II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

II.1. Tinjauan Pustaka

Dari beberapa penelitian yang telah dibaca, berikut ini merupakan ringkasan

pendapat dari dua sumber berbeda tentang pembangkit listrik tenaga air skala kecil

yang menggunakan alat ELC untuk kendali beban dan Guide Vane.

Pemanfaatan air sebagai pembangkit listrik skala kecil banyak diterapkan

pada daerah terpencil. Sebagai alat kontrol beban pada umumnya menggunakan

Electric Load Control (ELC). Prinsip kerja ELC yaitu menyalurkan energi

pembangkitan ke dummy load berupa ballast ketika terjadi fluktuasi beban

konsumen agar frekuensi dan tegangan dapat dipertahankan. Metode tersebut

menyebabkan generator dan turbin selalu bekerja pada beban maksimum, sehingga

dapat berpengaruh pada kualitas pembangkitan dan life time turbin serta tidak dapat

digunakan untuk sistem terinterkoneksi (grid system). (Hidayat, 2016)

Prinsip utama governor dalam mengatur frekuensi adalah mengatur energi

input turbin, dalam hal ini debit air. Fluktuasi beban yang menyebabkan perubahan

frekuensi, diseimbangkan dengan jumlah debit air yang mengenai sudu turbin

melalui pengaturan sudu antar (guide vane) atau katup masuk (intake valve) ke

turbin. Dengan demikian, debit air yang dialirkan ke turbin sesuai dengan keperluan

beban saat itu. (Deki Andra, 2016)

Dari rangcangan yang telah dilakukan oleh Deki Andra, sistem kendali yang

digunakan untuk governor agar dapat bekerja otomatis mengontrol beban PLTA

skala kecil dengan menggunakan Programmable Logic Controller (PLC) dan motor

listrik sebagai penggerak katup pengatur debit air yang masuk ke turbin. Sedangkan

untuk Tugas Akhir ini, sistem kendali yang digunakan berbasis arduino dan motor

DC sebagai penggerak guide vane pada turbin francis.

II.2. Landasan Teori

II.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air

Pembangkit listrik tenaga air merupakan suatu pembangkit yang

memanfaatkan energi potensial dan energi kinetik pada air untuk dikonversikan

menjadi daya putar oleh turbin. Energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin yang

sudah terkopel dengan generator akan mengkonversi daya putar menjadi energi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-2

listrik sebagai hasil akhirnya. Proses konversi dari sistem PLTA dapat dilihat pada

Gambar II.1.

Gambar II. 1 Skema konversi energi pada PLTA

(Sumber : Dokumentasi pribadi)

Daya hidrolik sebagai daya input dari sistem PLTA dapat dihitung berdasarkan

persamaan 2.1.

Ph = 𝝆 × 𝐠 × 𝐇 × 𝐐 (2.1)

Dimana, Ph = Daya hidrolik secara teoritis [Watt]

𝜌 = massa jenis air [kg/m3]

g = gravitasi [m/s2]

H = Tinggi jatuh air [m]

Q = Debit air [m3/s]

Daya output dari sistem PLTA terdapat pada persamaan 2.2.

𝑃𝑜 = 𝑽 𝒙 𝑰 𝒙 𝑪𝒐𝒔𝝋 (2.2)

Dimana, Po = Daya output generator [Watt]

V = Tegangan [Volt]

I = Arus [Ampere]

Dari persamaan 2.1 dan 2.2, nilai efisiensi dapat dihitung sesuai dengan

persamaan 2.3.

Reservoir Sumber Air Turbin G

Beban

Energi

Potensial

Air

Energi

Kinetik Air Energi

Mekanik

Energi Listrik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-3

𝜂 = 𝑷𝒐

𝑷𝒉 𝒙 𝟏𝟎𝟎% (2.3)

Dimana, ղ = Efisiensi [%]

II.2.2 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Air

Dewasa ini, energi terbarukan sangat dibutuhkan untuk menunjang kebutuhan

energi yang semakin meningkat setiap waktunya. Energi terbarukan haruslah

mempunyai karakteristik dan ketersediaan yang melimpah. Oleh karena Indonesia

mempunyai potensi air yang sangat besar, maka kita dapat membuat pembangkit

listrik tenaga air skala kecil maupun skala besar guna mencukupi kebutuhan listrik

tersebut.

PLTA memiliki beberapa kelebihan dibandingkan pembangkit listrik lainnya,

diantaranya sebagai berikut :

o Sumber energi primer untuk PLTA tidak akan habis karena akan dikembalikan

ke sumber asalnya.

o Pemeliharaan mudah dan pengoperasian sederhana juga biayanya rendah

o Sistemnya sederhana dan memiliki ketangguhan yang baik sehingga dapat

diandalkan

o Tidak menghasilkan emisi karbon yang dapat menyebabkan polusi gas rumah

kaca.

II.2.3 Turbin Air

Turbin air merupakan pembangkit yang menggunakan energi potensial air

sebagai fluida penggeraknya untuk menghasilkan energi mekanik. Perkembangan

turbin sudah lama, turbin yang pertama dan sederhana digunakan adalah jenis

waterwheel dan kemudian mengalami perubahan dan perbedaan jenis – jenis turbin

yang baru dengan desain dan cara kerja yang berbeda. Klasifikasi pemilihan turbin

berdasarkan head dan debit air dapat dilihat pada gambar II.2. Setiap jenis turbin

air memiliki efisiensi yang berbeda – beda karena memiliki karakteristik yang

berbeda pula. Dari gambar II.3 dapat dilihat nilai efisiensi yang dihasilkan terhadap

beban untuk setiap jenis turbin air.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-4

Gambar II. 2 Diagram aplikasi berbagai jenis turbin (head vs debit)

(Sumber: http:en.wikipedia.org)

Gambar II.3 Efisiensi turbin terhadap beban

(Sumber: SKAT, 1985)

II.2.4 Turbin Francis

Turbin francis termasuk ke dalam jenis turbin reaksi, artinya fluida yang

bekerja mengubah tekanan bersamaan dengan gerak turbinnya, melepaskan energi.

Turbin ini adalah jenis yang paling dapat diandalkan untuk pembangkit

listrik tenaga air. Prinsip kerja turbin francis yaitu air dimasukkan tepat diatas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-5

runner lalu debit air yang mendorong runner vane diatur oleh guide vane sehingga

runner berputar.

Tabel II. 1 Bagian dari turbin francis pada gambar II.4

Gambar II.4 Turbin francis vertikal

(Sumber : https://en.wikipedia.org)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-6

II.2.5 Guide Vane

\

Gambar II.5 Guide Vane

(Sumber : http://www.Gerler – Engineering.com)

Guide vane (sudu pengarah) atau yang bisa disebut juga dengan wicket gate

berfungsi untuk mengubah energi tekanan air menjadi energi momentum, selain itu

juga berfungsi sebagai pintu masuk air dari spiral casing menuju runner, guide vane

juga berfungsi sebagai distributor agar air disekeliling runner mempunyai debit

yang sama rata, debit yang rata berguna sebagai pengaman turbin pada saat terjadi

gangguan. Gambar guide vane dapat dlihat pada Gambar II.5. Sudu pengarah (guide

vane) juga dapat mengendalikan sudut dari kecepatan tangensial air yang masuk

atau menumbuk runner dan meminimalkan kebocoran melalui turbin saat tidak

beroperasi.

Bukaan pada guide vane akan mempengaruhi kecepatan putaran turbin, guide

vane akan mengubah energi tekanan pada fluida air menjadi energi momentum saat

air mengalir dan menyalurkan serta memusatkan tekanan ke dalam sudu – sudu

turbin secara tangensial. Semakin besar bukaan guide vane maka turbin akan

berputar semakin cepat dan begitu pula sebaliknya. Jika putaran turbin cepat maka

generator akan menghasilkan daya lebih besar, karena semakin besar kecepatan

turbin maka akan semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh generator dan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-7

semakin besar putaran generator maka frekuensi yang dihasilkanpun akan semakin

besar. Untuk mengetahui sudut dari guide vane dapat dihitung dengan persamaan

2.4.

(2.4)

Dimana, Persamaan 2.4 didapatkan dari gambar II.6.

Gambar II. 6 penjabaran persamaan 2.4 dari guide vane

(Sumber: Fillo, Noelle. Dkk. Francis Turbine)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-8

Gambar II. 7 Hubungan sudut bukaan guide vane dengan debit keluaran

(Sumber: Subbarao PMV, 2003)

II.2.6 Generator

Generator merupakan alat konversi energi mekanik dari putaran poros

menjadi energi listrik. Pada generator sinkron, kutub – kutub pembangkit medan

magnet (rotor) berputar terhadap stator (jangkar). Selama rotor berputar terjadi

perubahan fluks medan magnet yang membangkitkan tegangan listrik yang disebut

dengan gaya gerak listrik (GGL).

Besarnya tegangan induksi yang dibangkitkan dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.5.

𝜀 = −𝚴𝒅𝝓

𝒅𝒕 (2.5)

dimana :

ε = Tegangan induksi [volt]

𝑑𝜙

𝑑𝑡 = perubahan fluks per satuan waktu [

𝑊𝑏

𝑠]

N = Jumlah lilitan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-9

Salah satu parameter keluaran dari generator adalah frekuensi. Nilai frekuensi

dipengaruhi oleh putaran generator. Hubungan frekuensi dan kecepatan generator

dapat dilihat dari persamaan 2.6.

n = 120f

P (2.6)

dimana :

n = putaran generator [rpm]

f = frekuensi generator [Hz]

P = jumlah kutub pada generator

II.2.7 Motor Direct Current (DC)

Motor direct current (DC) adalah motor yang banyak digunakan sehari – hari

karena termasuk ke dalam jenis motor paling sederhana, yang memiliki dua kabel,

yaitu catu daya dan ground. Motor DC memerlukan tegangan yang searah dengan

arah kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pemberian catu daya

dapat di bolak – balik untuk memberikan efek arah putaran yang berbeda.

Gambar II.8 Motor DC

(Sumber : Meri Wardana, 2013)

Jenis motor DC yang digunakan sebagai aktuator di dalam tugas akhir ini

adalah motor DC Power Window seperti pada gambar II.7. Motor DC memiliki

keuntungan utama seperti kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak

mempengaruhi kualitas pasokan daya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-10

II.2.8 Driver Motor H-Bridge

Driver motor adalah sebuah rangkaian yang digunakan untuk mengendalikan

sebuah motor DC sehingga dapat berputar searah maupun melawan arah jarum jam.

Rangkaian driver berfungsi untuk mengatur kerja peralatan yang dihubungkan

dengan rangkaian lain membentuk suatu fungsi elektronika seperti mempercepat

atau memperlambat kecepatan motor, membalik arah putaran motor dan

mengendalikan putaran motor.

H – Bridge adalah sebuah rangkaian dimana motor menjadi titik tengahnya

dengan dua jalur yang bisa dibuka tutup untuk melewatkan arus pada motor.

Rangkaiannya membentuk huruf H dengan memiliki empat saklar. Ketika saklar S1

dan S4 ditutup dan S2 dan S3 terbuka maka tegangan positif akan mengalir di

motor. Ketika saklar S1 dan S4 dibuka dan saklar S2 dan S3 ditutup maka tegangan

akan mengalir terbalik, sehingga motor beroperasi kebalikan arah. Menggunakan

cara kerja tersebut, saklar S1 dan S2 atau S3 dan S4 tidak boleh ditutup pada saat

yang sama. Hal ini akan menyebabkan hubungan pendek pada sumber tegangan

atau dikenal sebagai shoot-through.

Driver motor yang digunakan dalam tugas akhir ini yaitu modul monster

motor shield VNH2SP30 yang mempunyai arus maksimum sampai 30 A dan

memiliki sensor arus beban didalamnya. Modul VNH2SP30 dapat digunakan untuk

mengendalikan beban – beban induktif seperti relay, motor dc, motor stepper, dan

lain – lain. Bentuk fisik modul VNH2SP30 seperti pada gambar II.8 dan tabel

logikanya dapat dilihat pada tabel II.2.

Gambar II.9 Modul VNH2SP30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-11

Tabel II.2 Logika Prinsip Kerja IC VNH2SP30

Kelebihan dari driver motor VNH2SP30 ini adalah cukup presisi dalam

mengontrol motor serta mudah untuk dikontrol.

II.2.9 Sistem Kendali Otomatis

Sistem kendali otomatis adalah suatu sistem pengendalian proses yang

dikendalikan dengan suatu peralatan secara penuh. Sistem kendali dapat dibedakan

menjadi beberapa jenis, salah satunya yaitu berdasarkan prinsip kerja dapat dibagi

menjadi dua sebagai berikut :

a. Sistem kendali lup tertutup

Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya

mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Jadi, sistem kontrol lup

tertutup adalah sistem kontrol berumpan balik.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-12

Gambar II.10 Sistem kontrol lup tertutup

(Sumber : Frans Gunterus, 1994)

b. Sistem kendali lup terbuka

Sistem kontrol loop terbuka adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya

tidak mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Jadi pada sistem

kontrol loop terbuka, keluaran tidak berumpan balik atau tidak diukur.

Gambar II.11 Sistem kontrol lup terbuka

II.2.10 Sistem Kendali PID (Proportional, Integral, dan Derivative)

Sistem kendali PID adalah sebuah sistem kendali yang dapat digunakan pada

sistem open loop (terbuka) dan (close loop) tertutup. Sistem kendali PID terdiri dari

tiga buah parameter cara pengaturan yaitu P (Proportional), I (Integral), dan D

(Derivative) seperti pada gambar II.11.

Gambar II.12 Blok diagram sistem kendali PID

(Sumber : Frans Guterus, 1994 )

Nilai PID dapat dihitung dengan persamaan 2.7.

𝑃𝐼𝐷=𝐾𝑝.𝑒 𝑡 +𝐾𝑖 𝑒 𝑡 𝑑𝑡+𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡 (2.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-13

Dengan :

PID = output dari kendali PID

Kp = konstanta proporsional

Ti = konstanta integral

Ki = Kp/Ti

Td = konstanta derivatif

Kd = Kp.Td

e(t) = error

Nilai Kp, Ti, dan Td didapatkan dari hasil desain dan tuning dengan

menggunakan beberapa metode tuning untuk PID. Metode yang banyak digunakan

adalah metode Ziegler Nichols 1, Ziegler Nichols 2 dan Cohen - Coon.

a. Metode tuning Ziegler Nichols tipe 1

Metode ini digunakan untuk lup terbuka dengan masukan unit – step sehingga

dapat menghasilkan kurva respon transien berbentuk S. Dari kurva repon tersebut

menghasilkan dua buah nilai konstanta waktu tunda (L) dan Time Constant (T) yang

dapat digunakan untuk mencari parameter PID. Kedua parameter tersebut diperoleh

dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi kurva S, seperti gambar

II.12. Garis tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis

c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa melakukan pendekatan fungsi transfer dalam

first order dapat dilihat pada persamaan 2.8

(2.8)

Gambar II.13 Kurva transien berbentuk S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-14

Tabel II.3 Penentuan nilai parameter PID

Tabel II.3 menunjukan persamaan yang digunakan untuk memperoleh nilai

parameter PID metode Ziegler Nichols tipe 1.

b. Metode tuning Ziegler Nichols tipe 2

Metode tuning ini menggunakan metode sistem lup tertutup dengan masukan

nilai dari parameter Proportional saja sampai menghasilkan kurva respon berosilasi

dengan konstan seperti pada gambar II.13. Nilai controller gain ini disebut sebagai

critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal keluaran akan teredam mencapai

nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan dan jika Kp terlalu besar, maka sinyal

keluaran akan tidak stabil dan terus membesar.

Dari metode osilasi didapatkan 2 buah nilai parameter yaitu nilai critical gain

(Kcr) dan periode kritis (Pcr) yang digunakan untuk menghitung nilai parameter

PID seperti pada tabel II.4.

Gambar II.14 Kurva osilasi konsisten

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-15

Tabel II.4 Persamaan parameter PID

c. Metode tuning Cohen – Coon

Metode osilasi yang menggunakan metode quarter amplitude decay. Respon

akan dibuat sampai membentuk quarter amplitude decay yaitu sampai respon

transien periode pertama memiliki amplitudo perbandingan sebesar seperempat

(1/4) seperti pada gambar II.14.

Gambar II.15 Kurva respon quarter amplitude decay (Sumber: Donny Gaffar, 2007)

II.2.11 Arduino

Arduino adalah platform mikrokontroler yang popular dan banyak digunakan

dalam bidang elektronika dan juga kontrol. Arduino adalah mikrokontroler yang

bersifat open source, artinya dapat dikembangkan secara perorangan tanpa harus

meminta lisensi asli dari Arduino. Arduino memiliki 28 pin dalam bentuk female.

Arduino memiliki catu daya 5 V untuk bisa beroperasi. Bentuk fisik dari Arduino

seperti terlihat pada gambar II.15 dan spesifikasinya tertera pada tabel II.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-16

Gambar II.16 Mikrokontroler Arduino

(Sumber : www.arduino.cc)

Tabel II.5 Spesifikasi Arduino

Arduino memiliki 6 masukan ADC (Analog to Digital Converter) yang

mana masukan tersebut diberi nama A0, A1, A2, A3, A4, A5. Untuk A4 dan A5,

bisa digunakan sebagai komunikasi wire atau yang lebih dikenal dengan istilah

Serial clock and Serial Data. Untuk A0 hingga A3 hanya bisa digunakan sebagai

masukan ADC saja. ADC Arduino memiliki resolusi sebesar 10 bit (0-1023).

Artinya, untuk masukan tegangan sebesar 0 V maka ADC menghasilkan bilangan

0 dan untuk masukan sebesar 5 V akan menghasilkan bilangan 1023.

(2.8)

Microcontroller ATmega328P

Operating Voltage 5V

Input Voltage (recommended) 7-12V

6-20V Input Voltage (limit) Digital I/O Pins 14 (which 6 provide PWM output)

PWM Digital I/O Pins 6

Analog Input Pins 6

DC Current per I/O Pin 20 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P)

of which 0.5 KB used by bootloader

2 KB (ATmega328P) SRAM EEPROM 1 KB (ATmega328P)

Clock Speed Length

16 MHz

68.6 mm 53.4 mm Width

Weight 25 g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II-17

Vinput = Tegangan masukan (0V – 5V)

Vreff = Tegangan referensi (Vreff arduino = 5V)

II.2.12 Encoder Optocoupler

Gambar II.17 Encoder optocoupler

Encoder yang menggunakan sensor optik untuk menghasilkan serial pulsa

0V dan 5V yang dapat dikonversi menjadi putaran. Untuk menggunakan encoder

ini dibutuhkan sebuah piringan yang mempunyai lubang – lubang ataupun celah.

Piringan tersebut ditempatkan ditengah sensor optik yang memiliki LED yang

menghasilkan cahaya menuju piringan dan photo-transistor digunakan untuk

mendekti cahaya dari LED. Ketika cahaya dari LED mengenai piringan tersebut

maka akan photo transistor akan saturasi, sedangkan ketika caata dari LED

menembus lubang ataupun celah dari piringan maka photo transistor akan

menghasilkan pulsa sebesar 5V.