Abstrak—Artikel ini mengusulkan sebuah rancangan inverter satu fasa yang akan di rancang untuk mengubah tegangan sumber 12 Vdc agar dapat menghasilkan tegangan keluaran sinusoidal 220Vac 50Hz. Inverter ini di desain untuk mengkonversikan tegangan Direct Current (DC) yang dihasilkan oleh baterai penyimpanan yang berasal dari produk K-POWERS menjadi tegangan Alternating Current (AC) yang akan diaplikasikan untuk menggantikan peran PLN sebagai emergency power pada saat terjadinya pemadaman atau gangguan dari PLN saat sedang tidak dapat mengaliri listrik. Dalam perancangannya, inverter didesain dengan menggunakan 2 stage atau 2 langkah, yaitu Switching High Frequency (SHF) sebagai sistem untuk menaikkan tegangan masukan dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) sebagai sistem penghasil sinyal keluaran berupa pure sine wave atau gelombang sinus murni. Selanjutnya, kedua langkah tersebut memiliki drivernya masing-masing. Pada stage 1 (SHF), driver sistem pensaklaran menggunakan Arduino Pro Mini kemudian pada stage 2 (SPWM) menggunakan modul EGS002 sebagai drivernya. Dalam pengujiannya inverter akan menghubungkan baterai dari produk K-POWERS terhadap beban, seperti charger handphone, lampu pijar, kipas angin, dan solder. Hasil dari implementasi inverter yang telah didesain bekerja dengan baik dan parameter nilai yang diukur mendekati hasil nilai set poin yang diinginkan pada bagian bagian yang telah dirancang.
Keywords—Inverter DC-DC-AC, SHF, SPWM, Arduino
I. PENDAHULUAN
Kebutuhan akan energi yang terus meningkat dengan seiring perkembangan zaman dan teknologi, serta
semakin menipisnya cadangan minyak bumi,
menyebabkan manusia untuk terus menciptakan dan mencari sumber energi terbarukan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik. Konsumsi kebutuhan sumber energi listrik di dunia pada umumnya terus meningkat seiring bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi, dan penggunaan pola konsumsi yang terus meningkat [1]. Energi terbarukan dapat diartikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam, diantaranya meliputi
energi angin, energi matahari, serta energi air. Dalam pemanfaatannya, dalam skala kecil energi tersebut dapat menghasilkan listrik yang dapat disimpan ke dalam suatu penyimpanan seperti baterai. Energi listrik yang tersimpan didalam baterai tersebut dapat digunakan sebagai sumber energi listrik alternatif untuk memenuhi kebutuhan perangkat elektronika manusia saat terjadinya pemadaman atau gangguan dari jaringan PLN yang menjadi sumber listrik utama saat ini.
Pada umumnya sumber energi listrik yang digunakan saat ini adalah sumber listrik tegangan arus bolak balik sedangkan baterai memiliki tegangan arus searah ,sehingga diperlukan suatu alat yang dapat mengkonversinya [2]. Inverter akan dimanfaatkan untuk mengkonversi tegangan penyimpanan yang terdapat pada baterai menjadi keluaran tegangan arus bolak balik yang dapat dimanfaatkan sebagai
emergency power pada saat terjadinya pemadaman atau gangguan dari PLN saat sedang tidak dapat mengaliri listrik . Inverter yang akan di rancang pada jurnal ini adalah inverter pure sine wave dengan dua langkah konversi yaitu konversi tegangan rendah 12VDC menjadi tegangan tinggi 380VDC (DC-DC) dengan metode Switching High Frequency (SHF) dan konversi tegangan tinggi 380VDC menjadi tegangan sinusoidal murni 220VAC 50Hz (DC-AC) dengan metode Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Pada perancangan ini inverter pure sine wave yang akan diimplementasikan diharapkan dapat menyalakan beban linier dan beban non-linier.
II. LANDASAN TEORI A. Inverter
Rangkaian inverter terdiri dari tiga bagian, bagian pertama adalah sebuah rangkaian yang terbentuk dari rangkaian konverter yang mengubah sumber tegangan bolakbalik jala-jala menjadi tegangan searah dan menghilangkan riak pada keluaran tegangan searah ini. Bagian kedua adalah rangkaian inverter yang mengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik satu fasa dengan frekuensi beragam. Kedua rangkaian ini disebut rangkaian utama. Bagian yang ketiga adalah sebuah rangkaian kontrol berfungsi sebagai pengendali rangkaian utama. Gabungan keseluruhan rangkaian ini disebut unit inverter [3].
Inverter pada umumnya dapat mengkonversi tegangan arus searah menjadi tegangan arus bolak
Desain dan Implementasi Inverter DC-AC Satu Fasa dengan Metode
Switching High Frequency
dan
Sinusoidal Pulse Width Modulation
Muhammad Bhakti Prayoga1, Arief Syaichu Rohman2, Denny Hidayat Tri Nugroho3 1,2,3 Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Sumatera, Lampung
balik dengan beberapa keluaran bentuk gelombang yaitu berupa gelombang kotak, gelombang kotak
modifikasi, dan gelombang sinusoidal murni.
Gelombang kotak atau bisa disebut square sine wave inverter yaitu pada jenis ini tegangan luarannya berbentuk kotak yang simeteri terhadap ground. Bentuk ini sangat tidak cocok untuk beban-beban yang bersifat induktif semisal mesin-mesin listrik. Kemudian gelombang kotak modifikasi modified sine wave inverter yaitu pada jenis ini tegangan luarannya berbentuk kotak yang telah dimodifikasi, dimana antara bagian tegangan kotak positip dan kotak negatip diberi jeda waktu tertentu. Bentuk luaran ini sudah bisa digunakan pada beban induktif/ kumparan tetapi dengan kerugian daya yang besar. Setelah itu yang terakhir adalah gelombang sinusoidal murni atau pure sine wave inverter yaitu pada jenis ini tegangan luarannya berbentuk Sinusoida murni seperti yang dihasilkan oleh tegangan jala-jala PLN. [4]
Gambar 1 Bentuk-bentuk gelombang keluaran inverter [4]
B. Metode Switching High Frequency
Metode Switching High Frequency (SHF) adalah sebuah metode pensaklaran pada suatu rangkaian elektronika dengan frekuensi tinggi yang dapat dikendalikan. Salah satu implentasi dari metode SHF diantaranya yaitu DC-DC konverter. DC-DC konverter terdiri dari beberapa macam, diantaranya adalah buck converter, boost converter, dan gabungan dari
keduanya yaitu buck boost converter. Pada
perancangan inventer pada jurnal ini, rangkaian yang digunakan adalah DC-DC boost converter untuk menaikkan tegangan rendah ke tegangan tinggi. Dalam perancangannya DC-DC ini menggunakan prinsip kerja push pull. Prinsip kerja dari rangkaian push pull
adalah melakukan pensaklaran dengan cara membuka dan menutup saklar yang akan mengaliri aliran arus listrik tegangan rendah menuju trafo secara bergantian
sehingga menghasilkan tegangan tinggi. DC-DC boost converter juga merupakan konverter yang digunakan untuk memberikan tegangan keluaran yang lebih tinggi dari tegangan masukkan yang lebih rendah dengan dikendalikan oleh sinyal kontrol berupa sinyal Pulse Width Modulation (PWM) [5]. Tegangan keluaran dari rangkaian SHF dapat bernilai tetap ataupun berubah-ubah tergantung variabel tegangan masukan DC [6]. Oleh karena itu, rangkaian ini menghasilkan tegangan AC yang besar amplitudanya tergantung pada masukan tegangan DC dan rasio belitan trafo dengan frekuensi tinggi [7].
Berdasarkan Gambar 2, dengan menutup S2 dan membiarkan S1 terbuka, maka arus yang mengalir ke trafo adalah I2. Sedangkan dengan menutup S1 dan membiarkan S2 terbuka, maka arus yang mengalir ke trafo adalah I1.
Gambar 2 Prinsip Kerja Rangkaian Push Pull
Dengan melakukan cara tersebut berulang ulang, maka akan terjadi pensaklaran secara bergantian yang akan menghasilkan tegangan tinggi bolak balik pada keluaran trafo step up. Untuk melakukan pensaklaran agar dapat mengubah tegangan 12VDC menjadi 380VDC, maka dibutuhkan komponen sebagai berikut.
1) Driver Switching
Untuk melakukan pensaklaran pada rangkaian,
maka dibutuhkan driver switching sebagai
pengendali pensaklaran untuk mengatur arus yang masuk ke trafo secara bergantian melalui S1 dan S2.
Driver Switching yang digunakan adalah Arduino Pro Mini. Arduino didefinisikan sebagai sebuah platform electronic open source, berbasis pada
software dan hardware yang fleksibel dan mudah digunakan. Nama Arduino juga tidak hanya dipakai untuk menamai board rangkaiannya saja, tetapi juga
untuk menamai bahasa dan software
pemrogramannya atau IDE [8]. Kemudian dalam
melakukan pensaklaran, driver membutuhkan
rangkaian gate driver sebagai jembatan penghubung terhadap saklar. Komponen yang digunakan adalah ICL293D. IC akan berfungsi sebagai jembatan
penghubung antara mikrokontroler terhadap
MOSFET yang akan di drive. IC tersebut akan mengubah tegangan keluaran switching yang berasal dari mikrokontroler supaya menjadi lebih besar untuk menaikan tegangan VGS pada MOSFET untuk dapat melakukan switching.
2) KomponenSwitching
Komponen yang digunakan untuk pensaklaran sebagai S1 dan S2 adalah MOSFET. MOSFET adalah kependekan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor yang merupakan jenis
transistor yang menjadi komponen inti dari sebuah IC (Integrated Circuit). MOSFET atau Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor juga merupakan sebuah perangkat semikonduktor yang secara luas di gunakan sebagai switch dan sebagai penguat sinyal pada perangkat elektronik. MOSFET memiliki empat gerbang terminal atau elektroda antara lain yaitu terminal Source (S), Gate (G), Drain
(D) dan Body (B). Terminal atau Elektroda Gerbang
MOSFET adalah sepotong logam yang
permukaannya dioksidasi. Lapisan oksidasi ini berfungsi untuk menghambat aliran listrik antara Terminal Gerbang (Gate) dengan Salurannya (Source - Drain). Oleh karena itu, MOSFET sering juga disebut dengan nama Insulated-Gate FET
(IGFET).
Dengan menggunakan MOSFET sebagai saklar, maka rangkaian elektronik tersebut akan terhubung dengan semua jenis gerbang logika (Logic Gate). Selain itu, MOSFET mampu mengendalikan beban arus yang tinggi dan biayanya relatif lebih murah dibandingkan transistor bipolar. Jika ingin membuat MOSFET sebagai saklar, maka kita hanya harus mengkonfigurasinya dalam kondisi saturasi (ON) dan cut-off (OFF). [9]
3) Transformer
Transformator atau transformer merupakan satu-satunya alat yang dapat dipergunakan untuk menaikkan tegangan (step-up) dan menurunkan tegangan (step-down). Prinsip kerja dari alat ini sepenuhnya menggunakan peristiwa induksi. Gaya gerak listrik (ggl) dapat dibangkitkan di dalam sebuah kumparan, jika kumparan pembawa arus ditempatkan di dekatnya. Peristiwa ini dinamakan induksi timbal balik. Terjadinya induksi timbal balik disebabkan oleh adanya perubahan medan magnit.
Bila saklar dihubungkan, kumparan pembawa arus sebagai kumparan primer segera menginduksi diri lewat medan maknit yang terbentuk. Selanjutnya arus induksi tersebut diterima oleh kumparan penerima arus induksi sebagai kumparan sekunder. [10]
Transformator yang digunakan pada rangkaian SHF ini adalah transformator inti ferit yang bekerja pada frekuensi tinggi. Transformator ferit yang digunakan adalah transformator dengan tipe EE42 dengan spesifikasi input lilitan primer CT 12-0-12 ( 0-3 lilitan) dan output lilitan skunder dengan variasi 220V (0-55 lilit), 380V (0-95 lilit), dan 18V (0-5 lilitan). Transformator EE42 dipilih karena spesifikasi yang sesuai dengan rancangan rangkaian SHF yaitu menaikkan tegangan 12V ke 380V. Untuk mendapatkan tegangan output yang tepat digunakan rumus pada persamaan (1) [11]. Sedangkan untuk menentukan perioda switching yang digunakan adalah dengan menggunakan persamaan (2) dan 3[12].
𝑉
𝑜= 2 × 𝑉
𝑆×
𝑁𝑆 𝑁𝑝× 𝐷
...(1)
𝑁
𝑝=
𝑉𝑖𝑛 ×108 4×𝑓𝑠𝑤𝑖𝑡𝑐ℎ ×𝐵𝑚𝑎𝑥 ×𝐴𝐶...(2)
4) RectifierRectifier adalah rangkaian penyearah, rangkaian ini akan menyearahkan tegangan bolak balik AC menjadi teganan searah DC. Komponen utama didalam rangkaian ini adalah dioda jembatan penuh /
full bridge sebagai penyearah dan kapasitor sebagai filter. Dioda yang digunakan pada rangkaian rectifier
adalah fast recovery diode yaitu dioda yang digunakan untuk fast switching atau pensaklaran
frekuensi tinggi, sedangkan kapasitor yang
digunakan sebagai filter adalah kapasitor tegangan tinggi pada range 400V.
5) Rangkai an Feedback Output
Rangkaian ini adalah rangkaian yang terhubung ke output 380VDC pada rangkaian rectifier, rangkaian ini adalah rangkain pembagi tegangan untuk
memberikan umpan balik terhadap driver
pensaklaran supaya dapat mempertahankan tegangan output stabil pada 380VDC. Berikut adalah bentuk rangkaian dan persamaan yang digunakan.
𝑅𝑃= 𝑅15//𝑅16= 𝑅15 × 𝑅16 𝑅15 + 𝑅16
...(3)
𝑉
𝑓𝑏=
𝑅𝑝 𝑅14 + 𝑅𝑝× 380𝑉
...(4)
Gambar 3 Rangkaian Pembagi Tegangan
Berdasarkan Gambar 3 didapatkan persamaan (3) dan (4) untuk mendapatkan nilai tegangan umpan balik sebagai set point pada mikrokontroler supaya tegangan keluaran rectifier tetap pada set poin tegangan 380VDC.
C. Metode Sinusoidal Pulse Width Modulation
Sinusoidal Pulse-Width Modulation (SPWM) adalah salah satu teknik pensaklaran yang menghasilkan
bentuk gelombang keluaran inverter dengan
karakteristik mendekati sinusoidal. [13] Secara umum PWM adalah sebuah cara untuk memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda untuk mendapatkan tegangan rata rata yang
berbeda [14]. Prinsip yang digunakan adalah dengan menggunakan rangkaian full bridge, yaitu rangkaian dasar untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Tegangan keluaran AC dapat dikendalikan dengan mengatur urutan pengaktifan saklar dan pemutusan saklar yang mendapatkan sumber tegangan DC. Tegangan keluaran pada rangkaian tersebut dapat berupa +Vdc, -Vdc, atau 0V tergantung pada pengaktifan saklar.
Berdasarkan Gambar 4 untuk S1 dan S4 tidak diharuskantertutup secara bersamaan, demikian juga S2dan S3 karena akan berakibat hubungsingkat pada sumber DC. Pada kenyataanyasaklar yang sebenarnya tidak dapatdihidupkan dan dimatikan secara seketika. Oleh karenanya, waktu transisi pensaklaran harus diperhitungkan dalam pengendaliansaklarnya. Setiap kali terjadi overlap pada saklar konduksi akan
mengakibatkan hubung singkat pada rangkaian,
kadang-kadang disebut juga dengan gangguan
"shootthrough" pada tegangan sumber DC. Untuk membuat rangkaian H-bridge, komponen yang akan digunakan adalah sebagai berikut.
Gambar 4 Rangkaian H-bridge
1) Driver Switching
Pengendali pensaklaran yang digunakan untuk mengendalikan S1, S2, S3, dan S4 pada rangkaian
full bridge pada Gambar 8 yaitu menggunakan driver dengan modul EGS002. EGS002 adalah modul driver khusus untuk inverter sinusoidal satu fasa. Modul ini menggunakan IC EG8010 sebagai kontrol utama dan IC IR2113S sebagai jembatan kontrol utama terhadap saklar. Modul ini terintegrasi fungsi proteksi tegangan, arus, dan temperatur dengan indikator led dan kontrol kipas. Modul EGS002 juga mengintegrasikan logika pencegahan konduksi silang meningkatkan kemampuan anti-interferensi, dan antarmuka tampilan LCD untuk kenyamanan pengguna dalam menggunakan fungsi tampilan bawaan chip. EG8010 adalah inverter gelombang sinus murni digital ASIC (Application Specific Integrated Circuit) dengan fungsi lengkap dari kontrol waktu mati built-in. Ini berlaku untuk konverter daya dua tahap DC DC-AC sistem atau sistem transformator frekuensi daya rendah satu tahap DC-AC untuk meningkatkan. EG8010 bisa mencapai gelombang sinus murni 50 / 60Hz dengan akurasi tinggi, harmonik rendah dan distorsi oleh eksternal Osilator kristal 12MHz. EG8010 adalah IC CMOS yang mengintegrasikan generator sinusoid
SPWM, dead time kontrol, pembagi jarak, sirkuit mulai lunak, perlindungan sirkuit, komunikasi serial RS232, 12832 unit LCD serial, dan lain-lain [15].
2) Komponen Switching
Komponen pensaklaran yang digunakan pada S1, S2, S3, dan S4 adalah menggunakan MOSFET. MOSFET yang digunakan harus melebihi range
tegangan sumber DC yang diterima, agar
menghindari terjadinya kerusakan komponen akibat
overshoot saat melakukan switching [16]. Perlu
diketahui bahwa overshoot merupakan efek
sementara yang terjadi pada MOSFET karena bagian
gate (gerbang) yang terkena muatan secara instan. Biasanya hal ini terjadi pada saat reverse recovery
(pemulihan terbalik) pada dioda dalam bentuk kecepatan arus, dimana pada saat ini arus balik bersama arus beban menuju ke bagian bawah Field Effect Transistor (FET) sehingga terjadi overshoot
arus. Selanjutnya terjadinya induksi menyimpang pada sirkuit yang berujung pada overshoot tegangan yang besar. Akan tetapi, adanya overshoot ini perlu dihindari karena dapat menyebabkan berkurangnya efisiensi energy secara keseluruhan karena hilangnya daya pada switching, bahkan dapat berbahaya terhadap perangkat dan sirkuit elektronik [17].
3) Rangkaian LPF
Rangkian LPF yang akan digunakan bertujuan untuk membuat frekuensi cut off 50Hz, komponen LPF yang digunakan adalah induktor dan kapasitor yaitu LC dengan nilai 3.3mH dan 2,2uF. Selain itu filter LC digunakan sebagai sirkuit resonansi yaitu peredam (pereduksi) harmonisa pada suatu rangkaian sehingga didapatkan bentuk sinyal yang lebih smooth
(bagus atau halus) [13].
III. METODOLOGI
Dengan perancangannya, inverter akan dirancang dengan menggunakan persamaan yang telah didapat kemudian menentukan komponen dan implementasi alat, setelah itu dilakukan pengujian alat inverter terhadap beban. Berikut ini langkah yang dilakukan dalam melakukan perancangan inverter.
A. Diagram Blok
Diagram blok sistem pada inverter akan terbagi menjadi beberapa bagian yaitu sumber teganganDC, rangkaian SHF, rangkaian SPWM, dan rangkaian LPF. Diagram blok dapat dilihat pada Gambar 6.
Inverter akan menerima sumber tegangan DC yang berasal dari baterai kemudian tegangan tersebut akan menuju rangkaian SHF yang didalamnya terdapat mikrokontroler yang akan melakukan pensaklaran atau switching terhadap MOSFET yang terhubung ke transformator step up, kemudian hasil tegangan step up tersebut akan disearahkan oleh rangkaian rectifier.
Tegangan tinggi dari transformator yang telah disearahkan akan digunakan sebagai sumber tegangan DC, kemudian tegangan DC tersebut akan diubah menjadi keluaran tegangan AC oleh rangkaian SPWM dengan kontrol pensaklaran dari driver SPWM . Setelah itu keluaran tegangan AC tersebut akan dilewati ke rangkaian LPF untuk mendapatkan frekuensi cut off yang telah ditentukan.
BATERAI DRIVER KONVERTER DC-DC (SHF) KONVERTER DC-DC (SPWM) DC-AC CONVERTER
LOW PASS FILTER BEBAN
Tegangan 5VDC Sinyal Switching Sumber Tegangan DC 12V Tegangan 380VDC DRIVER KONVERTER DC-AC Tegangan 220VAC Tegangan 220VAC 50Hz Feedback Tegangan Keluaran Konverter DC-DC Feedback Tegangan Keluaran DC-AC Sinyal Switching Penstabil Tegangan Tegangan 12VDC Tegangan 18VDC
Gambar 6 Diagram Blok Sistem Inverter
B. Cara Kerja Alat
1) Prinsip Kerja Rangkaian
Prinsip kerja dari sistem inverter yang dirancang akan menggunakan dua langkah atau 2 stage converter. Stage 1 pada sistem inverter adalah rangkaian Switching High Frequency (SHF) dan
stage 2 pada sistem inverter adalah rangkaian
Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Rangkaian SHF akan mengubah sumber tegangan 12VDC yang berasal dari baterai menjadi tegangan tinggi 380VDC. Kemudian tegangan tinggi 380VDC tersebut akan diolah rangkaian SPWM sehingga menjadi tegangan sinusoidal murni 220VAC 50Hz.
2) Stage 1 (Rangkaian SHF)
Rangkaian SHF yang dirancang melakukan
switching pada frekuensi 20KHz oleh Arduino Pro
Mini sebagai pembangkit PWM, kemudian sinyal PWM tersebut akan diarahkan ke IC L293D sebagai jembatan penghubung terhadap pin gate pada MOSFET, setelah pin gate pada MOSFET mendapatkan frekuensi switching, maka MOSFET akan menghubungkan pin drain to source sehingga tegangan dari baterai akan melewati lilitan transformator. Switching dilakukan terus menerus secara bergantian dengan metode push pull
terhadap kedua MOSFET sehingga menghasilkan tegangan 380VAC square wave pada keluaran transformator. Tegangan 380VAC square wave
tersebut kemudian diubah menjadi tegangan DC oleh rangkaian rectifier dengan menggunakan dioda frekuensi tinggi dan kapasitor filter. Setelah
rangkaian rectifier menghasilkan tegangan
380VDC, output tegangan tersebut akan
dihubungkan ke rangkaian pembagi tegangan dengan nilai set point 1,32VDC sebagai umpan balik terhadap Arduino Pro Mini agar tetap menjaga tegangan tetap stabil di 380VDC. Skematik rancangan pada bagian SHF dapat dilihat pada Gambar 7 dan 8.
.
Gambar 7 Skematik Driver SHF
Gambar 8 Skematik Rangkaian SHF
3) Stage 2 (Rangkaian SPWM)
Rangkaian SPWM yang dirancang menggunakan prinsip rangkaian dasar full bridge. Empat unit MOSFET yang diumpamakan menjadi 4 unit saklar berdasarkan Gambar 4 tersebut akan dikendalikan
oleh driver EGS002. Driver EGS002 akan
mendapatkan sumber tegangan dari Vaux atau output tegangan tambahan yang berasal dari transformator stage 1. Dalam pengoperasiannya,
EGS002 memiliki beberapa proteksi yaitu
overcurrent (lampu indikator berkedip 2 kali) akan terjadi apabila pin umpan balik arus pada rangkaian melebihi tegangan 0.5V , overvoltage (lampu
indikator berkedip 3 kali) akan terjadi apabila tegangan umpan balik pada rangkaian jauh melebihi 3V, undervoltage (lampu indikator berkedip 4 kali) akan terjadi apabila tegangan umpan balik pada rangkaian jauh dibawah 3V, dan overtemperature (lampu indikator berkedip 5 kali) apabila tegangan umpan balik dai sensor arus melebihi 4,3V. Skematik rancangan pada bagian SPWM dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9 Skematik Rangkaian SPWM
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Impelementasi Inverter
Rancangan inverter yang telah dibuat memiliki dimensi ukuran dengan panjang 16 cm, lebar 11 cm dan tinggi 5 cm. Pada tabel 4.1 dapat dilihat bentuk fisik inverter yang telah buat pada Tabel.1 dan Gambar 10.
Tabel 1. Bentuk fisik sistem inverter bagian luar
Tampak Depan Tampak Belakang
Gambar 10 Bentuk sistem inverter bagian dalam
Dari sisi bagian depan terdapat terminal tegangan
output VAC dan juga tampilan berupa lcd dengan
parameter nilai tegangan output, arus output, frekuensi
output dan nilai suhu pada bagian dalam inverter. Sedangkan dari sisi bagian belakang, terdapat lubang udara dari kipas internal didalam inveter, kemudian soket input dari baterai serta saklar on/off untuk mengatifkan dan mematikan inverter.
B. Pengujian dan Pembahasan
1) Pengujian Rangkaian Switching High Frequency
Pengujian rangkaian SHF dilakukan dengan beberapa tahap, yaitu meninjau sinyal frekuensi
switching dan tegangan keluaran dari Arduino, pengukuran keluaran dari IC L293D, bentuk
gelombang pada switching MOSFET dan
pengukuran keluaran transformator. Berikut adalah gambar hasil pengujian pada rangkaian SHF.
Gambar 11 Gelombang keluaran 21,25 KHz hasil switching Arduino
Gambar 12 Gelombang keluaran 21,25 KHz ICL293D
Pada Gambar 7, terlihat bentuk gelombang kotak hasil switching oleh Arduino Pro Mini dengan frekuensi pensaklaran 21,25 KHz. Hasil tegangan puncak yang didapat pada sinyal adalah 8,80Vpp dan 8,40Vpp. Hasil tegangan vpp yang dididapat ternyata lebih dari 5V yang seharusnya
dikeluarkan oleh output maksimal dari
mikrokontroler, hal ini karena terjadinya leaking curent atau kebocoran arus yang diakibatkan oleh induktansi pada lilitan primer transformator [18]. Kemudian pada Gambar 8 gelombang keluaran yang terukur memiliki frekuensi 21,25 KHz dan tegangan yang dihasilkan menjadi dua kali lipat dari inputan yang berasal dari mikrokontroler, akan tetapi pada osiloskop terbaca teganganya
hampir tiga kali lipat yaitu sebesar 15,6 vpp pada kedua titik, hal ini disebabkan oleh leaking current atau kebocoran arus [18].
Gambar 13 Gelombang keluaran transformator
Gambar 9 adalah bentuk gelombang keluaran transformator sebelum masuk ke rangkaian
rectifier. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan nilai perbandingan 1:10 terhadap keluaran
380V menjadi 38V, karena pengukuran
spesifikasi oscilloscope RIGOL DS1102D
memiliki batas ukur maksimum 100V [19].
2) Pengujian Rangkaian Sinusoidal Pulse Width Modulation
Pengujian rangkaian SPWM yang dilakukan yaitu mengukur sumber tegangan DC masukan untuk modul EGS002 yang berasal dari tegangan Vaux atau tegangan keluaran tambahan pada
stage 1. Pada pengujian tegangan sumber untuk suplai driver EGS002 tegangan yang didapat pada Vaux adalah 17,4VDC kemudian tegangan keluaran IC LM7812 adalah 12,1VDC dan tegangan keluaran IC LM7805 adalah 5,0VDC.
Setelah melakukan pengujian pada driver
EGS002, pengujian lain yang dilakukan adalah
melakukan pengukuran terhadap keluaran
rangkaian SPWM yang telah melewati filter LC. Hasil pengukuran menunjukan bahwa keluaran inverter memiliki gelombang keluaran sinusoidal
murni 219,9VAC dengan menggunakan
multimeter Sanwa Digital CD800a [20] dan
keluaran frekuensi sebesar 50Hz dengan
menggunakan Oscilloscope RIGOL DS1102D . Bentuk gelombang dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 14 Bentuk gelombang keluaran Inverter
3) Pengujian Beban Inverter
Dalam pengujiannya, inverter ini akan diuji menggunakan beban lampu pijar, kipas angin, charger handphone, charger laptop dan charger baterai. Pengujian dilakukan menggunakan dengan input tegangan sumber 12V.
Tabel 2. Hasil Pengujian Beban Inverter
Beban
Input Output
Efisiensi Tegangan (V) Arus (A) Daya Input (W) Tegangan (V) Arus (A) Daya Output (W) Tanpa beban 11,9 1,48 17,612 209 0 0 0 Charger HP beban pengisian HP 10,9 5,47 59,623 219 0,15 32,85 55,09% Charger HP beban pengisian modul charger baterai 1A 11,5 2,67 30,705 219 0,06 13,14 42,79 % Charger HP beban pengisian modul charger baterai 2A 11,5 2,83 32,545 219 0,07 15,33 47,10% Charger laptop beban pengisian laptop 10,2 8,85 90,27 219 0,31 67,89 75,20 % Beban lampu pijar 11,5 9,8 112,7 219 0,34 74,46 66,06 % Beban kipas angin Kecepatan 1 10,2 8,26 84,252 207 0,24 49,68 58,96 % Beban kipas angin Kecepatan 2 10,2 8,43 85,986 196 0,25 49 56,98 % Beban kipas angin Kecepatan 3 10,1 8,92 90,092 184 0,27 49,68 55,14 %
Berdasarkan Tabel 2, Inverter diuji dengan
menggunakan beberapa variasi beban seperti lampu pijar, kipas angin, charger handphone, charger laptop dan charger baterai. Berdasarkan tabel hasil uji dari daya keluaran yang dikonsumsi oleh beban terhadap daya yang dikeluarkan oleh sumber tegangan masuk, efisiensi yang dihasilkan memiliki range 42,79% sampai 75% atau memiliki rugi rugi daya dengan range minimum17,612 W sampai maksimum 48,412 W. Pada pengujian beban seperti charger handphone,
charger laptop dan charger baterai rugi rugi daya yang dikonsumsi tidak terlalu jauh dari range 17,612 W, akan tetapi pada beban lampu pijar dan kipas angin, inverter mengalami kenaikan rugi rugi daya yang bertambah besar seiring bertambahnya daya beban. Pada beban lampu pijar 75 W inverter memiliki rugi rugi daya sebesar 38,24 W dengan efisiensi sebesar 66,06%, sedangkan pada beban kipas angin 55 W inverter memiliki range rugi rugi daya dari 34,57 W sampai 40,412 W pada level kecepatan 1 sampai 3. Rugi rugi daya yang semakin besar apabila daya beban yang digunakan semakin besar, hal ini disebabkan oleh rugi rugi daya yang diserap oleh sistem inverter, bertambahnya daya beban yang digunakan akan mengakibatkan naiknya arus dari masukan sisi primer transformator sehingga sebagian dayanya diubah menjadi panas. Selain rugi rugi daya juga disebabkan oleh MOSFET, jika MOSFET dibebani arus yang semakin besar, maka sebagian arus tersebut akan menjadi rugi rugi berupa panas pada MOSFET.
Berdasarkan hasil pengujian inverter terhadap beban yang telah diimplementasikan, inverter yang telah dirancang akan dibandingkan dengan inverter lainnya yang telah di uji pada jurnal [21]. Perbandingan inverter dilakukan menggunakan beban yang sama yaitu kipas angin 55 W pada kecepatan level 1. Pada pengujian berdasarkan inverter pure sine wave yang telah dibuat memiliki rugi rugi daya sebesar 34,57 W, sedangkan berdasarkan pengujian [21] kipas angin 55 W yang diuji dengan menggunakan sumber inverter
modified square wave yang ada di pasaran memiliki rugi rugi daya sebesar 36,72 Watt sedangkan pada pengujian inverter pure sine wave yang ada di pasaran memiliki rugi rugi daya sebesar 35,19 Watt. Dari perbandingan tersebut, inverter yang telah dirancang memiliki keunggulan rugi rugi daya yang lebih kecil dibandingkan dengan inverter yang ada dipasaran. Selain itu pada Tabel 2 saat pengujian kipas angin terjadi penurunan tegangan sumber yang masuk ke kipas. Hal ini disebabkan oleh rugi rugi daya yang diserap oleh kipas angin atau efisiensi dari motor induksi yang terdapat pada kipas angin tersebut.
V. KESIMPULAN
Inverter yang telah dirancang pada jurnal ini menggunakan dua langkah konversi yaitu DC-DC-AC. Pada langkah pertama atau stage 1 (DC-DC) inverter telah berhasil mengimplementasikan rancangan yang dibuat. Stage 1 dapat mengubah tegangan rendah menjadi tegangan tinggi, yaitu mengubah tegangan input 12VDC menjadi tegangan output stabil 382VDC, hasil output tersebut sudah mendekati set point pada perancangan yaitu 380VDC, hal ini disebabkan oleh nilai resistansi yang tidak ideal pada resistor di rangkaian pembagi tegangan untuk umpan balik terhadap mikrokontroler. Sedangkan pada langkah
kedua atau stage 2 inverter telah berhasil
mengimplentasikan rancangan yang telah dibuat 2.
Stage 2 dapat mengubah tegangan 380VDC yang berasal dari stage 1 menjadi keluaran tegangan mendekati 220VAC 50Hz. Dengan melakukan pengukuran dengan multimeter SANWA, didapatkan tegangan output pada stage 2 adalah sebesar 219,9 VAC, kemudian bentuk gelombang yang dihasilkan
oleh stage 2 setelah dilakukan pengukuran
menggunakan oscilloscope RIGOL, bentuk gelombang yang dihasilkan adalah sinusoidal murni dengan frekuensi 50Hz.
Selanjutnya dari percobaan inverter terhadap beban, inverter dapat menyalakan beban lampu pijar, kipas angin, charger handphone, charger laptop dan charger baterai. Sedangkan rugi rugi daya berdasarkan tabel perbandingan daya masuk dan daya keluar yang dikonsumsi beban, inverter memiliki konsumsi daya rata rata sebesar 17,61 W tanpa beban dan memiliki efisiensi sebesar 66,06% pada beban lampu pijar 75W, 58,96% pada beban kipas angin, 55,09% pada beban charger handpone, 75,20% pada beban charger laptop dan 42,79% pada beban charger baterai. Jika dilakukan
perbandingan terhadap inverter yang ada dipasaran dengan menggunakan beban yang sama yaitu kipas angin 55 W, maka inverter pure sine wave yang telah dibuat memiliki rugi rugi daya yang lebih sedikit dibandingkan dengan inverter modified square wave
dan inverter pure sine wave yang ada dipasaran seperti yang tertera pada junal [21]. Inverter pure sine wave
yang telah dirancang memiliki rugi rugi daya 34,57 Watt, sedangkan inverter modified square wave dan inverter pure sine wave yang ada dipasaran memiliki rugi rugi daya yang lebih besar yaitu 36,72 Watt dan 35,19 Watt.
REFERENSI
[1]
Y. Daryanto, Kajian Potensi angin UntukPembangkit Listrik Tenaga Bayu, Yogyakarta: BALAI PPTAGG – UPT-LAGG , 2007.
[2]
G. Widayana, "Pemanfaatan Energi Surya,"JPTK, UNDIKSHA, Vols. 9, No.1, pp. 37-46, 2012.
[3]
M. E. Corporation, "FATEC," Inverter School Text, Inverter Practical Source, p. 211, 2006.[4]
E. M. S. N. Mohammad Luqman, "STUDI KOMPARASI UNJUK KERJA INVERTER 12V-DC KE 220V-AC YANG ADA DIPASARAN," ELTEK,vol. 17, p. 98, 2019.
[5]
P. Gendroyono, Sistem Penggerak Motor Induksi dengan Beban Berubah MengguakanInverter PWM Berbasis Mikrokontoler,
Pascasarjana Universitas Gajah Mada, 1999.
[6]
S. P. H. Fierdaus S, Pengaruh Bentuk Gelombang Sinus Termodifikasi (Modified Sine Wave) Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi Satu Fasa, Malang, Indonesia: Tugas Akhir Sarjana, Universitas Brawijaya, 2011.[7]
M. Z. A. S. S Prasetya, Pemanfaatan Harmonisa pada Beban Non Linier Sebagai Sumber Energi Menggunakan Full Bridge Converter dan Inverter, Surabaya: Tugas Akhir Sarjana, Institut Teknologi Sepuluh November.[8]
M. Y. Mustar, P. I. Santos and R. Hartanto, "PERANCANGAN MODEL INTERAKSI MANUSIA DAN ROBOT DALAM BENTUK TAMPILANVISUAL PADA KOMPUTER," in Seminar
Nasional Teknologi Informasi dan Multimedia,
[9]
S. S. Hidayatullah, "belajar online," 2020.[Online]. Available:
https://www.belajaronline.net/2020/10/pen gertian-mosfet-dan-fungsinya.html.
[Accessed 20 10 2020].
[10]
Z. Hermagasantos, "Teknik Tegangan Tinggi,"Jakarta: PT Rosda Jayaputra, 1994.
[11]
B. A. Hizrian Alnubli, "Design dan Analisis SolarBattery Charger Berbasis Push-Pull
Converter," Jom FTEKNIK, vol. 4, p. 5, 1 Februari 2017.
[12]
M. U. Markus Zehendner, "Push-Pull Converter," in Power Topologies Handbook, Texas Instruments, p. 133.[13]
M. M. Chowdhury, "Design and Simulation of an Inverter with High Frequency Sinusoidal PWM Switching Technique for Harmonic Reduction in a Standalone/Utility Grid Synchronized Photovoltaic System," IEEE international Conference on Informatic, Electronics & Vision, vol. 12, pp. 1169-1173, 2012.[14]
R. N. J. d. L. R. A. M A Muslim, "Desain Inverter Tiga Fasa dengan Minimum Total Harmonic Distortion Menggunakan Metode SPWM,"Jurnal EECCIS, vol. 8, Juni 2014.
[15]
E. corp, EGS002 Sinusoid Inverter Driver Board User Manual, Datasheet.[16]
T. Instruments, Ringing Reduction Techniques for NexFET High Perfomance MOSFETs, Application Report, SLPA010, November 2011.[17]
F. Blaabjerg, Multiphysics Simulation by Design for Electrical Machines, Power Electronic and Drives, John Wiley & Sons, 2017.[18]
K. B. T. M. Abraham Pressman, Switching Power Supply Design, Third Edition, New York Chicago: McGraw-Hill Companies, 2001.[19]
R. UK, "Rigol DS1102D 100MHz 2-Channel Digital Oscilloscope," [Online]. Available: https://www.rigol-uk.co.uk/Rigol-DS4012-. [Accessed 20 10 2020].[20]
Indoteknik, "Sanwa Multimeter DigitalCD800A," [Online]. Available:
http://indoteknik.co.id/v1/pi/multimeter-digital-cd-800a/. [Accessed 20 Oktober 2020].
