PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA · PDF filemengalirkan arus ke beban konsumen pada setiap...

Pengontrol Beban Elektronika Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 45

PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

Achmad Hasan

P3 Teknologi Konversi dan Konservasi Energi Deputi Teknologi Informasi, Energi, Material dan Lingkungan

Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi

ABSTRACT

The using of Electronic Load Controller (ELC) to replace governor in Microhydro Power Plant (PLTM) can hopefully manage the enormous changing of load by giving a quick system response and lower price than governor. Because of providing power for electricity require high cost and the geographic condition of Indonesia also the unbalance spread of load, so the PLTM is the most economic energy resource. PLTM is the right plant for providing energy especially for remote area with a low load crowd and far from PLN network. Keywords : Turbine, generator, governor, ELC, microhydro, power,

complement load, consumer load.

1. PENDAHULUAN Selama ini ada semacam konsensus bahwa pembangunan

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM) harus mempunyai

dampak ganda, baik untuk meningkatkan penyediaan dan pemerataan

energi khususnya di daerah perdesaan maupun menjadikan wahana

guna meningkatkan kemampuan industri dalam negeri untuk

menangani pembangunan PLTM mulai dari tahap studi kelayakan,

perencanaan, pembuatan mesin dan peralatan, sampai

pemasangannya. Selain itu pola pengembangan PLTM diselaraskan

dengan tingkat keberadaan yang berupa teknologi tepat guna di

perdesaan. Teknologi perdesaan dalam pengembangan irigasi rakyat

hampir sama polanya dengan pembangunan PLTM, hanya perlu

penyempurnaan karena tenaga listrik tidak mengenal musim. PLTM

itu sendiri merupakan teknologi madya yang sudah diaplikasikan sejak

dahulu dan diharapkan mempunyai dampak positip terhadap kreatifitas

Pengontrol Beban Elektronika Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

46

dan dinamisme masyarakat pada pola hidup dalam rangka

peningkatan kesejahteraan masyarakat perdesaan.

Seperti diketahui bahwa governor pada PLTM merupakan

peralatan pengatur jumlah air yang masuk ke dalam turbin agar tenaga

air yang masuk turbin sesuai dengan daya listrik yang dikeluarkan oleh

pembangkit hingga putaran akan konstan. Penggunaan governor

tersebut kurang menguntungkan bila ditinjau secara ekonomis, karena

harganya hampir sama bahkan melebihi harga turbin generator. Para

produsen di dalam negeri masih belum sanggup bersaing dengan

produksi luar negeri, baik dari segi kualitas maupun harganya. Untuk

itu perlunya dibuat disain Electronic Load Controller (ELC) sebagai

pengontrol beban komplemen pada PLTM dengan kapasitas sesuai

yang dibutuhkan di lapangan.

2. PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTM) 2.1. Komponen PLTM Pada umumnya PLTM mempunyai tiga komponen utama yang

masing-masing fungsinya sangat menentukan, yaitu : turbin air,

generator, dan governor (ELC). Pada pembangkit, pengendalian

putaran dimaksudkan untuk mengendalikan putaran (frekuensi)

generator sehingga pengendalian putaran dalam hal ini diutamakan

berfungsi sebagai pengendali frekuensi generator. Perubahan putaran

(frekuensi) generator dapat disebabkan karena adanya perubahan

daya penggerak. Jika daya air yang masuk ke turbin dibuat selalu

tetap sehingga daya penggerak turbin selalu tetap, maka frekuensi dan

respon generator akan menjadi fungsi dari beban. Agar frekuensi

yang dihasilkan oleh generator besarnya selalu tetap, maka besar

beban dari generator harus selalu tetap. Untuk itu diperlukan beban

tiruan yang besar bebannya dapat diatur sesuai dengan pengurangan

beban dari PLTM. Beban tiruan ini disebut beban komplemen. Pada

suatu kondisi beban tertentu (misal pada beban sebesar 75% beban


penuh), daya air yang masuk ke turbin diatur sehingga diperoleh

putaran generator yang dikehendaki. Jika pada beban konsumen

terjadi penurunan beban sebesar ∆I, maka beban komplemen akan

dilewati arus yang rata-ratanya akan sebesar penurunan arus akibat

turunnya beban konsumen (∆I). Dengan demikian generator akan

dibebani dengan total beban yang selalu konstan. Diagram blok dari

uraian tersebut seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Oleh karena daya yang masuk ke turbin dibuat tetap dan beban

yang dirasakan oleh generator juga selalu tetap, maka putaran

generator senantiasa juga tetap. Dengan kata lain, jika debit air

konstan maka generator harus dibebani dengan daya konstan agar

putaran generator selalu tetap. Oleh karena beban konsumen tidak

selalu konstan, maka untuk menjaga kestabilan putaran turbin

generator diperlukan beban komplemen yang besarnya diatur oleh

ELC sedemikian rupa sehingga :

Beban Konsumen + Beban Komplemen = Kapasitas Nominal Generator

Formula tersebut berlaku untuk setiap kondisi beban konsumen.

Adapun daya yang tersedia pada terminal generator dapat dinyatakan

dengan persamaan berikut :

GENERATOR BEBAN KONSUMEN

BEBAN KOMPLEMEN

∆I

I I – ∆I

Gambar 1. Diagram blok pembagian daya beban komplemen


48

ρ Q H Qoutput (kW) = ------------ ηh.ηm.ηg 0,736 75

1000 Q H = --------------- ηoverall 0,736 75 = 9,8 Q H ηoverall

Gambar 2. Grafik aplikasi lapangan untuk berbagai jenis turbin

Power

Water flow

Hn Hea

P


di mana :

Q = Debit air, (m3/detik)

H = Head, (m)

ηh = Efisiensi hidrolik penggerak mula (turbin air), (%)

ηm = Efisiensi mekanik, (%)

ηg = Efisiensi generator, (%)

ηoverall = Efisiensi turbin-generator, (%)

ρ = Massa jenis air, (kg/m3)

Dari persamaan output generator tampak bahwa debit air berbanding

terbalik dengan head, artinya jika debit airnya besar maka sudah tentu

headnya rendah. Demikian pula sebaliknya, jika debit airnya besar

maka headnya tinggi.

Berdasarkan grafik aplikasi lapangan untuk berbagai jenis turbin,

seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2, maka untuk power rating P

= 50 kVA, diperoleh data sebagai berikut :

• Jenis turbin yang dapat dipakai adalah Cross Flow Turbine

• Qmaks = 3,5 m3/detik untuk Hmin = 2 m

• Qmin = 0,2 m3/detik untuk Hmaks = 35 m

Dengan kata lain, persyaratan debit air yang memenuhi adalah berada

dalam range antara 3,5 m3/detik untuk head antara 2 m hingga 35 m.

2.2. Sistem Kontrol Electronic Load Controller (ELC) Pengaturan putaran generator mikrohidro dengan beban

komplemen menggunakan sakelar elektronik yang terdiri atas tiga

bagian utama, yaitu :

• Sensor Arus dan Rangkaian Kontrol Alat ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus beban yang

dihasilkan oleh generator sebagai akibat adanya perubahan arus


50

pada beban konsumen yang kemudian akan dibandingkan dengan

harga referensi yang telah ditentukan. Selanjutnya rangkaian

kontrol akan memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan

memberikan trigger pada SCR sesuai dengan perubahan yang

terjadi.

• Sakelar Elektronik (SCR) Digunakannya SCR karena dengan mengguna-kan arus

pengontrol yang kecil dapat men switch arus yang jauh lebih besar.

SCR berfungsi sebagai pemutus dan penghantar arus ke beban

komplemen yang pengoperasiannya diatur oleh modul kontrol

berdasarkan perubahan yang terjadi. Penghantaran dan

pemutusan arus dapat dilakukan dengan cara mengatur sudut

penyalaan. Modul kontrol yang digunakan adalah modul kontrol

yang mendeteksi perubahan arus dan mengubahnya menjadi

tegangan, kemudian mengaktifkan gate SCR dengan perubahan

arus yang terjadi.

• Beban Komplemen

Beban komplemen digunakan sebagai tempat pengalihan daya

dari perubahan yang terjadi pada beban sebenarnya dengan

tujuan untuk menjaga agar putaran generator tetap konstan

meskipun terjadi perubahan arus pada beban sebenarnya.

Beban konsumen pada PLTM sebagian besar berupa beban

penerangan untuk kebutuhan rumah tangga. Karenanya penyaluran

daya yang dibutuhkan adalah per fasa, sehingga akan terjadi ketidak-

seimbangan daya.

Sensor arus pada setiap fasa pada beban komplemen akan

memberikan beban yang tetap konstan dan seimbang. PLTM akan

mengalirkan arus ke beban konsumen pada setiap fasa melalui trafo

arus sebagai sensor arus dari panel kontrol beban komplemen. Arus

sensor ini berperan sebagai input pada rangkaian kontrol. Besar arus


sensor senantiasa sebanding dengan besar arus beban konsumen

atau arus total generator pada setiap fasa. Fungsi arus sensor diubah

dari yang semula fungsi arus menjadi fungsi tegangan, kemudian

masuk ke rangkaian konverter. Di sini bentuk tegangan diubah

menjadi tegangan searah sinus setengah gelombang.

Oleh rangkaian operational amplifier (Op-Amp), bentuk

tegangan ini akan diubah menjadi gelombang segitiga, dan selanjutnya

akan dibandingkan dengan gelombang gigi gergaji yang nilainya

konstan. Gelombang gigi gergaji dan gelombang segitiga mempunyai

prioda yang sama, karena keduanya berasal dari sumber jala-jala yang

sama dengan frekuensi 50 Hz. Besar tegangan gelombang segitiga

akan dipengaruhi oleh perbandingan besar arus sensor dan tegangan

referensi pada rangkaian setting kapasitas. Hasil perbandingan ini

akan menentukan apakah outputnya berupa pulsa lebar ataukah pulsa

sempit. Selanjutnya output tersebut akan masuk ke rangkaian logik

bersama dengan pulsa cacah yang dihasilkan oleh rangkaian osilator

konstan.

Output rangkaian logik akan menginjeksi trafo pulsa melalui

rangkaian darlington. Output trafo pulsa akan memberikan sudut

kelambatan pernyalaan pada pulsa dua buah SCR yang dipasang anti

paralel. Sudut kelambatan pernyataan ini akan dipengaruhi oleh

perubahan beban. Jika beban konsumen besar, maka sudut

kelambatan pernyalaan akan membesar pula. Hal ini akan

menyebabkan konduktifitas pada SCR mengecil sehingga daya yang

disalurkan ke beban komplemen juga kecil. Demikian pula sebaliknya,

sehingga total beban akan tetap konstan. Diagram blok satu garis

sistem kontrol ELC mikrohidro 50 kVA seperti ditunjukkan pada

Gambar 3.


52

2.3. SPESIFIKASI TEKNIS ELC

Tabel 1. Spesifikasi teknis ELC mikrohidro 50 kVA

NO.

U R A I A N

KETERANGAN

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10

11.

Tegangan Input Tegangan Output Jumlah Fasa Frekuensi Kapasitas Arus Output Maksimum Beban Komplemen Tahanan Beban Komplemen Sistem Kompensasi Beban Temperatur Kerja (ruang) MaksimumBox Panel : • Tipe • Tinggi • Lebar • Tebal • Berat

220 / 380 Volt 220 / 380 Volt

3 50 Hz

50 kVA 70 Amp / Fasa

Resistif 3 Ohm / Fasa

Linier 400C

Indoor, Wall Mounted

770 mm 654 mm 330 mm

60 kg

Gambar 3. Diagram blok satu garis sistem kontrol ELC mikrohidro 50 kVA


3. PEMBAHASAN 3.1. Analisis Rangkaian Analisis rangkaian kontrol ELC mikrohidro 50 kVA ini mengacu

pada Gambar 4. Untuk rangkaian sensor arus dan rangkaian kontrol

diklasifikasikan atas beberapa bagian yang tergabung dalam satu

modul, yaitu :

• Rangkaian catu kontrol

• Rangkaian referensi fasa yang dideteksi

• Rangkaian osilator

• Rangkaian deteksi perubahan arus

• Rangkaian integrasi

• Rangkaian trigger (kontrol)

• Rangkaian catu daya

Gambar 4. Rangkaian kontrol linier ELC mikrohidro 50 kVA


54

Tegangan AC 220V, 50Hz dari generator PLTM diturunkan dengan

bantuan trafo step down (T2) hingga menjadi 12V sebagai catu daya

dan regerensi fasa. Tegangan tersebut disearahkan oleh dioda bridge

untuk selanjutnya disalurkan ke IC LM324 sebagai referensi fasa yang

dideteksi. Kemudian tegangan tersebut disalurkan ke regulator

LM7812CK yang berfungsi mengatur tegangan agar tetap konstan

sebesar 12V, selanjutnya dihubungkan ke pin 4 (reset) dan pin 8 (Vcc)

IC LM555 (sebagai generator pulsa). Frekuensi gelombang tegangan

generator sinusoida akan masuk ke pin 3 IC LM324 (U1A), di mana

pada output pin 2 gelombangnya berbentuk pulsa persegi. Pulsa ini

akan diumpan balik (feedback) ke IC LM555 (U4) melalui pin 7

(discharge), pin 6 (threshold), pin 2 (trigger), sebagai osilator input

untuk memperoleh osilator output dengan frekuensi konstan. Output

pin 2 pada IC LM555 (U4) tersebut terhubung dengan pin 5 pada IC

LM324 (U1B) melalui tahanan 4k7 ohm, arus pada output pin 7

terbangkitkan pulsa berbentuk gigi gergaji. Selanjutnya output pin 7

dihubungkan ke pin 12 IC LM324 (U1D) untuk diperkuat outputnya

pada pin 14, dan akan dibandingkan dengan hasil pulsa rangkaian

pendeteksi perubahan pada beban sebenarnya. Hasil penyearahan

oleh dioda bridge yang berbentuk tegangan DC akan dibangkitkan

menjadi gelombang ramp oleh IC LM324 (U2A) melalui pin 2 dan

diatur oleh pin 3 yang mengandung multiturn (R14, R16), untuk

selanjutnya diperkuat yang mana bentuk gelombangnya diubah

menjadi gigi gergaji untuk dibandingkan melalui pin 9 IC LM324 (U1C).

Output pin 8 merupakan hasil penguatan pulsa perubahan beban

sebenarnya yang akan dibandingkan dengan pulsa referensi pada pin

1 IC LM324 (U1A) melalui pin 5 dan pin 6 IC MC14011(U3B). Hasil

perbandingan tersebut akan dibandingkan lagi dengan pulsa referensi

yang fasanya konstan pada pin 7 IC LM555 (U4) melalui pin 12 dan

pin 13 IC MC14011 (U3D), sehingga bila terjadi perubahan pada

beban sebenarnya maka perubahannya mendekati linier. Pada


rangkaian pencatu daya terdapat penguat darlington yang berfungsi

memperbesar daya dalam penyalaan SCR.

Pada rangkaian ini, output pin 10 IC MC14011 (U3C) akan

diperkuat oleh rangkaian darlington untuk selanjutnya dibagi ke

pencatu daya SCR sesuai dengan perubahan yang terjadi pada

pendeteksian rangkaian kontrol (trigger). SCR bekerja (ON) setelah

memperoleh sinyal trigger yang berasal dari rangkaian kontrol, dan

tegangan di anoda lebih besar dari pada tegangan di katoda.

Jika terjadi perubahan arus beban generator maka rangkaian

kontrol arus akan mengaktifkan SCR dengan memberikan sinyal

trigger pada gate sehingga SCR akan menghantar (ON). SCR

berkonduktansi dari 00 hingga 1800C. Konduktansi SCR ditentukan

oleh sudut penyalaannya. SCR akan menjadi OFF (tidak menghantar)

bila tegangan di anoda lebih kecil dari pada tegangan di katoda, dan

arus tersebut telah merosot pada aras (level) yang rendah atau pada

titik nol. Dengan kata lain, SCR akan menjadi OFF bila tegangan yang

diberikan pada SCR berubah dari setengah gelombang positip ke

gelombang negatip.

3.2. Printed Circuit Board (PCB) PCB pada ELC mikrohidro 50 kVA terdiri dari tiga buah kontrol

linier (untuk fasa R, S, dan T). Sensor untuk kontrol linier diambil dari

output generator. Di atas PCB kontrol linier, dipasang berbagai jenis

komponen elektronis. Adapun tata letak komponen kontrol linier

tersebut seperti diperlihatkan pada Gambar 5. Perlu diperhatikan

bahwa setiap selesai pemasangan jenis komponen, timah solder

harus melekat pada jalur yang benar. Untuk itu perlu memperhatikan

bottom layer PCB kontrol linier seperti ditunjukkan pada Gambar 6.


56

Gambar 5. Tata letak komponen kontrol linier

Gambar 6. Bottom layer PCB kontrol linier


Untuk mengetahui bagaimana tahapan kegiatan yang dilakukan dalam

pembuatan prototipe pengontrol beban elektronik mikrohidro 50 kVA,

seperti ditunjukkan pada flowchart Gambar 7

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis rangkaian, maka dapat

MULAI

DISAINRANGKAIAN

PEGANGAN KOMPONEN UNTUK BREAD-

BOARDING

UJI KINERJA

DISAIN BOX

DISAIN TATA LETAK KOMPONEN & WIRING

PEGANGAN BAHAN MEKANIK, ELEKTRIK

& ELEKTRONIK

PEMBUATAN BOX

ASSEMBLING PANEL KOMPONEN POWER

DAN WIRING

YA

TIDAK

OK

PEMBUATAN

PERAKITAN DAN UJI KINERJA PCB

OK

PENGESETAN MODUL PCB

YA

TIDAK

YA

TIDAKOK

A

A

PEMASANGAN DAN WIRING PCB PADA

PANEL

PERIKSA HUBUNGAN WIRING

PENGUKIAN PANEL KONTROL DI LEM

FINISHING DAN PERBAIKAN

PENGUMPULAN

PENYUSUNAN DATA

PENGUJIAN PANEL KONTROL

DI INSTANSI

PENGESETAN MODUL PCB

OK

YA

TIDAK

YA

TDK

OK

SELESAI

Gambar 7. Flowchart pembuatan prototipe ELC mikrohidro 50 kVA


58

4. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil penelitian dan analisis rangkaian, maka dapat

diambil kesimpulan dan saran sebagai berikut :

1. PLTM dengan sistem beban komplemen, membutuhkan

ketersediaan air yang cukup melimpah, dan generator senantiasa

terbebani penuh secara terus-menerus.

2. Dengan menggunakan pengontrol beban elektronik (ELC) sebagai

pengganti governor pada PLTM dan beban komplemen, maka

selain sangat ekonomis juga konstruksi turbin menjadi lebih

sederhana, karena tidak memerlukan pengaturan sudut.

3. Frekuensi sistem PLTM sepenuhnya bergantung pada kecepatan

generator yang diputar oleh penggerak mulanya (turbin air). Oleh

karena itu kontrol frekuensi pada dasarnya adalah kontrol

kecepatan putaran turbin generator pada unit pembangkitan

tersebut.

4. Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka ELC dapat

didisain agar sistem pengontrolannya dapat dihubungkan dengan

micro controller, yaitu dalam bentuk program perangkat lunak.

DAFTAR PUSTAKA [1]. Burr Brown, “Operational Amplifier : Design and Application”,

McGraw Hill, Kogakusha Ltd., Revised Edition, 1975. [2]. Harry, S, “Konsep-Konsep Pengendalian Frekuensi Untuk PLTM”,

ITB, Bandung, 2000. [3]. Henderson, D.S, and Macpherson, D.E, “Development of a Three

Phase, Micro Processor Based Electronic Load Controller for Microhydro Generation”, Dept. of Electrical Engineering, University of Edinburgh, 1989.

[4]. Muchlison, “Pengembangan Sumber Energi Mikrohidro di Indonesia”, Lokakarya ASEAN Energi Non Konvensional dan Terbarukan, Bandung, Desember, 1993.

[5]. Suryadi, Chamid, “Pengendali Elektronik Putaran Turbin”, Lokakarya PLTM, PLN – PPMK, Jakarta, 1995.

PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA · PDF filemengalirkan arus ke beban konsumen pada setiap...

Documents

Transcript of PENGONTROL BEBAN ELEKTRONIK PADA · PDF filemengalirkan arus ke beban konsumen pada setiap...