Fakultas Teknik, UMRAH 2016 - Repositori Tugas Akhir Universitas
advertisement
1 PERANCANGAN INVERTER UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS) SKALA RUMAH TANGGA Rico Alvin1, Ibnu Kahfi Bachtiar2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Maritim Raja Ali Haji Jl. Politeknik Senggarang, Tanjungpinang 29100 E-mail : [email protected], [email protected] ABSTRAK Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) yang dipakai di rumah-rumah, merupakan sistem pemanfaatan energi terbarukan yang ramah lingkungan. PLTS mempunyai hasil keluaran arus listrik searah (DC) yang memerlukan baterai atau aki untuk menyimpannya, tetapi tidak bisa digunakan untuk peralatan elektronik di rumah yang memiliki tegangan arus bolak balik. Agar energi tersebut dapat digunakan untuk beban yang mempunyai arus bolak-balik (AC) maka diperlukan alat pengkonversi DC ke AC yaitu inverter. Inverter yang dirancang menggunakan rangkaian oscillator yang berfungsi sebagai pembangkit gelombang kotak berfrekuensi 50 Hz, dan rangkaian amplifier yang berfungsi untuk menguatkan tegangan dan gelombang yang dihasilkan rangkaian oscillator. Keluaran yang dihasilkan inverter ini mempunyai tegangan 200-207 VAC dan gelombang yang berbentuk kotak dengan frekuensi sebesar 50 Hz, dan telah dilakukan pengujian dengan menggunakan beban lampu, solder, dan kipas angin. Kata kunci: Inverter, PLTS, Oscillator, Amplifier I. PENDAHULUAN penerangan dimalam hari yang biasanya A. Latar Belakang menggunakan Pembangkit Listrik Tenaga Surya lampu dengan jenis tegangan DC dan peralatan elektronik (PLTS) salah satu dari pembangkit yang lainnya menggunakan energi alternatif. PLTS tegangan yang sama. Tetapi untuk mengkonversi energi surya atau matahari digunakan pada peralatan listrik yang menjadi energi listrik. menggunakan tegangan arus bolak balik Solar Home System (SHS) atau dengan yang inverter. menggunakan dirumah-rumah panel surya yang mempunyai keluaran arus listrik searah (DC), dan untuk menyimpan energi listrik tersebut harus menggunakan tempat khusus listrik DC seperti baterai atau aki. Penggunaan listrik DC yang dihasilkan PLTS digunakan untuk menggunakan jenis (AC), terlebih dahulu dikonversikan sistem pembangkit listrik tenaga surya dipakai yang menggunakan Inverter mengubah alat adalah tegangan bernama alat DC yang menjadi tegangan AC yang dihasilkan aki atau rangkaian penyearah (adaptor). Hasil keluaran tegangan inverter AC nantinya dengan berupa gelombang berbentuk kotak (NOT Gate) atau Fakultas Teknik, UMRAH 2016 sinusoidal, sehingga dapat digunakan membangkitkan untuk peralatan menggunakan rangkaian oscilator atau elektronik yang menggunakan jenis multivibrator yang dirancang dengan tegangan AC. frekuensi 50Hz, untuk membangkikan B. menghidupkan gelombang kotak (Square Wave). Perumusan Masalah Berdasarkan gelombang/sinyal latar belakang, Penelitian berikutnya oleh Baraqie rumusan masalah pada penelitian ini Tauhid (2014), peneliti membuat inverter yaitu, merancang Pembangkit inverter untuk satu fasa dengan menggunakan teknik Tenaga Surya eliminasi harmonisa pada pembangkitan Listrik (PLTS) skala rumah tangga. pulsa PWM agar meminimalisir kadar harmonisa C. Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan masalah, maka tujuan penelitian ini adalah merancang inverter untuk mengubah inverter pada tegangan sehingga penyaklaran dengan keluaran mencapai total pola distorsi harmonisa yang sangat rendah. sumber tegangan DC menjadi AC, agar Fadhli MR (2010), melakukan accumulator (aki) yang digunakan untuk penelitian yang bertujuan merancang dan menyimpan yang membangun sebuah perangkat inverter dihasilkan Pembangkit Listrik Tenaga 12V DC to 220V AC dengan frekuensi Surya (PLTS) dapat difungsikan sebagai 50Hz, dengan gelombang keluaran yang sumber cadangan (backup energy). dihasilkan berupa gelombang sinusoidal D. Manfaat Penelitian menggunakan rangkaian low pass filter tegangan DC Manfaat penelitian ini adalah (tapis lolos-rendah atau LPF). menjadi awal studi untuk membuat Faizal Arya Samman dkk (2015), inverter yang kompatibel dengan listrik dengan judul penelitian perancangan, rumah simulasi, tangga, khususnya dalam dan analisis harmonisa implementasi Pembangkit Listrik Tenaga rangkaian inverter satu fasa. Peneliti Surya (PLTS). menggunakan II. TINJAUAN PUSTAKA pemanfaatan snubber terhadap kualitas A. Kajian Literatur tegangan keluaran inverter jembatan filter pasif dan Penelitian yang dilakukan oleh penuh (full bridge) satu fasa, agar bentuk Ibnu Syukron (2013) yaitu, pembuatan tegangan keluaran inverter dari bentuk inverter untuk Air Conditioner. Peneliti gelombang kotak menjadi gelombang membuat inverter satu fasa, dengan sinusoidal. metode yang digunakan untuk Fakultas Teknik, UMRAH 2016 Penelitian berikutnya oleh Tomi Yanto (2015), yang berjudul (DC/Direct Current) menjadi keluaran tegangan listrik bolak balik perancangan inverter push pull 12 VDC- (AC/Alternating Current). Sumber DC 220 menggunakan tersebut dapat berasal dari battery atau rangkaian multivibrator astable dengan aki, panel surya, power supply. Sumber menggunakan MN4047B tegangan yang digunakan adalah 12 atau membangkitkan gelombang sinus 50 Hz 24 VDC kemudian diubah menghasilkan dan rangkaian Low Pass Filter (LPF) tegangan 220 VAC. Tegangan 220 VAC sebagai filter tapis lolos rendah. tersebut juga memiliki frekuensi 50 atau B. Landasan Teori 60 Hz. 1. Pembangkit Listrik Tenaga Surya 4. VAC. Peneliti IC Multivibrator Multivibrator astable beroperasi (PLTS) Pembangkit listrik tenaga surya terus menerus untuk menghasilkan adalah sistem pembangkit yang merubah frekuensi gelombang persegi dengan energi surya menjadi energi listrikatau frekuensi penggulungan pulsa tegangan biasa mark disebut dengan photovoltaic. atau space tertentu. Bentuk Pembangkit listrik tenaga surya ini rangkaian multivibrator astable yang menggunakan solar cell, bahan semi umum diperlihatkan pada gambar 5, konduktor yang dapat merubah energi resistor R3 dan R4 adalah resistor beban foton matahari menjadi listrik. kolektor dari R1 memberikan panjaran 2. kepada basis (Ibnu Syukron, 2013). Solar Home System (SHS) Solar home system merupakan suatu pembangkit listrik tenaga surya berskala kecil yang terdiri dari komponen panel surya, battery charger controller, baterai, dan inverter. Beban yang dipasang pada pembangkit berskala kecil ini dapat berupa lampu florescent, radio, televisi berwarna yang dioperasikan dalam 4 atau 5 jam setiap hari (Iklim astable Global Indonesia, 2011). 3. Gambar 1. Rangkaian multivibrator (Sumber: Ibnu Syukron, 2013) Inverter untuk Kapasitor C1 dan C2 masing- mengubah sumber tegangan listrik searah masing mengkopel kolektor dari salah Inverter digunakan Fakultas Teknik, UMRAH 2016 satu transistor ke basis transistor yang yang diinputkan pada gate, semakin lain. Saat catu daya dijalankan, kedua besar tegangan maka semakin besar transistor mulai mengkonduksikan arus saluran sebagai aliran arus basis melalui resistor menghasilkan basis. Tetapi penguatan arus DC dan amplifier, maka akan digunakan dua waktu buah N-Channel MOSFET. penyambungan dari kedua transistor tidak sama, sehingga salah satu yang rangkaian lebih Kemudian, memiliki keluaran Untuk rangkaian MOSFET yang digunakan untuk transistor akan mengalirkan arus yang besar terbentuk. inverter ini adalah tipe dari transistor lain. IRFP250N dengan spesifikasi terlihat apabila transistor yang pada gambar berikut ini: arus lebih lemah adalah transistor Q1 dan yang memiliki arus lebih besar Q2, apabila arus kolektor Q1 membesar sehingga tegangan pada resistor beban kolektor R3 juga akan membesar, sehingga potensial menurun. Gambar 2. Spesifikasi MOSFET Suatu pulsa tegangan tepi turun negatif IRFP250N (Sumber: International kemudian dilewatkan melalui kapasitor Rectifier, 2000) C1 untuk memperkecil tegangan basis III. METODE PERANCANGAN Q2 sehingga arus yang mengalir pada A. Perancangan transistor Q2 berkurang (Ibnu Syukron, Perancangan inverter ini 2013). membutuhkan bagian-bagian rangkaian 5. yang Transistor MOSFET mendukung berdirinya sistem Metal Oxide Semiconductor FET inverter tersebut, berikut blok diagram (MOSFET) adalah suatu jenis FET yang rangkaian seperti gambar 3 di bawah ini : mempunyai satu Drain, satu Source dan satu atau dua Gate. MOSFET mempunyai input impedansi yang sangat Gambar 3. Blok diagram rangkaian tinggi. inverter Ada dua macam tipe MOSFET yaitu : tipe peningkatan (Enhancement) dan tipe pengosongan (Depletion). 1. Pembangkitan Gelombang Sinus dengan Oscillator Mengatur besar kecilnya saluran Rangkaian oscillator diperlukan dilakukan dengan mengatur tegangan untuk membangkitkan gelombang 50 Hz Fakultas Teknik, UMRAH 2016 yang memiliki bentuk kotak atau 2. Rangkaian Amplifier gelombang kotak mendekati sinus. Hal Rangkaian amplifier ini terdiri dari ini dapat dilakukan dengan menggunakan dua buah transistor NPN-Channel Power rangkaian multivibrator astable. MOSFET yang berfungsi sebagai sakelar Perancangan inverter ini bertujuan dan penguat frekuensi yang dihasilkan untuk mendapatkan frekuensi 50 Hz. oleh rangkaian oscillator, dan trafo CT Rumus mencari output frekuensi adalah sebagai penaik tegangan. Transistor (Fadli MR, 2010): MOSFET π= 1 π = 1,44 π 1 πΆ+2π 2 πΆ (1) Kapasitor yang digunakan pada rangkaian ini sebesar 2,2 uf dan R2 yang sudah ditentukan sebesar 680 ohm, dengan menyesuaikan komponen yang tersedia dipasaran. Jadi, nilai R1 yang harus digunakan adalah : π 1 = π 1 = 1,44 − 2π 2 πΆπ πΆπ yang digunakan pada rangkaian ini adalah IRFP250N yang memiliki tiga buah kaki yaitu gate, drain, dan source. Kaki gate berfungsi untuk menerima output gelombang dari rangkaian oscillator, kaki drain sebagai output ke input 12V trafo CT, sedangkan kaki source dihubungkan ke –VCC pada rangkaian. 1,44 − (2π₯680π₯2,2π₯10−6 π₯50) 2,2π₯10−6 π₯50 π 1 = 1,2904 = 11730,91 πβπ 0,00011 Jadi R1 yang digunakan adalah 11730,91 Ohm atau sekitar 12k Ohm, dan Gambar 5. Rangkaian amplifier R2 yang digunakan sebesar 680 Ohm. Maka rangkaian multivibrator astable menggunakan IRFP250N. B. Alat dan Bahan yang digunakan seperti dibawah ini : Alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan merupakan inverter ini komponen-komponen pendukung elektronika yang bisa didapat di pasaran, dan beberapa alat guna menguji rangkaian yang tersidia di Gambar 4. Rangkaian Multivibrator Astable dengan Transistor 2N2222. Laboratorium Jurusan Teknik Elektro Universitas Maritim Raja Ali Haji. Fakultas Teknik, UMRAH 2016 Berikut alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan inverter ini : 6 7 8 1. Alat Alat-alat pendukung yang digunakan dalam perancangan inverter ini dapat dilihat sebagai berikut: a. Obeng 9 10 11 12 b. Tang 13 c. Solder 14 d. Penyedot Timah Solder e. Multimeter Analog f. ADS pendukung yang digunakan untuk merancang inverter ini, komponen-komponen elektronik yang tersedia di pasaran. digunakan bahan-bahan beserta yang spesifikasi dan jumlahnya pada tabel 1: beserta spesifikasinya 1 Bahan yang digunakan Resistor 2 Resistor 3 Kapasitor 4 Transistor 2N2222/P N2222 MOSFET IRFP250N 5 - 2 5 1 - 1 - - - 5 A. Pengujian Rangkaian Oscillator memiliki fase 1800 berbeda. Output atau keluaran dari rangkaian oscillator ini diambil collector pada tiap-tiap transistor, kopel kaki kapasitor, dan resistor. Oleh karena itu,terdapat 2 port yang dikeluarkan pada rangkaian ini. Untuk Tabel 1. Daftar bahan yang digunakan No 1 hasil keluaran gelombang kotak yang Bahan-bahan daftar - Gambar dibawah ini, akan menunjukkan 2. Bahan Berikut 1 - SKALA RUMAH TANGGA 1152ML ATTEN Instruments merupakan 5 Ampere - IV. HASIL PENGUJIAN INVERTER Multimeter Digital g. Oscillocope Trafo CT Kabel Jumper Socket (Terminal) Papan PCB Port Heatsink (Pendingin) Casing inverter Timah Solder Baut melihat gelombang yang dihasilkan, dengan menghubungkan port input 1 dan 2 menggunakan oscilloscope. Spesifikasi Jumlah 12k Ohm 1 Watt 680 Ohm 1 Watt 2,2 uf 50 Volt 500 mA 2 30 A 200Volt 2 2 2 2 Gambar 6. Gelombang yang dihasilkan rangkaian oscillator Fakultas Teknik, UMRAH 2016 Rangkaian oscillator Vp = Tegangan puncak menghasilkan gelombang kotak dengan Div = jumlah kotak vertikal pada dua Vpp (tegangan puncak-puncak) 5,48 volt, tegangan puncak gelombang periode 19,94 ms, frekuensi 50,16 Hz V/div = nilai yang disetting untuk dengan V/div 1 V dan T/div 5,00 ms pada membuat 1 kotak berapa volt channel yang dapat dilihat di layar tampilan oscilloscope. Vpp yang didapat B. Pengujian Rangkaian Amplifier tidak sesuai dengan tegangan sumber, Gambar 7 dibawah ini merupakan dikarenakan pada rangkaian oscillator ini rangkaian amplifier yang inputnya sudah tegangan dibagi 2 jalur ke masing- dihubungkan pada keluaran rangkaian masing transistor. Untuk menghitung oscillator. Untuk melihat gelombang frekuensi dapat yang dihasilkan, hubungkan kaki drain pada tiap MOSFET dengan oscilloscope. yang menggunakan dihasilkan, persamaan (1) rangkaian multivibrator astable (Ibnu Syukron, 2013). Periode yang dihasilkan 19,94 ms, maka frekuensinya : T (periode) = 19,94 ms = 0,01994 s π= π= 1 π 1 = 50,15 π»π§ 0,01994 Untuk menghitung tegangan puncak dan tegangan puncak-puncak Gambar 7. Gelombang yang dihasilkan berdasarkan jumlah kotak vertikal pada rangkaian amplifier (Skala 1:1, V/div = puncak gelombang dapat dicari dengan 2,50 V, T/div = 5,00 ms) rumus umum sebagai berikut (Tomi Yanto, 2015): Rangkaian amplifier yang menggunakan IRFP250N menghasilkan πππ = πππ£ π₯ ππππ£ (2) πππ = 6 π₯ 1 = 6π ππ = ππ = πππ 2 6 =3π 2 Dimana : gelombang kotak dengan Vpp (tegangan puncak-puncak) 18,40 volt, periode (3) 19,94 ms, frekuensi 50,14 Hz dan mean 10 V pada channel yang dapat dilihat pada layar tampilan oscilloscope. Vpp yang berubah menjadi 18,40 volt Vpp = Tegangan puncak-puncak Fakultas Teknik, UMRAH 2016 dikarenakan mengalami peningkatan yang dilakukan transistor MOSFET. Untuk menghitung Gambar 8. Gelombang yang dihasilkan rangkaian inverter (Probe 10x, V/div = tegangan 50 V, T/div = 5,00 ms) puncak dan tegangan puncak-puncak Bentuk gelombang yang berdasarkan (Skala 1:1, V/div = 2,50 V, dihasilkan masih berbentuk kotak dengan T/div = 5,00 ms) dapat dicari dengan runcing pada satu sisinya, dengan Vpp persamaan (2) dan (3) sebagai berikut: (tegangan puncak-puncak) 456 volt, πππ = πππ£ π₯ ππππ£ periode 19,94 ms, frekuensi 50,14 Hz dan πππ = 8 π₯ 2,5 = 20 π mean 2 V pada channel yang dapat dilihat ππ = πππ 2 pada layar tampilan oscilloscope. Untuk menghitung Vpp dan Vp 20 ππ = = 10 π 2 yang C. Pengujian Rangkaian Inverter 1. Pengujian Gelombang Rangkaian terukur pada oscilloscope berdasarkan (Probe 10x, V/div = 50 V, T/div = 5,00 ms) dapat dicari dengan persamaan (2) dan (3) sebagai berikut: Inveter πππ = πππ£ π₯ ππππ£ Sisi sekunder trafo CT yang πππ = 9 π₯ 50 = 450 π diambil sebagai keluaran adalah titik 220 dan titik 0 yang mempunyai jenis tegangan AC. Trafo CT yang digunakan ππ = πππ 2 Bentuk 450 = 225 π 2 Pengukuran dengan menggunakan keluaran gelombang rangkaian inverter multimeter juga dilakukan, tujuannya ini dapat dilihat seperti gambar 8 agar kita mengetahui nilai tegangan dibawah ini : efektif yang dihasilkan inverter ini. adalah transformator center tap dengan arus maksimal 5 ampere. ππ = Berikut hasil pengukuran dengan menggunakan multimeter digital seperti gambar 9 di bawah ini: Fakultas Teknik, UMRAH 2016 Beban yang digunakan untuk menguji tegangan inverter ini menggunakan, peralatan elektronik yang memiliki daya yang kecil atau sedang seperti lampu, kipas angin, solder dan peralatan elektronik lainnya. Pengujian dengan beban lampu menggunakan daya yang berbeda-beda, tujuannya untuk Gambar 9. Pengukuran menggunakan multimeter digital menanggung lebih dari 1 beban atau (Tegangan inverter = 201,4 VAC) Perbedaan nilai tegangan inverter pada hasil pengujian menggunakan multimeter dengan hasil perhitungan oscilloscope, menurut Tomi Yanto (2015) bisa terjadi dikarenakan: a) Oscilloscope memiliki dan multimeter impedansi yang berbeda, b) Oscilloscope mengukur tegangan peak to peak (Vpp) sedangkan multimeter menguku tegangan efektif, dimana tegangan efektif lebih besar dibandingkan tegangan peak to peak (Vpp), c) Penyebab perhitungan perbedaan dan hasil pengukuran juga bisa terjadi karena adanya kesalahan paralaks (parallax error). 2. Pengujian Tegangan Rangkaian Inverter dengan Beban mengetahui apakah inverter mampu tidak. Tabel 2. Pengujian inverter dengan beban menggunakan sumber aki 12 VDC No 1 Beban Lampu Tegangan Arus (VAC) (Ampere) 192 0,033 177 0,073 160 0,107 Phillips 2 Lampu Phillips 3 Lampu Noia 4 Solder 169 0,082 5 Kipas 162 0,104 126 0,193 138 0,157 132 0,170 Angin 6 Kipas+ Lampu 7 Kipas+ Solder 8 Kipas+ Solder+ Lampu Tabel 2 menjelaskan pengujian yang menggunakan satu jenis beban, Fakultas Teknik, UMRAH 2016 penurunan tegangan yang terjadi tidak 1. Perancangan inverter dengan terlalu besar selisihnya dari tegangan menggunakan kerja yang dihasilkan inverter. Berbeda oscillator dan amplifier dapat hasilnya menghasilkan pada pengujian yang rangkaian gelombang menggunakan beban lebih dari satu, berbentuk kotak dengan pengujian dengan menggunakan dua frekuensi 50,14 Hz dan tegangan beban secara bersamaan seperti kipas dan 200-207 VAC. solder memiliki tegangan yang terukur 2. Inverter ini dapat menanggung 138 VAC dengan arus 0,157 A. Begitu beban peralatan elektronik yang juga pengujian dengan menggunakan tiga memiliki daya yang berkisar beban bersamaan seperti kipas, solder, antara 5 watt sampai 105 watt dan lampu mempunyai tegangan yang berdasarkan pengujian. terukur 132 VAC dan 0,170 A. B. Saran Penurunan tegangan kerja inverter dari 200-207 VAC VAC banyak kekurangan, oleh karena itu diterima apabila penelitian ini ingin dilanjutkan sehingga ada beberapa saran yang diberikan mengurangi besar arus yang dihasilkan supaya nantinya rancangan ini dapat trafo. ditingkatkan dari segi penggunaannya, dikarenakan inverter sampai beban sangat 132 Rancangan inverter ini memiliki yang besar Daya maksimal yang dimiliki yaitu: beban, tidak akan sama dengan daya yang 1. Inverter ini memiliki gelombang dihitung menggunakan tegangan dan arus berbentuk kotak. Oleh karena itu yang terukur berdasarkan pengujian diperlukan penambahan pada inverter. Tegangan rangkaian yang dihasilkan oscillator agar inverter tidak terregulasi dengan baik gelombang yang dihasilkan bisa seperti tegangan listrik yang disuplai lebih PLN dan arus yang dihasilkan trafo tidak sinusoidal. besar. mendekati 2. Tegangan yang gelombang dihasilkan V. PENUTUP inverter masih belum terregulasi A. Kesimpulan dengan baik, dapat dilihat dari Adapun kesimpulan dari penurunan tegangan yang terjadi perancangan inverter skala rumah tangga pada saat penambahan beban. berdasarkan perancangan dan pengujian Sehingga diperlukan rangkaian yang telah dilakukan, sebagai berikut: Fakultas Teknik, UMRAH 2016 penstabil tegangan pada output trafo. Tauhid, B. 2014. Perancangan Inverter Satu Fasa PWM dengan Teknik DAFTAR PUSTAKA Eliminasi Basri, H. 2014. Pengertian FIELD Teknik Elektro, Fakultas Teknik, EFFECT TRANSISTOR dan MOSFET, Universitas Harmonisa, Jurusan Tanjungpura, Pontianak. http://hasanbasri93.blogspot.co.id/ Yanto, Tomi. 2015. Perancangan Inverter 2014/01/pengertian-field-effect- Push Pull 12 VDC-220 VAC, transistor-dan.html, 29 Juli 2016. Skripsi, Universitas Maritim Raja Iklim Global Indonesia. 2011, Solar Ali Haji, Tanjungpinang. Home System, https://iklimglobalindonesia.word press.com/2011/03/29/solarhome-system/, 29 Juli 2016. International Rectifier. 2000. IRFP250N HEXFET Power MOSFET, datasheet. M. R, Fadhli. 2010. Rancang Bangun Inverter 12 VDC Keluaran 220 VAC dengan Frekuensi 50 Hz dan Gelombang Sinusoidal, Skripsi, Universitas Indonesia, Depok. Samman, F.A., Ahmad, R., Mustafa, M. 2015. Perancangan, Simulasi dan Analisis Harmonisa Rangkaian Inverter Satu Fasa, JNTETI, Vol.4, No.1, Februari 2015, ISSN: 2301 – 4156, Universitas Hasanuddin, Makasar. Syukron, I. 2013. Pembuatan Inverter Untuk Air Conditioner, Jurnal Teknik Elektro Vol. 5 No. 2, Juli Desember 2013, Universitas Negeri Semarang, Semarang. Fakultas Teknik, UMRAH 2016
