Rancangan Electronic Load Controller

RANCANGAN  ELECTRONIC LOAD CONTROLLER (ELC) SEBAGAI PENGONTROL BEBAN KOMPLEMEN PADA PLTMH Syafrima Wahyu Fisika FMIPA UNJ 2009  ABSTRAK 

  PLTMH PLTMH adala adalah h tanam tanaman an yang yang tepat tepat untuk untuk menyed menyediak iakan an energi energi listr listrik  ik  terutama untuk daerah terpencil dengan beban rendah dan jauh dari jaringan PLN.   Peral Peralata atan n pengat pengatur ur jumla jumlah h air air yang yang masuk masuk dalam dalam tubin tubin ,yait ,yaitu u govern governor or pada pada   PLTMH, PLTMH, sehingga sehingga menghasi menghasilkan lkan daya listrik listrik yang sangat sangat efisien, efisien, dinilai dinilai kurang  kurang  menguntungkan secara ekonomis. Disamping itu, para produsen di dalam negeri masih belum sanggup bersaing dengan produksi luar negeri, baik dari segi kualitas maupun harganya. Maka diperlukan rancangan Electronic Load Controller (ELC)   sebagai pengontrol beban komplemen pada PLTMH dengan kapasitas sesuai yang  dibutuhkan di lapangan. Dengan penggunakan ELC untuk menggantikan governor   pada PLTMH diharapkan dapat mengelola perubahan beban dengan respon sistem  yang cepat dan harga yang lebih rendah dibandingkan dibandingkan governor. Karena penyediaan penyediaan tenaga listrik memerlukan biaya tinggi. Dengan ELC ini, PLMTH menjadi lebih ekonomis dan konstruksi turbin lebih sederhana Kata kunci: mikrohidro, turbin, generator, governor, ELC, beban komplemen, beban  pengguna

PENDAHULUAN

Saat ini energi listrik merupakan salah satu sumber energi vital bagi kehidupan manusia, baik sektor rumah tangga, komersial, publik maupun industri. Penyediaan energi listrik sudah merupakan salah satu infrastruktur yang wajib dipenuhi agar    perekonomian suatu daerah dapat ditingkatkan. Banyak cara dilakukan untuk  mengelolah energi alam menjadi energi listrik. Salah satu bentuk energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi potensial air yang banyak tersedia di Indonesia akan tetapi belum digunakan secara maksimal. Sementara kita telah mengetahui bahwa energi potensial air merupakan energi yang dapat terbaharui sehingga jika kita mampu memanfaatkan energi ini secara maksimal, kita tidak perlu lagi bergantung pada energi dari bahan bakar fosil yang mengalami krisis ketersediaan akhirakhir ini. Selama ini ada semacam konsensus bahwa pembangunan Pembangkit Listrik  Tenaga Mikrohidro (PLTMH) 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 PLTMH mulai dari tahap studi kelayakan,   perencanaan, pembuatan mesin dan peralatan, sampai pemasangannya. Selain itu  pola pengembangan PLTMH diselaraskan dengan tingkat keberadaan yang berupa teknologi tepat guna di perdesaan. Teknologi perdesaan dalam pengembangan irigasi rakyat hampir sama polanya dengan pembangunan PLTMH, hanya perlu   penyempurnaan karena tenaga listrik tidak mengenal musim. PLTMH itu sendiri merupakan teknologi madya yang sudah diaplikasikan sejak dahulu dan diharapkan mempunyai dampak positif terhadap kreatifitas dan dinamisme masyarakat pada pola hidup dalam rangka peningkatan kesejahteraan masyarakat perdesaan. Seperti diketahui bahwa governor pada PLTMH 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 PLTMH dengan kapasitas sesuai yang dibutuhkan di lapangan.

KAJIAN KEPUSTAKAAN

1. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) 1.1. Definisi PLMTH Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang mengubah energi potensial air menjadi kerja mekanis, memutar turbin dan generator untuk menghasilkan daya listrik skala kecil, yaitu sekitar 0-100 kW. Turbin merupakan salah satu mesin fluida yang mengubah energi mekanis fluida menjadi kerja poros. Terdapat dua jenis utama turbin, yaitu turbin aksi/impuls dan turbin reaksi. Pada turbin impuls, pancaran (jet) air bebas mendorong  bagian turbin yang berputar yang ditempatkan pada tekanan atmosfir. Sebagai contoh turbin ini adalah turbin pelton, turgo, dan crossflow. Sedangkan pada turbin reaksi, aliran air terjadi pada tekanan tertutup. Sebagai contoh turbin ini adalah turbin kaplan,  propeller dan turbin francis. Kedua jenis turbin tersebut tergantung pada perubahan momentum dari air, sehingga gaya dinamiklah yang mengenai bagian yang berputar  (Runner) dari turbin tersebut. 1.2.

Komponen PLTMH

Pada umumnya PLTMH mempunyai tiga komponen utama yang masingmasing 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 PLTMH. 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 :

di mana : Q H ηh ηm ηg ηoverall ρ

= Debit air, (m3/detik) = Head, (m) = Efisiensi hidrolik penggerak mula (turbin air), (%) = Efisiensi mekanik, (%) = Efisiensi generator, (%) = Efisiensi turbin-generator, (%) = 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 H min = 2 m • Qmin = 0,2 m3/detik untuk H maks = 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. 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 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 menggunakan 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 PLTMH sebagian besar berupa beban penerangan untuk kebutuhan rumah tangga. Karenanya penyaluran daya yang dibutuhkan adalah  per fasa, sehingga akan terjadi ketidakseimbangan daya. Sensor arus pada setiap fasa pada beban komplemen akan memberikan beban yang tetap konstan dan seimbang. PLTMH 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 seara h 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. 3. Spesifikasi Teknis ELC

PEMBAHASAN

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 Tegangan AC 220V, 50Hz dari generator PLTMH 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 iperkuat 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 positif ke gelombang negatif. 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.

Untuk mengetahui bagaimana tahapan kegiatan yang dilakukan dalam   pembuatan prototipe pengontrol beban elektronik mikrohidro 50 kVA, seperti ditunjukkan pada flowchart Gambar 7

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis rangkaian, maka dapat diambil kesimpulan dan saran sebagai berikut : 1. PLTMH dengan sistem beban komplemen, membutuhkan ketersediaan air  yang cukup melimpah, dan generator senantiasa terbebani penuh secara terusmenerus. 2. Dengan menggunakan pengontrol beban elektronik (ELC) sebagai pengganti governor pada PLTMH dan beban komplemen, maka selain sangat ekonomis juga konstruksi turbin menjadi lebih sederhana, karena tidak memerlukan pengaturan sudut. 3. Frekuensi sistem PLTMH 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. Arismunandar, A., dan Kuwahara, S., 2004. Teknik Tenaga Listrik Pembangkitan dengan Tenaga Air, Pradnya Paramitha, Jakarta. 2. Burr Brown, “Operational Amplifier : Design and Application”, McGraw Hill, Kogakusha Ltd., Revised Edition, 1975. 3. Busono,S., 2008. Pemanfaatan Teknologi Hidroelektrik Untuk Listrik Pedesaan Di Indonesia, IPTEK VOICE, Kementrian Negara Riset dan Teknologi, Jakarta. 4. Harry, S, “Konsep-Konsep Pengendalian Frekuensi Untuk PLTMH”, ITB, Bandung, 2000. 5. 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. 6. Muchlison, “Pengembangan Sumber Energi Mikrohidro di Indonesia”, Lokakarya ASEAN Energi Non Konvensional dan Terbarukan, Bandung, Desember, 1993. 7. Suryadi, Chamid, “Pengendali Elektronik Putaran Turbin”, Lokakarya PLTMH, PLN – PPMK, Jakarta, 1995.