PROPOSAL TUGAS AKHIR

PENGARUH BENTUK GELOMBANG SINUS TERMODIFIKASI

(MODIFIED SINE WAVE) TERHADAP UNJUK KERJA MOTOR INDUKSI

SATU FASA PADA SISTEM PHOTOVOLTAIC

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Disusun Oleh:

ROBBY FIERDAUS

NIM. 0810630090

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2012

I. JUDUL

Judul dari Proyek : Soeprapto. Ir., MT.

Calon Pembimbing :

1.2.

Malang,KKDK Teknik Energi Elektrik

Wijono. Ir., MT., PhD.

Pengaruh Bentuk Gelombang Sinus Termodifikasi (Modified Sine Wave)

Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi Satu Fasa Pada Sistem Photovoltaic.

II. LATAR BELAKANG

Pengembangan dalam pembangkitan energi listrik telah sampai pada sebuah

system yang dapat dikelola sendiri. Penerapan pembangkitan energi ini telah

dikembangkan pada sistem pertanian yaitu pada pompa irigasi. Pompa untuk irigasi

lahan pertanian telah memanfaatkan energi matahari sebagai sumber energi dengan

memggunakan sistem photovoltaic. Energi listrik yang dibangkitkan oleh

photovoltaic akan melalui beberapa proses hingga dapat digunakan sebagai sumber

energi untuk pompa irigasi. Salah satunya adalah melalui proses konverter dari DC

ke AC dengan menggunakan alat berupa inverter. Inverter akan menghasilkan

tegangan dan arus bolak balik dengan proses Pulse Width Modulation (PWM).

Konverter ini dibutuhkan karena pada pompa irigasi kebanyakan menggunakan

motor AC, yaitu motor induksi satu fasa.

Inverter itu sendiri memiliki bermacam-macam jenis menurut gelombang

keluarannya, yaitu inverter pure sine wave, inverter square wave, dan inverter

modified sine wave. Pada kenyataannya sistem photovoltaic tidak banyak yang

menggunakan inverter jenis pure sine wave karena harganya yang tidak ekonomis

dan juga ketersedian barangnya pun cukup langka. Meskipun inverter ini sangat baik

dalam mengkonversi energi dari DC ke AC sehingga tidak terdapat harmonisa dari

tegangan maupun arus keluarannya seperti halnya pada tegangan PLN, inverter ini

jarang sekali digunakan pada sistem photovoltaic yang setingkat perumahan.

Sehingga pada sistem photovoltaic konvensional lebih banyak menggunakan inverter

modified sine wave dalam komponen inverter-nya, karena lebih mudah dalam

pembuatan serta cukup ekonomis.

Untuk inverter modified sine wave tidak akan bermasalah apabila digunakan

pada beban linier seperti lampu, karena pengaruh harmonisa yang dihasilkan oleh

inverter tidak akan banyak mempengaruhi kinerja dari beban linier tersebut. Akan

tetapi harmonisa yang ditimbulkan akibat switching dalam inverter, akan

berpengaruh pada beban-beban non-linier rumah, seperti motor-motor yang

digunakan pada AC, pompa air, dll. Bentuk modified sine wave ini memilki

1

harmonisa yang cukup besar sehingga akan berdampak pada beban non-linier seperti

motor. Harmonisa ini akan mempengaruhi faktor daya dari motor itu sendiri,

kenaikan dari rugi-rugi daya, dan bahkan sampai menurunkan efisiensi dari sistem.

Timbulnya harmonisa akan berdampak pada perubahan frekuensi. Untuk motor

dengan frekuensi yang berubah-ubah akan berpengaruh pada torsi motor itu sendiri.

Yang selanjutnya akan mempengaruh dari kinerja motor.

Besarnya pengaruh dari gelombang sinus termodifikasi ini terhadap unjuk kerja

motor induksi dalam sistem photovoltaic akan di evaluasi dalam skripsi ini melalui

perancangan inverter sederhana dengan beban motor induksi satu fasa. Yang

diharapakan dapat menjadi bahan pertimbangan untuk menentukan jenis inverter

maupun penggunaan jenis-jenis beban pada sistem photovoltaic.

III. RUMUSAN MASALAH

Berdasarkan uraian pada latar belakang di atas maka pembahasan dalam skripsi

ini ditekankan pada:

1. Bagaimana pengaruh gelombang sinus termodifikasi terhadap motor induksi

satu fasa dalam sistem photovoltaic?

2. Bagaimana efisiensi yang terjadi saat digunakan pada beban motor induksi satu

fasa?

3. Bagaimana rugi-rugi daya yang ditimbulkan oleh motor induksi satu fasa?

4. Bagaimana perubahan torsi motor induksi satu fasa yang diberi gelombang

sinus termodifikasi?

IV. BATASAN MASALAH

Berdasarkan penekanan pembahasan di atas maka ruang lingkup pada skripsi

ini adalah:

1. Pemodelan inverter pembentukan modified sine wave menggunakan inverter

PWM berbasis pemrograman yang sederhana.

2. Sumber DC yang digunakan untuk masukan inverter berasal dari sumber DC

yang ada di Laboratorium Elektronika Daya.

3. Pengaturan switching pada inverter menggunakan metode pulse width

modulation (PWM).

2

4. Motor yang digunakan adalah motor induksi satu fasa yang berada di

Laboratorium Elektronika Daya.

5. Mikrokontroler yang digunakan pada perancangan inverter sederhana adalah

ATMega8535.

6. Tidak membahas filter keluaran inverter.

7. Analisis dikhususkan saat motor induksi dalam kondisi berputar.

V. TUJUAN

Penelitian ini bertujuan untuk dapat mengevaluasi pengaruh dari gelombang

sinus termodifikasi (modified sine wave) terhadap unjuk kerja motor induksi pada

sistem photovoltaic.

VI. SISTEMATIKA PENULISAN

Sistematika penulisan dari skripsi ini adalah sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN

Berisi tentang uraian latar belakang, tujuan, batasan masalah,

rumusan masalah serta sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tinjauan pustaka atau dasar teori yang digunakan untuk

dasar penelitian yang dilakukan dan untuk mendukung

permasalahan yang diungkapkan meliputi teori komponen

semikonduktor, teori mesin elektrik , teori mikrokontroler serta

teori elektronika daya.

BAB III : METODE PENELITIAN

Berisi metode penelitian yang akan dilakukan,

meliputi metode yang digunakan, obyek

penelitian dan data yang diperlukan serta langkah

penelitian.

BAB IV : PEMODELAN

Berisi perancangan dan perealisasian sistem yang meliputi

spesifikasi, pemodelan blok-blok inverter dan pemodelan

beban.

3

BAB V : PENGUJIAN dan ANALISIS

Berisi penjelasan tentang cara pengujian dan hasil pengujian,

analisis terhadap masalah yang diajukan dalam skripsi dengan

memperhatikan hasil pengujian dan data yang diperoleh.

BAB VI : KESIMPULAN dan SARAN

Berisi kesimpulan dari tujuan skripsi yang akan

dibuat serta saran dari penulis.

VII. TINJAUAN PUSTAKA

Dalam sistem photovoltaic terdapat beban-beban non-linier yang sering

digunakan sebagai beban dari panel surya. Sedangkan inverter yang digunakan

kebanyakan inverter modified sine wave yang menghasilkan gelombang keluaran

yang tidak sinusoda murni. Tinjauan pustaka yang dapat mendukung analisis

terhadap beban yang non-linier meliputi modified sine wave, inverter, harmonisa,

motor induksi 1 fasa sebagai beban non-linier, serta komponen2 perancangan

inverter seperti mikrokontroler dan mosfet.

VII.1Modified Sine Wave

Pada awal penemuan teknologi inverter, bentuk gelombang keluaran yang

dihasilkan adalah square wave. Bentuk square wave atau gelombang kotak ini dapat

merusak peralatan listrik sehingga para pakar elektronika mengembangkan kembali

teknologi inverter agar aman untuk peralatan listrik yaitu dari bentuk square wave

menjadi modified sine wave yang aman untuk peralatan listrik. Meskipun bentuk

modified sine wave ini dapat digunakan untuk beban-beban yang memiliki kumparan

seperti pompa air, kulkas, air conditioner, dll. Bentuk ini akan meningkatkan rugi

daya sistem karena terdapat harmonisa didalamnya. Karena itu untuk

penyempurnaan bentuk gelombang ini, dilakukan pengembangan inverter untuk

menghasilkan bentuk pure sine wave yang dapat digunakan pada peralatan listrik apa

pun.

Sehingga bentuk gelombang keluaran dari inverter diklasifikasikan menjadi

tiga bentuk, yaitu pure sine wave, square wave, atau modified sine wave. Dari ketiga

bentuk tersebut, bentuk modified sine wave sering digunakan untuk sistem

4

photovoltaic. Bentuk gelombang yang tidak sinusoida murni ini memiliki harmonisa

akibat dari proses switching pada inverter. Bentuk gelombang dari ketiga jenis

inverter dengan besar tegangan 220 (tegangan PLN) dapat dilihat pada gambar

dibawah ini.

(a)

(b)

(c)

Gambar 1. a. Pure Sine Wave ; b. Square Wave ; c. Modified Sine Wave

VII.2Inverter

Konversi daya dari DC ke AC disebut dengan inverter. Tegangan masukan

inverter dapat berasal dari baterai, fuel cell, solar cell, atau sumber DC lainnya.

Frekuensi ataupun besar tegangan keluaran dari inverter bisa tetap atau berubah-

ubah. Variabel tegangan keluaran bisa ditentukan dengan mengubah-ubah masukan

DC ( terkontrol). Macam-macam tegangan masukan inverter biasanya 120 Volt

untuk frekuensi 60 Hz, 220 Volt untuk frekuensi 50 Hz, dan sebagainya.

5

Bentuk gelonbang tegangan keluaran dari inverter ideal adalah sinusoida

Namun dalam prakteknya gelombang keluaran inverter tidak sinusoida dan

mengandung harmonisa. Untuk penggunaan yang berdaya rendah sampai menengah

bentuk tegangan gelombang kotak masih dapat diterima sedangkan untuk aplikasi

berdaya tinggi, distorsi gelombang tegangan yang rendah sangat diperlukan.

Terdapat banyak jenis inverter salah satunya adalah inverter center tab. Inverter

ini memiliki konfigurasi rangkaian yang cukup sederhana, akan tetapi memiliki

kekurangan karena hanya baik jika digunakan untuk daya <1kW. Untuk rangkaian

sederhana dari inverter center tap dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2. Rangkaian Sederhana Inverter Tap Tengah

Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah mosfet (SW1 dan SW2) akan bekerja

secara bergantian atau on off bergantian. Aliran arus dari sumber DC akan

mengalirkan melewati tap tengah transformator dan kembali lagi melalui mosfet

yang aktif. Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 3. Prinsip Kerja Inverter Tap Tengah

6

Jadi pada kedua MOSFET akan diberikan sebuah sinyal kotak dengan lebar

dan amplitudo yang sama, yang akan di atur agar menghasilkan bentuk sinyal output

seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 4. Sinyal Keluaran MOSFET dan Transformator

Tegangan hasil dari konfigurasi ON-OFF MOSFET akan dinaikkan dengan

perbandingan n oleh transformator. Besarnya tegangan keluaran dari inverter tersebut

dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

V o=4

π √2

V DC

n(i)

n adalah perbandingan jumlah lilitan transformator primer/sekunder

Jika tegangan keluaran dari inverter berbentuk sinus murni, maka besarnya

sama dengan :

V o=4

π √2

V DC

nsin (ωt+θ ) (ii)

dengan :

ω : 2π f (rad)

θ : Sudut fase (o)

VII.2.1 Harmonisa

Cacat gelombang seperti gambar 5 yang disebabkan oleh interaksi antara

bentuk gelombang sinus sistem dengan komponen gelombang lain dikenal dengan

7

harmonisa yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan

integer dari komponen fundamentalnya. Pada gambar 5 terdapat gelombang

fundamental (gelombang ideal), gelombang harmonisa dan gelombang real yang

merupakan distorsi gelombang ideal oleh gelombang harmonisa. (Bradley, D.A,

1987)

Pada umumnya analisis terhadap sistem tenaga listrik dimodelkan sebagai

suatu sistem yang linear di mana sistem tersebut terdiri dari peralatan dan komponen

listrik yang pasif dengan tegangan dan frekuensi yang konstan dengan sumber

berbentuk gelombang sinusoidal. Tetapi dengan perkembangan beban listrik yang

semakin besar dan kompleks pada saat ini, terutama penggunaan beban-beban tak

linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya.

Kebanyakan beban beban non linier menarik arus non sinusoidal walaupun

disuplai dari sumber tegangan sinusoidal, dan akan menambah jumlah arus

harmonisa yang menginjeksi ke dalam sistem tenaga listrik.

Gambar 5. Bentuk Gelombang Harmonisa

VII.2.2 Analisa Harmonisa dengan Metode Fourier

Gelombang periodik yang tidak berbentuk sinusoida murni seperti halnya

modified sine wave dapat dinyatakan dalam jumlah seri harmonisa frekuensi dasar

yang dinyatakan dengan analisis persamaan Fourier sebagai berikut :

f ( ωt )=a0+∑n=1

∞

(an cosωnt+bn sin ωnt ) (iv)

8

dimana :

a0=2T∫0

T

f (ωt ) d (ωt ) (v)

an=2T∫0

T

f (ωt ) cos (nωt ) d (ωt ) (vi)

bn=2T∫0

T

f (ωt )sin ( nωt )d (ωt ) (vii)

Dalam menggunakan Metode Fourier ini terdapat syarat-syarat yang harus

dipenuhi agar dapat menguraikan fungsi peiodik menjadi fungsi-fungsi sinusoida

dengan frekuensi, amplitude, dan sudut fase tertentu, syarat-syarat tersebut

diantaranya :

1. Merupakan fungsi periodik f(ωt) = f(ωt+T) dengan T = periode

2. Merupakan fungsi kontinyu atau fungsi tak kontinyu dengan jumlah

diskontinyuitas yang tertentu selama satu periode.

3. Selama selang periode, fungsi harus mempunyai harga rata-rata tertentu

Dalam satu periode T, fungsi harus mempunyai harga maksimum atau

minimum yang jumlahnya tertentu.

VII.2.3 Total Harmonisa Distorsi

Kualitas dari sebuah gelombang jala-jala listrik biasanya dievaluasi dengan

mengikuti ketentuan dari parameter-parameter unjuk kerja. Ukuran bentuk

pendekatan antara bentuk jumlah rms gelombang harmonic dengan rms komponen

fundamentalnya biasa disebut total harmonisa distorsi. Dapat dinyatakan dalam arus

atau tegangan dengan perumusan sebagai berikut :

THD=√∑

n=1

∞

V n2

V 1

x100% (viii)

Dimana :

Vn = Besar tegangan harmonisa ke-n (Volt)

V1 = Besar tegangan fundamental (Volt)

9

Semakin kecil nilai THD maka semakin sedikit distorsinya. Bila nilai THD

sama dengan nol berarti gelombang sinus tidak terdistorsi sama sekali.

VII.3Motor Induksi Satu Fasa

Konstruksi motor induksi satu fasa terdiri atas dua komponen yaitu stator dan

rotor. Stator adalah bagian dari motor yang tidak bergerak dan rotor adalah bagian

yang bergerak yang bertumpu pada bantalan poros terhadap stator. Motor induksi

terdiri atas kumparan-kumparan stator dan rotor yang berfungsi membangkitkan gaya

gerak listrik akibat dari adanya arus listrik bolak-balik satu fasa yang melewati

kumparan-kumparan tersebut sehingga terjadi suatu interaksi induksi medan magnet

antara stator dan rotor.

Gambar 6. Konstruksi Motor Induksi

Konstruksi motor induksi terdiri dari :

1. Stator, bagian motor yang diam.

2. Rotor, bagian motor yang bergerak.

3. Celah udara, adalah ruangan antara stator dengan rotor.

Konstruksi stator, terdiri dari :

1. Rumah stator dari besi tuang.

2. Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.

3. Alur dan gigi materialnya sama dengan inti, alur tempat meletakkan belitan.

4. Belitan stator dari tembaga.

10

Konstruksi rotor, terdiri dari :

Inti rotor bahannya sama dengan ini stator.

1. Alur dan gigi materialnya sama dengan inti, alur tempat meletakkan belitan.

2. Belitan rotor bahannya dari tembaga, dari konstruksi lilitan akan memberikan

dua macam rotor, yaitu rotor sangkar dan rotor belitan.

3. Poros atau as.

VII.3.1 Prinsip Kerja Motor Induksi Satu Fasa

Apabila sumber tegangan dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan

putar dengan kecepatan ns.

ns=120 f

p(ix)

dengan

ns : kecepatan medan putar stator (rpm)

f : frekuensi sistem pada stator (Hz)

p : jumlah kutub pada stator

Medan putar stator akan memotong batang konduktor pada rotor sehingga

batang konduktor akan timbul gaya gerak listrik (ggl) induksi E2s.

E2s = 4,44.f2 .N2 (x)

dengan E2s merupakan tegangan induksi saat rotor berputar

Kemudian karena batang konduktor merupakan rangkaian tertutup, dengan

adanya ggl E2s maka akan timbul arus. Arus yang mengalir pada medan magnet akan

akan menimbulkan gaya Lorenz sebesar.

F = B.I.L (xi)

dengan B kerapatan medan dan L panjang rotor

Jika kopel mula yang dihasilkan oleh gaya lorenz F pada rotor cukup besar

untuk mengkopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.

11

Seperti yang telah dijelaskan tadi bahwa tegangan induksi timbul akibat perpotongan

batang konduktor (rotor) dengan medan putar stator. Sehingga untuk terus

menimbulkan tegangan induksi maka diperlukannya perbedaan relatif terhadap

medan putar stator (ns) dengan kecepatan putar rotor (nr). Hal ini biasa disebut slip

(s) yang dinyatakan dengan persamaan :

s=ns−nr

ns

x100 % (xii)

Bila nr = ns yang mengakibatkan slip bernilai 0 maka tidak akan menimbulkan

ggl, dan arus juga tidak akan mengalir pada batang konduktor. Dengan demikian

tidak akan menghasilkan kopel. Besar torsi yang dihasilkan oleh motor dirumuskan

dengan :

T d=Pout

ωr

(xiii)

dengan :

ωr=2 π nr

60

Pada motor induksi satu fasa, fluks magnet yang terbentuk pada sisi stator

hanya berganti arah dan tidak berputar. Sehingga harus dibentuk lilitan kedua yang

terpisah dari lilitan utama untuk membentuk medan magnet baru yang tidak sefasa

dengan medan magnet lilitan utama. Dan apabila motor telah berjalan, maka lilitan

kedua dapat dilepas.

VII.3.2 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Satu Fasa

Sebuah motor induksi dapat digambar melalui sebuah rangkaian listik yang

terlihat pada gambar 7. Rangkaian ekivalen motor induksi hampir sama dengan

rangkaian ekivalen transformator, dengan kumparan primer merupakan sisi stator

motor induksi dan kumparan sekunder merupakan sisi rotor motor induksi.

Rangkaian ini merupakan gambar rangkaian motor induksi pada sisi primer dengan

mengubah besaran-besaran pada sisi sekunder yang dibawa ke sisi primer melalui

rasio efektif antara stator dan rotor (a).

12

Gambar 7. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Rugi-rugi daya pada motor induksi dapat kita ketahui dengan cara mencari

daya masukan dengan daya keluaran. Karena besarnya daya masukan merupakan

penjumlah rugi-rugi daya dan daya keluaran motor. Dari daya keluaran dan daya

masukan dari motor induksi ini, maka dapat kita ketahui efisiensi dari motor induksi

ini.

Rumus mengitung daya input motor induksi :

P1 = V1.I1.cos ϕ (Watt) (xiv)

dimana

P1 : Daya input (Watt)

V1 : Tegangan input (Volt)

I1: Arus input (Ampere)

cos ϕ : Faktor kerja

dan perumusan untuk mencari efisiensi motor induksi :

η=Pout

P¿.100 % (xv)

VII.4Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation merupakan sebuah tipe modulasi dimana lebar pulsa

dapat diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan. Sebuah sinyal PWM memiliki bentuk

sinyal persegi ataupun sinusoida tergantung dari karakteristik benda yang dikontrol.

Secara umum pembentukan sinyal PWM didapatkan dari perbandingan

gelombang segitiga dengan sinyal pembanding. Perbandingan antara kedua sinyal ini

yang akan menentukan sinyal output menjadi high mauupun low. Apabila sinyal

13

pembanding lebih besar dari gelombang segitiga maka sinyal output akan menjadi

high dan jika sinyal pembanding lebih kecil dari gelombang segitiga, makan sinyal

output akan low. Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 8 : Proses Pembangkitan Sinyal PWM

Sumber : Diakses pada tanggal 30 January 2012

http://digilib.ittelkom.ac.id/index.php?

option=com_content&view=article&id=820:pwm-pulse-width-

modulation&catid=15:pemrosesan-sinyal&Itemid=14

VII.4.1 Pengaturan Sinyal PWM dengan Mikrokontroler

Proses pembangkitan sinyal PWM pada mikrokontroler memperhitungkan

beberapa hal di antaranya nilai resolusinya. Resolusi ini merupakan jumlah variasi

perubahan dalam PWM tersebut, misalnya resolusi 8 bit maka memilki variasi

perubahan sebanyak 2 pangkat 8 = 256 (0 – 256). Selain itu terdapat compare (nilai

pembanding), nilai ini merupakan nilai referensi duty cycle dari PWM tersebut. Nilai

compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari PWM.

Clear digunakan untuk penentuan jenis komparator apakah

komparator inverting atau  non-inverting. Mikrokontroler akan membandingkan

posisi gelombang segitiga dengan sinyal pembanding. Misalkan PWM diatur pada

kondisi  clear down, berarti apabila gelombang segitiga berada dibawah compare 

maka PWM akan mengeluarkan logika 0. Begitu pula sebaliknya apabila gelombang

segitiga berada diatas nilai compare maka PWM akan mengeluarkan logika 1. Lebar

sempitnya logika 1 ditentukan oleh  posisi compare, lebar sempitnya logika 1 itulah

yang menjadi nilai keluaran PWM dan kejadian ini terjadi secara harmonik terus-

14

menerus. Maka dari itu nilai compare inilah yang dijadikan nilai duty cycle PWM.

Clear Up adalah kebalikan (invers) dari Clear Down pada keluaran logikanya.

Gambar 9 : Proses Penentuan Sinyal PWM pada Mikrokontroler

Sumber : Diakses pada tanggal 30 January 2012

http://digilib.ittelkom.ac.id/index.php?

option=com_content&view=article&id=820:pwm-pulse-width-

modulation&catid=15:pemrosesan-sinyal&Itemid=14

Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM.

Nilai prescale bervariasi yaitu 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale

diset 64 berarti timer pada PWM akan menghitung 1 kali ketika clock pada

mikrokontroler (clock CPU) sudah menghitung 64 kali. Periode dari PWM dapat

dihitung menggunakan rumus :

T=( 1clock CPU )x Prescale x Resolusi (xx)

VII.4.2 Perhitungan Duty Cycle PWM

Dalam pengaturan lebar pulsa on dan off pada satu peroide gelombang melalui

pemberian besar sinyal pembanding dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang

diinginkan. Duty Cycle pada PWM dapat dinyatakan sebagai berikut ;

15

duty cycle=t on

t on+t off

x100 % (xxi)

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengaturan akan dilewatkan

seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka tegangan yang dirasakan 100V.

pada  duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya  akan diberikan 50% dari total

tegangan yang ada.

VII.5Mikrokontroler ATMega 8535

Mikrokontroler ATMega 8535 merupakan mikrokontroler AVR 8 bit buatan

ATMEL terintegrasi dalam satu buah keping IC (Integrated Circuit). AVR

menggunakan arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. AVR

pertama kali diperkenalkan pada tahun 1996.

AVR mengkombinasikan arsitektur RISC, memori flash internal dan jumlah

register yang besar (32 buah) untuk memperoleh ukuran kode program, kinerja

dan konsumsi daya yang optimal. Sebagian besar instruksi AVR dieksekusi

dalam satu siklus clock. Kelebihan lainnya, arsitektur AVR dirancang untuk bekerja

secara efisien menggunakan bahasa tingkat tinggi C.

AVR menggunakan konsep arsitektur Harvard dengan memori dan bus terpisah

untuk data dan program. Lebar bus program pada AVR adalah 16 bit, sedangkan

lebar bus data adalah 8 bit. Memori program dieksekusi dengan pipeline satu

tingkat. Saat instruksi sedang dieksekusi, instruksi selanjutnya dibaca dari memori

program. Konsep ini memungkinkan instruksi dieksekusi dalam tiap-tiap siklus

clock.

Mikrokontroler ini terdiri atas CPU, on chip clock, timer, paralel dan serial I/O,

RAM (Random Acesses Memory), dan EEPROM (Electrical Erasable Programmable

Read Only Memory). Mikrokontroler ATMega8 adalah sebuah mikrokontroler

CMOS 8-bit performa tinggi yang hemat daya dengan 8 kbytes downloadable Flash

programmable and erasable read-only memory (Flash PEROM) dan 512 bytes

EEPROM dan 1 kbytes SRAM internal.

Mikrokontroler ini dibuat menggunakan teknologi high-density nonvolatile

memory milik Atmel. On-chip downloadable Flash memungkinkan memori

program untuk diprogram ulang di dalam sistem melalui sebuah antarmuka

16

serial SPI atau dengan sebuah programmer memori nonvolatile yang konvensional.

Dilengkapi dengan 6 ADC (Analog to Digital Converter) internal dengan 4 ADC 10

bit dan 2 ADC 8 bit. Untuk pin-pin dari mikrokontroler ATMega8 dapat dilihat

dalam Gambar dibawah ini.

Gambar 10 : Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega8535

Sumber : Sumber : www.atmel.com/literatur

Penjelasan masing-masing pin:

1. VCC : Power supply

2. GND : Ground

3. AREF : Analog input referensi untuk ADC

4. AVCC : Power supply untuk ADC

5. RESET : Merupakan pin yang digunakan untuk me-reset

mikrokontroler.

6. XTAL1 : Input untuk inverting oscillator amplifier dan input bagi

clock internal

7. XTAL2 : Output inverting oscillator amplifier.

8. PORT A : Port A merupakan Port I/O 8 bit dua arah dengan pull-up

internal sekaligus sebagai input analog untuk ADC.

9. PORT B Port B merupakan Port I/O dua arah

17

10. PORT C Port C merupakan Port I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu TWI,

komparator analog, dan Timer Oscillator.

11. PORT D Port D merupakan Port I/O dua arah

Mikrokontroler ATMega 8 dilengkapi dengan fasilitas-fasilitas sebagai berikut:

32x8 bit register serbaguna;

8 Kbyte Downloadable Flash memori;

512 byte EEPROM;

512 bytes SRAM internal;

8 ADC (Analog to Digital Converter);

4 buah PWM;

Analog komparator;

32 programmable I/O;

40 pin PDIP;

44 lead TQFP;

44 pad MLF;

1 buah timer/counter 16 bit;

2 buah timer/counter 8 bit;

programmable UART (serial port);

SPI serial interface;

Programmable watchdog timer;

Internal osilator;

Frekuensi kerja 0 sampai 16 MHz; dan

Tegangan operasi antara 4,5 volt sampai 5,5 volt

VII.6Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)

Tidak seperti BJT (Bipolar Junction Transistor), mosfet termasuk dalam

keluarga unipolar devices, karena dalam konduksinya hanya menggunakan

pembawa mayor. Simbol untuk tipe p- dan n-channel enhancement dan depletion

ditunjukkan pada Gambar 12. Gambar 13 menunjukkan karakteristik i-v untuk tipe

n-channel enhacement MOSFET. MOSFET adalah peralatan pensaklaran yang

18

tercepat, dengan frekuensi pensaklaran mencapai satuan MHz dan dengan rating

tegangan mencapai 600V serta rating arus mencapai 40A.

Gambar 11 : Simbol MOSFET

a) EMOSFET tipe N; b) EMOSFET tipe P;

c) DMOSFET tipe N; d) DMOSFET tipe P

Sumber : Rashid (2001 : 81)

19

Gambar 12 : Karakteristik i-v untuk Tipe n-channel enhacement MOSFET

a) EMOSFET tipe N; b) Karakteristik i – v

Sumber : Rashid (2001 : 81)

Tidak seperti komponen bipolar yang dikontrol arus yang membutuhkan

arus basis untuk membuat arus di kolektor dapat mengalir, komponen power

MOSFET adalah komponen unipolar yang dikontrol tegangan dan hanya

membutuhkan arus gate yang kecil. Sehingga, hanya membutuhkan daya kontrol

yang lebih kecil dari BJT. Namun, karena MOSFET bukan latching current

seperti BJT, maka tegangan gate harus dijaga. Selain itu, karena hanya pembawa

mayor saja yang berkontribusi pada aliran arus, MOSFET melampaui komponen lain

dalam kecepatan pensaklaran, yang dapat mencapai beberapa megahertz. Jika

dibandingkan lagi antara MOSFET dengan BJT, BJT memiliki kemampuan

melewatkan daya yang lebih besar dan kecepatan pensaklaran yang lebih rendah,

sementara MOSFET memiliki kemampuan melewatkan daya yang lebih kecil dan

kecepatan pensaklaran yang relatif lebih tinggi. MOSFET memiliki resistansi on-

20

state yang lebih besar dari BJT. Perbedaan lainya adalah BJT lebih sensitif pada

temperatur komponen daripada MOSFET.

VIII. METODOLOGI PENELITIAN

VIII.1 Studi Literatur

Studi literatur mengacu pada spesifikasi yang dibuat untuk memahami

komponen dan untuk memahami teknik – teknik yang diperlukan untuk

merealisasikan alat. Studi literatur meliputi prinsip kerja dari inverter PWM 1 fasa

beserta Mikrokontroler ATMega8535 serta karakteristik beban non-linier yang

diibaratkan sebagai motor induksi 1 fasa.

VIII.2 Perancangan Sistem

Rangkaian yang direncanakan dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 13 : Circuit Diagram Rangkaian

Fungsi dari masing-masing bagian ialah :

1. Mikrokontroler digunakan untuk membangkitkan sinyal PWM untuk

MOSFET.

21

2. MOSFET digunakan untuk proses switching dalam pembentukan

gelombang sinus modifikasi.

3. Transformator difungsikan untuk menaikan tegangan agar sesuai dengan

tegangan beban.

Penjelasan dari circuit diagram rangkaian diatas adalah :

1. Tegangan 12 Volt didapatkan dari sumber tegangan DC yang berada di

Laboratorium Elektronika Daya, tegangan ini akan memberikan supply

tegangan mikrokontroler dan juga menjadi tegangan referensi pada

transformator.

2. Regulator LM7805 ini akan mengubah tegangan sumber 12 Volt menjadi

5 Volt sesuai kebutuhan mikrokontroler ATMega8535. Komponen R1

dan C1 sangat penting karena berfungsi untuk melindungi mikrokontroler

dari lonjakan tegangan yang tiba-tiba besarnya adalah R1 = 47 ohm, C1

= 1000 mikroF. Dan untuk komponen C2 = 0,22 mikroF, C3 = 0,1

mikroF, dan C4 = 100 mikroF.

3. Mikrokontroler ATMega8535 akan memberikan sinyal PWM pada

MOSFET dengan frekuensi tertentu sesuai kebutuhan secara bergantian

pada MOSFET 1 dan MOSFET 2. PWM pada kedua pin di atur agar

menghasilkan duty cycle sebesar 25% dengan frekuensi yang konstan,

yaitu sebesar 50Hz. Sehingga kedua pin, yaitu pin 18 dan pin 19 akan

menghasilkan gelombang kotak dengan periode ON sebesar 5 ms dan

periode OFF sebesar 15 ms. Dan tegangan maksimum yang dihasilkan

sebesar 5 Volt. MOSFET yang digunakan adalah tipe IRFZ44N dengan

pembagi tegangan R2 = R3 = 470 ohm dan R4 = R5 = 22 Kohm.

4. Transformator akan menaikkan tegangan dari hasil switching MOSFET

menjadi rentang tegangan mencapai 240 Volt AC. Dan daya mencapai

1000 Watt.

5. Filter akan berfungsi untuk menurunkan tingkat harmonisa dari tegangan

yang dihasilkan oleh transformator. Sehingga filter diletakan pada sisi

sekunder trafo. Penentuan jenis dan komponen dari filter ini, tergantung

dari besar frekuensi maksimum harmonisa serta besar frekuensi yang

22

diinginkan. Karena jenis-jenis filter di kelompokan berdasarkan

tanggapan frekuensinya.

6. Load atau beban yang digunakan merupakan beban non-linier. Untuk

beban non-linier yang banyak dijumpai pada sistem photovoltaic

diibaratkan sebagai motot induksi 1 fasa.

Bentuk gelombang hasil keluaran inverter adalah sebagai berikut :

Gambar14. Gelombang Hasil Keluaran Inverter

VIII.3 Pembuatan Alat

VIII.3.1 Perangkat Keras

Pembuatan alat dilakukan per blok rangkaian terlebih dahulu. Pembuatan alat

untuk perangkat keras meliputi pembuatan PCB, pembuatan lay out, pengetesan dan

pengeboran). Perakitan komponen dan penyolderan dilakukan pada PCB.

VIII.3.2 Perangkat Lunak

Pembuatan perangkat lunak didasarkan pada prinsip kerja rangkaian, sehingga

pemrogram dirancang untuk menghasilkan gelombang kotak dengan frekuensi 50

23

Hz. Pemrograman akan mengatur agar kedua MOSFET aktif secara bergantian.

Pembuatan program menggunakan bahasa C dengan software C&AVR.

VIII.4 Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dilakukan pada perancangan alat dengan melihat hasil keluaran

gelombang melalui osiloskop. Melalui osiloskop dapat dilihat sejauh mana

perubahan frekuensi akibat harmonisa. Kemudian dilakukan pengambilan data

besarnya frekuensi dari tiap-tiap harmonisa. Pengujian juga dilakukan pada torsi

motor terhadap frekuensi akibat adanya harmonisa tersebut. Selain itu akan diambil

data untuk menghitung besarnya kenaikan rugi-rugi daya yang terjadi saat ada

harmonisa dari modified sine wave.

VIII.5 Analisis Hasil dan Pembuatan Kesimpulan

Dari persamaan (iv) akan diturunkan untuk mendapatkan tegangan harmonisa

ke-n oleh gelombang yang dihasilkan inverter yaitu modified sine wave seperti pada

gambar 1.c. Penurunan metode fourier tersebut dapat dilihat sebagai berikut :

v (ωt )=¿

Dari persamaan gelombang tersebut nilai A merupakan Vp pada modified sine

wave, selanjutnya :

a0=1T∫0

T

v (ωt )d (ωt )

a0=1T∫18

T

38

T

A d (ωt )+ 1T∫58

T

78

T

−A d (ωt )

a0=AωtT |

3 /8T

1/8 T− AωtT |

7 /8T5 /8T

a0=−A

8

24

an=2T∫0

T

v (ωt )cos (n ωt )d (ωt )

an=2T∫18

T

38

T

A cos (n ωt ) d ( ωt )+ 2T∫58

T

78

T

−A cos (n ωt )d (ωt )

an=2 AnT

sin (nωt )|38

T

18

T− 2 AnT

sin (nωt )|78

T

58

T

an=A

nπ (sin(nπ34 )−sin(nπ

14 )−sin(n π

74 )+sin (n π

54 ))

bn=2T∫0

T

v ( ωt )sin (n ωt ) d (ωt )

bn=2T∫18

T

38

T

A sin (ωt ) d (ωt )+ 2T∫58

T

78

T

−A sin (ωt ) d (ωt )

bn=2 AnT

cos (nωt )|18

T

38

T−2 AnT

cos (nωt )|58

T

78

T

bn=A

nπ (cos(nπ14 )−cos (nπ

34 )−cos (nπ

54 )+cos (nπ

74 ))

Sehingga tegangan harmonisa ke-n untuk modified sine wave adalah sebagai

berikut :

v (ωt )=−A8

+∑n=1

∞ ( Anπ (sin(n π

34 )– sin(n π

14 )– sin(nπ

74 )+sin(nπ

54 )cos (nωt ))

+ Anπ (cos(nπ

14 )−cos (nπ

34 )−cos (nπ

54 )+cos (nπ

74 ))sin (nωt ))

25

Persamaan tegangan ini yang akan digunakan untuk menentukan berapa besar rugi-

rugi, efisiensi, dan juga torsi motor induksi satu fasa itu. Bentuk dari gelombang harmonisa

yang ditimbulkan oleh modified sine wave, terlihat pada grafik dibawah ini melalui

perhitungan harmonisa ke-1 sampai ke-3 menggunakan persamaan v (ωt ) yang terlihat

pada table 1.

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-440

-330

-220

-110

0

110

220

330Gelombang Harmonisa

Harmonisa ke-15

ωt (°)

v(ωt) (Volt)

Grafik 1. Gelombang Harmonisa ke-15 Modified Sine Wave

Gambar 15. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Dari besarnya tegangan yang terjadi akibat bentuk modified sine wave maka

dapat ditentukan besarnya daya masukan motor induksi satu fasa dengan rumus :

26

P¿=v (ωt )2

Rc . j X M

Rc+ j X M

x ( j X2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j XM

+( j X2+R2

s)+R1+ jX 1

Gambar 16. Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen

Z1=R1+ jX 1

Z2=

Rc . j XM

Rc+ j X M

x ( j X 2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j X M

+( j X2+R2

s)

Sehingga untuk daya keluaran motor digunakan persamaan :

Pout=

( R2

sR2

s+ jX 2

x

Rc . j X M

Rc+ j XM

x( j X2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j X M

+( j X2+R2

s)

Rc . j XM

Rc+ j X M

x ( j X 2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j X M

+( j X2+R2

s)+ R1+ jX 1

v (ωt ))2

R2

(1−s )s

Dan untuk pengaruh dari gelombang sinus termodifikasi terhadap torsi motor

induksi, dapat diperhitungkan melalui persamaan torsi :

T d=Pout

ωrω=

2 π nr

60

27

Dimana :

Td : Torsi (Nm)

Pout : Daya keluaran (Watt)

ω : Kecepatan sudut putar

nr : Kecepatan motor (rps)

Rugi-rugi daya yang terjadi pada motor induksi ini meliputi rugi-rugi daya

pada rotor dan stator. Melalui rangkaian ekivalen diatas dapat ditentukan rugi-rugi

daya dengan menggunakan persamaan :

Plosses=v (ωt )2

Rc . j X M

Rc+ j X M

x ( j X2+R2

s)

Rc . j XM

Rc+ j X M

+( j X 2+R2

s)+R1+ jX1

−

( R2

sR2

s+ jX 2

x

Rc . j X M

Rc+ j X M

x ( j X2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j XM

+( j X2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j XM

x( j X2+R2

s)

Rc . j X M

Rc+ j X M

+( j X2+R2

s)+R1+ jX1

v (ωt ))2

R2

(1−s)s

Selain itu parameter yang paling penting dalam sebuah sistem adalah efisiensi

dari sistem tersebut, sehingga dapat diketahui apakah sistem tersebut cukup efisien

dalam kinerjanya. Karena efisiensi juga menunjukkan rugi-rugi daya yang

dikonsumsi oleh sistem tersebut, disini sistem tersebut berupa motor induksi.

Perhitungan efisiensi dari motor induksi adalah :

η=Pout

Pout+P losses

.100 %

Dari data-data yang telah didapatkan selanjutnya dilakukan analisis terhadap

dampak-dampak yang ditimbulkan akibat modified sine wave terhadap beban non-

linier atau pada penelitian ini pada motor induksi satu fasa. Langkah pertama analisis

dilakukan dengan melihat sejauh mana perubahan putaran motor induksi saat diberi

tegangan dengan gelombang modified sine wave dengan saat diberi tegangan PLN

28

(pure sine wave). Dari sini akan di analisis berdasarkan perhitungan-perhitungan

pada motor induksi satu fasa, mulai dari perhitungan frekuensi sampai dengan

perhitungan rugi-rugi daya. Data hasil penilitian ini akan dibuat grafik P losses(f) yaitu

rugi-rugi daya fungsi harmonisa ke-n. seperti contoh dibawah ini.

0 1 2 3 4 50

100

200

300

400

500

Grafik Plosses(fn)

Harmonisa ke-

Daya

Gambar 17. Grafik Plosses(fn)

Sehingga dari hasil analisis terhadap grafik rugi-rugi daya diatas, akan ditarik

sebuah kesimpulan dari penelitian ini.

IX. RENCANA KEGIATAN

Kegiatan penyusunan skripsi ini direncankan selama 4 bulan dengan perincian

kegiatan setiap bulan seperti pada table di bawah ini.

NO Nama Kegiatan Bulan 1 Bulan 2 Bulan 3 Bulan 4

1 Pengajuan Proposal

2 Studi Literarur

3 Pemodelan Alat

4 Pengambilan Data dan Analisis

5 Penyusunan Laporan

6 Seminar Hasil

29

DAFTAR PUSTAKA

Rashid, Muhammad H. 2001. Power Electronics Handbook. London: Academic

Press.

http://indone5ia.wordpress.com/2011/09/23/rangkaian-elektronika-daya-inverter-

mengubah-tegangan-dc-ac/2/

http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_ckt30.htm

http://www.simplecircuitsandprojects.com/circuits/power-inverter.html

http://www.rvtechlibrary.com/electrical/sinewave.htm

http://staff.ui.ac.id/internal/040603019/material/presentationinductionmotor.pdf

http://www.scribd.com/doc/50045535/24/Daya-Motor-Induksi

http://dc149.4shared.com/doc/y6r8hbyq/preview.html

http://digilib.petra.ac.id/viewer.php?

submit.x=17&submit.y=22&submit=prev&page=2&qual=high&submitval=

prev&fname=%2Fjiunkpe%2Fs1%2Felkt%2F2000%2Fjiunkpe-ns-s1-2000-

23492097-10580-running-chapter3.pdf

30

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI.........................................................................................................i

I. JUDUL..................................................................................................................1

II. LATAR BELAKANG...........................................................................................1

III. RUMUSAN MASALAH......................................................................................2

IV. BATASAN MASALAH.......................................................................................2

V. TUJUAN................................................................................................................2

VI. SISTEMATIKA PENULISAN.............................................................................2

VII. TINJAUAN PUSTAKA........................................................................................3

7.1. Battery Control Unit (BCU).............................................................................4

7.1.1. Charging Mode Battery Control Unit...........................................................5

7.2. DC-DC Converter.............................................................................................5

7.2.1. Prinsip Kerja Buck-Bosst Converter.............................................................7

7.2.2. Komponen dalam Buck-Boost Converter.....................................................8

7.2.3. Ripple Tegangan Output...............................................................................9

7.3. Pulse Width Modulation (PWM)......................................................................10

7.3.1. Pengaturan Sinyal PWM dengan Mikrokontroler.........................................10

7.3.2. Perhitungan Duty Cycle PWM......................................................................12

7.4. Maximum Power Point Tracker (MPPT).........................................................12

7.5. Mikrokontroler ATMega8................................................................................14

7.6. Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor (MOSFET)......................17

VIII. METODE PENULISAN.......................................................................................19

8.1. Penentuan Spesifikasi Komponen....................................................................19

8.2. Studi Literatur...................................................................................................19

8.3. Perancangan Alat..............................................................................................19

8.3.1. Algoritma Pengontrolan................................................................................21

8.4. Pembuatan Alat.................................................................................................22

31

8.4.1. Perangkat Keras............................................................................................22

8.4.2. Perangkat Lunak...........................................................................................22

8.5. Pengujian Alat..................................................................................................22

IX. RENCANA KEGIATAN......................................................................................23

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................24

32