Alpen Steel | Renewable Energy

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT UKUR RPM TURBIN ANGIN DENGAN METODA ZERO CROSSING DETECTION

1. PENDAHULUAN

Data historis dari besaran fisis seperti kecepatan putar sudu turbin angin dan kecepatan angin diperlukan untuk menentukan perancangan sudu dan sistem alarm. Penggunaan sistem alarm sangat penting untuk mencegah terjadinya kerusakan jika kecepatan putar sudu berlebih. Tindakan setelah alarm aktif bisa saja berupa pengereman mekanik pada sumbu putar atau dengan aktuator lainnya.

Untuk memperoleh data historis maka diperlukan perancangan alat ukur rpm yang dapat menyalin data pengukuran setiap waktunya dan memberikan situasi terkini dari turbin angin.

Dalam perancangan ini digunakan metoda yang berbeda dari kebanyakan alat ukur rpm lainnya seperti tachometer yang mengandalkan keahlian operator dalam pengukuran dan mempunyai tingkat kesulitan dalam penyalinan data untuk pengukuran yang kontinu. Besaran yang diukur adalah frekuensi tegangan keluaran generator, alat ukur akan mentransduksi frekuensi tegangan menjadi frekuensi mekanik generator yang dapat diubah nilainya menjadi rpm[3].

Pada metode pengukuran tradisional yang menggunakan sensor gerak dan optik terlalu banyak gangguan yang dapat mempengaruhi kualitas pengukuran karena turbin angin. Hal ini dikarenakan sistem turbin angin berhubungan langsung dengan lingkungan luar.  Untuk mengatasi hal tersebut maka dikembangkanlah alat ukur yang dapat dioperasikan dari jarak jauh dan mampu mengurangi pengaruh gangguan dari lingkungan. Alat ukur ini juga dirancang agar dapat menyalin data pengukuran dan menampilkannya dalam bentuk tabel dan grafik.

2. TEORI DASAR

2.1 Zero Crossing Detection

Zero crossing detection adalah metoda paling umum untuk mengetahui frekuensi atau perioda suatu gelombang. Metode ini berfungsi untuk menentukan frekuensi suatu gelombang dengan cara mendeteksi banyaknya simpul (satu frekuensi terdiri dari 2 simpul) pada suatu rentang waktu.

2.2. Mesin Elektrik

Jika medan magnet menembus suatu permukaan konduktor maka perubahan fluks medan magnet terhadap waktu akan menghasilkan elektron yang teriduksi atau electromotive force (emf).

Medan magnet pada rotor diperoleh dari arus DC pada kumparan(a a’, b b’, c c’) rotor atau langsung disediakan oleh magnet permanent. Rotor terhubung dengan penggerak mekanik (dalam hal ini turbin angin). Pada bagian stator akan terinduksi oleh medan magnet rotor sehingga dihasilkan arus AC yang terhubung pada beban. Rotor terbagi atas dua jenis yaitu tipe salient dan clylindrical Tipe salient digunakan untuk generator yang berputar pada kecepatan rendah dan biasanya memiliki banyak kutub. Sedangkan tipe cylindrical digunakan untuk generator uap yang berputar pada kecepatan tinggi dan hanya memiliki dua kutub.

Karena perbedaan fasa fluks magnet mempengaruhi fasa arus pada kumparan stator maka konfigurasi penyusunan p kutub menghasilkan p/2 siklus fluks magnet pada satu rotasi mengakibatkan tegangan yang dihasilkan pada stator berosilasi p/2 kali frekuensi putaranPerbedaan fasa yang dipengaruhi oleh jumlah kutub pada generator.

3. RANCANGAN / PERCOBAAN / SIMULASI

3.1. Skenario Pengukuran

Sinyal yang diukur berasal dari sinyal tegangan keluaran generator turbin angin yang mempunyai hubungan proporsional dengan frekuensi mekanik seperti yang ditunjukkan pada persamaan II.2. Pada dasarnya alat ukur ini mendeteksi frekuensi listrik untuk mendapatkan nilai rpm dari generator. Tegangan masukan yang diperlukan untuk permulaan pengukuran adalah 2.8 volt. Keadaan ini merupakan nilai rata-rata yang didapatkan dari percobaan dan simulasi. Apabila tegangan kurang dari 2.8 volt sinyal tetap dilewatkan namun tidak mampu menyalakan optocoupler dengan baik , sehingga generator dapat dinyatakan dalam keadaan diam. Sinyal listrik diteruskan ke rangkaian konversi sinyal untuk diubah menjadi pulsa 0-5 volt agar bisa diproses di mikrokontroler. Rangkaian clipper berperan untuk menggerakkan optocoupler yang menghasilkan pulsa 0-5 volt yang mempunyai frekuensi yang sama dengan sinyal masukan.

Pada mikrokontroler sinyal yang sudah berbentuk pulsa 0-5 volt akan dihitung oleh counter dengan durasi 1 detik untuk mendapatkan nilai frekuensi. Frekuensi listrik ini akan diubah ke rpm. Perhitungan akan terus dilakukan dalam setiap detik. Nilai rpm akan disimpan di buffer dan dikeluarkan melalui kaki keluaran mikrokontroler ke seven segment dan port serial. Agar dapat diamati oleh perangkat lain seperti komputer, diperlukan perangkat lunak yang menerima data dari port serial. Perangkat lunak yang digunakan adalah perangkat lunak akuisisi data berbasis visual basic.

3.2. Rangkaian Konversi Sinyal

Clipper

Frekuensi tegangan disadap dan dilewatkan ke rangkaian clipper, pada rangkaian clipper sinyal input sinusoidal akan dibentuk menjadi sinyal yang dibutuhkan oleh rangkaian berikutnya. Dengan menempatkan 4 dioda yang berfungsi sebagai clipper positif dengan tegangan breakdown sebesar 4 x 0.7 volt = 2.8 volt. Rangkaian clipper negatif akan membalikkan sinyal yang keluar dari clipper positif sehingga memiliki keluaran yang bisa digunakan untuk menggerakkan optocoupler.

Optocoupler

Sinyal dari rangkaian clipper akan digunakan untuk mengoperasikan optocoupler 4N35 yang berfungsi sebagai pembentuk pulsa 0-5 volt. Optocoupler juga berfungsi sebagai isolasi elektrik bagi rangkaian berikutnya.

Setiap optocoupler mempunyai tegangan jatuh (Vd). Untuk jenis 4N35 tegangan jatuh bernilai 1.5 volt dengan arus operasi antara 10-100mA. dengan tegangan suplai (Vs) 2.8 volt maka perbedaan tegangan menjadi Vs-Vd = (2.8-1.5)volt = 1.3 volt

Jika diperlukan arus 10 mA maka hambatan yang harus dipakai adalah

R = V/I , R=1.3 volt/10 mA = 130 ohm. Nilai hambatan ini adalah nilai maksimum agar arus minimum dapat disediakan. Untuk mencegah fluktuasi nilai maka dipasang hambatan yang lebih kecil sebesar 100mA.

Transistor

Transistor memiliki tiga bagian utama yaitu, basis, emiter dan kolektor. Basis dihubungkan ke arus  yang menentukan transistor dalam keadaan aktif atau tidak. Sedangkan kolektor dan emitor dihubungkan dengan sumber tegangan dan ground. Transistor yang dipakai pada rangkaian konversi sinyal adalah C945 bertipe NPN.

Pulsa keluaran 4N35 akan diperkuat dengan transistor C945. Pemilihan transistor disesuaikan dengan kebutuhan penguatan arus yang diperlukan, tergantung keadaan arus dari pulsa keluaran optocoupler. Pemakaian transistor ditujukan untuk menyempurnakan pulsa dari optocoupler yang sangat bergantung intensitas LED yang mengirim pulsa ke fotodioda. Apabila cahaya yang dikirim oleh LED redup maka arus basis yang dihasilkan oleh fotodioda sangat kecil sehingga membuat sinyal high tidak lagi 5 volt.

Mikrokontroler

Mikrokontroler yang digunakan pada AVR Atmega8535 dengan frekuensi clock 11.059200 MHz. Rangkaian mikrokontroler mempunyai fungsi utama didalam sistem alat ukur :

1. Melakukan penghitungan pulsa.

Pulsa masukan dari rangkaian konversi pulsa akan dihitung jumlahnya oleh counter selama 1 detik. Nilai ini akan disimpan sebagai frekuensi listrik dan diubah menjadi rpm dengan persamaan 2.2 . Dengan nilai p=16 maka merupakan nilai yang didapat dari perhitungan pulsa selama 1 detik yang dilakukan oleh mikrokontroler.

2. Menampilkan nilai rpm pada seven segment (dekoder)

Port A dan Port C merupakan kaki keluaran pada Mikrokontroler ATmega8535. Pada kaki ini hasil perhitungan dikirim ke seven segment yang berlaku sebagai tampilan hasil pengukuran.

3. Mengirimkan dan menerima data digital melalui RS-232

Fasilitas USART yang dimiliki mikrokontroler akan mengirimkan data yang telah diolah menjadi nilai rpm untuk dikeluarkan melalui PORT D.1 (TXD). Agar data dapat dikirimkan ke komputer melalui RS-232 maka tingkat tegangan data yang berasal dari kaki PORT D.1 diubah menjadi tingkat tegangan RS-232 oleh MAX-232. Proses sebaliknya ketika mikrokontroler menerima data dari komputer, tingkat tegangan RS-232 akan diubah oleh MAX-232 menjadi tingkat tegangan TTL agar dapat diterima oleh kaki PORT D.0 (RXD).

4. HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA

Dengan data yang diperoleh dari pengukuran dapat diolah untuk mendapatkan beberapa parameter karakteristik statik dari alat ukur.

Dengan menganggap rpm sebenarnya sebagai masukan dan rpm terukur sebagai keluaran diperoleh persamaan menggunakan Microsoft Office Excel.

4.1. Akurasi

Akurasi adalah derajat kedekatan antara pengukuran dengan nilai sebenarnya. Alat ukur memiliki akurasi diatas 96 % untuk pengukuran diatas 11.25 rpm.

4.2. Range

Untuk pengukuran frekuensi listrik yang mempunyai amplitudo < 50 volt alat ukur bisa berfungsi menghitung hingga 1000 hz atau 7500 rpm. Rentang pengukuran dibatasi oleh kemampuan alat ukur menerima sinyal masukan bertegangan tinggi karena rangkaian konversi sinyal hanya mampu menerima masukan tegangan maksimal sebesar 50 volt atau sekitar 600 rpm.

4.3. Bias

Bias adalah perbedaan harga rata-rata output alat ukur untuk semua input yang sama dengan harga benar. Untuk alat ukur ini bias bernilai 0.370 rpm.

4.4. Resolusi

Jika masukan naik perlahan dari suatu harga (bukan nol) , sampai kenaikan tersebut memberikan perubahan numerik pada keluaran yang dibaca maka nilai inilah yang disebut resolusi. Resolusi yang didapat pada alat ukur ini adalah 3.75 rpm.

4.5. Presisi

Presisi adalah derajat kedekatan kesamaan pengukuran antara satu dengan lainnya. Jika hasil pengukuran saling berdekatan (mengumpul) maka dikatakan mempunyai presisi tinggi dan sebaliknya jika hasil pengukuran menyebar maka dikatakan mempunyai presisi rendah. Alat ukur ini memiliki presisi yang tinggi jika dilihat dari persebaran data pengukuran pada suatu nilai benar.

5. KESIMPULAN DAN SARAN

Pada perancangan alat ukur rpm yang dikembangkan dengan menggunakan metoda zero crossing detection diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

  1. Diperoleh linearitas yang tinggi (m=0.999) antara nilai terukur dan nilai sebenarnya. Hal ini menunjukkan gangguan dari lingkungan dapat dihilangkan
  2. Dengan tingkat akurasi 96 %, alat ukur ini sudah bisa merepresentasikan putaran turbin angin yang sebenarnya
  3. Alat ukur memiliki resolusi 3.75 rpm dan range pengukuran antara 0 rpm hingga 600 rpm
  4. Resolusi pengukuran dapat diperkecil dengan cara memperlama waktu sampling.
  5. Proses pengamatan secara kontinu dapat dilakukan dengan sistem akuisisi data yang sudah disertai tampilan grafik
  6. Alat ukur memiliki kelemahan terhadap masukan yang mempunyai nilai tegangan yang tinggi

Beberapa saran yang bisa diberikan setelah penelitian ini dilakukan adalah:

  1. Untuk mendapatkan karakteristik sistem turbin angin sensor rpm bisa digabungkan dengan sensor kecepatan angin dan dapat diperoleh hubungan antara kecepatan angin dan kecepatan putar sudu turbin angin.
  2. Dikembangkan sensor rpm untuk range yang lebih luas dengan cara merancang rangkaian yang tahan terhadap masukan bertegangan tinggi.

6. DAFTAR PUSTAKA

  1. Freris, L. L. Wind Energy Conversion Systems. UK : Prentice Hall, 1990.
  2. Arifujjaman, Md. An Isolated Small Wind Turbine Emulator. M.S. thesis, University of Newfoundland, Canada, 2006.
  3. Yamaye, A. Zia dan Bala, L. Juan. Electromechanical Energy Device and Power System. New York : John Wiley & Sons, 1994.
  4. Malvino, A. Paul. Electronic Principles.New York : McGraw-Hill, 1999.
  5. Doebelin, O. Ernest. Measurement System Application and System  : Singapore : McGraw-Hill, 1990.
  6. ITB, Teknik Fisika. Lab TFII modul 10: Karakteristik Statik. Bandung : Teknik Fisika ITB.
  7. Wilson, S. Jon. Sensor Technology Handbook. USA: Elvesier, 2005
  8. Nuruddin, Ahmad. Sensor Technology. Bandung : ITB, 2004

Oleh:

Sutandri Siregar, Dr. Ir. Edi Leksono, M.Eng, Dr.-Ing. Aman Mostavan, DEA dan Ir. Kemas Rifian, M.Sc
Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung
September – 2008

  Anda belum mendaftar atau login.
Anda dapat turut serta menuliskan artikel disini, caranya klik disini
Ada pertanyaan? Ingin berdiskusi? silahkan tulis di Alpensteel Forum

Fast Contact

Show Room & Factory:
 
Jalan Karawang No 2
Bandung 40272 - Indonesia
 
Phone Line1:
022-7244-888 (08:00-17:00)
 
Fax:
022-723-0812 (24 Jam)
 
Handphone:
0852-111-111-77 (Umum) 
 
SMS:
0852-111-111-77 (24 Jam)
BB: 2a02ac52(24 Jam)
PageRank  Hit Counters
free counters
Alpen Steel Facebook