Pengembangan Electronic Load Controller untuk Self-Excited Induction Generator Berbasis Penyearah Tiga Fase Menggunakan Raspberry Pi
Ihsan Nur Hakim 1* , Aan Listanto Amdrian 1 , Adlan Bagus Pradana 2 dan Awang Noor Indra Wardana 1
1 Departemen Teknik Nuklir dan Teknik Fisika, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Sleman, Daerah Istimewa Yogyakarta, Indonesia
2 Departemen Teknik Elektro dan Informatika, Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Sleman, Daerah Istimewa Yogyakarta, Indonesia
* Corresponding author, e-mail: ihsan.nurhakim97@gmail.com
Abstrak — Self-excited  induction  generator (SEIG)  dipandang  tepat  untuk  menyuplai  listrik  daerah pelosok. Di samping itu, sistem kontrol terdistribusi dan modular semakin dibutuhkan untuk mengurangi biaya  dan  mewujudkan  system  otomasi  yang  fleksibel.  Penelitian  ini  dilakukan  untuk  merintis  suatu electronic load controller (ELC) dengan Raspberry Pi untuk meregulasikan frekuensi keluaran SEIG akibat perubahan beban resistif agar sesuai dengan standar frekuensi listrik Indonesia. Raspberry Pi dipilih karena memiliki potensi pengembangan tren sistem terdistribusi yang didukung oleh Framework for Distributed Industrial  Automation  and  Control (4DIAC).  Perancangan  ELC  dilakukan  berdasarkan  identiﬁkasi karakteristik  SEIG  dan  standar  sistem  listrik  Indonesia.  Rancangan  ELC  diimplementasikan  dan diidentiﬁkasi karakteristiknya. Keluaran SEIG diregulasikan pada frekuensi 50 Hz dan tegangan terminal nominal 294 V. Sensor yang dirancang adalah sensor tegangan dengan transformator, ﬁlter, penyearah, dan ADC. Aktuator yang dirancang terdiri dari penyearah tiga fase, beban palsu, driver optocoupler , dan IGBT. Kendali  PI  berbasis  Python  diterapkan  pada  Raspberry  Pi  Zero  dengan  nilai K p dan K i hasil tuning eksperimental masing-masing sebesar 5,0. Hasil uji ELC menunjukkan bahwa perubahan keluaran SEIG akibat  perubahan  beban  dapat  diregulasikan  menuju  standar  frekuensi  listrik  Indonesia  pada  keadaan tunaknya.  Simpangan  terjauh  SEIG  dari  tegangan  nominal  bernilai  -12,24%,  sementara  simpangan frekuensi terbesar bernilai +3,2%, serta durasi pemulihan terlama sebesar 832 ms.
Kata Kunci : generator induksi, pengendali beban elektronis dan Raspberry Pi.
Abstract —  A  self-excited  induction  generator  (SEIG)  could  provide  electricity  for  isolated  areas appropriately. Besides that, distributed  and modular control systems is needed to reduce  the cost while creating  flexible  automation  system.  This  research  is  conducted  to  design  an  electronic  load  controller (ELC) with Raspberry Pi to regulate frequency output of SEIG caused by resistive load changing to comply with  Indonesian  electricity  frequency  standard,  while  able  to  support  distributed  system  trend  with Framework for Distributed Industrial Automation and Control (4DIAC) in the future. The ELC design is based  on  the  characteristics  of  SEIG  and  Indonesian  electricity  system  standards.  The  design  is  then implemented, and the characteristics are identiﬁed. The output of SEIG is regulated at frequency of 50 Hz and terminal voltage of 294 V. A voltage sensor is designed with a transformer, ﬁlters, rectiﬁer, and ADC. The actuator consisted of a three-phase rectiﬁer, dump load, optocoupler driver, and IGBT. A PI-controller based on Python is applied in Raspberry Pi Zero with experimentally tuned K p and K i values both of 5.0. The output changing of SEIG caused by resistive load changing could be regulated within the Indonesian electricity frequency standard in its steady state. The maximum voltage deviation from the nominal value is -12.24%, while the maximum frequency deviation is +3.2%, and the longest recovery time is 832 ms.
Keywords : induction generator, electronic load controller and Raspberry Pi.
1. Pendahuluan
Micro-grid dapat digunakan untuk meningkatkan  elektrifikasi  pada  daerah-daerah yang  mengalami  kesulitan  akses  geografis, khususnya  di  Indonesia  [1].  Agar  dapat beroperasi, micro-grid memerlukan  komponen utama  berupa  generator. Self-excited  Induction
Generator (SEIG)  merupakan  generator  yang cocok untuk daerah berkesulitan akses geografis. Hal  ini  dikarenakan  SEIG  dapat  dioperasikan dengan  baik  dan  aman  tanpa  banyak  campur tangan manusia [2].
Tegangan  dan  frekuensi  keluaran  SEIG dipengaruhi  oleh  kecepatan  penggerak  mula,
suplai daya reaktif, dan besar beban yang disuplai [2]. Frekuensi yang berubah-ubah serta tegangan keluaran yang tak seimbang dapat mempersingkat  usia  generator.  Agar  perubahan tegangan  dan  frekuensi  SEIG  dapat  bernilai konstan  seiring  berubahnya  besar  beban,  maka perlu  dilakukan  kontrol.  Dari  beberapa  kontrol yang ada, kontrol elektronis lebih disukai karena berbiaya  relatif  rendah  serta  memiliki  performa respon  dinamis  yang  baik. Electronic  load controller (ELC)  dengan chopper adalah  salah satu jenis dari kontrol elektronis tersebut [3].
Di  sisi  lain,  suatu  sistem  kendali  yang terdistribusi  dan  modular  semakin  dibutuhkan. Hal tersebut bertujuan untuk mewujudkan sistem otomasi  yang  fleksibel  dan  berbiaya  teknis rendah. Salah satu rintisan environment otomasi bersumber  terbuka  adalah Framework  for Distributed  Industial  Automation (4DIAC)  [4]. Salah  satu  perangkat  kontrol  yang  mendukung 4DIAC adalah komputer mikro Raspberry Pi [5]. Raspberry  Pi  dengan  adanya  fitur Pulse-Width Modulation (PWM)  dapat  sekaligus  digunakan sebagai pengendali ELC berbasis chopper untuk SEIG [6,7].
Saat  ini  belum  tersedia  ELC  berbasis Raspberry  Pi  yang  dapat  digunakan  untuk meregulasikan  frekuensi  keluaran  SEIG  akibat perubahan  beban  resistif  sesuai  dengan  standar kelistrikan Indonesia. Maka dari itu, penelitian ini dilakukan  untuk  merintis  suatu  ELC  berbasis Raspberry Pi yang dapat meregulasikan frekuensi keluaran  SEIG  agar  tetap  memenuhi  standar kelistrikan  Indonesia  pada  keadaan  tunaknya ketika mengalami perubahan beban resistif.

## 2. Metoda
Perancangan  ELC  untuk  SEIG  dengan Raspberry  Pi  dilakukan  dalam  beberapa  tahap sebagai berikut.
2.1 Identifikasi Susunan Kerja dan Karakteristik SEIG Perancangan ELC dilakukan dengan mengidentifikasi  susunan  kerja  SEIG  yang optimal  beserta  karakteristiknya.  Karakteristik yang  dianalisis  adalah  rentang  tegangan  dan frekuensi  keluaran  SEIG  terkait  dengan  jumlah beban  ( G t )  yang  disuplai  olehnya.  Karakteristik tersebut diperlukan untuk menentukan komponen yang  tepat  untuk  mengendalikan  SEIG  sesuai sistem listrik Indonesia. Alat ukur tegangan RMS
SEIG ( V g ) adalah multimeter analog Heles UX- 960TR,  sementara  alat  ukur  frekuensi  ( f )  SEIG adalah 3-phase  energy  analyzer Feedback  68- 100 . Untuk  memprediksi  titik  pengendalian SEIG,  digunakan  model  berdasarkan  regresi dengan  bantuan  perangkat  lunak  LibreOffice Calc  untuk  mencocokkan  kurva  korelasi  antara konduktansi  beban  terhadap  tegangan  dan frekuensi SEIG [8,9].
Karakteristik  lain  yang  dianalisis  adalah konstanta  waktu  SEIG  ( τ g )  ketika  diberi perubahan  beban  resistif.  Nilai τ g diperlukan untuk mengetahui waktu tanggap ideal bagi ELC untuk  mengembalikan  keluaran  SEIG  menuju standar  sistem  listrik  Indonesia.  Penentuan τ g dilakukan dengan mencuplik tegangan AC sesaat dengan  rangkaian  pembagi  tegangan  melalui Arduino  Uno.  Rangkaian  pencuplikan  tegangan AC sesaat tersebut ditampilkan pada Gambar 1a, dengan resistor 115 kΩ dan 1 kΩ berdaya disipasi maksimal 5 W, dan resistor 10 kΩ cukup bernilai 0,5 W. Bentuk fisik rangkaian pembagi tegangan tersebut ditampilkan pada Gambar 1b.
Nilai puncak dari tegangan sesaat digunakan untuk mengetahui V g . Nilai-nilai tersebut didekati dengan persamaan model berbasis metode Least Square (LS) [10] untuk mendapatkan karakteristik  peralihan  SEIG  berupa  konstanta waktu.  Bentuk  dasar  persamaan  LS  tersebut dirumuskan  pada  Persamaan  (1),  dengan JE adalah jumlah eror, n adalah jumlah data, dan y adalah  suatu  fungsi  [11].  Nilai JE dicari  titik minimalnya  dengan  menggunakan  fitur solver pada  LibreOffice  Calc,  dengan  mengubah variabel τ serta besaran tegangan .
Gambar 1a. Rangkaian ukur tegangan AC sesaat SEIG dengan Arduino.
Gambar 1b. Bentuk  fisik  rangkaian  ukur tegangan AC sesaat SEIG.
JE = [𝑦 − 𝑦 ] (1)
Nilai  tegangan  puncak  sesaat  yang  terukur masih  berupa  nilai  digital  ( V ard ).  Untuk mengetahui  nilai V g yang  direpresentasikan olehnya,  digunakan  Persamaan  (2).  Persamaan (2)  didapatkan  dari  hasil  korelasi V ard dengan hasil ukur V g pada keadaan tunak sekitar tegangan acuan.
𝑉 = −1,46 ⋅ 10 𝑉 ……….. (2)
……. +0,8691𝑉 − 347,2455

## 2.2  Identifikasi  Sistem  Listrik  Standar Indonesia dan Titik Pengendalian SEIG
Standar  sistem  listrik  konsumen  tegangan rendah Indonesia ditinjau untuk menentukan titik pengendalian SEIG dengan ELC. Setelah standar tersebut  dikaji,  titik  pengendalian  SEIG  berupa rentang nilai konduktansi beban dapat ditentukan. Selain  itu,  waktu  tanggap  ideal  SEIG  setelah diberi perubahan beban juga dapat ditentukan.

## 2.3 Perancangan dan Identifikasi Komponen ELC
Komponen  ELC  berupa  sensor,  kontroler, dan aktuator
dirancang
dengan mempertimbangkan  rentang  tegangan  dan frekuensi operasional SEIG serta kapasitas daya komponen  penyusunnya.  Algoritma  kontrol disusun  berdasarkan  fungsi  yang  diperlukan untuk melakukan akuisisi data, pengendalian, dan aktuasi  pada  SEIG.  Komponen-komponen tersebut  kemudian  dianalisis  karakteristik keadaan tunaknya berdasarkan nilai penguatannya, sementara karakteristik peralihannya  diketahui  dari  nilai  konstanta waktunya.  Karakteristik  keadaan  peralihan sensor dilakukan dengan cara yang serupa pada subbab  2.1,  namun  dengan  mengumpankan
langsung  keluaran  sensor  menuju  pin  A0 Arduino.  Karakteristik  lain  yang  diuji  adalah durasi  pembacaan  data  oleh  ADC  dan  eksekusi kalang  kontrol.  Durasi  ini  diketahui  dengan melakukan analisis deskriptif dari sejumlah data durasi yang direkam saat eksekusi program.

## 2.4 Pengujian Kinerja ELC
Perangkat  ELC  yang  telah  dirancang  dan diimplementasikan  kemudian  disetem  secara eksperimental.  Kinerja  ELC  diuji  dengan perubahan  undak  beban  SEIG  dalam  dua  tahap singkat.  Tanggapan  peralihan  SEIG  berupa perubahan  tegangan  AC  sesaat  dicuplik  dengan rangkaian pada subbab 2.1 dan dianalisis. Tolak ukur kinerja yang diacu adalah kemampuan ELC untuk  meregulasikan  keadaan  tunak  SEIG menuju  sistem  listrik  standar  Indonesia, simpangan terjauh tegangan dan frekuensi SEIG ketika  diberi  masukan  undak,  serta  durasi pemulihan yang dibutuhkan untuk meregulasikan SEIG  kembali  ke  nilai  nominalnya.  Nilai frekuensi SEIG pada uji kinerja didapatkan dari korelasi tegangan SEIG terhadap frekuensi yang telah diketahui.

## 3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Identifikasi Susunan Kerja dan
Karakteristik SEIG
3.1.1  Identifikasi  Susunan  Kerja  Optimal SEIG
Susunan  kerja  SEIG  dalam  perancangan  ini terdiri  dari  mesin  rotor  belitan  137  W,  beban resistif variabel dengan resistansi minimal 1554 Ω, kapasitor variabel dengan kapasitansi minimal 16,3 μF, serta penggerak mula berupa motor DC compound .  Pada  awal  operasinya,  SEIG dihubungkan  kepada  kapasitor  variabel  sebesar 16,3 μF. Setelah mesin induksi beralih fungsi dari motor  menjadi  generator,  kapasitansi  tersebut diturunkan  menjadi  7,01  μF.  Hal  ini  bertujuan untuk menurunkan tegangan keluaran SEIG serta torsi yang diperlukan untuk mengoperasikannya. Nilai kapasitansi tersebut tidak dapat diturunkan lagi, karena mesin dapat mengalami kekurangan eksitasi  untuk  terus  beroperasi  dalam  keadaan aman  sebagai  generator.  Rangkaian  SEIG  pada perancangan  ini  ditampilkan  pada  Gambar  2a, sedangkan  bentuk  fisik  susunan  kerja  SEIG ditunjukkan  pada  Gambar  2b.  Spesifikasi  dari berbagai variabel operasional SEIG yang optimal dipaparkan pada Tabel 1.
Gambar 2a. Rangkaian susunan kerja SEIG.
Gambar 2b. Bentuk fisik susunan kerja SEIG.
Tabel 1. Spesifikasi susunan kerja SEIG.
Variabel Simbol Nilai Kecepatan putar poros N g 3.290 RPM Kapasitansi eksitasi C eksitasi 7,01 μF Tegangan V g 292 V Frekuensi f 50 Hz Jumlah beban (R) R t 1.888 Ω Jumlah beban (G) G t 530 μS

## 3.1.2  Identifikasi  Karakteristik  Keadaan Tunak SEIG
Setelah  SEIG  dioperasikan  sesuai  keadaan pada Tabel 1, jumlah beban dapat diubah untuk mengetahui  tanggapan  keadaan  tunak  dan peralihan dari SEIG. Jumlah beban divariasikan dan  pengaruhnya  terhadap  keadaan  tunak V g dirumuskan  pada  Persamaan  (3),  sedangkan grafik  korelasinya  ditampilkan  pada  Gambar  3. Sementara  itu,  pengaruh  perubahan  beban terhadap  frekuensi  SEIG  ( f )  dirumuskan  pada Persamaan  (4),  dengan  grafik  korelasi  yang ditunjukkan pada Gambar 4.
𝑉 = −116.346,442𝐺 + 355,698 (3)
Gambar 3.  Grafik  korelasi  konduktansi  beban SEIG terhadap V g .
𝑓 = 4.333.792,809𝐺 …..……. +9643,0686𝐺 + 53,895
(4)
Gambar 4. Grafik  korelasi  konduktansi  beban SEIG  terhadap  frekuensi  keluaran SEIG.
Untuk  memudahkan  memprediksi  nilai frekuensi  SEIG  tanpa  menggunakan  sensor khusus, digunakan korelasi nilai V g terhadap nilai f yang  bersesuaian.  Korelasi  ini  dirumuskan dalam  dua  model,  yaitu  model  polinomial  ( f p ) pada Persamaan (5), serta model linear ( f l ) pada Persamaan (6). Sementara itu, grafik dari korelasi dan  kedua  pemodelan  ini  ditampilkan  pada Gambar  5.  Korelasi  dengan  model  polinomial dipilih untuk memprediksi nilai frekuensi SEIG berdasarkan V g karena  lebih  representatif dibandingkan  model  linearnya.  Hal  ini ditunjukkan dari nilai koefisien determinasi ( R 2 ) sebesar  99,89  %  untuk  model  polinomial,  yang
mana  lebih  besar  dari  model  linearnya,  yaitu 98,75 %.
𝑓 = 0,00211891𝑉 …..…….
…. −0,078914𝑉 + 54,995
(5)
𝑓 = 0,05289𝑉 + 34,794 ….. (6)
Gambar 5. Grafik korelasi V g terhadap frekuensi keluaran SEIG.

## 3.1.2  Identifikasi  Karakteristik  Tanggapan Peralihan SEIG
Karakteristik  tanggapan  peralihan  SEIG ketika  jumlah  beban  diubah  diperlukan  untuk mengetahui waktu tanggap yang ideal bagi ELC dalam  meregulasikan  SEIG.  Dari  hasil pencuplikan  tegangan  puncak  AC  SEIG menggunakan  rangkaian  pada  Gambar  1  dan interpretasi  menjadi  nilai V g dengan  Persamaan (2),  dibuat  suatu  pendekatan  model  untuk mengetahui  nilai τ g .  Pendekatan  model  ini dirumuskan pada Persamaan (7), di mana V 0 , V 1 , dan V g berturut-turut adalah nilai tegangan awal, tegangan  akhir,  dan  tegangan  RMS  SEIG  hasil pemodelan.  Agar  pola  grafik  yang  ditampilkan lebih  mudah  dibandingkan  dengan  yang  lain, dilakukan normalisasi fitur dengan persamaan (8) [12]  berdasarkan  jenis  undak  naik  dan  turun. Normalisasi  fitur  ini  berfungsi  untuk  menskala seluruh  data  agar  nilai  pemodelan  tunaknya berada pada rentang 1 dan 0.
𝑉 (𝑡) = 𝑉 + (𝑉 − 𝑉 ) ⋅ 𝑒 ( ) (7)
𝑥 = 𝑥 − 𝑥 𝑥 − 𝑥 (8)
Hasil  pengolahan  data  tanggapan  peralihan SEIG dijabarkan pada Tabel 2, sedangkan sampel grafik tanggapan undak menurun dan naik secara berurutan  ditunjukkan  pada  Gambar  6a  dan  6b.
Waktu pada grafik hasil normalisasi ditampilkan pada  sumbu x ,  sementara  amplitudo  tegangan SEIG  ditampilkan  pada  sumbu y .  Dari  hasil tersebut, dipilih nilai τ g terlama sebesar 458 ms sebagai ekspektasi konstanta waktu SEIG.
Tabel 2.
Konstanta waktu peralihan SEIG.
Perubahan Undak (μS) τ g (ms) 465→530 387 0 0 0 →465 231 0 0 0 →530 360 530→465 458 465→ 0 0 0 443 530→ 0 0 0 376
Gambar 6a. Grafik  tanggapan  peralihan  SEIG ketika mengalami perubahan beban dari 530 μS menjadi 0 μS.
Gambar 6b. Grafik  tanggapan  peralihan  SEIG ketika mengalami perubahan beban dari 0 μS menjadi 530 μS.
3.2  Identifikasi  Standar  Sistem  Listrik Indonesia dan Titik Pengendalian SEIG
3.2.1  Identifikasi  Standar  Sistem  Listrik Konsumen Tegangan Rendah Indonesia Agar daya listrik yang dihasilkan oleh SEIG dapat  digunakan  untuk  berbagai  peralatan  di Indonesia, daya keluaran SEIG perlu disesuaikan dengan standar sistem listrik konsumen tegangan rendah di Indonesia. Standar tersebut dipaparkan pada Tabel 3 [13].
Tabel 3. Standar  sistem  listrik  konsumen tegangan rendah Indonesia. Besaran Nilai Min Nom Maks Tegangan Beban (V) 207 230 241,5 Frekuensi (Hz) 49,5 50 50,5

## 3.2.2 Identifikasi Titik Pengendalian Keluaran SEIG
Dari  Gambar  3  dan  4  dapat  disimpulkan bahwa  keluaran  SEIG  tidak  bisa  memenuhi standar tegangan dan frekuensi Indonesia secara bersamaan.  Oleh  karena  itu,  keluaran  SEIG diregulasikan untuk memenuhi standar frekuensi listrik  Indonesia.  Keputusan  ini  dipilih  karena tegangan  lebih  mudah  dimanipulasi  daripada frekuensi.  Sementara  itu,  agar  nilai  tegangan keluaran  SEIG  tetap  dapat  digunakan  oleh konsumen  sesuai  standar,  diperlukan  suatu penurun tegangan semisal transformator dengan rasio  294:230  yang  menghubungkan  antara terminal SEIG dengan terminal beban konsumen.
Titik  pengendalian  masukan  SEIG  berupa rentang  konduktansi  beban  yang  menghasilkan frekuensi  SEIG  pada  rentang  standar  frekuensi listrik Indonesia ditampilkan pada Tabel 4. Nilai V g yang  bersesuaian  dengan  konduktansi  beban tersebut  juga  ditampilkan  pada  Tabel  4.  Titik pengendalian SEIG pada tegangan nominal 294 V  merupakan  nilai  tegangan  yang  dijadikan sebagai titik acuan atau set-point ( V g,sp ).
Tabel 4. Titik  pengendalian  berupa  masukan dan keluaran SEIG.

## 3.2.3 Identifikasi Waktu Tanggap Ideal
Ketika jumlah beban SEIG berubah, keluaran SEIG dapat berada di luar rentang standar listrik. Agar keluaran SEIG selalu berada dalam rentang standar  listrik  Indonesia  walaupun  dalam keadaan peralihan, perlu diketahui waktu tanggap yang  ideal  bagi  ELC  untuk  meregulasikan keluaran SEIG. Waktu tanggap ini diprediksi dari perubahan  nilai V g terhadap  waktu  yang dimodelkan  pada  Persamaan (9),  di mana V g,max adalah tegangan maksimal SEIG yang mungkin dihasilkan  (360  V),  dan V g,sp adalah  nilai tegangan nominal atau set point (294 V).
𝑉 (𝑡) = 𝑉 , − 𝑉 , − 𝑉 , ⋅ 𝑒 (9)
Dengan  memasukkan  nilai  batas  titik pengendalian SEIG sebesar 306 V sebagai nilai V g (t) serta  konstanta  waktu  sebesar  376  ms, didapatkan  waktu  tanggap  ideal  sebesar  76  ms. Nilai τ g sebesar  376  ms  adalah  konstanta  waktu tersingkat pada pemberian masukan undak yang mengakibatkan  keadaan  tunak  SEIG  berada  di luar standar, yaitu pada konduktansi beban 0 μS.

## 3.3  Perancangan  dan  Identifikasi  Komponen ELC
Untuk  dapat  meregulasikan  keluaran  SEIG menuju  titik  pengendalian,  disusun  suatu  ELC yang terdiri dari sensor, kontroler, dan aktuator. Sensor memberikan informasi mengenai keadaan SEIG, yang mana informasi tersebut dibutuhkan oleh  kontroler  untuk  memberi  masukan  yang tepat  pada  aktuator.  Aktuator  kemudian mengubah keluaran  SEIG  sesuai  masukan  yang diberikan oleh kontroler.

## 3.3.1 Perancangan dan Identifikasi Sensor
Sensor  yang  dirancang  adalah  sensor tegangan  dengan  beberapa  fungsi,  yaitu penurunan  tegangan  AC,  filter band-pass , penyearahan tegangan AC, filter ripple DC, dan konversi  nilai  tegangan  analog  menjadi  digital. Tegangan  AC  hingga  400  V  dapat  diturunkan dengan transformator penurun tergangan dengan rasio  220:12.  Tegangan  yang  sudah  diturunkan kemudian diminimalkan gangguan harmonisnya dengan  filter band-pass pada  rentang  frekuensi ( f c ) 45 Hz hingga 55 Hz. Filter tersebut tersusun dari pasangan nilai R-C sebesar 5 kΩ dan 578 nF untuk filter high-pass , sementara untuk filter low-
Besaran Nilai Min Nom Maks Konduktansi beban SEIG (μS) 425 531 649 Frekuensi (Hz) 49,5 50 50,5 Tegangan SEIG (V) 280 294 306
pass digunakan pasangan dengan nilai 15 kΩ dan 235  nF.    Penentuan  nilai  ini  didasarkan  dari Persamaan (10). Selain itu, pasangan komponen berimpedans  tinggi  dipilih  untuk  mengurangi besar  daya  yang  didisipasikan  oleh  sensor. Seluruh komponen resistor pada sensor memiliki daya disipasi maksimal sebesar 0,5 W.
𝑓 = 1 2𝜋𝑅𝐶 (10)
Setelah  melalui  filter band-pass ,  sinyal tegangan AC disearahkan dengan jembatan dioda 1N5408.  Sinyal  tegangan  DC  hasil  keluaran jembatan  dioda  lalu  diumpankan  kepada  filter ripple agar  nilai  yang  dibaca  oleh  ADC  lebih konstan.  Kombinasi  nilai  RC  pada  filter  ini bernilai  20  kΩ  dan  85  μF.  Agar  kontroler Raspberry  Pi  dapat  menerima  data  sinyal tegangan  analog  tersebut,  digunakan  IC  ADC MCP3008  dengan  protokol  SPI.  Rangkaian sensor yang dirancang ditampilkan pada Gambar 7a,  sementara  bentuk  fisik  sensor  tanpa transformator ditunjukkan pada Gambar 7b.
Gambar 7a. Rangkaian sensor pada ELC.
Gambar 7b. Bentuk fisik rangkaian sensor pada ELC tanpa transformator.
Sensor  yang  telah  dirancang  kemudian diimplementasikan  dan  diuji  karakteristiknya. Korelasi  tegangan  AC  masukan  dari  catu  daya terhadap  nilai  digital  keluaran  sensor  yang terbaca di Raspberry Pi ( V dig ) dirumuskan dalam Persamaan  (11),  dengan  visualisasi  grafis  pada Gambar 8.
𝑉 = 2,747𝑉 − 65,147 (11)
Gambar 8. Grafik korelasi V g terhadap V dig .
Karakteristik tanggapan peralihan sensor diuji dengan memberikan masukan undak pada sensor dan  mencuplik  nilai  tegangan  ( V )  beserta waktunya  dengan  Arduino.  Hasil  pencuplikan didekati dengan suatu model berbasis metode LS. Persamaan  model    berbasis  metode  LS  yang diterapkan  ditampilkan  pada  Persamaan  (12) untuk  pemberian  undak  naik,  sementara  untuk undak  turun  dirumuskan  pada  Persamaan  (13). Hasil τ s dari pemodelan tersebut dipaparkan pada Tabel 4. Nilai τ s sebesar 1,852 s dipilih sebagai ekspektasi  konstanta  waktu  sensor.  Hasil pencuplikan dinormalisasi dengan Persamaan (8) agar  lebih  mudah  dibandingkan  dengan  data lainnya.  Sampel  grafik  tegangan  yang  dibaca sensor terhadap waktu ditampilkan pada Gambar 9a dan 9b.
𝑉(𝑡) = 𝑉 ⋅ (1 − 𝑒 ) (12) 𝑉(𝑡) = 𝑉 ⋅ 𝑒 (13) Tabel 5. Konstanta waktu peralihan sensor. Perubahan Undak (V) τ s (ms)
0 0 0 →220 84 0 0 0 →400 772
220→ 0 0 0 1.828 400→ 0 0 0 1.852
Gambar 9a. Grafik  tanggapan  peralihan  sensor ketika mengalami perubahan tegangan masukan dari 0 V menjadi 400 V.
Gambar 9b. Grafik  tanggapan  peralihan  sensor ketika mengalami perubahan tegangan  masukan  dari  400  V menjadi 0 V.
Karakteristik  lain  yang  diuji  adalah  durasi konversi dan pembacaan sinyal tegangan analog menjadi  digital  dengan  ADC.  Pengujian dilakukan dengan mencuplik data durasi eksekusi pembacaan  ADC  untuk  7.122  sampel  tanpa menyertakan outlier .  Dari  pengujian  tersebut didapatkan data ekspektasi durasi berupa durasi maksimal  sebesar  535  μs,  dengan  rerata  durasi selama 449 μs.
3.3.2 Perancangan dan Identifikasi Aktuator Aktuator  yang  dirancang  tersusun  dari penyearah tiga fase dengan dioda 1N5408, beban palsu,  rangkaian chopper dengan  IGBT RJP63K2,  dan driver  optocoupler berbasis PC817.  Penyearah  tiga  fase  sekaligus  dengan dioda  dipilih  karena  memiliki  kelebihan  berupa
kemudahan pengendalian karena hanya membutuhkan satu sinyal kendali dari kontroler.
Daya  dari  SEIG  yang  telah  disearahkan diumpankan  menuju  ke  rangkaian driver optocoupler dan beban palsu resistif 280 Ω yang berspesifikasi  daya  disipasi  maksimal  720  W. Rangkaian driver  optocoupler berfungsi  untuk menyediakan  tegangan  yang  cukup  untuk mengoperasikan  IGBT  dengan  sinyal  PWM bertegangan rendah dari Raspberry Pi sebesar 3,3 V. Resistor  82  kΩ  pada driver berdaya disipasi maksimal  5  W,  sementara  resistor  lain  berdaya disipasi  maksimal  0,5  W.  Dua  dioda  Zener berspesifikasi V Zener sebesar  4,6  V  disusun  seri untuk  membatasi  tegangan  pada  simpul  yang terhubung  dengan  kolektor  dari optocoupler. Batas nilai tegangan tersebut adalah dua kali nilai V Zener ,  yaitu  9,2  V.  Nilai  siklus  kerja driver optocoupler dan  IGBT  ( k IGBT )  merupakan kebalikan  dari  nilai  siklus  kerja  PWM  dari Raspberry  Pi  ( k RPi ).  Hubungan  dari  nilai  siklus kerja  PWM  Raspberry  Pi  terhadap  siklus  kerja driver optocoupler dan IGBT dirumuskan dalam Persamaan  (14).  Nilai  siklus  kerja  berada  di antara 0 hingga 1.
𝑘 = 1 − 𝑘 (14)
Rangkaian  beban  palsu  dan chopper IGBT bertindak  sebagai  pengatur  besar  beban  efektif SEIG untuk mengompensasi perubahan keluaran SEIG  akibat  perubahan  beban  konsumen. Besarnya  beban  efektif  ( G ef )  yang  ditimbulkan rangkaian ini akibat masukan siklus kerja PWM dari driver  optocoupler dirumuskan  pada Persamaan (15). Persamaan (15) diturunkan dari Persamaan  (3)  dan  digabungkan  dengan  hasil pengujian pengaruh nilai siklus kerja terhadap V g . Nilai k IGBT berkisar  dari  0  hingga  1.  Grafik korelasi dari siklus kerja driver optocoupler dan IGBT  terhadap  konduktansi  beban  efektif  yang ditimbulkan ditampilkan pada Gambar 10.
𝐺 = −1,52 ⋅ 10 𝑘 +1,537 ⋅ 10 (15)
Karakteristik  peralihan  rangkaian  aktuator dianggap nol karena memiliki nilai yang sangat kecil, yaitu maksimal 18 μs untuk PC817 [14] dan 250  ns  untuk  IGBT  RJP63K2  [15].  Rangkaian keseluruhan  aktuator  ditampilkan  pada  Gambar 11a, sementara bentuk fisik aktuator ditunjukkan pada Gambar 11b.
Gambar 10. Grafik  korelasi  siklus  kerja  IGBT terhadap konduktansi beban efektif SEIG.
Gambar 11a. Rangkaian  aktuator  pada  ELC [14].
Gambar 11b. Bentuk  fisik  rangkaian  aktuator dengan  beban  palsu  belum terhubung [14].

## 3.3.3 Perancangan dan Identifikasi Kontroler
Raspberry  Pi  Zero  WH  digunakan  untuk menerima masukan dari sensor dan memberikan
keluaran  variabel  termanipulasi  berupa  siklus kerja  PWM  ke  aktuator.  Raspberry  Pi  disuplai dengan catu daya DC 5V 2A yang terpisah dari SEIG. Algoritma kontrol yang digunakan adalah Proportional-Integral (PI)  berbasis  bahasa pemrograman  Python  pada  sistem  operasi Raspbian.
Algoritma  kontrol  yang  diterapkan  dibagi dalam  dua  tahap,  yaitu  tahap setup atau penyusunan  dan  tahap  kalang  kontrol.  Tahap penyusunan  dieksekusi  satu  kali,  dengan beberapa  fungsi,  yaitu  penggunaan  pustaka, pendefinisian langkah pembacaan ADC, pengaturan PWM hardware atau perangkat keras, dan  pengaturan  algoritma  PI.  Pustaka  yang digunakan  meliputi  “time”  untuk  mengukur durasi  eksekusi  algoritma,  “RPi.GPIO”  untuk membaca  data  tegangan  digital  dari  ADC,  dan “wiringpi”  untuk  menerapkan  nilai  siklus  kerja PWM perangkat keras pada Raspberry Pi. Untuk menerima  data  tegangan  melalui  ADC, digunakan  protokol  SPI  dengan pin-pin yang ditetapkan pada kode sumber. Nilai siklus kerja PWM  perangkat  keras  diterapkan  pada pin Raspberry  Pi  yang  mendukung  fungsi  tersebut, dengan  frekuensi  dasar  2.342  Hz  dan  resolusi 0,001  atau  1  permil.  Kendali  PI  diterapkan dengan  beberapa  variabel,  yaitu  nilai K p dan K i sebesar  5,0,  batasan  siklus  kerja  PWM  dengan rentang 650 ‰ hingga 1000 ‰, serta titik acuan atau set-point tegangan digital sebesar 725 ADU. Nilai K p dan K i didapatkan  dari  penyeteman eksperimental.
Setelah  algoritma  penyusunan  berbagai variabel  kendali  dieksekusi,  kalang  kontrol dijalankan secara terus-menerus. Kalang kontrol yang diterapkan terdiri dari empat fungsi. Fungsi pertama  adalah  perhitungan  waktu  yang  telah berlalu  dari  eksekusi  sebelumnya,  yaitu dt .
Fungsi  selanjutnya  adalah  pembacaan  tegangan digital dari ADC. Kemudian nilai keluaran siklus kerja  PWM  ( k RPi )  dihitung  dengan  algoritma  PI yang  disertai  dengan anti  integral  windup . Algoritma  PI  yang  digunakan  dirumuskan  pada Persamaan  (16),  di  mana k RPi (t) masih  dalam permil, sementara error e(t) dalam satuan ADU. Adapun e(t) dirumuskan  pada  Persamaan  (17), yaitu  berupa  selisih  nilai set-point tegangan digital  725  ADU  dengan  tegangan  digital generator  yang  tercuplik  ( V dig,g ).  Setelah  nilai k RPi (t) didapat,  nilai  tersebut  diterapkan  pada Raspberry Pi sebagai PWM perangkat keras.
𝑘 (𝑡) = 5 ⋅ 𝑒(𝑡) + 5 ⋅ 𝑒(𝑡) ⋅ 𝑑𝑡 (16)
𝑒(𝑡) = 725 − 𝑉 , (17)
Untuk mengetahui ekspektasi durasi eksekusi dari  kalang  kontrol,  dilakukan  analisis  hasil pencuplikan  waktu  eksekusi  sejumlah  kalang. Dari  17.596  sampel  durasi  tanpa outlier , didapatkan ekspektasi durasi terlama sebesar 4,19 ms, dengan rerata durasi selama 1,23 ms.

## 3.4 Pengujian Kinerja ELC
Sistem
ELC-SEIG yang telah diimplementasikan  kemudian  diuji  dengan perubahan  undak  beban  untuk  mengetahui kinerjanya  [16].  Konduktansi  beban  tiga  fase diubah dalam dua tahap singkat, di mana beban dua  dari  tiga  fase  diubah  terlebih  dahulu, sementara  satu  fase  lainnya  diubah  setelahnya dengan  jeda  sesingkat  mungkin.  Besar  undak konduktansi  beban  yang  diterapkan  untuk pengujian adalah sebesar 0 μS, 465 μS, dan 530 μS  untuk  tiap  fase.  Pencuplikan  data  tegangan sesaat  SEIG  hasil  pengujian  dilakukan  dengan rangkaian pada Gambar 1.
Terdapat  tiga  tolak  ukur  kinerja  ELC  yang ditetapkan, yaitu kemampuan
ELC
meregulasikan  keluaran  SEIG  agar  berada  pada titik  pengendalian,  simpangan  terjauh  keluaran SEIG  dari  titik  tegangan  nominal  294  V,  dan durasi  yang  dibutuhkan  agar  keluaran  SEIG kembali  ke  titik  pengendalian  semula  setelah diberi perubahan masukan undak. Durasi tersebut dalam  pembahasan  ini  disebut  sebagai  durasi pemulihan.
Hasil pengujian ELC-SEIG ditampilkan pada Gambar 12a untuk penurunan konduktansi beban, sementara untuk peningkatan konduktansi beban ditampilkan pada Gambar 12b. Pada kedua grafik disertakan  garis  bantu  rentang  dan  titik pengendalian SEIG, yaitu ketika keluaran SEIG berada  pada  nilai  minimal  standar  frekuensi sebesar 49,5 Hz, nilai nominal sebesar 50 Hz, dan maksimal sebesar 50,5 Hz. Ketiga nilai frekuensi tersebut  bersesuaian  dengan  nilai  tegangan  280 V,  294  V,  serta  306  V  secara  berurutan.  Nilai- nilai penting terkait tolak ukur kinerja ELC dari hasil pengujian dipaparkan pada Tabel 6. Dari hasil pengujian tersebut, diketahui bahwa durasi pemulihan  SEIG  sebanding  dengan  besar
perubahan  undak  konduktansi  beban,  dengan nilai terlama 832 ms. Selain itu, pada umumnya durasi  pemulihan  pada  penurunan  konduktansi beban  lebih  singkat  daripada  saat  peningkatan konduktansi beban. Pada perubahan konduktansi beban di antara 465 μS  dan 530 μS, SEIG telah pulih  ke  kondisi  semula  pada  perubahan konduktansi  tahap  pertama,  sehingga  nilai tersebut  yang  dijadikan  sebagai  acuan  durasi pemulihan.
Kinerja  ELC  berupa  simpangan  terjauh tegangan  dan  frekuensi  dari  nilai  nominalnya secara umum sebanding dengan besar perubahan konduktansi beban. Simpangan terjauh tegangan dicapai pada peningkatan konduktansi beban dari 0 μS ke 530 μS, yaitu sejumlah -12,24 % atau -36 V  dari  nilai  nominalnya.  Sementara  itu, simpangan  terjauh  frekuensi  dicapai  ketika penurunan konduktansi beban dari 465  μS ke 0 μS, yaitu sebesar +3,2 % atau +1,6 Hz dari nilai nominalnya.  Nilai  frekuensi  ini  didapat  dari konversi V g dengan  Persamaan  (5).  Selain  itu, disimpulkan  juga  bahwa  simpangan  tegangan akan lebih dominan pada peningkatan konduktansi  beban,  sedangkan  simpangan frekuensi  akan  lebih  dominan  pada  penurunan konduktansi beban SEIG.
Gambar 12a. Grafik V g pada  uji  kinerja  ELC dengan  penurunan  konduktansi beban.
Gambar 12b. Grafik V g pada  uji  kinerja  ELC dengan  peningkatan  konduktansi beban. Tabel 6. Hasil  uji  kinerja  ELC  dalam meregulasikan SEIG. Perubahan Undak (μS) Simpangan Tegangan Maksimal (%) Simpangan Frekuensi Maksimal (%) Durasi Pemulihan (ms) 465→530 -4,76 -1,0 361 * 0 0 0 →465 -10,54 -2,2 732 0 0 0 →530 -12,24 -2,6 832 530→465 4,76 1,6 143 * 465→ 0 0 0 9,52 3,2 723 530→ 0 0 0 8,84 2,8 760
* Pemberian undak tahap pertama

## 4. Kesimpulan
Sistem ELC berbasis Raspberry Pi yang dapat meregulasikan keluaran SEIG agar sesuai dengan standar  frekuensi  kelistrikan  Indonesia  telah dirancang.  Susunan  ELC  tersebut  terdiri  dari sensor  tegangan,  aktuator,  dan  kontroler Raspberry Pi Zero WH. Komponen sensor terdiri dari  transformator,  filter band-pass ,  penyearah jembatan  dioda,  filter ripple ,  dan  ADC. Sementara  itu,  komponen  aktuator  terdiri  dari penyearah  tiga  fase  dengan  dioda,  beban  palsu, driver  optocoupler ,  dan  IGBT.  Kontrol  yang diterapkan adalah PI berbasis bahasa pemrograman  Python,  dengan  nilai K p dan K i hasil  penyeteman  eksperimental  sebesar  5,0. Rancangan ELC telah dapat meregulasikan SEIG dalam keadaan tunaknya sesuai standar frekuensi listrik Indonesia.

## Daftar Pustaka
[1] N. Winanti, B. Halimi, A. Purwadi and N.
Heryana, "Study and Design of Energy- Saving  Solar  Lamp  for  Rural  Area  in Indonesia," 2018  2nd  International Conference  on  Green  Energy  and Applications (ICGEA) , Singapore, 2018, pp. 98-102. doi:10.1109/ ICGEA.2018.8356307. [2] M.  Taoufik,  B.  Abdelhamid  and  S. Lassad, “Stand-alone self-excited induction  generator  driven  by  a  wind turbine,” Alexandria Eng. J. , vol. 57, pp
781-786, Feb. 2017, doi: 10.1016/
j.aej.2017.01.009.
[3] R. R. Singh, B. A. Kumar, D. Shruthi, R. Panda  and  C.  T.  Raj,  “Review  and experimental  illustrations  of  electronic load controller used in standalone Micro- Hydro generating plants,” Eng. Sci. and Technol., an Int. J. , vol. 21, pp. 886–900,
Jul. 2018, doi: 10.1016/
j. Jestch.2018.07.006.
[4] A.  Zoitl,  T.  Strasser  and  G.  Ebenhofer, "Developing  modular  reusable  IEC
61499 control applications with 4DIAC," 2013 11th IEEE International Conference  on  Industrial  Informatics (INDIN) ,  Bochum,  2013,  pp.  358-363. doi: 10.1109/INDIN.2013.6622910.
[5] Eclipse Found.. “Where to Start 4DIAC.” eclipse.org.
https://www.eclipse.org/4diac/ en_help.php?helppage=html/ startHere/startHere.html  (accessed  May 17, 2020).
[6] D. Raja. “Raspberry Pi PWM Tutorial.”. circuitdigest.com. https://circuitdigest.com/microcontroller -projects/raspberry-pi-pwm-tutorial (accessed Jun 23, 2020).
[7] B.  Singh,  S.  S.  Murthy  and  S.  Gupta, "Transient  analysis  of  self-excited induction Generator with electronic load controller  (ELC)  supplying  static  and dynamic loads," in IEEE Transactions on Industry Applications , vol. 41, no. 5, pp.
1194-1204,  Sept.-Oct.  2005.  doi: 10.1109/TIA.2005.855047.
[8] The Document Found., Germany. Trend Lines ,  v6.4.  (2017).  Accessed:  July  1, 2020.  [Online].  Available: https:// help.libreoffice.org/6.4/en-US/text/ schart/01/04050100.html?DbPAR= CHART#bm_id1744743
[9] Gurley.  (2009).  Numerical  Methods Lecture  5  -  Curve  Fitting  Techniques [Lecture  Note].  Available: http:// web.iitd.ac.in/~pmvs/courses/mel705/ curvefitting.pdf
[10] S. J. Miller. (2006). The Method of Least Squares  [Lecture  Paper].  Available: https://web.williams.edu/
Mathematics/sjmiller/public_html/
BrownClasses/54/handouts/ MethodLeastSquares.pdf
[11] D.C.  Harris,  "Nonlinear  Least-Squares Curve  Fitting  with  Microsoft  Excel
Solver," (J.  of  Chem.  Educ.)  Journal  of Chemical  Education,  vol. 75,  no.  1, pp. 119-121, Jan. 1998.
[12] M.  M.  S.  Alvarez,  D.T.  Pham,  M.  Y. Prostov,  dan  Y.  I.  Prostov,  "Statistical approach  to  normalization  of  feature vectors  and  clustering  of  mixed datasets," in Proc. The Royal Society A, 2012,  pp.  2630-2651,  doi:10.1098/ rspa.2011.0704.
[13] Aturan  Distribusi  Tenaga  Listrik ,
Peraturan  Menteri  Energi  dan  Sumber Daya Mineral No. 04 Tahun 2009, Feb. 2009. [Online]. Available: https://jdih.esdm.go.id/peraturan/permen -esdm-04-2009.pdf
[14] Sharp  Corp., PC817X  Series,  D2- A03101EN . (2003). [Online]. Available:
https://www.farnell.com/datasheets/ 73758.pdf
[15] Renesas Electron. Corp., RJP63K2DPP- M0  Preliminary  Datasheet, Revision  2. (2011). [Online]. Available:
https://www.renesas.com/sg/en/doc/prod ucts/transistor/002/ r07ds0468ej_rjp63k2dpp.pdf
[16] I. N. Hakim, “Desain Pengendali Beban Elektronis  untuk  Generator  Induksi Terisolasi Berbasis Penyearah Tiga Fase Menggunakan Raspberry Pi,” S.T. thesis, Departemen  Teknik  Nuklir  dan  Teknik Fisika,  Universitas  Gadjah  Mada, Yogyakarta, Indonesia, 2020.

## Biodata Penulis
Ihsan  Nur  Hakim ,  menempuh  studi  S1  di Teknik Fisika Universitas Gadjah Mada. Bidang riset  yang  diminati  mencakup  sistem  energi terbarukan dan multifisika.
Aan Listanto Amdrian , menempuh studi S1 di Teknik Fisika Universitas Gadjah Mada. Bidang riset  yang  diminati  mencakup  sistem  energi terbarukan.
Adlan Bagus Pradana , mendapat gelar M.Tech. dari Indian Institute of Technology Delhi. Saat ini berprofesi sebagai dosen di Departemen Teknik Elektro  dan  Informatika,  Sekolah  Vokasi, Universitas  Gadjah  Mada.  Bidang  riset  yang ditekuni  adalah  elektronika  daya,  mesin  listrik, dan energi terbarukan.
Awang  Noor  Indra Wardana , mendapat  gelar Doktor  dari  Universität  Kassel.  Saat  ini berprofesi sebagai dosen di Departemen Teknik Nuklir  dan  Teknik  Fisika,  Universitas  Gadjah Mada,  Yogyakarta.  Bidang  riset  yang  ditekuni adalah  otomasi  proses,  pengembangan  sistem, dan sistem terintegrasi.