DESAIN DAN IMPLEMENTASI INVERTER SATU PHASA 500 V.A Habibullah 1 Ari Rizki Ramadani 2 ABSTRACT This research aims to create a single phase inverter which serves to complement the performance of a hybrid power generation system of wind power and solar power. The use of inverter aims to regulate the output voltage of the two plants were stored in a battery to fit the specifications of the proposed electricity consumption for residential. In this project, output of the inverter is to be achieved is output voltage 220 VAC and frequency is 50 Hz corresponding standards in Indonesia as well as the electrical output power of 500 s. To generate a frequency of 50 Hz is used IC CD4047 which has output of 50-60 Hz is categorized as part of the pulse generator. This inverter using MOSFET as a driver inverter which serves to regulate the induction system turns on the transformer, this Inverter also equipped with a Step-up transformer type of CT to get a 220 VAC. Inverter of this project has output voltage 250 Volt in no-load condition, whereas when the inverter is loaded in the range of 100-500 VA, The ouput voltage this inverter also changes that ranged from 210-235 Volt, when the load increasing, the output voltage will be decreasing. The frequency generated by the inverter is 56 Hz with shape the output waveform is square wave. Keywords : Inverter, Transformer Step Up, MOSFET, CD4047 INTISARI Penelitian ini bertujuan untuk membuat inverter satu phasa yang berfungsi untuk melengkapi kinerja dari sistem pembangkit listrik hibrid tenaga angin dan tenaga surya. Penggunaan inverter bertujuan untuk mengatur keluaran dari kedua pembangkit yang tersimpan di baterai agar sesuai dengan spesifikasi yang dianjurkan pada pemakaian listrik di rumah tinggal. Keluaran inverter yang ingin dicapai adalah tegangan keluaran 220 VAC dan frekuensi sebesar 50 Hz sesuai standar kelistrikan di Indonesia serta daya keluaran sebesar 500 VA. Untuk menghasilkan frekuensi 50 Hz digunakan IC4047 yang memiliki keluaran 50-60 Hz bagian ini dikatagorikan sebagai pembangkit pulsa. Inverter ini menggunakan MOSFET sebagai driver inverter yang berfungsi untuk mengatur sistem induksi pada trafo secara bergantian, sedangkan untuk mendapatkan tegangan keluaran 220 VAC digunakan transformator step up jenis CT. Inverter dalam penelitian ini memiliki keluaran 250 VAC dalam keadaan tanpa beban, sedangkan ketika inverter diberi beban, yang berkisar dari 100-500 tegangan keluaran inverter berubah yaitu berkisar dari 210-235 AC, semakin 1 Dosen Jurusan Elektro Fakultas Teknik UNP 2 Mahasiswa Jurusan Elektro Fakultas Teknik UNP 31
besar beban yang ditanggung inverter tegangan keluaranya inverter semakin kecil, frekuensi yang dihasilkan oleh inverter yaitu sebesar 56 Hz dengan gelombang keluaran berbentuk gelombang kotak. Kata Kunci: Inverter, Transformator Step Up, MOSFET, CD4047 32
PENDAHULUAN Energi listrik merupakan salah satu energi yang banyak digunakan saat ini. Perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan telah mendorong pengguna tenaga listrik pada semua aspek kehidupan manusia, baik untuk keperluan industri, rumah tangga maupun perkantoran. Tingginya kebutuhan akan listrik menyebabkan ketergantungan terhadap listrik semakin meningkat, sedangkan sumber energi listrik semakin hari semakin berkurang terutama yang menggunakan konversi energi fosil seperti minyak, batu bara dan gas. Masalah di atas juga dikemukakan oleh Wenny Juanita (2013) dalam harian SINDO, ia menjelaskan bahwa: Untuk masa depan dunia tengah dikhawatirkan dengan kian menipisnya energi fosil yang selama ini menjadi sumber energi utama untuk bahan bakar di berbagai sektor kehidupan, dari transportasi, industri hingga pembangkit listrik. Kekhawatiran inilah yang kemudian membuat banyak pihak berusaha mengembangkan energi alternative untuk mengendalikan ketergantungan terhadap energi fosil yang juga diharapkan menjadi inovasi yang dapat meningkatkan kesadaran akan potensi lingkungan. Dari pernyataan tersebut diketahui bahwa jumlah energi fosil makin lama semakin berkurang dan hal tersebut membuat harganya terus meningkat, salah satu upaya yang dapat ditempuh untuk mengurangi ketergantungan atas pembangkit listrik yang menggunakan energi fosil sebagai bahan bakar utama adalah pengembangan sistem pembangkit listrik alternatif yang sumber bahan bakar pembangkit utamanya bisa didapat secara bebas dan juga ramah lingkungan. [1] Beberapa contoh pembangkit listrik alternatif yang sedang berkembang adalah pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya, dimana sumber pembangkit listrik ini berasal dari angin dan cahaya matahari, yang ramah lingkungan dan ketersediaanya di alam sangat melimpah. Pada pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya dibutuhkan beberapa alat elektronik untuk mendukung kerja sistem seperti konverter DC-DC, konverter AC-DC, serta konverter AC-AC. Penelitian ini akan membahas konverter DC AC atau yang lebih dikenal dengan inverter. Inverter berfungsi untuk merubah tegangan listrik arus searah menjadi tegangan listrik arus bolak-balik. Salah satu implementasi dari inverter adalah sebagai alat pendukung untuk penyedia listrik cadangan di rumah tangga, yang digunakan sebagai emergency power atau sebagai alat pendukung pada pembangkit listrik alternative yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik di rumah tangga, sehingga ketergantungan terhadap sumber listrik dari PLN dapat diminimalisir. Inverter berfungsi untuk mengubah tegangan listrik arus searah pada baterai menjadi tegangan listrik arus bolak-balik. Energi listrik yang masuk pada baterai bersumber dari energi yang dihasilkan oleh hibrid dari dua pembangkit listrik yaitu pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya. Pembangkit listrik tenaga angin akan menghasilkan tegangan listrik arus bolak balik (AC) sehingga sebelum masuk ke baterai energi listrik terlebih dahulu akan disearahkan oleh converter controller, sedangkan pada pembangkit listrik tenaga surya akan menghasilkan tegangan dc, sebelum masuk ke baterai energi listrik ini juga akan dikendalikan oleh converter controller, tujuan dari penggunaan converter controller adalah untuk mengontrol tegangan sesuai dengan 33
tegangan sumber yang dibutuhkan baterai yaitu sebesar 24VDC. [2] Energi listrik arus searah yang disimpan di dalam baterai tidak dapat digunakan secara langsung, karena kebanyakan peralatan listrik seperti sistem penerangan dan sistem tenaga yang ada di rumah tangga memakai standar tegangan 220 VDC dengan frekuensi 50 Hz. Untuk mendapatkan listrik sesuai spesifikasi peralatan listrik yang digunakan, maka tegangan listrik dari baterai tersebut dikonversi terlebih dahulu dari tegangan arus searah (DC) menjadi tegangan listrik arus bolak-balik (AC) yang memiliki keluaran sebesar 220 VAC dengan frekuensi 50 Hz menggunakan inverter. Menurut Sukma[3] Pada umumnya, rangkaian inverter mengkonversi tegangan listrik DC menjadi tegangan AC yang berbentuk gelombang kotak (square wave), gelombang sinosoida yang tidak sempurna (modified sine wave) dan gelombang sinosoida murni (pure sine wave). Berdasarkan jenis-jenis gelombang di atas gelombang sinosida murni merupakan keluaran yang paling efisien untuk menyuplai beban. Namun untuk mendapatkan gelombang keluaran sinosoida murni dibutuhkan rangkaian yang komplek dan hal tersebut sulit untuk dicapai, sehingga pada penelitian ini peneliti merancang dan membuat inverter dengan gelombang output square wave. Dimana gelombang ini tetap menghasilkan frekuensi sesuai yang dibutuhkan untuk suplai ke beban. Berdasarkan latar belakang di atas, peneliti ingin merancang dan membuat inverter yang mampu menghasilkan gelombang keluaran kotak. Rangkaian inverter yang dibuat diharapkan dapat mengkonversikan tegangan 24 VDC pada baterai yang bersumber dari pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya menjadi tegangan AC dengan tegangan 220 Volt, frekuensi 50 Hz dan daya 500 watt. PENDEKATAN PEMECAHAN MASALAH Bahan dan Peralatan Penelitian ini dimulai dengan merancang inverter yang menkonversi tegangan DC 24 Volt menjadi tegangan AC 220 Volt dengan frekuensi 50 Hz, seperti yang ditampilkan pada gambar 1. Rangkaian inverter tersebut terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu bagian pembangkit pulsa, driver inverter dan penaik tegangan, berikut ini penjelasan masing-masing bagian dari inverter. a. Pembangkit Pulsa bagian ini berfungsi untuk menghasilkan frekuensi yang dibutuhkan oleh inverter yaitu sekitar 50-60 Hz, frekuensi ini dibangkitkan oleh IC CD4047, dimana IC tersebut bekerja sebagai multivibrator astabil yang menghasilkan dua sinyal kotak yang berbeda fasa 180 0, gelombang kotak yang dihasilkan digunakan untuk memberikan driver ke gate MOSFET. b. Driver Inverter Driver inverter ini diwakili oleh MOSFET, gate pada MOSFET akan dipicu oleh keluaran dari IC CD 4047. Driver inverter ini berfungsi untuk mengontrol sistem induksi pada trafo step up secara bergantian. Sehingga trafo step up akan mendapatkan induksi secara 2 arah dari titik CT. c. Trafo step up Trafo step up ini berfungsi untuk menaikan tegangan yang dihasilkan rangkaian inverter yaitu sebesar 24 Vdc menjadi 220 Vac. Penaik tegangan tersebut dilakukan oleh transformator jenis CT. 34
D2 R4 LED-RED R3 1.0K FU1 D3 C2 100n D1 1N4744A 2K 5 4 6 8 12 U1 AST AST -T +T RTRG 1A Q Q OSC 10 11 13 1N5400 C3 4700u B1 24V R1 47K R2 470K C1 8200pF 3 1 2 9 RCC CX RX MR 4047 R5 R6 R7 R8 R9 R10 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 TR1 R11 R12 R13 R14 R15 R16 TRAN-2P3S Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Gambar 1. Rancangan Inverter 1 Fasa Metode Pelaksanaan dan Pengukuran Pengolahan data pada pengujian dalam penelitian ini dilakukan menggunakan rumus daya semu, yaitu: S = V x I Dimana: S = Daya semua (VA) V = Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere) Beban yang digunakan adalah beban resistif seperti lampu, strika dan rice cooker, beban induktif seperti motor listrik dan kipas angin. Masing-masing beban dihunungkan ke inverter dan diukur tegangan dan arusnya. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini akan dibahas tentang hasil dan pembahasan rangkaian inverter satu phasa yang digunakan untuk melengkapi sistem dari hibrid pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya, penggunaan inverter bertujuan untuk memenuhi sumber listrik di rumah tangga 1. Pengujian tanpa beban Pada pengujian tanpa beban ini, peneliti akan melihat pada 3 bagian, yaitu bagian pembangkit pulsa, driver inverter dan keluaran trafo step up. a. Pembangkit pulsa Hasil pengujian dari rangkaian pembangkit pulsa dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Tegangan input dan output IC CD4047 No. Parameter yang Diukur Hasil Pengukuran 1. Tegangan Input 15.7 VDC 2. Tegangan Output (Pin 10) 3. Tegangan Output (Pin 11) 7.53 VDC 7.53 VDC 35
Gelombang output dari rangkaian pembangkit pulsa dapat dilihat pada gambar 2. Gambar 2. Gelombang output IC CD4047 Dari hasil pengukuran diketahui tegangan yang masuk ke IC CD4047 yaitu sebesar 15.7 VDC sedangkan tegangan dari baterai yaitu sebesar 24 VDC. Pada rangkaian ini dioda zener berperan sebagai regulator tegangan yang berfungsi untuk menstabilkan tegangan yang masuk ke IC CD4047. Tipe diode zener yang digunakan adalah 1N4744a. Berdasarkan datasheet, 1N4744a mampu menstabilkan tegangan pada posisi 15 Volt, sehingga besarnya tegangan yang masuk ke IC CD4047 dipertahankan konstan pada posisi 15 VDC. Berdasarkan spesifikasi pada IC CD4047 yang terdapat pada datasheet diketahui range tegangan input yang diizinkan yaitu sebesar -0.5 V sampai dengan 20 V. Jadi tegangan yang masuk ke IC CD4047 masih didalam ambang batas yang ditentukan untuk dijadikan tegangan input IC tersebut b. Driver inverter Pengujian driver ini berfungsi untuk mengetahui besarnya tegangan AC yang masuk ke bagian primer trafo. Jenis trafo yang digunakan merupakan trafo CT sehingga pada sisi primer trafo memiliki tiga input yaitu 24 V, CT, 24. Pengujian tegangan keluaran pada driver ini menggunakan multimeter digital, pengujian dilakukan dengan menghubungkan pin multimeter secara bergantian pada keluaran MOSFET yang memiliki 2 bagian. Setelah dilakukan pengukuran diperoleh tegangan sebesar 24.3 VAC untuk masingmasing keluaran MOSFET tersebut. Tegangan yang dihasilkan oleh keluaran MOSFET cukup untuk menginduksi transformator pada sisi 24 V trafo. c. Trafo step up Setelah dilakukan pengukuran, diketahui bahwa tegangan keluaran yang dihasilkan oleh trafo tersebut yaitu sebesar 250 VAC, dengan frekuensi sebesar 56.1 Hz. Gelombang output dari inverter dapat dilihat pada Gambar 4 di bawah ini. 2. Pengujian berbeban Pada pengujian berbeban ini yang ingin dilihat adalah perubahan tegangan output, arus output serta besarnya daya output yang dihasilkan. Hasil Pengujian untuk beban resistif dan induktif dapat dilihat pada tabel 2. Table 2: Hasil Pengukuran Inverter dengan Beban resistif dan kapasitif Beban 1 Lampu 100 2 Lampu 200 V O I O S O (Volt) (Amper) (VA) 235 0.4 94 225 0.85 184.5 36
3 Lampu 300 4 Lampu 400 5 Lampu 500 6. Setrika Listrik 250 7. Rice Cooker 350 8. Kipas Angin 50 9. Bor Listrik 500 220 1.28 281.6 215 1.76 378.4 210 2.2 462 215 1.1 242.9 5 210 1.59 333.9 240 0.2 48 220 2.25 495 Data-data pada tabel 2 merupakan hasil pengukuran dari pengujian inverter pada saat berbeban. Beban yang digunakan yaitu beban resistif dan beban induktif. Turunnya tegangan output inverter pada saat berbeban disebabkan oleh perubahan arus sekunder pada trafo. Arus sekunder pada trafo berubah seiring dengan penambahan beban yang dipasang pada inverter. Ketika beban bertambah, arus sekunder pada sisi trafo akan meningkat mempengaruhi tegangan keluaran pada sisi sekunder trafo. Daya maksimal yang dihasilkan oleh inverter berbeda antara beban resistif dan beban induktif. Ketika inverter diberi beban resistif sebesar 500 daya keluaran yang diperoleh yaitu sebesar 440, sedangkan beban induktif dengan jumlah beban yang sama, daya keluaran yang diperoleh yaitu sebesar 495. DAFTAR PUSTAKA [1] Fitzgerald,dkk.1992. Mesin- Mesin Listrik. Jakarta: Erlangga. [2] Rashid. 1999. Elektronika Daya. Jakarta: PT Prenhallindo. [3] Sukma Irawan, Darmawan. 2012. Pengembangan Inverter 12 Vdc ke 220 Vac 50 Hz Dengan Penguat Akhir H-bridge Mosfet. Depok : FT UI. KESIMPULAN Bentuk gelombang keluaran inverter yang dihasilkan berbentuk gelombang kotak (square wave), dengan frekuensi sekitar 56.2 Hz. Besarnya tegangan keluaran dari inverter ditentukan besarnya beban yang ditanggung oleh inverter. Karena perubahan beban menyebabkan impedansi, arus dan tegangan induksi pada bagian primer trafo berubah. Perubahan pada bagian primer trafo dapat 37