PERANCANGAN INVERTER UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS) SKALA RUMAH TANGGA. Rico Alvin 1, Ibnu Kahfi Bachtiar 2

Transkripsi

1 1 PERANCANGAN INVERTER UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA (PLTS) SKALA RUMAH TANGGA Rico Alvin 1, Ibnu Kahfi Bachtiar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Maritim Raja Ali Haji Jl. Politeknik Senggarang, Tanjungpinang ricoalvin95@gmail.com 1, kahfi@umrah.ac.id 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 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 A. Latar Belakang Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) salah satu dari pembangkit yang menggunakan energi alternatif. PLTS mengkonversi energi surya atau matahari menjadi energi listrik. Solar Home System (SHS) atau sistem pembangkit listrik tenaga surya yang dipakai dirumah-rumah menggunakan 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 penerangan dimalam hari yang biasanya menggunakan lampu dengan jenis tegangan DC dan peralatan elektronik lainnya yang menggunakan jenis tegangan yang sama. Tetapi untuk digunakan pada peralatan listrik yang menggunakan tegangan arus bolak balik (AC), terlebih dahulu dikonversikan dengan menggunakan alat bernama inverter. Inverter adalah alat yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC yang dihasilkan aki atau rangkaian penyearah (adaptor). Hasil keluaran inverter nantinya berupa tegangan AC dengan gelombang berbentuk kotak (NOT Gate) atau

2 sinusoidal, sehingga dapat digunakan untuk menghidupkan peralatan elektronik yang menggunakan jenis tegangan AC. B. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang, rumusan masalah pada penelitian ini yaitu, merancang inverter untuk Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) skala rumah tangga. C. Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan masalah, maka tujuan penelitian ini adalah merancang inverter untuk mengubah sumber tegangan DC menjadi AC, agar accumulator (aki) yang digunakan untuk menyimpan tegangan DC yang dihasilkan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) dapat difungsikan sebagai sumber cadangan (backup energy). D. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah menjadi awal studi untuk membuat inverter yang kompatibel dengan listrik rumah tangga, khususnya dalam implementasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). II. TINJAUAN PUSTAKA A. Kajian Literatur Penelitian yang dilakukan oleh Ibnu Syukron (013) yaitu, pembuatan inverter untuk Air Conditioner. Peneliti membuat inverter satu fasa, dengan metode yang digunakan untuk membangkitkan gelombang/sinyal menggunakan rangkaian oscilator atau multivibrator yang dirancang dengan frekuensi 50Hz, untuk membangkikan gelombang kotak (Square Wave). Penelitian berikutnya oleh Baraqie Tauhid (014), peneliti membuat inverter satu fasa dengan menggunakan teknik eliminasi harmonisa pada pembangkitan pulsa PWM agar meminimalisir kadar harmonisa pada tegangan keluaran inverter sehingga mencapai pola penyaklaran dengan total distorsi harmonisa yang sangat rendah. Fadhli MR (010), melakukan penelitian yang bertujuan merancang dan membangun sebuah perangkat inverter 1V DC to 0V AC dengan frekuensi 50Hz, dengan gelombang keluaran yang dihasilkan berupa gelombang sinusoidal menggunakan rangkaian low pass filter (tapis lolos-rendah atau LPF). Faizal Arya Samman dkk (015), dengan judul penelitian perancangan, simulasi, dan analisis harmonisa rangkaian inverter satu fasa. Peneliti menggunakan filter pasif dan pemanfaatan snubber terhadap kualitas tegangan keluaran inverter jembatan penuh (full bridge) satu fasa, agar bentuk tegangan keluaran inverter dari bentuk gelombang kotak menjadi gelombang sinusoidal.

3 Penelitian berikutnya oleh Tomi Yanto (015), yang berjudul perancangan inverter push pull 1 VDC- 0 VAC. Peneliti menggunakan rangkaian multivibrator astable dengan menggunakan IC MN4047B membangkitkan gelombang sinus 50 Hz dan rangkaian Low Pass Filter (LPF) sebagai filter tapis lolos rendah. B. Landasan Teori 1. Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Pembangkit listrik tenaga surya adalah sistem pembangkit yang merubah energi surya menjadi energi listrikatau biasa disebut dengan photovoltaic. Pembangkit listrik tenaga surya ini menggunakan solar cell, bahan semi konduktor yang dapat merubah energi foton matahari menjadi listrik.. 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 Global Indonesia, 011). 3. Inverter Inverter digunakan untuk mengubah sumber tegangan listrik searah (DC/Direct Current) menjadi keluaran tegangan listrik bolak balik (AC/Alternating Current). Sumber DC tersebut dapat berasal dari battery atau aki, panel surya, power supply. Sumber tegangan yang digunakan adalah 1 atau 4 VDC kemudian diubah menghasilkan tegangan 0 VAC. Tegangan 0 VAC tersebut juga memiliki frekuensi 50 atau 60 Hz. 4. Multivibrator Multivibrator astable beroperasi terus menerus untuk menghasilkan frekuensi gelombang persegi dengan frekuensi penggulungan pulsa tegangan mark atau space tertentu. Bentuk rangkaian multivibrator astable yang umum diperlihatkan pada gambar 5, resistor R3 dan R4 adalah resistor beban kolektor dari R1 memberikan panjaran kepada basis (Ibnu Syukron, 013). Gambar 1. Rangkaian multivibrator astable (Sumber: Ibnu Syukron, 013) Kapasitor C1 dan C masingmasing mengkopel kolektor dari salah

4 satu transistor ke basis transistor yang lain. Saat catu daya dijalankan, kedua transistor mulai mengkonduksikan arus sebagai aliran arus basis melalui resistor basis. Tetapi penguatan arus DC dan waktu penyambungan dari kedua transistor tidak sama, sehingga salah satu transistor akan mengalirkan arus yang lebih besar dari transistor lain. Kemudian, apabila transistor yang memiliki arus lebih lemah adalah transistor Q1 dan yang memiliki arus lebih besar Q, apabila arus kolektor Q1 membesar sehingga tegangan pada resistor beban kolektor R3 juga akan membesar, sehingga potensial menurun. Suatu pulsa tegangan tepi turun negatif kemudian dilewatkan melalui kapasitor C1 untuk memperkecil tegangan basis Q sehingga arus yang mengalir pada transistor Q berkurang (Ibnu Syukron, 013). 5. Transistor MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET (MOSFET) adalah suatu jenis FET yang mempunyai satu Drain, satu Source dan satu atau dua Gate. MOSFET mempunyai input impedansi yang sangat tinggi. Ada dua macam tipe MOSFET yaitu : tipe peningkatan (Enhancement) dan tipe pengosongan (Depletion). Mengatur besar kecilnya saluran dilakukan dengan mengatur tegangan yang diinputkan pada gate, semakin besar tegangan maka semakin besar saluran yang terbentuk. Untuk menghasilkan keluaran rangkaian amplifier, maka akan digunakan dua buah N-Channel MOSFET. MOSFET yang digunakan untuk rangkaian inverter ini adalah tipe IRFP50N dengan spesifikasi terlihat pada gambar berikut ini: Gambar. Spesifikasi MOSFET IRFP50N (Sumber: International Rectifier, 000) III. METODE PERANCANGAN A. Perancangan Perancangan inverter ini membutuhkan bagian-bagian rangkaian yang mendukung berdirinya sistem inverter tersebut, berikut blok diagram rangkaian seperti gambar 3 di bawah ini : Gambar 3. Blok diagram rangkaian inverter 1. Pembangkitan Gelombang Sinus dengan Oscillator Rangkaian oscillator diperlukan untuk membangkitkan gelombang 50 Hz

5 yang memiliki bentuk kotak atau gelombang kotak mendekati sinus. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan rangkaian multivibrator astable. Perancangan inverter ini bertujuan untuk mendapatkan frekuensi 50 Hz. Rumus mencari output frekuensi adalah (Fadli MR, 010): f = 1 T = 1,44 R 1 C+R C (1) Kapasitor yang digunakan pada rangkaian ini sebesar, uf dan R yang sudah ditentukan sebesar 680 ohm, dengan menyesuaikan komponen yang tersedia dipasaran. Jadi, nilai R 1 yang harus digunakan adalah : R 1 = 1,44 R Cf Cf R 1 = 1,44 (x680x,x10 6 x50),x10 6 x50 R 1 = 1,904 = 11730,91 Ohm 0,00011 Jadi R 1 yang digunakan adalah 11730,91 Ohm atau sekitar 1k Ohm, dan R yang digunakan sebesar 680 Ohm. Maka rangkaian multivibrator astable yang digunakan seperti dibawah ini : Gambar 4. Rangkaian Multivibrator Astable dengan Transistor N.. Rangkaian Amplifier Rangkaian amplifier ini terdiri dari dua buah transistor NPN-Channel Power MOSFET yang berfungsi sebagai sakelar dan penguat frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian oscillator, dan trafo CT sebagai penaik tegangan. Transistor MOSFET yang digunakan pada rangkaian ini adalah IRFP50N 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 1V trafo CT, sedangkan kaki source dihubungkan ke VCC pada rangkaian. Gambar 5. Rangkaian amplifier menggunakan IRFP50N. B. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan inverter ini merupakan komponen-komponen pendukung elektronika yang bisa didapat di pasaran, dan beberapa alat guna menguji rangkaian yang tersidia di Laboratorium Jurusan Teknik Elektro Universitas Maritim Raja Ali Haji.

6 Berikut alat dan bahan yang digunakan dalam perancangan inverter ini : 1. Alat Alat-alat pendukung yang digunakan dalam perancangan inverter ini dapat dilihat sebagai berikut: a. Obeng b. Tang c. Solder d. Penyedot Timah Solder e. Multimeter Analog f. Multimeter Digital g. Oscillocope ADS 115ML ATTEN Instruments. Bahan Bahan-bahan pendukung yang digunakan untuk merancang inverter ini, merupakan komponen-komponen elektronik yang tersedia di pasaran. Berikut daftar bahan-bahan yang digunakan beserta spesifikasi dan jumlahnya pada tabel 1: Tabel 1. Daftar bahan yang digunakan beserta spesifikasinya No Bahan yang digunakan Spesifikasi 1 Resistor 1k Ohm 1 Watt Resistor 680 Ohm 1 Watt 3 Kapasitor, uf 50 4 Transistor N/P N 5 MOSFET IRFP50N Jumlah Volt 500 ma 30 A 00Volt 6 Trafo CT 5 Ampere 1 7 Kabel - - Jumper 8 Socket - 1 (Terminal) 9 Papan PCB - 10 Port Heatsink - 1 (Pendingin) 1 Casing - 1 inverter 13 Timah - - Solder 14 Baut - 5 IV. HASIL PENGUJIAN INVERTER SKALA RUMAH TANGGA A. Pengujian Rangkaian Oscillator Gambar dibawah ini, akan menunjukkan hasil keluaran gelombang kotak yang memiliki fase berbeda. Output atau keluaran dari rangkaian oscillator ini diambil pada tiap-tiap kopel kaki collector transistor, kapasitor, dan resistor. Oleh karena itu,terdapat port yang dikeluarkan pada rangkaian ini. Untuk melihat gelombang yang dihasilkan, dengan menghubungkan port input 1 dan menggunakan oscilloscope. Gambar 6. Gelombang yang dihasilkan rangkaian oscillator

7 Rangkaian oscillator Vp = Tegangan puncak menghasilkan gelombang kotak dengan Vpp (tegangan puncak-puncak) 5,48 volt, periode 19,94 ms, frekuensi 50,16 Hz dengan V/div 1 V dan T/div 5,00 ms pada Div = jumlah kotak vertikal pada dua tegangan puncak gelombang V/div = nilai yang disetting untuk membuat 1 kotak berapa volt channel yang dapat dilihat di layar tampilan oscilloscope. Vpp yang didapat tidak sesuai dengan tegangan sumber, dikarenakan pada rangkaian oscillator ini tegangan dibagi jalur ke masingmasing transistor. Untuk menghitung frekuensi yang dihasilkan, dapat menggunakan persamaan (1) pada B. Pengujian Rangkaian Amplifier Gambar 7 dibawah ini merupakan rangkaian amplifier yang inputnya sudah dihubungkan pada keluaran rangkaian oscillator. Untuk melihat gelombang yang dihasilkan, hubungkan kaki drain tiap MOSFET dengan oscilloscope. rangkaian multivibrator astable (Ibnu Syukron, 013). Periode yang dihasilkan 19,94 ms, maka frekuensinya : T (periode) = 19,94 ms = 0,01994 s f = 1 T 1 f = = 50,15 Hz 0,01994 Untuk menghitung tegangan puncak dan tegangan puncak-puncak berdasarkan jumlah kotak vertikal pada puncak gelombang dapat dicari dengan rumus umum sebagai berikut (Tomi Yanto, 015): Vpp = div x Vdiv () Vpp = 6 x 1 = 6V Gambar 7. Gelombang yang dihasilkan rangkaian amplifier (Skala 1:1, V/div =,50 V, T/div = 5,00 ms) Rangkaian amplifier yang menggunakan IRFP50N menghasilkan gelombang kotak dengan Vpp (tegangan puncak-puncak) 18,40 volt, periode Vp = Vpp Vp = 6 = 3 V (3) 19,94 ms, frekuensi 50,14 Hz dan mean 10 V pada channel yang dapat dilihat pada layar tampilan oscilloscope. Vpp Dimana : yang berubah menjadi 18,40 volt Vpp = Tegangan puncak-puncak

8 dikarenakan mengalami peningkatan yang dilakukan transistor MOSFET. Untuk menghitung tegangan puncak dan tegangan puncak-puncak berdasarkan (Skala 1:1, V/div =,50 V, T/div = 5,00 ms) dapat dicari dengan persamaan () dan (3) sebagai berikut: Vpp = div x Vdiv Vpp = 8 x,5 = 0 V Vp = Vpp Vp = 0 = 10 V C. Pengujian Rangkaian Inverter 1. Pengujian Gelombang Rangkaian Inveter Sisi sekunder trafo CT yang diambil sebagai keluaran adalah titik 0 dan titik 0 yang mempunyai jenis tegangan AC. Trafo CT yang digunakan adalah transformator center tap dengan arus maksimal 5 ampere. Bentuk keluaran gelombang rangkaian inverter ini dapat dilihat seperti gambar 8 dibawah ini : Gambar 8. Gelombang yang dihasilkan rangkaian inverter (Probe 10x, V/div = 50 V, T/div = 5,00 ms) Bentuk gelombang yang dihasilkan masih berbentuk kotak dengan runcing pada satu sisinya, dengan Vpp (tegangan puncak-puncak) 456 volt, periode 19,94 ms, frekuensi 50,14 Hz dan mean V pada channel yang dapat dilihat pada layar tampilan oscilloscope. Untuk menghitung Vpp dan Vp yang terukur pada oscilloscope berdasarkan (Probe 10x, V/div = 50 V, T/div = 5,00 ms) dapat dicari dengan persamaan () dan (3) sebagai berikut: Vpp = div x Vdiv Vpp = 9 x 50 = 450 V Vp = Vpp Vp = 450 = 5 V Pengukuran dengan menggunakan multimeter juga dilakukan, tujuannya agar kita mengetahui nilai tegangan efektif yang dihasilkan inverter ini. Berikut hasil pengukuran dengan menggunakan multimeter digital seperti gambar 9 di bawah ini:

9 Gambar 9. Pengukuran menggunakan multimeter digital (Tegangan inverter = 01,4 VAC) Perbedaan nilai tegangan inverter pada hasil pengujian menggunakan multimeter dengan hasil perhitungan oscilloscope, menurut Tomi Yanto (015) bisa terjadi dikarenakan: a) Oscilloscope dan multimeter memiliki 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 perbedaan hasil perhitungan dan pengukuran juga bisa terjadi karena adanya kesalahan paralaks (parallax error).. Pengujian Tegangan Rangkaian Inverter dengan Beban 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 mengetahui apakah inverter mampu menanggung lebih dari 1 beban atau tidak. Tabel. Pengujian inverter dengan beban menggunakan sumber aki 1 VDC No Beban Tegangan (VAC) Arus (Ampere) 1 Lampu 19 0,033 Phillips Lampu 177 0,073 Phillips 3 Lampu 160 0,107 Noia 4 Solder 169 0,08 5 Kipas 16 0,104 Angin 6 Kipas+ 16 0,193 Lampu 7 Kipas ,157 Solder 8 Kipas+ Solder+ Lampu 13 0,170 Tabel menjelaskan pengujian yang menggunakan satu jenis beban,

10 penurunan tegangan yang terjadi tidak terlalu besar selisihnya dari tegangan kerja yang dihasilkan inverter. Berbeda hasilnya pada pengujian yang menggunakan beban lebih dari satu, pengujian dengan menggunakan dua beban secara bersamaan seperti kipas dan solder memiliki tegangan yang terukur 138 VAC dengan arus 0,157 A. Begitu juga pengujian dengan menggunakan tiga beban bersamaan seperti kipas, solder, dan lampu mempunyai tegangan yang terukur 13 VAC dan 0,170 A. Penurunan tegangan kerja inverter dari VAC sampai 13 VAC dikarenakan beban yang diterima inverter sangat besar sehingga mengurangi besar arus yang dihasilkan trafo. Daya maksimal yang dimiliki beban, tidak akan sama dengan daya yang dihitung menggunakan tegangan dan arus yang terukur berdasarkan pengujian inverter. Tegangan yang dihasilkan inverter tidak terregulasi dengan baik seperti tegangan listrik yang disuplai PLN dan arus yang dihasilkan trafo tidak besar. V. PENUTUP A. Kesimpulan Adapun kesimpulan dari perancangan inverter skala rumah tangga berdasarkan perancangan dan pengujian yang telah dilakukan, sebagai berikut: 1. Perancangan inverter dengan menggunakan rangkaian oscillator dan amplifier dapat menghasilkan gelombang berbentuk kotak dengan frekuensi 50,14 Hz dan tegangan VAC.. Inverter ini dapat menanggung beban peralatan elektronik yang memiliki daya yang berkisar antara 5 watt sampai 105 watt berdasarkan pengujian. B. Saran Rancangan inverter ini memiliki banyak kekurangan, oleh karena itu apabila penelitian ini ingin dilanjutkan ada beberapa saran yang diberikan supaya nantinya rancangan ini dapat ditingkatkan dari segi penggunaannya, yaitu: 1. Inverter ini memiliki gelombang berbentuk kotak. Oleh karena itu diperlukan penambahan pada rangkaian oscillator agar gelombang yang dihasilkan bisa lebih mendekati gelombang sinusoidal.. Tegangan yang dihasilkan inverter masih belum terregulasi dengan baik, dapat dilihat dari penurunan tegangan yang terjadi pada saat penambahan beban. Sehingga diperlukan rangkaian

11 penstabil tegangan pada output trafo. DAFTAR PUSTAKA Basri, H Pengertian FIELD EFFECT TRANSISTOR dan MOSFET, 014/01/pengertian-field-effecttransistor-dan.html, 9 Juli 016. Iklim Global Indonesia. 011, Solar Home System, press.com/011/03/9/solarhome-system/, 9 Juli 016. International Rectifier IRFP50N HEXFET Power MOSFET, datasheet. M. R, Fadhli Rancang Bangun Inverter 1 VDC Keluaran 0 VAC dengan Frekuensi 50 Hz dan Gelombang Sinusoidal, Skripsi, Universitas Indonesia, Depok. Samman, F.A., Ahmad, R., Mustafa, M Perancangan, Simulasi dan Analisis Harmonisa Rangkaian Inverter Satu Fasa, JNTETI, Vol.4, No.1, Februari 015, ISSN: , Universitas Hasanuddin, Makasar. Syukron, I Pembuatan Inverter Untuk Air Conditioner, Jurnal Teknik Elektro Vol. 5 No., Juli - Desember 013, Universitas Negeri Semarang, Semarang. Tauhid, B Perancangan Inverter Satu Fasa PWM dengan Teknik Eliminasi Harmonisa, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak. Yanto, Tomi Perancangan Inverter Push Pull 1 VDC-0 VAC, Skripsi, Universitas Maritim Raja Ali Haji, Tanjungpinang.