10

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Gagasan dan ide penyusun tentang Tugas Akhir ini atas dasar observasi

yang penyusun lakukan saat melaksanakan Kerja Praktik di PT PLN (Persero)

TJBT APP Semarang Basecamp Semarang. Penyusun mendapatkan banyak

pengetahuan mengenai sistem transmisi tenaga listrik. Penyusun kemudian

berkeinginan melakukan pembahasan mengenai sistem proteksi yang terdapat

pada jaringan tegangan tinggi konfigurasi double busbar terutama pada relai

diferensial yang diaplikasikan sebagai proteksi transformator. Berikut ada

beberapa kutipan pokok dalam beberapa jurnal atau karya tulis lain.

Pada transformator daya 10 MVA 70/20 KV mempunyai arus nominal (IN) pada

sisi primer adalah 82.5 A dan pada sisi sekunder 289 A. yang akan berubah jika

terjadi gangguan hubung singkat tiga fasa yaitu sebesar 873.65 A pada sisi primer

dan 3042.01 pada sisi sekunder. Selisih arus seting pada rele differensial pada

transformator daya di gardu induk talang ratu adalah mendekati nol, dengan

demikian rating in pada rele diset menjadi 1 A. Ketika terjadi ganguan hubung

singkat dengan arus yang sebesar itu makan rele differensial ini akan bekerja

untuk mengamankan transformator daya[1]

. Relai diferensial digunakan sebagai

pengaman utama pada transformator terhadap gangguan, baik dari dalam

transformator maupun daerah sekitarnya yang masih dalam zona pengamanan

relai tersebut. Digunakannya relai diferensial sebagai proteksi transformator

karena relai diferensial adalah proteksi unit dengan tingkat sensitivitas dan

11

selektivitas yang sangat tinggi. Prinsip kerja relai diferensial berdasarkan

keseimbangan arus, di mana relai akan bereaksi jika dua atau lebih besaran listrik

yang sama pada wilayah kerja relai mempunyai nilai yang lebih besar dari nilai

yang telah ditentukan (setting value) [2]

. Penelitian ini menggunakan metode

sekunder yang bekerja sama dengan PLN Rembang dan Gardu Induk di PT.

Semen Merah Putih Indonesia Rembang Jawa Tengah sebagai sumber data serta

didukung dengan jurnal-jurnal yang sesuai dengan penelitian yang sedang

dilakukan. Data yang diperoleh dari sumber terlebih dahulu diseleksi sesuai

kebutuhan kemudian diolah menggunakan perhitungan manual. Perhitungan yang

digunakan meliputi nilai arus nominal, arus rating, arus sekunder pada CT, arus

differensial, arus restrain, setting kecuraman, arus setting, nilai rasio current

transformer (CT), error mismatch dan gangguan pada trafo daya[3]

.

Persamaan dari ketiga referensi tersebut dengan laporan tugas akhir

penulis adalah membahas mengenai rele diferensial sebagai proteksi pada

transformator tenaga. Perbedaan laporan tugas akhir ini dengan laporan tugas

akhir yang dijadikan referensi adalah penulis akan membahas relai diferensial

yang diaplikasikan sebagai proteksi transformator pada gardu induk tegangan

tinggi konfigurasi double busbar . Meskipun bay trafo pada tegangan ekstra tinggi

dan tegangan tinggi memiliki konfigurasi sistem yang sama, namun tegangan

yang digunakan berbeda. Tegangan Ekstra Tinggi menggunakan tegangan 500

KV dan menggunakan konfigurasi satu setengah circuit breaker sedangkan

Tegangan Tinggi menggunakan tegangan 150 KV atau 70 KV. Pada pembahasan

12

kali ini penulis akan menggunakan sistem 150 KV yang akan di simulasikan pada

tegangan 220 VAC.

Proteksi pada Tegangan Ekstra Tinggi menggunakan pola duplikasi

proteksi, artinya memiliki dua buah proteksi utama yaitu Diferensial utama 1,

Diferensial utama 2, Restricted Earth Fault (REF) 1 , dan Restricted Earth Fault

(REF) 2. Fungsi dari transformator tenaganya juga berbeda, apabila di tegangan

ekstra tegangan tinggi trafo berfungsi sebagai penyalur tenaga untuk gardu induk

tegangan ekstra tinggi lainnya dan menurunkan tegangan dari tegangan 500 KV

ke tegangan 150KV. Sementara pada Tegangan Tinggi hanya menggunakan pola

proteksi utama dan cadangan, pola proteksi utama menggunakan Rele Diferensial

dan rele gangguan ke tanah Restricted Earth Fault (REF). Fungsi trafo tenaga di

tegangan tinggi digunakan untuk menurunkan tegangan tinggi 150 KV ke

tegangan rendah 20KV . Penulis juga melakukan inovasi dengan membuat alat

simulasi relai diferensial sebagai proteksi transformator menggunakan prinsip

kerja seperti relai yang ada di lapangan, namun hanya mensimulasikan satu fasa

yang mewakili tiga fasa sistem sesungguhnya dengan nilai arus yang jauh lebih

kecil.

Dalam laporan Tugas Akhir ini penulis tidak membahas analisa setting

yang digunakan pada sistem asli, namun hanya membahas simulasi gangguan

internal dan eksternal yang disebabkan hubung singkat. Alasan pembuatan alat

simulasi tersebut terutama karena pembelajaran hanya dengan teori saja masih

cukup sulit sehingga dibuat alat simulasi untuk menggambarkan kerja relai

diferensial sebagai proteksi transformator tegangan tinggi.

13

2.2 Sistem Ketenagalistrikan

Secara umum sistem tenaga listrik dapat dikatakan terdiri dari tiga bagian

utama, yaitu: pembangkit tenaga listrik, penyaluran tenaga listrik, dan distribusi

tenaga listrik. Sistem tenaga listrik modern merupakan sistem yang komplek yang

terdiri dari pusat pembangkit, saluran transmisi dan jaringan distribusi yang

berfungsi untuk menyalurkan daya dari pusat pembangkit ke pusat beban. Untuk

memenuhi tujuan operasi sistem tenaga listrik, ketiga bagian yaitu pembangkit,

penyaluran dan distribusi tersebut satu dengan yang lainnya tidak dapat

dipisahkan seperti terlihat pada gambar 2-1.

Gambar 2-1 Sistem Ketenagalistrikan[4]

Pembangkitan adalah proses dimana listrik diciptakan, listrik adalah suatu

energi dimana energi hanya bisa dirubah, bisa dari energi apapun contohnya

adalah PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air) dari energi air, PLTU (Pembangkit

Listrik Tenaga Uap) dari uap panas, PLTP (Pembangkit Listrik Tenaga Panas

Bumi). Prinsip pembangkitan energi listrik pada dasarnya energi yang akan

dirubah menjadi energi listrik dipakai untuk memutar turbin yang terhubung

14

dengan generator, dalam generator ada kumparan dan magnet digerakkan oleh

turbin yang bergerak oleh energi primer, menghasilkan elektromagnetik yang

akan menghasilkan listrik. Tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator

pembangkit listrik sekitar 12 KV – 20 KV dan disalurkan ke Transmisi, sebelum

masuk ke Transmisi tegangan di naikkan oleh Trafo Step Up[4]

.

Transmisi adalah proses penyaluran listrik dari pembangkitan ke distribusi

listrik. Standar tegangan pada sistem transmisi di Indonesia diklasifikasikan

sebagai tegangan ekstra tinggi (TET) yaitu dengan tegangan 500 KV untuk

penyaluran tegangan tinggi (TT) dengan tegangan 150 KV dan 70 KV yang

diturunkan untuk distribusi [4]

. Namun, penggunaan tegangan tinggi 70 KV

kebanyakan berada di wilayah Jawa Timur, di wilayah Jawa Tengah jarang

ditemui pemakaian sistem tegangan tinggi 70 KV . Tujuan tegangan dinaikan dari

pembangkitan adalah agar dapat meminimalisir rugi-rugi daya dan drop tegangan,

karena penyaluran pasti melalui jalur yang panjang, semakin panjang jalur maka

akan semakin berpengaruh pada rugi daya jika tegangan tidak dinaikan. Contoh

konsumen pemakai supply langsung dari tegangan tinggi seperti pabrik semen

maupun industri besar .

Distribusi adalah proses penyaluran dari transmisi hingga ke konsumen,

Distribusi terbagi menjadi distribusi primer dan distribusi sekunder. Distribusi

primer adalah penyaluran listrik dari transmisi yang telah diturunkan tegangannya

oleh trafo step-down menjadi 20 KV yang diklasifikasikan sebagai tegangan

menengah (TM), dan disalurkan melalui penyulang-penyulang (feeder) . Contoh

konsumen pemakai jaringan tegangan menengah (TM) adalah untuk bisnis seperti

15

mall, hotel maupun industri menengah . Sebelum masuk ke Distribusi sekunder

listrik akan diturunkan lagi tegangannya oleh trafo step-down menjadi tegangan

pakai. Distribusi sekunder adalah saluran dari trafo step-down distribusi hingga ke

kWh pelanggan untuk rumah tangga dan kantor, tegangan pada distribusi

sekunder adalah tegangan pakai yaitu 380/220 Volt yang diklasifikasikan sebagai

tegangan rendah (TR).

Pada laporan tugas akhir ini penulis lebih fokus pada sistem penyaluran

atau transmisi tenaga listrik. Sistem transmisi terdiri dari saluran transmisi, gardu

induk, dan pengaturan beban. Saluran transmisi berdasarkan pemasangannya,

dibagi menjadi :

1) Saluran Udara (Overhead Lines), saluran transmisi yang menyalurkan

energi listrik melalui kawat-kawat yang digantung pada isolator antara

menara atau tiang transmisi. Kelemahan dari saluran udara ini adalah

terkendala cuaca, gangguan yang ditimbulkan juga sering terjadi akibar dari

petir, pohon yang tumbang, layang-layang, burung yang hinggap dan masih

banyak lagi.

2) Saluran kabel bawah tanah (underground cable), saluran transmisi yang

menyalurkanm energi listrik melalui kabel yang dipendam didalam tanah.

Biasanya di pasang pada daerah perkotaan yang padat penduduk. Contoh

pemakaian saluran kabel bawah tanah adalah Gardu Induk Simpang Lima

150 KV.

16

2.3 Gardu Induk

Gardu Induk sebagai salah satu komponen pada sistem penyaluran

tenaga listrik memegang peranan yang sangat penting karena merupakan

penghubung pelayanan tenaga listrik ke konsumen [5]

. Menurut penulis Gardu

induk adalah unit pusat beban yang merupakan gabungan dari transformer dan

rangkaian switchgear yang tergabung dalamsatu kesatuan melalui sistem kontrol

yang saling mendukung untuk keperluan operasional. Pada dasarnya gardu induk

bekerja mengubah tegangan yang dibangkitkan oleh pusat pembangkit tenaga

listrik menjaditenaga listrik menjadi tegangan tinggi atau tegangan transmisi

dansebaliknya mengubah tegangan menengah atau tegangan distribusi.

Gardu Induk juga merupakan sub sistem dari sistem penyaluran

(transmisi) tenaga listrik, atau merupakan satu kesatuan dari sistem penyaluran

(transmisi). Penyaluran (transmisi) merupakan sub sistem dari sistem tenaga

listrik.Berarti, gardu induk merupakan sub-sub sistem dari sistem tenaga

listrik. Sebagai sub sistem dari sistem penyaluran (transmisi), gardu induk

mempunyai peranan penting, dalam pengoperasiannya tidak dapat dipisahkan dari

sistem penyaluran (transmisi) secara keseluruhan. Pengaturan daya ke gardu-

gardu induk lainnya melalui tegangan tinggi dan gardu-gardu induk distribusi

melalui feeder tegangan menengah.

Dalam Tugas Akhir ini lebih membahas tentang peralatan pada Gardu

Induk Tegangan Tinggi yang memiliki tegangan 150 kV dengan konfigurasi

double busbar. Hal tersebut bertujuan untuk meningkatkan keandalan sistem

17

penyaluran tenaga listrik, karena sistem double busbar mempunyai keuntungan

sangat efektif untuk mengurangi terjadinya pemadaman beban, khususnya

melakukan perubahan sistem (maneuver system) pada saat pemeliharaan . Gambar

2-2 dibawah ini merupakan Gardu Induk Krapyak 150/20 KV dengan Konfigurasi

double busbar.

Gambar 2-2 Gardu Induk Krapyak 150/20kV konfigurasi double busbar

(Sumber : GI Krapyak,diambil tanggal 14 Maret 2018)

Gardu induk adalah suatu instalasi yang terdiri dari peralatan listrik yang

berfungsi untuk[5]

:

1) Mentransformasikan daya listrik :

a. Dari tegangan ekstra tinggi ke tegangan tinggi (500 KV/150 KV).

b. Dari tegangan tinggi ke tegangan yang lebih rendah (150 KV/ 70 KV).

c. Dari tegangan tinggi ke tegangan menengah (150 KV/ 20 KV, 70

18

KV/20 KV).

d. Dengan frequensi tetap (di Indonesia 50/60 Hertz).

2) Untuk pengukuran, pengawasan operasi serta pengamanan dari system

tenaga listrik.

3) Pengaturan pelayanan beban ke gardu induk-gardu induk lain melalui

tegangan tinggi dan ke gardu distribusi-gardu distribusi, setelah melalui

proses penurunan tegangan melalui penyulang-penyulang (feeder- feeder)

tegangan menengah yang ada di gardu induk.

4) Untuk sarana telekomunikasi (pada umumnya untuk internal PLN), yang

kita kenal dengan istilah SCADA.

Gambar 2-3 Single Line Gardu Induk Sistem Double Busbar[6]

Peralatan gardu induk dalam sistem double busbar adalah sebagai berikut :

1) Busbar atau Rel

PMT PHT

CT

PT

LA

CT

PT

LA

CT

PT LA

Rel I

Rel II

PMS Rel

PMS Line

PMT KOPPEL

19

Merupakan titik pertemuan/hubungan antara trafo – trafo tenaga,

Saluran Udara TT, Saluran Kabel TT dan peralatan listrik lainnya untuk

menerima dan menyalurkan tenaga listrik/daya listrik[6]

2) Pemutus Tenaga (PMT) atau Circuit Breaker (CB)

Sedangkan definisi PMT berdasarkan IEEE C37.100:1992 (Standard

definitions for power switchgear) adalah merupakan peralatan saklar/

switching mekanis, yang mampu menutup, mengalirkan dan memutus arus

beban dalam kondisi normal sesuai dengan ratingnya serta mampu menutup,

mengalirkan (dalam periode waktu tertentu) dan memutus arus beban dalam

spesifik kondisi abnormal/gangguan sesuai dengan ratingnya)[6]

. Fungsi

utamanya adalah sebagai alat pembuka atau penutup suatu rangkaian listrik

dalam kondisi berbeban, serta mampu membuka atau menutup saat terjadi

arus gangguan (hubung singkat) pada jaringan atau peralatann lain.PMT

menjadi salah satu perangkat sistem proteksi yang bekerja apabila

mendapatkan trigger dari master trip yang diteruskan melalui tripping coil

PMT jika terjadi gangguan yang dibaca oleh rele proteksi.

Untuk menggerakkan PMT, perlu adanya suatu mekanik penggerak

yang di supply oleh sumber dc 110volt.Berdasarkan mekanik penggeraknya,

PMT dibagi menjadi :

a. PMT Single Pole : pada PMT jenis ini menggunakan mekanik

penggerak pada masing-masing fasa agar pada saat terjadi gangguan

20

PMT dapat reclose satu fasa. Penempatan PMT ini biasanya pada bay

penghantar.

Gambar 2-4 PMT Dengan Mekanik Penggerak Single Pole [6]

Keterangan :

1. Pondasi

2. Kerangka (structure)

3. Mekanik Penggerak

4. Isolator Support

5. Ruang Pemutus

6. a.Terminal Utama Atas

b.Terminal Utama Bawah

7. Lemari control lokal

8. Pentanahan/grounding

21

b. PMT Three Pole : pada PMT jenis ini menggunakan mekanik

penggerak yang menghubungkan antar satu fasa dengan fasa lainnya,

dilengkapi dengan kopel mekanik. Penempatan PMT jenis ini yaitu

pada bay trafo, bay kople, dan PMT pada kubikel 20 KV .

Gambar 2-5 PMT Dengan Mekanik Penggerak Three Pole[6]

Keterangan :

1. Pondasi

2. Kerangka (stucture)

3. Mekanik Penggerak

4. Isolator support

5. Ruang Pemutus

6. 6a. Terminal Utama Atas

6b. Terminal Utama Bawah

7. Lemari kontrol lokal

22

8. Pentanahan (grounding)

9. Pipa gas SF6 dan jalur kabel kontrol

3) Pemisah/PMS (Disconnecting Switch/DS)

Disconnecting switch atau pemisah (PMS) suatu peralatan sistem tenaga

listrik yang berfungsi sebagai saklar pemisah rangkaian listrik dalam kondisi

bertegangan atau tidak bertegangan tanpa arus beban. Ada dua macam fungsi

PMS, yaitu:

Pemisah Rel/Bus: berfungsi untuk memisahkan peralatan listrik dari peralatan lain

atau instalasi lain yang bertegangan. PMS ini boleh dibuka atau ditutup hanya

pada rangkaian jaringan yang tidak berbeban. Pemisah ini terletak berdekatan

dengan rel/bus , fungsinya adalah menyambung dan memutuskan tegangan yang

akan dipakai oleh sistem, jika memakai sistem bus 1 maka pms yang terhubung

adalah pms rel 1 [6]

. Pemisah ini mempermudah pengamanan pekerja pada saat

dilakukannya pemeliharaan.

Gambar 2-6 Pemisah Dengan Konstruksi Lengan Ganda[6]

23

Keterangan :

1) Rangka Pendukung

2) Penggerak Mekanik

3) Pemutar

4) Isolator

5) Lengan Pemisah

6) Kontak

7) Sela Pelindung

8) Sakelar Pembumian

9) Terminal

4) Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan

mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik

yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi

elektromagnetik[6]

.

Pengertian transformator menurut Buku Pedoman Transformator Tenaga

PT.PLN(Pesero), trafo merupakan peralatan statis dimana rangkaian magnetik dan

belitan yang terdiri dari 2 atau lebih belitan, secara induksi elektromagnetik,

mentransformasikan daya (arus dan tegangan) sistem AC ke sistem arus dan

tegangan lain pada frekuensi yang sama (IEC 60076 -1 tahun 2011). Trafo

menggunakan prinsip elektromagnetik yaitu hukum hukum ampere dan induksi

faraday, dimana perubahan arus atau medan listrik dapat membangkitkan medan

magnet dan perubahan medan magnet / fluks medan magnet dapat

24

membangkitkan tegangan induksi.

Menurut Prof.Dr.Zuhal M.Sc.EE pengertian transformator adalah suatu alat

listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih

rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet

berdasarkan prinsip induksi-elektromagnetik.

Dari definisi transformator diatas, maka pengertian transformator adalah

suatu peralatan yang terdiri dari lempengan besi dan belitan berfungsi untuk

mengubah tegangan listrik dari tegangan listrik bolak-balik menjadi lebih tinggi

ataupun rendah dengan menggunakan induksi elektromagnetik pada frekuensi

yang tetap.

Gambar 2-7 Prinsip Hukum Elektromagnetik[7]

Trafo terdiri atas inti besi dengan kumparan-kumparan yang ada di sisi primer

dan sisi sekunder. Prinsip kerja trafo berdasarkan hukum Faraday yang berbunyi

“ Setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya

gerak listrik (GGL) Induksi yang sebanding dengan laju perubahan fluks” .

25

Jika pada salah satu kumparan diberi arus bolak-balik yang mengalir pada

inti besi, maka jumlah garis gaya magnet berubah-ubah. Maka timbulah induksi di

sisi primer, begitu pula pada sisi sekunder jika diberi arus bolak-balik, akibatnya

kedua ujung terdapat beda tegangan dan timbul gaya gerak listrik. Besar tegangan

keluaran (GGL) dari sebuah transformator, nilainya berbanding lurus dengan

besar perubahan fluks pada saat terjadi induksi. Jika kumparan primer suatu

transformator dihubungkan ke sumber tegangan bolak balik, sementara kumparan

sekunder dalam keadaan tidak dibebani, maka di kumparan primer mengalir arus

yang disebut dengan arus beban nol (Io). Arus ini akan membangkitkan fluks

bolak-balik pada inti. Fluks bolak-balik ini dilingkupi oleh kumparan primer dan

kumparan sekunder, sehingga pada kedua kumparan timbul gaya gerak listrik

yang besarnya

E1 = 4.44.N1.f1. ............................................................................ (persamaan2-1)

E2 = - 4.44.N2.f2.

Pada persamaan di atas diketahui bahwa:

E1= Gaya gerak listrik pada kumparan primer (Volt)

E2= Gaya gerak listrik pada kumparan sekunder (Volt)

N1= Jumlah belitan kumparan primer

N2= Jumlah belitan kumparan sekunder

f = frekuensi tegangan sumber (Hz), dan

= fluks magnetik pada inti (weber)

Sehingga, didapat rumus :

26

=

............................................................ (persamaan2-2)

Dengan mengabaikan rugi-rugi tahanan dan adanya fluks bocor,maka

perbandingan transformasinya adalah ,

a =

..................................................................... (persamaan 2-3)

Apabila kumparan sekunder dihubungkan dengan beban ZL, I2 mengalir

pada kumparan sekunder sebesar I2=V2/ZL. Arus beban I2 ini akan

menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) N2I2 yang cenderung menentang

fluks yang ada akibat arus pemagnetan (IM). Agar fluks tidak berubah

nilainya, maka pada kumparan primer harus mengalir arus sebesar I1 = I0 +

I2. Sehingga berlaku hubungan :

=

..................................................................... (persamaan 2-4)

Jadi, ggl induksi di masing-masing kumparan berbanding lurus dengan jumlah

lilitan. Kuat arus di masing-masing kumparan berbanding dengan jumlah lilitan.

Apabila dan termasuk dalam transformator step up

(penaik tegangan) , dan apabila dan termasuk dalam

transformator step down (penurun tegangan)

Macam-macam jenis transformator :

a. Transformator Tenaga

27

Transformator tenaga mentransformasikan daya (arus dan tegangan) sistem

AC ke sistem arus dan tegangan lain pada frekuensi yang sama[10]

. Dalam

sistem transmisi transformator berfungsi untuk menaikkan (trafo step up)

tegangan dari pembangkit untuk disalurkan kepada gardu induk lain melalui

saluran udara tegangan ekstra tinggi, saluran udara tinggi, maupun melalui

saluran kabel tegangan tinggi. Trafo tenaga juga berfungsi sebagai penurun

tegangan (step down) dari saluran transmisi kemudian ditransformasikan ke

saluran distribusi.

Gambar 2-8 Konstruksi Trafo Tenaga[10]

Keterangan :

1. Kumparan Tegangan Tinggi

2. Kumparan Tegangan Rendah

3. Inti

4. Minyak Isolasi

5. Tangki Baja

6. Bushing Tegangan Rendah

7. Bushing Tegangan Tinggi

28

b. Transformator Distribusi

Prinsip kerja transformasi distribusi sama dengan transformasi tenaga, yaitu

mentransformasikan tegangan dari tegangan tinggi ke tegangan rendah,

namun transformasi distribusi menggunakan daya yang lebih rendah.

Transformator distribusi digunakan untuk membagi/menyalurkan arus atau

energi listrik dengan tegangan distribusi supaya jumlah energi yangtercecer

dan hilang sia-sia diperjalanan tidak terlalu banyak [10]

. Daya keluaran dari

transformator tenaga akan diturunkan sehingga energi listrik dapat

digunakan oleh masyarakat .

Gambar 2-9 Konstruksi Trafo Distrbusi[10]

Trafo distribusi memiliki konstruksi peralatan yang hampir sama dengan

trafo tenaga, bedanya adalah penempatannya. Jika trafo tenaga berada di

29

pusat pembangkit dan gardu induk, trafo distribusi berada di tiang-tiang

penyangga saluran udara tenaga listrik.

c. Transformator Instrumen/Pengukuran

Untuk proses pengukuran di Gardu Induk diperlukan trafo instrumen, yang

terdiri dari :

• Transformator Tegangan (Potential Transformer/PT) atau Transformator

Kapasitif Tegangan (Capasitif Voltage Transformert/CVT), adalah Trafo

tegangan adalah peralatan yang mentransformasi tegangan sistem yang lebih

tinggi ke suatu tegangan sistem yang lebih rendah untuk kebutuhan proteksi

dan pengukuran sehingga tegangan yang mengalir dalam sistem dapat

diukur menggunakan voltmeter dengan ketelitian yang akurat[7]

.

Dengan mengetahui dan melalui perbandingan transformasi diatas,

membaca , serta mengganggap transformator ideal, maka tegangan

adalah :

x = x atau,

x ....................................................................... (persamaan 2-5)

Sehingga dari rumus dapat disimpulkan, bahwa antara tegangan dan jumlah

belitan di transformator tegangan sebanding, apabila di kumparan primer

memiliki tegangan yang besar, maka jumlah lilitannya juga banyak.

30

Gambar 2-10 Bagian Utama Trafo Tegangan[7]

• Trafo Arus (Current Transformator - CT) yaitu peralatan yang digunakan

untuk melakukan pengukuran besaran arus pada intalasi tenaga listrik

disisi primer (TET, TT dan TM) yang berskala besar dengan melakukan

transformasi dari besaran arus yang besar menjadi besaran arus yang kecil

secara akurat dan teliti untuk keperluan pengukuran dan proteksi [7]

.

-

Gambar 2-11 Bagian Utama Trafo Arus[7]

Prinsip kerja transformator arus adalah jika ada arus mengalir pada sisi

primer ( ) maka pada kumparan primer akan mengalir gaya gerak listik sebesar

x . Gaya gerak magnet ini memproduksi fluks pada inti. Fluks ini

membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder .

Jika terminal kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder

mengalir arus . Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet x , pada kumparan

31

sekunder. Bila pada trafo arus tidak ada rugi-rugi daya (trafo ideal), maka berlaku

persamaan yang didapat dari rumus perbandingan trafo (2.4) :

x = x , atau

=

................................................................... (persamaan 2-6)

2.4. Prinsip Kerja Gardu Induk Konfigurasi Double Busbar Pada Bay

Transformator

Sistem double busbar terdiri dari 2 rel, rel tersebut berfungsi sebagai titik

pertemuan antara trafo tenaga, saluran udara tegangan ekstra tinggi, saluran udara

tegangan tinggi dan peralatan listrik lainnya. Jika dilihat dari single line pada

gambar 2-3 , maka gardu induk terdiri dari bay transformator dan bay penghantar.

Bay transformator berfungsi menyalurkan daya dari pusat pembangkit hingga

diturunkan menjadi besaran yang lebih kecil hingga listrik dapat digunakan oleh

masyarakat. Daya disupply dari busbar, lalu masuk ke PMS Rel 1 yang

disambungkan pada peralatan di bay transformator. Lalu aliran daya masuk ke

PMT sisi HV, yaitu pemutus tenaga yang berfungsi memutus rangkaian beban

yang terganggu agar tidak sampai menyebar ke jalur utama(rel). Kemudian, aliran

daya akan masuk current transformator(CT) sisi HV guna dilakukan

metering/pengukuran dan proteksi transformator. Setelah itu daya akan di

transformasikan dari besaran 150KV menjadi 20KV dan siap didistribusikan

kepada penyulang-penyulang lain hingga sampai ke konsumen.

32

2.5. Sistem Proteksi Transformator

Transformator sebagai salah satu komponen penting pada sebuah gardu

induk yang memerlukan pengamanan agar jika terjadi gangguan, maka gangguan

tersebut tidak merusak peralatan dan mengganggu sistem kerja komponen lain.

Dalam sistem ketenagalistrikan tidak mungkin berjalan dengan normal, pasti ada

gangguan. Gangguan tersebut tentu saja tidak dapat dihilangkan, namun dapat

dicegah dengan adanya sistem proteksi. Untuk mengamankan peralatan gardu

induk, perlu adanya sistem proteksi untuk mengamankan peralatan tersebut dari

gangguan baik gangguan dari sistem maupun non sistem . Pengertian sistem

proteksi adalah susunan perangkat proteksi secara lengkap yang terdiri dari

perangkat utama dan perangkat-perangkat lain yang dibutuhkan untuk melakukan

fungsi tertentu berdasarkan prinsip-prinsip proteksi sesuai dengan definisi yang

terdapat pada standart IEC 6255-20[12]

.

Gambar 2-12 Perangkat Sistem Proteksi[13]

Untuk menyuplai daya ke relai proteksi dan PMT agar dapat mengolah

informasi yang diterima dan memberikan perintah ke PMT diperlukan sumber

33

DC sebesar 110V sehingga dapat melaksanakan perintah yang diterima dari relai

pengaman. Rele pengaman atau rele proteksi adalah perlengkapan untuk

mendeteksi gangguan atau kondisi ketidaknormalan pada sistem tenaga listrik,

berfungsi untuk membebaskan/ mengisolasi gangguan, menghilangkan kondisi

tidak normal, dan untuk menghasilkan sinyal atau indikasi. Rele proteksi akan

membaca keadaan yang telah di berikan oleh trafo instrumen (terdiri dari trafo

arus dan trafo tegangan) , kedua trafo ini menjadi inputan rele proteksi untuk

membaca, membandingkan, dan mengukur keadaan saat normal maupun pada

saat terjadi gangguan. Ketika rele proteksi merasakan gangguan, maka rele akan

mentrigger tripping coil pada PMT untuk memberikan perintah kepada PMT

untuk melakukan trip.

34

Gambar 2-13 Skema Proteksi Elektrik Trafo[13]

Pola proteksi pada gardu induk konfigurasi double busbar dibagi menjadi

proteksi utama (main protection) dan proteksi cadangan (back up protection).

Proteksi cadangan ini bekerja apabila proteksi utama gagal dalam memerintahkan

trip pada PMT dan proteksi utama tidak dapat melakukan perintah trip kepada

PMT diluar daerah pengamannya. Pada pembahasan tugas akhir ini penulis akan

membahas proteksi utama pada Transformator, yaitu relai diferensial.

Proteksi utama adalah sistem proteksi yang diharapkan sebagai prioritas

OCR/GFR

50/51/51G

REL 20 kV

OCR/GFR

50/51P/51GP

OCR/GFR

50/51S/51GS

Diferensial

REF

REF SBEF

51NS

35

pengamanan gangguan atau menghilangkan kondisi tidak normal pada

transformator. Proteksi ini dimaksudkan untuk pengaman pertama saat terjadinya

gangguan dalam kawasan yang harus dilindungi.

Proteksi utama transformator tenaga umumnya adalah rele yang mengambil

parameter pengukuran dari besaran analog listrik yaitu tegangan dan arus,maka

proteksi utama trafo dapat dikatakan sebagai proteksi elektrik. Proteksi utama

trafo menggunakan relai diferensial dan relai Restricted Earth Fault (REF).

2.6. Relai Diferensial

Relai diferensial adalah relai yang bekerja apabila mendeteksi adanya

perbedaan fasor dan atau perbedaan nilai sesaat arus masuk dan arus keluar.

Dalam hal ini perbandingan arus belitan primer, sekunder dan atau tersier (jika

tersier dibebani). Prinsip kerja relai diferensial adalah membandingkan dua vektor

arus atau lebih yang masuk ke relai.

Gambar 2-14 Rangkaian Relai Diferensial dan gambar fisik relai [13]

I = 0

KAWASAN

PENGAMANAN

I1 I2 CT1 CT2

i1 i2

Alat yang diproteksi

36

Apabila sisi primer trafo arus primer dialiri arus , maka pada sisi

primer trafo arus akan mengalir arus . Pada saat yang sama, sisi sekunder

dari kedua CT akan mengalir arus dan yang besarnya tergantung dari rasio

trafo arus (CT) yang terpasang.

Jika besar arus sekunder CT menunjukkan = maka relai tidak akan

bekerja karena tidak ada selisih arus (∆i=0). Namun jika besar arus sekunder CT

menunjukkan ≠ maka relai akan bekerja karena adanya selisih arus (∆i≠0).

Selisih arus ini yang dinamakan arus diferensial yang mendasari bekerjanya relai.

Dalam keadaan normal (tanpa gangguan), arus yang mengalir ke relai sama

dengan nol, karena arus dari kedua sisi saling meniadakan satu sama lain.

......................(persamaan 2-7)

Dimana, Id = Nilai arus diferensial

I1 = Nilai arus sekunder CT 1

I2 = Nilai arus sekunder CT 2

Prinsip ini berdasarkan pada Hukum Khirchoff 1 : “Arus total yang

masuk melalui titik percabangan dalam rangkaian listrik sama dengan arus total

yang keluar dari titik percabangan tersebut” [17]

. Dengan rumus :

................................................................................ (persamaan 2-8)

Diferensial trafo merupakan proteksi utama elektrik yang ada pada trafo

tenaga sebagai pengaman utama dari gangguan hubung singkat yang terjadi di

37

dalam kumparan fasa . Gangguan hubung singkat biasanya terjadi akibat adanya

kerusakan isolasi kawat . Akibat dari kerusakan tersebut adalah :

1. Hubung singkat antara kumparan fasa satu dengan fasa yang lainnya.

2. Hubung singkat antara masing-masing lilitan dalam satu kumparan.

3. Hubung singkat antara kumparan sisi tegangan tinggi dengan sisi tegangan

rendah.

4. Hubung singkat antara belitan dengan tangki/body trafo.

Sifat relai diferensial yakni :

1. Sangat selektif dan cepat (tanpa waktu tunda).

2. Merupakan pengaman utama (main protection).

3. Tidak dapat digunakan sebagai pengaman cadangan untuk daerah/seksi

selanjutnya.

4. Tidak perlu koordinasi dengan relai proteksi lain.

5. Daerah pengamanannya dibatasi oleh pemasangan trafo arus (CT).

Menurut referensi [12] Agar relai diferensial tidak melakukan kerja saat

kondisi normal (tidak terjadi gangguan), ada beberapa persyaratan berikut:

1. CT1 dan CT2 harus memiliki rasio yang sama, sehingga I1 = I2 menggunakan

penjumlahan vektor dengan perbedaan sudut 180º.

2. Sambungan dan polaritas CT1 dan CT2 harus benar.

Perbedaan nilai sudut fasa pada arus sangat mempengaruhi penjumlahan

nilai arus yang mengalir melalui relai diferensial. Karena adanya perbedaan sudut

fasa pada arus maka penjumlahan nilai arus menggunakan vektor.

38

2.6.1 Kerja Proteksi Relai Diferensial Jika Terjadi Gangguan

1) Jika terjadi gangguan di dalam daerah pengamanannya

Jika relai diferensial dipasang sebagai proteksi suatu peralatan dan terjadi

gangguan di daerah pengamanannya maka relai diferensial harus bekerja.

Seperti terlihat pada gambar 2-15, pada saat CT1 mengalir arus I1 maka

pada CT2 tidak ada arus yang mengalir (I2=0). Hal ini disebabkan karena

arus gangguan mengalir pada titik gangguan sehingga tidak ada arus yang

mengalir pada CT2 (I2=0), yang mengakibatkan I1≠ I2 (∆i≠0) sehingga relai

bekerja.

Gambar 2-15 Rangkaian Relai Diferensial dengan Gangguan Internal [14]

2) Jika terjadi gangguan di luar daerah pengamanannya

Apabila terjadi gangguan di luar daerah pengamanannya maka relai

diferensial tidak boleh bekerja. Seperti pada gambar 2-16 , pada saat sisi

primer kedua CT dialiri arus I1 dan I2, dengan adanya rasio CT1 dan CT2

yang sedemikian, maka besar arus yang mengalir pada sekunder CT1 dan

CT2 yang menuju relai besarnya sama (I1 = I2). Atau dengan kata lain tidak

39

ada selisih arus yang mengalir pada relai sehingga relai tidak bekerja. Hal

ini disebabkan karena sirkulasi arus gangguan diluar daerah pengamanan

kerja relai tidak mempengaruhi arus yang mengalir pada kedua CT yang

terpasang, sebab apabila pada primer CT1 dan CT2 mengalir arus

gangguan, dengan adanya perbandingan rasio trafo arus maka pada sisi

sekunder juga akan mengalir arus gangguan yang besarnya I1 = I2.

Gambar 2-16 Rangkaian Diferensial dengan Gangguan Eksternal[14]

2.7. Peralatan Simulasi

2.7.1 Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah chip atau Integrated Circuit (IC) yang bisa

diprogram menggunakan komputer. Tujuan ditanamkannya program pada

mikrokontroler adalah supaya rangkaian elektronik dapat membaca input,

kemudian memproses input tersebut, sehingga menghasilkan output yang sesuai

dengan keinginan. Jadi mikrokontroler berfungsi sebagai otak yang mengatur

input, proses, dan output sebuah rangkaian elektronik.

40

Dalam simulasi kali ini, penulis menggunakan mikrokontroler jenis

Arduino. Arduino adalah pengendali mikro single-board bersifat open-source

yang dirancang untuk mempermudah penggunaan elektronik dalam berbagai

bidang. Hardware-nya memiliki prosesor Atmel AVR dan software-nya memiliki

bahasa pemrograman sendiri.

Gambar 2-17 Pin input/output Arduino Mega 2560[19]

Arduino dapat diaktifkan melalui beberapa cara, yaitu dengan kabel USB

yang tersambung dengan laptop, melalui catu daya dengan daya eksternal 6 Volt

sampai 20 volt. Jika diberi tegangan kurang dari 7 Volt, maka, pin 5 Volt

41

mungkin akan menghasilkan tegangan kurang dari 5 Volt dan ini akan membuat

papan menjadi tidak stabil. Jika sumber tegangan menggunakan lebih dari 12

Volt, regulator tegangan akan mengalami panas berlebihan dan bisa merusak

papan. Rentang sumber tegangan yang dianjurkan adalah 7 Volt sampai 12 Volt.

Pin tegangan yang tersedia pada papan Arduino adalah sebagai berikut:

1. VIN: Adalah input tegangan untuk papan Arduino ketika menggunakan

sumber daya eksternal (sebagai „saingan‟ tegangan 5 Volt dari koneksi USB

atau sumber daya ter-regulator lainnya). Anda dapat memberikan tegangan

melalui pin ini, atau jika memasok tegangan untuk papan melalui jack power,

kita bisa mengakses/mengambil tegangan melalui pin ini.

2. 5V: Sebuah pin yang mengeluarkan tegangan ter-regulator 5 Volt, dari pin ini

tegangan sudah diatur (ter-regulator) dari regulator yang tersedia (built-in)

pada papan. Arduino dapat diaktifkan dengan sumber daya baik berasal

dari jack power DC (7-12 Volt), konektor USB (5 Volt), atau pin VIN

pada board (7-12 Volt). Memberikan tegangan melalui pin 5V atau 3,3V

secara langsung tanpa melewati regulator dapat merusak papan Arduino.

3. 3V3: Sebuah pin yang menghasilkan tegangan 3,3 Volt. Tegangan ini

dihasilkan oleh regulator yang terdapat pada papan (on-board). Arus

maksimum yang dihasilkan adalah 50 mA.

4. GND: Pin Ground atau Massa.

5. IOREF: Pin ini pada papan Arduino berfungsi untuk memberikan referensi

tegangan yang beroperasi pada microcontroller. Sebuah perisai (shield)

dikonfigurasi dengan benar untuk dapat membaca pin tegangan IOREF dan

42

memilih sumber daya yang tepat atau mengaktifkan penerjemah tegangan

(voltage translator) pada output untuk bekerja pada tegangan 5 Volt atau 3,3

Volt.

Masing-masing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan

sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan

digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat

memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up

internal (yang terputus secara default) sebesar 20 – 50 kilo ohms. Selain itu,

beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain:

1. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2:

17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan

sebagai Receiver (RX) dan Transciver (TX) TTL data serial. Pins 0

dan 1 juga terhubung ke pin yang sesuai dari ATmega16U2 USB-to-Serial

TTL.

2. Eksternal Interruption : 2 (0 interrupt), 3 (interrupt 1), 18 (interrupt

5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3), dan 21 (interrupt 2). Pin ini

dapat dikonfigurasi untuk memicu interrupt pada nilai yang rendah,

naik atau jatuh atau perubahan nilai.

3. PWM Pin 2-13 dan 44-46 Menyediakan 8-bit PWM keluaran dengan

analogWrite () function.

4. SPI: Pin 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Pin ini

mendukung komunikasi SPI menggunakan SPI Library. Pin SPI juga

43

terputus pada header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Uno,

Duemilanove dan Diecimila.

5. LED : Pin 13. Terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13

Ketika pin pada nilai besar, LED menyala, ketika pin yang rendah, akan

mati.

6. TWI I2C : Pin 20 (SDA) dan Pin 21 (SCL). Dukungan komunikasi

TWI menggunakan Wire Library.

Arduino Mega 2560 memiliki 256 KB flash memory untuk

menyimpan kode (yang 8 KB digunakan untuk bootloader), 8 KB SRAM dan 4

KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan perpustakaan

EEPROM). Selain itu, Arduino Mega 2560 memiliki sejumlah fasilitas untuk

berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, bahkan mikrokontroler lain.

Arduino Mega 2560 menyediakan empat UART hardware untuk TTL (5V)

komunikasi serial. Sebuah chip ATmega16U2 yang terdapat pada papan

digunakan sebagai media komunikasi serial melalui USB dan muncul sebagai

COM Port Virtual (pada Device komputer) untuk berkomunikasi dengan

perangkat lunak pada komputer. Perangkat lunak Arduino termasuk di

dalamnya serial monitor memungkinkan data tekstual sederhana dikirim ke

dan dari papan Arduino. LED RX dan TX (pada pin 13) akan berkedip

ketika data sedang dikirim atau diterima melalui chip USB-to-serial yang

terhubung melalui USB komputer (tetapi tidak berlaku untuk komunikasi

serial seperti pada pin 0 dan 1).

44

Arduino Mega 2560 mempunyai 16 pin input analog yang masing-

masing menyediakan resolusi 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara

otomatis pin ini dapat diukur/diatur mulai dari ground sampai 5 V,

meskipun bisa juga merubah titik jangkauan tertinggi menggunakan pin

AREF dengan fungsi analog Reference(). Pin lain yang ada Board yaitu AREF,

untuk mengubah tegangan referensi pada input analog dan Reset (untuk

menghidupkan ulang mikrokontroler).

Pemrograman Arduino Mega 2560 dapat dilakukan menggunakan

aplikasi IDE (Integrated Development Environment) yang merupakan

software open source dari Arduino. Software ini berfungsi untuk menulis

program, meng-compile menjadi kode biner, dan meng-upload ke dalam memori

mikrokontroler. Berikut adalah cara menggunakan software Arduino IDE:

1. Jalankan Arduino IDE dengan menjalankan aplikasi Arduino yang sudah

terinstal pada komputer atau laptop.

Gambar 2-18 Aplikasi Arduino IDE

45

Gambar 2-19 Tampilan Awal Arduino IDE

2. Pilih menu Tools → Board

Pilih board “Arduino Mega or Mega 2560” karena di sini akan

menggunakan Arduino Mega 2560. Gambar 2-20 menunjukkan

tampilan saat pemilihan board “Arduino Mega or Mega 2560”.

Gambar 2-20 Memilih board Arduino Mega

3. Tulis sketch (program) sesuai project yang dikerjakan, atau dapat

memilih menu File → Examples → Basics, kemudian pilih library yang

hendak dijalankan. Bagian examples berisi contoh-contoh sketch bawaan

46

untuk mempermudah user ketika memprogram Arduino. Gambar 2-21

merupakan contoh sketch LED.

Gambar 2-21 Contoh sketch LED

4. Klik tombol Upload pada toolbar untuk mengirim sketch tersebut ke

Arduino. Dapat dilihat bahwa lampu LED RX pada Arduino akan berkedip-

kedip ketika menerima program. Gambar 2-22 menunjukkan ikon upload.

Gambar 2-22 Ikon Upload

5. Jika program berhasil di-upload, maka akan muncul tampilan seperti

gambar 2-23 di bawah.

47

Gambar 2-23 Program berhasil diupload

Sebaliknya, jika terjadi kesalahan pada pemrograman dan pengiriman

data gagal. Gambar 2-24 menunjukkan tampilan saat program gagal di-upload.

Gambar 2-24 Program gagal diupload

2.7.2 Catu Daya

Arus listrik yang biasa digunakan untuk keperluaan sehari-hari pada

umumnya akan dibangkitkan, dikirim dan didistribusikan ke tempat masing-

masing dalam bentuk arus bolak-balik atau arus AC (Alternating Current). Akan

tetapi, peralatan elektronika yang kita gunakan untuk sekarang ini sebagian besar

membutuhkan arus DC dengan tegangan yang lebih rendah untuk

pengoperasiannya. Rangkaian yang mengubah arus listrik AC menjadi DC ini

disebut dengan DC power supply atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan

catu daya DC. Pada gambar di bawah ini ditunjukkan blok diagram catu daya.

48

220 VAC

Trafo Step

Down

Dioda

Kapasitor

Voltage

Regulator

VDC

Input

Gambar 2-25 Blok Diagram Catu Daya

Berikut ini adalah penjelasan singkat tentang prinsip kerja catu daya pada masing-

masing blok.

2.7.2.1 Transformator Step Down

Gmabar 2-26 Gamber fisik Trafo Step Down 5A

(Sumber: dokumen pribadi. Diambil pada tanggal 28 Mei 2018)

49

Transformator yang digunakan untuk Catu Daya adalah Transformator

jenis step-down yang berfungsi untuk menurunkan tegangan listrik sesuai dengan

kebutuhan komponen elektronika yang terdapat pada rangkaian Catu Daya (DC

power supply), yaitu menurunkan dari tegangan 220 VAC menjadi 12 VDC.

Prinsip kerja dari trafo ini sudah dijelaskan pada sub-bab 2.3 Gardu Induk .

2.7.2.2 Dioda

Dioda adalah peralatan elektronika yang berfungsi sebagai penyearah

yang digunakan untuk mendapatkan arus searah dari suatu arus bolak-balik. Dioda

hanya akan menghantarkan arus searah saja, dari kutub anoda ke kutub katoda/

dari kutub positif ke kutub negatif. Hal ini dikarenakan struktur dioda yang

terbuat dari sambungan semikonduktor P dan N.

Gambar 2-27 Dioda Penyearah

(Sumber: berbagielektro.blogspot.com. Diakses tanggal 29 Mei 2018

Pukul 10.00 WIB)

Apabila dioda semikonduktor ini diberi tegangan maju(forward bias),

yaitu tegangan dengan arah aliran dari anoda ke katoda maka dengan tegangan

yang kecil saja (umumnya 0.6-0.7volt) akan mengalir maju. Dengan kenaikan

tegangan yang kecil saja sudah di dapat arus maju yang besar.

50

Sebaliknya, apabila dioda ini diberi tegangan maju (reverse bias), yaitu tegangan

dengan arah aliran dari katoda ke anoda maka arus tidak akan mengalir . tetapi

untuk tegangan diatas batas dioda, akan mengalir arus yang sangat besar. Pada

titik batas ini dioda tidak mampu lagi menahan disipasi daya yang besar, yang

biasa disebut dengan tegangan tembus.

Menurut referensi (16) ada berbagai jenis dioda yang dibuat sesuai dengan

fungsinya tanpa meninggalkan karakteristik serta spesifikasinya, seperti dioda

penyearah (rectifier), dioda Emisi Cahaya (LED), dioda Zenner, dioda photo

(Photo-Dioda) dan Dioda Varactor

Penyearah gelombang (rectifier) adalah bagian dari power supply/catu

daya yang berfungsi untuk mengubah sinyal tegangan AC (Alternating Current)

menjadi tegangan DC (Direct Current). Komponen utama dalam penyearah

gelombang adalah dioda yang dikonfiguarsikan secara forward bias. Dalam

sebuah power supply tegangan rendah, sebelum tegangan AC tersebut di ubah

menjadi tegangan DC maka tegangan AC tersebut perlu di turunkan menggunakan

transformator stepdown.

Gambar 2-28 Penyearah Gelombang (rectifier)[20]

51

Penyearah terdiri dari dioda bridge, yaitu empat buah dioda yang

dirangkai membentuk sebuah jembatan. Dioda bridge digunakan sebagai

penyearah arus bolak-balik satu gelombang penuh. Owen Bishop (2002)

menyatakan bahwa selama setengah siklus positif, dioda D1 dan dioda D2 diberi

bias maju, sehingga keduanya menghantarkan arus. Sementara dioda D3 dan

dioda D4 diberi bias mundur sehingga keduanya tidak menghantarkan arus. Arus

mengalir melalui beban sebagai berikut :

: Penyearah setengah gelombang siklus positif

: Penyearah setengah gelombang siklus negatif

Gambar 2-29 Penyearah gelombang penuh dan bentuk gelombangnya[20]

Selama setengah siklus negatif, dioda D1 dan dioda D2 diberi bias

mundur, sehingga keduanya tidak menghantarkan listrik. Sementara itu, dioda

D3 dan dioda D4 diberi bias maju sehingga dapat menghantarkan listrik.

Karena gelombang yang dihasilkan oleh penyearah dioda masih dalam

bentuk dc denyut dan terdapat ripple, maka untuk membuatnya menjadi dc murni

perlu ditambahkannya kapasitor sebagai penghilang ripple tersebut. Bentuk

52

gelombang yang dihasilkan oleh penyearah dioda gelombang penuh adalah

sebagai berikut :

Gambar 2-30 Bentuk gelombang ouput rectifier[20]

2.7.2.3 Kapasitor Sebagai Penyaring (Filter)

Gambar 2-31 Bentuk fisik kapasitor

(Sumber : dokumen pribadi. Diambil tanggal 3 Juni 2018 jam 14.43 WIB)

Kapasitor menurut Michael Tooley adalah perangkat yang digunakan

untuk menyimpan muatan listrik . Penyaring pada rangkaian catu daya berupa

komponen kapasitor yang berfungsi untuk meratakan sinyal arus yang keluar dari

rectifier.

53

Gambar 2-32 Struktur Kapasitor[21]

Kapasitor terdiri dari dua buah plat metal yang dipisahkan oleh bahan-

bahan dielektrik seperti, kaca, kertas, gelas, dll seperti yang ditunjukkan oleh

gambar 2-31. Jika kedua plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan

akan berkumpul pada salah satu kaki elektroda. Muatan positif tidak akan bisa

mengalir menuju kutub negatif begitupun sebaliknya. Muatan ini tersimpan

selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung kaki.

Seperti yang kita ketahui, tegangan DC yang dihasilkan oleh rectifier masih

memiliki ripple yang sangat besar. Untuk mendapatkan tegangan DC yang rata

(low ripple), maka diperlukan kapasitor sebagai filter. Kapasitor sendiri memiliki

kemampuan untuk pengisian (charging) dan pengosongan (discharging),

kemampuan kapasitor inilah yang berfungsi untuk mengurangi ripple/riak pada

arus listrik tersebut. Ketika gelombang mengalami penurunan nilai, maka

kapasitor akan melakukan discharge sehingga bentuk gelombang mengalami

54

kestabilan/lurus. Semakin besar nilai kapasitansi suatu kapasitor maka itu semakin

baik.

Gambar 2-33 Rangkaian Penyearah ditamabah kapasitor [20]

Ketika beban menarik arus dari rangkaian, tegangan akan jatuh perlahan-

lahaan namun akan kembali lagi ke puncak oleh pulsa berikutnya. Hasilnya adalah

gelombang DC dengan sedikit riak gelombang. Kapasitor yang digunakan bernilai

4700 mF atau lebih apabila arus yang ditarik oleh beban tidak terlalu besar,

tegangan output yang dihasilkan akan setara gelombang DC murni.

55

2.7.2.4 Voltage Regulator

Gambar 2-34 Bentuk fisik IC 7812

(Sumber: dokumen pribadi. Diambil tanggal 03 Juni 2018 jam 14.39 WIB)

Regulator tegangan diperlukan untuk menyetabilkan tegangan hasil dari

penyearahan. Voltage regulator merupakan suatu komponen yang mengambil

tegangan input tak teregulasi yang bisa berflukturasi dari waktu ke waktu, dan

menghasilkan tegangan konstan yang teregulasi yaitu tegangan stabil yang tidak

terpengaruh oleh perubahan input, perubahan beban , dan perubahan arus.

Regulator tegangan dengan keluaran bervariasi berarti tegangan yang dihasilkan

dapat diatur dengan range tertentu.

Gambar 2-35 Dioda zenner pada power supply[18]

56

Komponen elektronika yang digunakan sebagai regulator tegangan adalah

dioda zener. Ciri khas dioda zener yakni bila dibias forward, maka dioda zener

akan bertindak sebagai dioda pada umumnya, sedangkan bila dibias reverse dioda

zener akan mengalirkan arus dari katoda ke anoda dengan syarat diberi catu

tegangan yang lebih besar dari tegangan spesifikasi dioda tersebut.

Oleh karena itu, meski mendapatkan catu secara reverse, apabila tegangan

catu kurang dari tegangan tembus maka arus dari katoda tidak akan mengalir

menuju anoda. Dioda zener akan memberikan tegangan output yang relatif tetap

sesuai dengan spesifikasi tegangan zener tersebut. Misalnya dioda zener memiliki

spesifikasi tegangan 5 Volt, maka ketika dilewati sebuah tegangan 6,5 Volt,

tegangan output dioda akan tetap pada batas 5 Volt. Namun ketika tegangan yang

melewati dioda zener sudah melewati batas toleransi yang dijinkan, misal 8 Volt,

maka dioda zener sudah tidak mampu lagi menahan tegangan spesifikasi 5 Volt

tersebut. Akibatnya, kondisi dioda zener akan mengalami kerusakan.

Gambar 2-36 Diagram Pinout dari Voltage Regulator[22]

Besarnya tegangan keluaran IC seri 78XX dan 79XX ini dinyatakan

dengan dua angka terakhir pada serinya. Misal, IC 7812 adalah regulator tegangan

positif dengan tegangan keluaran 12 volt, sedangkan IC 7912 adalah regulator

tegangan negatif dengan tegangan keluara -12 volt.

57

Gambar 2-37 Blok diagram internal IC 78XX[22]

Pada gambar 2-37 yang merupakan blok diagram internal IC 78XX, blok

tegangan referensi adalah dimana dioda zener berada. Bila tegangan input yang

masuk pada LM7805 sesuai dengan tegangan minimalnya, misal 8 Volt, maka

output zener akan menjadi 5 V namun bila input berada dibawah nilai tersebut,

maka zener akan cut-off. Rangkaian pass element dan error amplifier digunakan

untuk mengatur parameter pada rangkaian sehingga tegangan output akan tetap

konstan meskipun arus beban dan tegangan input berubah. IC 78XX dilengkapi

dengan thermal protection, yakni jika disipasi daya pada regulator terlalu besar

maka tegangan output regulator akan turun ke 0 V sampai IC dingin kembali.

Tabel 2-1 berikut ini menunjukkan beberapa tipe regulator beserta batasan

tegangannya.

58

Tipe

Regulator

Vin min Vin maks Vout

7805 8 V 20 V 5 V

7808 11,5 V 23 V 8 V

7812 15,5 V 27 V 12 V

7824 28 V 38 V 24 V

Tabel 2-1 Tegangan Input IC L7805 dan IC L7812[22]

Batasan nilai tegangan masukan IC regulator yang terdapat dalam tabel

adalah nilai DC, bukan tegangan sekunder dari trafo. Berdasarkan tabel 2-1 diatas,

diambil kesimpulan bahwa nilai tegangan output akan tetap konstan meskipun

tegangan input bervariasi, namun dalam range tertentu.

Gambar 2-38 Rangkaian Catu Daya Dengan Output 12V

Pemakaian heatsink (alumunium pendingin) dianjurkan jika komponen ini

digunakan untuk mencatu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen IC

59

regulator tegangan hanya bisa dilewati arus maksimal 1 Ampere. Kemampuan

memberikan catu daya dari IC regulator tegangan dapat ditingkatkan kapasitasnya

dengan menambahkan transistor eksternal, bisa transistor NPN atau PNP.

Transistor adalah komponen semikonduktor yang terdiri atas sebuah bahan

tipe p dan diapit oleh dua bahan tipe n (transistor NPN) atau terdiri atas sebuah

bahan tipe n dan diapit oleh dua bahan tipe p (transistor PNP). Ketiga terminal

transistor disebut Emitor, Basis, dan Collector.

Dengan penambahan transistor luar, maka sebagian besar dari arus akan

dilewatkan pada transistor ini, sehingga IC regulator tegangan hanya berfungsi

sebagai pengontrol tegangan saja. Gelombang output yang dihasilkan oleh

serangkaian catu daya berupa arus dc murni .

2.7.3 Sensor Arus ACS712

ACS712 adalah sensor arus yang menggunakan prinsip efek Hall yang

akan mendeteksi arus yang mengalir dari IP+ dan IP- dan memberikan ooutput

berupa tegangan yang selanjutnya dikirim ke Arduino Mega 2560. ACS712

merupakan sensor yang ekonomis dan presisi baik untuk pengukuran AC ataupun

DC dan sensor ini memiliki tipe variasi sesuai arus maksimalnya yakni 5A, 20A,

dan 30A dengan Vcc 5V. Berikut merupakan pinout sensor arus ACS712

60

Gambar 2-39 Sensor Arus ACS712[23]

Gambar 2-40 Pin Out Diagram ACS712[23]

Pada ACS 712, terdapat lempengan tembaga pada saat mendeteksi arus

dimulai dengan menggunakan Hukum Faraday yaitu bagaimana arus listrik yang

mengalir melalui konduktor akan menimbulkan medan elektromagnetik dan dapat

membuat atau menginduksi arus ke konduktor. Tahap selanjutnya adalah efek

Hall. Efek Hall adalah peristiwa terbentuknya beda potensial antara dua sisi

material yang dialiri arus listrik ketika material tersebut ditempatkan dalam medan

61

magnet yang arahnya tegak lurus arah aliran muatan (arah arus). Efek Hall

menggunakan fenomena gaya Lorentz .

Ketika arus listrik (I) mengalir pada lempengan tembaga akan

terpengaruh oleh medan magnet (B) yang tegak lurus dengan arus, maka

pembawa muatan yang bergerak pada logam akan mengalami pembelokan oleh

medan magnet tersebut. Akibat dari proses ini akan terjadi pengumpulan muatan

pada sisi logam. Pengumpulan muatan dapat menyebabkan sisi logam menjadi

lebih elektropositif ataupun elektronegatif tergantung pada pembawa muatannya.

Perbedaan di kedua sisi tersebut menimbulkan perbedaan beda potensial yang

disebut sebagai Potensial Hall.

Gambar 2-41 Prinsip Keerja Efek Hall[24]

Sensor arus ACS712 memiliki sensor efek Hall yang diletakkan pada

konduktor tembaga sehingga jika arus mengalir melalui konduktor dan

menghasilkan medan magnet, medan magnet akan diteksi oleh sensor efek Hall

62

yang outputnya berupa tegangan dengan nilai sesuai dengan arus input. Penguatan

Viout yang dihasilkan oleh sensor ini akan dikuatkan oleh op-amp yang sudah ada

di dalam IC ACS712 dan di filter melalui kapasitor di dalamnya sehingga output

yang dihasilkan berupa tegangan . Karakteristik dari sensor ini adalah ketika tidak

ada arus yang mengalir pada rangkaian maka keluaran sensor adalah setengah dari

Vcc yaitu 2,5 V. Ketika arus mengalir dari pin IP+ ke IP-, maka keluaran akan

>2,5 V, sedangkan ketika arus mengalir dari IP- ke IP+ maka keluaran akan <2,5

V Berikut merupakan pinout dari sensor arus ACS712. Gambar 2-27 di bawah

adalah hubungan antara tegangan output dengan arus yang dideteksi sensor.

Gambar 2-42 Hubungan Tegangan Output dengan Arus [23]

63

2.7.4 Driver Relai IC ULN2803

Gambar 2-43 Gambar fisik IC ULN2803[27]

Driver relai merupakan rangkaian yang digunakan untuk menggerakkan

relai. Rangkaian ini digunakan sebagai interface antara relai yang memiliki

tegangan kerja bervariasi (misal 12 VDC) dengan mikrokontroler yang hanya

bertegangan 5 VDC karena tegangan output sebesar 5 VDC tersebut belum dapat

digunakan untuk mengaktifkan relai.

ULN2803 merupakan salah satu IC yang mampu difungsikan sebagai driver

relai. IC ini mempunyai 8 buah pasangan transistor Darlington npn, dengan

tegangan output maksimal 50 V dan arus setiap pin mencapai 500mA.

Keuntungan transistor Darlington yakni mempunyai impedansi input tinggi dan

impedansi output rendah.

64

Gambar 2-44 Rangkaian Darlington Dalam ULN2803[27]

Gambar 2-44 menunjukkan gambar rangkaian darlington yang terdapat di

dalam setiap pin IC ULN2803, dimana transistor dimanfaatkan sebagai saklar

untuk memacu cara kerja relay. Rangkaian darlington terdiri dari dua buah

transistor bipolar yang penguatannya lebih tinggi karena arus akan dikuatkan dua

kali oleh transistor pertama dan dilanjutkan transistor kedua untuk mendapatkan

arus yang besar yang disebut ß atau hFE.

Cara kerja rangkaian darlington untuk menggerakkan relay adalah ketika

input rangkaian belum mendapatkan tegangan, maka transistor satu dan transistor

dua tidak akan aktif karena tidak ada arus yang mengalir ke basis sehingga coil

relay tidak akan aktif karena tegangan balik dari dioda akan di teruskan melalui

dioda com.

Ketika input mendapatkan tegangan 5 volt, maka arus akan naik sehingga

kedua transistor akan aktif/bekerja. Arus input transistor dua merupakan

kombinasi dari arus input dan arus emiter dari transistor satu, sehingga arus akan

65

terkumpul dalam jumlah yang banyak. Arus yang mengalir keluar dari transistor

dua akan memberikan jalan bagi rangkaian yang terhubung output ULN2803 yaitu

relay, untuk tersambung ke ground. Sehingga bisa dikatan bahwa output

ULN2803 adalah nol atau ground.

Pada gambar 2-45 merupakan gambaran pin input dan pin output IC ULN

2803 dimana pin 1-8 menerima sinyal tingkat rendah misal dari mikrokontroler

Arduino Mega 2560, pin 9 sebagai grounding(untuk referensi tingkat sinyal

rendah). Pin 10 adalah COM sebagai inputan sumber pada sisi yang lebih tinggi

dan umumnya akan dihubungkan ke tegangan positif. Pin 11-18 adalah output

(Pin 1 untuk pin 18, Pin 2 untuk 12, dst).

Gambar 2-45 Pin Out IC ULN2803[27]

66

2.7.5 Relai 12 VDC

Relay adalah suatu perangkat yang bekerja dengan sistem elektromagnetik

yang bekerja dengan menggerakan beberapa kontaktor atau suatu saklar elektronik

yang dapat dikendalikan lewat rangkaian elektronik lain dan dengan

memanfaatkan tenaga listrik sebagai energi sumbernya. Kontaktor yang tersusun

beberapa akan tertutup (ON) atau terbuka (OFF) dikarenakan efek induksi dari

magnet yang dihasilkan oleh kumparan (induktor) saat dialiri arus listrik. Gambar

2-46 menunjukkan bagian-bagian dari sebuah relai.

Gambar 2-46 Bagian-bagian dari relay

(Sumber:https://teknikelektronika.com/pengertian-relay-fungsi-relay/. Diakses

pada tanggal 03 Juli 2018 Jam 22.10)

Relai memiliki sebuah kumparan tegangan rendah yang dililitkan pada

sebuah inti. Terdapat sebuah armatur besi yang akan tertarik menuju inti apabila

67

arus mengalir melewati kumparan. Armatur ini terpasang pada sebuah tuas

berpegas. Ketika armatur tertarik menuju ini, kontak jalur bersama akan berubah

posisinya dari kontak normal-tertutup ke kontak normal-terbuka[14]

.

Dalam rancangan alat yang dibuat, digunakan relay jenis double pole double

throw (DPDT). Dalam hal ini, relai memiliki satu coil yang apabila ia diberi arus

DC ia akan menginduksi kumparan dan akan menggerakkan 2 kontak secara

bersamaan. Digunakannya relai tersebut bertujuan agar dapat menggerakkan dua

beban sekaligus. Pada laporan tugas akhir ini penulis menggunakan relai merk

Omron type MY2 sebagai simulasi switch untuk menggambarkan prinsip kerja

PMT dan PMS . Berikut adalah spesifikasi dari relay MY2 dari Omron:

- Double Pole Models

- 8 Pins; 2NO + 2NC

- Imax 10A; Vmax : AC250V/DC125V

- Pilihan teg koil AC : 6/12/24/50/110/220 V

- Pilihan teg koil DC : 6/12/24/48/110 V

- Contact resistance 100 ms max.

- Operate time 20 ms max.

- Release time 20 ms max.

- Max. operating frequency Mechanical: 18,000 operations/hr

- Dimension : H28 W21,5 D36mm

68

Gambar 2-47 Wiring Relay Omron MY2[28]

Keterangan :

a) Terminal 13 dan 14 adalah trigger untuk menyalakan coil.

b) Terminal 1 dan 4 adalah common kontak.

c) Terminal 5 dan 8 adalah kontak NO (Normally Open).

d) Terminal 9 dan 12 adalah kontak NC (Normally Close).

e) Saat Coil masih padam, kondisi kontak relay masih dalam keadaannormal,

yakni keadaan kontak masih sama seperti gambar 2-29.

f) Saat Coil mendapatkan sumber listrik lewat terminal 13 dan 14, maka

keadaan kontak relay akan berubah seperti terlihat pada gambar 2-29.

69

2.7.6 Push Button

Gambar 2-48 Push Button dan simbolnya

(Sumber: https://electronics.stackexchange.com. Diakses tanggal 04 Juli

jam 11.15)

Push Button atau sakelar tekan adalah sakelar yang berguna untuk

pemakaian kontak sementara. Sakelar dioperasikan dengan cara menekan sebuah

tombol.Sakelar ditunjukkan secara skematis pada gambar 2-48 NO (Normally

Open) dan NC (Normally Closed). Ada juga yang menyebutkan jenis push-to-

make (tekan untuk menyambungkan) dengan menekan tombol, kontak-kontak

akan tertekan hingga saling bersentuuhan dan sakelar menutup. Jenis lainnya

adalah push-to-break (tekan untuk menyambung) kontaknya adalah kontak

normal tertutup, namun akan dipaksa membuka ketika tombol ditekan[16]

.

Sebuah sakelar yang menyambung atau memutuskan sambungan selama

sekejap hanya akan menutup/membuka selama tombol ditekan. Ketika tombol

dilepas maka sakelar akan kembali ke posisi semula. Sedangkan pada sakelar

mengunci (latching) penyambungan atau pemutusan daya pada posisi di tekan

terus-menerus, harus ditekan sekali lagi jika akan mengembalikan sakelar pada

posisi normal.

70

Gambar 2-49 Bentuk fisik push button

(Sumber: dokumen pribadi. Diambil tanggal 3 Juni 2018 jam

14.41WIB)

2.7.7 Rangkaian Debouncer

Rangkaian debouncer adalah saklar penghubung antara push button dan

mikrokontroler yang berperan sebagai gate untuk menghubungkan sinyal yang

diberikan oleh push button kepada mikrokontroler melalui rangkaian smitch

trigger atau IC 7414 LS. Switch yang sederhana seringkali menimbulkan

bouncing.Untuk menghilangkan sinyal bouncing dari sebuah switch dapat

menggunakan cara dengan software maupun dengan hardware.

Gambar 2-50 Datasheet IC 7414 dan bentuk fisiknya

Schmitt trigger merupakan suatu rangkaian yang dapat mendeteksi tegangan

71

input yang melintasi suatu peringkat tertentu. Selain itu schmitt trigger sangat

berguna untuk pengkondisi sinyal segitiga ataupun bentuk gelombang lainnya,

maka output schmitt trigger akan menghasilkan suatu keluaran gelombang segi

empat dengan pinggiran naik dan pinggiran turun yang tajam.

IC 74LS14 merupakan salah satu jenis IC yang telah terpaket yang terdiri dari 6

buah inverter dengan schmitt trigger. Fungsi dari IC ini adalah sebagai pembalik

dan pemantap atau untuk mendeteksi taraf dan membentuk kembali pulsa-pulsa

yang buruk pada bagian tepinya (membentuk sinyal kotak) .

Gambar 2-51 Rangkaian debouncer dan outputnya [29]

Gambar 2-52 Rangkaian Schmit Trigger Dalam IC 7414LS[29]

Pada gambar 2-52 terdiri dari dua buah transistor dengan kondisi saat

72

transistor pertama bekerja maka transistor kedua tidak akan bekerja, begitu juga

sebaliknya. Rangkaian transistor diatas memungkinkan dua perbedaan referensi

tegangan (Vthreshold) yaitu tegangan nilai batas atas (Vt+) dan batas bawah (Vt-)

Pada saat mendapat input tegangan 5volt, maka arus akan mengalir ke

ground, karena Vinput rangkaian schmit trigger mendapatkan input 0 dan tidak

mendapatkan tegangan sebesar 5volt karena telah terbagi dengan transistor Q2

sehingga arus mengalir ke ground.

Pada saat mendapat input tegangan 5volt, maka arus akan mengalir ke pin

out dan menuju ke R2, dan Vin rangkaian mendapat input tegangan 5volt

sehingga Vt+ akan menguat karena mendapatkan tegangan dua kali, lalu arus

mengalir ke transistor dua untuk dikirim ke terminal output sehingga

menghasilkan 5volt sama dengan input Vin rangkaiannya.

Rangkaian schmit trigger bekerja mengikuti kondisi push button yang

tersambung di rangkaian debouncer. Pada saat saklar ditekan, maka arus akan

mengalir

Penggunaan resistor berfungsi sebagai pembatas arus agar tidak melebihi

inputan sumber. Biasanya digunakan kapasitor 100 nF yang terpasang parallel

dengan gerbang Schmitt trigger guna mengurangi tingkat bouncing dengan

memanfaatkan pelepasan muatan yang terjadi tidak secara mendadak.

Untuk menentukan besarnya kapasitor pada saat proses charging

menggunakan perhitungan sebagai berikut :

)............ ................................................... (persamaan 2-9)

73

Dimana, : tegangan pada kapasitor

: tegangan initial untuk kapasitor

T dalam satuan sekon

R dan C adalah nilai dari resistor dan kapsitor dalam satuan ohm dan farad [29]