POLITEKNIK NEGERI MEDAN

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN INVERTER SATU FASA MODULASI LEBAR PULSA 250 WATT LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Konversi Energi Oleh : MATIUS ALEXANDER SITORUS NIM JOICE MART VALENTINA SIREGAR NIM JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2013 vii

2 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala Berkat dan Karunia-Nya, yang telah memberikan pengetahuan, kesabaran, dan kesehatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Laporan ini berjudul RANCANG BANGUN INVERTER SATU FASA MODULASI LEBAR PULSA 250 WATT. Tujuan penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan program pendidikan diploma III Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Sesuai dengan judulnya, laporan ini merupakan rancang bangun inverter satu fasa menggunakan metode yang efisien untuk mengatur tegangan dan frekuensi inverter dengan menggunakan modulasi lebar pulsa ke dalam rangkaian daya inverter. Dalam penyusunan laporan ini, penulis telah banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa materi, spiritual, informasi serta saran-saran maupun dalam bidang administrasi. Pada kesempatan ini penulis dengan segala kerendahan hati mengucapkan banyak terima kasih kepada : 1. Bapak M. Syahruddin, S.T., M.T., sebagai Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Bapak Ir. Gidion Sembiring, M.T., sebagai Kepala Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan; 3. Bapak Aulia Salman, S.T., M.T., sebagai Sekretaris Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan; 4. Bapak Ir. Isman Harianda, M.T., sebagai Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Medan; 5. Bapak Ir. Roket Angkasa, M.T., sebagai Dosen Pembimbing yang telah membimbing penulis dalam penyelesaian Laporan Tugas Akhir ini; viii

3 6. Kedua Orangtua penulis, Ayahanda Olopan Sitorus dan Ibunda Romina br Panjaitan atas kasih sayang yang tiada henti, yang telah memberikan doa dan dukungannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini; 7. Kepada kakak, abang dan adik tersayang, Merry Yanti Sitorus, Rohani Manda Hari Sitorus, Sihol Maranata Sitorus, dan J Sipahutar yang telah memberikan doa dan dukungannya; 8. Kepada Joice Mart V Siregar teman satu proyek dalam menyelesaikan Tugas Akhir dan teman yang selalu bersama-sama dengan penulis, yang selalu memberikan nasehat, motivasi dan doa; 9. Seluruh Dosen Staf Pengajar dan Pegawai Jurusan Teknik Mesin yang telah banyak membimbing dan membantu penulis; 10. Seluruh Keluarga Besar dari Ayah dan Ibunda, yang telah memberikan doa dan dukungannya; 11. Seluruh mahasiswa Teknik Konversi Energi Angkatan 10, Khususnya EN- 6D, atas semua suka dan duka yang telah dilalui bersama selama 3 tahun ini, sukses selalu; 12. Seluruh teman-teman penulis, atas semua doa dan dukungannya. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun untuk kesempurnaan laporan ini, semoga laporan ini bermamfaat bagi kita semua yang membacanya. Terima kasih. Medan, 9 September 2013 Hormat Penulis, Matius Alexander Sitorus ix

4 DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR... ii LEMBAR PERSETUJUAN... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... x INTISARI... xi ABSTRACT... xii BAB I PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Rumusan Masalah... 2 C. Batasan Masalah D. Tujuan Penulisan Tugas Akhir... 2 E. Manfaat Penulisan Tugas Akhir... 3 F. Metode Pengumpulan Data... 3 BAB II INVERTER SATU FASA DAN KOMPONEN PENDUKUNG... 4 A. Umum... 4 B. Inverter Satu Fasa Jembatan Setengah (Half-Bridge) Jembatan Penuh (Full-Bridge)... 6 x

5 3. Inverter Sadap Tengah... 8 C. Bentuk Gelombang Keluaran Gelombang Persegi (Square Wave) Gelombang Modifikasi Sinus (Modified Sinus Wave) Inverter Gelombang Sinus D. Saklar Mosfet E. Regulator Modulasi Lebar Pulsa F. Baterai G. Transformator BAB III RANCANGAN INVERTER MODULASI LEBAR PULSA A. Konsep Rancangan B. Sakelar Utama MOSFET. 22 C. Regulator Modulasi Lebar Pulsa D. Cara Kerja ICSG E. Menentukan Kapasitas Arus Transformator F. Kapasitas Baterai dan Lama Waktu Pemakaian G. Pembuatan dan Pengujian Inverter BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 35 A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

6 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Inverter Jembatan Setengah Satu Fasa Gambar 2. Lintasan Arus Inverter Jembatan Setengah Gambar 3. Inverter Jembatan Penuh Satu Fasa.. 6 Gambar 4. Lintasan Arus Inverter Jembatan Penuh... 7 Gambar 5. Inverter Jembatan Setengah Sadap Tengah Gambar 6. Gelombang Persegi Gambar 7. Keluaran Inverter Modifikasi Sinus Gambar 8. Modulasi Lebar Pulsa Gambar 9. Keluaran Pembanding Gambar 10. Bentuk Gelombang Tegangan Keluaran Gambar 11. Simbol MOSFET Gambar 12. Karakteristik MOSFET Gambar 13. MOSFET Sebagai Sakelar xii

7 Gambar 14. Aki atau Lead Acid Battery Gambar 15. Transformator Ideal Gambar 16. Diagram Blok Konsep Rancangan Gambar 17. Rancangan Inverter Modulasi Lebar Pulsa Gambar 18. Tata Letak Komponen Gambar 19. Sakelar Utama MOSFET IRFZ44N Gambar 20. IC SG Gambar 21. Diagram Blok Internal IC SG Gambar 22. Proses Pembuatan Gambar 23. Pengujian Inverter xiii

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Kapasitas Arus Trafo Sesuai Daya Keluaran Tabel 2. Pembebanan Inverter Dengan Beban Resistif xiv

9 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Inverter atau konverter dc-ac berfungsi mengubah suatu tegangan searah (dc) menjadi tegangan bolak-balik pada frekuensi yang diinginkan (ac). Inverter dikelompokkan menjadi inverter sumber tegangan (voltage source inverter, VSI) dan inverter sumber arus (current source inverter, CSI). Inverter sumber tegangan atau inverter sumber arus standard dapat dikonfigurasikan dalam jembatan setengah, jembatan penuh, atau sadap tengah trafo (push pull). Pada awalnya inverter banyak digunakan dalam sistem penggerak listrik. Khususnya untuk kendali kecepatan motor induksi. Dengan perkembangan yang cepat dalam teknologi komponen elektronika, inverter sangat luas digunakan dalam berbagai penerapan. Dewasa ini inverter sangat banyak digunakan sebagai catu daya cadangan/darurat di gedung perkantoran, rumah sakit, dan rumah tangga, catu daya dalam kenderaan mobil, dan terintegrasi dengan sel surya membentuk suatu pembangkit energi listrik. Sekarang, di pasaran banyak ditemukan dan dijual inverter satu fasa dan tiga fasa dengan kapasitas puluhan watt, ratusan watt, sampai ribuan watt. Yang paling umum ditemukan adalah inverter mengubah tegangan searah 12 V menjadi tegangan bolak-balik 220 V, 50 Hz dengan bentuk gelombang persegi (square), modifikasi sinus (quasi square/sine modified), dan sinus. Sumber tegangan searah 12 V berasal dari baterai atau sumber bolak-balik yang disearahkan. Dewasa ini teknologi inverter bukan merupakan sesuatu yang rahasia dan menyulitkan. Di berbagai situs di dunia maya dapat ditemukan rangkaian inverter dari berbagai kapasitas dan berbagai bentuk gelombang keluaran. Juga kita dapat menemukan inverter dengan komponen sakelar utama Transistor daya, MOSFET, IGBT, dan lain sebagainya. Dengan pemahaman komponen dan ketersediaannya di pasaran xv

10 adalah memungkinkan merancang dan membuat suatu inverter. Hal ini yang menjadi latar belakang penulisan tugas akhir ini. B. Rumusan Masalah Teknologi paling awal dari inverter adalah dengan bentuk gelombang keluaran persegi. Bentuk gelombang persegi mempunyai banyak kelemahan dan tidak semua peralatan listrik dapat bekerja dengan bentuk gelombang tersebut. Perbaikan gelombang persegi menghasilkan inverter dengan bentuk gelombang modifikasi sinus. Bentuk gelombang modifikasi sinus juga masih mempunyai kelemahan. Teknologi terbaru dari inverter adalah menggunakan teknik modulasi lebar pulsa (PWM). Inverter modulasi lebar pulsa akan mempunyai bentuk gelombang keluaran sinus murni. Tugas akhir ini berkaitan dengan perancangan dan pembuatan inverter satu fasa dengan teknik modulasi lebar pulsa. Perancangan berkaitan dengan menentukan kapasitas trafo, kapasitas arus sakelar utama transistor, dan sumber, dan regulator modulasi lebar pulsa. Inverter yang dirancang berkapasitas 250 watt menggunakan MOSFET sebagai sakelar daya inverter. C. Batasan Masalah Dalam Tugas Akhir ini tidak dibahas tentang harmonisa. D. Tujuan Penulisan Tugas Akhir Tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah: 1. Untuk membuktikan bahwa mungkin merancang dan membuat inverter dengan komponen-komponen yang tersedia di pasaran. 2. Inverter yang dibuat dapat digunakan sebagai sarana praktikum Elektronika Daya mahasiswa Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan xvi

11 E. Manfaat Penulisan Tugas Akhir Adapun manfaat dari Laporan Tugas Akhir ini adalah: 1. Menambah pengetahuan dan wawasan tentang proses perancangan dan pembuatan inverter. 2. Menambah kepustakaan Politeknik Negeri Medan. 3. Membantu para pembaca yang ingin menambah pengetahuan rekayasa dan yang berniat memodifikasi alat ini. F. Metoda Pengumpulan Data Berbagai cara yang dilakukan penulis dalam pengumpulan data diantaranya: 1. Studi literature dengan mencari buku buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun sumber lain yang berkaitan dengan perancangan alat. 2. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing maupun dengan pihak- pihak yang dapat membantu menyelesaikan tugas akhir ini yang memahami dan mengerti tentang perancangan alat tersebut. 3. Mengunjungi berbagai situs yang berkaitan dengan inverter di dunia maya. 4. Penelurusan ke berbagai toko untuk mencari ketersediaan komponen. 5. Melakukan percobaan. xvii