi PLC yang seharusnya mengatur PWM diambil alih oleh rangkaian mikrokontroller. IC mikrokontroller yang dipergunakan adalah ATMEGA32. Untuk menggerakkan sebuah motor DC tentunya kita memerlukan sebuah sumber tegangan sebagai suplai motor yang mana tegangannya adalah tegangan DC. Untuk itu pelu adanya sebuah penyearah untuk tegangan tinggi. Penyearah tersebut dibuat dari 4 diode atau dikenal dengan nama system full brigde atau penyearah penuh. Karena sistem yang akan dibuat diatur secara otomatis, maka tegangan suplai motor tersebut diatur secara otomatis pula. Untuk itulah tegangan motor ini diatur oleh sebuah MOSFET IRFP460 tipe N-channel, yang mana dikendalikan oleh sebuah mikrokontroller ATMEGA32. Untuk mendapatkan putaran motor yang tepat dan stabil sehingga nantinya akan menghasilkan sebuah sinkronisasi yang bagus, maka perlu adanya feedback untuk membuat putaran motor bisa mencapai putaran yang diinginkan. Feedback tersebut diambil dari generator dengan sebuah rangkaian Zero Crossing Detector atau pendeteksi fase nol yang mana akan memberikan lebar pulsa yang nantinya akan dihitung oleh mikrokontroller. 39

Rangkaian pendeteksi fase nol ini juga terdapat pada sumber listrik dari PLN, yang mana nantinya akan dibandingkan lebar pulsanya dengan PLN, sehingga lebar pulsa atau frekuensi generator sama dengan frekuensi dari PLN. PLC disini digunakan untuk mendeteksi tegangan dari PLN dan dari generator yang tentunya sudah diturunkan dengan menggunakan Step-down transformer. Tegangan yang dideteksi menggunakan modul analog dari PLC. Tegangan yang yang telah diturunkan juga akan dideteksi oleh mikrokontroller, hal ini Untuk MOSFET yang kedua adalah mengatur tegangan yang nantinya dihasilkan oleh sebuah generator sehingga tegangan tersebut sama dengan tegangan PLN. Tegangan yang diatur tersebut adalah tegangan eksitasi generator. Sensor agar tegangan sama adalah dengan menggunakan trafo step-down yang kemudian disearahkan, sehingga dapat dibaca oleh ADC dari mikrokontroller tersebut. Setelah data diolah sedemikian rupa, maka mikrokontroller nantinya akan memberi sinyal kepada PLC untuk menyalakan sebuah kontaktor sinkron. Dimana sebelum menyalakan kontaktor tersebut harus memenuhi syarat sinkron terlebih dahulu yaitu tegangan sama, frekuensi sama dan sefase. Setelah semua syarat tersebut diatas terpenuhi, maka kontaktor sinkron akan menyala dan akan mensinkronkan antara PLN dan generator. Selama tidak terjadi hal yang sangat riskan, sinkron akan tetap berjalan terus. Sinkron akan mati secara otomatis jika batasan-batasan sinkron sudah terlampaui. Contohnya adalah apabila tegangan suplai dari PLN mendadak mati. Atau dapat kita matikan secara manual melalui tombol stop sinkron. Prinsip kerja dari alat Automatic Sinkronisasi Generator dengan menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) dimulai dengan starting sebuah motor DC yang dikopel dengan generator. Dilanjutkan dengan pembacaan sensor yang telah terpasang pada kedua sumber listrik. Sensor tersebut adalah sensor tegangan dan sensor fase nol. Sensor fase nol dari PLN dibandingkan dengan sensor fase nol dari generator. Hal ini yang nantinya akan menghasilkan sebuah putaran motor sehingga mencapai putaran 3000rpm. Sebab dengan menghasilkan putaran sebesar 3000rpm, generator mengeluarkan frekuensi 50 Hz. Hal ini didapat dari pembacaan name plate pada generator. Setelah frekuensi disamakan, tegangan perlu disamakan juga. Hal ini disensor oleh sebuah trafo step-down yang akan disearahkan terlebih dahulu. Dan selanjutnya menunggu syarat ketiga yaitu fase dari PLN dan dari generator harus sama. Setelah hal ini terjadi semua, maka PLC akan memberikan sinyal kepada kontaktor untuk segera menyala, dan sinkronisasi berjalan seperti yang diharapkan. Program yang dipergunakan untuk PLC pada pembuatan Penelitian ini adalah dengan menggunakan Cx-Programmer dimana dibahas cara pembuatan perangkat lunak pada Bolton William [1], Programmable Logic Controller (PLC) edisi 3.Jakarta, Erlangga, 2004. Secara sederhana programmnya dapat ditulis di bawah ini. Gambar 5. Coding PLC Program diatas adalah program sederhana dari PLC. Program diatas dapat diterjemahkan sebagai berikut. Input 0.00 didapat dari input tegangan yang diumpankan oleh mikrokontroller untuk menyalakan output 1.00. Lalu input 0.01 untuk mendapatkan sinyal dari mikrokontroller bahwa frekuensi sudah sama. Dan diteruskan ke output 1.01. Input 0.02 didapat apabila fase sudah sama dan diteeruskan ke output 1.02. Beberapa informasi ini kemudian diolah oleh PLC. Output 1.00, 1.01, 1.02 di-and kan oleh PLC dan di-or kan dengan 1.03 setelah itu digabungkan dengan input 0.03 yang berfungsi sebagai manual stop dan input 0.04 automatic stop apabila terjadi kegagalan sinkron. Baru setelah ketiga input yang didapat dari mikrokontroller tersebut bersamasama memberikan sinyal, bahwa sinkron sudah siap dimasukkan, baru menggerakkan kontaktor yang terhubung pada 1.03. Pada program diatas selama tidak terjadi gangguan, maka kalau sudah terjadi sinkron, sinkron akan berjalan secara terus menerus sampai tombol manual stop sinkron ditekan atau terjadi 40

kegagalan salah satu fase lepas, atau tidak adanya sumber tegangan yang mengalir, maka proses sinkronisasi akan lepas. Informasi ini diperoleh dari 0.04 yang berfungsi sebagai auto stop. Starting Ukur Periode PLN &GEN Pada alur program diatas dapat dilihat bahwa terdapat 2 bagian yang sangat penting yaitu proses meyamakan periode antara PLN dan generator dan mengubah orientasi fase generator. Pada waktu motor starting, mikrokontroller akan mengukur periode dan tegangan dari PLN dan generator. Jika periode generator berbeda dengan PLN, mikrokontroller akan terus berusaha untuk menyesuaikan periode generator terhadap PLN dengan cara mengatur PWM. YES Tpln=Tgen NO Samakan Periode PLN &GEN Hitung Time Delay Tdpln=Tdgen YES Ambil Waktu Aktual NO Sama 100x YES Kontaktor ON Jika periode generator sama dengan PLN, mikrokontroller akan mengukur beda waktu atau selisih fase antara PLN dan generator. Apabila terdapat perbedaan fase antara generator dan PLN, mikrokontroller akan mengatur lagi PWM dan kembali mengukur periode PLN dan generator. Apabila fase generator sama dengan PLN, mikrokontroller akan menghitung sebanyak 100 kali periode untuk menentukan bahwa generator dan PLN telah sinkron. Kondisi sinkron dianggap gagal jika sebelum 100 kali periode terdapat beda fase antara PLN dan generator. Apabila hal ini terjadi, mikrokontroler akan mengukur beda fase antara PLN dan generator. NO Ubah Orientasi Phase GEN PENGUJIAN ALAT Gambar 6. Alur Program Program untuk mikrokontroller ini mencakup pengaturan motor pada waktu starting sampai dengan fase tegangan PLN dan generator sama. Langkah-langkah yang dilakukan untuk melakukan proses sinkronisasi tegangan PLN dengan generator dapat digambarkan dalam alur program pada gambar 6. Tegangan supply yang diberikan untuk pengujian diatas yaitu untuk motor DC diberi batas tegangan 200 Volt sampai dengan 300 Volt DC untuk dapat mencapai putaran 3000 RPM. Tegangan tersebut diberikan untuk menghindari apabila terjadi kegagalan, MOSFET rusak tidak sampai merusak motor DC. Berikut ini tabel dari alat pada table uji coba alat yang telah diujikan serta grafik hasil uji coba pada gambar 7 41

Tabel Uji Coba Alat No Arus Sesaat pada waktu sinkron (ma) Arus setelah sinkron berhasil (ma) Waktu untuk mencapai sinkron (det) 1 1000 600 70 2 1000 500 50 3 800 500 32 4 500 300 71 5 700 500 54 6 300 200 36 7 600 500 38 8 1400 1200 40 9 1000 500 39 10 220 200 51 11 1600 1500 59 12 1100 1300 60 13 800 500 80 14 1600 1500 75 15 700 400 58 16 370 270 50 17 1000 800 57 18 200 100 45 19 70 40 55 20 80 50 43 Berikut ini gambaran dari hasil pengujian yang dilakukan pada saat kondisi suplai PLN normal. Hal ini bisa dilihat dari data tegangan dan frekuensi PLN pada LCD, pada gambar 8 dalam waktu kurang lebih dibawah 2 menit. Gambar 8. Tegangan Output Dan Uji Coba Resistif KESIMPULAN Adapun beberapa kesimpulan yang didapatkan antara lain: 1. Sinkronsisi secara otomatis berhasil memerintahkan Genset untuk starting dan memindahkan posisi suplai ke Genset ketika suplai PLN diputus dengan jeda waktu kurang dari 75 detik. Kemudian berhasil menstop genset secara otomatis dan kembali memindahkan posisi suplai ke PLN ketika tegangan PLN kembali dimasukkan. Dimana waktu jeda antara suplai PLN kembali normal sampai dan suplai kembali diambil alih oleh PLN adalah selama 10 detik. 2. Sinkronisasi secara otomatis berhasil memerintahkan Genset untuk starting secara otomatis ketika Tegangan suplai utama sebesar 200 VAC 300 VAC dengan frekuensi sebesar 46,23 Hz. Dimana nilai referensi yang ditetapkan pada program adalah berdasarkan SPLN yaitu, 198 VAC - 280 VAC untuk tegangan dan 49.5 Hz- 50.5 Hz untuk frekuensi dan kecepatan 3000 RPM. 3. Karena keterbatasan PLC yang dipakai, ada fungsi lain yang diambil alih oleh mikrokontroller ATMEGA32, dimana fungsi itu adalah untuk membangkitkan sinyal PWM yang masuk ke MOSFET untuk mengatur kecepatan. Keterbatasan itu adalah PLC yang dipakai hanya mempunyai output relay. DAFTAR PUSTAKA 1. Bolton William, Programmable Logic Controller (PLC) edisi 3.Jakarta, Erlangga, 2004 2. Helfrick, Albert D., dan William D. Cooper., Modern Electronic Instrumentation And Measurement Techniques, Englewood Ciffs: Prentice Hall, 2010. 3. Theraja, B.L. A Textbook of Electrical Technology. New delhi, S,Chand & Company, VOL II, 2005 4. Michael J. Thompson (March 2012), Fundamentals and Advancements in Generator Synchronizing Systems, SEL Journal of Reliable Power, Volume 3, Number 1. 5. Nicholas C. Seeley (September-2012), Advances in Generator Control and Automatic Synchronization Eliminating the Need for Standalone Synchronization Systems, 59th Annual Petroleum and Chemical Industry Technical Conference. 42