BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Abad ini permasalahan energi di dunia merupakan topik yang sering dibahas, hal ini dikarenakan energi merupakan kebutuhan pokok manusia. Disamping itu pertumbuhan ekonomi suatu negara juga dipengaruhi oleh tingkat konsumsi energi, sementara sumber energi di dunia masih didominasi oleh sumber energi primer seperti: minyak bumi, gas alam dan batu bara. Sementara sumber energi primer tersebut semakin lama persediannya semakin menipis dan tidak dapat diperbaharui. Pada Gambar 1.1 terlihat pada tahun 1980 s.d 2004 penggunaan konsumsi energi primer menempati urutan yang paling tinggi, sedangkan untuk tahun 2004 s.d 2030 memperlihatkan adanya kenaikan konsumsi energi. Dengan adanya kenaikan yang terus-menerus membuat persediaan semakin menipis. Gambar 1.1 Konsumsi energi dunia menggunakan minyak bumi 1
Dengan menipisnya sumber energi primer untuk kebutuhan masa depan, setiap negara berlomba-lomba mencari energi alternatif penganti energi minyak bumi, gas alam dan batu bara. Beberapa energi alternatif yang bisa dikembangkan di negara Indonesia, yaitu: tenaga air, biomasa, tenaga angin dan tenaga surya, meskipun tidak menutup kemungkinan sumber energi alternatif lainnya. Salah satu alternatif yang dikembangkan yaitu pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH). Pemilihan PLTMH sebagai sumber energi terbarukan karena Indonesia kaya akan potensi sumber daya air terlihat dari letak geografisnya. Selain itu Indonesia juga memiliki banyak sumber daya alam yang unik dan potensial, sumber daya energi air tersebut umumnya berskala kecil dan tersebar di seluruh penjuru Indonesia. Mikrohidro adalah sumber pembangkit listrik terbatas yang memanfaatkan ketingian aliran air pada ketinggian tertentu di sungai, yang kemudian digunakan untuk memutar turbin dan disambungkan ke generator, sehingga generator tersebut menghasilkan sumber energi listrik yang dapat dimanfaatkan untuk sesuatu yang berguna. Kelebihan PLTMH dibanding dengan sumber energi lain adalah energi yang tersedia tidak akan habis selagi siklus alam yang ada bisa terjaga. Hal ini berarti ikut meningkatkan kesadaran masyarakat untuk menjaga alam sekitar, disamping tidak menimbulkan polutan [19]. Dalam pembuatan mikrohidro diperlukan sebuah perancangan agar mikrohidro tersebut bekerja secara optimal, salah satunya yaitu mengatur putaran motor generator dalam keadaan tetap agar tegangan dan frekuensi yang dihasilkan tetap, sedangkan kecepatan putaran motor generator sangat dipengaruhi oleh debit aliran air dan beban yang digunakan. Sebagai contoh, ketika musim hujan maka aliran air yang melewati generator akan mengalami kenaikan volume dan kecepatan aliran air, sebaliknya ketika musim kemarau akan mengalami penurunan volume dan kecepatan aliran, sehingga mengakibatkan putaran generator yang berbeda. Contoh yang lain yaitu ketika rumah mematikan lampu maka beban mikrohidro akan turun dan menyebabkan roda gerak motor berputar lebih cepat, dan menyebabkan frekuensi tidak stabil dan tegangan menjadi sangat 2
tinggi yang akhirnya dapat merusak barang-barang elektronik. Tujuan penelitian ini adalah membuat sebuah sistem agar tegangan dan frekuensi yang dihasilkan generator bekerja pada keadaan tetap, yaitu 220 Vac dan 50 Hz. Adapun metode yang digunakan disesuaikan dengan kondisi yang ada, sehingga masyarakat pengguna PLTMH dapat merasakan manfaatnya. 1.2 Perumusan masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dijelasakan di 1.1, maka dapat dibuat perumusan masalah yang akan diteliti sebagai berikut. 1. Bagaimana membuat desain rangkaian kendali penstabil frekuensi dan tegangan PLTMH dengan mengunakan beban komplemen (semu). 2. Metode apa saja yang dapat digunakan untuk membuat mikrohidro menghasilkan tegangan keluaran yang tetap yaitu pada tegangan 220V dan frekuensi 50 Hz. 1.3 Keaslian penelitian Beberapa penelitian yang membahas mengenai topik ini dengan objek, rangkaian dan metode yang berbeda-beda, adalah sebagai berikut. Penelitian oleh Machmud. Penelitian ini menggunakan kendali ELC untuk mengatur beban semu pada mikrohidro, diagram blok penelitian ini terlihat di Gambar 1.2 Rangkaian dan komponen yang digunakan yaitu: rangkaian sensor tegangan menggunakan op-amp, rangkaian zero crossing detector sebagai pendeteksi phasa 0 menggunakan triac, keypad, display LCD, rangkaian saklar elektronik dan mikrokontroler sebagai kendalinya. Beban maksimal yang digunakan sampai 1000 Watt, rangkaian zero cross detector sebagai pendeteksi phase 0 untuk membangkitkan PWM dari saklar elektronik (triac), adapun penalaan PID pada setpoint 220 Vac diperoleh hasil Kp=4, Ki=0,01 dan pemberian nilai Kd tidak ada perubahan signifikan pada sistem ini [1]. 3
Gambar 1.2 Diagram kerja penelitian Machfud Effendy Penelitian oleh Muhamad. Panel kendali pada PLTMH sebagai pemantau besaran listrik, untuk mempermudah operator atau teknisi. Perlengkapan yang dipasang pada panel kendali seperti: voltmeter skala 0 s/d 500 Vac, amperemeter dengan skala 0 s/d 10 Ampere, dan frekuensi meter dengan rentang skala 45 s/d 55 Hz, indikator lampu, sakelar posisi on/off. Kemudian perlengkapan utama yaitu alternator DC 24 Volt dipasang sejajar lurus dengan pulley penghubung dari kincir, dengan menggunakan vanbelt. Output dari alternator dihubungkan dengan ACCU 2 x 12 Volt, 70A yang berfungsi menampung energi listrik yang dibangkitkan dari alternator. Untuk mendapatkan tegangan AC, perlu dipasang alat inverter yang berfungsi merubah dari DC ke AC. Begitu pula fungsi dari panel kontrol untuk memantau naik dan turunnya masalah kelistrikan yang dibangkitkan oleh PLTMH, Semakin besar pembebanan yang diberikan pada turbin/kincir air, maka putaran turbin dan putaran alternator akan berkurang. Melihat kondisi peningkatan dari generator dianggap belum maksimal, maka setelah dipasang pembangkit dari Alternator DC dipandang lebih efektif mengingat dengan Alternator, arus masukkan dapat ditampung dalam ACCU, dan melalui Inverter pembebanan listrik AC dapat dilakukan [2]. Penelitian selanjutnya dilakukan oleh Mbabazi dan Leary, yaitu analisa desain kontrol eletronik ELC untuk sistem mikrohidro dengan metode hummingbird dan metode homo luden s. Kedua metode tersebut menggunakan kendali PI sebagai umpan balik. Namun pada metode hummingbird menggunakan 4
sulut sudut fase triac 90 o untuk mengaktifkan beban tiruan, sedangkan pada metode homo luden s menggunakan mikrokontroler microchip sebagai kendali utama yang kemudian dibaca oleh triac sebagai saklar untuk mengaktifkan beban semu. Pada penelitian ini tidak dijelaskan bagaimana kinerja dari kendali PI tersebut [3]. Pada penelitian yang dilakukan oleh Herdiansyah, yaitu pengendalian beban generator secara otomatis dengan algoritma PID pada PLTMH berbasis PLC. Penelitian ini menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) twindo TWDLMDA 20 DRT sebagai kendali utamanya, diagram blok penelitian ini di Gambar 1.3. Rangkaian dan komponen yang digunakan yaitu rangkaian sensor tegangan, rangkaian zero crossing detector sebagai pendeteksi phasa 0 menggunakan triac, rangkaian pengendali heater menggunakan triac dan PLC. Sistem ini juga menyediakan port modbus sehingga memungkinkan dapat terhubung dengan jaringan Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) sehingga bisa melakukan pengontrolan dan pemantauan PLTMH dari jarak jauh [4]. Gambar 1.3 Diagram kerja penelitian Herdiansyah Penelitian yang dilakukan oleh Gozon. Metode yang digunakan dengan tiga langkah, pertama mengembangkan kontrol sistem, kedua mengembangkan 5
monitoring sistem dan ketiga mengintegrasi dengan yang lain. Gambar 1.4 adalah diagram kerja dari penelitian yang dilakukan Gozon, (IG) Induction Generator terhubung dengan load dan sistem kontrol melalui (CB) Circuit Breaker, yang berfungsi sebagai pengaman saat terjadi tegangan short. Sistem kontrol terdiri dari (PT) Potential Transformer, dioda penyearah D1, D2 terhubung dengan tegangan V1 dan V2. Sumber ini memberikan supply ke (MCU) Microcontroller Unit. Mikrokontroler mengendalikan IGBT untuk mengendalikan (DL) Dummy Load, sumber dummy load dari tegangan di D3 [5]. Gambar 1.4 Diagram kerja penelitian Gozon Penelitian oleh Karki. Penelitian ini menggunakan 2 metode, yang pertama electronic load controller traditional, yaitu kendali dengan metode yang analog terlihat di Gambar 1.5. Generator dihubungkan ke trafo untuk menghasilkan sudut phase dan sebagai penyearah. Kendali yang digunakan mengunakan op amp komparator dengan kendali PI. Switch Ballast load menggunakan triac untuk frekuensi tinggi. Penelitian ini kemudian dikembangkan di Gambar 1.6 untuk mengurangi distorsi harmonic pada kendali tradisional. Beban komplemen dikendalikan oleh mikrokontroler untuk menghasilkan nilai biner yang kemudian dintegrasikan dengan beban balas melalui relay [6]. 6
Gambar 1.5 Diagram kerja ELC tradisional penelitian Karki Gambar 1.6 Diagram kerja ELC digital penelitian Karki Penelitian selanjutnya oleh Sofian. Pada penelitian ini menyajikan desain dan implementasi kedali ELC menggunakan mikrokontroler metode fuzzy berdasarkan (SEIG) self-excited induction generators satu phase. ELC terdiri dari rectifier, mosfet untuk saklar elektronik, mikrokontroler ATMega 32, sensor tegangan, optocoupler, beban semu resisitif. Adapun diagram kerja penelitian ada di Gambar 1.7 [7]. Gambar 1.7 Diagram kerja penelitian Sofian 7
Penelitian yang dilakukan oleh Kumar [8], Penelitian ini menggunakan generator induksi tiga phase untuk memberikan sumber ke penggerak utama dan beban konsumen. Eksitensi kapasitansi terhubung dengan kapasitor bank ke terminal generator. ELC dan beban konsumen terhubung pararel ke terminal generator. Ketika pulsa gerbang ke IGBT tinggi, memungkinkan mengalir ke beban komplemen. Siklus dari IGBT ditentukan oleh perbedaan antara beban komplemen dan beban konsumen. Dengan demikian total output daya selalu dijaga konstan, adapun cara kerja sistem ini ada di Gambar 1.8 [8]. Gambar 1.8 Diagram kerja penelitan Kumar Penelitian selanjutnya dilakukan oleh Gao. ELC dioperasikan pada rangkaian delta dengan mesin induksi 1 phase, sebesar 7,5kW. 230V. 26,2A. 50Hz. ELC terdiri diode penyearah dan rangkaian terhubung seri dengan dummy load. Tindakan kendali dilakukan oleh mikrokontroler 18f252 untuk menghasilkan PWM [9]. Cara kerjanya adalah, tegangan AC disearahkan dengan dioda penyearah. Beban semu dirancang ketika duty cycle terjadi perubahan. tegangan analog 5V menuju ke mikrokontroler melalui ADC. Mikrokontroler untuk membandingkan nilai referensi 230 V. Output sekunder trafo sebagai sumber tegangan optocoupler menuju ke IGBT, kendali yang digunakan menggunakan PI. Adapun diagram kerja di Gambar 1.9. 8
Gambar 1.9 Diagram kerja penelitian Gao Penelitian yang dilakukan oleh Gopal dan Singh. Perancangan beban elektronik untuk generator induksi tiga fase, 3,7 kw, 230 V, 50 Hz. Kapasitor bank dihubungkan untuk eksitasi generator induksi, tiga fase dioda penyearah dengan induktansi dan resistensi pada bus DC digunakan sebagai beban konsumen. Delapan sensors digunakan untuk sinyal umpan balik. Tiga sensor tegangan yang digunakan untuk DC link tegangan ( Vdc ) dari VSC dan fase AC tegangan. Decouple Electronic Load Controler (DELC) untuk sistem generator induksi. Algoritma IcosΦkontrol digunakan untuk mengontrol DELC agar tegangan dan frekuensi seimbang. Terlihat di Gambar 1.10 [10]. Gambar 1.10 Diagram kerja penelitian Gopal dan Singh Penelitian selanjutnya adalah yang dilakukan oleh Singh dan Tiwari. Penelitian ini berisi review teknologi sekarang ini, adapun metode pengendalian 9
yang digunakan SEIG yaitu penyimpanan sumber tenaga ke dalam baterai atau kapasitor bank [11], seperti yang terlihat di Gambar 1.11. Gambar 1.11 Diagram kerja penelitian Singh dan Tiwari Penelitian yang dilakukan oleh Pokrel. Penelitian ini mengunakan metode IGC dengan 2 komponen utama yaitu rangkaian switch triac dan kendali penyulut triac. Di Gambar 1.12 adalah diagram kerja sistem yang digunakan, adapun komponen pendukungnya: Step down transformer, tegangan yang digunakan 6-0-6 dan 18-0-18 untuk masukan ke rangkaian ZCD. Regulator DC, tegangan yang digunakan 18-0-18 untuk menghasilkan sumber tegangan +-15 Vdc menggunakan jembatan dioda. ZCD yang berfungsi sebagai pendeteksi phase 0. Differential amplifier berfungsi sebagai pembaca sinyal kesalahan yang kemudian dilakukan kendali P. Beban utama dan beban semu sumber diambil dari generator [12]. Gambar 1.12 Diagram kerja penelitian Pokrel Penelitian yang dilakukan Melo. Di Gambar 1.13 komponen yang digunakan yaitu, beban utama dan beban semu data biner, trigger circuit menggunakan triac. DAC untuk mengubah data digital menjadi analog berupa 10
data biner [13]. Gambar 1.13 Diagram kerja penelitian Melo Penelitian yang dilakukan oleh Silva. Penelitian ini menggunakan metode analisis komparatif teknik kontrol yang digunakan pada generator induksi, untuk pembangkit listrik tenaga air yang dikembangkan di barat Uganda. Model menggunakan Matlab Simulink dengan kendali beban otomatis. Dalam penelitian ini terdiri dari gerbang logika, switch IGBT, dioda rectifier, kontroler PID [14]. Penelitian yang dilakukan Nagpal. Simulasi ELC menggunakan software Labview memperlihatkan bagaimana beban menanggapi variasi output dari generator. Sistem ini juga memberikan keadaan ketika banyak beban terhubung ke modul kontrol beban. ELC dirancang untuk mempertahankan beban pada keadaan konstan meskipun asumsi bahwa air jatuh di turbin tidak konstan dan bervariasi tergantung pada cuaca dankondisi lain [15]. Penelitian yang dilakukan disini merupakan pengembangan penelitian sebelumnya, yaitu kendali penstabil frekuensi dan tegangan untuk pembangkit listrik mikrohidro menggunakan beban komplemen dengan pengendali PID berbasis PWM. Penelitian ini mengatur beban semu atau (Induction Generator Controller) IGC generator induksi 3 phase menggunakan mikrokontroler dspic 30F4012 sebagai kendali utamanya. PWM dan ADC dibangkitkan oleh register didalam mikrokontroler. Rangkain penyearah 1 phase digunakan untuk mengubah tegangan 220 Vac menjadi 220 Vdc, yang nanti digunakan sebagai sumber untuk menghidupkan beban semu. Rangkaian sensor tegangan digunakan untuk 11
membaca perubahan tegangan di generator yang kemudian diterjemahkan oleh mikrokontroler melalui ADC. Rangkaian saklar elektrik beban semu menggunakan optocoupler dan mosfet yang berfungsi sebagai pemisah tegangan dan sebagai saklar. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut. a. Membuat sebuah desain sistem kendali penstabil frekuensi dan tegangan untuk PLTMH, menggunakan mikrokontroler dspic 30F4012 sebagai kendali utamanya untuk mengatur PWM dan umpan balik PID. Metode yang digunakan agar generator bekerja pada putaran yang tetap yaitu dengan mengatur beban semu atau IGC (Induction Genertor Controller). b. Menelaah berbagai metode pengendalian PID, yaitu: respon waktu kalang terbuka Ziegler Nichols, osilasi kalang tertutup Ziegler Nichols, Callender et all dan melakukan penalaan sendiri trial error dengan mencari kinerja terbaik. 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Memberikan manfaat terhadap perkembangan teori dan ilmu pengetahuan akademis mengenai kendali PLTMH. b. Memberikan manfaat untuk penerapan PLTMH pada aplikasi secara langsung. c. Memberikan manfaat pada penguna PLTMH karena dapat menjaga keawetan barang-barang elektronik yang menggunakan sumber dari PLTMH. d. Menekan biaya perawatan, karena PLTMH bekerja secara otomatis. 12
1.6 Sistematika Penulisan Guna memahami lebih jelas laporan penelitian ini, dilakukan dengan cara mengelompokkan materi menjadi beberapa sub bab dengan sistematika penulisan sebagai berikut: BAB I : PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan tentang informasi umum mengenai penelitian kendali penstabil frekuensi dan tegangan untuk pembangkit listrik mikrohidro menggunakan beban komplemen dengan pengendalian PID dan PWM, yaitu: latar belakang penelitian, perumusan masalah, keaslian penelitian, tujuan dan manfaat penelitian, dan sistematika penelitian. BAB II : TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI Bab ini berisikan tinjauan pustaka dan teori yang diambil dari beberapa kutipan buku, jurnal dan laporan yang berupa informasi mengenai penelitian yang sedang berkembang serta pengertian dan definisi. Bab ini juga menjelaskan teori dasar mengenai mikrohidro, turbin, generator 3 phase, motor induksi 3 phase, beban komplemen, sensor, mosfet, diode, kapasitor, optocoupler, mikrokontroler dan metode penalaan untuk PID. BAB III : METODOLOGI Bab ini berisikan metodologi penelitian yaitu cara-cara yang dilakukan untuk memperoleh data, memperoleh penemuan dan pembuktian penelitian yang meliputi : alat dan bahan yang digunakan, jalannya penelitian dan perancangan sistem perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Adapun untuk perancangan perangkat keras adalah: pembuatan rangkaian sensor tegangan, pembuatan rangkaian sistem minimum mikrokontroler dspic 30F4012, pembuatan rangkaian penyearah gelombang penuh, pembuatan rangkaian saklar elektronik beban komplemen (semu), serta pembuatan perangkat lunak mikrokontroler ADC, PWM dan PID. 13
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini menjelaskan hasil dan analisa sistem yang digunakan dalam penelitian, pembahasanya meliputi: hasil pengujian sensor tegangan, hasil pengujian penalaan PID dengan kurva reaksi Ziegler Nichols, metode osilasi Ziegler Nichols, metode callender et all, dan penalaan PID trial error mencari kinerja terbaik. BAB V : PENUTUP Bab ini berisi kesimpulan dan saran yang berkaitan dengan penelitian yang telah dilakukan dan berdasarkan yang telah diuraikan pada bab-bab sebelumnya. 14