desain dan pembuatan rangkaian inverter satu fasa pada rumah

Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
DESAIN DAN PEMBUATAN RANGKAIAN
INVERTER SATU FASA PADA RUMAH MANDIRI ENERGI
MENGGUNAKAN METODA SPWM
Rachmad Azhari1, Tjahya Odinanto2, Akhmad Fahruzi3
Teknik Elektro ITATS, Jl. Arief Rahman Hakim No.100 Surabaya
Email : [email protected], [email protected],
[email protected]
ABSTRACT
Energy independent house is a house that can provide energy from the house itself and is not
dependent on energy supplies from state Electricity Company (PLN). In order generate AC
electrical energy like the electricity produced by PLN, a tool is needed, namely inverter. The
inverter be a device that function to convert DC power into AC power using SPWM method aiming
to produce a pure sine wave. The inverter output will be raised through a voltage regulator step
that can be used on AC power load because the output of voltage regulator is AC power with a
pure sine wave equal to the energy supply of AC power from PLN so it is safe for used to a desire
AC electrical load. The inverter circuit can be loaded 400 watt.
Keyword: Independent home energy, SPWM Method, Inverter
ABSTRAK
Rumah mandiri energi ialah rumah yang dapat menyediakan energi dari rumah itu sendiri dan tidak
bergantung pada pasokan energi dari PLN. Agar bisa menghasilkan energi listrik AC seperti listrik
PLN maka dibutuhkan sebuah alat yaitu inveter. Inverter ialah alat yang berfungsi mengubah listrik
DC menjadi listrik AC menggunakan metode SPWM yang bertujuan menghasilkan gelomang sinus
murni. Output inverter tersebut akan dinaikkan melalui trafo step yang selanjutnya bisa digunakan
pada beban listrik AC. karena keluaran trafo tersebut adalah tegangan listrik AC dengan gelombang
sinus murni sama dengan hasil pasokan energi listrik AC dari PLN sehingga aman untuk digunakan
pada beban listrik AC yang diinginkan. Rangkaian inverter mampu dibebani sebesar 400watt.
Kata kunci : Rumah Mandiri Energi, Metode SPWM, Inverter
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik di Indonesia masih belum mencukupi. Hal ini menunjukkan
bahwasannya pasokan energi listrik yang disediakan pemerintah melalui perusahaan PLN masih
belum mencukupi kebutuhan masyarakat. Selama ini, di Indonesia, penyediaan energi listrik
mayoritas dipenuhi dengan memanfaatkan energi tak terbarukan. Salah satu program pemerintah
dalam pemanfaatan energi terbarukan adalah program rumah mandiri energi. Yang dimaksud
dengan rumah mandiri energi adalah rumah yang dapat menyediakan energi dari rumah itu sendiri
dan tidak bergantung pada pasokan energi dari PLN. Salah satu contoh rumah mandiri energi yang
ada di indonesia ialah rumah mandiri yang menggunakan sumber energi dari matahari. Energi
matahari tersebut akan dirubah menjadi energi listrik menggunakan phtovoltaic atau solar cell.
Solar cell tersebut akan menghasilkan energi listrik DC ( Dirrect Current ). Karena peralatan listrik
rumah tangga di Indonesia menggunakan listrik AC ( Aternating Cureent ) maka pada rumah
mandiri tersebut memerlukan alat yang bisa mengonversikan energi listrik DC menjadi AC, alat
tersebut ialah inverter. Inverter adalah alat yang berfungsi merubah listik DC menjadi AC. Agar
bisa menghasilkan sebuah keluaran gelombang sinus maka pada inverter dibutuhkan teknik
penyulutan yaitu penyulutan SPWM (Sinusoidal Pulse With Modulation) yang dimana, teknik
penyulutan tersebut bisa menghasilkan gelombang sinus murni yang nantinya bisa digunakan untuk
beban listrik AC dengan aman.
B - 131
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
TINJAUAN PUSTAKA
Rumah Mandiri Energi
Rumah mandiri energi adalah rumah yang dapat menghasilkan yang dapat menyediakan
energi dari rumah itu sendiri dan tidak bergantung dari pasokan PLN. Dari definisi rumah mandiri
energi di atas hampir semua suplai energi listriknya berasal dari alam, misal, energi matahari,
energi panas bumi, energi air terjun, dan sebagainya. Berikut adalah gambaran salah satu rumah
energi mandiri yang mengggunakan energi matahari dengan menggunakan teknologi Sell surya
atau solar cell.
Gambar 1. Blok diagram kelistrikan rumah mandiri energi menggunakan teknologi solar cell.
Inverter
Inverter adalah salah satu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan masukan
arus searah (DC) menjadi tegangan keluaran arus bolak balik (AC) yag besar tegangan dan
frekuensinya dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan.Suatu tegangan variabel dapat diperoleh
dengan mengatur tegangan masukan DC dan pengutan inverter dijaga konstan. Jika tegangan
masukan ( input ) DC konstan, tegangan keluaran AC variabel dapat diperoleh dengan mengubah
ubah penguatan ( gain ) yang biasanya menggunakan kontrol mmodulasi lebar pulsa ( Pulse With
Modulation PWM ) didalam inverter tersebut. Suatu inverter disebut sumber tegangan ( Voltage
Fed Inverter VFI ) jika tegangan masukannya dijaga konstan, sedangkan suatu inverter disebut
sumber arus ( Current Fed Inverter CFI ) , jika arus masukannya dijaga konstan, serta disebbut
inverter hubungan DC variabel ( DC Link Inverter ) jika tegangan masukannya dapat diatur (
controller ).
METODE
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwa pembangkitan SPWM dilakukan melalui
membandingkan 2 buah sinyal sinus dan 1 buah sinyal segitiga. Pada sinyal segitiga mempunyai
frekuensi sebesar 12500 Hz dan pada sinyal sinus 50 Hz. Proses membandingkan kedua sinyal
tersebut dilakukan oleh mikrokontroller dimana mikrokontroller yang digunakann ialah jenis ARM
STM32F407VG dengan nilai clock bit sebesar 168 MHz yang memungkinkan memepercpeat
eksekusi pembandingan sinyal. Untuk bisa mengetahui besarnya nilai keluaran inverter maka bisa
mengacu pada persamaan dibawah ini L:
Dimana :
=
x
= tegangan keluaran inverter
= tegangan input inverter
= Modulasi amplitudo
Karena inverter harus mengeluarkan sinyal sinus murni dengan maka bisa mengacu pada
persamaan di bawah ini :
B - 132
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
=
/
ISBN 978-602-98569-1-0
/
Sinyal sinus keluaran inverter didapat setelah melalui filter, karena filter meredam
harmonisa yang terjadi pada keluaran inverter. Setelah melalui filter tegangan sinus murni tersebut
akan dinaikkan melalui trafo step up yang dimana tegangan tersebut bisa digunakan pada beban
AC.
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Pengujian Pulsa Mikrokontroller
pulsa penyulutan inverter satu fasa dengan metode pensaklaran Sinusoidal Pulse Width
Modulation (SPWM). Pulsa ini dibangkitkan pada pin Timer 8 yaitu pada PORTC 6 dan 7 untuk
menghasilkan pulsa SPWM Unipolar. Pulsa penyulutan SPWM dperoleh dengan membandingkan
sinyal carrier berupa sinyal segitiga yang memiliki offset atau nilai maximal sebesar 1,25V dengan
frekuensi 12,5KHz dengan sinyal referensi berupa sinyal sinus sebesar 50Hz dan juga memiliki
nilai offset atau nilai maximal 1,25V. Pada inverter ini, karena frekuensi yang digunakan adalah
konstan 50Hz maka nilai Modulasi Rasio tidak berubah-ubah yaitu sebesar :
=
(3)
=
= 250
Gambar 2. Pulsa SPWM 50 Hz
Pengujian Inverter Tanpa Filter
Dengan suplai dari baterai sebesar 24VDC pada frekuensi sinyal referensi 50Hz maka
rangkaian inverter jembatan penuh akan menghasilkan tegangan keluaran bolak-balik dengan nilai
sktar 15 -17 VAC dengan bentuk gelombang keluaran SPWM Unipolar. Untuk bisa menghasilkan
tegangan keluaran VAC yang di dapat dari penyulutan SPWM maka, kita harus mencari dahulu
nilai Ma serta hitungan harmonisa yang terjadi.
Tabel 1 Nilai Ma
berikut:
n=1
n=2mf+/-1
n=2mf+/-3
Ma=1
1
0,18
0,21
0,9
0,9
0,25
0,18
0,8
0,8
0,31
0,14
Diketahui mf
= 250 dari perhitungan pada persamaan (3), maka perhitungannya sebagai
:
B - 133
0,7
0,7
0,35
0,1
0,6
0,6
0,37
0,07
0,5
0,5
0,36
0,04
0,4
0,4
0,33
0,02
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
n=2
................................................................................................................................... (4)
n=2.250+1= 501
n=2.250-1= 499
Vo
Vo
Vo
Vo
= Vin Inverter x Ma(501)
= 24 x 0,25 = 6 V
= Vin Inverter x Ma(499)
= 24 x 0,25 = 6 V
n=2
n=2.250+3= 503
n=2.250-3= 497
Vo
Vo
Vo
Vo
= Vin Inverter x Ma(503)
= 24 x 0,18 = 4.32 V
= Vin Inverter x Ma(497)
= 24 x 0,18 = 4.32 V
Diketahui tegangan harmonisa yang terjadi sebesar 4,32V dan 6V, maka keluaran inverter bisa
diketahui melalui perhitungan sebagai berikut :
RMS =
RMS True
=
RMS True
=
= 16.97 V
Gambar 3. Tegangan keluaran inverter sbelum di filter
Pengujian Inveter dengan Filter
Pada pengujian ini komponen harmonisa akan dihilangkan karena adanya filter pasif yang
berfungsi meredam aatau meniadakan komponen harmonisa. Maka peritungan keluaran inverter
denga filter ialah sebagai berikut :
Diketahui untuk menghasilkan tegangan output pada trafo sebesar 220 VAC dan ma yang
digunakan sebesar 0,9, maka:
(1)MAX =
Inverter x Ma(1)
(1)MAX = 24 x 0,9 = 21.6 V
B - 134
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
Dikarenakan inverter mnegeluarkan gelombang sinusoidal murni untuk beban maka
perhitungannya ialah :
=
/
=
= 21,6 /
= 15,27 V = 15V
Gambar 4. Tegangan output inverter setelah di filter
Pengujian Inverter Dengan Transformator
Pada tugas akhir ini transformator yang digunakan ialah jenis transformator step up yang
dimana fungsinya ialah menaikkan tegangan. Untuk bisa menghasilkan tegangan output sebesar
220VAC maka didapat perhitungannya ialah :
Vo Inverter akhir x rasio trafo
= 15 x (Vout trafo / Vin trafo
= 15 x (220/15) = 220 VAC
Gambar 5. Tegangan keluaran tranformator sebesar 220 VAC
KESIMPULAN
Berikut adalah kesimpulan dari Desain dan Pembuatan rangkaian inverter satu fasa
menggunakan metoda SPWM pada rumah mandiri energi.
1. Untuk bisa menghasilkan tegangan keluaran sinus 220 VAC dibutuhkan frekuensi
penyulutan pada inverter sebesar 12,5 KHz dan amplitudo sebesar 0,9.
2. Keuntungan penggunaan penyulutan SPWM jenis unipolar dikarenakan harmonisa terjadi
pada frekuensi tinggi dengan amplitudo rendah dimana harmonisa tersebut terjadi pada
frekuensi 2,5 KHz yaitu 2 kali lipat f carrier, yang dimana harmonisa tersebut mudah
diredam oleh filter LC atau filter pasif sehingga mempermudah menghasilkan sinyal sinus
murni untuk keluaran inverter.
3. Pada rangkaian inverter ini mampu menghasilkan daya sebesar 400watt dengan arus
keluaran sebesar 1,82 A.
B - 135
Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan IV 2016
Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya
ISBN 978-602-98569-1-0
4. Pada tugas akhir ini inverter bertujuan untuk membantu menyediakan energi listrik AC
pada rumah mandiri energi
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Andriyanto, Optimalisasi Penempatan Filter Pasif Untuk Mereduksi Rugi Rugi Daya
Akibat Arus Harmonik Pada Industri Baja. Depok : Universitas Indonesia, 2008.
[2]
Boy lestad, Robert I, & Nashelsjy, Louis Electronics Devices And Circuit Theory, 10Ed.
Pearson Education, 2009.
[3]
Dwi Prakoso, Hasan, Rancang Bangun Sistem Kontrol Tekanan Udara Pada Kompresor
Untuk Airbrush Dengan Logika Fuzzy. Surabaya : Politeknik Elektro Negeri Surabaya
(PENS), 2016.
[4]
Fadhli, MR, Rancang Bangun Inverter 12V DC ke 220 V AC Dengan Frekuensi 50 Hz dan
Gelombang Sinusoidal. Depok : Universitas Indonesia. 2011.
[5]
Hart, Daniel W. Introduction To Power Electronics : International Edition. Prentice Hall
International, London, 1997.
[6]
Junaidi, Analisa Switching Transistor Untuk Pembentukan Gelombang Sinusoidal PWM.
Depok : Universitas Indonesia, 2010.
[7]
Nuryadi,Devi, Konsep Rumah Mandiri Energi Menggunakan Tenaga Surya Dan Biogas.
Pekanbaru : Universitas Islam Negeri Sultan Syaruf Kasim Riau, 2011.
[8]
Rashid, M. H.
And Application
. USA :
Prentice Hall, 2004.
[9]
Rashid, M. H. Power Electronics Handbook. Canada : Academic press, 2008.
[10]
Saragih , Budiman. Perbaikan Untuk Kerja Inverter Satu Fasa Dengan Menggunakan
Kontrol Sinyal Lebar pulsa. Medan : Universitas Sumatra Utara, 2008.
B - 136