Bukan sekedar mahasiswa biasa

BAB I PENDAHULUAN

1. A. Latar Belakang

Dewasa ini, penggunaan beban induktif di rumah tangga sudah semakin banyak. AC, komputer, mixer, blender, mesin cuci, dan lampu TL adalah sebagian contoh dari peralatan listrik rumah tangga yang bersifat induktif.  Sebagaimana kita tahu, beban yang bersifat induktif mengandung komponen daya reaktif yang berakibat mengurangi faktor daya.

Berkurangnya faktor daya ini dapat berimplikasi pada beberapa hal, yang pertama adalah turunnya nilai faktor daya membuat rating watt yang dapat digunakan oleh pelanggan juga turun dengan kapasitas VA yang sama. Hal tersebut membuat MCB di rumah lebih sering trip. Kedua, berkurangnya faktor daya juga membuat saluran distribusi tidak efisien. Semisal, saluran distribusi yang dapat menyalurkan daya aktif  20000 Watt, karena adanya penurunan faktor daya, kini hanya bisa menyalurkan daya aktif sebesar katakanlah 15000 watt. Jadi semula untuk menyuplai beban 60000 watt kita butuh 3 buah saluran distribusi, kini kita jadi membutuhkan 4 saluran distribusi. Ketiga, berkurangnya faktor daya yang berarti menunjukkan adanya daya VAR membuat pembangkit mengeluarkan energi lebih untuk menyuplai daya VAR.

Pada umumnya, besar VAR pada konsumen setiap konsumen rumah tangga tidak begitu besar. Namun, jumlah konsumen rumah tangga ini sangatlah besar. Hal tersebut membuat VAR total yang terjadi sangat besar. Pada table di bawah ini dapat dilihat jumlah konsumen rumah tangga di Indonesia.

Tabel 1. Perkembangan Jumlah Pelanggan (Juta Unit)

Jenis Pelanggan	2003	2004	2005	2006	2007
Rumah Tangga	29.998	31.096	32.175	33.118	34.685
Komersil	1.311	1.382	1.456	1.655	1.611
Publik	0,798	0,842	0,882	0,931	0,922
Industri	0,047	0,047	0,046	0,046	0,047
Total	32.151	33.336	34.559	35.751	37.334
Delta Pelanggan	1.197	1.215	1.193	1.192	1.583

Sumber : RUPTL 2009-2018

Untuk meningkatkan faktor daya dengan jalan mengompensasi VAR induktif, biasanya digunakan kapasitor dengan nilai tertentu yang tetap nilainya. Namun seringkali pemberian nilai tertentu ini kurang efektif. Konsumen senantiasa berubah-ubah kebutuhannya. Tidak setiap waktu pelanggan menyalakan peralatan listrik yang bersifat induktif tersebut. Waktu penggunaanya pun juga sering tidak sama. Hal itu berakibat pada berubah-ubahnya total beban induktif yang berimplikasi pada faktor daya yang digunakan bernilai tidak konstan. Bahkan, suatu kali berubahnya beban induktif ini bila perbaikan faktor daya menggunakan kapasitor yang digunakan bernilai tetap akan mengakibatkan beban bersifat leading. Untuk itu, dibutuhkan suatu alat yang digunakan untuk perbaikan faktor daya dengan jalan mengompensasi VAR yang adaptive terhadap perubahan daya yang digunakan oleh konsumen rumah tangga dengan harga terjangkau.

1. B. Rumusan Masalah
2. Bagaimana cara membuat alat untuk mengukur faktor daya suatu jaringan?
3. Bagaimana cara membuat alat untuk memperbaiki faktor daya secara adaptive dengan harga yang terjangkau oleh konsumen rumah tangga?

1. C. Tujuan Pembuatan Alat
2. Mengetahui cara membuat alat untuk mengukur faktor daya suatu jaringan.
3. Mengetahui cara membuat alat untuk memperbaiki faktor daya jaringan secara adaptive dengan harga yang terjangkau oleh konsumen rumah tangga.

1. D. Manfaat Pembuatan Alat

Bagi Pembuat Alat

1. Dapat meningkatkan kefahaman dalam menggunakan aplikasi komputer untuk mengatasi  masalah dalam Sistem Tenaga Listrik

Bagi Masyarakat Konsumen Rumah Tangga

1. Dapat menggunakan kapasitas VA terpasang di rumah tangga secara optimal
2. Tidak perlu mengeluarkan biaya tambahan untuk daya VAR yang dibeli bila pada suatu saat tidak lagi gratis.

Bagi PLN

1. Dapat mengoptimalkan kapasitas saluran secara optimal

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

1. A. Faktor Daya

Faktor daya dari suatu peralatan atau rangkaian arus AC sinusoidal murni adalah rasio daya aktif P terhadap daya semu S. Faktor daya diberikan oleh persamaan

Faktor daya diungkapkan dalam bilangan biasa maupun dalam persen.

Karena daya aktif P tidak pernah bisa melebihi daya semu S, faktor daya tidak bisa melebihi satu (100%).

Faktor daya dari suatu resistor murni adalah satu (100%) karena daya semu yang ditarik sama dengan daya aktifnya. Di sisi lain, faktor daya dari suatu koil ideal tanpa resistansi adalah nol, karena tidak menarik daya aktif. Jadi, nilai faktor daya berkisar dari nol sampai satu.

Gambar 1.

Gambar 2.

Faktor daya dari suatu rangkaian atau peralatan adalah suatu cara sederhana menyatakan seberapa besar bagian dari daya semu terpakai sebagai daya aktif. Untuk rangkaian fase tunggal, seperti yang banyak dijumpai pada konsumen rumah tangga, faktor daya juga menyatakan sudut beda fase antara tegangan dan arus. Jadi, berdasarkan gambar 1 yaitu diagram fasor tegangan dan arus, juga berdasarkan gambar 2 tentang segitiga daya,

θ adalah sudut beda fase antara tegangan dan arus. Dengan demikian, jika kita mengetahui beda fase antara tegangan dan arus, kita dapat mengetahui faktor dayanya. Faktor daya nol dan satu bersesuaian dengan sudut ±90˚ dan 0˚. Faktor daya dikatakan lagging jika arus tertinggal terhadap tegangan, dan sebaliknya, dikatakan leading jika arus mendahului tegangan.

Faktor daya lagging terjadi pada rangkaian atau peralatan yang sifatnya iduktif seperti mesin cuci, pompa air, kipas angin, kulkas, vacuum cleaner, dan peralatan yang menggunakan motor listrik.

Berdasarkan standar PLN, faktor daya yang diizinkan bagi konsumen rumah tangga adalah paling rendah 0.85 lagging.

Gambar 3.

Jika frekuensi gelombang listrik (tegangan maupun arus) adalah 50 Hz, berarti satu siklus penuh membutuhkan waktu 1/50 detik atau 0.02 detik. Dengan demikian, sudut beda fase antara arus dan tegangan sebesar ±90˚ dan 0˚ bersesuaian dengan beda waktu antara kedua puncak gelombang arus dan tegangan sebesar ±0.005 dan 0 detik. Secara umum, hubungan antara sudut beda fase dengan selisih waktu adalah

Jadi, untuk faktor daya 0.85 lagging, yang bersesuaian dengan sudut 31˚, sesuai dengan selisih waktu 17.7 milidetik.

1. B. Schmitt Trigger

Salah satu dari aplikasi komparator op-amp adalah mendeteksi ketika suatu tegangan input melebihi suatu level ambang. Ambang yang diinginkan dinyatakan dengan referensi DC, Vref, yang dihubungkan pada input noninverting, dan sumber tegangan input dihubungkan dengan input inverting sebagaimana gambar 4.

Gambar 4.

Di bawah kondisi ideal, untuk isyarat bebas derau, dan dengan slew rate yang tak terhingga, operasi dari rangkaian Schmitt trigger akan menjadi seperti digambarkan pada gambar 5.

Gambar 5.

Pada perancangan alat ini, kami menggunakan rangkaian Schmitt trigger dalam bentuk IC yaitu SN7414 yang diproduksi Texas Instruments. Gambar 6 memperlihatkan konfigurasi pin IC Hex Schmitt Trigger Inverter SN7414

Gambar 6.

Gambar 7 memperlihatkan hubungan antara kaki-kaki IC ini.

Gambar 7.

Setiap rangkaian tunggal di atas, misalnya 1A-1Y, berfungsi sebagai suatu inverter, tetapi karena aksi Schmitt triggering, ia mempunyai level ambang masukan yang berbeda untuk sinyal yang menuju nilai positif (V_T+) dan yang menuju nilai negatif (V_T-).

Gambar 8.

Rangkaian ini telah terkompensasi dari suhu dan dapat dipicu dari sinyal input ramp yang paling pelan dan masih memberikan sinyal output yang bersih dan bebas jitter.

SN7414 dirancang untuk beroperasi pada suhu 0˚ – 70˚C.

1. C. Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah suatu mikroprosesor plus. Mikrokontroler adalah otak dari suatu sistem elektronika seperti halnya mikroprosesor sebagai otak komputer. Nilai plus bagi mikrokontroler adalah terdapatnya memori dan Port I/O dalam suatu kemasan IC yang kompak. Kemampunannya yang dapat deprogram (programmable), fitur yang lengkap (Analog to Digital Converter internal, EEPROM internal, Port I/O, komunikasi serial, dll), dan juga harga yang terjangkau memungkinkan mikrokontroler digunakan pada berbagai sistem elektronis, seperti pada robot, automasi industri, sistem alarm, peralatan telekomunikasi, hingga peralatan rumah tangga.

Mikrokontroler yang digunakan dalam pembuatan alat ini adalah produksi Atmel dengan generasi AVR (Alf and Vegard’s RISC processor), yaitu AT Tiny 2313. Pertimbangan dalam memilih tipe mikrokontroler ini adalah fitur lengkap yang kompak dan tidak berlebih-lebihan, artinya sangat sesuai untuk dijadikan unit prosesor pada alat ini. Gambar 9 memperlihatkan konfigurasi pin AT Tiny 2313 untuk paket PDIP/SOIC.

Gambar 9.

Fitur-fitur yang dimiliki mikrokontroler AT Tiny 2313 adalah

1. Menggunakan arsitektur RISC AVR®.

Arsitektur RISC menawarkan unjuk kerja yang tinggi dengan kebutuhan daya yang rendah. Berkaitan dengan itu, AT Tiny 2313 mempunyai

• 120 instruksi yang powerful, kebanyakan di antaranya dieksekusi dalam satu siklus klok.
• 32×8 register general purpose
• Secara penuh menerapkan static operation
• Throughputnya dapat mencapai 20 MIPS (million instructions per second) pada 20 MHz

1. Menyediakan alokasi 2K bytes untuk data dan non-volatile program dan memori data

Memori sebesar 2K bytes tersebut mempunyai spesifikasi berikut

• 2K bytes memori menggunakan flash memory yang bersifat In-System Self Programmable dengan ketahanan 10000 kali siklus tulis/hapus.
• 128 bytes In-System Programmable EEPROM dengan ketahanan 100000 kali siklus tulis/hapus
• 128 bytes SRAM internal
• Fasilitas kunci program untuk program flash dan menawarkan keamanan data EEPROM

1. Fitur peripheral

• Satu timer/counter 8-bit dengan prescaler terpisah dan mode pembandingan
• Satu timer/counter 16-bit dengan prescaler terpisah dan mode pembandingan dan capture
• Empat kanal PWM
• Komparator analog on-chip
• Watchdog timer yang dapat deprogram dengan osilator on-chip
• USART full duplex

1. Fitur khusus

• Debugging on-chip menggunakan debugWIRE
• Pemrograman In-System melalui port SPI
• Sumber interupsi internal dan eksternal
• Mempunyai mode standby, power-down, dan low-power idle untuk menghemat energy
• Rangkaian reset power-on
• Rangkaian pendeteksi Brown-out yang dapat deprogram
• Osilator terkalibrasi internal

1. Paket I/O

• 18 buah saluran I/O yang dapat deprogram
• 20-pin PDIP, 20-pin SOIC, 20-pad QFN/MLF

1. Tegangan Operasi

• 2.7 – 5.5 V

1. Kecepatan

• 0 – 10 MHz pada 2.7 – 5.5 V
• 0 – 20 MHz pada 4,5 – 5.5 V

1. Konsumsi Daya

• Active Mode

1 MHz, 1.8V: 230 μA

32 kHz, 1.8V: 20 μA (termasuk osilator)

• Power-down Mode

< 0.1 μA at 1.8V

1. D. LCD

Liquid Crystal Display adalah sebuah panel datar untuk menampilkan informasi semisal teks, gambar, dan gambar bergerak secara elektronik.

LCD biasanya digunakan pada monitor komputer, televisi, panel instrumen, dan perlengkapan lain, mulai dari penampil pada kokpit, sampai pada peralatan yang kita gunakan sehari-hari seperti jam, kalkulator, dan telepon.

Salah satu jenis LCD yang saat ini ada adalah  LCD M1632. LCD M1362 adalah modul LCD dengan tampilan 16 X 2 baris dengan konsumsi daya rendah. Modul tersebut dilengkapi dengan mikrokontroller yang didesain khusus untuk mengendalikan LCD.

LCD yang kami gunakan dapat dilihat pada gambar 10 berikut. Untuk konfigurasi pin, kami lampirkan pada bagian akhir laporan.

Gambar 10.

1. E. Trafo Arus

Primer trafo arus dipasang seri dengan saluran arus beban, sedangkan perlengkapan ukur dihubungkan seri pda sekunder CT. Tegangan sekunder CT adalah hasilkali arus sekunder (A) dan impedans total di sekunder CT (ohm). Pada alat ini, CT yang digunakan memupunyai perbandingan 30000/1.

1. F. Trafo Tegangan

Sisi primer trafo tegangan duhubungkan melintang pada tegangan fase ke netral, seperti halnya pada trafo daya. Konstruksi trafo tegangan berbeda dengan trafo daya, karena dayanya hanya beberapa ratus VA maka pendinginnya tidak menjadi masalah.

1. G. Perangkat Lunak Eagle Layout Editor Versi 5.6.0

EAGLE, singkatan dari Easily Applicable Graphical Layout Editor, merupakan salah satu perangkat lunak bebas untuk membuat skematik dan layout PCB yang handal dan favorit. Ukurannya instalasi yang tidak terlalu besar, sekitar 86 MB untuk versi 5.6.0, juga menambah nilai plus perangkat lunak ini.

Gambar 11.

Setelah menggambar skematik seperti pada gambar 11. dari sebuah rangkaian elektronik kita bisa langsung mengubahnya  menjadi  layout PCB, hanya dengan beberapa klik dan drag, kita bisa mendapatkan gambar PCB yang sangat bagus seperti gambar 12.

Gambar 12.

Selain itu juga ada fasilitas auto route yang bisa mencari jalur PCB dengan otomatis.

Perangkat lunak ini bisa diunduh di http://www.cadsoft.com/.

1. H. Perangkat Lunak CodeVisionAVR C Compiler

Perangkat lunak CodeVisionAVR adalah suatu tools untuk membantu developer sistem elektronika dalam membuat program mikrokontroller dalam bahasa C. Bahasa C digunakan karena lebih mudah daripada bahasa assembly. Gambar 13 memperlihatkan tampilan  pembuatan program dalam bahasa C untuk alat ini.

Gambar 13.

BAB III PEMBAHASAN

1. A. Metode/Cara Kerja Alat

Berikut akan diuraikan metode yang akan digunakan dalam alat pengoreksi faktor daya otomatis ini:

Y

Keterangan

1. Maksud dari memperkecil magnitude tegangan masukan (dari PLN) dengan PT dan arus dengan CT adalah bertujuan agar tegangan yang masuk ke peralatan menjadi kecil dan tidak merusak peralatan tersebut. Namun, informasi tentang fase tegangan maupun arus tidak rusak pada langkah ini. Fase tegangan dan arus adalah informasi terpenting yang dibutuhkan oleh alat ini untuk menentukan besar faktor daya.
2. Maksud dari mengubah gelombang tegangan menjadi gelombang kotak menggunakan Schmitt trigger adalah mengubah gelombang tegangan dan arus keluaran PT dan CT dari berbentuk sinusoidal menjadi gelombang kotak. Masukan arus harus diubah dulu menjadi tegangan karena mikrokontroler tidak bisa diberi input arus.

Gambar 14.

1. Kedua pulsa yang dihasilkan pada langkah nomor 2 dimasukkan ke dalam pin-pin masukan mikrokontroler AT Tiny 2313, yaitu yang mengangani interupsi eksternal. mikrokontroller tersebut telah diisi program yang mampu menghitung beda fase antara kedua pulsa yang membawa informasi tentang fase tegangan dan fase arus, sehingga didapatlah beda fase antara arus dan tegangan saluran
2. Berdasarkan beda fase yang dihitung pada langkah nomor 4, melalui program yang di dalamnya itu telah ditentukan sebelumnya nilai faktor daya yang  diinginkan, mikrokontroller menghitung berapa banyak kapasitor yang harus disambung atau  dilepas, kemudian ia membangkitkan isyarat-isyarat kendali pada pin-pin keluarannya untuk mengatur pemasangan atau pelepasan kapasitor pada bank kapasitor yang terhubung paralel ke jaringan, sehingga sistem ini adalah sistem tertutup (ber-umpan-balik)

1. B. Alat dan Bahan

Dalam membangun rangkaian ini, komponen elektronika dan bahan-bahan yang dibutuhkan adalah

1. Terminal block 3 port, 1 buah
2. Terminal block 2 port, 5 buah
3. Current transformer, 1 buah
4. Potential transformer with center tap, 1 buah
5. Jumper, secukupnya
6. Dioda 1N4007, 10 buah
7. IC regulator tegangan LM7805, 1 buah
8. Kapasitor elco 1000 μF, 2 buah
9. Kapasitor elco 470 μF, 1 buah

10.  Resistor 2k2Ω, 3 buah

11.  LED hijau, 1 buah

12.  IC Schmitt trigger 7414, 1 buah

13.  Resistor 10 kΩ, 1 buah

14.  Resistor 1 kΩ, 1 buah

15.  Dioda zener 5,1 V, 1 buah

16.  Kapasitor keramik 22 pF, 2 buah

17.  Kristal 12 MHz, 1 buah

18.  IC mikrokontroler AT Tiny 2313, 1 buah

19.  Pin pager, panjang 29 pin

20.  Soket sisir, panjang 8 pin

21.  LCD

22.  Resistor 56 kΩ, 3 buah

23.  Rele 12VDC

24.  Kapasitor Daya 3,25 μF/400V, 3 buah

25.  Kabel pelangi lebar 10,

1. C. Skematik

Gambar 15 berikut adalah skematik rangkaian “Pengoreksi Faktor Daya Adaptif untuk Konsumen Residensial”, yang dibuat dengan software Eagle Layout Editor 5.6.0.

Gambar 15.

1. D. Timeline Pengerjaan Alat

No	Jenis Pekerjaan	Minggu ke
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1.	Merancang Rangkaian dan Skematiknya
2.	Membuat Program
3.	Membuat Lay Out PCB
4.	Merangkai rangakain pada PCB
5.	Uji Coba Alat
6.	Pembuatan Laporan

BAB IV ANALISIS HASIL PENGUJIAN

1. A. Metode Pengujian

Untuk pengujian, alat ini harus dihubungkan ke beban yang sesuai, yaitu dalam skala rumah tangga, yang dalam kasus khusus untuk prototype alat ini, adalah 900 VA. Namun demikian, kami tidak melakukan pengujian secara langsung seperti itu, melainkan dengan mensimulasikan beban dengan menggunakan 3 buah lampu SL Phillips 14 W. Gambar 16 menunjukkan skema pengujian yang kami lakukan.

Gambar 16.

1. B. Hasil Pengujian dan Kendala

Setelah alat ini diuji, pertama-tama penampil LCD dapat menampilkan keluaran berupa tulisan “mega aplikom”, sebagaimana dapat dilihat pada gambar 17. Namun, ketika hendak diuji lagi, alat ini megalamai error, tidak bisa menampilkan keluaran yang diharapkan pada LCD. Padahal keluaran tersebut sangat penting untuk mengetahui apakah alat bekerja dengan baik dalam menghitung faktor daya beban.

Gambar 17

Alasan terjadinya error tersebut kemungkinan besar adalah kerusakan pada mikrokontrolernya. Memang, mikrokontroler AT Tiny 2313 ini dikenal cukup rentan terhadap kerusakan. Kami akhirnya mencoba mengganti dengan yang baru dan sempat berhasil deprogram ulang. Namun, akhirnya, pada uji coba berikutnya, alat ini mengalami kerusakan yang sama, dan penyebabnya diyakini masih pada mikrokontrolernya.

Di samping itu, koil pengatur on/off kapasitor bekerja dengan baik ketika alat dihidupkan, artinya mampu menghidupkan kapsitor begitu arus dan tegangan dimasukkan. Padahal, tegangan pengendali koil harus pada 5V, yang berasal dari tegangan output pin yang bersesuaian pada mikrokontroler, yang pada penjelasan di atas, diduga mengalami kerusakan. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: tegangan inisial pada mikrokontroler memang sudah diset pada 5V, tanpa campur tangan program di dalamya, sehingga koil sudah dapat beroperasi tanpa kendali dari program.

Gambar 18 memperlihatkan hasil akhir rangkaian alat “pengoreksi faktor daya adaptif”.

Gambar 18

Kendala-kendala yang kami hadapi dalam membangun rangkaian “pengoreksi faktor daya adaptif” ini antara lain:

1. 1. Keterbatasan memory AT Tiny 2313

Dalam pemrograman ternyata hanya memiliki program memori 2 K, sangat minim. Penulis mengira memory tersebut cukup. Ternyata tidak, karena keterbatasan memori tersebut program yang dibuat tidak bisa lengkap fiturnya.

Tampak pada flow chart ada beberapa fitur yang perlu ditambahkan pada program yang belum masuk. Salah satunya adalah fitur yang menghentikan program apabila faktor daya mulai lead. Faktor daya lead juga bisa membuat dt(dalam perhitungan pda program) lebih dari 26 dan bila kapasitor diaktifkan, maka faktor daya akan semakin leading(buruk).

Dari flow chart ketika di rubah menjadi source code telah menghabiskan 99% dari program memory sehingga tidak memungkinkan untuk menambah fitur tambahan karena keterbatasan memory, seperti ditunjukkan pada gambar 19. Ternyata AT Tiny 2313 kurang bisa mengakomodir kebutuhan.

Gambar 19

1. 2. Rating CT yang tidak memiliki datasheet yang jelas

CT yang digunakan adalah CT yang bukan pakem dari pabrik (hasil rekayasa dari toko). Oleh karena itu sukar diketahui daerah linear dan nilai tranformasinya. Nilai tranformasi diukur manual di laboratorium Dasar Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Gajah Mada dan didapat nilai tranformasinya 30.000:1. Itu pun belum tidak diketahui apakah pada saat itu trafo bekerja dalam keadaan linear atau tidak. Tapi kenyataannya dalam pembuatan alat ini hasil pengujian transformasi ini dianggap linear dan dijadikan dasar perancangan.

1. 3. AT Tiny 2313 yang rentan akan kerusakan

Memang belum ada penelitian khusus yang membuktikannya, tapi menurut pengalaman teman-teman di EEIC (Electrical Engineering Innovation Center) AT Tiny sering mengalami kerusakan. Dan karena itulah dalam pembuatan alat ini sampai menganti mikro sebanyak 2 kali. Dalam penggantian itu, hanya satu kali mikro bekerja sesuai yang diinginkan.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

KESIMPULAN

1. Mengukur faktor daya dapat dilakukan dengan mengukur selisih gelombang dari arus dan tegangan
2. Untuk membuat alat yang adaptif digunakan mikrokontrolleragar bisa mengukur faktor daya tersebut secara real time sehingga kita bisa mengubah-ubah jmlah kapasitor yang digunakan

SARAN

1. Alat ini mungkin baru sebatas prototype yang masih bisa dikembangkan lagi menjadi lebih baik
2. Menggunakan mikrokontroller  yang kapasitas memorinya lebih besar disbanding yang kami gunakan.
3. Menambah jumlah kapasitor dengan ukuran yang kecil-kecil sehingga akan lebih responsive terhadap perubahan faktor daya