analisis perbandingan sistem kelistrikan ac dan dc …

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC

DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH

SKRIPSI

AINUL ROCHMAN

0806455061

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

JUNI 2012

Analisis perbandingan..., Ainul Rochman, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM KELISTRIKAN AC

DAN DC PADA JARINGAN TEGANGAN RENDAH

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana

AINUL ROCHMAN

0806455061

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

JUNI 2012


ii


iii


iv

KATA PENGANTAR

Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa Ta’ala,

karena berkat rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penulisan

skripsi ini. Penulis menyadari penulisan skripsi ini tidak terlepas dari adanya

pihak-pihak yang telah membantu sehingga penulisan skripsi ini dapat

terselesaikan. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Prof. Dr. Ir. Rudy Setiabudy, DEA dan Dr.-Ing. Eko Adhi Setiawan, S.T.,

M.T yang telah menyediakan waktu, tenaga, serta pikiran dalam

membimbing dan mengarahkan penulis dalam skripsi ini;

2. Ir. Budiyanto, MT yang telah memberikan masukan-masukan dalam

penulisan skripsi ini;

3. orang tua yang telah mendukung penulis baik moral maupun material;

4. para asisten Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik

(TTPL) yang telah meminjamkan alat-alat ukur untuk penyusunan skrispsi

ini;

5. Reno atas charger handphone-nya yang telah diberikan kepada penulis

untuk pengukuran pada skripsi ini;

6. Leonardo dan Gilbert yang telah meminjamkan multimeternya;

7. Ramadhani, Heru, Beng Tito, Aditya yang telah membantu penulis pada

saat pengukuran; dan

8. seluruh sivitas akademika Departemen Teknik Elektro UI yang tidak dapat

disebutkan satu per satu.

Penulis juga menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kekurangan

sehingga penulis berharap adanya saran dan kritik yang membangun agar ke

depannya menjadi lebih baik. Akhirnya, penulis berharap semoga buku skripsi ini

dapat berguna bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Depok, 13 Juni 2012

Penulis


v


vi Universitas Indonesia

ABSTRAK

Nama : Ainul Rochman

Program Studi : Teknik Elektro

Judul : Analisis Perbandingan Sistem Kelistrikan AC dan DC pada

Jaringan Tegangan Rendah

Sistem distribusi AC telah lama dipilih sebagai sistem distribusi yang handal

karena mempunyai kelebihan dalam hal konversi tegangan. Namun demikian,

penerapan sistem AC ini menyebabkan perlunya penggunaan konverter AC-DC

pada setiap beban DC baik pada rumah tangga, fasilitas komersial, maupun

perkantoran. Penggunaan konverter AC-DC ini menimbulkan adanya rugi-rugi

konversi dimana rugi-rugi konversi ini dapat semakin meningkat seiring dengan

meningkatnya penggunaan beban-beban DC. Skripsi ini membahas tentang

perbandingan jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC dan DC serta

membahas tentang rugi-rugi konversi yang ada pada konverter AC-DC dari laptop

dan ponsel. Selain itu, juga dipaparkan beberapa topologi sistem DC pada rumah

tangga yang dapat menjadi alternatif untuk permasalahan rugi-rugi konversi yang

ada pada sistem AC. Dari hasil pengukuran, pada AC Adapter laptop yang diuji,

didapatkan bahwa konverter AC-DC ini memiliki rugi-rugi 1 W hingga 5 W

dengan efisiensi rata-rata 94 %. Sedangkan pada AC Adapter ponsel yang diuji,

rugi-rugi konversi rata-rata yang dihasilkan 0,6 W dengan efisiensi rata-rata 78 %.

Kata kunci:

sistem DC, sistem AC, jatuh tegangan, rugi-rugi daya, rugi-rugi konversi


vii Universitas Indonesia

ABSTRACT

Name : Ainul Rochman

Study Program : Electrical Engineering

Title : Comparison Analysis of AC and DC System in Low Voltage

Grid

AC system has been chosen as a reliable distribution system due to advantages in

terms of voltage conversion. However, the AC system application led to the need

for the use of AC-DC converters on each DC load on the residential, commercial

facilities, and offices. The use of AC-DC converters led to the conversion losses

where it can be increased along with increased use of DC loads. This paper

discusses comparison of voltage drop and power losses between AC and DC

systems and also discusses conversion losses that exist in the AC-DC converters

of DC loads, especially in AC Adapter of laptops and mobile phones. Moreover,

some of DC system topologies for the household that may be alternative solutions

due to the conversion losses problem in existing AC system are also discussed.

From the measurement results, it was found that conversion losses of AC Adapter

of laptop 1 W up to 5 W with an average efficiency of 94 %. While in AC

Adapter of mobile phones tested 0,6 W with an average efficiency of 78%.

Keywords:

DC systems, AC systems, voltage drop, power losses, conversion losses


viii Universitas Indonesia

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ....................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................. iii

KATA PENGANTAR ............................................................................................. iv

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ..............................................................v

ABSTRAK .............................................................................................................. vi

ABSTRACT ........................................................................................................... vii

DAFTAR ISI ......................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................................x

DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi

BAB 1 PENDAHULUAN ........................................................................................1

1.1 Latar Belakang ...............................................................................................1

1.2 Tujuan ...........................................................................................................2

1.3 Batasan Masalah ............................................................................................2

1.4 Metodologi Penelitian ....................................................................................2

1.5 Sistematika Penulisan .....................................................................................2

BAB 2 LANDASAN TEORI ....................................................................................4

2.1 Umum ............................................................................................................4

2.2 Sistem Distribusi Arus Searah ........................................................................4

2.3 Sistem Distribusi Arus Bolak-Balik ................................................................6

2.4 Resistansi dan Reaktansi ...............................................................................8

2.5 Jatuh Tegangan ............................................................................................ 10

2.5.1 Perhitungan Jatuh Tegangan ............................................................. 10

2.5.2 Batasan Jatuh Tegangan .................................................................... 12

2.6 Rugi Daya ................................................................................................... 12

2.7 Rugi-rugi Konversi....................................................................................... 13

2.8 Beban ........................................................................................................... 14

2.9 Klasifikasi Tegangan DC ............................................................................. 15

2.10 Skema Beban DC dengan Suplai AC ............................................................ 16

2.11 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh........................................................ 17

2.11.1 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor ................ 19

2.12 Rugi-rugi Penyearah ..................................................................................... 21


ix Universitas Indonesia

BAB 3 ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM AC DENGAN SISTEM DC

TEGANGAN RENDAH DAN ANALISIS RUGI-RUGI KONVERTER AC-

DC PADA ADAPTOR SWITCHING ................................................................... 22

3.1 Umum .......................................................................................................... 22

3.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC ................................................... 22

3.2.1 Deskripsi Studi Kasus ....................................................................... 22

3.2.1.1 Konfigurasi Pengukuran ..................................................... 22

3.2.1.2 Spesifikasi Kabel dan Beban .............................................. 23

3.2.1.3 Spesifikasi Penyearah ......................................................... 24

3.2.1.4 Level Tegangan yang Diterapkan ....................................... 26

3.2.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC pada Lampu Pijar ...... 26

3.2.2.1 Hasil Analisis ..................................................................... 27

3.2.3 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC pada Lampu CFL ...... 31

3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada Konverter AC-DC ................................... 33

3.3.1 Deskripsi Studi Kasus ....................................................................... 33

3.3.2 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop ...................... 35


3.3.2.2 Hasil Pengukuran dan Analisis ........................................... 35

3.3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Ponsel ...................... 38


3.3.3.2 Hasil Pengukuran dan Analisis ........................................... 38

3.3.3.3 Analisis Total Rugi-rugi Konversi AC Adapter Ponsel

Berdasarkan Asumsi ........................................................... 42

BAB 4 DESAIN TOPOLOGI SISTEM DC PADA RUMAH TANGGA ............ 44

4.1 Umum .......................................................................................................... 44

4.2 Topologi yang Diajukan ............................................................................... 45

4.2.1. Topologi A ....................................................................................... 46

4.2.2. Topologi B ....................................................................................... 49

4.2.3. Topologi C ....................................................................................... 52

BAB 5 KESIMPULAN .......................................................................................... 54

DAFTAR ACUAN ................................................................................................. 55

LAMPIRAN ........................................................................................................... 59


x Universitas Indonesia

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Segitiga Daya .......................................................................................5

Gambar 2.2. Masalah Kualitas Daya yang Biasa terjadi pada Sistem AC ..................8

Gambar 2.3. Sistem Distribusi DC ......................................................................... 14

Gambar 2.4. Skema Sistem Distribusi AC yang menyuplai Beban Elektronika,

Beban Sensitif dan Beban AC ............................................................ 16

Gambar 2.5. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh ............................................. 17

Gambar 2.6. Bentuk Gelombang Masukan AC ....................................................... 18

Gambar 2.7. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang

Penuh ................................................................................................. 18

Gambar 2.8. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor ................. 19

Gambar 2.9. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang

Penuh dengan Kapasitor ..................................................................... 19

Gambar 2.10. Pendekatan Tegangan Ripple dengan Bentuk Segitiga ........................ 20

Gambar 3.1. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi Daya

Penghantar Sistem AC ....................................................................... 23


Penghantar Sistem DC ....................................................................... 23

Gambar 3.3. Penyearah yang Digunakan pada Percobaan Sistem DC ..................... 24

Gambar 3.4. Rangkaian Penyearah tanpa Kapasitor 680 μF .................................... 25

Gambar 3.5. Rangkaian Penyearah dengan Kapasitor 680 μF ................................. 25

Gambar 3.6. Susunan Sistem untuk Pengukuran Jatuh Tegangan dan Rugi-rugi

Daya Sistem AC................................................................................. 26


Daya Sistem DC................................................................................. 27

Gambar 3.8. Konfigurasi Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter

Laptop ............................................................................................... 35

Gambar 3.9. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Beban Ponsel

Ponsel A ............................................................................................ 40

Gambar 3.10. Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel terhadap Total Rugi-rugi Energi

Ponsel Per Tahun ............................................................................... 43

Gambar 4.1. Sistem AC yang menyuplai Beban DC yang terhubung dengan

Pembangkit Terbarukan ..................................................................... 46

Gambar 4.2. Skema Topologi A ............................................................................. 48

Gambar 4.3. Skema Topologi B ............................................................................. 51

Gambar 4.4. Skema Topologi C ............................................................................. 53


xi Universitas Indonesia

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban Lampu Pijar ................... 27

Tabel 3.2. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban Lampu Pijar ................... 28

Tabel 3.3. Hasil Pengukuran Resistansi dan Induktansi Kabel ............................. 29

Tabel 3.4. Hasil Perhitungan Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu Pijar ..... 30

Tabel 3.5. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban lampu CFL .................... 31

Tabel 3.6. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban lampu CFL .................... 32

Tabel 3.7. Hasil Perhitungan Jatuh Tegangan dan Rugi Daya Sistem AC dan

DC dengan Beban Lampu CFL ........................................................ 32

Tabel 3.8. Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan Baterai Terpasang ..... 36

Tabel 3.9. Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan tanpa Baterai ............. 36

Tabel 3.10. Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan baterai

terpasang ............................................................................................ 37

Tabel 3.11. Hasil Pengukuran Replacement dengan laptop tanpa baterai ............... 38

Tabel 3.12. Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel A ........... 39

Tabel 3.13. Hasil Pengukuran Jatuh Tegangan Charger Ponsel A ......................... 40

Tabel 3.14. Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Esia .................. 41

Tabel 3.15. Total Rugi-rugi Energi Ponsel dengan Frekuensi Pengisian yang

Berbeda .............................................................................................. 43


1 Universitas Indonesia

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Efisiensi merupakan hal yang penting dalam suatu sistem distribusi listrik

apalagi dengan terus berkurangnya cadangan energi fosil akibat pemakaian secara

terus-menerus. Adanya pembangkitan terdistribusi sebagai salah satu alternatif

untuk mengatasi penggunaan energi fosil juga tidak terlepas dari masalah efisiensi

terkait dengan adanya rugi-rugi konversi. Salah satu yang mempengaruhi efisiensi

dalam sistem distribusi adalah jenis sistem distribusi yang diterapkan. Hal ini

terkait dengan adanya proses konversi tegangan

Masalah losses (rugi-rugi) karena konversi tegangan muncul ketika sistem

AC yang telah diterapkan selama lebih dari 100 tahun hingga kini menyuplai

beban berbasis DC seperti beban elektronika. Untuk beban seperti ini, diperlukan

suatu penyearah untuk mengkonversi tegangan AC menjadi tegangan DC. Proses

konversi pada beban elektronika ini menimbulkan adanya rugi-rugi konversi

(conversion losses) [1]. Walaupun tidak terlalu besar, akan tetapi rugi-rugi

konversi ini dapat terakumulasi dengan semakin meningkatnya penggunaan

beban-beban elektronika baik di fasilitas komersial, perkantoran maupun di rumah

tangga sehingga menyebabkan efisiensi sistem menjadi berkurang.

Berkaitan dengan pembangkit energi terbarukan, seperti pembangkitan

terdistribusi, masalah efisiensi juga terdapat pada jenis sistem distribusi yang

diterapkan. Dengan memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan seperti

photovoltaic cell dan fuel cell dimana sumber-sumber tersebut menghasilkan

keluaran DC, maka penggunaan sistem distribusi AC dapat menimbulkan lebih

banyak losses akibat banyaknya proses konversi tegangan [2]. Penggunaan sistem

distribusi DC pada pembangkitan terdistribusi melibatkan lebih sedikit konverter,

sehingga sistem distribusinya menjadi lebih efektif dan berpotensi mempunyai

efisiensi sistem yang lebih baik [2].

Sistem AC dan DC masing-masing mempunyai keunggulan sehingga

dalam skrispi ini diteliti lebih lanjut tentang karakteristik dari masing-masing

sistem khususnya jika menggunakan tegangan rendah. Hal ini berdasarkan bahwa


2

Universitas Indonesia

tegangan yang digunakan untuk menyuplai beban elektronika maupun beban

penerangan di rumah tangga atau pun fasilitas komersial merupakan tegangan

konsumen atau tegangan rendah.

1.2 Tujuan

Tujuan dari skripsi ini adalah:

1. Menganalisis dan membandingkan sistem AC dengan sistem DC pada

sistem tegangan rendah menggunakan beban linear dan beban non linear.

2. Menganalisis rugi-rugi konverter AC-DC pada Adaptor berbasis switching

3. Mendesain topologi sistem DC sederhana untuk rumah tangga

1.3 Batasan Masalah

Skripsi ini hanya membahas perbandingan sistem AC dengan sistem DC

berdasarkan jatuh tegangan dan rugi-rugi penghantar tanpa memperhitungkan

sistem proteksi masing-masing sistem dan kalkulasi biaya. Kemudian, analisis

rugi-rugi pada konverter AC-DC hanya pada Adaptor laptop dan ponsel. Lalu,

desain topologi sistem DC rumah tangga hanya melihat dari sisi rugi-rugi

konversinya.

1.4 Metodologi Penelitian

Skripsi ini menggunakan metode pengukuran untuk memperoleh besar

jatuh tegangan maupun rugi-rugi penghantar dari masing-masing sistem. Selain

itu, metode pengukuran juga dilakukan untuk memperoleh besar rugi-rugi dari

konverter AC-DC Adaptor berbasis switching.

1.5 Sistematika Penulisan

Penulisan skripsi ini dibagi menjadi 5 bab. Bab 1 merupakan pendahuluan

yang berisi tentang latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi

penelitian, dan sistematika penulisan skripsi. Kemudian bab 2 merupakan

landasan teori yang berisi materi-materi yang berkaitan dengan pembahasan

masalah. Lalu bab 3 berisi analisis perbandingan sistem AC dengan DC dan

analisis rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC pada Adaptor berbasis


3


switching. Bab 3 ini terdiri dari deskripsi studi kasus, analisis perbandingan sistem

AC dengan DC tegangan rendah dan analisis rugi-rugi konverter AC-DC pada

Adaptor berbasis switching. Selanjutnya bab 4 adalah desain topologi sistem DC

untuk rumah tangga yang terdiri dari beberapa topologi yang diajukan. Lalu

diakhiri dengan kesimpulan pada bab 5.



BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 Umum

Sistem distribusi listrik merupakan penyaluran tenaga listrik yang

dibangkitkan oleh pembangkit listrik ke pelanggan. Dalam penyalurannya dapat

menggunakan tegangan arus searah atau tegangan arus bolak-balik.

2.2 Sistem Distribusi Arus Searah

Sistem distribusi arus searah merupakan penyaluran tenaga listrik dengan

menggunakan tegangan dan arus searah atau direct current (DC). Sistem distribusi

arus searah merupakan sistem distribusi listrik pertama yang digunakan untuk

menyalurkan tenaga listrik. Sistem distribusi ini pertama kali dibangun pada tahun

1882 di Amerika Serikat oleh Thomas Alva Edison dan menggunakan tegangan

rendah 120 V [3].

Penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC saat ini lebih jarang

diterapkan daripada penyaluran tenaga listrik dengan tegangan AC. Namun

demikian, penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC memiliki sejumlah

keuntungan dibandingkan dengan tegangan AC. Keuntungan-keuntungan tersebut

diantaranya:

1. dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama, kapasitas penyaluran

dengan sistem DC lebih besar daripada dengan sistem AC [4]

2. isolasi sistem DC lebih sederhana daripada sistem AC [4]

3. efisiensi (daya yang terpakai) lebih besar karena faktor daya pada sistem

DC = 1, sedangkan faktor daya pada sistem AC belum tentu 1, biasanya

kurang dari 1 yang menyebabkaan tidak semua daya total menjadi daya

aktif. Gambar 1 menjelaskan tentang faktor daya [4]


5


Gambar 2.1 Segitiga Daya

Nilai faktor daya seperti yang digambarkan oleh segitiga daya pada

Gambar 2.1 adalah:

S

Pcos

Pada sistem DC, karena tidak ada daya reaktif (Q), sudut faktor dayanya

bernilai 0. Dengan demikian nilai faktor dayanya adalah:

10 cos o atau 1S

P atau total daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi

daya aktif. Sedangkan pada sistem AC, cos φ dapat bernilai kurang dari 1

diakibatkan terdapatnya daya reaktif (Q) yang salah satunya dapat

ditimbulkan oleh beban yang bersifat induktif (lagging). Misalnya sudut

faktor daya 37o, maka :

S

Po 8,037 cos

Karena 1S

P, maka tidak seluruh daya yang dihasilkan (daya semu)

menjadi daya aktif. Terdapat daya reaktif yang dihasilkan yaitu sebesar:

SS 6,037sinQ

4. tidak ada persoalan frekuensi pada penyaluran jarak jauh menggunakan

sistem DC [4]

5. penerapan sistem DC dapat mengurangi fluktuasi tegangan pada beban-

beban pelanggan sehingga tegangan yang disuplai ke beban pelanggan

hampir dapat dijaga konstan [5]


6


6. dengan rugi korona yang sama dan tingkat gangguan radio (radio

interference) tertentu, tegangan DC dapat dinaikkan lebih tinggi daripada

tegangan AC [4]

7. lebih rendah biaya saluran udara (overhead line) atau biaya saluran kabel

bawah tanah (underground) atau biaya kabel bawah laut (submarine) serta

tidak memerlukan kapasitor seri atau shunt [4]

Karena adanya keuntungan-keuntungan pada penyaluran dengan tegangan

DC, maka penggunaan sistem DC mulai diminati kembali pada tahun 1930-an [4].

Selain memiliki keuntungan, sistem distribusi DC juga memiliki

kekurangan. Kekurangan tersebut diantaranya:

1. konversi tegangan dari satu level DC ke level DC lain lebih sulit daripada

konversi AC-AC

2. untuk sistem DC tegangan sangat rendah, besar jatuh tegangan meningkat

sehingga memberikan peningkatan rugi daya [6]

3. lebih sulit memutuskan (interruption) arus DC disebabkan tidak adanya

pemotongan di titik nol (zero-crossing) pada gelombang DC [6]

4. karena tidak adanya tegangan induktansi diri, batasan arus hubung singkat

pada rangkaian DC lebih sulit ditentukan daripada rangkaian AC [6]

2.3 Sistem Distribusi Arus Bolak-Balik

Sistem distribusi arus bolak-balik merupakan penyaluran tenaga listrik

dengan tegangan dan arus bolak-balik atau AC (Alternating Current). Sistem ini

pertama kali dikembangkan oleh George Westinghouse dengan sejumlah paten

dari Nikola Tesla [3]. Sistem distribusi AC saat ini banyak digunakan untuk

memenuhi kebutuhan energi listrik dan telah diterapkan secara luas selama lebih

dari 100 tahun [2]. Sistem ini mempunyai beberapa keunggulan, antara lain

adalah:

1. mudahnya proses transformasi tegangan dari satu level ke level lainnya

dengan menggunakan transformator

2. kestabilan tegangan AC dapat dikontrol dari daya aktif melalui pengaturan

daya reaktif [2]


7


3. cocok dengan beban berupa motor arus bolak-balik (motor AC). Pada

motor AC, misalnya motor sinkron, bagian statornya membutuhkan suplai

tegangan tiga fasa untuk menghasilkan medan magnet putar stator yang

kemudian medan magnet putar stator ini untuk memutarkan rotor [7]

4. sistem proteksi pada sistem distribusi AC lebih berkembang dibandingkan

dengan sistem proteksi pada sistem distribusi DC [2]. Hal ini dapat

dimaklumi karena sistem distribusi AC telah lama diterapkan.

Permasalahan-permasalahan di bidang proteksi sejak dulu sampai saat ini

telah menghasilkan berbagai perkembangan di bidang proteksi pada sistem

distribusi AC.

Selain memiliki kelebihan, sistem distribusi arus bolak-balik juga

memiliki kekurangan. Kekurangan tersebut diantaranya:

1. karena adanya frekuensi, maka dapat terjadi ketidakstabilan frekuensi

akibat faktor tertentu, seperti adanya fluktuasi beban yang membuat nilai

frekuensi tidak konstan.

2. diperlukan adanya sinkronisasi generator untuk generator yang

diparalelkan sehingga terdapat syarat yang perlu dipenuhi seperti tegangan

sama, frekuensi kedua generator sama, urutan fasa sama dan sudut fasa

sama.

3. dalam sistem AC terdapat suatu kondisi voltage sag dan voltage swell

yang dapat mempengaruhi kualitas daya. Voltage sag merupakan kondisi

dimana tegangan turun di bawah 90% nilai tegangan nominal, sedangkan

voltage swell adalah kondisi dimana tegangan naik di atas 110% nilai

tegangan nominal. Voltage sag dapat disebabkan adanya pembangkit yang

lepas (trip) atau bisa juga adanya beban besar yang masuk ke dalam sistem

secara bersamaan, sedangkan voltage swell dapat disebabkan karena

adanya beban besar yang hilang secara bersamaan. Selain voltage sag dan

voltage swell, terdapat pula kondisi lain pada sistem AC yang dapat

mempengaruhi kualitas daya seperti interruption, noise, flicker seperti

yang dapat dilihat pada Gambar 2.2.


8


4. pada sistem yang menggunakan tiga fasa, dapat terjadi ketidakseimbangan

tiga fasa. Ketidakseimbangan tiga fasa ini dapat disebabkan oleh

impedansi beban masing-masing fasa yang tidak identik

5. dapat timbul distorsi harmonik yang mempengaruhi kualitas daya listrik.

Ini dapat disebabkan oleh peralatan-peralatan seperti adjustable speed

drive atau beban-beban seperti arc furnace, arc welders, dan lain-lain [8].

Idealnya, gelombang tegangan/arus bolak-balik berbentuk sinusoidal.

Akan tetapi, karena adanya frekuensi harmonik, terjadi penjumlahan

antara gelombang frekuensi harmonik dengan gelombang frekuensi dasar

yang kemudian menghasilkan distorsi harmonik dimana gelombang tidak

lagi berbentuk sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

6. nilai faktor daya biasanya kurang dari 1, sehingga tidak seluruh daya total

(daya semu) yang dihasilkan pembangkit menjadi daya yang terpakai

(daya aktif). Hal ini seperti yang dijelaskan melalui Gambar 2.1.

Gambar 2.2 [9]. Masalah kualitas daya yang biasa terjadi pada sistem AC

2.4 Resistansi dan Reaktansi

Diantara yang membedakan sistem DC dengan sistem AC adalah dalam

hal impedansi. Impedansi pada sistem DC hanya bergantung pada resistansi

penghantar dan beban yang terhubung, sedangkan pada sistem AC tidak hanya

resistansi, tetapi juga bergantung pada reaktansi penghantar dan beban yang

terhubung.


9


Pada suatu penghantar, nilai resistansi bergantung pada jenis, panjang, dan

luas penampang penghantar tersebut. Hal ini sesuai dengan persamaan (2.1).

AR

(2.1)

dimana:

R : resistansi penghantar (Ω)

: resistivitas penghantar (Ω m)

: panjang penghantar (m)

A : luas penampang penghantar (m2)

Selain itu, nilai resistansi penghantar juga dipengaruhi temperatur. Dengan

temperatur 1t dan 2t dalam 0C, hubungan antara resistansi dengan temperatur

dapat direpresentasikan oleh persamaan (2.2) [8].

1

212

tM

tMRR tt

(2.2)

dimana:

2tR : resistansi pada temperatur 2t

1tR : resistansi pada temperatur 1t

M : koefisien temperatur dari material

Hubungan resistansi dengan temperatur dapat juga direpresentasikan

secara lebih sederhana sebagaimana diekspresikan pada persamaan (2.3).

1212 1 ttRR tt (2.3)

dimana:

: koefisien temperatur penghantar (3,9 x 10-3

untuk tembaga pada

temperatur 200 C)

Berdasarkan persamaan (2.3), nilai resistansi suatu penghantar naik seiring dengan

kenaikan temperatur. Untuk aluminium dan tembaga, pada kisaran temperatur

yang besar, kenaikan resistansi hampir linear terhadap kenaikan temperatur.

Adapun reaktansi penghantar terkait dengan nilai induktansi maupun

kapasitansi dari penghantar tersebut. Untuk reaktansi induktif, nilainya

bergantung pada frekuensi dan induktansi, sedangkan reaktansi kapasitif


10


bergantung pada frekuensi dan kapasitansi. Nilai reaktansi induktif dan reaktansi

kapasitif dapat diperoleh dari persamaan (2.4) dan (2.5).

fLX L 2 (2.4)

fCX C 2 (2.5)

dimana:

LX : reaktansi induktif (Ω)

CX : reaktansi kapasitif (Ω)

f : frekuensi sistem (Hz)

C : kapasitansi penghantar (Farad)

L : induktansi penghantar (Henry)

2.5 Jatuh Tegangan

Jatuh tegangan merupakan selisih tegangan antara titik satu dengan titik

lainnya pada suatu saluran.

2.5.1 Perhitungan Jatuh Tegangan

Perhitungan jatuh tegangan dapat diturunkan sebagai berikut:

IZVdrop

sincos jIjXRVdrop

sincossincos RIXIjXIRIVdrop (2.6)

Untuk tegangan rendah, dapat menggunakan pendekatan:

sincos XIRIVdrop (2.7)

dimana:

dropV : jatuh tegangan sepanjang saluran (V)

R : resistansi kawat penghantar (Ω)

X : reaktansi kawat penghantar (Ω)

I : magnitude arus penghatar (A)

: sudut faktor daya

Untuk sistem DC, perhitungan jatuh tegangan dapat diturunkan dari

persamaan (2.7). Karena tidak ada komponen reaktansi dalam sistem DC, maka


11


komponen impedansi yang berpengaruh hanya resistansi. Sedangkan untuk faktor

daya pada DC nilainya 1. Sehingga perhitungan jatuh tegangan untuk sistem DC

dapat diturunkan menjadi persamaan (2.8)

RIVdrop (2.8)

Untuk beban satu fasa dengan nilai konsumsi daya dan tegangan DC yang

diterapkan diketahui, maka jatuh tegangan dapat diperoleh menggunakan

persamaan (2.9) [10].

dc

dropV

PRV 2 (2.9)

dimana :

P : konsumsi daya beban (W)

dcV : tegangan DC yang diterapkan (V)

Adapun pada sistem AC, untuk beban satu fasa dimana diketahui

konsumsi daya beban, tegangan rms, dan sudut faktor daya, maka perhitungan

jatuh tegangan diturunkan dari persamaan (2.7) sehingga menghasilkan


tg

E

PX

E

PRVdrop 2 (2.10)

Sedangkan untuk beban tiga fasa, perhitungan jatuh tegangan dapat menggunakan


tg

E

PX

E

PRVdrop

3

1 (2.11)

dimana:

X = reaktansi (Ω)

= sudut faktor daya

Selain resistansi dan/atau reaktansi yang terdapat pada kawat penghantar,

jenis beban juga berpengaruh terhadap besar jatuh tegangan [8].

Beban resistif

Pada faktor daya tinggi, jatuh tegangan sangat bergantung pada resistansi

konduktor. Misalnya pada faktor daya (cos φ ) 0,95, maka sin φ nya adalah 0,31.

Sehingga walaupun pada umumnya resistansi lebih kecil daripada reaktansi,

dalam hal ini resistansi berperan utama terhadap jatuh tegangan sesuai dengan


12


persamaan (2.10) dan (2.11) dimana tg sama dengan pembagian sin φ dengan

cos φ.

Beban reaktif

Pada faktor daya sedang sampai faktor daya rendah, jatuh tegangan sangat

bergantung pada reaktansi konduktor. Misalnya pada faktor daya 0,8, maka sin φ

nya adalah 0,6. Karena reaktansi biasanya lebih besar daripada resistansi, maka

dalam hal ini beban reaktif merupakan penyebab utama terhadap jatuh tegangan .

Hal ini juga sesuai dengan persamaan (2.10) dan (2.11)

Faktor daya merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi besar jatuh

tegangan . Pengaruh faktor daya terhadap jatuh tegangan cukup signifikan

sehingga faktor daya yang buruk dapat meningkatkan jatuh tegangan secara

signifikan.

Jatuh tegangan dapat lebih tinggi jika menggunakan tegangan yang

semakin rendah pada sistem distribusi, faktor daya yang buruk, rangkaian satu

fasa, dan rangkaian yang tidak seimbang. Jatuh tegangan dapat dikurangi dengan

beberapa cara diantaranya:

1. Meningkatkan faktor daya, salah satunya dengan menambah kapasitor

2. Memperbesar ukuran konduktor

3. Menyeimbangkan rangkaian

2.5.2 Batasan Jatuh Tegangan

Jatuh tegangan memiliki batas nilai berdasarkan standar tertentu.

Berdasarkan National Electrical Code (NEC), batas jatuh tegangan maksimum

yang direkomendasikan adalah sebesar 5 % dari tegangan nominal [11].

2.6 Rugi Daya

Dalam suatu sistem distribusi listrik, terdapat sejumlah daya yang disuplai

dari sumber sampai ke beban. Besar daya yang disuplai dari sumber dapat tidak

sebesar yang diterima oleh beban. Hal ini disebabkan adanya rugi daya (power

loss). Untuk beban yang disuplai dengan sistem DC, perhitungan power loss

diasumsikan hanya daya aktif dari beban yang disuplai dari sistem AC.


13


Perhitungan rugi daya untuk beban yang disuplai sistem DC dapat menggunakan

persamaan 2.12 [10].

2

2

2dc

lossV

PRP (2.12)

dimana:

P : resistansi kawat penghantar (Ω)

R : reaktansi kawat penghantar (Ω)

dcV : magnitude arus penghatar (A)

Pada sistem AC, adanya daya reaktif turut meningkatkan rugi daya dari

sistem tersebut. Hal ini disebabkan adanya induktansi pada saluran yang

mempengaruhi faktor daya. Induktansi yang semakin besar pada saluran dapat

membuat faktor daya semakin rendah. Faktor daya yang rendah ini menyebabkan

meningkatnya arus untuk memenuhi jumlah daya yang sama. Dengan

meningkatnya arus, maka semakin meningkat pula rugi daya pada saluran.

Pada beban yang disuplai dengan sistem AC, untuk beban satu fasa,

perhitungan rugi daya sebagai berikut [10]:

2

2

2cos2

E

PRPloss

(2.13)

Sedangkan jika beban yang disuplai merupakan beban tiga fasa, perhitungan rugi

daya menggunakan persamaan 2.14 [10].

2

2

2cos3 E

PRPloss

(2.14)

dimana:

lossP : rugi daya (Watt)

R : reaktansi kawat penghantar (Ω)

cos : faktor daya

P : konsumsi daya oleh beban (Watt)

E : tegangan rms (fasa ke ground)

2.7 Rugi-rugi Konversi

Selain karena faktor daya dan arus, rugi-rugi juga dapat ditimbulkan dari

proses konversi. Rugi-rugi konversi timbul karena efisiensi konverter kurang dari


14


100%. Diantara yang dapat menimbulkan rugi-rugi konversi yaitu penyearah

dalam beban-beban DC yang disuplai dengan AC.

Gambar 2.3. Sistem Distribusi DC [10]

Untuk mengurangi rugi-rugi konversi, dapat menerapkan sistem distribusi

DC [10]. Dengan menerapkan sistem ini, beban-beban DC dapat disuplai secara

lebih efektif karena menggunakan lebih sedikit konverter. Selain itu, sumber-

sumber energi alternatif seperti photovoltaic cell dan fuel cell yang menghasilkan

keluaran DC juga dapat terhubung ke bus DC secara lebih efektif pula.

Konfigurasi sistem ini ditunjukkan pada Gambar 2.3.

2.8 Beban

Terdapat beberapa jenis beban terkait dengan penggunaannya antara lain

beban rumah tangga, beban industri, dan beban perkantoran. Dari beban-beban

tersebut, terdapat beban yang dapat beroperasi dengan AC maupun DC. Beban

tersebut antara lain:

Bus DC

Beban AC

Suplai AC

Beban elektronika

Beban elektronika

Elektronika digital

Elektronika digital

DC

AC

DC

DC

DC

DC

AC

DC

Beban sensitif

Fuel Cell

Blok Baterai

PV

DC

AC Mikro Turbin

M


15


1. Beban resistif yang meliputi lampu pijar, kompor listrik, oven listrik, dan

sebagainya. Beban-beban resistif ini merupakan beban yang dimodelkan

sebagai resistansi

2. Beban elektronika yang meliputi komputer, TV layar datar, battery

charger [12]. Beban ini secara internal menggunakan DC dimana terdapat

penyearah jembatan (bridge rectifier) yang mengkonversi dari AC

menjadi DC. Selain itu, saat ini terdapat lampu fluorescent atau compact

fluorescent lamp (CFL) yang dapat beroperasi dengan DC, yaitu yang

menggunakan ballast elektronika. Pada CFL sendiri terdapat dua teknik

umum agar lampu ini dapat menyala, yaitu [13]:

Ballast magnetik. Ballast magnetik merupakan teknik awal pada

sistem lampu fluorescent. Meskipun inti besi dari ballast sederhana,

tetapi ballast ini ukurannya besar dan mempunyai rugi-rugi yang

tinggi.

Ballast elektronika. Ballast elektronika merupakan teknologi terbaru

yang membawa kepada efisiensi yang lebih baik pada sistem lampu

fluorescent. Ballast elektronika memanfaatkan elektronika daya untuk

membangkitkan tegangan frekuensi tinggi pada lampu.

3. Beban berputar yang digerakkan dengan universal machine atau frequency

controlled machine. Beban seperti pengering rambut (hair dryers), vacuum

cleaner, pengaduk makanan (food mixers) biasanya menggunakan motor

universal. Motor universal ini sebagian besar merupakan motor DC yang

dapat beroperasi baik dengan tegangan AC maupun DC [14].

Selain itu, terdapat beban yang hanya dapat beroperasi dengan

menggunakan suplai AC yaitu beban yang mengandung bagian induktif. Hal ini

disebabkan suplai DC menghasilkan arus konstan yang melalui bagian induktif

dari beban tersebut. Beban dengan breaker mekanis yang didesain untuk tegangan

AC juga tidak bisa disuplai dengan DC [12].

2.9 Klasifikasi Tegangan DC

Terdapat berbagai level tegangan dalam sistem DC yang diklasifikasikan.

Level tegangan DC diklasifikasikan sebagai berikut [5]:


16


1. tegangan tinggi DC dengan kisaran 30 kV < Vdc 1500 kV,

2. tegangan menengah DC dengan kisaran 1500 V < Vdc 30 kV dan

3. tegangan rendah DC dengan Vdc 1500 V

2.10 Skema Beban DC dengan Suplai AC

Saat ini, sistem yang banyak digunakan untuk menyuplai energi listrik

adalah sistem AC. Namun demikian, sebagian besar beban yang meliputi beban

rumah tangga maupun beban perkantoran seperti personal computer (PC),

telepon, radio, televisi, printer, dan sebagainya secara internal beroperasi dengan

DC. Ditambah lagi dengan meningkatnya penggunaan perangkat-perangkat

portable secara signifikan seperti telepon seluler, notebook, yang tidak lepas dari

penggunaan cadangan energi (energy storage) berupa baterai yang juga

memerlukan suplai DC. Karena sistem AC telah lama diterapkan, maka beban-

beban rumah tangga, perkantoran maupun perangkat-perangkat portable yang

secara internal menggunakan DC memerlukan konverter AC-DC atau penyearah.

Untuk perangkat portable seperti laptop, konverter AC-DC ini berupa AC

Adapter.

Gambar 2.4. Skema Sistem distribusi AC yang menyuplai Beban Elektronika,

Beban Sensitif dan Beban AC

Bus AC Beban elektronika

Elektronika digital

UPS

Baterai

Beban

Sensitif

(komputer)

Beban AC lain

DC

AC

DC

DC

DC

AC

AC

DC


17


Sistem AC yang menyuplai beban-beban DC melibatkan banyak proses

konversi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. Proses konversi ini dapat

menimbulkan rugi-rugi yang disebut rugi-rugi konversi. Meskipun rugi-rugi

konversi yang ditimbulkan tidak terlalu besar, akan tetapi peningkatan

penggunaan beban-beban DC pada rumah tangga, perkantoran, dan tempat lainnya

dapat menimbulkan akumulasi rugi-rugi konversi dari penyearah yang digunakan,

sehingga dampaknya dapat menjadi signifikan terhadap efisiensi sistem.

2.11 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

Untuk menghasilkan keluaran DC dengan masukan AC, salah satunya

dapat menggunakan penyearah jembatan gelombang penuh (full wave bridge

rectifier). Penyearah jembatan gelombang penuh menggunakan empat buah dioda

yang disusun dengan konfigurasi bridge seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

Bentuk gelombang masukan AC ditunjukkan pada Gambar 2.6. Pada

siklus positif, arus mengalir melalui dioda D2 dan D4 lalu pada siklus negatif,

arus mengalir melalui dioda D3 dan D1. Proses ini kemudian menghasilkan

keluaran DC seperti ditunjukkan pada gambar 2.7.

D1 D2

D3 D4

Vdc

+

-


18


Gambar 2.6. Bentuk Gelombang Masukan AC

Gambar 2.7. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

Besar tegangan rata-rata keluaran DC dapat diperoleh melalui pendekatan

yang direpresentasikan oleh persamaan (2.15) [15].

mdc VV 636,0 (2.15)

dimana:

dcV

: tegangan DC rata-rata hasil keluaran penyearah (V)

mV

: tegangan maksimum/puncak dari masukan AC (V)

Untuk penyearah yang menggunakan dioda tidak ideal, pada kondisi dimana

Tm VV 2 , secara lebih akurat besar tegangan rata-rata DC keluaran penyearah

ini dapat diperoleh menggunakan persamaan (2.16).

Tmdc VVV 2636,0 (2.16)

dimana:

TV = tegangan threshold dioda (0.7 V untuk dioda silikon)

Vdc


19


2.11.1 Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor

Penambahan kapasitor pada penyearah jembatan gelombang penuh

bertujuan untuk menghasilkan gelombang keluaran DC yang lebih halus.

Karakteristik kapasitor yang dapat melakukan pengisian dan pengosongan muatan

dapat mengurangi tegangan ripple pada gelombang keluaran penyearah ini.

Kapasitor yang ditambahkan pada penyearah terhubung secara paralel dengan

beban seperti ditunjukkan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Penyearah Jembatan Gelombang Penuh dengan Kapasitor

Gambar 2.9. Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Jembatan Gelombang Penuh

dengan Kapasitor

Hasil keluaran penyearah jembatan gelombang penuh dengan penambahan

kapasitor ditunjukkan pada Gambar 2.9. Pada Gambar 2.9 terdapat tegangan

keluaran (Vdc) dimana nilainya dapat diperoleh menggunakan persamaan (2.17)

[15].

-

D1 D2

D3 D4

Vdc

+


20


2

)( ppr

mdc

VVV

(2.17)

Dengan menggunakan pendekatan bahwa tegangan ripple pada gelombang

keluaran berbentuk segitiga seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10, maka

tegangan ripple rms (Vr rms) dapat direpresentasikan oleh persamaan (2.18).

32

)(

)(

ppr

rmsr

VV

(2.18)

atau

32

)(

)(

rmsr

pprV

V (2.19)

Gambar 2.10. Pendekatan Tegangan Ripple dengan Bentuk Segitiga

Sedangkan perhitungan nilai Vr rms dapat menggunakan persamaan (2.20).

fC

IV dc

rmsr34

)( (2.20)

dimana:

dcI : arus yang melalui beban (mA)

f : frekuensi sistem (Hz)

C : nilai kapasitansi dari kapasitor (μF)

Sehingga, dengan mengkombinasikan persamaan (2.17) dengan persamaan (2.20),

maka :

3342

)(

fC

IVdcppr


21


fC

IVdcppr

42

)(

Dengan demikian, persamaan (2.17) dapat ditulis kembali menjadi:

fC

IVV dc

mdc4

(2.21)

2.12 Rugi-rugi Penyearah (Rectifier Losses)

Dalam mengkonversi dari AC menjadi DC, pada penyearah terdapat

rectifier losses atau rugi-rugi konversi dari AC menjadi DC. Hal ini menyebabkan

daya keluaran dari penyearah lebih kecil daripada daya masukannya. Rugi-rugi

penyearah ini bergantung pada nilai forward voltage drop atau VF dan resistansi

dari dioda yang digunakan, serta arus beban. Nilai VF bergantung pada jenis dioda

yang digunakan. Untuk dioda 1N4007, VF nya berkisar antara 0,8 V sampai

dengan 1,1 V. Nilai VF ini berpengaruh terhadap besar rugi-rugi pada dioda.

Hubungan antara VF dengan losses pada dioda direpresentasikan oleh persamaan

(2.22) [16].

rmsFdiodeloss IVP (2.22)

dimana:

diodelossP : rugi-rugi pada dioda (W)

FV : forward voltage drop dari dioda (V)

Banyaknya dioda pada penyearah mempengaruhi besar rectifier losses pada

penyearah tersebut sehingga jenis penyearah juga mempengaruhi besar rectifier

losses. Pada penyearah gelombang penuh, besar rectifier losses ditunjukkan oleh

persamaan (2.23).

rmsFssrectiferlo IVP 2 (2.23)



BAB 3

ANALISIS PERBANDINGAN SISTEM AC DENGAN SISTEM DC

TEGANGAN RENDAH DAN ANALISIS RUGI-RUGI KONVERTER AC-

DC PADA ADAPTOR SWITCHING

3.1 Umum

Pada bab ini, ingin diketahui karakteristik sistem AC dan DC tegangan

rendah dengan menganalisis jatuh tegangan dan rugi-rugi daya penghantar pada

beban linear dan non linear. Jatuh tegangan dan rugi-rugi daya pada sistem DC

kemudian dapat dibandingkan dengan sistem AC sehingga dapat dilihat juga

peluang penerapan sistem DC tegangan rendah secara lebih luas. Di samping itu,

pada bab ini juga akan dianalisis mengenai rugi-rugi konversi pada AC-DC

konverter dari beban berbasis switching. Dengan analisis tersebut kemudian juga

dapat dianalisis total rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC dengan

menggunakan asumsi tertentu. Analisis rugi-rugi konversi ini untuk mengetahui

besar rugi-rugi yang ditimbulkan akibat konversi AC-DC pada sebagian beban

DC. Rugi-rugi ini yang mungkin bisa diminimalisasi apabila menggunakan sistem

DC.

3.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC

3.2.1 Deskripsi Studi Kasus

Studi kasus ini berkaitan dengan konfigurasi pengukuran, spesifikasi

perangkat-perangkat yang digunakan seperti kabel maupun beban yang digunakan

dalam pengukuran jatuh tegangan dan rugi daya penghantar pada sistem AC

maupun sistem DC. Selain itu, studi kasus ini juga berkaitan dengan level-level

tegangan yang diterapkan.

3.2.1.1 Konfigurasi Pengukuran

Untuk dapat memperoleh data dan menganalisis jatuh tegangan maupun

rugi-rugi daya penghantar pada sistem AC, konfigurasi sistem yang digunakan

ditunjukkan pada Gambar 3.1.


23



Penghantar Sistem AC


Penghantar Sistem DC

Pada Gambar 3.1 dan 3.2, suplai AC berasal dari PLN yang mempunyai

tegangan rms sekitar 220 V dan frekuensi 50 Hz. Untuk mengatur tegangan yang

disuplai ke beban menggunakan pengatur tegangan AC atau AC Voltage

Regulator. Tegangan keluaran dari AC Voltage Regulator ini berkisar antara 0 V

hingga 240 V.

3.2.1.2 Spesifikasi Kabel dan Beban

Untuk menyuplai beban dari AC Voltage Regulator ke beban

menggunakan kabel jenis NYA merek Federal Kabel dengan luas penampang 1,5

mm2. Berdasarkan [10], diasumsikan besar arus maksimum dari kabel 1,5 mm

2

tersebut adalah 14 A. Sedangkan panjang kabel untuk menyuplai beban terdiri

dari beberapa ukuran yaitu 5 m, 10 m, 15 m, dan 20 m. Penambahan panjang

kabel secara bertahap ini bertujuan untuk melihat karakteristik jatuh tegangan dan

rugi-rugi daya penghantar pada sistem AC.

Sedangkan beban yang digunakan terdiri dari beban terdiri dari :

5 m 10 m 15 m 20 m

Suplai PLN 0 – 240 V Penyearah

AC

Voltage

Regulator

AC

Voltage

Regulator

5 m 10 m 15 m 20 m

Suplai PLN 0 – 240 V


24


1. Lampu pijar 100 W berjumlah 5 buah. Lampu ini mempunyai tegangan

kerja 100 V hingga 240 V. Kelima lampu ini mempunyai faktor daya

sebesar 0,9984 yang diperoleh dari pengukuran menggunakan Power

Quality Analyzer dengan merek Hioki 3169-20. Lampu pijar dimodelkan

sebagai beban resistif atau beban non switching sehingga perlu diketahui

karakteristik jatuh tegangan dan rugi-rugi daya penghantarnya. Beban ini

juga termasuk beban yang mengkonsumsi daya yang besar sehingga

karakteristik jatuh tegangan dapat lebih terlihat saat pengukuran.

2. Lampu Compact Fluorescent Lamp (CFL) 20 W berjumlah 5 buah dengan

tegangan kerja 100 V – 240 V. Kelima lampu ini mempunyai faktor daya

sebesar 0,8422 yang diperoleh dari pengukuran menggunakan Power

Quality Analyzer dengan merek Hioki 3169-20. Lampu CFL atau lampu

hemat energi merupakan lampu yang menggunakan ballast elektronika.

Ballast elektronika ini merupakan beban berbasis switching sehingga

karakteristiknya perlu dilihat jika disuplai AC maupun DC.

3.2.1.3 Spesifikasi Penyearah

Pada percobaan sistem DC, penyearah yang digunakan adalah penyearah

jembatan gelombang penuh (Full Wave Bridge Rectifier). Penyearah ini


Gambar 3.3. Penyearah yang Digunakan pada Percobaan Sistem DC

Dioda Bridge

KBPC1010W Masukan AC

Keluaran

DC tanpa

Kapasitor

Keluaran

DC

dengan

Kapasitor

Kapasitor

680 μF


25


Penyearah ini terdiri dari beberapa komponen, yaitu sebagai berikut:

a. Dioda Bridge KBPC1010W dengan tegangan panjar maju (forward

voltage) sebesar 1,2 V tiap kakinya.

b. Kapasitor Elko 680 μF dengan tegangan maksimum 400 V.

Penyearah ini dapat menggunakan kapasitor atau tanpa menggunakan

kapasitor. Rangkaian penyearah tanpa kapasitor dan dengan kapasitor masing-

masing dapat dilihat pada Gambar 3.4 dan 3.5.

Gambar 3.4. Rangkaian Penyearah tanpa Kapasitor 680 μF

Gambar 3.5 Rangkaian Penyearah dengan Kapasitor 680 μF

Beban

-

680 μF

Dioda

Bridge D1 D2

D3 D4

Vdc

+

Beban

Dioda

Bridge D1 D2

D3 D4

Vdc

+

-


26


3.2.1.4 Level Tegangan yang Diterapkan

Tegangan keluaran dari AC Voltage Regulator berkisar antara 0 V hingga

240 V. Dalam kisaran tersebut, level yang digunakan pada percobaan baik untuk

sistem AC maupun sistem DC yaitu:

a. 120 V : penggunaan tegangan ini merupakan sedikit di atas batas bawah

dari tegangan yang dapat diterapkan pada beban lampu CFL maupun Pijar

b. 210 V : penggunaan tegangan ini masih dalam batas kisaran tegangan

kerja dari lampu pijar maupun lampu CFL

c. 220 V : tegangan ini merupakan tegangan rms dari penyuplai (PLN).

Penggunaaan level tegangan ini dapat mendukung operasi beban lampu

pijar maupun CFL secara optimal. Pada sistem DC, juga diterapkan level

tegangan ini (220 Vdc) untuk dibandingkan.

3.2.2 Analisis Perbandingan Sistem AC dengan DC dengan Beban Lampu

Pijar

Untuk melakukan pengukuran jatuh tegangan dan rugi-rugi daya pada

sistem AC, menggunakan susunan sistem yang ditunjukkan pada Gambar 3.6.


Daya Sistem AC

Sedangkan konfigurasi yang digunakan untuk pengukuran sistem DC


AC

Voltage

Regulator

A

V1 L Suplai

PLN

5m, 10m, 15m, 20m

V2


27



Daya Sistem DC

3.2.2.1 Hasil dan Analisis

Berdasarkan susunan sistem pada Gambar 3.6, beban lampu pijar 100 W

yang berjumlah 5 buah terpasang pada posisi L. Beban ini disuplai oleh tegangan

AC yang nilainya diatur menggunakan AC Voltage Regulator. Dengan beban

berupa lampu pijar, diperoleh hasil pengukuran yang tertera pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban Lampu Pijar

Panjang

Kabel (m) V1 (V) A (A) V2 (V)

Vdrop

(V)

%

Vdrop

P loss

(W)

% P

loss

5

120 1,52 119 1 0,8 1,52 0,8

210 2,06 209 1 0,5 2,06 0,5

220 2,11 219 1 0,5 2,11 0,5

10

120 1,52 119 1 0,8 1,52 0,8

210 2,06 209 1 0,5 2,06 0,5

220 2,12 219 1 0,5 2,12 0,5

15

120 1,52 118 2 1,7 3,04 1,7

210 2,06 209 1 0,5 2,06 0,5

220 2,11 218 2 0,9 4,22 0,9

20

120 1,52 119 1 0,8 1,52 0,8

210 2,06 209 1 0,5 2,06 0,5

220 2,11 218 2 0,9 4,22 0,9

Dari Tabel 3.1, terlihat bahwa jatuh tegangan sekitar 1 V hingga 2 V

dengan persentase jatuh tegangan 0,5 hingga 1,7 %. Secara umum, persentase

jatuh tegangan di bawah 1 % untuk panjang 5 m hingga 20 m pada level-level

V2 V1

Full Wave

Bridge

Rectifier

L

Suplai

PLN A

2

5m, 10m, 15m, 20m

AC

Voltage

Regulator


28


tegangan yang diberikan. Nilai ini masih di bawah nilai persentase jatuh tegangan

maksimum yang diberikan oleh NEC (National Electric Code), yaitu sebesar 5 %.

Selain itu, pengukuran juga menunjukkan bahwa pertambahan panjang kabel dari

5 m hingga 20 m secara umum terjadi kenaikan jatuh tegangan sehingga kenaikan

panjang kabel dengan nilai jatuh tegangan bisa dikatakan sebanding.

Sedangkan hasil pengukuran sistem DC dengan penyearah menggunakan

kapasitor menunjukkan bahwa pada panjang kabel 5 m hingga 20 m, persentase

jatuh tegangan dan rugi daya juga di bawah 1 % seperti ditunjukkan pada Tabel

3.2. Sistem DC dengan penyearah tanpa kapasitor juga menunjukkan hal yang

tidak jatuh berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa untuk panjang kabel hingga 20

m, jatuh tegangan dan rugi daya tidak terlalu berpengaruh pada operasi beban baik

pada sistem AC maupun sistem DC.

Tabel 3.2. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan Beban Lampu Pijar

Panjang

Kabel

(m)

V1

(V)

A

(A)

V2

(V)

V drop

(V)

%

Vdrop

P loss

(W)

%

Ploss

5

120 1,51 119 1 0,8 1,51 0,8

210 2,05 209 1 0,5 2,05 0,5

220 2,1 219 1 0,5 2,1 0,5

10

120 1,51 119 1 0,8 1,51 0,8

210 2,05 208 2 0,95 4,1 0,95

220 2,1 218 2 0,9 4,2 0,9

15

120 1,51 119 1 0,8 1,51 0,8

210 2,05 208 2 0,9 4,1 0,9

220 2,1 218 2 0,9 4,2 0,9

20

120 1,51 119 1 0,8 1,51 0,8

210 2,05 208 2 0,9 4,1 0,9

220 2,1 218 2 0,9 4,2 0,9

Adapun secara perhitungan, jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem AC

maupun DC di bawah 1 %. Perhitungan jatuh tegangan dan rugi daya ini

menggunakan persamaan 2.10 dan 2.13 untuk sistem AC, lalu menggunakan

persamaan 2.9 dan 2.12 untuk sistem DC dengan nilai resistansi dan induktansi

yang tertera pada Tabel 3.3.


29


Tabel 3.3. Hasil Pengukuran Resistansi dan Induktansi Kabel

Panjang Kabel (m) R (Ω) L (μH)

5 0,117 9,7

10 0,231 16,8

15 0,343 25,4

20 0,453 33,2

Sedangkan nilai tg lampu pijar dapat diperoleh dari nilai cos lampu

pijar dimana cos lampu pijar berdasarkan pengukuran yaitu 0,9984.

o9984,0cos , maka :

o24,3cos 1 , sehingga :

06,03,24 o tgtg

Perhitungan jatuh tegangan sistem AC untuk panjang 20 m dan tegangan

suplai 220 V adalah sebagai berikut:

VV

tgE

PX

E

PRVdrop

1 96,0

06,0220

1,2220102,3350 2

220

1,2220 453,0

2

6

Kemudian dapat diperoleh persentase jatuh tegangan sebesar:

% 4,0

%100220

1

%1001

21 %

V

VVVdrop

Sedangkan perhitungan jatuh tegangan sistem DC untuk panjang 20 m dan

tegangan yang diterapkan (V2) 220 V adalah sebagai berikut:

VV

V

PRV

dc

drop

1 0,95

220

1,22200,453

2

lalu persentase jatuh tegangannya:


30


% 4,0

%100220

1

%1001

21 %

V

VVVdrop

Sehingga, hasil perhitungan keseluruhan jatuh tegangan sistem AC maupun DC

dengan beban lampu pijar ditunjukkan pada Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Hasil Perhitungan Sistem AC dan DC dengan Beban Lampu Pijar

Panjang

Kabel (m)

V

suplai (V)

Sistem AC Sistem DC

Vdrop

(V)

%

Vdrop

P loss

(W)

% P

loss

V

drop

(V)

%

Vdrop

P

loss

(W)

%

Ploss

5

120 0,2 0,1 0,3 0,1 0,2 0,1 0,3 0,1

210 0,2 0,1 0,5 0,1 0,2 0,1 0,5 0,1

220 0,2 0,1 0,5 0,1 0,2 0,1 0,5 0,1

10

120 0,3 0,3 0,5 0,3 0,3 0,3 0,5 0,3

210 0,5 0,2 1 0,2 0,5 0,2 1 0,2

220 0,5 0,2 1 0,2 0,5 0,2 1 0,2

15

120 0,5 0,4 0,8 0,4 0,5 0,4 0,8 0,4

210 0,7 0.3 1,5 0,3 0,7 0,3 1,4 0,3

220 0,7 0,3 1,5 0,3 0,7 0,3 1,5 0,3

20

120 0,7 0,6 1 0,6 0,7 0,6 1 0,6

210 0,9 0,4 2 0,4 0,9 0,4 2 0,4

220 1 0,4 2 0,4 1 0,4 2 0,4

Hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa persentase jatuh tegangan dan

rugi daya sistem AC maupun sistem DC di bawah 1 % hingga panjang 20 m pada

seluruh level tegangan yang diberikan. Hal ini juga tidak berbeda dengan ketika

penyearah pada sistem DC tanpa kapasitor (Lampiran). Dengan demikian, untuk

panjang 5 m hingga 20 m nilai jatuh tegangan sangat kecil sehingga dianggap

tidak ada jatuh tegangan maupun rugi daya baik pada sistem AC maupun DC.

Adanya jatuh tegangan yang sangat kecil pada sistem AC maupun DC disebabkan

adanya resistansi yang kecil pada kabel. Pada sistem AC, reaktansi tidak

berpengaruh karena faktor daya beban yang tinggi.


31


3.2.3 Analisis Perbandingan Sistem AC dan DC dengan Lampu CFL

Berdasarkan pengukuran menggunakan susunan pada Gambar 3.6 dengan

beban berupa 5 buah lampu CFL 20 W, diperoleh hasil pengukuran sistem AC

yang ditunjukkan pada Tabel 3.5.

Tabel 3.5. Hasil Pengukuran Sistem AC dengan beban lampu CFL

Panjang Kabel (m) V1 (V) A (A) V2 (V)

5

120 0,17 120

210 0,17 210

220 0,17 220

10

120 0,17 120

210 0,17 210

220 0,17 220

15

120 0,17 120

210 0,17 210

220 0,17 220

20

120 0,17 120

210 0,17 210

220 0,17 220

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa tidak ada jatuh tegangan pada

sistem AC dengan panjang kabel 5 m hingga 20 m. Hal ini salah satunya

disebabkan konsumsi daya lampu CFL yang kecil sehingga jatuh tegangan dan

rugi dayanya sangat kecil (diabaikan).

Kemudian hasil pengukuran sistem DC juga memperlihatkan hal yang

sama dimana tidak ada jatuh tegangan hingga panjang 20 m pada level-level

tegangan yang diberikan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.6. Sehingga,

pengukuran menunjukkan baik pada sistem AC maupun DC, tidak ada jatuh

tegangan maupun rugi daya pada panjang 5 m hingga 20 m dengan beban 5 buah

lampu CFL atau kalaupun ada, nilai tersebut sangat kecil sehingga diabaikan.

Jatuh tegangan dan rugi daya yang sangat kecil juga ditunjukkan secara

perhitungan. Dengan cara yang sama pada perhitungan dengan beban lampu pijar

dimana nilai faktor daya dari kelima lampu CFL yang digunakan adalah 0,8422

atau tg = 0,64, hasil perhitungan jatuh tegangan dan rugi daya sistem AC dan

DC tertera pada Tabel 3.7.


32


Tabel 3.6. Hasil Pengukuran Sistem DC dengan beban lampu CFL

Panjang Kabel (m) V1 (V) A (A) V2 (V)

5

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

10

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

15

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

20

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

Tabel 3.7. Hasil Perhitungan Jatuh Tegangan dan Rugi Daya Sistem AC dan DC

dengan Beban Lampu CFL

Panjang

Kabel (m)

V suplai

(V)

Sistem AC Sistem DC

V drop (V) P loss (W) V drop (V) P loss (W)

5

120 0,02 0,005 0,02 0,002

210 0,02 0,005 0,02 0,002

220 0,02 0,005 0,02 0,002

10

120 0,04 0,009 0,03 0,005

210 0,04 0,009 0,03 0,005

220 0,04 0,009 0,03 0,005

15

120 0,06 0,01 0,05 0,007

210 0,06 0,01 0,05 0,007

220 0,06 0,01 0,05 0,007

20

120 0,08 0,02 0,06 0,009

210 0,08 0,02 0,06 0,009

220 0,08 0,02 0,06 0,009

Hasil perhitungan menunjukkan jatuh tegangan dan rugi daya pada sistem

AC maupun DC mendekati nol sehingga nilai ini dianggap tidak berarti. Karena

nilainya yang sangat kecil, hasil ini menunjukkan tidak ada jatuh tegangan dan

rugi daya pada sistem AC maupun DC untuk panjang 5 m hingga 20 m khususnya

dengan beban 5 lampu CFL 20 W.


33


3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada Konverter AC-DC

Penggunaan beban-beban DC saat ini banyak terdapat pada rumah tangga,

perkantoran, maupun fasilitas-fasilitas komersial. Beban DC yang banyak

digunakan salah satunya berupa beban elektronika seperti personal computer

(PC), laptop, ponsel, printer, televisi, dan masih banyak yang lainnya. Penggunaan

beban-beban ini pada sistem AC menyebabkan perlunya konverter AC-DC untuk

mengkonversi tegangan AC dari penyuplai menjadi tegangan DC yang sesuai

dengan spesifikasi beban. Kemudian, masalah timbul apabila konverter AC-DC

yang digunakan pada setiap beban DC menimbulkan adanya daya-daya yang

hilang pada saat proses konversi. Dampaknya, semakin banyak beban DC yang

disuplai AC, daya-daya yang hilang akibat proses konversi AC-DC semakin

berlipat ganda.

3.3.1 Deskripsi Studi Kasus

Pada pengukuran rugi-rugi konverter AC-DC, jenis beban yang digunakan

adalah jenis beban tanpa kabel (portable) atau mobile device yang saat ini

penggunaannya kian meningkat. Sifat beban portabel ini memanfaatkan baterai

yang dapat diisi ulang (rechargable baterry) sebagai sumber energi, sehingga

dalam proses pengisian baterai membutuhkan suplai DC yang diperoleh dari

keluaran konverter AC-DC (AC Adapter). Pada beban portabel seperti laptop, AC

Adapter yang digunakan dapat menyuplai beban secara langsung dengan tanpa

baterai. Hal ini menunjukkan bahwa selain sesuai dengan spesifikasi baterai,

keluaran dari AC Adapter laptop juga sesuai dengan spesifikasi di dalam beban

laptop itu sendiri.

Untuk mengetahui besar rugi-rugi konversi dari konverter AC-DC, beban

yang digunakan terdiri dari :

1. Laptop dengan spesifikasi AC Adapter original yang tertulis pada nameplate

sebagai berikut :

Masukan = 100 – 240 Vac, 50 – 60 Hz, 1,7 A

Keluaran = 19,5 V dc, 3,34 A

Sedangkan faktor daya dari AC Adapter ini berdasarkan pengukuran

menggunakan Hioki 3169-20 yaitu 0,9939.


34


Selain itu, pengukuran rugi-rugi konversi juga menggunakan Replacement AC

Adapter atau AC Adapter pengganti yang beredar di pasaran dengan

spesifikasi yang tertulis pada nameplate sebagai berikut :

Masukan : 100-240 V, 50 - 60 Hz, 1,5 A

Keluaran : 19,5 Vdc, 3,34 A

Replacement AC Adapter mempunyai nilai faktor daya 0,9777 yang diperoleh

dari pengukuran.

Laptop atau notebook merupakan salah satu beban yang saat ini banyak

digunakan baik di perkantoran, universitas, rumah tangga, maupun fasilitas

komersial. Penggunaan laptop bisa melebihi penggunaan komputer desktop di

masa mendatang karena konsumsi daya yang rendah dan kemudahannya untuk

dibawa (portability) [17]. Beban portabel ini membutuhkan AC adapter untuk

mengkonversi tegangan dari suplai menjadi tegangan yang dibutuhkan oleh

beban. AC adapter yang digunakan pada proses konversi ini dapat

menimbulkan rugi-rugi konversi. Jika penggunaan laptop semakin meningkat,

maka akumulasi rugi-rugi konversi dari AC adapter tersebut menjadi semakin

besar sehingga dapat mengakibatkan kehilangan daya yang cukup signifikan.

2. Ponsel A dengan spesifikasi charger yang tertulis pada nameplate sebagai

berikut:

Masukan : 100 – 240 Vac, 50-60 Hz, 125 mA

Keluaran : 5 Vdc, 890 mA

Sedangkan faktor daya dari charger ini berdasarkan pengukuran adalah

0,9976.

Ponsel atau handphone saat ini merupakan alat komunikasi yang sudah

tidak asing lagi terutama bagi masyarakat kota sehingga penggunaan beban ini

sangat banyak. Beban ini dapat mewakili beban portabel lain seperti tablet dan

sebagainya yang juga menggunakan charger. Beban ini secara internal

beroperasi dengan DC sehingga memerlukan konverter AC-DC atau charger

untuk mengisi baterai sebagai sumber energi. Jika pada proses konversi AC-

DC pada charger menimbulkan adanya daya yang hilang, maka sekian banyak

charger ponsel yang digunakan saat ini juga turut berkontribusi terhadap

kehilangan daya tersebut.


35


3. Ponsel B dengan spesifikasi charger yang tertulis pada nameplate sebagai

berikut:

Masukan : 100 – 240 Vac, 50/60 Hz, 0,15 A

Keluaran : 5,3 Vdc, 650 mA

Lalu, berdasarkan pengukuran, faktor daya dari charger Ponsel B ini adalah

0,9968.

3.3.2 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Laptop


Untuk melakukan pengukuran rugi-rugi-rugi konversi yang ada pada

konverter AC-DC (AC Adapter) pada laptop, konfigurasi yang digunakan


Gambar 3.8. Konfigurasi Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter

Laptop

3.3.2.2 Hasil Pengukuran dan Analisis

Pengukuran ini menggunakan dua AC Adapter yang berbeda yaitu AC

Adapter original dan Replacement AC Adapter yang beredar di pasaran. Hal ini

untuk mengetahui besar rugi-rugi konversi dari masing-masing AC Adapter.

Kemudian, pengukuran ini dilakukan dengan baterai terpasang pada laptop dan

tanpa baterai. Hal ini untuk mengetahui efisiensi AC Adapter pada kondisi yang

berbeda.

a. AC Adapter original

Hasil pengukuran terhadap AC Adapter dengan baterai terpasang

ditunjukkan oleh Tabel 3.8.

V2 Laptop

Suplai

PLN A1 A2

2 AC

Voltage

Regulator

AC

Adapter

Laptop V1


36


Tabel 3.8. Hasil Pengukuran AC Adapter original dengan Baterai Terpasang

Input AC

Adapter

Output AC

Adapter CPU

Usage

Pin

(W)

Pout

(W) η (%)

Conv Loss

(W) V1

(V)

A1

(A)

V2

(V)

A2

(A)

220 0,18 19,05 1,82 1% 39,4 34,7 88,1 4,7

220 0,17 19,07 1,82 1% 37,2 34,7 93,4 2,5

220 0,21 18,88 2,37 32% 45,9 44,7 97,4 1,2

220 0,21 18,88 2,39 32% 45,9 45 98,3 0,8

220 0,28 18,45 3,18 99% 61,2 58,7 95,8 2,6

220 0,29 18,48 3,17 99% 63,4 58,6 92,4 4,8

Dari hasil pengukuran menunjukkan bahwa efisiensi AC Adapter

bervariasi dari 88,1 % hingga 98,3 % dengan efisiensi rata-rata keseluruhan

sebesar 94 %. Nilai efisiensi bervariasi terhadap CPU Usage, akan tetapi tidak

menunjukkan hubungan yang linear. Hal ini menunjukkan bahwa meningkatnya

kerja laptop tidak diiringi dengan meningkatnya efisiensi AC Adapter.

Di lain hal, rugi-rugi konversi yang ditimbulkan dari proses konversi pada

AC Adapter ini besarnya 0,8 W hingga 4,8 W dengan rugi-rugi konversi rata-

ratanya 2,7 W dimana dalam hal ini rugi-rugi kabel diabaikan. Sedangkan rugi-

rugi konversi paling besar dari AC Adapter ini yaitu pada saat kerja laptop

maksimum karena pada saat tersebut konsumsi daya laptop juga maksimum.

Daya-daya yang hilang pada saat proses konversi pada AC Adapter ini salah

satunya disebabkan oleh rugi-rugi penyearah yang ada di dalam AC Adapter.

Pada pengukuran lainnya, yaitu dengan laptop tanpa baterai, menunjukkan

hasil yang tertera pada Tabel 3.9.

Tabel 3.9. Hasil Pengukuran Adapter original dengan Laptop tanpa Baterai

Input AC Adapter Output AC Adapter CPU

Usage

P in

(W)

P out

(W) η (%)

Conv loss

(W) V1(V) A1(A) V2(V) A2(A)

220 0,07 19,3 0,76 1% 15,3 14,7 95,8 0,6

220 0,11 19,1 1,18 30% 24,05 22,5 93,7 1,5

Hasil pengukuran ini tidak jauh berbeda dengan ketika baterai terpasang

pada laptop. Hanya saja konsumsi daya ketika laptop tanpa baterai lebih kecil


37


daripada ketika baterai terpasang. Sebagai akibatnya, rugi-rugi konversi AC

Adapter pada pengukuran laptop tanpa baterai juga lebih kecil yaitu berkisar

antara 0,6 W hingga 1,5 W. Dari sini dapat diketahui bahwa adanya baterai pada

laptop menambah konsumsi daya laptop yang menyebabkan rugi-rugi konversi

dari AC Adapter juga makin besar. Dalam laptop terdapat switch internal yang

mengatur aliran daya ke rangkaian internal. Switch ini mengizinkan sumber utama

(keluaran AC Adapter) menyuplai daya ke rangkaian internal laptop atau baterai

yang menyuplai daya ke rangkaian internal laptop tersebut [17]. Sehingga, pada

saat baterai tidak terpasang, swicth ini mengizinkan sumber utama untuk

menyuplai laptop saja tanpa menyuplai baterai (arus lebih kecil).

Sedangkan efisiensi AC Adapter dari pengukuran ini tidak berbeda jauh

dengan ketika baterai terpasang, yaitu 93,7 % hingga 95,8 %. Hal ini juga

menunjukkan bahwa efisiensi AC Adapter tidak terlalu dipengaruhi oleh ada atau

tidaknya baterai. Ada atau tidaknya baterai hanya berpengaruh pada konsumsi

daya beban dan rugi-rugi konversinya.

b. Replacement AC Adapter

Hasil pengukuran Replacement AC Adapter dengan baterai terpasang

ditunjukkan oleh Tabel 3.10. Hasil pengukuran pada Replacement AC Adapter

menunjukkan bahwa efisiensi dari AC Adapter ini berkisar antara 96,7 % hingga

97,9 % dengan efisiensi rata-rata keseluruhan pengukuran yaitu 97 %. Sedangkan

rugi-rugi konversi dari AC Adapter ini yaitu sebesar 1,4 W hingga 1,7 W. Rugi-

rugi ini salah satunya juga disebabkan oleh penyearah.

Tabel 3.10. Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan Baterai

Terpasang

V1(V) A1(A) V2(V) A2(A) CPU

Usage Pin (W)

Pout (W)

η (%)

Conv.

loss

(W)

220 0,24 19,81 2,52 27% 51,6 49,9 96,7 1,7

220 0,3 19,68 3,21 99% 64,5 63,2 97,9 1,4

220 0,19 19,87 1,97 1% 40,9 39 95,8 1,7

220 0,19 19,87 1,97 1% 40,9 39 95,8 1,7


38


Pada pengukuran lainnya, yaitu dengan laptop tanpa baterai, hasil

pengukuran tertera pada Tabel 3.11. Hasil pengukuran ini menunjukkan nilai

efisiensi rata-rata dari AC Adapter ini yaitu 93 %. Nilai ini tidak jauh berbeda

dengan ketika baterai terpasang, yaitu masih di atas 90 %. Sedangkan rugi-rugi

konversi dari AC Adapter ini 0,2 hingga 2 W. Secara umum, rugi-rugi konversi

ini lebih kecil dibandingkan dengan rugi-rugi konversi ketika baterai terpasang

pada laptop. Hal ini juga disebabkan ketika laptop tanpa baterai disuplai secara

langsung oleh keluaran AC Adapter, arus keluaran AC Adapter hanya menyuplai

laptop sehingga nilainya lebih kecil yang menyebabkan konsumsi daya pada

laptop tanpa baterai lebih kecil dibandingkan dengan baterai terpasang. Dengan

konsumsi daya yang lebih kecil, maka rugi-rugi konversinya juga lebih kecil.

Tabel 3.11. Hasil Pengukuran Replacement AC Adapter dengan Laptop tanpa

Baterai

V1 (V) A1(A) V2 (V) A2 (A) CPU

Usage Pin (W) Pout (W) η (%)

Conv loss (W)

220 0,08 19,97 0,76 1% 17,2 15,2 88,2 2

220 0,07 19,97 0,72 1% 15,06 14,4 95,5 0,7

220 0,1 19,94 1,01 27% 21,5 20 93,6 1,4

220 0,1 19,93 1,07 27% 21,5 21,3 99 0,2

220 0,18 19,86 1,88 99% 38,7 37,3 96,4 1,4

220 0,18 19,86 1,9 99% 38,7 37,7 97,5 0,98

3.3.3 Analisis Rugi-rugi Konversi pada AC Adapter Ponsel


Konfigurasi pengukuran rugi-rugi konversi AC Adapter atau charger

ponsel sama dengan konfigurasi pengukuran pada AC Adapter laptop yang

ditunjukkan pada Gambar 3.13. Hanya saja AC Adapter laptop diganti dengan AC

Adapter ponsel atau charger ponsel dan beban laptop diganti dengan ponsel.

3.3.3.2 Hasil Pengukuran dan Analisis

a. Hasil Pengukuran dan Analisis Charger Ponsel A

Dengan beban berupa Ponsel A, hasil pengukuran rugi-rugi konversi pada

charger ponsel tersebut tertera pada Tabel 3.12.


39


Tabel 3.12. Hasil Pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel A

Input charger Output charger Pin (W) Pout (W) η (%)

Conv.

loss (W) V1(V) A1(mA) V2 (V) A2 (A)

220 5,7 5,92 0,16 1,3 0,9 75,7 0,3

220 24,7 4,89 0,86 5,4 4,2 77,6 1,2

220 14,4 5,8 0,44 3,2 2,6 80,7 0,6

220 11,5 5,84 0,34 2,5 2 78,7 0,5

220 10,2 5,86 0,29 2,2 1,7 75,9 0,5

Hasil pengukuran pada Tabel 3.12 menunjukkan bahwa efisiensi dari

charger Ponsel A berkisar antara 75,7 % hingga 80,7 % dimana nilai rata-ratanya

adalah 78 %. Sedangkan konsumsi daya dari ponsel ini bervariasi dimana

konsumsi daya rata-rata pada masukan charger adalah 2,9 W. Pada 2 menit

pertama pengukuran, konsumsi daya hanya 1,3 W dengan arus DC yang

menyuplai sebesar 0,16 A. Sedangkan setelah 2 menit pertama, konsumsi daya

bertambah besar menjadi 5,4 W dengan arus DC (A2) yang menyuplai sebesar

0,86 A. Hal ini menunjukkan bahwa besar konsumsi daya ponsel ini tidak

konstan, tetapi berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan beban. Di sisi lain,

tegangan keluaran dari charger tidak konstan, tetapi dipengaruhi oleh besarnya

arus dimana arus keluaran charger yang semakin besar mengakibatkan tegangan

keluaran semakin kecil. Namun demikian, variasi tegangan keluaran charger

masih dalam kisaran normal, dengan penyimpangan kurang dari %5 dari

tegangan nominal yang tertera pada nameplate, 5 V.

Dalam hal rugi-rugi konversi, charger ini memiliki rugi-rugi konversi

sebesar 0,3 – 1,2 W dengan nilai rata-rata sebesar 0,6 W dimana dalam hal ini

rugi-rugi kabel charger diabaikan. Besar rugi-rugi ini dapat disebabkan oleh rugi-

rugi dioda atau penyearah yang ada di dalamnya.

Selain pengukuran rugi-rugi konversi, juga dilakukan pengukuran jatuh

tegangan dimana konfigurasi pengukuran ditunjukkan pada Gambar 3,9.

Pengukuran jatuh tegangan ini menggunakan tegangan keluaran dari charger yaitu

sekitar 5 V.


40


Gambar 3.9. Konfigurasi Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Beban Ponsel A

Dengan menggunakan tegangan keluaran dari charger, hasil pengukuran

ditunjukkan oleh Tabel 3.13.

Tabel 3.13. Hasil Pengukuran Jatuh Tegangan dengan Tegangan Keluaran

Charger Ponsel A

Panjang

Kabel (m)

V1

(V)

A1

(mA) V3(V) A2 (A)

Vdrop

(V)

%

Vdrop

5 220 5,7 5,88 0,16 0,04 0,7

10 220 5,7 5,86 0,16 0,06 1

15 220 5,6 5,85 0,16 0,07 1,2

20 220 5,6 5,83 0,16 0,09 1,5

Besar tegangan keluaran dari charger (V2) pada saat pengukuran rugi-rugi

konversi adalah sebesar 5,92 V dengan arus keluaran (A2) 0,16 A (Tabel 3.32).

Karena arus yang terukur sebesar 0,16 A, maka pengukuran jatuh tegangan ini

mengacu pada tegangan 5,92 V. Pada hasil pengukuran menunjukkan adanya

penurunan tegangan dari panjang kabel 5 m hingga 20 m dengan jatuh tegangan

yang meningkat dari 0,04 V hingga 0,09 V. Dengan kenaikan jatuh tegangan ini

maka persentase jatuh tegangan juga meningkat yaitu hingga 1,5 %. Hal ini

disebabkan dengan menerapkan tegangan yang sangat rendah, yaitu sekitar 5 V

untuk menyuplai beban, persentase jatuh tegangan menjadi lebih terlihat. Hal ini

sesuai dengan persamaan :

dc

dropV

PRV 2

V1 V3 V2 Ponsel

A

Suplai

PLN A1 A2

2

5m, 10m, 15m, 20m

AC

Voltage

Regulator

Charger

Ponsel A


41


dimana tegangan yang diterapkan berbanding terbalik dengan jatuh tegangan.

Namun demikian, hingga panjang 20 m, persentase jatuh tegangan hasil

pengukuran masih memenuhi standar NEC, yaitu maksimal 5 %. Sehingga,

efisiensinya masih normal.

b. Hasil Pengukuran dan Analisis Charger Ponsel B

Pengukuran lain dari rugi-rugi konversi yaitu pada AC Adapter / charger

ponsel B. Dengan menggunakan konfigurasi yang sama pada pengukuran charger

ponsel A, diperoleh hasil pengukuran yang tertera pada Tabel 3.14.

Tabel 3.14 Hasil pengukuran Rugi-rugi Konversi pada Charger Ponsel B

V1

(V)

A1

(mA) V2 (V) A2 (A)

Pin

(W) Pout (W) η (%)

Conv. loss

(W)

220 10,3 5,2 0,28 2,3 1,5 64,5 0,8

220 10,3 5,16 0,28 2,3 1,5 64 0,8

220 10,1 5,12 0,27 2,2 1,4 62,4 0,8

220 10,1 5,08 0,27 2,2 1,4 62 0,8

220 10,1 5,17 0,27 2,2 1,4 63 0,8

220 10 5,19 0,27 2,2 1,4 63,9 0,8

220 10 5,21 0,27 2,2 1,4 64 0,8

220 10 5,22 0,27 2,2 1,4 64,3 0,8

Hasil pengukuran pada Tabel 3.14 menunjukkan bahwa konsumsi daya

Ponsel B secara umum lebih kecil daripada konsumsi daya Ponsel A, yaitu 1,4 W

hingga 1,5 W. Pengukuran ini juga menunjukkan bahwa efisiensi charger Ponsel

B berkisar antara 62 % hingga 64,5 % dengan efisiensi rata-rata 63,5 %. Nilai

efisiensi ini lebih rendah dibandingkan efisiensi rata-rata charger Ponsel A.

Dengan efisiensi sebesar itu, rugi-rugi konversi rata-rata yang ditimbulkan dari

charger Ponsel B yaitu sebesar 0,8 W. Rugi-rugi konversi ini lebih kecil

dibandingkan dengan rugi-rugi konversi rata-rata dari charger Ponsel A. Hal ini

disebabkan konsumsi daya dari Ponsel B juga lebih kecil. Adapun rugi-rugi

konversi pada charger Ponsel B salah satunya juga disebabkan oleh rugi-rugi

penyearah yang ada di dalamnya.


42


3.3.3.3 Analisis Total Rugi-rugi Konversi AC Adapter Ponsel Berdasarkan

Asumsi

Untuk menghitung total rugi-rugi konversi, diasumsikan sebagai berikut:

setiap charger ponsel memiliki rugi-rugi konversi rata-rata yang sama dengan

charger ponsel A yaitu sebesar 0,6 W

setiap 2 hari terjadi satu kali pengisian baterai ponsel dimana setiap pengisian

membutuhkan waktu 2 jam

Dengan asumsi tersebut, perhitungan rugi-rugi energi untuk setiap pengisian

ponsel adalah sebagai berikut:

Wh

W lossconv

1,2

216,0.

Jika terjadi satu kali pengisian setiap 2 hari, maka terjadi 182 kali pengisian

baterai ponsel selama satu tahun, sehingga rugi-rugi energi dari setiap ponsel

selama satu tahun adalah:

Wh

W lossconv

218,4

1822,1.

Berdasarkan data survei dari Nielsen, terdapat sebannyak 125 juta

pengguna ponsel di Indonesia per Mei 2011 [18]. Dengan mengasumsikan bahwa

125 juta ponsel tersebut menggunakan charger yang sama dengan charger ponsel

A, maka total rugi-rugi energi selama satu tahun dari semua ponsel tersebut

adalah:

MWh

Wh

W lossconv

300.27

102,73

000.000.1254,218

10

.

Adapun dengan frekuensi pengisian ponsel yang berbeda, maka total rugi-

rugi energi yang dihasilkan juga berbeda seperti yang dapat dilihat pada Tabel

3.15.

Grafik pada Gambar 3.10 menunjukkan semakin tinggi frekuensi

pengisian ponsel, semakin besar rugi-rugi energi akibat proses konversi pada

charger ponsel yang ditimbulkan per tahunnya.


43


Tabel 3.15. Total Rugi-rugi Energi Ponsel dengan Frekuensi Pengisian yang

Berbeda

Frekuensi Pengisian

Ponsel Wconv.loss/ponsel/tahun Wconv.loss semua ponsel/tahun

1 kali/3 hari 145,2 Wh 18.150 MWh

1 kali/2 hari 218,4 Wh 27.300 MWh

1 kali/1 hari 438 Wh 54.750 MWh

2 kali/1 hari 876 Wh 109.500 MWh

Besar total rugi-rugi konversi AC-DC yang telah dihitung berdasarkan

asumsi tersebut hanya pada ponsel. Hal ini belum termasuk rugi-rugi konversi

AC-DC pada jenis beban DC lainnya seperti personal computer (PC), televisi

LCD, printer, yang jumlahnya juga tidak sedikit. Jika jumlah penggunaan beban-

beban tersebut semakin meningkat, maka ini berpotensi terhadap peningkatan

rugi-rugi konversi akibat konverter AC-DC yang digunakan. Oleh karena itu

diperlukan suatu alternatif untuk mengatasi permasalahan rugi-rugi konversi yang

ada pada setiap beban DC yang disuplai AC.

Gambar 3.10. Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel terhadap Total Rugi-rugi Energi

Ponsel Per Tahun

1 kali/ 3 hari

1 kali / 2 hari

1 kali / 1 hari

2 kali/1 hari

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0 0.5 1 1.5 2 2.5

To

tal R

ugi-

rugi

Ener

gi/

tahun

(MW

h)

Frekuensi Pengisian Ponsel

Grafik Frekuensi Pengisian Ponsel vs Total Rugi-rugi Energi /

Tahun



BAB 4

DESAIN TOPOLOGI SISTEM DC PADA RUMAH TANGGA

4.1 Umum

Rumah tangga merupakan salah satu kategori pelanggan yang paling

banyak mengonsumsi energi listrik. Tercatat dari 147.297,47 GWh total energi

yang dikonsumsi pelanggan pada kalender 2010 PLN [19], pelanggan rumah

tangga mengonsumsi energi sebesar 59.824,94 GWh atau 41 % dari total yang

dikonsumsi dari seluruh pelanggan, diikuti oleh industri dengan konsumsi energi

sebesar 50.985,20 GWh (35%), komersial 27.157,22 GWh (18%), dan yang

lainnya (sosial, gedung perkantoran pemerintah, dan penerangan jalan umum)

sebesar 9.330,11 GWh (6%). Dengan konsumsi energi beban rumah tangga

sebesar itu, terdapat rugi-rugi energi yang diakibatkan konversi dari AC menjadi

DC pada beban-beban yang secara internal beroperasi dengan DC. Beban-beban

rumah tangga yang secara internal beroperasi dengan DC jumlahnya tidak sedikit,

setidaknya pada sebagian besar rumah tangga terdapat beban elektronika baik

berupa televisi, radio, ponsel, komputer atau bahkan laptop. Jika penggunaan

beban-beban seperti ini semakin meningkat, maka hal ini bisa menjadi salah satu

pemicu meningkatnya rugi-rugi pada sistem yang perlu diperhitungkan.

Salah satu alternatif untuk menanggulangi permasalahan rugi-rugi

konversi pada sistem AC adalah dengan menerapkan sistem DC. Di samping

dapat mengurangi rugi-rugi konversi, sistem DC juga dapat memanfaatkan

sumber-sumber energi terbarukan secara lebih optimum dan efektif. Hal ini

disebabkan sumber-sumber energi terbarukan seperti photovoltaic cell dan fuel

cell menghasilkan keluaran DC. Bukan hanya itu, turbin angin dan mikrohidro

juga dapat menghasilkan keluaran DC sehingga semakin banyak sumber energi

terbarukan yang dapat dimanfaatkan secara lebih efektif pada sistem DC. Selain

itu, adanya perkembangan terbaru pada elektronika daya yang meliputi konverter

DC-DC memiliki dampak yang besar pada penerapan sistem DC. Konverter DC-

DC berperan penting pada penerapan sistem DC. Efisiensi dari sistem DC

bergantung pada efisiensi dari konverter DC-DC yang digunakan. Konverter DC-

DC biasanya memiliki efisiensi 77% hingga 95 % bergantung pada pabrikan [24].


45


Rumah tangga sebagai pelanggan yang mengonsumsi energi paling besar

dapat menerapkan sistem DC untuk mengurangi rugi-rugi konversi AC-DC dan

juga memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan secara lebih efisien. Selain

itu, hal ini dapat menjadi suatu proses menuju penerapan energi ramah lingkungan

karena sumber-sumber energi yang dimanfaatkan tidak menghasilkan emisi CO2.

Oleh karena itu, pada bab ini diusulkan beberapa desain topologi sistem

DC untuk diterapkan pada rumah tangga. Topologi sistem DC yang didesain ini

bertujuan untuk mengurangi rugi-rugi konversi yang ada pada sistem AC dengan

memanfaatkan sumber-sumber energi terbarukan.

4.2 Topologi yang Diajukan

Selama ini, tegangan yang digunakan untuk menyuplai beban-beban

rumah tangga adalah tegangan AC 220 V/380 V yang berasal dari PLN.

Penggunaan tegangan AC ini mengharuskan beban-beban yang secara internal

beroperasi dengan DC, seperti laptop, ponsel, televisi, personal computer, serta

beban DC lainnya untuk menggunakan konverter AC-DC atau penyearah.

Sebelumnya, pada bab 3 dijelaskan bahwa rugi-rugi konversi yang ditimbulkan

oleh Adapter ponsel dapat menjadi begitu besar disebabkan banyaknya

penggunaan beban ini. Hal ini belum termasuk rugi-rugi konversi dari beban DC

lainnya dan kenaikan jumlah penggunaan beban-beban DC tersebut.

Selain itu, dengan menerapkan sistem AC ini, sumber-sumber energi

terbarukan yang sedang dikembangkan seperti photovoltaic cell atau pun fuel cell

perlu menggunakan inverter agar dapat terhubung ke grid AC. Setelah dikonversi

menjadi AC, kemudian dikonversi lagi menjadi DC pada setiap beban-beban DC

seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Konversi yang berlipat ganda ini dapat

menimbulkan rugi-rugi konversi yang berlipat ganda pula sehingga membuat

sistem menjadi tidak efisien.


46


Gambar 4.1. Skema Sistem AC yang menyuplai Beban DC yang terhubung

dengan Pembangkit Terbarukan [10]

Untuk menghindari banyaknya konversi tersebut, pada bab ini diajukan

beberapa topologi sistem DC pada rumah tangga yang dapat menjadi alternatif

dari permasalahan rugi-rugi konversi pada beban-beban DC terutama pada rumah

tangga. Topologi yang diajukan ini mengandalkan pembangkit terbarukan

keluaran DC sebagai sumber. Topologi yang diajukan terdiri dari 3 macam yaitu

topologi A, topologi B, dan topologi C.

4.2.1 Topologi A

Skema topologi A yang diajukan ditunjukkan oleh Gambar 4.2. Topologi

ini menggunakan tegangan DC 254 V sebagai tegangan bus utama dimana setiap

beban terhubung.

Berdasarkan penelitian [20], peralatan-peralatan listrik rumah tangga yang

mempunyai tegangan kerja 100 V – 240 V dapat beroperasi pada tegangan DC

254 V. Hal ini disebabkan dengan tegangan kerja 100 V - 240 V, maka tegangan

DC yang dapat diterapkan yaitu 113 V hingga 405,6 V sehingga tegangan DC 254

V masih dalam kisarannya. Salah satu peralatan yang dapat beroperasi pada

Mikro Turbin AC

DC

DC

AC

Bus AC Beban elektronika

UPS

Baterai

Beban lain

Beban AC

lain

Fuel Cell

PV

AC

DC

AC

DC

DC

AC

DC

DC

DC

AC

AC

DC

Elektronika digital

Beban sensitif

(komputer)


47


tegangan DC 254 V adalah lampu yang menggunakan ballast elektronika, seperti

compact fluorescent lamp (CFL). Di samping itu, beban-beban resistif seperti

lampu pijar maupun pemanas yang mempunyai tegangan kerja AC 100 V – 240 V

juga dapat disuplai dengan 254 Vdc. Beban resistif seperti kompor listrik dan

oven dapat bekerja pada AC maupun DC sehingga beban ini dapat juga disuplai

dengan 254 Vdc jika mempunyai tegangan kerja AC 100 – 240 V.

a. Sumber

Sumber-sumber yang digunakan pada topologi ini merupakan sumber-

sumber yang memiliki keluaran DC. Sumber-sumber ini terdiri dari photovoltaic

cell, fuel cell, dan turbin angin dengan generator DC.

Photovoltaic Cell

Sumber berupa photovoltaic cell (PV) dapat menghasilkan tegangan

keluaran DC sebesar 12 V hingga 14 V. Dengan kisaran tegangan tersebut, dapat

menggunakan konverter boost 12 V ke 254 V yang telah dikembangkan [21].

Pada PV ini dapat menggunakan baterai agar tetap dapat menyuplai ketika cahaya

mataharai sedang berkurang (cuaca sedang berawan) dan ketika malam hari.

Fuel Cell

Tegangan keluaran dari fuel cell dapat berkisar antara 26 V hingga 43 V

[22]. Tegangan keluaran dari fuel cell ini kemudian dinaikkan menggunakan

konverter boost ke 254 V.

Turbin Angin

Turbin angin dapat menghasilkan keluaran DC dengan menggunakan

generator DC. Turbin angin ini menggunakan generator DC yang memiliki

tegangan keluaran 12 V. Tegangan keluaran generator ini kemudian dinaikkan

dengan konverter boost 12 V ke 254 V.

Selain sumber-sumber tersebut, terdapat juga blok baterai sebagai sumber

energi cadangan jika sumber-sumber utama mengalami gangguan atau sedang

mengalami kekurangan suplai.


48


Gambar 4.2. Skema Topologi A

Keterangan:

: Bus utama 254 V

b. Beban

Penerapan topologi A ini membuat beban-beban DC dapat disuplai secara

lebih efektif bila dibandingkan dengan penerapan sistem AC. Beban-beban ini

diantaranya:

Beban Resistif

Untuk beban resistif pada rumah tangga seperti lampu pijar, pemanas dan

beban resistif lainnya yang beroperasi pada tegangan 100-240 Vac dapat disuplai

secara langsung dengan tegangan 254 Vdc.

Sumber Energi

Terbarukan

Beban Resistif & lampu

dengan ballast elektronika

Beban Portabel

Baterai

Freezer

Kompresor

elektronik

LCD

Flyback DC/DC

converter

Baterai

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

PV


49


Lampu Fluorescent dengan Ballast Elektronika

Lampu ini dapat disuplai dengan tegangan 254 Vdc secara langsung.

Tegangan kerja dari lampu ini juga dalam kisaran 100-240 Vac [20].

Beban Portabel

Untuk beban ini, tidak lagi menggunakan AC Adapter akan tetapi terdapat

konverter DC-DC (konverter buck) di dalam beban yang mengubah tegangan 254

V menjadi tegangan yang dibutuhkan beban. Misalnya, konverter buck 254 V ke

19,5 V untuk laptop dan 254 V ke 5 V untuk ponsel dan sejenisnya. Oleh karena

itu pada beban-beban portabel ini memerlukan sedikit modifikasi. Hal ini untuk

menghindari banyaknya proses konversi.

Refrigerator, Freezer, Fridge

Beban-beban pendingin seperti refrigerator, freezer, dan fridge saat ini

terdapat yang beroperasi pada tegangan DC yaitu dengan tegangan 12 V atau 24 V

[23]. Sehingga, di dalam beban ini ditambahkan konverter buck yang mengubah

tegangan 254 V ke 12 V atau 24 V.

TV LCD

Beban rumah tangga berupa TV LCD mengalami modifikasi agar dapat

terhubung dengan bus DC secara lebih efektif. Untuk dapat beroperasi pada

tegangan DC 254 V, di dalamnya terdapat konverter boost yang mengubah

tegangan DC 254 V menjadi 380V-400V [17].

Dengan menerapkan topologi A, sumber-sumber energi terbarukan dapat

termanfaatkan secara lebih efektif dibandingkan dengan menggunakan sistem AC.

Pada beban DC, penggunaan konverter AC-DC dapat dihilangkan. Untuk laptop,

tidak membutuhkan lagi AC Adapter yang terpisah dari beban, akan tetapi

menggunakan konverter buck dengan efisiensi yang tinggi yang ada di dalam

laptop. Selain itu, penggunaan topologi ini lebih efektif karena menggunakan satu

bus utama 254 V untuk semua beban. Penggunaan 254 V ini seakan-akan menjadi

pengganti tegangan 220 V yang berasal dari penyuplai.

4.2.2 Topologi B

Pada topologi ini, beban-beban DC rumah tangga yang ada

diklasifikasikan berdasarkan pada level tegangan masukannya. Hal ini bertujuan


50


agar beban-beban yang mempunyai tegangan masukan sama dapat disuplai

melalui bus yang sama. Sehingga, pada topologi ini digunakan bus-bus dengan

level tegangan yang sesuai dengan tegangan masukan sebagian beban-beban DC

pada rumah tangga. Selain itu, topologi ini juga menggunakan tegangan bus

utama 254 V untuk menyuplai beban resistif maupun lampu dengan ballast

elektronika secara langsung. Skema topologi B dapat dilihat pada Gambar 4.3.

Sebagian besar beban-beban DC pada rumah tangga mempunyai tegangan

masukan 12 V atau 24 V [17]. Beban-beban yang mempunyai tegangan masukan

ini antara lain refrigerator/freezer dengan kompresor DC, fridge, kipas DC, lampu

LED dan sebagainya. Selain itu, terdapat juga sebagian beban yang memiliki

tegangan masukan 48 V seperti pada DC Air Conditioner yang merupakan produk

dari DCAIRCO Company [17]. Selain itu, banyak terdapat pula beban-beban DC

yang mempunyai tegangan masukan 5 V diantaranya ponsel, smartphone, radio

FM serta beban mobile device lainnya. Berdasarkan hal tersebut, pada topologi ini

digunakan level tegangan bus 12 V, 24 V, 48 V, dan 5 V selain 254 V.

Dengan menerapkan topologi ini, beban-beban DC yang memiliki

tegangan yang sesuai dengan tegangan bus tidak lagi memerlukan konverter.

Dengan demikian, penggunaan topologi ini dapat menekan rugi-rugi konversi

yang sebelumnya ditimbulkan oleh setiap beban DC yang disuplai AC. Pada

topologi ini, penggunaan konverter hanya untuk mengkonversi tegangan antar bus

dan untuk mengkonversi tegangan keluaran dari sumber-sumber energi terbarukan

ke bus 254 V.

Adapun ketersediaan konverter untuk diterapkan antar bus pada topologi

ini cukup memadai, diantaranya konverter produk dari Samlex America [24].

Konverter yang dapat digunakan dari produk Samlex America pada topologi ini

yaitu:

SD-15A-5 : bus 12 V ke bus 5 V

SD-15B-12: bus 24 V ke bus 12 V

SD-15C-24: bus 48 V ke bus 24 V


51


Gambar 4.3. Skema Topologi B

Keterangan:

: Bus utama 254 V

: Bus 48 V

: Bus 24 V

: Bus 12 V

: Bus 5 V

Pada topologi ini, juga terdapat baterai pada tegangan bus 12 V sebagai

sumber energi cadangan ketika terjadi gangguan atau suplai sedang mengalami

kekurangan. Hal ini dapat meningkatkan kehandalan dari topologi ini.

Sumber Energi

Terbarukan

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Beban 48 V

Beban 5 V

Beban 12 V

Beban 24 V

Beban resistif

PV

Baterai

Baterai


52


Dibandingkan dengan topologi A, topologi B lebih efisien karena dapat

menghilangkan penggunaan konverter pada sebagian besar beban DC sehingga

dapat menghilangkan rugi-rugi konversi dari setiap beban DC. Akan tetapi,

topologi B kurang efektif karena terdapat banyak level tegangan bus yang

digunakan, sedangkan topologi A hanya menggunakan satu bus utama 254 V

untuk semua beban.

4.2.3 Topologi C

Skema dari topologi ini ditunjukkan pada Gambar 4.4. Topologi ini

merupakan modifikasi dari topologi B dimana setiap bus yang menyuplai beban,

yaitu bus 12 V, 24 V, 48 V dan 5 V terhubung langsung dengan bus 254 V

masing-masing melalui sebuah konverter buck. Konverter buck ini mengubah

tegangan 254 V ke masing-masing tegangan bus yang digunakan.

Dengan menerapkan topologi C, maka beban-beban DC juga dapat

disuplai secara efektif tanpa perlu menggunakan konverter pada setiap beban.

Topologi C lebih efisien dibandingkan dengan topologi A karena konverter pada

sebagian besar beban DC rumah tangga dapat dihilangkan. Pada topologi C, hanya

dibutuhkan satu konverter buck untuk menyuplai beban-beban DC dengan

tegangan masukan yang sama. Akan tetapi, untuk menerapkan topologi ini,

dibutuhkan suatu konverter yang dapat mengubah tegangan 254 V ke 5 V dan ke

level tegangan bus lainnya. Bila dibandingkan dengan topologi B, topologi C

lebih efisien karena untuk menyuplai beban 24 V, 12 V dan 5 V hanya

memerlukan satu proses konversi dari tegangan bus 254 V ke tegangan-tegangan

bus tersebut. Sedangkan pada topologi B, dibutuhkan lebih dari satu proses

konversi dari tegangan bus 254 V untuk menyuplai beban 24 V, 12 V maupun 5

V.


53


Gambar 4.4. Skema Topologi C

Keterangan:

: Bus utama 254 V

: Bus 48 V

: Bus 24 V

: Bus 12 V

: Bus 5 V

Baterai

Sumber Energi

Terbarukan

PV

Beban resistif

Beban 48 V

Baterai

Beban 5 V

Beban 12 V

Beban 24 V

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.



BAB 5

KESIMPULAN

Dari skripsi ini, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Pada panjang 5 m hingga 20 m, persentase jatuh tegangan dan rugi daya

sistem AC maupun sistem DC untuk beban lampu pijar maupun lampu

CFL kurang dari 1 % sehingga ini berarti bahwa tidak ada jatuh tegangan

maupun rugi daya pada sistem AC maupun DC untuk panjang 5 m hingga

20 m.

2. Rugi-rugi konversi dari AC Adapter laptop sebesar 0,8 W hingga 4,8 W

dengan efisiensi rata-rata 94 % hingga 97 %, sedangkan rugi-rugi

konversi rata-rata dari AC Adapter ponsel sebesar 0,6 W hingga 0,8 W

dengan efisiensi rata-rata 63 % hingga 78 %.

3. Dengan menerapkan sistem AC, rugi-rugi energi yang ditimbulkan dari

konversi pada AC Adapter ponsel berdasarkan jumlah pengguna di

Indonesia selama satu tahun adalah 18.150 MWh hingga 109.500 MWh.

4. Penerapan sistem DC pada rumah tangga dapat menggunakan tiga

topologi, yaitu topologi A, topologi B, dan topologi C. Topologi A lebih

efektif dari pada topologi B dan C karena menggunakan satu bus utama

254 V untuk menyuplai semua beban DC, sedangkan topologi B dan C

berpotensi lebih efisien daripada topologi A karena dapat menghilangkan

konverter pada sebagian besar beban DC.



DAFTAR ACUAN

[1] Amin, M., Arafat, Y., Lundberg, S. (2011, November 7). Low voltage DC

distribution system compared with 230 V AC. Paper presented at IEEE

Electrical Power and Energy Conference, 2011. EPEC 2011, Winnipeg, 7

(11), 340-345. July 4, 2012.

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=6070222&co

ntentType=Conference+Publications&searchField%3DSearch_All%26query

Text%3DLow+voltage+DC+distribution+system+compared+with+230+V+A

C

[2] Hammerstrom, Donald J. (2007, July 2003). AC Versus DC Distribution

Systems—Did We Get it Right?. Paper presented at Power Engineering

Society General Meeting, 2007. Tampa, 23 (7). 1-5. July 4, 2012.



Text%3DAC+Versus+DC+Distribution+Systems%E2%80%94Did+We+Get

+it+Right

[3] Sulzberger, Carl L. (2003, December 19). triumph of ac From Pearl Street to

Niagara. Paper presented at IEEE Power & Energy Magazine. 64-67. July 4,

2012.


ntentType=Journals+%26+Magazines&searchField%3DSearch_All%26quer

yText%3Dtriumph+of+ac+From+Pearl+Street+to+Niagara

[4] Arismunandar, A. (1968). Teknik Tegangan Tinggi. Pradnya Paramita:

Jakarta

[5] Gecan, C.O., Bindiu, R. (2009). Power Capability in Low Voltage DC

Distribution Systems. Scientific Bulletin of the Petru Maior University of

Tirgu Mures, vol. 6 (XXIII). 109-114.. July 4, 2012.

http://scientificbulletin.upm.ro/en/content_09.php

[6] Pellis, J. (1997). The DC Low-Voltage House. September 1997. The

Eindhoven University of Technology.


56


[7] Chapman, Stephen J. Electric Machinery Fundamentals (4th ed). McGraw-

Hill.

[8] Short, T.A. (2004). Electric Power Distribution Handbook. CRC Press LLC

[9] Brown, Richard E. (2009). Electric Power Distribution Reliability (2nd ed).

CRC Press.

[10] Sannino, A., Postiglione, G., & Bollen, M. H. J. (2003, 29 September).

Feasibility of a DC Network for Commercial Facilities. Paper presented at

IEEE Transactions on Industry Applications. 1499-1507. July 4, 2012.


ntentType=Journals+%26+Magazines&queryText%3DFeasibility+of+a+dc+

network+for+commercial+facilities

[11] McPartland, Brian J., Hartwell, Frederic P., & McPartland, Joseph F. (2011).

National Electric Code 2011 Handbook (22nd ed). McGraw-Hills.

[12] Nilsson, Daniel. (2005). DC Distribution System. Thesis for Degree of

Licentiate of Engineering, pp.4-6, Chalmers University of Technology

G¨oteborg, Sweden.

[13] Techakittiroj, Kittiphan., Wongpaibool, Virach. (2009, 15 January). Co-

existance between AC-distribution and DC-distribution: in the view of

appliances. Paper presented at Second International Conference on Computer

and Electrical Engineering. ICCEE 2009, Dubai, 15 (01). 421-425. July 4,

2012 pp.422.

[14] Paajanen, Pertti., Kaipia, Tero., & Partanen, Janno. (2009, September 22).

DC Supply of Low-Voltage Electricity Appliances in Residential. Paper

presented at 20th International Conference and Exhibition on Electricity

Distribution – Part 1, 2009. CIRED 2009, Prague, 22 (09). 1-4. July 4, 2012.



Text%3DDC+Supply+of+Low-

Voltage+Electricity+Appliances+in+Residential

[15] Boylestad, Robert., Nashelsky, Louis. Electronic Devices and Circuit Theory

(7th ed). Prenctice Hall


57


[16] Arafat, Yasir., Amin, Mohammad. (2011). Feasibility study of low voltage

DC house and compatible home appliance design. Chalmers University of

Technology Göteborg, Sweden, pp.25,

[17] Rodríguez-Otero, Miguel A., O’Neill-Carrillo, Efraín. (2009, 10 February).

Efficient Home Appliances for a Future DC Residence. Paper presented at

IEEE Energy 2030 Conference, 2008. ENERGY 2008, Atlanta, 10 (02). 1-6.

July 4, 2012.



Text%3DEfficient+Home+Appliances+for+a+Future+DC+Residence

[18] Yahya, M. Dzulfahmi. (2012, February 21). Jumlah Ponsel Lampaui

Penduduk. June 12, 2012.

http://teknologi.kompasiana.com/gadget/2012/02/21/jumlah-ponsel-lampaui-

penduduk

[19] PLN (2011, June). PLN Statistics 2010. June 5, 2012.

http://www.pln.co.id/?p=4828

[20] Budiyanto., Setiabudy, Rudy., & Setiawan, Eko Adhi., Pengembangan

Invertor sebagai Konvertor Penaik Tegangan dalam Jaringan Listrik Mikro

Arus Searah (DC Microgrid)

[21] Budiyanto., Setiabudy, Rudy., Setiawan, Eko Adhi., Sudibyo, Uno Bintang.

(June 2011). Development of Direct Current Microgrid Control For Ensuring

Power Supply From Renewable Energy Resources. International Journal of

Technology (2011) 3: 199-206

[22] Segura, F., Andújar, J. M., Durán, E., (2009, October 06). AC and DC Output

Fuel Cell Hybrid System: Design, Building and Testing. Paper presented at

13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009.

EPE 2009, Barcelona, 06 (10). 1-10. July 4, 2012.



Text%3DAC+and+DC+Output+Fuel+Cell+Hybrid+System%3A+Design%2

C+Building+and+Testing

[23] Chest Style. (n.d). July 4, 2012.


http://teknologi.kompasiana.com/gadget/2012/02/21/jumlah-ponsel-lampaui-penduduk

http://teknologi.kompasiana.com/gadget/2012/02/21/jumlah-ponsel-lampaui-penduduk

http://www.pln.co.id/?p=4828

58


http://sundanzer.com/solar-power-refrigerators/chest-style/

[24] Chaidez, Jesica E. (2011). DC House Modeling and System Design.

California Polytechnic State University San Luis Obispo.


http://sundanzer.com/solar-power-refrigerators/chest-style/


LAMPIRAN

Tabel Hasil Pengukuran Sistem DC menggunakan Penyearah tanpa Kapasitor

dengan Beban Lampu Pijar

Panjang

Kabel (m) V1 (V) A (A) V2 (V)

5 120 1,45 120

210 1,96 210

10 120 1,45 120

210 1,96 210

15 120 1,45 120

210 1,96 210

20 120 1,44 119

210 1,95 209

Tabel Hasil Pengukuran Sistem DC dengan Penyearah tanpa Kapasitor dengan

Beban Lampu CFL

Panjang Kabel

(m) V1 (V) A (A) V2 (V)

5

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

10

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

15

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220

20

120 0,14 120

210 0,14 210

220 0,14 220


60


Hasil Pengukuran Faktor Daya 5 Buah Lampu Pijar 100 W dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Intantaneous

Value

Average Value -0,9984

Maximum Value -0,9984

Time of Maximum

Value 6/6/2012

-0,9984

Minimum Value -0,9984

Time of Minimum Value 6/6/2012

0,9984

6/6/2012 18:41:19 -0,9984

18:42:19 -0,9984

18:43:19 -0,9984

18:44:19 -0,9984

18:45:19 -0,9984

Hasil Pengukuran Faktor Daya 5 Buah Lampu CFL 20 W dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Intantaneus

Value

Average Value -0,8422

Maximum Value -0,8392

Time of Maximum

Value

6/6/2012

18:23:28

Minimum Value -0,8456

Time of Minimum

Value

6/6/2012

18:27:28

6/6/2012 18:23:28 -0,8392

18:24:28 -0,8409

18:25:28 -0,8413

18:26:28 -0,8416

18:27:28 -0,8456

18:28:28 -0.8448


61


Hasil Pengukuran Faktor Daya AC Adapter original dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Instantaneous

Value

average value -0,9939

maximum value -0,9932

time of maximum value 6/1/2012

18:42:56

minimum value -0,9947

time of minimum value 6/1/2012

18:45:56

6/1/2012 18:40:56 -0,9938

18:41:56 -0,9942

18:42:56 -0,9932

18:43:56 -0,9934

18:44:56 -0,9942

18:45:56 -0,9947

Hasil Pengukuran Faktor Daya Replacement AC Adapter dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Instantaneous

Value




19:42:59



19:40:59

6/1/2012 19:40:59 -0,9792

19:41:59 -0,9774

19:42:59 -0,9762

19:43:59 -0,9765

19:44:59 -0,9780

19:45:59 -0,9787


62


Hasil Pengukuran Faktor Daya Charger Ponsel A dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Instantaneous

Value

average value -

maximum value 0,9989


17:15:45



17:14:45

6/1/2012 17:22:15 0,9987

17:23:15 0,9989

17:24:45 -0,9973

17:25:45 -0,9965

17:26:45 -0,9970

17:27:45 -0,9973

Hasil Pengukuran Faktor Daya Charger Ponsel B dengan Hioki 3169-20

Date Time

Power Factor

Instantaneous

Value




17:15:45

minimum value 0,9970


17:14:45

6/1/2012 17:14:45 -0,9970

17:15:45 -0,9964

17:16:45 -0,9968

17:17:45 -0,9966

17:18:45 -0,9970

17:19:45 -0,9968


analisis perbandingan sistem kelistrikan ac dan dc …

Documents