commit to user
SIMULASI GRID MIKRO PADA FOTOVOLTA DENGAN
BEBAN MOTOR INDUKSI
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
SATYAWAN SURYA WARDANA
NIM. I 1405028
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
v
SIMULASI GRID MIKRO PADA FOTOVOLTA DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI
Satyawan Surya Wardana
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasikan grid mikro dengan sumber tenaga dari fotovolta dengan beban motor induksi dan untuk mengetahui hubungan antara tegangan yang dihasilkan fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar motor induksi. Radiasi matahari sebagai masukan fotovolta diambil di Universitas Sebelas Maret Surakarta. Kapasitas beban untuk motor induksi menggunakan 3 HP dan 5 HP. Tegangan minimum yang mampu menggerakkan motor induksi 3 HP adalah 202,1 Volt yang dihasilkan oleh fotovolta 10 sel pada
radiasi 152 W/m2 dan menghasilkan torsi 11,79 Nm dengan kecepatan mesin 1090
RPM. Pada motor induksi 5 HP tegangan minimum untuk menggerakkan motor
sebesar 243,57 volt yang dihasilkan oleh fotovolta 17 sel pada radiasi 152 W/m2
dan menghasilkan torsi 1246 Nm dengan kecepatan mesin 1244 RPM. Dari hasil tersebut menunjukkan bahwa simulasi mikro-grid dengan fotovolta sebagai sumber yang terhubung ke beban motor induksi dapat dilakukan dengan perangkat lunak.
commit to user
vi
SIMULATION OF MICRO GRID BY USING PHOTOVOLTAIC FOR INDUCTION MOTOR LOAD
Satyawan Surya Wardana
Mechanical Engineering Sebelas Maret University of Surakarta
ABSTRACT
The aims of study are to simulate the micro grid by using photovoltaic as a source with induction motor as loads and to find out the relationship between the generated voltage from photovoltaic with torque and rotational speed in induction motors. Solar radiation was used as inputs photovoltaic are taken at the Sebelas Maret University Surakarta. The capacity of induction motor load capacity use are 3 HP and 5 HP. The minimum voltage that is able to drive the induction motor 3 HP is 202,1 volt which is produced by photovoltaic 10 cells at 152 W/m2 of radiation and produces of torque 11,79 Nm with engine speed of 1090 RPM. For the 5 HP induction motor, the minimum required voltage to run the motor is at 243,57 volt with is generated by photovoltaic 17 cells at 152 W/m2 of radiation and produces 12,46 Nm of torque with engine speed of 1244 RPM. The result showed that micro-grid simulation with photovoltaic as a source wich is connected to the induction motor load can be simulate well with the software.
commit to user
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Uraian Umum ... 16 4.1. Tegangan Listrik yang dihasilkan Fotovolta ... 30
commit to user
x
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Port simulink dan block parameter ... 20
Tabel 4.1. Tegangan listrik (Volt) yang dihasilkan fotovolta dari variasi jumlah
commit to user
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Cara kerja fotovolta ... 5
Gambar 2.2. Kurva I-V karakteristik fotovolta ... 6
Gambar 2.3. Rangkaian listrik fotovolta ... 7
Gambar 2.4. Model modul fotovolta... 8
Gambar 2.5. Motor induksi ... 9
Gambar 2.6. Stator ... 10
Gambar 2.7. Kaidah tangan kiri penentuan arah gaya lorentz ... 11
Gambar 2.8. Rotor lilitan ... 12
Gambar 2.9. Rotor sangkar ... 13
Gambar 2.10. Cara kerja PWM... 14
Gambar 2.11. Sinyal PWM ... 15
Gambar 3.1. rangkaian dalam satu modul fotovolta ... 19
Gambar 3.2. Source block parameters in ... 20
Gambar 3.3. Function block parameter insolation to current gain ... 20
Gambar 3.4. Function block parameter 1/Rp ... 20
Gambar 3.5. Function block parameter PN-junction characteristic ... 21
Gambar 3.6. Function block parameters algebraic constraint ... 21
Gambar 3.7. Function block parameters Ns ... 21
Gambar 3.8. Function block parameters constant ... 21
Gambar 3.9. Function block parameters insolation to current gain ... 22
Gambar 3.10. Satu modul fotovolta ... 22
Gambar 3.11. Function block parameter PV module. ... 23
Gambar 3.12. Mask editor parameters ... 23
Gambar 3.13. Mask editor initalization ... 24
Gambar 3.14. Rangkaian array fotovolta ... 25
Gambar 3.15. Rangkaian inverter ... 26
Gambar 3.16. Block parameters input inverter ... 27
Gambar 3.17. Rangkaian motor induksi ... 27
commit to user
xii
Gambar 3.19. Rangkaian grid mikro... 29
Gambar 4.1. Grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik
yang dihasilkan fotovolta ... 32
Gambar 4.2. Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan putaran mesin
yang dihasilkan motor induksi ... 33
Gambar 4.3. Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan torsi yang
commit to user
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Radiasi Matahari ... 39
commit to user
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Energi listrik merukan kebutuhan yang sangat penting dalam
kehidupan manusia, sehingga permintaan kebutuhan listrik terus meningkat.
Di Indonesia banyak daerah yang belum terjangkau oleh listrik, selain karena
daerahnya terpencil juga karena keterbatasan kemampuan Perusaan Listrik
Negara (PLN) yang terbatas (Rahardjo dkk, 2008). Untuk memenuhi
kebutuhan energi listrik didaerah yang terisolir dari listrik PLN salah satu
cara yang bisa dingunakan adalah dengan menggunakan grid mikro. Grid
mikro merupakan jaringan lokal yang mampu menghasilkan sumber tenaga
untuk mensuplai kebutuhan energi dari jaringan itu sendiri (Lynch, 2005).
Ada beberapa jenis grid mikro salah satunya adalah fotovolta sebagai sumber
energi dan motor induksi pemakai energinya.
Potensi energi matahari di Indonesia dapat dimanfaatkan sepanjang
hari, hal ini sangat menguntungkan untuk mengkonversi energi matahari
menjadi energi listrik dengan menggunakan fotovolta (Rahardjo dkk, 2008).
Menurut Ikbal (2008), selain efisiensi fotovolta yang relatif kecil, masalah
lain adalah energi listrik yang dihasilkan fotovolta berupa tegangan listrik
searah (tegangan DC) sehingga tidak bisa langsung dihubungkan ke jaringan
utility yang membutuhkan tegangan listrik bolak balik (tegangan AC). Oleh
karena itu untuk menghubungkan fotovolta ke jaringan utility yang memiliki
tegangan bolak balik (tegangan AC) dibutuhkan inverter. Inverter adalah alat
yang mampu mengubah tegangan listrik searah (tegangan DC) menjadi
tegangan listrik bolak balik (tegangan AC). Jaringan utility yang digunakan
sebagai beban fotovolta misalnya adalah motor induksi.
Motor induksi sebagai mesin penggerak dewasa ini semakin banyak
digunakan jika dibandingkan dengan jenis motor yang lain. Ini disebabkan
karena konstruksinya sederhana serta kokoh, harganya relatif murah, biaya
operasional rendah dan perawatannya mudah (Syukri, 2004). Ditinjau
commit to user
(squirrel cage induction motor) dan motor induksi rotor lilit (wound rotor
induction motor). Di industri banyak dipakai motor listrik jenis sangkar tupai
karena mempunyai banyak kelebihan dibanding dengan motor listrik jenis
lain. Kekurangannya arus start besar sekitar 3 sampai 5 kali dari arus nominal
dan putarannya relatif konstan atau sulit diatur (Yunus dan Suyamto, 2008).
Pada penulisan tugas akhir ini diharapkan dapat mengetahui gambaran
karakteristik fotovolta yang terhubung beban motor induksi dengan simulasi
menggunakan perangkat lunak (software).
1.2.Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas, rumusan masalah dalam penelitian ini
adalah:
1. Bagaimana mensimulasikan grid mikro pada fotovolta dengan beban
motor induksi menggunakan perangkat lunak (software).
2. Bagaimana grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan
listrik yang dihasilkan fotovolta, grafik hubungan antara tegangan
listrik yang dihasilkan oleh fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar
pada motor induksi.
1.3.Batasan Masalah
Untuk menentukan arah penelitian yang baik, ditentukan batasan
masalah sebagai berikut:
1. Data yang digunakan sebagai masukan (input) adalah radiasi matahari
(kWh/m2).
2. Keluaran (output) yang ingin dicapai adalah grafik hubungan variasi
radiasi matahari dengan tegangan listrik yang dihasilkan fotovolta,
grafik hubungan antara tegangan listrik yang dihasilkan oleh fotovolta
dengan torsi dan kecepatan putar pada motor induksi.
3. Penyusunan program dan analisa dilakukan dengan bantuan perangkat
commit to user
1.4.Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini yaitu :
1. Mensimulasikan grid mikro pada fotovolta dengan beban motor induksi
menggunakan perangkat lunak (software).
2. Mengetahui hubungan antara tegangan listrik yang dihasilkan oleh
fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar pada motor induksi.
1.5.Manfaat Penelitian
Beberapa manfaat penelitian ini adalah :
1. Memperkaya khasanah ilmu pengetahuan khususnya pada pengembangan
keilmuan tentang motor induksi, fotovolta serta perangkat lunak
(software).
2. Memberikan gambaran tentang pentingnya simulasi dalam rancang bangun
grid mikro yaitu fotovolta dengan beban motor induksi menggunakan
peragkat lunak (software).
1.6.Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
tujuan dan manfaat penelitian, perumusan masalah, batasan
masalah serta sistematika penulisan.
BAB II : Dasar Teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan
perkembangan fotovolta, motor induksi serta perangkat lunak
(software).
BAB III : Metodologi Penelitian, menjelaskan bahan dan peralatan yang
digunakan dalam simulasi, langkah-langkah simulasi
mengunakan perangkat lunak.
BAB IV : Data dan Analisa, menjelaskan data hasil simulasi serta analisa
hasil dari simulasi.
commit to user
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Grid mikro merupakan jaringan lokal yang mampu menghasilkan sumber
tenaga untuk mensuplai kebutuhan energi dari jaringan itu sendiri (Lynch, 2005).
Ada beberapa jenis grid mikro salah satunya adalah fotovolta sebagai sumber
energi dan motor induksi pemakai energinya.
2.2. Fotovolta
Fotovolta merupakan teknologi konversi energi dari radiasi matahari
menjadi energi listrik secara langsung (Sihana, 2006). Fotovolta menggunakan
proses konversi langsung dari cahaya matahari atau radiasi matahari menjadi
energi listrik.
Fotovolta terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi
bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya. Fotovolta pada
umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan
semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Fotovolta merupakan elemen
aktif (Semikonduktor) yang memanfaatkan efek fotovoltaik untuk merubah energi
surya menjadi energi listrik. Sinamo (2007), menyatakan bahwa pada fotovolta
terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan
semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis “P”
(positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif).
Susunan sebuah fotovolta , sama dengan sebuah dioda, terdiri dari dua
lapisan yang dinamakan PN juction. PN junction itu diperoleh dengan jalan
menodai sebatang bahan semikonduktor silikon murni (valensinya 4) dengan
impuriti yang bervalensi 3 pada bagian sebelah kiri, dan yang di sebelah kanan
dinodai dengan impuriti bervalensi 5. Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon
yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P, sedangkan yang sebelah
kanan dinamakan silikon jenis N. Di dalam silikon murni terdapat dua macam
commit to user
dinamakan hole, sedangkan yang negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan
proses penodaan itu, di dalam silikon jenis P terbentuk hole (pembawa muatan
listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya.
Oleh karena itu di dalam silikon jenis P hole merupakan pembawa muatan
mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan minoritas.
Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat
besar sehingga disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut pemba
muatan minoritas.
Gambar 2.1. Cara kerja fotovolta
Di dalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian N. Oleh
karena itu dinamakan PN junction. Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan
kutub positif dari sebuah batrei, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan
bagian N, maka terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias". Dalam keadaan
forward bias, di dalam rangkaian itu timbul arus listrik yang disebabkan oleh
kedua macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN
junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron.
Fotovolta pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang
dengan mengacu pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat
menghasilkan daya yang sebesar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan
commit to user
langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk
cincin, sebagai terminal keluaran positif. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis
N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif (Sinamo,
2007).
Besar energi listrik yang dihasilkan oleh modul fotovolta tergantung pada
intensitas radiasi matahari setempat dan kapasitas modul fotovolta itu sendiri.
Didalam perdagangan, kapasitas daya modul fotovolta dinyatakan pada kapasitas
puncaknya, yaitu besarnya daya yang mampu dibangkitkan modul fotovolta pada
keadaan standar uji (Standard Test Condition - STC). Dibawah ini adalah kurva
I-V karakteristik arus–tegangan fotovolta:
Gambar 2.2 kurva I-V karakteristik fotovolta
Gambar diatas menunjukkan kurva I-V yang merupakan karakteristik fotovolta.
tegangan listrik/ Voltage (Volt) adalah sumbu horizontal. Arus listrik/ current
(Ampere) adalah sumbu vertikal. Kebanyakan kurva I-V diberikan dalam Standar
Test Conditions (STC) pada radiasi 1000 watt per meter persegi (disebut satu
matahari puncak/ one peak sun hour) dan 25 derajat Celcius
(www.panelsurya.com). Kurva I-V terdiri dari 3 hal yang penting:
1. Maximum Power Point (Vmp dan Imp)
2. Open Circuit Voltage (Voc)
commit to user
2.2.1. Maximum Power Point (Vmp&Imp)
Pada kurva I-V, Maximum Power Point (Vmp dan Imp), adalah titik
operasi, dimana maksimum output yang dihasilkan oleh fotovolta panel saat
kondisi operasional. Dengan kata lain, Vmp dan Imp dapat diukur pada saat
modul fotovolta diberi beban pada 25 derajat Celcius dan radiasi 1000 watt per
meter persegi.
2.2.2. Open Circuit Voltage (Voc)
Open Circuit Voltage Voc, adalah kapasitas tegangan maksimum yang
dapat dicapai pada saat tidak adanya arus atau current.
2.2.3. Short Circuit Current (Isc)
Short Circuit Current Isc, adalah arus output maksimum dari fotovolta
panel yang dapat dikeluarkan pada saat kondisi tidak ada resistansi atau short
circuit.
2.2.4. Label Spesifikasi Fotovolta Panel
Semua nilai ditemukan pada kurva I-V digunakan untuk menciptakan label
yang spesifik untuk setiap modul fotovolta. Semua model ditera di bawah standar
kondisi tes. Standar modul fotovolta menggunakan data-sheet parameter sebagai
berikut:
2.2.5. Model rangkaian sel fotovolta dan persamaannya
commit to user
Berlaku hukum kirchoff arus (KCL)
岸
I蝨岸
Ǵ岸
ᥨǴ0
Karakteristik dioda
岸
岸
Ǵ Ǵ⁄1
Hukum kirchoff tegangan(KVL)
ᥨǴ 蝨5AA I
岸
ᥨǴBypass diode voltage
鎨mp II
岸
mp II岸
1
2.2.6. Implementasi software
Dari sumber www.coursehero.com, dari persamaan KCL, KVL dan
karakteristik dioda, dalam sofware dapat dibuat pemodelan sebagai berikut:
Gambar 2.4 Model modul fotovolta
commit to user
Rahardjo (2008), menyatakan bahwa tipe-tipe pemasangandalam fotovolta
dapat dibedakan menjadi:
a. Tipe stand-alone, dimana tipe ini biasanya digunakan untuk beban listrik
terisolasi atau di daerah terpencil, kapasitas kecil.
b. Tipe isolated grid, tipe ini biasanya digunakan untuk beban listrik besar
terisolasi dan terkonsentrasi, bisa dikombinasikan dengan sumber energi lain
dalam operasi hybrid.
c. Tipe grid connected, tipe ini digunakan pada daerah yang telah memiliki
sistem jaringan listrik komersial, dan sistem langsung output energi surya ke
dalam jaringan listrik.
2.3. Motor Induksi
Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan
menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan
sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang
berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar.
Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan
sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan
antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/ geseran” yang meningkat
dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk
menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut
dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor” (Yunus dan Suyamto, 2008),
commit to user
Yunus dan Suyamto (2008), menyebutkan bahwa konstruksi motor induksi
terdiri dari :
2.3.1. Stator, bagian yang diam.
Stator ini menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari
sebuah koil (elektromagnetik) atau magnet permanen. Bagian stator terdiri dari
bodi magnet yang melekat padanya. Untuk motor kecil, magnet tersebut adalah
magnet permanen, sedangkan untuk motor besar menggunakan elektromagnetik.
Konstruksi stator terdiri dari :
a. Rumah stator.
b. Inti stator.
c. Alur, alur merupakan tempat meletakan belitan.
d. Belitan stator
Gambar stator motor induksi dapat dilihat pada gambar 2.6 dibawah ini :
Gambar 2.6. Stator
2.3.2. Rotor, bagian yang berputar.
Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik mengalir. Suatu kumparan
motor akan berfungsi apabila mempunyai arah putaran kawat yang menentukan
arah putaran motor dapat ditentukan dengan menggunakan kaedah tangan kiri,
yang berbunyi ”apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub utara dan
selatan magnet, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara menembus
telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah keempat
jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu
commit to user
Gambar 2.7. Kaidah tangan kiri penentuan arah gaya lorentz
Arus listrik (i) yang dialirkan di dalam suatu medan magnet dengan
kerapatan Fluks (B) akan menghasilkan suatu gaya sebesar:
F = B x I x l (2.3)
Dimana :
F = Gaya lorentz
B = Kerapatan fluks
I = Arus Listrik
l = Konduktor
Untuk membalik arah putaran motor dapat dilakukan dengan membalik
arah arus jangkar. Misalkan mula-mula arah putaran ke kanan, untuk mengubah
arah putaran ke kiri dilakukan dengan membalik arah arus jangkar, atau pada
prinsipnya sama dengan membalik polaritas motor. Konstruksi rotor terdiri dari :
a. Inti rotor bahannya sama dengan inti stator.
b. Belitan rotor bahannya dari tembaga, dari konstruksi lilitan akan memberikan
dua macam rotor yakni :
- Motor induksi dengan rotor sangkar tupai
- Motor induksi dengan rotor lilitan
c. Alur dan gigi materialnya sama dengan inti, alur tempat meletakan belitan.
commit to user
Menurut Yunus dan Suyamto (2008), ditinjau rotornya motor induksi
dibagi menjadi dua yaitu motor induksi sangkar tupai (squirrel cage induction
motor) dan motor induksi rotor lilitan (wound rotor induction motor).
a. Rotor Lilitan
Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan belitan kumparan
tiga fasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor juga
mempunyai jumlah kutub yang sama. Rotor yang mempunyai tiga belitan
yang mirip dengan belitan stator. Ketiga belitan tersebut biasanya terhubung
bintang. Ujung-ujung belitan tersebut dihubungkan dengan slip ring yang
terdapat pada poros rotor. Belitan-belitan tersebut dihubungkan melalui sikat
(brush) yang menempel pada slip ring. Jenis rotor belitan dapat dilihat pada
gambar sebagai berikut:
Gambar 2.8. Rotor lilitan
b. Rotor Sangkar Tupai
Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan kumparan yang
terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga
menyerupai sangkar tupai. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang
penghantar yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor. Ujung-ujung
batang penghantar dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung
singkat. Jenis rotor sangkar dapat dilihat pada gambar berikut :
commit to user
2.3.3. Celah udara, adalah ruang antara stator dan rotor.
Rotor dan stator membentuk rangkaian magnetis, berbentuk silindris yang
simetris dan diantaranya terdapat celah udara. Celah udara antara stator dan rotor,
kalau terlalu luas maka effisiensi rendah, sebalikanya jika terlalu sempit
menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin, apabila ada beda perputaran maka
akan menimbulkan slip.
Menurut Yunus dan Suyamto (2008), motor induksi dapat diklasifikasikan
menjadi dua kelompok utama, yaitu sebagai berikut:
a. Motor induksi satu fase.
Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan
pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor sangkar tupai, dan memerlukan
sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan
jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga,
seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan
hingga 3 HP sampai 5 HP.
b. Motor induksi tiga fase.
Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang
seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi.
Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis motor
induksi tiga fase, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan
listrik , dan grinder. Motor induksi tiga fase tersedia dalam ukuran hingga
ratusan HP.
2.4. Inverter
Inverter adalah rangkaian elektronika yang biasa digunakan untuk
mengubah tegangan searah (tegangan DC) menjadi tegangan bolak-balik
(tegangan AC) dengan tegangan dan frekuensi keluaran dapat diatur sehingga
kecepatan motor induksi dapat dikendalikan dengan fleksibel. Ada beberapa jenis
inverter diantaranya adalah inverter PWM (Pulse Width Modulation). Menurut
Hasrudindan Bambang (2009), keuntungan operasi inverter PWM sebagai teknik
konversi dibanding dengan jenis-jenis inverter lainnya adalah rendahnya distorsi
commit to user
itu teknik PWM sangat praktis dan ekonomis untuk diterapkan berkat semakin
pesatnya perkembangan komponen semikonduktor (terutama komponen
elektronik yang mempunyai waktu penyaklaran sangat cepat).
Menurut Hasrudin dan Bambang (2009), pada motor induksi, inverter
PWM mempunyai kelebihan yaitu mampu menggerakkan motor induksi dengan
putaran halus dan rentang yang lebar. Selain itu apabila pembangkitan sinyal
PWM dilakukan secara digital akan dapat diperoleh unjuk kerja system yang
bagus.
Untuk mendapatkan sinyal PWM dari input berupa sinyal analog, dapat
dilakukan dengan membentuk gelombang gigi gergaji atau sinyal segitiga yang
diteruskan ke komparator bersama sinyal aslinya.
Gambar 2.10. Cara kerja PWM
Jika digambarkan dalam bentuk sinyal, maka terlihat seperti dibawah ini :
commit to user
Dimana sinyal input analog (berwarna hijau) dimodulasikan dengan sinyal
gigi gergaji (berwarna biru), sehingga didapatkan sinyal PWM seperti gambar
commit to user
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Uraian Umum
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi
eksperimental. Kegiatan dalam penelitian ini meliputi simulasi pembuatan
grid mikro dengan sumber tenaga dari fotovolta dendan beban motor induksi
dengan menggunakan perangkat lunak (software).
3.2 Waktu Dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Agustus 2010 di Laboratorium
produksi dan Laboratorium Listrik & Elektronika Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.3 Alat Dan Bahan
Alat dan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Perangkat lunak (software) yang digunakan untuk melakukan simulasi.
b. Tabel data Radiasi Matahari.
c. Separangkat personal computer (PC).
Komputer yang digunkan dengan spesifikasi sebagai berikut :
- Prosesor Core duo 1,8 Ghz.
- Memori 1Gb.
- Hardisk 80 Gb.
3.4 Tahapan dan Alur Penelitian
1. Tahap I
Tahap persiapan. Dalam tahap ini semua bahan dan peralatan
dipersiapkan semua agar penelitian dapat berjalan dengan lancar.
2. Tahap II
Pengumpulan data awal. Setelah data awal didapatkan maka
commit to user
yang berupa variasi radiasi matahari, variasi jumlah modul pada fotovolta,
horse power pada motor induksi.
3. Tahap III
Melakukan pemodelan fotovolta, motor induksi dan inverter dengan
perangkat lunak (software), kemudian merangkainya menjadi sebuah
sistem grid mikro yang terintegrasi satu sama lain.
4. Tahap IV
Melakukan simulasi, simulasi yang dilakukan adalah dengan
memasukan variabel dari data awal. Data radiasi matahari sebagai
masukan (input) fotovolta dan menvariasikan jumlah modul pada fotovolta
dan kan menghasilkan keluaran (output) berupa tegangan listrik (volt).
Data keluaran (output) pada fotovolta dijadikan data input untuk
motor induksi. Data variasi kapasitas (horse power) motor induksi sebagai
beban pada fotovolta dan akan menghasilkan keluaran (output) berupa
putaran mesin (RPM) dan torsi (Nm).
5. Tahap V
Mengambil data hasil simulasi. Mengambil data dari simulasi yang
telah dilakukan untuk kemudian melakukan pengolahan data.
6. Tahap VI
Tahap pengambilan kesimpulan. Data yang telah dianalisa dibuat
commit to user
3.5 Diagram Alir Penelitian
Mulai
Persiapan alat dan bahan
Parameter Input Software
Menentukan:
a. Variasi radiasi matahari
b. Variasi jumlah modul pada fotovolta
c. Penbebanan Horse Power motor
induksi.
Menentukan desain pemodelan
Pembuatan desain grid mikro pada software:
a. Membuat pemodelan
- Fotovolta - Motor induksi - Inverter
b. Merangkai pemodelan yang telah dibuat
Running pemodelan
dengan software
Mengukur:
a. Tegangan output pada fotovolta
(Volt)
b. Putaran mesin (RPM) dan torsi (Nm)
pada motor induksi
commit to user
3.6. Cara Kerja
3.6.1. Pemodelan Fotovolta
Untuk dapat mensimulasikan fotovolta menggunakan perangkat lunak
(software), terlebih dahulu kita harus membuat pemodelan dari fotovolta tersebut.
Proses dalam pemodelan fotovolta menggunakan perangkat lunak (software)
adalah sebagai berikut:
1. Membuka perangkat lunak (software).
2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.
3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.
4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai
gambarl 3.1. rangkaian dalam satu modul fotovolta.
Gambar 3.1. Rangkaian dalam satu modul fotovolta
Pada gambar 3.1 rangkaian dalam satu modul fotovolta merupakan
modifikasi/ penyederhanaan dari gambar 2.4 model modul fotovolta.
Penyederhanaan dilakukan karena output yang ingin dicapai oleh pemodelan
fotovolta adalah tegangan (Vpv). Pengurangan yang dilakukan berupa input
arus input fotovolta (Ipv), cell series resistance (Rs), By-pass dioda, MinMax,
Constant diode, Switch,dan daya output fotovolta (Ppv).
commit to user
Tabel 3.1 Port Simulink dan Blok Parameter
Port Simulink Block Parameter
Input
Gambar 3.2. Source block parameters in
Insolation to current gain
Gambar 3.3. Function block parameter insolation to current gain
1/Rp
Gambar 3.4. Function block parameter 1/Rp
1/Rp
1/Rp G Insolation to current gain
1
commit to user
PN-junction characteristic
Io*(exp(u/Vt)-1)
Gambar 3.5. function block parameter PN-junction characteristic
Algebraic Constraint
Gambar 3.5. Function block parameters algebraic constraint
Ns
Gambar 3.6. Function block parameters Ns
Constant
commit to user
Sum
Gambar 3.9. Function block parameters insolation to current gain
5. Setelah semua port simuling terangkai seperti gambar 3.1. Rangkaian dalam
satu modul fotovolta kemudian blok semua icon tersebut selanjutnya klik
tombol kiri pada mouse pilih create Subsystem, dan akan muncul gambar
icon baru seperti gambar 3.10. Satu modul fotovoltadibawah ini yang berupa
fotovolta satu modul. Insolation merupakan parameter input dari fotovolta
yang berupa radiasi matahari. Vpv merupakan output dari fotovolta yang
berupa hasil dari konversi radiasi matahari menjadi tegangan listrik.
Gambar 3.10. Satu modul fotovolta
6. Klik pada icon PV module selanjutnya akan muncul function block
parameters PV module seperti pada gambar 3.12. Selanjutnya adalah
menuliskan parameter input dari fotovolta yang berupa:
- Voc : 22.2 V
- Vmp (VR) : 17.2 V
- Isc : 5.45 A
- Imp (IR) : 4.95 A
Insolation Vpv
commit to user
Gambar 3.11. function block parameters PV module
7. Klik kanan Edit Mask, klik pada Parameters kemudian mensettingnya sesuai
gambar 3.2. Mask editor parameters berikut:
commit to user
8. Edit Mask (klik kanan atau edit menu), klik pada Initialization kemudian tulis
program sesuai model parameters Io, Rs, Rp seperti dibawah ini.
Gambar 3.13. Mask editor initalization
9. Setelah semua sesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK”
10. merangkai fotovolta yang telah selesai dibuat menjadi fotovolta multi modul
yaitu dengan rangkaian beberapa modul fotovolta dengan rangkaian seperti
commit to user
Gambar 3.14. Rangkaian array fotovolta
Input merupakan masukan bagi insolation, pada constat value lah nilai
dari radiasi matahari dituliskan. Setelah input radiasi matahari dimasukkan
selanjutnya klik icon “start simulation”, hasil dari konversi radiasi matahari
menjadi tegangan listrik dapat kita lihat pada nilai tegangan.
Pada simulasi fotovolta menggunakan variasi yang berupa jumlah
modul dan variasi radiasi matahari. Variasi radiasi matahari aktual diambil di
Universitas Sebelas Maret Surakarta pada hari sabtu, tanggal 22 Mei 2004
(tugas akhir bambang setiyawan). Input radiasi matahari dapat kita lihat pada
lampiran bagin lampiran 1.Data radiasi matahari.
commit to user
3.6.2. Pemodelan Inverter
Pada pemodelan motor induksi membutuhkan energi listrik dari fotovolta
untuk dapat menghasilkan torsi dan putaran mesin. Untuk menggerakkan motor
induksi dibutuhkan arus listrik bolak balik (AC), tetapi karena energi listrik yang
dihasilkan oleh fotovolta berupa tegangan searah (DC) maka dibutuhkan inverter.
Proses dalam pemodelan inverter menggunakan perangkat lunak (software) adalah
sebagai berikut:
1. Membuka perangkat lunak (software).
2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.
3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.
4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai
gambar berikut:
Gambar 3.15. Rangkaian inverter
Pada rangkaian inverter parameter input yang berupa +, −, dan g. Parameter
input + dan – merupakan bagian yang menerima listrik searah dari sumber
listrik searah (DC). Parameter “g” merupakan gate bagian dari inverter untuk
input referensi mengatur kecepatan motor induksi. Sedangkan untuk output
berupa huruf A, B, C yang merupakan listrik tiga fasa hasil dari konversi
listrik searah dari sumber listrik searah (DC).
commit to user
Gambar 3.16. Block parameters input inverter
Step time, dalam detik, ketika output bergerak dari initial value parameter
menuju final value parameter. Step time ditentukan 1 detik. Initial value,
merupakan output saat simulasi berjalan 0 sampai 1 detik. Final value,
merupakan output saat simulasi berjalan setelah 1 detik.
5. Setelah semua selesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK”.
3.6.3. Pemodelan Motor Induksi
Proses dalam pemodelan motor induksi menggunakan perangkat lunak
(software) adalah sebagai berikut:
1. Membuka perangkat lunak (software).
2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.
3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.
4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai
gambar berikut:
commit to user
Gambar 3.18. Block parameters motor induksi
Tm adalah input beban motor induksi, apabila nilai Tm negatif maka
Asynchronous Machine tersebut menjadi generator, apabila nilainya positif
maka mesin tersebut menjadi motor. Icon A, B, C merupakan input/masukan
listrik tiga fasa bagi motor induksi yang berasal dari inverter. m
(measurement) merupakan bagian untuk pengukuran output motor induksi.
Output motor induksi yang diukur berupa kecepatan putar rotor (rotor speed)
dan torsi motor induksi (torque).
5. Setelah semua selesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK”.
Setelah pemodelan fotovolta, inverter dan motor induksi selesai dibuat,
maka selanjutnya adalah mengabungkan ketiga komponen tersebut menjadi satu
kesatuan rangkain grid mikro. Rangkaian grid mikro menggunakan input radiasi
matahari dan dengan variasi yang berupa jumlah modul fotovolta. Untuk
rangkaian grid mikro dari fotovolta, motor induksi dan inverter PWM bisa dilihat
commit to user
BAB IV
DATA DAN ANALISA
4.1. Tegangan Listrik Yang Dihasilkan Oleh Fotovolta
Dari hasil penelitian pada simulasi fotovolta menggunakan perangkat lunak
dapat disusun grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik
yang dihasilkan fotovolta. Nilai tegangan listrik (volt) yang dihasilkan oleh
fotovolta dengan variasi radiasi matahari (W/m2) dan variasi jumlah modul dapat
kita lihat pada pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Tegangan listrik (Volt) yang dihasilkan fotovolta dari variasi jumlah
modul dan radiasi matahari (W/m2)
commit to user
menghasilkan tegangan 430,6 Volt.
Gambar 4.1.Grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan
listrik yang dihasilkan fotovolta
Variasi radiasi matahari pada jumlah modul fotovolta yang sama
menghasilkan tegangan listrik yang berbeda-beda. Dari Gambar 4.3. Grafik
hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik yang dihasilkan
fotovolta dapat kita lihat bahwa, semakin besar nilai radiasi matahari, maka
semakin besar pula nilai tegangan listrik yang dihasilkan oleh fotovolta.
commit to user
Demikian juga dengan jumlah modul pada fotovolta, semakin banyak modul
yang dipakai dalam fotovolta, pada radiasi yang sama akan menghasilkan
tegangan listrik yang lebih besar juga.
4.2. Torsi dan Putaran Mesin Motor Induksi
Dari hasil penelitian, tegangan listrik fotovolta hasil konversi radiasi
matahari menjadi tegangan listrik, akan digunakan sebagai sumber tenaga
untuk menggerakkan motor induksi sehingga menghasilkan torsi dan putaran
mesin motor induksi.
4.2.1.Putaran Mesin Motor Induksi
Gambar 4.2.Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan putaran mesin
yang dihasilkan motor induksi
Variasi tegangan listrik sebagai penyuplai motor induksi menghasilkan
putaran mesin yang berbeda-beda. Dari simulasi yang telah dilakukan
semakin besar tegangan listrik, maka semakin besar pula putaran mesin yang
dihasilkan. Tegangan listrik terkecil yang mampu untuk menggerakkan motor
commit to user
induksi 3 HP adalah 202,1 volt yang dihasilkan oleh fotovolta 10 modul pada
radiasi 152 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1090 RPM. Sedangkan pada
tegangan listik terbesar 430,6 volt yaitu pada fotovolta 20 modul pada radiasi
508 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1312 RPM.
Tegangan listrik terkecil yang mampu untuk menggerakkan motor
induksi 5 HP adalah 243,57 volt yang dihasilkan oleh fotovolta 17 modul
pada radiasi 152 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1244 RPM. Sedangkan
pada tegangan listik terbesar 430,6 volt yaitu pada fotovolta 20 modul pada
radiasi 508 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1292 RPM.
4.2.2.Torsi Motor Induksi
Gambar 4.3.Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan torsi yang
dihasilkan motor induksi
Variasi tegangan listrik sebagai penyuplai motor induksi menghasilkan
torsi dan putaran mesin yang berbeda-beda. Dari simulasi yang telah
dilakukan semakin besar tegangan listrik, maka semakin besar putaran mesin
tetapi torsi yang dihasilkan semakin kecil. Tegangan listrik terkecil yang
commit to user
mampu untuk menggerakkan motor induksi 3 HP adalah 202,1 Volt yang
dihasilkan oleh fotovolta 10 modul pada radiasi 152 W/m2 menghasilkan torsi
11,79 Nm. Sedangkan pada tegangan listik terbesar 430,6 volt yaitu pada
fotovolta 20 modul pada radiasi 508 W/m2 menghasilkan torsi 11,08 Nm.
Tegangan listrik terkecil yang mampu untuk menggerakkan motor
induksi 5 HP adalah 243,57 volt yang dihasilkan oleh fotovolta 17 modul
pada radiasi 152 W/m2 menghasilkan torsi 12,46 Nm. Sedangkan pada
tegangan listik terbesar 430,6 volt yaitu pada fotovolta 20 modul pada radiasi
commit to user
35
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian dan pembahasan pemodelan grid mikro dengan
sumber fotovolta dengan beban motor induksi menggunakan perangkat
lunak dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Tegangan listrik terkecil yang mampu untuk menggerakkan motor
induksi 3 HP adalah 202,1 Volt yang dihasilkan oleh fotovolta 10
modul pada radiasi 152 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1090 RPM
dan menghasilkan torsi 11,79 Nm. Sedangkan untuk motor induksi 5
HP adalah 243,57 Volt yang dihasilkan oleh fotovolta 17 modul pada
radiasi 152 W/m2 menghasilkan putaran mesin 1244 RPM dan torsi
12,46 Nm, menunjukkan bahwa simulasi grid mikro pada fotovolta
dengan beban motor induksi bisa dilakukan dengan bantuan perangkat
lunak.
2. Grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik yang
dihasilkan fotovolta menunjukkan semakin besar nilai radiasi matahari
dan jumlah modul pada fotovolta maka semakin besar pula nilai
tegangan listrik yang dihasilkan. Grafik hubungan variasi tegangan
listrik dengan torsi dan grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan
putaran mesin yang dihasilkan motor induksi menunjukkan semakin
besar tegangan listrik yang dihasilkan fotovolta, maka akan semakin
besar putaran mesin yang dihasilkan oleh motor induksi.
5.2. Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengembangkan
metode simulasi grid mikro pada fotovolta dengan beban motor induksi
