Perancangan Pengalih Otomatis Transformator Hubungan Delta-Delta Menggunakan Sistem Digital

PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS

TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA

MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL

OLEH :

NAMA : RISA RIANI

NIM

: 080402067

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR

HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM

DIGITAL

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Pendidikan Sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Konsentrasi Energi Listrik

OLEH :

NAMA : RISA RIANI

NIM

: 080402067

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS

TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA

MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL

OLEH :

NAMA : RISA RIANI NIM : 080402067

Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

pada

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

Sidang pada tanggal 28 bulan Mei tahun 2012 di depan penguji :

1. Ir. Sumantri Zulkarnaen : Ketua Penguji 2. Ir. Zulkarnaen Pane : Anggota Penguji 3. Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si : Anggota Penguji

Diketahui Oleh : Disetujui Oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro Pembimbing Tugas Akhir

(Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si) ( Ir. Satria Ginting, MT) NIP : 19540531 198601 1002 NIP : 19600514 198903 1002

ABSTRAK

Penggunaan hubungan delta-delta pada transformator memiliki kelebihan yaitu masih mampu menyalurkan daya hingga 57,7% dari kapasitas total meskipun salah satu transformatornya terbuka (open) dari sistem. Pada tugas akhir ini, kelebihan delta-delta dikembangkan dengan merancang sebuah simulasi sistem back up menggunakan transformator cadangan yang akan menggantikan transformator yang terlepas secara otomatis saat penggunaan daya oleh beban telah mendekati batas kemampuan transformator hubungan open-delta (kondisi fault). Fungsi pendeteksi

fault dan pengontrolan dalam sistem simulasi dirancang menggunakan rangkaian logika. Penanganan fault kemudian dilakukan setelah rentang waktu tertentu, guna menjamin fault terjadi secara permanen. Pada akhirnya, implementasi dari rancangan ini diharapkan menghasilkan sebuah sistem yang fault tolerant.

Pengujian yang dilakukan terhadap rancangan, diperoleh persentase kesalahan 21,8% pada komponen pendeteksi kegagalan (fault detector). Sementara pada komponen pewaktu (timer) diperoleh persentase kesalahan sebesar 2,3% untuk mendeteksi fault dan 4,4% untuk mereset sistem. Hasil ini menunjukkan rancangan masih perlu pengembangan lagi dan disesuaikan untuk keperluan sebenarnya.

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah S.W.T yang telah memberikan kemampuan dan ketabahan dalam menghadapi segala cobaan, halangan, dan rintangan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, serta shalawat beriring salam penulis hadiahkan kepada junjungan Nabi Muhammad S.A.W.

Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yaitu ayahanda Sawal dan ibunda Lummasari, serta adik Oci Khairani yang merupakan bagian dari hidup penulis yang senantiasa mendukung dan mendoakan dari sejak penulis lahir hingga sekarang. Serta tidak lupa kepada yang teristimewa Ricky Hariady yang telah begitu banyak memberi dorongan dan motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Tugas akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini:

PERANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL

Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1 Bapak Ir. Satria Ginting, M.T selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir, atas nasehat, bimbingan, dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Ir. Ahri Bariun, M.Sc selaku Penasehat Akademis penulis, atas

bimbingan dan arahannya dalam menyelesaikan perkuliahan selama ini. 3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rachmad Fauzi ST, MT

selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

4. Seluruh staf pengajar yang telah memberi bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara atas segala bantuannya.

5. Abang, kakak dan teman-teman di elektro : Kak Taci, B’Luthfi, B’Gifari, B’Suib, B’Rudy, B’Harry, B’Sujek, B’Kira, B’Prindi, B’Cisco, B’Harapan, Maria, Aji, Wilvian, Yuli dan Wangto, semoga silaturrahmi kita terus terjaga. 6. Semua pihak yang tidak sempat penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangan baik dari segi materi maupun penyajiannya. Oleh karena itu, saran dan kritik dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian bidang ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata penulis berserah diri pada Allah SWT, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca sekalian.

Medan, Mei 2012 Penulis

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... x

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan Manfaat ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Metode Penulisan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

II. TRANSFORMATOR ... 6

2.1 Umum ... 6

2.2 Kontruksi Transformator ... 7

2.3 Prinsip Kerja Transformator... 9

2.4 Transformator Berbeban ... 12

2.4.1 Resitif ... 15

2.4.2 Induktif ... 16

2.5 Transformator Tiga Fasa ... 18

2.5.1 Umum ... 18

2.5.2 Kontruksi Transformator Tiga Fasa ... 19

2.5.3 Hubungan Tiga Fasa Transformator ... 20

2.5.4 Jenis Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa ... 22

2.6 Transformator Tiga Fasa hubungan Open-delta... 27

III. SISTEM DIGITAL ... 32

3.1 Bilangan Biner... 32

3.2 Gerbang Logika Binary ... 33

3.2.1 Gerbang AND ... 33

3.2.2 Gerbang OR ... 35

3.2.3 Pembalik (NOT) ... 36

3.3 FLIP-FLOP... 38

3.3.1 FLIP-FLOP JK ... 38

3.3.2 FLIP-FLOP D ... 39

3.4 IC Logika Praktis ... 40

3.4.1 IC seri 7404 ... 42

3.4.2 IC seri 7408 ... 43

3.4.3 IC seri 7432 ... 43

3.4.4 IC seri 7474 ... 44

3.4.5 IC seri 7476 ... 45

IV. SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA

MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL ... 48

4.1 Umum ... 48

4.2 Transformator Bank ... 52

4.3 Over Current Sensor ... 54

4.4 Fault Detector ... 59

4.5 Fault Handler ... 62

4.6 Reset ... 65

V. PENGUJIAN ... 68

5.1 Pengujian Over Current Sensor ... 68

5.2 Pengujian timer ... 72

5.2.1 Pengujian timer fault ... 72

5.2.2 Pengujian timer reset ... 73

VI. KESIMPULAN DAN SARAN ... 75

6.1 Kesimpulan... 75

6.2 Saran ... 76

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kontruksi Transformator Tipe Inti (core type) ... 8

Gambar 2.2 Kontruksi Transformator Tipe Cangkang (shell type) ... 8

Gambar 2.3 Aliran Fluks pada Transformator ... 9

Gambar 2.4 Gambar Gelombang I tertinggal 900 dari V ... 11

Gambar 2.5 Gambar Gelombang Tegangan (eP) tertinggal 900 dari Fluks (Ф)11 Gambar 2.6 Transformator Keadaan Berbeban ... 13

Gambar 2.7 Rangkaian Ekivalen Transformator ... 13

Gambar 2.8 Diagram Vektor Transformator ... 14

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Transformator dari Sisi Primer ... 15

Gambar 2.10 Penyederhanaan akhir Rangkaian Transformator ... 15

Gambar 2.11 Diagram Vektor Transformator Berbeban Resistif ... 16

Gambar 2.12 Diagram Vektor Transformator Berbeban Induktif ... 17

Gambar 2.13 Diagram Vektor Transformator Berbeban Kapasitif ... 18

Gambar 2.14 Transformator Tiga Fasa tipe Inti ... 19

Gambar 2.15 Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang ... 19

Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang ... 20

Gambar 2.17 Transformator Tiga Fasa hubungan Bintang ... 21

Gambar 2.18 Transformator Tiga Fasa hubungan Delta ... 22

Gambar 2.19 Transformator Tiga Fasa hubungan YY... 23

Gambar 2.20 Transformator Tiga Fasa hubungan Y∆ ... 24

Gambar 2.22 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆∆ ... 26

Gambar 2.23 Transformator Tiga Fasa Open-delta Berbeban ... 28

Gambar 2.24 Diagram Fasor Tegangan dan Arus Transformator Open-delta .. 28

Gambar 3.1 Rangkaian sederhana logika AND ... 34

Gambar 3.2 Simbol gerbang AND ... 34

Gambar 3.3 Rangkaian sederhana logika OR ... 35

Gambar 3.4 Simbol gerbang dan ekspresi Boolean OR ... 35

Gambar 3.5 Simbol NOT ... 36

Gambar 3.6 Rangkaian Gabungan NOT, OR dan AND ... 37

Gambar 3.7 Rangkaian penyederhanaan gabungan NOT, OR dan AND ... 37

Gambar 3.8 Rangkaian Flip-Flop JK ... 38

Gambar 3.9 Rangkaian Flip-Flop D ... 40

Gambar 3.10 Rangkaian Logika menggunakan IC TTL 7408 ... 41

Gambar 3.11 Rangkaian Logika menggunakan IC CMOS 4801 ... 42

Gambar 3.12 Diagram sambungan IC seri 7404 ... 43

Gambar 3.13 Diagram sambungan IC seri 7408 ... 43

Gambar 3.14 Diagram sambungan IC seri 7432 ... 44

Gambar 3.15 Diagram sambungan IC seri 7474 ... 44

Gambar 3.16 Diagram sambungan IC seri 7476 ... 45

Gambar 3.17 Diagram koneksi IC seri 74123 ... 46

Gambar 3.18 Rangkaian Pewaktu ... 47

Gambar 4.2 Diagram Alir Sistem... 51

Gambar 4.3 Rangkaian Skematik Transformer Bank ... 53

Gambar 4.4 Rangkaian Skematik Current Sensor ... 55

Gambar 4.5 Rangkaian Skematik Komparator ... 57

Gambar 4.6 Rangkaian Skematik Fault Detector ... 60

Gambar 4.7 Diagram waktu Fault Detector ... 61

Gambar 4.8 Rangkaian Skematik Fault Handler ... 64

Gambar 4.9 Rangkaian Skematik Reset ... 66

Gambar 4.10 Diagram waktu saat kondisi Reset ... 67

Gambar 5.1 Grafik Tegangan Sekunder Transformator terhadap Beban ... 70

Gambar 5.2 Grafik Tegangan line to line Transformator dan Beban ... 71

Gambar 5.3 Grafik Tegangan setting Over Current Sensor ... 71

Gambar 5.4 Grafik timer fault ... 72

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Tabel Kebenaran Logika AND ... 34

Tabel 3.2 Tabel Kebenaran Logika OR ... 35

Tabel 3.3 Tabel Kebenaran NOT ... 36

Tabel 3.4 Tabel Flip-Flop JK ... 39

Tabel 3.5 Tabel Flip-Flop D... 40

Tabel 3.6 Tabel Kebenaran IC seri 74123 ... 46

Tabel 5.1 Pengujian Over Current transformator berbeban pada tegangan 220 V ... 69

Tabel 5.2 Pewaktu Fault ... 72

ABSTRAK

Penggunaan hubungan delta-delta pada transformator memiliki kelebihan yaitu masih mampu menyalurkan daya hingga 57,7% dari kapasitas total meskipun salah satu transformatornya terbuka (open) dari sistem. Pada tugas akhir ini, kelebihan delta-delta dikembangkan dengan merancang sebuah simulasi sistem back up menggunakan transformator cadangan yang akan menggantikan transformator yang terlepas secara otomatis saat penggunaan daya oleh beban telah mendekati batas kemampuan transformator hubungan open-delta (kondisi fault). Fungsi pendeteksi

fault dan pengontrolan dalam sistem simulasi dirancang menggunakan rangkaian logika. Penanganan fault kemudian dilakukan setelah rentang waktu tertentu, guna menjamin fault terjadi secara permanen. Pada akhirnya, implementasi dari rancangan ini diharapkan menghasilkan sebuah sistem yang fault tolerant.

Pengujian yang dilakukan terhadap rancangan, diperoleh persentase kesalahan 21,8% pada komponen pendeteksi kegagalan (fault detector). Sementara pada komponen pewaktu (timer) diperoleh persentase kesalahan sebesar 2,3% untuk mendeteksi fault dan 4,4% untuk mereset sistem. Hasil ini menunjukkan rancangan masih perlu pengembangan lagi dan disesuaikan untuk keperluan sebenarnya.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Transformator yaitu suatu alat yang dapat memindahkan energi listrik bolak-balik (AC) dari suatu rangkaian listrik ke rangkaian listrik lainnya melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi eletromagnetik pada frekuensi yang sama. Berdasarkan pemakaiannya transformator dapat dikelompokkan tiga jenis, yaitu Transformator Daya, Transformator Distribusi dan Transformator Pengukuran. Karena supply tegangan dan arus tiga fasa, juga untuk melayani beban yang terhubung tiga fasa maka transformator yang digunakan yaitu transformator tiga fasa. Transformator tiga fasa dapat berupa satu unit transformator tiga fasa atau pun tiga unit transformator satu fasa yang disebut transformator bank tiga fasa. Tiga unit transformator satu fasa dapat dihubungkan agar membentuk sistem tiga fasa dengan cara menghubungkan antara belitan transformator. Ada empat kemungkinan hubungan transformator bank tiga fasa yaitu Hubungan Wye, Hubungan Wye-Delta, Hubungan Delta- Wye dan Hubungan Delta- Delta.Hubungan Delta-Delta memiliki keuntungan daripada hubungan lainnya karena jika salah satu belitan mengalami kerusakan ataupun perbaikan dan tidak dapat melayani beban, maka dua belitan lainnya masih dapat beroperasi dengan menggunakan hubungan open delta.

Dalam industri yang bergerak di bidang kelistrikan, kontinuitas pelayanan kepada pelanggan merupakan prioritas utama. Jika salah satu transformator pada

transformator bank tiga fasa mengalami kegagalan dan dua transformator lainnya menjadihubungan open-delta dan penyaluran daya masih dapat diatasi untuk sementara. Hal ini akan membutuhkan waktu yang cukup lama dalam pemasangan transformator yang baru ke sistem semula bila dilakukan secara manual dengan menggunakan tenaga manusia. Untuk itu perlu suatu alat berbasis digital yang mendeteksi kondisi sistem dan secara otomatis mengalihkan transformator yang gagal ke transformator cadangan, sehingga pekerjaan dapat selesai dalam waktu yang relatif singkat dan efisien.

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Berdasarkan latar belakang tersebut, penulis bermaksud membuat suatu

prototypealat otomatis berbasis sistem digital dengan membuka transformator pada hubungan delta-delta menjadi open-delta dan apabila open-delta mendekati 57,7% dari kapasitas delta-delta, maka sistem akan mengalihkannya ke transformator cadangan secara otomatis, sehingga keandalan kontinutas pelayanan energi listrik tidak terputus.

Manfaat penulisan tugas akhir ini yaitu diharapkan dapat menjadi sumbangan dalam memperkaya ilmu pengetahuan dan memunculkan ide-ide kreatif dalam merancang suatu alat otomatis transformator lainnya.

1.3 Batasan Masalah

Agar pembahasan pada tugas akhir ini tidak meluas, maka penulis membatasi pembahasan dengan hal-hal sebagai berikut :

1. Membahas perancangan prototypepengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital.

2. Transformator yang digunakan tiga unit transformator satu fasa.

3. Pengambilan keputusan digital menggunakan gerbang-gerbang logika binary. 4. Menggunakan beban resitif yang terhubung delta.

5. Tidak membahas sensor dan penyebab kegagalan transformator delta-delta menjadi transformator open-delta.

6. Pembahasan hubungan open delta tidak ditinjau secara rinci. 7. Tidak membahas harmonisa.

1.4 Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini, maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi Literatur

Yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku- buku referensi yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain.

2. Studi Bimbingan

Yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk Departemen Teknik Elektro USU dalam hal ini Bapak Ir. Satria Ginting, MT.

3. Diskusi dan tanya jawab

Yaitu dengan mengadakan diskusi dan tanya jawab dengan dosen-dosen di lingkungan Departemen Teknik Elektro FT USU, dan rekan-rekan mahasiswa yang memahami masalah yang berhubungan dengan tugas akhir ini.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar pembahasan pada tugas akhir ini menjadi runtun dan teratur, maka menggunakan sistematika penulisan sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

BAB II TRANSFORMATOR

Bab ini menjelaskan tentang transformator secara umum, kontruksi, prinsip kerja, transformator tiga fasa, transformator tiga fasa hubungan delta-delta, dan transformator tiga fasa hubungan open-delta.

BAB III SISTEM DIGITAL

Bab ini menjelaskan bilangan biner, gerbang-gerbang logika binary dan flip-flop.

BAB IV SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL

Bab ini menjelaskan simulasi yang mendeteksi faultpada transformator tiga fasa hubungan open-delta, tundaan waktu setelah transformator gagal (open) dan pengalihan transformator gagal ke transformator cadangan yang dituju.

BAB V PENGUJIAN

Bab ini berisikan tentang hasil pengujian curren sensor dan

timer yang dilakukan pada simulasi rancangan pengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital.

BAB VI PENUTUP

Bab ini berisikan tentang kesimpulan dan saran dari penulisan tugas akhir.

BAB II

TRANSFORMATOR

2.1 Umum

Transformator merupakan suatu alat listrik statis yang mengubah suatu nilai arus maupun tegangan (energi listrik AC) pada satu rangkaian listrik atau lebih ke rangkaian listrik lainnya tanpa perubahan frekuensi, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik.

Pada umumnya transformator terdiri dari suatu inti yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan utama yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer dan kumparan sekunder terhubung secara magnetik dengan menggunakan fluks magnetik bersama yang terdapat pada inti. Salah satu dari dua kumparan transformator dihubungkan ke sumber energi listrik dan kumparan kedua (serta kumparan ketiga jika ada) akanmenyuplai energi listrik ke beban. Kumparan transformator yang terhubung ke sumber daya disebut kumparan primer sedangkan kumparan yang terhubung ke beban disebut kumparan sekunder, jika terdapat kumparan ketiga disebut kumparan tersier.

Penggunaan transformator sangatlah luas, baik dalam jaringan listrik maupun dalam bidang elektronika.Pada jaringan listrik, transformator digunakan untuk menaikkan tegangan (step up) dan menurunkan tegangan (step down) mulai dari pembangkit hingga menuju beban.Penggunaan transformator yang sederhana dan tepat merupakan salah satu alasan pemakaiannya dalam penyaluran energi listrik

(AC). Misalnya tegangan listrik yang dibangkitkan pada pembangkit berkisar 13,8 dan 24 KV, dikarenakan jarak beban dari pembangkit sangatlah jauh maka penyaluran energi listrik (AC) tersebut akan mengalami kerugian sebesar I2R watt. Kerugian ini akan berkurang apabila menggunakan tegangan yang dinaikkan menjadi tegangan tinggi pada awal saluran transmisi dan menurunkan kembali tegangan pada ujung saluran hingga menuju ke beban (distribusi). Transformator yang banyak digunakan pada jaringan energi listrik ini yaitu transformator tenaga dan transformator distribusi.

Selain itu,transformator yang digunakan juga di bidang elektronika berupa transformator yang kapasitasnya jauh lebih kecil.Misalnya, transformator yang digunakan untuk peralatan rumah tangga, yang terpakai pada adaptor, charger

elektronik, televisi, radio dan alat elektronik lainnya.

2.2 Konstruksi Transformator

Konstruksi transformator yang paling penting yaitu inti transformator, yang terbuat dari bahan ferromagnetik berupa plat-plat tipis yang ditumpuk menjadi satu (laminasi) dan terisolasi satu sama lainnya, dengan tujuan meminimalisir rugi-rugi arus eddy. Berdasarkan konstruksi intinya, transformator ada dua tipe yaitu tipe inti (core type) dan tipe cangkang (shell type).

Tipe Inti (core type)

Tipe inti terdiri dari suatu persegi sederhana dengan laminasi besi berisolasi dan kumparan transformator dililitkan pada dua sisi persegi tersebut. Pada

transformator tipe inti seperti ditunjukkan Gambar 2.1, kumparan mengelilingi inti dengan lempengan inti berbentuk huruf U atau L. Peletakan kumparan pada inti diatur secara berhimpitan antara kumparan primer dengan kumparan sekunder.

Gambar 2.1 Kontruksi Transformator Tipe Inti (core type)

Tipe Cangkang (shell type)

Tipe cangkang terdiri dari tiga kaki dengan lapisan inti berisolasi dan kumparan dibelitkan pada pusat kaki inti, sedangkan konstruksi intinya berbentuk huruf E dan I atau huruf F, seperti ditunjukkan Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Kontruksi Transformator Tipe Cangkang (shell type) Kumparan

Inti

Tipe U Tipe L

Kumparan

Inti

2.3 Prinsip Kerja Transformator

Transformator terdiri dari dua buah kumparan (primer dan sekunder) yang terpisah secara elektrik namun terhubung secara magnetik. Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetis dimana gaya gerak listrik diinduksikan pada suatu koil yang melingkupi perubahan fluks.

Gambar 2.3 Aliran Fluks pada Transformator

Pada transformator tanpa beban, kumparan primernya terhubung ke sumber tegangan AC (VP) dalam rangkaian tertutup, menghasilkan arus primer (IP) yang sinusoidal melalui kumparan NP. Arus IP ini akan menghasilkan gaya gerak magnet (ggm) sebesar NPIPdan membentuk fluks bolak-balik (Ф) yang terperangkap dalam inti besi seperti ditunjukkan Gambar 2.3. Jika VP merupakan gelombang sinus dan IP menghasilkan fluks sinusoidal yang sefasa, maka Ф:

Ф = Фmaks sin ωt (2.1)

Dimana : Ф = fluks magnetik (Weber)

φLS

φLP

Vs(t)

φM

φM

Np Ns

Ip _Is

ωt = kecepatan sudut putar

Fluks bolak balik yang mengalir pada kumparan primer akan terjadi induksi sendiri (self inductance, ФLP) yang kemudian fluks ini juga akan mengelilingi inti besi yang mengakibatkan fluks bersama (mutual inductance, ФM) dan menimbulkan fluks magnet pada kumparan sekunder (ФLS), sehingga keseluruhan energi listrik dapat dipindahkan secara magnetik.

e = (-) N dФ (2.2)

dt

Dimana : e = gaya gerak listrik (Volt) N = jumlah belitan pada kumparan Di sisi kumparan primer :

ФP = ФM + ФLP (2.3)

vP(t) = NP dФM + NPdФLP (2.4)

dt dt

vP(t) = eP(t) + eLP(t) (2.5)

Tegangan primer atau eP(t) yang diinduksikan oleh fluks bersama sebesar NP dФM dt Di sisi kumparan sekunder :

ФS = ФM+ ФLS (2.6)

vS(t) = NS dФM + NSdФLS (2.7)

dt dt

vS(t) = eS(t) + eLS(t) (2.8)

Tegangan sekunder atau eS(t) yang diinduksikan oleh fluks bersama sebesar NS dФM dt Bila rugi tahanan dan fluks bocor diabaikan, hubungan persamaan di atas yaitu:

eP(t) = NP = a (2.9)

Transformator tanpa beban menganggap belitan primer (NP) sebagai resistif murni sehingga IPakan tertinggal 900 dari VP yang terlihat pada gelombang sinusoidal ditunjukkan Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Gambar Gelombang I tertinggal 900 dari V eP (t) = - NPd(Фmaks sin ωt)

dt

eP (t) = - NPω Фmakscos ωt

eP (t) = NP ω Фmaks sin (ωt - 900) (2.10)

Tegangan (eP) tertinggal 900 dari fluks (Ф) ditunjukkan Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Gambar Gelombang Tegangan (eP) tertinggal 900dari Fluks (Ф) Ip, Фp

Vp

Ф

I_Ф eP, eS

Harga efektifnya (EP) yaitu:

EP = NP ω Фmaks √2 EP = NP2πf Фmaks

√2

EP = NP 2x3,14 f Фmaks √2

EP = 4,44 NPfФmaks (2.11)

Sedangkan pada sisi sekunder, fluks bersama juga menimbulkan eS, yaitu :

eS(t) = NS ω Фmaks cos ωt (2.12)

Harga efektifnya ESyaitu :

ES = 4,44 NSfФmaks (2.13)

Dimana : ФP = fluks total primer (Weber) ФLP = fluks lingkup primer (Weber)

ФM = fluks bersama kumparan primer dan sekunder (Weber) ФS = fluks total sekunder (Weber)

ФLS = fluks lingkup sekunder (Weber) NP = jumlah belitan kumparan primer NS = jumlah belitan kumparan sekunder

eP(t)= gaya gerak listrik terinduksi pada kumparan primer (Volt) eS(t)= gaya gerak listrik terinduksi pada kumparan sekunder (Volt)

2.4 Transformator Berbeban

Apabila kumparan sekunder transformator dihubungkan ke beban (ZL) pada rangkaian tertutup maka I2akan mengalir dari kumparan sekunder ke beban sebesar I2= V2/ ZL dengan θ2 sebagai faktor daya beban, seperti ditunjukkan Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Transformator Keadaan Berbeban

Arus I2 yang mengalir pada kumparan sekunder (N2I2) menimbulkan gaya gerak magnet (ggm) sinusiodal yang membentuk fluks (Ф2). Fluks ini akan melawan fluks bersama yang ada (ФM). Agar fluks bersama bernilai konstan, pada kumparan primer harus mengalir sebesar I2’ untuk dapat melawan fluks yang dibangkitkan arus beban I2, seperti ditunjukkan Gambar 2.7, sehingga keseluruhan arus yang mengalir pada kumparan primer yaitu:

I1 = I0 + I2’ (2.14)

I0 = Ic + Im jika rugi-rugi inti diabaikan(Ic), maka I0 =Im

I1 = Im + I2’ (2.15)

Gambar 2.8 Diagram Vektor Transformator

Berdasarkan Gambar 2.8 yang menampilkan diagram vektor suatu transformator, maka dapat diketahui hubungan penjumlahan vektornya yaitu:

V1 = I1R1 + I1X1 + E1 E2 = I2R2 + I2X2 + V2

Bila hubungan perbandingan tegangan dan belitan dimisalkan a , sehingga : E1/E2= N1/N2 = a

E1 = a E2

E1 = a (I2R2 + I2X2 + V2)

V1 = I1R1 + I1X1 + a (I2R2 + I2X2 + V2)

V1 = I1R1 + I1X1 + a I2R2 + a I2X2 + aV2 karena I2= aI’2, maka V1 = I1R1 + I1X1 + a (aI’2R2) + a (aI’2X2) + aV2

V1 = I1R1 + I1X1 + a2I’2R2 + a2I’2X2 + aV2

Dari persamaan 2.16, jika semua parameter sekunder dinyatakan pada sisi rangkaian primer maka seluruh komponen sekunder perlu dikalikan dengan faktor a2, sehingga rangkaian ekivalennya berubah seperti ditunjukkan Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Transformator dari Sisi Primer Gambar 2.9 disederhanakan menjadi Gambar 2.10 dengan menggunakan variabel REK dan XEKyaitu :

REK = R1 + a2R2 (2.17)

XEK = X1 + a2X2 (2.18)

Gambar 2.10 Penyederhanaan akhir Rangkaian Transformator

2.4.1 Resistif

Transformator yang terhubung dengan beban resistif murni (RL) pada rangkaian tertutup, akan mengalir arus I2 dari kumparan sekunder ke beban, seperti

ditunjukkan Gambar 2.7. Dikarenakan pada kumparan sekunder transformator terdapat R2 dan X2, maka ini mengakibatkan beda fasa antara I2 dan E2 yaitu sebesar tan θ2 = X2 / (R2+RL), ditunjukkan Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Diagram Vektor Transformator Berbeban Resistif

2.4.2 Induktif

Transformator dihubungkan dengan beban induktif (ZL), arus sekunder I2akan mengalir dari kumparan sekunder menuju ke beban, ditunjukkan Gambar 2.7. Diasumsikan beban memiliki faktor daya tertinggal (lagging), seperti ditunjukkan Gambar 2.12.

Pada sisi sekunder terdapat beban induktif (RL + jXL) maka I2 tertinggal terhadap V2 sebesar tan φ2 = XL/RL, sedangkan beda fasa I2 dan E2 dipengaruhi oleh (RL + jXL) dan (R2 + jX2) sebesar tan θ2 = (X2+XL) / (R2+RL). Jatuh resistansi sekunder terhitung oleh I2R2 yang paralel terhadap I2.Gaya gerak magnet sekunder

Ф0 IM I0 I1 Ф1 Ф2

11R1

12R2

11X1

12X2

1h+e

V1 _V2

I2

I2N2 memberikan kenaikan fluks (Ф2) yang melingkupi hanya kumparan sekunder dan tidak pada kumparan primer. Fluks lingkup sekunder Ф2 sefasa dengan I2, dengan alasan yang sama fluks lingkup primer Ф1 sefasa dengan I1. Fluks lingkup sekunder menginduksi gaya gerak listrik E2 pada kumparan sekunder, fluks tertinggal 900.

Gambar 2.12 Diagram Vektor Transformator Berbeban Induktif

2.4.3 Kapasitif

Apabila beban yang terhubung disisi sekunder beban kapasitif (ZC), arus beban I2 mendahului V2 dengan faktor daya mendahului (leading), ditunjukkan diagram vektor pada Gambar 2.13. Beda fasa I2 dan V2 yang dikarenakan beban kapasitif (Rc - jXc) yaitu tan φ2 = XC/RC sedangkan beda fasa I2 dan E2 yaitu sebesar tan θ2 = (XC - X2)/(RC - R2).

I0

IM I1

Ih+e

I2’ E1 E2

I1X1

I2X2 I1R1

I2R2 -E1

V1 V2

I2

Ф1

Gambar 2.13 Diagram Vektor Transformator Berbeban Kapasitif

2.5 Transformator Tiga Fasa 2.5.1 Umum

Secara umum dalam sistem pembangkit dan distribusi di dunia menggunakan sistem AC tiga fasa, ini penting untuk memahami bagaimana transformator dapat digunakan dalam sistem tiga fasa.

Transformator tiga fasa dapat dibentuk dengan 2 cara. Cara pertama secara sederhana dengan mengambil tiga unit transformator satu fasa dan menghubungkannya pada suatu bank 3 fasa, ditunjukkan Gambar 2.14. Sedangkan cara kedua dengan membuat transformator tiga fasa yang terdiri dari tiga kumparan yang dibelit pada suatu inti bersama, ditunjukkan Gambar 2.15. Kedua cara tersebut memiliki keuntungan masing-masing.

I1R1

I1X1

I2X2

I2R2 -I2 I1 -E1 V1 I0 Ih+e IM V2

E1 E2

2.5.2 Kontruksi Transformator Tiga fasa

Untuk mengurangi kerugian yang dipengaruhi oleh arus pusar di dalam inti, rangkaian magnetik itu biasanya terdiri dari setumpuk laminasi tipis.Transformator tiga fasa menjadi dua tipe yaitu tipe inti seperti ditunjukkan Gambar 2.14 dan tipe cangkang ditunjukkan Gambar 2.15. Pada tipe inti (core type) kumparan dililitkan disekitar dua kaki inti magnetik persegi sedangkan tipe cangkang (shell type) kumparan dililitkan sekitar kaki tengah dari inti berkaki tiga dengan laminasi silikon

steel, tipe cangkang ini dapat disusun dari tiga unit transformator satu fasa.

Gambar 2.14 Transformator Tiga Fasa tipe Inti

Dari Gambar 2.14 akan terlihat pemakaian inti besi pada transformator tiga fasa akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan pemakaian tiga buah transformator fasa tunggal. Pada bidang abcd ditunjukkan Gambar 2.15 hanya mengalir fluks sebesar (ФR/2 - ФS/2). Sedangkan berdasarkan diagram vektornya diketahui bahwa nilai vektor tersebut adalah sebesar (√3/2) ФR, ditunjukkan Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Diagram Vektor Transformator Tiga Fasa tipe Cangkang Apabila digunakan tiga buah transformator fasa tunggal, pada bagian tersebut akan mengalir fluks sebesar ФR. Penggunaan inti akan lebih hemat dengan transformator tiga fasa.Konstruksi satu unit transformator tiga fasa lebih praktis karena lebih murah dan lebih efisien sedangkan keuntungan kontruksi tiga unit transformator satu fasa hubungan delta-delta yaitu jika terjadi masalah pada salah satu unitnya maka, unit itu bisa dipindahkan tanpa merusak sistem tiga fasa transformator.

2.5.3 Hubungan Tiga Fasa Transformator

Secara umum hubungan tiga fasa pada transformator terbagi dua jenis yaitu hubungan bintang dan hubungan delta.Masing-masing hubungan ini memiliki karakteristik arus dan tegangan yang berbeda-beda.Hubungan bintang dan hubungan delta dapat dihubungkan disisi primer maupun disisi sekunder transformator.

Hubungan bintang

Hubungan bintang atau wye dibentuk dengan menggabungkan tiga belitan dengan rating yang sama pada satu common, ditunjukkan pada Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Transformator Tiga Fasa hubungan Bintang VLINE = VRS = VST = VTR

VFASA = VR = VS = VT IFASA = IR = IS = IT IFASA = ILINE

VLINE = √3 VFASA (2.19)

Dimana : VFASA = Tegangan line ke netral (Volt) VLINE = Tegangan line ke line (Volt) ILINE = Arus line ke line (Ampere) IFASA = Arus line ke netral (Ampere)

Hubungan delta

Hubungan delta dibentuk dengan menghubungkan sisi tegangan tinggi dan tegangan rendah pada belitan yang berbeda dengan membentuk segitiga, ditunjukkan pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Transformator Tiga Fasa hubungan Delta VLINE = VRS = VST = VTR

ILINE = IR-IT = IS-IR = IT-IS IFASA = IR = IS = IT VLINE = VFASA

ILINE = √3 IFASA (2.20)

Dimana : VFASA = Tegangan fasa (Volt)

VLINE = Tegangan line ke line (Volt) ILINE = Arus line ke line(Ampere) IFASA = Arus fasa (Ampere)

2.5.4 Jenis Hubungan Belitan Transformator Tiga Fasa

Dengan menggunakan hubungan wye atau delta pada sisi primer maupun sekunder transformator maka ada 4 kemungkinan jenis hubungan belitan transformator tiga fasa yang terbentuk, yaitu:

Hubungan wye-wye (Y-Y)

Gambar 2.19 Transformator Tiga Fasa hubungan YY Dalam hubungan YY, tegangan primer pada masing-masing fasa yaitu:

VøP = VLP / √3 (2.21)

Dimana : VøP = Tegangan fasa sisi primer (Volt) VLP = Tegangan line sisi primer (Volt)

Dalam hubungan Y-Y, jika beban transformator tidak seimbang maka tegangan fasa pada transformator juga tidak akan seimbang. Jadi, tegangan fasa primer berbanding lurus terhadap tegangan fasa sekunder dan perbandingan belitan transformator (a)yaitu :

VLP = √3VøP = a (2.22)

VLS √3VøS

Hubungan wye-delta (Y∆)

Hubungan wye-delta (Y∆) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar 2.20. Sisi primer terhubung wye (Y) dan sisi sekunder transformator terhubung delta (∆).

Gambar 2.20 Transformator Tiga Fasa hubungan Y∆

Dalam hubungan wye-delta tegangan line pada sisi primer sebanding dengan tegangan fasanya yaitu, VLP = √3 VøP. Sedangkan pada sisi sekunder, tegangan line

sama dengan tegangan fasa yaitu, VLS = VøS. Jadi, perbandingan tegangan pada hubungan ini yaitu :

VLP = √3VøP = √3a (2.22)

VLS VøS

Kelebihan hubungan wye-delta ini lebih stabil dan tidak terdapat masalah terhadap beban tidak seimbang maupun harmonisa.

Hubungan delta-wye (∆Y)

Hubungan delta-wye (∆Y) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar 2.21. Sisi primer terhubung delta (∆) dan sisi sekunder transformator terhubung wye (Y).

Gambar 2.21 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆Y

Kelebihan hubungan delta-wye sama dengan hubungan wye-delta. Pada hubungan ini tegangan line pada sisi primer sama dengan tegangan fasanya yaitu, VLP = VøP. Sedangkan pada sisi sekunder, tegangan line sebanding dengan tegangan fasanya yaitu, VLS = √3VøS. Sehingga perbandingan tegangan transformator yaitu :

VLP = VøP = a (2.23)

VLS √3VøS √3

Hubungan delta-delta (∆∆)

Hubungan delta-delta (∆∆) transformator tiga fasa ditunjukkan Gambar 2.22.Pada hubungan ini, sisi primer maupun sekunder transformator terhubung delta (∆).

Gambar 2.22 Transformator Tiga Fasa hubungan ∆∆

Pada hubungan ini tegangan line sama dengan tegangan fasa baik disisi primer maupun sekunder transformator yaitu, VLP = VøP dan VLS = VøS. Sehingga perbandingan tegangan transformator menjadi,

VLP = VøP = a (2.24)

VLS VøS

Kelebihan pada hubungan ∆∆ yaitu tidak terjadi perbedaan fasa dan tetap stabil terhadap beban tidak seimbang maupun harmonisa.Selain itu, kelebihan dari penggunaan delta-delta yaitu jika salah satu belitan fasanya putus maka transformator ini masih dapat bekerja dalam melayani beban meski hanya menggunakan dua belitan saja, ini disebut hubungan open delta.

Dalam hubungan delta-delta, tegangan line to linesama dengan tegangan fasa di primer maupun sekunder transformator, VRS = VRT = VST = VLL =VLN.

Menentukan arus dengan menggunakan delta-delta sama juga seperti hubungan delta sebelumnya yaitu:

ILINE= √3 IFASA (2.25)

Dimana : ILINE = Arus line to line (Ampere) IFASA = Arus fasa(Ampere)

2.6 Transformator Tiga Fasa hubungan Open-delta

Transformator tiga fasa hubungan open-delta umumnya hanya digunakan untuk sementara apabila transformator yang mengalami kerusakan dalam sistem tiga fasa hubungan delta-delta akan diperbaiki atau diganti dengan transformator yang baru. Hubungann open-delta ini menggunakan dua belitan dalam melayani beban tiga fasa.Perubahan belitan pada inti tidak perlu dilakukan untuk mengurangi

leakageimpedance untuk memperoleh sistem yang lebih seimbang.Selain itu, hubungan open-delta juga dilakukan jika beban yang dilayani sekarang terlalu kecil dibandingkan dengan kapasitas transformatornya.

Untuk menentukan daya pada transformator open-delta maka perlu diperhatikan vektor tegangan dan vektor arusnya.Dengan mengubah hubungan kumparan transformator menjadi hubungan open-delta maka tegangan tiga fasanya adalah tetap. Misalkan, tegangan pada dua kumparan tersisa yaitu: VAB = VL 1200 dan VBC = VL 00 , sehingga :

Gambar 2.23 Transformator Tiga Fasa Open-delta Berbeban VCA = - VAB - VBC

= - V 1200 - V 00 = (0,5 - j0,866) V - 1 V

= V 2400 (2.26)

Jika transformator open-delta melayani beban tiga fasa resistif yang seimbang maka vektor arus dan tegangannya sebagai berikut:

Gambar 2.24 Diagram vektor Tegangan dan Arus Transformator Open-delta Dari Gambar 2.24 terlihat bahwa arus fasa Iab tertinggal dari tegangan Vab sebesar 300sedangkanarus fasa Ibc mendahului Vbc sebesar 300. Hubungan arus fasa dan arus line adalah sebagai berikut :

Ib = Ibc

Ic = -Iab - Ibc (2.27)

Sehingga besar daya pada transformator open delta yaitu: P = VI Cos θ

P1 = VabIab Cos (-300)

= √3/2 VI (2.28)

P2 = VbcIbc Cos (300)

= √3/2 VI (2.29)

Jadi, P = P1 + P2

P = √3 VI (2.30)

Sedangkan daya reaktifnya adalah: Q1 = VbcIbc Sin (300)

= 1/2 VI (2.30)

Q2 = VabIab Sin (-300)

= - 1/2 VI (2.31)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa pada transformator open-delta kapasitasnya akan berkurang dibandingkan dengan transformator delta-delta. Besarnya kapasitas transformator open-delta tidak sama dengan penjumlahan kapasitas kedua transformator 1 fasa tetapi hanya 86,6% nya. Hal ini dapat dijelaskan dengan persamaan-persamaan berikut ini :

Kapasitas ∆-∆ = √3 VLINE ILINE = √3 VLINE (√3 IFASA)

Sedangkan hubungan open-delta, arus line to line sama dengan arus fasa sehingga : Kapasitas V-V = √3 VLINE ILINE

= √3 VLINEIFASA (2.33)

Dengan membandingkan kedua persamaan diatas, maka diperoleh : S V-V = √3 VLINE IFASA

S ∆-∆ 3 VLINE IFASA

= 0,577 atau 57,7% (2.34)

Dimana :SV-V = rating KVA transformator hubungan open-delta S _∆-∆ = rating KVA transformator hubungan delta-delta

Transformator open-delta dengan dua belitan seharusnya dapat menyuplai 2/3 persen dari kapasitas total transformator hubungan delta-delta, tetapi ternyata kedua belitan tersebut hanya mampu menyuplai 57,7 persen dari kapasitas total transformator. Jadi, perbandingan transformator atau yang disebut juga faktor utilitas yaitu 57,7 / 66,6 = 0,866 atau 86,6 persen saat kedua belitannya melayani keadaan berbeban. Dengan dioperasikan seperti ini, transformator masih dapat mengirim daya tiga fasa dengan urutan belitan yang sama, tetapi kapasitasnya yang turun menjadi 57,7 persen dari kapasitas total transformator delta-delta. Misalnya, transformator delta-delta bekerja pada beban nominalnya, jika transformator tersebut diubah menjadi open-delta dengan beban yang sama seperti sebelumnya, maka sisa kedua transformator akan mengalami overload atau beban lebih masing-masing sebesar 173,2 persen.

Total beban hubungan V-V = √3VLINEIFASA= √3 (2.35) VA masing-masing transformator VLINEIFASA

Untuk mencegah kerusakan akibat terjadinya overload ini, maka beban transformator harus dikurangi atau menggunakan otomatisasi yang dapat menghubungkan sistem open-delta langsung menjadi delta-delta tanpa mengurangi beban secara otomatis.

BAB III

SISTEM DIGITAL

Sistem digital merupakam wahana pengembangan bilangan biner 0 dan 1 yang terdapat pada komputer, kalkulator dan sistem terpadu lainnya.Hal ini merupakan satu bidang yang menarik karena penggunaan rangkaian digital yang telah berkembang pesat.Rangkaian yang hanya menangani sinyal tinggi dan rendah disebut rangkaian digital.Rangkaian digital lebih menonjol dan lebih produktif terutama dikarenakan IC digital yang diandalkan dengan harga yang lebih murah.

3.1. Bilangan Biner

Banyak sistem bilangan yang dapat dan telah digunakan dalam melaksanakan perhitungan.Karena komponan - komponen komputer digital yang merupakan sistem digital bersifat saklar (switch), sistem bilangan yang paling sesuai untuk komputer adalah sistem bilangan biner (binary).Bilangan biner hanya dua macam simbol yaitu 0 dan 1.

an-1an-2...a1a0a-1a-2...a-m = an-1Rn-1...+ a1R1+ a0R0 + a-1R-1...+ a-mR-m (3.1) Dimana : an-1 = angka paling kiri

R = 2 (angka dasar dari sistem bilangan)

n = cacah angka yang menunjukkan bilangan bulat m = cacah angka yang menunjukkan bilangan pecahan

Dapat disadari bahwa bila kita bekerja dengan lebih dari satu bilangan, maka kita akan mengalami kebingungan bila kita tidak memakai tanda yang menyatakan

dasar setiap bilangan. Untuk mencegah hal ini, pada setiap bilangan dicantumkan dasar bilangannya, seperti (101)2 atau 1012 untuk menyatakan bilangan biner 101 dalam biner.Dalam praktek pemograman komputer, sering tanda tersebut hanya diberikan kepada bilangan yang bukan puluhan.

3.2 Gerbang Logika Binary

Bentuk dasar blok dari setiap rangkaian digital adalah suatu gerbang logika. Gerbang logika akan kita gunakan untuk operasi bilangan biner sehingga istilah ini disebut gerbang logika binary. Gerbang logika dapat disusun dengan menggunakan saklar sederhana, relay, transistor dan dioda atau IC. Istilah logika digunakan untuk menyatakan suatu proses pengambilan keputusan. Maka suatu gerbang logika merupakan suatu rangkaian yang dapat memutuskan “ya” dan “tidak” pada keluaran berdasarkan masukannya. Jenis gerbang logika binary yaitu gerbang AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR dan XNOR. Pada perancangan yang digunakan hanya gerbang logika AND, OR dan NOT.

3.2.1 Gerbang AND

Gerbang AND disebut juga gerbang semua atau tidak. Gambar 3.1 menunjukkan dasar tentang gerbang AND dengan saklar sederhana. Dalam implementasi gerbang ini dapat menggunakan IC tipe 7408.

Gambar 3.1 Rangkaian sederhana logika AND

Agar keluaran atau lampu menyala dengan menutup kedua saklar (A dan B) ditutup. Simbol gerbang AND ditunjukkan Gambar 3.2 dan tabel kebenarannya ditunjukkan pada Tabel 3.1.

Gambar 3.2 Simbol gerbang AND Tabel 3.1 Tabel Kebenaran Logika AND

MASUKAN KELUARAN

A B Y

Tegangan Biner Tegangan Biner Menyala Biner

Rendah 0 Rendah 0 Tidak 0

Rendah 0 Tinggi 1 Tidak 0

Tinggi 1 Rendah 0 Tidak 0

Tinggi 1 Tinggi 1 Ya 1

Suatu perkalian titik (.) pada masukkan untuk menyatakan ekspresi Boolean fungsi AND yaitu A.B = Y. Tabel 3.1 menunjukkan tabel kebenaran gerbang AND. Keluaran gerbang akan bernilai tinggi bila kedua masukannya tinggi (A=1 dan B=1).

3.2.2 Gerbang OR

Gebang OR disebut juga gerbang setiap atau tidak. Gambar 3.3 menunjukkan dasar tentang gerbang OR. Keluaran atau lampu akan menyala bila masing-masing atau kedua saklar masukannya tertutup, tetapi lampu tidak akan menyala bila masukan kedua saklarnya terbuka. Simbol gerbang OR ditumjukkan Gambar 3.4.

Gambar 3.3 Rangkaian sederhana logika OR

Gambar 3.4 Simbol gerbang dan ekspresi Boolean OR Tabel 3.2 Tabel Kebenaran Logika OR

MASUKAN KELUARAN

A B Y

Saklar Biner Saklar Biner Menyala Biner

Terbuka 0 Terbuka 0 Tidak 0

Terbuka 0 Tertutup 1 Ya 1

Tertutup 1 Terbuka 0 Ya 1

Tertutup 1 Tertutup 1 Ya 1

(b) (a)

Suatu tanda positif (+) pada masukan untuk menyatakan ekspresi Boolean fungsi OR yaitu A+B = Y. Tabel kebenaran OR ditunjukkan Tabel 3.2. Keluaran gerbang OR akan bernilai rendah bila kedua masukannya rendah (A=0 dan B=0). Dalam implementasi gerbang OR dapat menggunakan IC tipe 7432.

3.2.3 Pembalik (NOT)

Rangkaian NOT disebut juga pembalik atau komplemen. Rangkaian NOT hanya dengan satu masukan dan satu keluaran yang fungsinya dengan memberikan suatu keluaran yang tidak sama dengan masukannya. Simbol NOT ditunjukkan Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Simbol NOT Tabel 3.3 Tabel Kebenaran NOT

MASUKAN KELUARAN

A Y

Tegangan Biner Tegangan Biner

Rendah 0 Tinggi 1

Tinggi 1 Rendah 0

Tabel kebenaran rangkaian NOT ditunjukkan Tabel 3.3.Bila tegangan pada masukan rendah maka keluarannya tinggi begitu juga untuk masukan tinggi maka keluarannya rendah. Jika A kan maka keluarannya Y= A, kemudian

kan lagi keluarannya menjadi A, sehingga A = A. Dalam implementasi gerbang NOT dapat menggunakan IC tipe 7404.

Dari literatur, gerbang NAND lebih banyak tersedia dibanding gerbang lainnya.Oleh karena itu, gerbang NAND digunakan secara luas sehingga disebut gerbang universal. Gerbang NAND dapat digunakan dalam merangkai rangkaian gabungan (NOT, OR, AND) mengunakan satu jenis IC tipe 7400,

A . B + A . C = Y (3.2)

Gambar 3.6 Rangkaian Gabungan NOT, OR dan AND

Gambar 3.6 memperlihatkan untuk permasalahan di atas menggunakan gerbang NOT, OR, AND sehingga membutuhkan tiga IC yang berbeda. Untuk menyearahkan permasalahan di atas maka semua gerbang hanya menggunakan satu jenis IC NAND seperti ditunjukkan Gambar 3.7.Dalam perancangan rangkaian digital, hal ini merupakan akhir yang paling baik dengan biaya yang paling murah.

3.3 FLIP-FLOP

Rangkaian logika terbagi dua yaitu rangkaian logika gabungan yang menggunakan gerbang AND, OR, NOT dan rangkaian logika sekuensial yang meliputi peralatan memory dan pewaktu. Blok bangunan dasar untuk rangkaian logika sekuensial berupa flip-flop (FF). Flip-flop dihubungkan untuk membentuk pencacah, register geser dan peralatan memory lainnya.Flip-flop dibedakan atas beberapa jenis yaitu RS, JK, D dan T. Flip-flop RS merupakan dasar dari flip-flop jenis lainnya.Pada perancangan prototype otomatisasi hanya menggunakan flip-flop JK dan T.

3.3.1 FLIP-FLOP JK

Flip-flop JK diberinama berdasarkan masukannya, J dan K. Flip-flop ini mengatasi kelemahan flip-flop RS yang melarang masukan R=S=1, dengan meng-AND-kan masukan dari luas seperti ditunjukkan Gambar 3.13.

Tabel 3.4 Flip-flop JK

J K Q Q'

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 1 1 0

Apabila masukan J=K=0, maka keadaan selanjutnya (Q’) bergantung pada keadaan sekarang (Q). Sedangkan masukan J=K=1, hal ini membuat keadaan keluaran selanjutnya (Q’) berbalik dari keadaan sekarang (Q). Flip-flop JK akan berubah untuk setiap perubahan J dan K, hal ini menunjukkan flip-flop JK bekerja tak serempak. Untuk menyerempakkan (sinkron) pada flip-flop perlu ditambahkan penabuh.Ini dilakukan dengan meng-AND-kan pulsa clock dengan masukan J dan K.

3.3.2 FLIP-FLOP D

Nama flip-flop D berasal kata Delay (tunda). Flip-flop ini hanya satu masukan D. Flip-flop D akan mengikuti keadaan D pada saat penabuh aktif, yaitu Q’= D untuk sinyal penabuh berlogika 1 (CP = 1) seperti Tabel 3.5. Bila masukan D berubah saat CP = 0 maka Q’ tidak berubah (Q = Q’). Dikatakan keadaan keluaran Q’ dipalang pada keadaan D saat perubahan CP dari aktif (CP = 1) ke tidak aktif (CP = 0). Flip-flop D dapat dibentuk dari flip-Flip-flop JK dengan membalik masukan K seperti ditunjukkan Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Rangkaian Flip-Flop D Tabel 3.5 Tabel Flip-Flip D

D Q Q'

0 0 0

0 1 0

1 0 1

1 1 1

3.4 IC Logika Praktis

Gerbang-gerbang logika yang ada umumnya diimplementasikan dalam sebuah rangkaian terintegrasi atau biasa disebut IC (Integrated Circuit).Terdapat dua jenis IC logika praktis yang umum digunakan, yaitu TTL (transistor-transistor logic) dan CMOS (Complementary Metal-oxyde Semiconductor).

TTL (Transistor - Transistor Logic)

IC jenis TTL menggunakan tegangan 0V sebagai level tegangan logika rendah (low) dan tegangan +5 V sebagai level tegangan logika tinggi (high). Diagram rangkaian logika menggunakan IC TTL 7408 ditunjukkan Gambar 3.10.Catu daya yang teratur 5V dc untuk semua peralatan TTL.Daya postif (Vcc) ke kaki 14 dan GND ke kaki 7. Saklar masukan A dan B ke kaki 1 dan 2. Bila saklar pada posisi ke atas maka logis 1 (+5V) diberikan pada masukan.Bila saklar pada posisi ke bawah

maka logis 0 diberikan pada masukan. Seperti Gambar 3.10, LED dan resistor pembatas 150Ω terhubung ke GND. Bila keluaran pada kaki 3 tinggi (mendekati +5V) maka arus mengalir melalui LED sehingga LED dapat menyala.

Gambar 3.10 Rangkaian Logika menggunakan IC TTL 7408

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Penggunaan IC TTL memiliki kekurangan yaitu pemakaian daya yang besar.Maka dikembangkan IC yang hampir tidak mengkonsumsi daya yaitu CMOS (complementary metal oxide semikonduktor). IC CMOS, Vdd (tegangan positif) terhubung ke kaki 14 dan Vss (GND atau tegangan negatif) ke kaki 7. Apabila menggunakan CMOS, semua masukan yang tidak terpakai dihubungkan ke GND atau Vdd. Diagram logika rangkaian gerbang AND 2 pada IC CMOS 4081 masukan .

Gambar 3.11 Rangkaian Logika menggunakan IC CMOS 4801

Keluaran gerbang AND ditunjukkan pada kaki 3. Transistor akan meng-on-kan LED bila kaki 3 tinggi dan meng-off-meng-on-kan LED ketika keluarannya rendah. Seperti pada Gambar 3.11, apabila saklar A dan B pada posisi ke atas dengan masukan tinggi maka keluaran tinggi. Keluaran tinggi (sekitar +5V) pada basis Q1 meng-on-kan transistor dan LED dapat menyala.

Pada tugas akhir ini sendiri akan menggunakan IC jenis TTL karena lebih tahan terhadap tegangan statik dan lebih kebal terhadap noise. IC yang akan digunakan adalah seri 7404, 7408, 7432, 7474, 7476, dan 74123.

3.4.1 IC Seri 7404

IC seri 7404 merupakan IC TTL yang terdiri dari enam buah gerbang NOT. Gambar 3.12 menampilkan diagram sambungan dari IC 7404.

5V CMOS

Gambar 3.12 Diagram sambungan IC seri 7404

3.4.2 IC Seri 7408

IC seri 7408 merupakan IC TTL yang terdiri dari empat buah gerbang AND dua masukan. Gambar 3.13 menampilkan diagram sambungan dari IC 7408.

Gambar 3.13 Diagram sambungan IC seri 7408

3.4.3 IC Seri 7432

IC seri 7432 merupakan IC TTL yang terdiri dari empat buah gerbang OR dua masukan. Gambar 3.14 menampilkan diagram sambungan dari IC 7432.

Gambar 3.14 Diagram sambungan IC seri 7432

3.4.4 IC Seri 7474

IC seri 7474 merupakan IC TTL yang terdiri dari dua buah flip-flop D dengan pewaktu (clock).Gambar 3.15 menampilkan diagram sambungan dari IC 7474.

Gambar 3.15 Diagram sambungan IC seri 7474

Pin CK berfungsi sebagai pewaktu (clock) yang bersifat high-to-low edge

sehingga keluaran flip-flop D akan berubah hanya saat pin CK berubah (transisi) dari nilai logika rendah menjadi logika tinggi. Pin CLR berfungsi sebagai sinyal clear

preset yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai tinggi. Pin CLR dan PR ini bersifat active-low, sehingga akan berfungsi saat diberi nilai logika rendah.

3.4.5 IC Seri 7476

IC seri 7476 merupakan IC TTL yang terdiri dua buah flip-flop JK dengan pewaktu (clock). Gambar 3.16 menampilkan diagram sambungan dari IC 7476.

Gambar 3.16 Diagram sambungan IC seri 7476

Pin CK berfungsi sebagai pewaktu (clock) yang bersifat low-to-high edge

sehingga keluaran flip-flop JK akan berubah hanya saat pin CK berubah (transisi) dari nilai logika tinggi menjadi logika rendah. Pin CLR berfungsi sebagai sinyal clear

yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai rendah. Pin PR berfungsi sebagai sinyal preset yang akan membuat nilai keluaran Q bernilai tinggi. Pin CLR dan PR ini bersifat active-low, sehingga akan berfungsi saat diberi nilai logika rendah.

3.4.6 IC seri 74123

IC seri 74123 merupakan monostable multivibrator yang dapat ditrigger kembali, yang mampu menghasilkan pulsa output mulai dari beberapa nano detik hingga durasi yang sangat panjang dengan duty cycle hingga 100%. Terdapat dua

monostable multivibrator dalam satu IC, dimana pada setiap monostable multivibrator terdapat tiga masukan yang memberikan pilihan trigger baik yang leading edge maupun yang trailing edge. Gambar 3.17 menampilkan diagram koneksi dari IC seri 74123. Masukan A merupakan masukan trigger yang aktif saat transisi rendah (low) sedangkan masukan B merupakan masukan trigger yang aktif saat transisi tinggi (high). Masukan clear berfungsi mengakhiri pulsa pada output tanpa pengaruh dari komponen pewaktuan. Masukan CLR juga dapat digunakan sebagai trigger ketika diberi pulsa transisi rendah (low). Sekali trigger, lebar pulsa dapat diperpanjang dengan men-trigger kembali atau dipendekkan dengan masukan rendah (low) pada CLR. Tabel 3.6 menunjukkan tabel kebenaran dari IC seri 74123.

Gambar 3.17 Diagram koneksi IC seri 74123 Tabel 3.6 Tabel Kebenaran IC seri 74123

Input Output

clear A B Q Q

L X X L H

X H X L H

X X L L H

H L U

H V H

U L H

L = Low H = High X = Immaterial

Rangkaian pewaktu IC seri 74123 ditunjukkan Gambar 3.18.Lebar pulsa

outputakan ditentukan oleh resistor eksternal (RX) dan kapasitor eksternal (CX). Untuk CX>> 1000 pF lebar pulsa keluaran (TW) dapat ditentukan dengan persamaan 3.3.

Gambar 3.18 Rangkaian Pewaktu

TW = K x RX x CX (3.3)

Dimana: TW = lebar pulsa (ns)

K = konstanta (0,37) RX = resistor eksternal (kΩ) CX = kapasitor eksternal (pF)

Rx

Cx Vcc

BAB IV

SIMULASI RANCANGAN PENGALIH OTOMATIS

TRANSFORMATOR HUBUNGAN DELTA-DELTA

MENGGUNAKAN SISTEM DIGITAL

4.1. Umum

Pada tugas akhir ini dirancang sebuahsimulasi sistem transformator tiga fasa hubungan delta-delta yang mampu mentoleransi gangguan (fault tolerant).Simulasi sistem menggunakan tiga unit transformator satu fasa.Jika salah satu transformator hubungan delta-delta dibuka, maka sementara waktu sistem menjadi hubungan open-delta. Hubungan open-delta hanya mampu menyuplai 57,7% dari kapasitas total, untuk mengatasi kondisi overload open-delta ini, maka dibutuhkan satu transformator cadangan (back up) yang secara otomatis dapat menggantikan transformator sebelumnya (open) dan membentuk kembali sistem tiga fasa hubungan delta-delta.

Gambaran simulasi secara umum ditampilkan dalam sebuah rangkaian skematik pada Gambar 4.1.Sistem simulasi yang dirancang terdiri dari dua sub-sistem utama, yaitu fault detector dan fault handler. Sub-sistem fault detector berfungsi mendeteksi terjadinya kesalahan atau gangguan (fault) pada sistem. Sedangkan sub-sistem fault handler berfungsi mengatasi fault yang terjadi. Sebagai tambahan disertakan sub-sistem reset yang dapat mengembalikan sistem ke keadaan semula ketika kondisi fault berakhir.

Untuk mendeteksi terjadinya fault pada sistem, sub-sistem fault detector

membutuhkan dua jenis masukan yaitu signal dari kondisi transformator (on/off) dan

signal dari arus line melebihi setting yang ditentukan.Masukan kondisi transformator berfungsi sebagai indikator apabila ada transformator pada transformer bank yang gagal atau terlepas dari sistem.Jenis masukan ini dapat berasal dari sistem proteksi transformator sendiri (seperti relay) yang mengirimkan sinyal apabila transformator mengalami kegagalan atau terlepas dari sistem, dimana nilai logika high

mengindikasikan transformator yang gagal (off) dan berlogika low mengindikasikan transformator on.Sedangkan masukan arus lebih dari sensor arus berfungsi sebagai indikator apabila arus pada salah satu atau lebih line melebihi setting yang telah ditetapkan.Jenis masukan ini menggunakan sensor arus lebih (over-current sensor) yang terpasang pada setiap line. Kondisi fault terjadi apabila ada satu transformator pada transformer bank terbuka sehingga membentuk hubungan opendelta, dan arus yang melewati satu atau lebih line melebihi batas yang telah ditentukan. Untuk mencegah sistem menjadi tidak stabil akibat munculnya kondisi yang berubah-ubah dalam waktu yang singkat, maka sub-sistem fault detectorakan terlebih dahulu memastikan bahwa sebuah kondisi terjadi secara permanen dengan menunggu selama rentang waktu tertentu sebelum menyatakan terjadinya fault.

Selanjutnya sub-sistem fault detectorakan mengirimkan sinyal kepada sub-sistem fault handler untuk mengatasi kegagalan yang telah terjadi, dengan melakukan rekonfigurasi sistem dengan menghubungkan transformator cadangan ke sistem sesuai dengan transformer gagal. Dengan terhubungnya transformator cadangan, sistem yang mulanya open delta akan kembali menjadi delta-delta

Untuk mengetahui kemana transformator cadangan akan dihubungkan, sub-sistem

fault handler membutuhkan masukan berupa kondisi transformator (on/off) dari transformator bank.

Proses-proses yang dilalui oleh sistem sebagaimana dijelaskan diatas beserta sub-bagian yang bertanggung jawab pada setiap proses tersebut ditampilkan dalam sebuah diagram alir pada Gambar 4.2.

4.2 Transformator Bank

Transformator bank berfungsi menghubungkan tiga unit transformator satu fasa untuk membentuk transformator tiga fasa.Hubungan tiga fasa yang digunakan pada kondisi normal yaitu hubungan delta-delta, dimana setiap belitan dari sisi primer dan sekunder transformator satu fasa dihubungkan dengan relay seperti yang ditampilkan pada Gambar 4.3.

Relay akanenergize jika supply dari catu daya +5 V. Kondisi transformator berlogikalow jika switch ke on dan relay telah energize, sehingga transformator terhubung ke sistem (on). Sedangkan kondisi transformator berlogika high jika switch

keoffdan relay tidak energize. Dengan menggunakan transformator yang rusak pada salah satu transformator hubungan delta-delta, maka perlu dilakukan pengukuran pada masing-masing transformator untuk mengetahui transformator mana yang mengalami kerusakan. Setelah diketahui transformator yang rusak, misal T1, maka tekan switch 1 pada posisi off sehingga kondisi transformator tersebut akan berlogika

Gambar 4.3 Rangkaian Skematik Transformator Bank T3

T2

4.3. Over-Current Sensor

Sensor arus lebih (over-currentsensor) berfungsi untuk mengindikasikan arus yang melebihi nilai tertentu (nilai setting) pada salah satu atau lebih line antara transformator dan beban. Keluaran dari sub-sistem ini akan bernilai high apabila arus yang melalui line melebihi setting yang telah ditetapkan, dan bernilai low apabila arus yang melalui line kurang dari setting yang telah ditetapkan. Untuk melaksanakan fungsi ini, sub-sistem over-current sensor dibagi menjadi dua sub-sistem yang lebih kecil yaitu current sensor dan komparator. Sub-sistem current sensor berfungsi mengukur arus yang melalui line dan mengubahnya menjadi tegangan, sementara sub-sistem komparator berfungsi membandingkan hasil pengukuran current sensor

dengan nilai tertentu yang dapat diatur (setting).Gambar 4.4 menampilkan rangkaian skematik dari current sensor yang dirancang. Current sensor melakukan pengukuran dengan melewatkan arus line pada sebuah resistor 1 Ω. Tegangan jatuh yang timbul

pada resistor ini kemudian dibaca oleh penguat instrumentasi (instrumentation amplifier). Penguat instrumentasi digunakan karena memiliki CMRR yang tinggi.Penguat jenis ini membutuhkan tiga op-amp, dimana dua op-amp dikiri berfungsi sebagai buffer sedangkan satu op-amp disebelah kanan berfungsi sebagai penguat differensial.Adapun nilai penguatan dari penguat instrumentasi dapat diubah dengan mudah hanya dengan merubah nilai resistansi satu resistor saja yaitu RG sesuai dengan Persamaan 4.1.

β = 1 + R1.R2 (4.1)

Pada rancangan tugas akhir ini, arus yang melewati line dibatasi sebesar 350 mA (sesuai dengan rating transformator yang digunakan).Adapun keluaran maksimum yang diharapkan dari current sensor adalah sebesar 5 V agar sesuai dengan level tegangan TTL. Dengan ketentuan tersebut dirancang penguat instrumentasi dengan penguatan sebesar,

β = 5 / 350 mA ≈ 15 (4.2)

Untuk menghasilkan penguatan sebesar 15, maka digunakan resistor yaitu R1 = 3300 Ω dan R2 = 470 Ω

β1 = 1 + 3300x3300 = 15 (4.3)

470

IC op-amp yang digunakan sendiri adalah tipe LM324 karena didalamnya terdapat 4 buah op-amp sehingga untuk membangun sebuah penguat instrumentasi hanya membutuhkan satu IC.Keluaran dari penguat instrumentasi ini masih dalam bentuk sinusoidal sehingga perlu disearahkan menggunakan precision rectifier.Precision rectifier digunakan agar tegangan yang keluar dari rectifier tidak berkurang akibat tegangan jatuh pada dioda.Tegangan keluaran dari precision rectifier ini kemudian diratakan menggunakan kapasitor.

Tegangan yang telah diratakan pada kapasitor inilah yang kemudian dibandingkan dengan tegangan setting oleh komparator.Gambar 4.5 menampilkan rangkaian skematik dari sub-sistem komparator. Keluaran komparator akan bernilai rendah (low) apabila tegangan hasil pengukuran dari current sensor lebih kecil dari tegangan setting, dan bernilai tinggi (high) apabila tegangan hasil pengukuran bernilai

lebih tinggi dari tegangan setting. Keluaran dari komparator ini telah disesuaikan dengan level tegangan logika TTL yaitu 5 V.

Gambar 4.5 Rangkaian Skematik Komparator

Tegangan setting diperoleh menggunakan sebuah pembagi tegangan (voltage divider) dengan resistor RV1 menggunakan tipe variabel resistor dengan nilai maksimum, sehingga diperoleh rentang tegangan yang diperoleh yaitu

VMIN = 0 x 5 V = 0 V (4.4)

10k + 10k

VMAX = 10k x 5 V = 2,5 V (4.5)

Agar proses setting dapat dilakukan dengan mudah, maka nilai tegangan

setting ini perlu ditampilkan pada sebuah panel meter. Untuk dapat ditampilkan pada

panel meter, maka tegangan ini terlebih dahulu perlu disangga (buffer) menggunakan sebuah op-amp yang disusun dalam konfigurasi non-inverting amplifier. Mengingat tegangan setting maksimum dari voltage divider adalah sebesar 2.5 V sedangkan

panel meter yang tersedia adalah yang berukuran lebih besar (15 V), maka tegangan ini akan dikuatkan sebesar 4 kali sehingga tegangan setting maksimum yang terbaca pada panel meter menjadi 10 V. Untuk memperoleh penguatan sebesar 4 kali ini digunakan resistor R6 dan R7 menurut Persamaan 4.6.

β2 = 1 + (R6/ R7) (4.6)

β2 = 1 + (10k / 3300) = 4 (4.7)

Tegangan yang dihasilkan oleh op-amp masih belum mampu menggerakkan kumparan pada panel meter sehingga perlu ditambahkan buffer arus menggunakan transistor yang disusun secara emitor follower.Faktor penguatan total apabila tegangan setting dilihat dari panel meter menjadi 60 kali.

βT = β1 xβ2 (4.8)

βT = 15 x 4 = 60 (4.9)

Adapun maksud dari faktor penguatan ini adalah, mengatur setting pada arus 100 mA, maka tegangan setting harus diatur melalui potensiometer sehingga panel meter menunjuk angka 100mA X 60 = 6 V. Begitu pula untuk mengatur setting pada arus 150 mA, maka tegangan setting harus diatur sehingga panel meter menunjuk angka 150mA X 60 = 9 V.

4.4. Fault Detector

Gambar 4.6 menampilkan rangkaian skematik sub-sistem fault detector. Sebagaimana telah disebutkan sub-sistem fault detector menerima dua jenis masukan yaitu kondisi transformator (on/off) dan signal arus lebih. Masukan kondisi transformator mengindikasikan adanya transformator yang rusak atau terlepas dari sistem, sedangkan masukan signal arus lebih (OC) mengindikasikan apakah arus pada salah satu atau lebih line melebihi setting yang ditetapkan.Pada setiap jenis masukan sendiri terdapat tiga masukan masing-masing dari setiap fasa. Karena sub-sistem fault detector tidak perduli mengenai fasa mana yang mengalami kegagalan, maka masukan dari setiap fasa untuk masing-masing jenis masukan dapat di-OR-kan (oleh U1:A-D) terlebih dahulu, sehingga keluarannya akan high apabila satu atau lebih masukannya high. Selanjutnya karena untuk menyatakan kondisi fault

membutuhkan kedua kondisi masukan ini terpenuhi, maka kedua jenis masukan ini selanjutnya di-AND-kan (oleh U2:C) sehingga keluarannya akan high apabila kedua masukannya high.

Keluaran dari gerbang AND kemudian akan memicu sebuah monostable multivibrator digital (IC 74123) yang keluarannya akan menjadi clock bagi flip-flop JK. Monostable multivibrator ini berfungsi memberikan jeda waktu tertentu sebelum sub-sistem mengeluarkan nilai. Jeda waktu ini dapat memastikan fault permanen.

Keluaran Q dari monostable multivibrator ini bernilai low ketika normal dan

high ketika terpicu sebagaimana ditampilkan pada tabel kebenaran, Tabel 3.12. Lama waktu kondisi terpicu sendiri dapat diatur melalui resistor RX dan kapasitor CX sesuai Persamaan 3.3. Pada tugas akhir ini dirancang jeda waktu selama 4 detik sehingga digunakan resistor dengan nilai 33k dan kapasitor dengan nilai 330uF.

T W = 0,37 x 33 x 330.000.000 ns = 4 s (4.10)

Flip-flop JK yang digunakan IC 7467 merupakan tipe negativeedgeclock, sehingga keadaan flip-flop akan berubah ketika clock berubah dari logika high ke

low. Untuk itu clock dari flip-flop ini akan dihubungkan ke keluaran Q dari monostable multivibrator sehingga flip-flop akan terpicu setelah jeda waktu beberapa detik setelah multivibrator dipicu. Dengan masukan K terhubung ke ground dan masukan J terhubung ke keluaran AND (U2:C), maka keluaran dari flip-flop ini akan bernilai sama dengan keluaran dari gerbang AND (U2:C) yang akan bernilai high (1) apabila masih terjadi kondisi yang menyebabkan fault (ada transformator yang rusak atau terlepas dan ada arus line yang melebihi setting), atau tetap bernilai low (0) apabila sistem telah kembali ke kondisi normal. Gambar 4.7 menampilkan diagram waktu sub-sistem fault detector ketika terjadi sebuah fault.

Untuk mengembalikan sub-sistem faultdetector ke kondisi normal saat sistem mengalami reset, maka ditambahkan sebuah masukan RESET yang terhubung ke pin MR (Master Reset) pada IC 74123 (multivibrator) dan pin R (Reset) pada IC 7476 (JK). Masukan RESET ini berasal dari sub-sistem Reset.

4.5. Fault Handler

Gambar 4.8 menampilkan rangkaian skematik sub-sistem fault handler. Sebagaimana telah disebutkan sub-sistem fault-handler berfungsi menangani kondisi

fault yang terjadi, dengan melakukan rekonfigurasi sistem. Kondisi fault

diindikasikan oleh masukan FAULT yang berasal dari sub-sistem fault detector. Rekonfigurasi sistem sendiri dilakukan dengan menghubungkan transformator cadangan ke sistem dalam cara tertentu sesuai dengan transformator yang mengalami

fault menggunakan sejumlah relay. Pada tugas akhir ini diasumsikan hanya satu transformator yang rusak atau terlepas dari sistem.

Pada saat terjadi fault, sub-sistem fault handlerakan membaca kondisi transformator dan menyimpan nilainya pada sebuah flip-flop JK untuk setiap transformator. Masukan K pada ketiga flip-flop JK tersebut dihubungkan ke ground

sedangkan masukan J dihubungkan ke masukan kondisi transformator, sehingga keluarannya akan sama dengan kondisi tranformator. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, sinyal kondisi transformator bernilai high mengindikasikan transformator yang gagal atau terlepas dari sistem. Keluaran dari flip-flop kemudian akan mengatur relay-relay untuk menghubungkan transformator cadangan. Karena

kapasitas arus keluaran (IO) flip-flop tidak cukup kuat, maka dibutuhkan sebuah transistor untuk menggerakkan (drive) relay. Pada rancangan ini digunakan transistor daya tipe TIP 41 yang memiliki kapasitas arus kolektor (IC) yang cukup besar (hingga 6 A).Dari datasheet dapat diperoleh informasi bahwa penguatan arus minimal (β)

transistor TIP 41 adalah sebesar 30 kali. Resistansi relay sendiri diperoleh melalui pengukuran menggunakan multimeter sebesar 150 dengan tegangan kerja 12 V, sehingga untuk meng-energize relay setidaknya dibutuhkan arus sebesar ,

IRELAY = IC = 12 / 150 = 80 mA (4.11)

Untuk menghasilkan arus kolektor sebesar tersebut, maka pada basis harus diberikan arus sebesar,

IB = IC / β = 80m / 30 = 2.67 mA (4.12)

Tegangan keluaran IC 7476 sendiri dalam keadaan high sesuai dengan level tegangan TTL yaitu sebesar 5 V, sehingga untuk menghasilkan arus basis sebesar dibutuhkan resistor sebesar,

RB = (VOH– VBE) / IB = (5 –0,7) / 2.67 m = 1.610 Ώ

Dimana VBE merupakan tegangan jatuh pada sambungan basis-emitor pada transistor. Adapun nilai resistor standar terdekat yang digunakan yaitu 1k5 Ώ. Untuk mengembalikan sub-sistem faulthandler ke kondisi normal saat sistem mengalami

reset, maka ditambahkan sebuah masukan RESET yang terhubung ke masukan R (Reset) pada IC 7476 (flip-flop JK). Masukan RESET ini berasal dari sub-sistem

4.6 Reset

Sub-sistem resetakan mengembalikan sistem ke keadaan normal saat transformator yang rusak atau terlepas dari sistem kembali terpasang. Keluaran sub-sistem ini akan bernilai high dalam keadaan normal dan low ketika keadaan reset.

Gambar 4.9 menampilkan rangkaian skematik dari sub-sistem reset. Masukan dari sub-sistem resetadalah kondisi transformator (T1) dan FAULT. Sub-sistem reset

hanya akan berfungsi apabila telah terjadi FAULT sebelumnya dan akan menguji apakah transformator telah tersambung semua. Pengujian dilakukan menggunakan logika OR (IC U6:A dan B pada Gambar 4.6) terhadap masukan kondisi transformator. Sebagaimana telah dijelaskan, sinyal kondisi transformator (T1) akan bernilai high apabila terdapat transformator yang rusak atau terlepas dari sistem sehingga keluaran gerbang OR akan bernilai high apabila masih ada transformator yang rusak atau terlepas dari sistem, dan akan bernilai low apabila semua transformator telah tersambung kembali.

Perubahan dari high ke low akan memicu sebuah monostable multivibrator

(U7:A). Sebagaimana pada sub-sistem faultdetector, multivibrator ini berfungsi memberi jeda waktu untuk memastikan kondisi reset berlangsung permanen. Jeda waktu yang ditetapkan untuk sistem ini akan sama dengan jeda-waktu untuk sub-sistem faultdetector yaitu sebesar 4 detik, sehingga akan digunakan komponen-komponen R dan C yang bernilai sama pula (R 10k dan C).Keluaran dari

multivibrator ini akan memicu flip-flop D yang kemudian akan membaca nilai keluaran dari gerbang OR.

Gambar 4.9 Rangkaian Skematik Reset

Apabila keluaran gerbang OR masih bernilai low (semua transformator telah terpasang semua secara permanen), keluaran dari flip-flop D ini akan memicu sebuah

monostable multivibrator lainnya (U7:B) yang akan membangkitkan sinyal RESET bagi sub-sistem lainnya. Sementara apabila keluaran gerbang OR telah berubah menjadi bernilai high (kondisi reset hanya berlangsung sesaat dan masih ada transformator yang rusak atau terlepas dari sistem), tidak ada proses yang dilakukan.

Sinyal RESET yang dibangkitkan oleh multivibrator U7:B akan bernilai low

untuk rentang waktu tertentu. Tidak seperti multivibrator U7:A, jeda waktu untuk multivibrator U7:B ini hanya berlangsung lebih singkat karena hanya berfungsi membangkitkan sinyal reset bagi IC-IC digital pada bagian-bagian sistem lainnya yang membutuhkan waktu relatif singkat (25 ns untuk 7476 dan 40 ns untuk 74123). Pada rancangan tugas akhir ini, sinyal reset akan dipertahankan selama 1 detik untuk memastikan seluruh sistem telah direset. Untuk membangkitkan sinyal dengan rentang waktu tersebut digunakan R sebesar 56k Ώ dan C sebesar 47uF. Gambar 4.10 menampilkan diagram waktu dari sub-sistem Reset ketika mengalami kondisi reset.

BAB V

PENGUJIAN

Pengujian yang dilakukan pada prototype perancangan pengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital yaitu pengujian over current sensor dan pengujian timer.Pada pengujian over current sensor bertujuan untuk mengetahui persentase kesalahan dengan membandingkan hasil pengujian dan perhitungan. Sedangkan pengujian timer untuk mengetahui keakuratan waktu yang dibutuhkan mendeteksi fault dan mereset keadaan fault menjadi keadaan semula.

5.1 Pengujian Over Current Sensor

Pengujian ini dilakukan pada tegangan primer 220V, kemudian diukur tegangan sekunder dari transformator serta tegangan line-to-line pada sisi transformator dengan sejumlah beban yang berbeda.Selanjutnya tegangan line-to-line

ini dibandingkan dengan tegangan pada sisi beban.Berdasarkan tegangan ini dan nilai beban yang diberikan, maka dihitung arus setiapline.Selanjutnya tegangan setting

secara teori dapat dihitung, kemudian dibandingkan dengan tegangan setting yang sesungguhnya.Pengujian dilakukan beberapa kali dengan beban yang berbeda (100, 125, 133, 150, 200, 225, 233, 250).Data untuk pengujian over-current sensorTabel 5.1 dan Gambar 5.1 menampilkan grafik yang diambil dari data pengujian tersebut.

73 Dari grafik terlihat waktu yang diperlukan untuk berubah menjadi kondisi

faultcukup variatif (dalam ukuran yang kecil) dalam beberapa percobaan, Berdasarkan waktu rata-rata sebagaimana ditampilkan pada Tabel 5.2 dapat dihitung persentase kesalahan dari timer untuk fault adalah sebesar:

Persentase kesalahan = tpengukuran-trancangan x 100% trancangan

= 3,908s - 4s x 100% = 2,3% (5.3) 4s

5.2.1 Pengujian timer reset

Data pengujian untuk timer reset diberikan pada Tabel 5.3 dan Gambar 5.5 menampilkan grafik yang diambil dari data pengujian tersebut.

Tabel 5.3 Pewaktu Reset

R (reset) S (fault) T (reset) 4,19 3,79 4,17

4,2 3,92 4,27

4,18 3,91 4,03 4,26 3,89 4,13 4,28 3,91 4,18 4,222 3,884 4,156

Gambar 5.5Grafik timer reset

3,9 4 4,1 4,2 4,3

1 2 3 4 5

waktu ( d e ti k) Pengukuran R (reset) S (reset) T (fault)

Dari grafik terlihat waktu yang diperlukan untuk berubah menjadi kondisi

reset cukup variatif (dalam ukuran yang kecil) dalam beberapa percobaan, namun dapat diperoleh rata-rata yaitu sebagaimana ditampilkan pada Tabel 5.3.

Berdasarkan waktu rata-rata sebagaimana ditampilkan pada Tabel 5.3 dapat dihitung % ralat dari timer untuk reset adalah sebesar :

Persentase kesalahan = tpengukuran-trancangan x 100% trancangan

= 4,176s - 4s x 100% = 4,4% (5.4) 4s

75

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan

Pada tugas akhir ini telah dirancang sistem simulasi pengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital. Berdasarkan proses perancangan simulasi dan hasil pengujian maka dapat disimpulkan, yaitu:

1. Perancangan prototypepengalih otomatis transformator hubungan delta-delta menggunakan sistem digital memiliki tundaan waktu untuk mendeteksi gangguan (fault) yaitu 3,908 detik dengan persentase kesalahan 2,3% sedangkan tundaan waktu reset yaitu 4,176 detik dengan persentase kesalahan 4,4%.

2. Pendeteksian arus lebih oleh over current sensor memiliki persentase kesalahan 21,8%, hal ini disebabkan oleh op-amp dan resistor tidak presisi. 3. Untuk mengetahui transformator yang rusak pada transformator bank yaitu

dengan pengukuran pada masing-masing transformator kemudian switch pada posisi off untuk signal high.

4. Prototype alat yang dirancang masih perlu pengembangan lebih lanjut.

6.2 Saran

Dalam pengembangan yang spesifik, maka sistem perlu dilakukan peninjauan yang lebih rinci. Untuk itu penulis memberi saran yaitu sebagai berikut:

1. Pada sistem yang besar dibutuhkan resistor shunt over current sensoryang lebih kecil dan op-amp yang lebih presisi dengan alternatif penguat instrumentasi terpadu.

2. Untuk mendeteksi kerusakan transformator pada transformator bank secara otomatis dengan menggunakan relay-relay numerik.

3. Menggunakan simulator otamatisasi yang lain sehingga dapat dijadikan perbandingan.

DAFTAR PUSTAKA

1. Chapman, Stephen., Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1985.

2. Bimbhra, P. S., Electrical Machinery, Khanna Publishers, New Delhi, 1990. 3. Sinclair, Ian Robert., Elektronika digital, PT Elexmedia Komputindo,

Jakarta, 1993.

4. Horowitz, Paul., The Art of Electronics. Edisi Kedua. Cambridge University Press, 1994.

5. Zuhal, Prof. Dr., Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia, Jakarta, 1998.

6. Tarigan, Pernantin., Rangkaian Logika Digital. Edisi kedua, USU Press, Medan, 2001.

7. Wasito, S., Vademekum Elektronika, Edisi Kedua, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2004.

8. Clayton, George., Operational Amplifier, Erlangga, Jakarta, 2005. 9. Kugelstadt, Thomas., Getting the Most Out of Your Instrumentation

Amplifier Design, Texas Instruments Incorporated, 2005.

10. Theraja, B. L., A Textbook of Electrical Technology, S. Chand & Company Limited, New Delhi, 2005.

11. Kitchin, Charles., A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers, Analog Devices Inc, 2006.

12. Heathcote, Martin J., J&P Transformer Handbook, 2007.

13. Neamen, Donald A., Microelectronics : Circuit Analysis and Design. Edisi ketiga, McGraw-Hill, New York, 2007.

14. Theraja, B. L., Basic Electronics : Solid State, S. Chand & Company Limited, New Delhi, 2008.

15. _____, The TTL Data Book for Design Engineers, Edisi Kedua, Texas Instruments Inc, 1976.

16. _____, Instrumentation Amplifier, National Semiconductor Corporation, 1995.

17. _____, LM124/LM224/LM324/LM2902 Low Power Quad Opeational Amplifier, National Semiconductor, 2000.

18. _____, LM78XX Series Voltage Regulators, National Semiconductor, 2000. 19. _____, LS TTL Data Book, On Semiconductor, 2000.

20. _____, TIP41 Series (TIP31/31A/31B/31C) Medium Power Linear Swirching Applications, Fairchild Semiconductor, 2000.

21. _____, Bipolar Power Transistor Data Book, On Semiconductor, 2001. 22. _____, LM139A/LM239A/LM339A Low Power Quad Voltage Comparator,

STMicroelectronics, 2002.

23. _____, 1N4148 Small Signal Diode, Fairchild Semiconductor, 2007. 24. _____, Instrumentation Amplifier Application Note, Intersil Americas Inc,

2009.

25. _____, 1N4001 - 1N4007 General Purpose Rectifiers, Fairchild Semiconductor, 2009.