Perancangan Kompor Listrik Menggunakan Teknologi Induksi

BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISIS
4.1. Modul Sumber
Pada modul ini ada 2 output yang tersedia, yaitu output setelah LM7815 dan
output setelah LM7805. Saat dilakukan pengujian menggunakan multimeter, output
setelah LM7815 terbaca 15 VDC, sedangkan setelah LM7805 terbaca 5 VDC.
4.2. Modul Mikrokontroler
Pengujian yang dilakukan saat ini hanya pengujian pembangkit PWM. Pin PD.5
pada mikrokontroler dihubungkan ke osiloskop dan terbaca sinyal kotak sebesar 5 Vpp,
duty cycle 50%, dan frekuensi sebesar 20 kHz sesuai dengan program di mikrokontroler
yang telah dibuat.
Gambar 4.1. Sinyal PWM pada pin PD.5 Mikrokontroler
(V/div=5 & Time/div=10ms)
19
4.3. Modul Pemanas
Pengujian pertama yang dilakukan adalah pengujian driver IGBT. Photocoupler
TLP250 mendapatkan masukan PWM dari Modul Mikrokontroler. Pin Vcc pada
TLP250 diberi tegangan 15 V sehingga keluaran dari TLP250 terbaca sinyal kotak
PWM sebesar 15 Vpp, duty cycle 50%, dan frekuensi 20 kHz.
Gambar 4.2. Sinyal Keluaran TLP250
(V/div=5 & Time/div=10ms)
Pengujian kedua dilakukan terhadap IGBT. Kaki gate terhubung pada output
TLP250. Kaki emitor terhubung pada ground. Kaki kolektor terhubung pada resistor 20
Ohm yang diberi tegangan sebesar 15 V.
Pada output kolektor akan terbaca sinyal kotak sebesar 15 Vpp, duty cycle 50%,
dan frekuensi 20 kHz sama seperti sinyal input pada kaki gate namun memiliki beda
fase sebesar 1800.
20
Gambar 4.3. Sinyal pada pin kolektor IGBT
(V/div=5 & Time/div=10ms)
Berikut adalah gambar dua kanal input gate IGBT dan output kolektor IGBT:
Gambar 4.4. Sinyal pada pin Gate dan Kolektor IGBT (Dua kanal)
(V/div=5 & Time/div=10ms)
21
4.4. Modul Sensor Suhu
Pada modul ini, pengujian dilakukan dengan membakar sensor Thermocouple
kemudian nilai suhu akan ditampilkan di LCD setelah diolah oleh mikrokontroler. Pada
saat thermocouple tidak dipanaskan, maka suhu akan terbaca sekitar 28 oC.
Gambar 4.5. Thermocouple pada Suhu Normal
Setelah thermocouple dibakar menggunakan korek beberapa saat, suhu akan terus
meningkat dan ditampilkan ke LCD.
Gambar 4.6. Thermocouple pada Suhu Tinggi
22
4.5. Modul Pilihan Menu
Modul ini mempunyai tiga tombol pilihan menu, yaitu SLOW, NORMAL, dan
FAST. Masing-masing pilihan menu mempunyai frekuensi PWM yang berbeda-beda.
Menu yang dipilih akan ditampilkan di LCD.
Gambar 4.7. Tampilan Awal LCD
Menu pertama yang dipilih adalah SLOW, sehingga mikrokontroler akan
mengeluarkan sinyal PWM sebesar 15 kHz.
Gambar 4.8. Sinyal PWM Mode Slow
(V/div=5 & Time/div=20ms)
23
Menu kedua yang dipilih adalah NORMAL, sehingga mikrokontroler akan
mengeluarkan sinyal PWM sebesar 17.5 kHz.
Gambar 4.9. Sinyal PWM Mode Normal
(V/div=5 & Time/div=20ms)
Menu terakhir yang dipilih adalah FAST, sehingga mikrokontroler akan
mengeluarkan sinyal PWM sebesar 20 kHz.
Gambar 4.10. Sinyal PWM Mode Fast
(V/div=5 & Time/div=20ms)
24
4.6. Pengujian Kompor Induksi Elektromagnetik
Pada pengujian kali ini, kompor akan memasak air sebanyak 330 ml hingga
mencapai suhu 55oC. Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali percobaan untuk setiap mode
pada kompor induksi. Perhitungan waktu akan menggunakan stopwatch. Hasil dari
pengujian yang telah dilakukan dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Pengujian Kompor Induksi
Slow
Normal
Fast
54 detik
44 detik
35 detik
56 detik
46 detik
37 detik
55 detik
47 detik
37 detik
Pengujian tidak memasak air sebanyak 2 liter seperti yang tercantum pada
spesifikasi. Hal itu disebabkan karena kapasitor yang dihubungkan paralel pada
kumparan tidak dapat bekerja dalam waktu yang lama. Kapasitor yang digunakan
adalah kapasitor MPX 0,33 uF dengan batas tegangan sebesar 275 volt. Batas tegangan
yang kurang tinggi tersebut menyebabkan kapasitor menjadi terlalu panas apabila sistem
berjalan terlalu lama, bahkan hingga kapasitor meledak. Oleh karena keterbatasan
komponen yang ada maka pengujian hanya memasak air sebanyak 330 ml.
Dari data tersebut, terlihat bahwa lama memasak air sesuai dengan mode-mode
yang telah ditentukan. Perbedaan mode tersebut terletak pada frekuensi PWM yang
dihasilkan oleh mikrokontroler. Pada mode SLOW digunakan frekuensi 15 kHz,
kemudian meningkat pada mode NORMAL dengan frekuensi 17.5 kHz, dan pada mode
tercepat FAST menggunakan frekuensi 20 kHz.
Berdasarkan prinsip kerja kompor induksi, pada logam konduktor (panci) dapat
terjadi arus pusar (Eddy current) jika logam tersebut berada pada medan magnet yang
besarnya berubah-ubah terhadap waktu. Panas pada logam ditimbulkan oleh arus pusar
karena pengaruh perubahan medan magnet. Perubahan arus terhadap waktu yang
ditimbulkan oleh induksi magnet mengakibatkan elektron-elektron bebas dalam logam
saling bergerak dan bertumbukan.
25
Tumbukan antar elektron ini mengakibatkan terjadinya panas. Semakin cepat
elektron bergerak maka tumbukan yang terjadi semakin keras sehingga menghasilkan
panas yang lebih besar. Kecepatan gerak elektron dipengaruhi oleh kecepatan perubahan
arus terhadap waktu. Kecepatan perubahan arus terhadap waktu tersebut ditentukan oleh
besar frekuensi PWM yang akan memutus-hubungkan IGBT.
Resonansi terjadi saat besarnya reaktansi induktif (XL) sama dengan besarnya
reaktansi kapasitif (XC). Besarnya frekuensi resonansi didapat dari perhitungan pada
saat perancangan.
f=
1
2𝜋√(𝐿𝐶)
=
1
2𝜋√(98. 10−6 𝑥 0,3. 10−6 )
= 29,367 kHz
Namun menurut pengujiannya, frekuensi resonansi terdapat pada frekuensi sekitar 20
KHz. Oleh sebab itu frekuensi picu maksimal PWM dibuat sekitar 20 KHz. Saat terjadi
resonansi, maka nilai impedansi mencapai nilai minimum. Pada saat impedansi
minimum inilah arus yang mengalir mencapai maksimum.
Imaks =
𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠
𝑍𝑚𝑖𝑛
………………………….…….………………………….. (4.1)
Arus maksimum tersebut yang akan mempengaruhi daya kompor induksi, sesuai dengan
rumus:
P = V.I …………………………………………………...………………... (4.2)
Dimana P merupakan daya (watt), V merupakan tegangan (volt) dan I merupakan arus
(ampere).
Untuk membandingkan hasil pengujian kompor induksi, maka dilakukan juga
pengujian untuk memasak air dengan volume yang sama menggunakan kompor listrik
biasa dan kompor gas. Berikut adalah hasil pengujian yang telah dilakukan.
26
Tabel 4.2. Pengujian Kompor Listrik dan Kompor Gas
Kompor Gas (Sanyo)
Kompor Listrik (Maspion S-302)
1 menit 30 detik
6 menit 15 detik
1 menit 24 detik
6 menit 3 detik
1 menit 38 detik
5 menit 58 detik
Menurut pengujian tersebut, kompor induksi memiliki lama waktu memasak yang
lebih cepat dibandingkan kompor gas dan kompor listrik biasa. Kompor listrik yang
digunakan adalah kompor listrik Maspion S-302 dengan daya 600 watt sesuai dengan
spesifikasi dari pabrik tersebut. Pada saat pengujian, kompor listrik dan kompor gas
dinyalakan pada kemampuan maksimalnya.
Efisiensi waktu memasak kompor induksi terlihat lebih baik daripada kompor gas,
apalagi dibandingkan dengan kompor listrik diatas. Tentunya hal ini juga akan
memberikan keuntungan pada saat memasak dari segi waktu.
Kompor induksi memiliki efisiensi daya yang lebih baik daripada kompor lainnya.
Pada saat perancangan menggunakan tegangan 127 volt, didapat efisiensi daya lebih
dari 80%. Pada saat pengukuran menggunakan multimeter, didapat Vin sebesar 123,4
volt, Vout sebesar 117,5 volt, dan Iout sebesar 4,62 ampere. Besarnya Iin tidak dapat
diukur dengan multimeter dengan beberapa kemungkinan sebab, diantaranya multimeter
yang tidak bekerja dengan baik dan frekuensi yang terlalu tinggi. Namun apabila dilihat
dari jembatan dioda yang dipasang di awal rangkaian pemanas, yakni sebesar 6 ampere,
maka arus tidak akan lebih dari 6 ampere. Apabila diambil arus 5,5 ampere, maka
perhitungan efisiensi dayanya:
𝜂=
𝑉𝑜𝑢𝑡 .𝐼𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛 .𝐼𝑖𝑛
𝜂=
𝑥 100% ……………………..…………………………………. (4.3)
𝑉𝑜𝑢𝑡. 𝐼𝑜𝑢𝑡
117.5 𝑥 4.62
𝑥 100% =
𝑥 100% = 80%
123.4 𝑥 5.5
𝑉𝑖𝑛. 𝐼𝑖𝑛
27
Perhitungan tersebut tentu saja tidak valid namun nilai efisiensinya mendekati
nilai tersebut. Pada pengujian akhir kompor, tegangan dan arus sama sekali tidak dapat
diukur. Dibutuhkan wattmeter agar dapat mengetahui daya pada kompor induksi, namun
alat tersebut tidak tersedia pada saat pengujian akhir.
Selain efisiensi daya, dapat dihitung juga efisiensi energi dari kompor induksi.
Efisiensi energi dihitung dari besarnya energi keluaran dibagi dengan energi masukan
kemudian dikalikan 100%.
𝜂=
Dimana:
𝑄𝑜𝑢𝑡
𝑄𝑖𝑛
𝑥 100% =
𝑀𝑎𝑖𝑟 .𝐶𝑎𝑖𝑟 .𝛥𝑇
𝑉𝑖𝑛 .𝐼𝑖𝑛 .𝑃𝐹.𝛥𝑡
𝑥 100% ………….……………………… (4.4)
𝝶 = efisiensi (%)
Qout = Energi keluaran (joule)
Qin = Energi masukan (joule)
Mair = Massa air (gram)
Cair = Panas jenis air (J/gr.0C)
𝝙T = Perubahan suhu (0C)
Vin = Tegangan masukan (volt)
Iin = Arus masukan (ampere)
PF = Power factor
𝝙t = Perubahan waktu (sekon)
𝜂=
𝑄𝑜𝑢𝑡
𝑚𝑎𝑖𝑟. 𝐶𝑎𝑖𝑟. 𝛥𝑇
=
𝑥 100%
𝑄𝑖𝑛
𝑉𝑖𝑛. 𝐼𝑖𝑛. 𝑃𝐹. 𝛥𝑡
=
330𝑥4.17𝑥30
𝑥 100%
220𝑥5.5𝑥0.99𝑥35
= 98.46%
Dari perhitungan diatas, efisiensi energi dapat mencapai sebesar 98.46% atau
hampir mendekati 100%. Dapat dikatakan bahwa hampir seluruh energi panas yang
dihasilkan kompor induksi berapa pada panci (logam konduktor) sehingga efisiensi
energi dari kompor induksi sangat besar.
Apabila dilihat dari segi keamanan, kompor induksi jelas lebih aman daripada
kompor gas, sebab kompor induksi tidak menggunakan gas dan tidak mengeluarkan api
sehingga dapat meminimalisir kecelakaan pada saat memasak.
28