i
INVERTER 3 FASA 220 VOLT DENGAN OUTPUT SINUSOIDAL FREKUENSI 50 Hz MENGGUNAKAN ARDUINO DENGAN TEKNIK
DIRECT DIGITAL SYNTHESIS
Disusun Untuk Melengkapi Tugas Akhir dan Memenuhi Syarat-syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oleh:
JUNA CHAIRUL ERFAN D 400 120 059
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
ii
LEMBAR PERSETUJUAN
Tugas Akhir dengan judul “Inverter 3 Fasa 220 Volt Dengan Output Sinusoidal Frekuensi 50 Hz Menggunakan Arduino Dengam Teknik Direct Digital Synthesis” ini di ajukan oleh:
Nama : Juna Chairul Erfan Nim : D 400 120 059
Guna memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan program Strata Satu (S1) pada Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Muhammad iya h Surakarta telah diperiksa dan disetujui pada:
Hari : Tanggal :
Pembimbing
Hasyim Asy’ari,ST.MT
iii
LEMBAR PENGESAHAN
Tugas Akhir dengan judul “Inverter 3 Fasa 220 Volt Dengan Output Sinusoidal Frekuensi 50 Hz Menggunakan Arduino Dengam Teknik Direct Digital Synthesis” ini telah diajukan dan dipertahankan dihadapan dewan penguji Tugas Akhir Fakultas Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada :
Hari : Senin
Tanggal : 01 Februari 2016 Dewan Penguji Tugas Akhir :
1. Umar, S.T., M.T ……….
2. Aris Budiman, S.T., M.T ……….
3. Hasyim Asy’ari, S.T., M.T ……….
Mengetahui,
Dekan Fakultas Teknik UMS Ketua Jurusan Teknik Elektro UMS
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberika n kenikmatan, hidayah serta taufiqnya sehingga sampai saat ini masih diberikan kesempatan untuk beribadah padaNYA dan telah menjadika nk u manusia yang berakal dan berguna dalam dunia ini. Sholawat serta salam untuk junjunganku, Nabi Muhammad S.A.W yang aku nanti – nantikan syafa’atnya.
Hanya karena Allah SWT akhirnya penulis bisa melewati kendala dan tantangan dalam menyelesaikan dan menyusun laporan tugas akhir ini. Tugas akhir ini disusun dan diajukan sebagai syarat untuk kelulusan dan mendapatkan gelar Sarjana Teknik di jurusan Teknik Elektro Univers itas Muhammadiyah Surakarta. Adapun judul tugas akhir yang penulis ajukan : “INVERTER 3 FASA 220 VOLT DENGAN OUTPUT SINUSOIDAL FREKUENSI 50 Hz MENGGUNAKAN ARDUINO DENGAN TEKNIK DIRECT DIGITAL SYNTHESIS”.
Selama penyusunan tugas akhir ini penulis mendapat dukungan, dan saran serta bantuan dari berbagai pihak, oleh karena itu dengan tulus ikhlas dan kerendahan hati penulis mengucapkan rasa terimakasih sebesar – besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Sri Sunarjono, M.T., Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Umar S.T.,M.T selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Univers itas Muhammadiyah Surakarta.
3. Bapak Hasyim Asy’ari S.T.,M.T selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
v
4. Ibu Ratna selaku Pembimbing Akademik yang telah banyak membimbing selama menempuh di Teknik Elektro Univers itas Muhammadiyah Surakarta.
5. Bapak dan Ibu dosen atas kesediannya membimbing dan memberika n waktunya kepada penulis selama di Teknik Elektro.
6. Orang tuaku dan seluruh keluarga besar tercinta terima kasih atas semua kasih sayang dan doa yang tiada hentinya dan tidak pernah surut sehingga penulis bisa seperti saat ini.
7. Seluruh Staf Tata Usaha, Staf Akademik maupun non Akademik, yang telah banyak membantu dan memberikan kemudahan kepada penulis selama menempuh studi di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta.
8. Teman – teman seperjuangan angkatan Teknik Elektro 2012, rekan – rekan Anggota KMTE Robot Research UMS, Keluarga Mahasiswa Teknik Elektro, Asisten Laboratorium Teknik Elektro, Keluarga Besar Perpustakaan Universitas Muhammadiyah Surakarta, terima kasih atas ilmu akademik maupun non akademik yang telah diberikan semoga kekeluargaan ini akan tetap terjaga sampai nanti.
9. Seluruh pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Akhir kata, penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari keempurnaan. Saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan. Semoga karya ini dapat bermanfaat untuk rekan – rekan mahasiswa dan pihak – pihak yang berkepentingan.
Surakarta, 25 Januari 2016 Penulis
vi MOTTO
“Allah menghendaki kemudahan bagimu dan tidak menghendaki kesukaran bagimu.” ( Q.S. Al-Baqarah : 185 )
“Sesungguhnya setelah kesulitan itu ada kemudahan. maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan maka kerjakanlah dengan sungguh-sungguh urusan yang lain. Danhanya
kepada Tuhanmu kamu berharap” ( QS. Alam Nasyrah (94) : 6 – 8)
Dan bahwasanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang telah diusahakannya.
( Q.S. An Najm : 39)
“Wahai manusia, sesungguhnya engkau harus bekerja keras (sungguh-sungguh dan tekun) menuju keridhoan Tuhanmu, maka pasti kamu akan menemui-Nya.”
vii
PERSEMBAHAN
Karya kecil ini kupersembahkan untuk yang tercinta dan terkasih :
1. Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayahNYA yang tanpa batas kepada umat islam sehingga penulis mampu menyelesaikan laporan tugas akhir.
2. Nabi Muhammad SAW yang telah membawa umat islam dari jaman kebodohan menuju jaman yang penuh dengan ilmu pengetahuan dan teknologi.
3. Ibuku Junarti dan bapakku Wiyono tercinta. Kasih sayang, pengorbanan, dan doa yang penuh keikhlasan hati membanting tulang, membesarkan dan mendidik tanpa pamrih, yang hanya berharap anak-anaknya akan lebih baik dari mereka.
4. Segenap keluarga tercinta yang dapat menjadi motivasi baik mora l maupun materi yang dapat membantu dalam proses belajar.
5. Sahabatku Laksono, Beny, Alfi, yang tak kalah penting dalam hidupku telah mengajarkan kesabaran, kebersamaan, keteguhan, dan kesetiaan.
6. Segenap Keluarga Mahasiswa Teknik Elektro ( KMTE ) .
7. Segenap Keluarga KMTE Robot Research UMS Rheksi, Saleh, Nurhadi, Tri, Riki, Denison, Andik yang telah berjuang bersama.
8. Rekan-rekan Asisten Laboratorium Teknik Elektro .
9. Keluarga Besar Perpustakaan Universitas Muhammadiyah Surakarta. 10. Teman-teman Teknik Elektro 2012 yang sudah sama-sama berjuang
viii
DAFTAR KONTRIBUSI
Tugas akhir ini berawal dari keterlibatan penulis dalam Asisten laboratorium Teknik Elektro yang lebih tepatnya ikut berperan dalam asisten praktikum elektronika daya. Dalam prosesnya masih banyak terjadi kekurangan dalam memahami praktikum yang diajarkan. Salah satu yang diajarkan adalah membahas Inverter oleh karena itu penulis terinspirasi membuat inverter yang nantinya dapat digunakan dalam praktikum tersebut.
Setelah mendapatkan inspirasi dan topik yang akan dituang ke dalam Tugas Akhir, penulis berkonsultasi dengan Bapak Hasyim Asy’ari ST, MT. Beliau menawarkan untuk membuat atau merancang Inverter satu phase menjadi tiga phase yang nantinya tidak hanya ditujukan buat praktikum elektronika daya melainkan lebih luas dapat dimanfaatkan oleh home industry atau unit kerja menengah (UKM). Penelitian ini terfokus pada perancangan mulai system kontrol atau Arduino dan inverter itu sendiri dalam pengujiannya yaitu mampu menghasilkan gelombang sinusoidal murni.
Setelah berkonsultasi dengan Bapak Hasyim Asy’ari, ST, MT. mengena i judul Tugas Akhir dan beliau bersedia untuk membimbing penulis dalam menyus un laporan Tugas Akhir ini. Setelah seminar Proposal Tugas Akhir ada beberapa saran dan masukkan dari dosen penguji demi perbaikkan Tugas Akhir ini. Perancanagan dimulai dari mendesain system kontrol dan jenis pemrograman sebelum dibuat penulis mensimulasikan menggunakan proteus sampai apa yang dinginkan tercapai setelah program dan rangkaian sudah siap maka rangkaian siap direalisas ika n menjadi bentuk nyata.
ix
Setelah rangkaian terealisasi maka penulis melakukan pengujian sesuai dengan batasan dan tujuan yang diinginkan dan dituangkandalam Tugas Akhir ini.
Demikian daftar konstribusi ini penulis buat dengan sejujur – jujurnya.
Surakarta, 25 Januari 2016
Pembimbing Mahasiswa
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PERSETUJUAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
MOTTO ... vi
PERSEMBAHAN ... vii
DAFTAR KONTRIBUSI ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
ABSTRAKSI ... xvi BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Tujuan Penelitian ... 2 1.5 Manfaat Penelitian ... 2 1.6 Sistematika Penulisan ... 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1 Telaah Penelitian ... 4
2.2 Prinsip Dasar Inverter ... 5
2.2.1 Konversi DC ke AC 3 fasa (Inverter) ... 5
2.2.2 PWM (Pulse width Modulation) ... 7
2.2.3 PWM Untuk Tiga Fasa ... 8
2.2.4 Low Pass Filter ... 9
2.2.5 Rangkaian Penguat Sinusoidal ... 11
2.2.5.1 Umpan Balik Kolektor (Collector Feedback) ... 11
xi
2.2.6 Arduino ... 14
BAB III METODE PENELITIAN ... 16
3.1 Jadwal Penelitian ... 16
3.2 Tahapan Penelitian ... 17
3.2.1 Tahap Studi Literatur ... 17
3.2.2 Pengumpulan Data ... 17
3.2.3 Tahap Pengolahan Data ... 17
3.3 Alat Dan Bahan ... 18
3.4 Diagram Alir Penelitian ... 19
3.5 Blok Diagram Rancangan Inverter ... 20
3.6 Perancangan Inverter ... 20
3.6.1 Sumber Gelombang Bolak – Balik ... 20
3.6.2 Low Pass Filter ... 22
3.6.3 Penguat Sinusoidal (Amplifier) ... 24
3.6.4 Simulasi Umpan Balik Kolektor ... 26
3.6.5 Simulasi Pasangan Umpan balik ... 27
3.6.6 Arduino ... 29
3.6.7 Pemrograman ... 30
3.6.8 Flowchart Program ... 32
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 34
4.1 Pengujian Rangkaian Inverter ... 35
4.2 Sumber Gelombang Sinusoidal ... 35
4.2.1 Pengujian Gelombang PWM dengan Teknik Direct Digital Synthesis 35 4.2.2 Pengujian Gelombang PWM dengan Teknik Direct Digital Synthesis 35 4.2.3 Pengujian Gelombang PWM dengan Teknik Direct Digital Synthesis 36 4.3 Low Pass Filter ... 37
4.3.1 Pengujian Gelombang sinusoidal dari LPF pada output R ... 37
4.3.2 Pengujian Gelombang sinusoidal dari LPF pada output S ... 38
4.3.3 Pengujian Gelombang sinusoidal dari LPF pada output T ... 39
4.4 Penguat Sinusoidal (Amplifier) ... 40
xii
4.4.2 Pengujian keluaran dari penguat umpan balik kolektor pada titik S .... 41
4.4.3 Pengujian keluaran dari penguat umpan balik kolektor pada titik T .... 42
4.5 Transformator ... 42
4.5.1 Pengujian keluaran dari Transformator 1 A pada titik R-S ... 43
4.5.2 Pengujian keluaran dari Transformator 1 A pada titik R-T ... 43
4.5.3 Pengujian keluaran dari Transformator 1 A pada titik S-T ... 44
4.6 Pengujian tegangan keluaran dari Inverter ... 45
BAB V PENUTUP ... 50
5.1 Kesimpulan ... 50
5.2 Saran ... 51 DAFTAR PUSTAKA
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Rancangan project tugas akhir ... 16
Tabel 4.1 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-L tanpa beban ... 45
Tabel 4.2 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-N tanpa beban ... 46
Tabel 4.3 Pengujian arus keluaran dari inverter tanpa beban ... 46
Tabel 4.4 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-L beban 3 watt ... 46
Tabel 4.5 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-N beban 3 watt ... 46
Tabel 4.6 Pengujian arus keluaran dari inverter beban 3 watt ... 47
Tabel 4.7 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-L beban 5 watt ... 47
Tabel 4.8 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-N beban 5 watt ... 47
Tabel 4.9 Pengujian arus keluaran dari inverter beban 5 watt ... 47
Tabel 4.10 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-L beban 9 watt ... 48
Tabel 4.11 Pengujian tegangan keluaran dari inverter L-N beban 9 watt ... 48
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 full-bridge inverter ... 5
Gambar 2.2 output penyaklaran transistor ... 6
Gambar 2.3 Gelombang Hasil Modifikasi dengan PWM ... 6
Gambar 2.4 Sinyal PWM ... 7
Gambar 2.5 sinyal dasar dari sebuah sinusoidal ... 8
Gambar 2.6 sistem inverter 3 phase menggunakan saklar ... 9
Gambar 2.7 Sallen-Key low pass filter ... 10
Gambar 2.8 rangkaian bias umpan balik kolektor ... 11
Gambar 2.9 Grafik garis beban terhadap β ... 12
Gambar 2.10 (a) Transformasi Tegangan dan (b) Transformasi Arus ... 13
Gambar 2.11 simulasi transformator dengan input sinusoidal ... 13
Gambar 2.12 Input dan output dari transformator ... 14
Gambar 2.13 Bentuk Fisik Arduino UNO ... 15
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Tugas Akhir ... 19
Gambar 3.2 Blok diagram rancangan inverter ... 20
Gambar 3.3 frekuensi dasar PWM ... 21
Gambar 3.4 sinusoidal 50 Hz ... 22
Gambar 3.5 rangkaian low pass filter ... 23
Gambar 3.6 gelombang input dan output LPF ... 24
Gambar 3.7 rangkaian penguat sinusoidal ... 25
Gambar 3.8 Penguat umpan balik kolektor ... 26
Gambar 3.9 Output dan input dari umpan balik kolektor ... 27
Gambar 3.10 perbandingan input dan output penguat pasangan (cascade) ... 28
Gambar 3.11 mapping pin Arduino Uno ... 30
Gambar 3.12 gelombang sinusoidal dari Arduino Uno ... 31
Gambar 3.13 Diagram alir penelitian ... 32
Gambar 4.1 Inverter 3 fasa ... 34
Gambar 4.2 keluaran PWM_OUT1 pin 9 ... 35
Gambar 4.3 keluaran PWM_OUT1 pin 10 ... 36
xv
Gambar 4.5 keluaran LPF gelombang sinus R ... 37
Gambar 4.6 keluaran LPF gelombang sinus R-S ... 38
Gambar 4.7 keluaran LPF gelombang sinus S ... 38
Gambar 4.8 keluaran LPF gelombang sinus S-T ... 39
Gambar 4.9 keluaran LPF gelombang sinus T ... 39
Gambar 4.10 keluaran LPF gelombang sinus R-T ... 40
Gambar 4.11 keluaran penguat gelombang sinus R ... 41
Gambar 4.12 keluaran penguat gelombang sinus S ... 41
Gambar 4.13 keluaran penguat gelombang sinus T ... 42
Gambar 4.14 keluaran trafo gelombang sinus R-S ... 43
Gambar 4.15 keluaran trafo gelombang sinus R-T ... 44
Gambar 4.16 keluaran trafo gelombang sinus S-T ... 44
xvi ABSTRACT
Conversion tools DC to AC or commonly called the inverter is still needed and developed, the spotlight was the use for the home industry with constrained resources PLN to power a single phase so that when the home industry requires a source of 3 phase it will be very difficult to achieve. Therefore, it was designed inverter to convert from 12 volts to 220 volts of 3 phase with a frequency of 50 Hz with a sinusoidal waveform. This inverter serves as a good backup electric it y provider in the vehicle or at home, as emergency power when utility power outages home. Moreover in the future, DC to AC inverters will play an important role in changing the DC energy from renewable energy sources solar cells into AC electrical energy that is used in everyday life, especially for 3-phase loads. The use of direct digital synthesis techniques coupled with the low pass filter is expected to reduce losses of harmony. The system of direct digital synthesis utilizing the features of the Arduino is a clock timer and output compare registers (OCR). The output of this technique is capable of forming a pure sinusoidal waveform results from these techniques will be recycled with a low pass filter so that output really smooth pure sinusoidal. Because twice the processing is expected to create a reliable inverter design with a pure sinusoidal waveform (pure sinusoidal). The results of this circuit design capable of producing average phase to phase voltage of 100 volts and amperes 0.06 A with a voltage drop of 10% when burdened. Tests using LED lamp with a power of 3 watts, 5 watts and 9 watts has been done, the lights capable of burning and output voltage of 90 volts to 110 volts depending on the load that is placed.
xvii ABTRAKSI
Kebutuhan alat konversi DC ke AC atau biasa disebut dengan inverter sampai saat ini masih diperlukan dan dikembangkan, yang menjadi sorotan yaitu pemanfaatan untuk home industry yang terkendala sumber PLN dengan daya satu fasa sehingga apabila home industry tersebut memerlukan sumber 3 fasa maka akan sangat sulit tercapai. Oleh karena itu dirancanglah inverter untuk mengubah dari 12 volt ke 220 volt 3 fasa dengan frekuensi 50 Hz dengan bentuk gelombang sinusoidal. Inverter ini berfungsi sebagai penyedia listrik cadangan baik di kendaraan maupun di rumah, sebagai emergency power saat aliran listrik rumah padam. Selain itu dimasa mendatang, inverter DC ke AC akan memegang peranan penting dalam mengubah energi DC dari sumber energi terbarukan sel surya menjadi energi listrik AC yang digunakan sehari-hari terutama untuk beban 3 fasa. Pemakaian teknik direct digital synthesis ditambah dengan low pass filter diharapkan mampu mengurangi rugi – rugi harmonis. Sistem dari direct digital synthesis memanfaatkan fitur yang ada dalam Arduino yaitu clock timer dan output compare registers (OCR). Output dari teknik ini mampu membentuk gelombang sinusoidal murni hasil dari teknik ini akan diolah kembali dengan low pass filter sehingga output yang dihasilkan benar – benar halus yaitu sinusoidal murni. Karena dua kali pengolahan inilah diharapkan terciptanya desain inverter yang handal dengan bentuk gelombang sinusoidal murni (pure sinusoidal). Hasil dari desain rangkaian ini mampu menghasilkan rata – rata tegangan antar fasa 100 Volt dan ampere 0.06 A dengan drop tegangan 10% ketika terbebani. Pengujia n menggunakan lampu LED dengan daya 3 watt, 5 watt dan 9 watt telah dilakukan, lampu tersebut mampu menyala dan tegangan keluaran 90 volt sampai 110 volt tergantung beban yang dipasang.
