18

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi sistem

yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara

keseluruhan.

Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan

Mekanik Turbin

Generator

Display

mikronkotroler keypad

Beban

Acs 712

Step up

19

3.1. Mekanik

Pada bagian mekanik ini akan ditinjau dalam 2 bagian, yang pertama

bak penampung yang berfungsi sebagai penampung air dari proses pasang dan

surut. Terbentuknya energi potensial yang dihasilkan oleh pompa air dan valve

elektrik di ubah menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, dan yang kedua

adalah pulley di mana energi kinetik dari turbin dikuatkan secara mekanis yang

akan menentukan kecepatan putar generator. Gambar 3.2 menunjukkan blok

diagram mekanik, dan Gambar 3.3 menunjukkan dimensi mekanik.

Gambar 3.2. Blok Diagram Mekanik

Gambar 3.3. Realisasi Mekanik

Bak penampung

Pompa turbin

Bak pasang surut

valve turbin

pulley

20

Mekanik memiliki dimensi panjang 100 cm, lebar 50 cm, dan tinggi

120 cm. Dimensi mekanik ini sekaligus menjadi dimensi keseluruhan alat.

3.1.1. Mekanik Bak Pasang Surut

Bak simulasi pasang surut dengan dimensi panjang 100 cm, lebar 50

cm, tinggi 50 cm diharapkan dapat menampung air sebanyak 0,25 , dengan

perhitungan sebagai berikut:

V = sisi x sisi x sisi

= 50 cm x 50 cm x 100 cm

= 250.000

= 0.25 ...................................(3.1)

Untuk menghitung massa air yang terdapat bak simulasi sebagai berikut:

ρ = massa jenis air 1000 kg/

m = ρ x V

= 1000 kg/ x 0.25

= 250 kg.....................................(3.2)

Gambar 3.4. Mekanik bak pasang surut

21

3.1.2. Mekanik Bak Penampung

Bak penampung dengan dimenensi panjang 100 cm, lebar 50 cm,

panjang 33 cm diharapkan dapat menampung air sebanyak 0,165 , dengan

perhitungan sebagai berikut:

V = sisi x sisi x sisi

= 50 cm x 33 cm x 100 cm

= 165.000

= 0.165 ........................................(3.3)

Untuk menghitung massa air yang terdapat bak simulasi sebagai berikut:

ρ = massa jenis air 1000 kg/

m = ρ x V

= 1000 kg/ x 0.165

= 165 kg............................................(3.4)

Gambar 3.5. Mekanik bak penampung

3.1.3. Pompa Air

Pompa air AC adalah pompa yang digerakan oleh catu daya AC atau

jala – jala listrik PLN. Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan pompa

air AC typesingle phase, Pompa air menggunakan pompa AC merk DAB

dengan sepesifikasi sebagai berikut:

22

Daya = 125 watt

Tegangan = 220 volt

Daya hisap = 9 meter

Daya dorong = 24 meter

Total head = 33 meter

Kapasitas = 35 liter / menit

Ukuran pipa = 1 inchi x 1 inchi

Untuk menghitung energi potensial yang di hasilkan oleh pompa air sebagai

berikut:

g = gravitasi bumi 9,78 m/

h = ketinggian bak penampung ke bak simulasi

Ep = m g h

= 165 kg x 9,78 m/ x 0,6 m

= 968,22 Joule................................................(3.5)

Gambar 3.5. Pompa air

3.1.4. Turbin (cross flow )

Turbin yang digunakan adalah turbin jenis cross flow dengan diameter

13 cm dan tinggi 10 cm, turbin memiliki 11 sirip di harapkan dapat menerima

gaya maksimal dari gaya yang dihasilkan oleh pompa air. Perhitungan

kecepatan putar turbin sebagai berikut :

23

Perhitungan torsi yang dihasilkan oleh turbin cross flow sebagai

berikut:

P = τ x ω

3.02 w = τ x 8.45

τ =

= 0.36 Nm.................................(3.6)

Dimana : P = usaha per waktu (W)

ω = kecepatan sudut turbin (rad / s)

τ= torsi (Nm)

n= banyaknya putaran per menit (rpm)

Perhitungan daya yang dihasilkan oleh turbin cross flow sebagai

berikut:

P =

=

= 3.02 w.............................................(3.7)

Perhitungan banyaknya putaran per menit yang dihasilkan oleh turbin

cross flow sebagai berikut:

Diameter pully x n pully = Diameter turbin x n turbin

10 cm x 105 rpm = 13 cm x V turbin

n turbin = 80.77 rpm

Perhitungan kecepatan sudut yang dihasilkan oleh turbin cross flow

sebagai berikut:

ω = 2 π

24

= 2 π

= 8.45

............................................(3.8)

Gambar 3.6. Turbin ( cross flow )

3.1.5. Pulley

Dalam perancangan sekripsi ini terdapat satu pasang pulley. Pulley

berdiameter 10 cm yang langsung dikaitkan ke turbin dengan menggunakan as

dan pulley berdiameter 5 cm yang langsung dikaitkan dengan generator. Dalam

pembutan pulley ini antara pulley satu dengan yang satu dikaitkan dengan

menggunakan karet ban, hal ini bertujuan untuk menghindari slip dan dapat

mendapatkan putaran yang maksimal. Realisasi pulley ditunjukkan oleh

Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Realisasi pulley

25

Secara sederhana realisasi pulley ditunjukkan dalam Gambar 3.8.

Gambar 3.8. Gambaran pulley Secara Sederhana

Perancangan pulley ini bertujuan untuk dimaksudkan memperoleh

putaran akhir yang banyak hanya dengan sedikit putaran di awal. Dengan kata

lain, pulley ini dimaksudkan untuk memberikan percepatan. Dengan

mengetahui bahwa pulley besar memiliki diameter 10 cm dan pulley kecil

berdiameter 5 cm, maka dengan menggunakan persamaan 2.9 rasio pulley

adalah

.......................(3.9)

Diameter pulely x n pulley = Diameter generator x n turbin

10 cm x 105 rpm = 5 cm x V turbin

n generator = 210 rpm..........................(3.10)

Dengan demikian kecepatan akhir pada pulley adalah

ω = 2 π

= 2 π

= 21.98

...........................(3.11)

A B

26

3.1.6. Valve Elektrik

Pada perancangan sekripsi ini digunakan Solenoid valve dengan kran

elektrik straight metal base AC 220 V 3/4 inchi, sepesifikasi sebagai berikut:

Merk : Kloid

Vsuplay : AC 220 V

Orifice : 20 mm

Ukuran : Drat In – Out pipe size ¾ Inch

Operating pressure : Min 0 kg/cm2 – max 10 kg/ cm2

Temp : -5 derajat celsius sampai 100 derajat celcius

Dimensi body : panjang 9 cm x diameter 4,5 cm

Berat : 700 gr

Gambar 3.9. Valve elektrik

3.2. Generator

Generator yang akan digunakan pada tugas akhir ini merupakan

generator DC dengan merk SANYO DENKI BL SUPER 63BM007FXE00

dengan spesifikasi sebagai berikut: maksimal tegangan output DC 200 volt,

maksimal arus output sebesar 1,6 Ampere dan menghasilkan daya maksimal

sebesar 200 Watt. Dengan memenuhi persyaratan percepatan sebesar 3000

RPM.

27

Gambar 3.10. Generator SANYO DENKI BL SUPER

3.3. Kontrol Utama

3.3.1. Modul mikrokontroler

Kontrol utama adalah Arduino Mega 2560 yang digunakan untuk

pengambilan dan pengolahan data sensor,Terdapat tampilan berupa seven

segment dan indikator led. Tombol ON OFF untuk menghidupkan alat.

Gambar 3.11. Blok diagram sistem kontroler utama

Catu daya AC 220 V

220 V AC ke 5 V DC

Arduino mega

2560 Sensor ketinggian air

Generator

Pompa air

valve

220 V AC ke 5 V DC

Display

220 V AC ke 5 V DC

keypad

28

Gambar 3.12. Arduino mega 2560 sebagai kontroler utama

Tabel 3.1. Konfigurasipenggunaan pin/port Arduino Mega 2560

Nama port Fungsi

Port .2 Sensor ketinggian air bawah

Port .3 Sensor ketinggian air atas

Port. 4 Output Pompa air

Port. 5 Output Valve

Port. 6 – port. 7 Sensor Arus

Port. 8 – port. 25 Display

3.3.2. Modul Sensor Arus

Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 20A di mana

tegangan pada pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5 Volt

(½×VCC, tegangan catu daya VCC = 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga

4,5V pada arus sebesar +20A atau 0,5V pada arus sebesar −20A (positif /

negative tergantung polaritas, nilai di bawah 0,5V atau di atas 4,5V dapat

dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan berkorelasi

linear terhadap besar arus sebesar 100 mV / Ampere.

29

Gambar 3.13. Sensor arus ACS 712

3.3.3. Modul driver beban AC

Modul driver beban AC berguna untuk menghidupkan pompa air dan

valve elektrik yang bekerja pada tegangan kerja 220 VAC memerlukan

rangkaian driver yang bertujuan untuk pemutus dan penyambung beban pada

pompa air dan valve elektrik. Gambar 3.4 menunjukkan rangkaian driver

pompa air dan valve elektrik yang digunakan dalam perancangan alat peraga

pasang surut air laut ( Tidal Power ) ini, MOC 3020 digunakan sebagai saklar

otomatis yang akan aktif bila ada beda potensial. Fungsi dari MOC 3020 ini

adalah sebagai isolator dengan bagian DC dari rangkaian kendali utama agar

tidak terhubung secara langsung ke jaringan AC sehingga, dapat mencegah

agar tegangan AC tidak berhubungan langsung dengan mikrokontroler

sehingga tidak rusak. Selain sebagai isolator MOC 3020 tersebut sebagai

antarmuka antara bagian kendali (rangkaian DC) agar dapat berkomunikasi

dengan jaringan AC. TRIAC berfungsi sebagai pengendali utama pompa air

dan valve elektrik untuk menggantikan fungsi saklar pemutus dan penyambung

arus listrik yang besar namun, dalam rangkaian ini TRIAC berfungsi untuk

mengaktifkan tegangan 220 VAC.

Gambar 3.14. Rangkaian driver beban AC untuk pompa air.

30

Nilai-nilai komponen pada rangkaian driver pompa air dan valve

elektrik dapat dicari dengan menggunakan perhitungan sebagai berikut:

VRMS =

Sehingga, didapat harga tegangan puncak jala-jala PLN = 220 V

Keluaran arus maksimum dari MOC 3020 = 1A

Untuk aktif, MOC 3020 membutuhkan arus (If) = 10 mA

Forward voltage (Vf) MOC 3020 = 1,5 V

R1 =

=

= 350 Ω

330 Ω..................................(3.12)

Maka, didapatkan nilai R1 = 330 Ω

R2 =

= 311,13 Ω ≈ 330Ω.....................(3.13)

Maka, didapatkan nilai R2 = 330Ω

Saat triac off, maka tegangan pada C1 naik secara eksponensial yang dapat

dicari menggunakan rumus:

VC = 220 (1-

)

=

x (1-

)

max =

Dari datasheet TRIAC BT 136 diketahui

(minimum) = 50 V/µs = 50 x

V/s

31

maka,

50 x =

R3.C1 = 6,22 x

R3 + R2

R3 + R2

R3 + R2 428,57 Ω (minimum)

470 Ω................................(3.14)

Oleh karena nilai dari R3 + R2 telah didapatkan maka, nilai dari R3 dapat

dicari dengan perhitungan sebagai berikut:

R3 + R2 = 470 Ω

R3 + 330 = 470 Ω

R3 = 140 Ω 150 Ω............................(3.15)

Maka, didapatkan nilai R3 = 150 Ω. Nilai yang akan dicari selanjutnya adalah

nilai dari C1, perhitungannya sebagai berikut :

R3.C1 = 6,22 x

150.C1 = 6,22 x

C1 = 41,47nF (minimum) ....................(3.16)

Maka, didapatkan nilai C1 yang didekatkan dengan C1 1µF.

Prinsip kerja MOC 3020 pada perancangan ini adalah MOC 3020 akan

aktif jika ada beda tegangan antara masukan kaki 1 dan 2. Jika ada beda

tegangan, maka keluaran dari MOC 3020 akan memicu gate pada TRIAC

sehingga TRIAC aktif dan pompa air akan hidup. Input MOC 3020 berupa

keluaran tegangan dari sensor ketinggian air yang dikontrol oleh suatu

mikrokontroler.

Sedangkan, cara kerja TRIAC pada pengendali fase ini adalah dengan

cara memotong sebagian luasan dari tegangan AC yang berbentuk sinusoida

sebab TRIAC dapat berubah dari kondisi tidak menghantar ke kondisi

menghantar dan sebaliknya. Saat tegangan AC berada pada titik nol (zero

crossing), TRIAC dimatikan sebesar α derajat, setelah itu TRIAC dipicu. Besar

tegangan yang dihasilkan adalah:

32

Vo =

Vo =

Dari persamaan didapatkan :

Vo = VRMS

Dengan mengubah nilai α dan memicu TRIAC dengan delay di mikro

maka, tegangan rata-rata akan berubah. Semakin besar α maka tegangan rata-

rata AC akan semakin kecil. Nilai α yang digunakan berkisar antara 0 - rad.

3.3.4. Modul Sensor Kapasitif

Sensor ini dibuat untuk mendeteksi level ketinggian air sebagai batas

pada saat pasang dan surut. Terdapat dua sensor yaitu sensor batas atas dan

sensor batas bawah. Batas atas sebagai inputan valve elektrik yang telah diolah

oleh mikrokontroler dan batas bawah sebagai inputan pompa air yang telah

diolah oleh mikrokontroler.

Sensor ini memiliki ukuran panjang 2 cm dan lebar 1 cm pada masing –

masing level. Jarak antara level satu dan yang satu berjarak 1 cm hal ini

bertujuan untuk mempermudah pembacaan volume air yang ditampung oleh

bak simulasi pasang surut.

33

Gambar 3.15. Sensor Kapasitif

Konstruksi sensor kapasitif yang di gunakan berupa dua buah

lempengan logam yanug diletakkan sejajar dan saling berhadapan. Jika diberi

tegangan antara kedua lempenug logam tersebut, maka akan timbul kapasitansi

antara kedua logam tersebut. Nilai kapasitansi yang ditimbulkan berbanding

lurus dengan luas permukaan lempeng logam, dan berbanding terbalik dengan

jarak antara kedua lempeng dan berbanding lurus dengan zat antara kedua

lempeng tersebut (dielektrika), seperti di tunjukkan oleh persamaan berikut:

A = sisi x sisi

= 0.02 m x 0.01 m

= 0.0002 ...........................(3.17)

C = εr

= 18

= 0.36 F..............................(3.18)

34

Di mana:

εr = pemitifitas relatif (air = 18)

A = luas plat / lempeng ( )

d = jarak antara plat / lempeng (m)