Rancang Bangun Inverter Satu Fasa 1000VA

Rancang Bangun Inverter Satu Fasa 1000VA
Berbasis Mikrokontroller ATMEGA 8535


I. Pendahuluan

A. Latar Belakang Masalah
Kebutuhan energi makin hari akan semakin meningkat, seiring pertumbuhan ekonomi dan peradaban manusia. Salah satu energi yang dibutuhkan oleh masyarakat di dunia adalah energi listrik. Produksi energi listrik pada saat ini pada umumnya menggunakan energi fosil seperti minyak bumi dan batubara, serta gas bumi. Namun, energi fosil tersebut merupakan salah satu energi yang tidak dapat diperbarui atau dengan kata lain suatu saat pasti akan habis persediaannya.
Proses penelitian energi yang terbarukan telah dimulai sejak lama. Terdapat beberapa energi terbarukan yang telah dikembangkan menjadi penghasil energi listrik, yaitu tenaga angin dan tenaga surya, yang memerlukan peralatan tambahan yaitu alat pengendali dalam proses pembangkitan energi listrik dan alat penyimpan energi listrik dalam bentuk baterai sehingga cadangan energi listrik tetap tersedia.
Energi listrik yang dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya berupa tegangan DC sebesar 12 Volt, yang kemudian disimpan di dalam akumulator, yang berfungsi sebagai baterai penyimpan energi listrik. Untuk mengubah tegangan DC 12 Volt menjadi tegangan AC 220 Volt digunakan inverter. Perancangan inverter telah banyak diteliti oleh pada ahli, sesuai dengan spesifikasi dan tujuan penggunaannya. Dalam aplikasinya, alat ini dapat dipakai pada pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya dalam skala kecil.
Penelitian ini merupakan penelitian yang dilakukan untuk merancang dan merealisasikan inverter satu fasa dengan daya 1000VA berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 yang berfungsi untuk mengendalikan sinyal PWM untuk mengatur frekuensinya. Pertimbangan ekonomis dimasukkan dalam penelitian ini, sehingga didapatkan inverter yang berkualitas dengan komponen-komponen yang murah sehingga lebih ekonomis.
B. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini antara lain:
1. Melakukan perancangan inverter satu fasa dengan daya output sebesar 1000VA.
2. Melakukan pembuatan inverter satu fasa dengan daya output sebesar 1000VA.
3. Inverter satu fasa 1000VA dapat diaplikasikan pada pembangkit listrik tenaga surya dan tenaga angin dalam skala kecil
4. Inverter satu fasa 1000VA dapat dirancang dengan komponen-komponen yang murah sehingga lebih ekonomis.
C. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan pada penelitian dan penulisan Tugas Akhir ini adalah diperolehnya suatu alat berupa inverter satu fasa dengan daya output 1000VA yang dapat digunakan sebagai sumber energi listrik utama atau cadangan yang bersumber dari akumuator 12 Volt DC, yang dapat diaplikasikan pada pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga surya yang bersifat mikro, atau dapat diaplikasikan di rumah tangga sebagai tenaga listrik cadangan dengan biaya yang ekonomis.
D. Batasan Masalah
Tugas Akhir ini membahas tentang mekanisme perancangan dan pembuatan suatu alat berupa inverter satu fasa dengan daya output 1000VA dengan batasan masalah sebagai berikut:
1. Sumber listrik input pada inverter merupakan tegangan DC sebesar 12 Volt.
2. Hasil energi listrik output pada inverter merupakan tegangan AC sebesar 220 Volt dengan daya output sebesar 1000VA.
3. Proses pembangkitan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) pada inverter dilakukan melalui pemrograman mikrokontroler ATMEGA8535
4. Tidak membahas bentuk sinyal output dan harmonisa pada output inverter.
E. Rumusan Masalah
Penelitian Tugas Akhir ini bertujuan untuk merancang dan merealisasikan sebuah inverter satu fasa 1000VA, yang dapat mengubah tegangan DC 12 Volt menjadi tegangan AC 220 Volt, yang dapat dipakai oleh masyarakat umum. Akan tetapi, dalam proses perancangannya dilakukan eksperimen/percobaan untuk memperoleh rangkaian implementasi yang tepat dan dapat digunakan pada proses perancangan, proses pembangkitan sinyal PWM yang merupakan bagian dari pengendali inverter berbasis mikrokontroler.
Pada penelitian inverter satu fasa 1000VA ini dilakukan dengan menggunakan komponen-komponen elektronik yang umum dijumpai di pasaran sehingga memiliki harga yang jauh lebih murah dan diharapkan dapat dihasilkan produk yang berdasarkan referensi ilmu pengetahuan yang disesuaikan dengan perkembangan teknologi sehingga diupayakan untuk tidak mengurangi aspek akurasi dan keandalannya.
F. Hipotesis
Terdapat beberapa perkiraan mengenai hasil penelitian yang akan dilakukan, yaitu :
1. Proses pembangkitan sinyal PWM yang merupakan bagian dari pengendalian inverter satu fasa 1000VA dapat dilakukan melalui pemrograman mikrokontroler ATMEGA8535.
2. Penggunaan transformator pulsa dengan mengakibatkan alat ini dirancang menggunakan frekuensi tinggi sehingga ukuran transformator yang digunakan relatif lebih kecil dibandingkan dengan transformator konvensional. Output alat ini tetap pada frekuensi 50 Hz.
3. Proteksi internal pada inverter satu fasa 1000VA menggunakan fuse rating arus tertentu, sehingga jika terjadi beban berlebih yang mengakibatkan arus berlebih, inverter satu fasa 1000VA tetap aman dan diminimalisir dari kerusakan.


II. TEORI DASAR

A. Inverter [1]
Yang dimaksud dengan inverter di sini adalah suatu rangkaian yang mampu mengubah tegangan dc menjadi ac. Ada dua jenis inverter yang umum digunakan pada sistem tenaga listrik yaitu:
(1) Inverter dengan frekuensi dan tegangan keluar yang konstan CVCF (Constant Voltage Constant Frequency)
(2) Inverter dengan frekuensi dan tegangan keluaran yang berubah-ubah. Umumnya inverter dengan frekuensi dan tegangan keluaran yang berubah-ubah digunakan pada pemakaian khusus seperti pemakaian pompa listrik 3 fasa dengan menggunakan sumber tegangan dc. Kerugian cara ini adalah bahwa sistem hanya dapat digunakan pada pemakaian khusus saja, sedangkan keuntungannya adalah kemampuannya untuk menggerakkan sistem (beban) dengan sumber yang berubah-ubah seperti misalnya photovoltaic atau solar cell.
Inverter Satu Fasa
Yang akan dijelaskan di sini adalah inverter dengan frekuensi dan tegangan konstan dan dengan menggunakan komponen SCR sebagai pembangkit tegangan ac-nya, dengan kemampuan menyalurkan daya yang cukup besar, meskipun tegangan output yang dihasilkan tidak begitu murni. Rangkaian dasar inverter ini terlihat pada gambar di bawah ini dengan cara kerja sebagai berikut:





Gambar 1. Rangkaian dasar inverter
Anggap bahwa kedua SCR dalam keadaan off. Kemudian SCR1 dinyalakan dengan memberikan pulsa trigger pada gerbang Ig1. dengan adanya tegangan pada kumparan 1-2 sebesar +Vdc, maka kumparan 2-3 akan terinduksi juga sebesar +Vdc. Jadi tegangan yang terbentuk pada kapasitor C adalah sebesar +2Vdc. Terjadinya aliran arus dan tegangan pada saat SCR1 on. Selanjutnya SCR2 dinyalakan. Dengan penyalaan SCR2 ini, tegangan di titik b sama dengan Vdc. Dengan sifat kapasitor yang menyatakan bahwa tegangan (muatan = Q) yang ada pada kapasitor tersebut tidak dapat berubah dengan tiba-tiba, maka pada saat titik b mencapai +Vdc, tegangan yang tampak pada titik a adalah +3Vdc (Vab = Va – Vb) atau Va = Vb + Vab = Vdc + 2Vdc = 3Vdc, Vab = tegangan kapasitor sesaat sebelum SCR2 on, yaitu = 2Vdc. Dengan kondisi SCR2 on, SCR1 off. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: Pada saat SCR2 on, tegangan di titik b sama dengan tegangan di titik c (Vb = Vc) = Vdc. Sedangkan Va = 3Vdc. Artinya tegangan katoda SCR1 (titik a lebih positif daripada tegangan anoda SCR1 di titik c).
Sesuai dengan karakteristik SCR, maka hal ini akan menyebabkan SCR1 off. Hal lain yang terjadi akibat SCR2 on adalah terjadinya perubahan tegangan pada kumparan transformator yaitu tegangan di titik 2 = 0 (V32 = Vdc) dan kumparan 1-2 terinduksi tegangan sebesar V21 = Vdc. Sejalan dengan perubahan tegangan pada kumparan tersebut, maka kapasitor yang semula mempunyai tegangan Vab = +3Vdc akan berusaha mengubah tegangannya menjadi Vab = -2Vdc, yaitu dengan terjadinya alirana rus charging pada kapasitor c dari titik b ke titik a  kumparan 1  2 dan 3. untuk mengulangi proses di atas, maka SCR1 kembali di-trigger, sehingga dengan SCR1 on, SCR2 kembali off (sebab tegangan katoda dari SCR2 (titik b) lebih positif daripada tegangan anoda SCR2 (titik c = titik a). Selanjutnya prosesnya sama dengan yang telah dijelaskan di atas. Bentuk tegangan SCR1, SCR2, Vc(t) dan Ic(t) dapat dilihat pada gambar di bawah ini.







Gambar 2. Rangkaian ketika SCR2 on








Gambar 3. Rangkaian ketika SCR1 on















Gambar 4. Kondisi sinyal SCR1 dan SCR2
B. Transformator [1]
Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Transformator digunakan secara luas, baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai, dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh.
Dalam bidang elektronika, transformator digunakan antara lain sebagai gandengan impedansi antara sumber dan beban; untuk memisahkan satu rangkaian dari rangkaian yang lain; dan untuk menghambat arus searah sambil tetap melakukan atau mengalirkan arus bolak-balik antara rangkaian. Berdasarkan frekuensi, transformator dapat dikelompokkan sebagai berikut:
(1) frekuensi daya, 50-60 c/s;
(2) frekuensi pendengaran, 50 c/s-20 kc/s;
(3) frekuensi radio, di atas 30 kc/s.
Kerja transformator yang berdasarkan induksi-elektromagnet, menghendaki adanya gandengan magnet antara rangkaian primer dan sekunder. Gandengan magnet ini berupa inti besi tempat melakukan fluks bersama.
Berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti, dikenal dua macam transformator, yaitu tipe inti dan tipe cangkang.


Gambar 5. Transformator berdasarkan cara melilitkan kumparan pada inti
C. Mikrokontroler ATMEGA 8535 [2]

Mikrokontroler ATMEGA8535 adalah salah satu jenis mikrokontroler keluarga AVR yang diproduksi oleh Atmel Corporation. ATMEGA8535 merupakan mikrokontroler 8 bit dengan aristektur RISC (Reduce Instruction Set Computer). Fitur-fitur yang dimiliki oleh mikrokontroler ATMEGA8535 antara lain:
a. Lebar data 8 bit.
b. Memiliki 130 buah instruksi.
c. Dapat mencapai kecepatan 16 MIPS (Mega Instruction per Second) pada frekuensi clock 16 MHz.
d. Memiliki 32 x 8 register aplikasi umum.
e. 8 k byte flash memory untuk memori program .
f. 512 byte EEPROM untuk memori data nonvolatile.
g. 512 byte SRAM.
h. Dua 8 bit timer/counter.
i. Satu 16 bit timer/counter.
j. Empat saluran untuk penghasil sinyal PWM/clock.
k. 8 saluran, 10 bit ADC.
2. Konfigurasi Pin
Susunan pin mikrokontroler ATMEGA8535 tipe DIP (dual in line package) ditunjukkan pada gambar 5.





















Gambar 6. Konfigurasi pin mikrokontroler ATMEGA8535.
ATMEGA8535 memiliki empat buah port (terminal) masukan/keluaran yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. Port A selain berfungsi sebagai port I/O digital, pin-pinnya juga dapat difungsikan sebagai saluran masukan sinyal analog yang akan diubah menjadi sinyal digital oleh ADC internal. Port B terdapat pada pin nomor 1 hingga 8. Selain sebagai pin I/O digital biasa, pin-pin yang ada port B juga memiliki fungsi khusus.
Pin PB0 dan PB1 memiliki fungsi lain yaitu sebagai masukan sinyal clock eksternal untuk timer/counter 0dan1. Pin PB5 (MOSI), PB6 (MISO), dan PB7(SCK) memiliki fungsi lain sebagai sebagai saluran untuk sinyal ISP (in system programming).
Port D terdapat pada pin nomor 14 hingga 21. Selain berfungsi sebagai pin I/O digital biasa, pin-pin yang terdapat pada port D juga memiliki fungsi khusus. Pin PD2 (INT0) dan PD3 (INT1) berfungsi sebagai masukan untuk sinyal interrupt eksternal yang dapat menginterupsi alur program yang di eksekusi CPU. Pin PD7 (OC2) juga berfungsi sebagai pin untuk keluaran sinyal clock/PWM yang dihasilkan oleh timer 2 yang ada di dalam mikrokontroler.
Pin RESET merupakan pin aktif rendah untuk mereset mikrokontroler. Dalam keadaan reset maka alur program akan kembali ke alamat 0x0.
Pin VCC dan GND adalah pin yang digunakan untuk penyedia tegangan mikrokontroler. Beda tegangan yang dapat diberikan berkisar antara 4,5–5,5V.
D. Filter
Filter biasa diartikan sebagai proses pemisahan. Aplikasi filter pada elektronika adalah untuk melewatkan rentang frekuensi tertentu dan menghilangkan/memblok rentang frekuensi lainnya dengan melemahkan amplitudo sinyalnya. Filter elektrik mengandung komponen resistor dan kapasitor, resistor dan induktor atau gabungan ketiganya dengan menyertakan. Rangkaian filter seperti ini biasa disebut filter pasif. Filter aktif merupakan rangkaian filter pasif yang dihubungkan ke komponen aktif (op-amp, trasistor).
Klasifikasi filter berdasarkan fungsi kerjanya dan rentang frekuensi yang diloloskan adalah sebagai berikut:
1. Low Pass Filter (LPF)
Low pass filter akan melewatkan frekuensi dari nol sampai frekuensi cut offnya. Idealnya respon frekuensi akan langsung jatuh ke nol setelah frekuensi cut off, tapi pada kenyataannya ada daerah transisi sampai nilai tertentu sebelum mencapai nol.
2. High Pass Filter (HPF)
Untuk high pass filter, filter ini tidak akan melewatkan frekuensi dari nol sampai daerah transisi, antara fl sampai fc.
3. Band Pass Filter (BPF)
Sedangkan band pass filter akan melewatkan frekuensi yang dibatasi dua frekuensi cut off. Frekuensi yang dilewatkan berada pada daerah antara fc1 dan fc2. Dari nol ke fc1 respon frekuensi akan distop, begitu juga dengan frekuensi diatas fc2, tetapi dalam prakteknya selalu ada daerah transisi antara fs dan fc.
4. Band Stop Filter (BSF)
BSF memiliki dua frekuensi batas, sama seperti BPF. Tetapi respon frekuensinya kebalikan dari band pass filter, filter ini justru tidak melewatkan frekuensi yang berada antara fc1 dan fc2. Untuk jelasnya, karakteristik keempat filter dapat dilihat pada gambar.











Gambar 7. Respon Frekuensi Sebuah Filter (a). LPF (b). HPF (c). BPF (d). BSF
Parameter fl dan fu adalah lower dan upper frekuensi cutoff. Band width dari filter adalah . Sehingga pada LPF didefinisikan fl = 0 sehingga B = fu sedangkan untuk highpass filter fl >0 dan fu=. Tetapi secara fisik filter diatas tidak mungkin dibuat. Sedangkan untuk filter sesungguhnya, untuk BPF akan dibandingkan dengan kondisi idealnya, didapatkan H(f) yang relatif lebar (tapi tidak konstan) dan stop band yang cukup kecil (tapi tidak nol). Titik akhir band yang dilewatkan atau cut off nya didefinisikan dengan
H(f) =1/2 H(f) max = K/2 ; f = fl,fu (1)
Jadi H(f)2 jatuh tidak lebih rendah dari K2/2 untuk fl  f  fu.
Bandwidth B = fu – fl disebut juga setengah daya atau bandwidth 3 dB.




Gambar 8. Rasio amplitude sebuah BPF
Klasifikasi filter berdasarkan topologinya, antara lain:
1. Butterworth
Butterworth merupakan salah satu jenis filter yang dirancang sedemikian rupa sehingga menghasilkan respon frekuensi yang flat (datar) pada rentang frekuensi pelolosan maupun frekuensi henti. Berdasarkan gambar perbandingan respon frekuensi dari beberapa topologi filter (gambar 20), kita dapat melihat bahwa filter jenis ini memiliki rolloff yang lebih lama dibanding filter lainnya. Filter ini dibentuk dengan menghubungkan rangkaian R,C ke op-amp melalui input positif dan memberi feedback pada input negatif.
2. Chebyshev
Filter ini memiliki respon riak-riak pada salah satu rentang frekuensinya (frekuensi lolos atau frekuensi henti).
3. Elliptic
Pada respon frekuensi filter elliptic pada rentang frekuensi pelolosan maupun hentinya terdapat riak-riak. Dibandingkan jenis filter yang lain, filter ini memiliki rolloff yang cepat. Filter ini dibentuk dengan merangkai C dan L secara paralel kemudian menghubungkan dengan op-amp





(a) (b)


(c)
Gambar 9. (a)Rangkaian LPF Butterworh, (b) LPF Chebyshev (c) HPF Elliptic

Gambar 10. Perbandingan respon frekuensi filter
E. Pembagi Tegangan [6]
Pembagi tegangan digunakan untuk menyatakan tegangan melintasi salah satu diantara dua tahanan seri.



Gambar 11. Pembagi Tegangan
Pada gambar 26 tegangan di R2 adalah:
(14)
Dengan cara yang serupa, tegangan yang melintasi R1adalah:
(15)

III. Metodologi Penelitian

A. Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu : Maret 2007 – Juli 2007
Tempat : Laboratorium Terpadu Teknik Elektro
Universitas Lampung

Tabel 1. Jadwal dan aktivitas penelitian

No Aktivitas Maret 2007 April 2007 Mei 2007 Juni 2007 Juli 2007
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
1 Studi literatur
2 Perancangan blok diagram rangkaian alat inverter
3 Penentuan rangkaian dan komponen

4 Uji rangkaian tiap blok
a. LPF
b. HPF
c. MOSFET
d. Proteksi & Alarm
e. Mikrokontroler ATMEGA8535
5 pembuatan proposal
6 Seminar I
7 membuat rangkaian keseluruhan
8 Uji coba inverter satu fasa 1000VA
9 Analisis dan kesimpulan
10 Pembuatan laporan
11 Seminar II

B. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian tugas akhir ini yaitu :
1. Osiloskop Digital
2. Microcontroller ATMEGA8535
3. Transformator Pulsa
4. MOSFET
5. Heatsink
6. Resistor (tetap dan variable)
7. Capasitor (polar dan non polar)
8. Relay
9. Buzzer
10. Multimeter
11. Komputer
12. Downloader ATMEGA 8535
13. Casing
14. Solder
15. Sumber tegangan +5Vdc, 12Vdc
16. Akumulator 12Vdc
C. Spesifikasi Alat
Spesifikasi dari alat yang dibuat adalah sebagai berikut :
1. Sumber tegangan DC +5 V, diperoleh dari baterai dan sumber tegangan DC 12V diperoleh dari akumulator sehingga alat yang dibuat bersifat portable.
2. Microcontroller ATMEGA8535 sebagai penghasil Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur frekuensi switching inverter
3. Range tegangan output yang dihasilkan sebesar 11,5–12,5 Volt
4. Rentang frekuensi output yang dihasilkan 50 Hz


D. Blok Diagram Rangkaian





Gambar 12. Blok diagram Perancangan Inverter Satu Fasa 1000VA
1. Input
Input pada rancangan inverter satu fasa 1000VA berasal dari sebuah akumulator dengan tegangan sebesar 12 Volt DC. Masukan ini berfungsi juga untuk memberikan catu daya pada rangkaian pengendali invertir, yang tegangannya disesuaikan dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan. Masukan 12 Volt DC kemudian menuju ke rangkaian inti inverter untuk mengubahnya menjadi tegangan AC.
2. Microcontroller ATMEGA 8535
Microcontroller berfungsi sebagai pembangkit sinyal Pulse Width Modulation (PWM). Dengan adanya PWM, maka lebar pulsa diatur sedemikian rupa, sehingga rangkaian pengendali dapat dikendalikan frekuensinya oleh sinyal PWM. Proses pengendalian dengan PWM yaitu dengan mengubah nilai tON dan tOFF sehingga berpengaruh terhadap besarnya frekuensi.


Gambar 13. Gambar sinyal PWM

3. Smoothing Filter
Smoothing filter merupakan salah satu aplikasi filter yang digunakan untuk memperhalus tampilan sebuah sinyal. Kita dapat mengimplementasikan rangkaian Low Pass Filter (LPF) untuk proses ini. LPF berfungsi untuk meredam sinyal frekuensi-frekuensi tinggi, sehingga diharapkan sinyal pulsa inverter yang dihasilkan mempunyai bentuk dan besar gelombang yang sesuai yang diinginkan. Rangkaian implementasinya adalah sebagai berikut:






Gambar 14. Rangkaian Implementasi Filter LPF Ordo1
Langkah perancangan blok ini adalah :
1. Menentukan nilai frekuensi cut-off
2. Memilih nilai C (antara 0,001 – 10 F)
3. Menentukan nilai R2 melalui persamaan :
4. Merealisasikan rangkaian implementasi LPF ordo 1 (Gambar 31)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Zuhal. 1995. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta:PT Gramedia Pustaka Utama
[2] Wardhana, Lingga. 2006. Mikrokontroler AVR Seri ATMEGA8535. Yogyakarta: Andi Offset
[3] Webster, G.John. 1998. Medical Instrumentation. Canada: John Wiley and sons, Inc.
[4] Malvino, Gunawan, Hanapi. 1995. Prinsip-prinsip Elektronik. Jakarta: Erlangga
[5] Hayt.H.William. Terjemah Oleh Pantur Silaban. 1997. Rangkaian Listrik. Jakarta: Erlangga
[6] Bird, B.M., et all. 1993. An Introduction to Power Electronics. Chichester: John Wiley & Sons Ltd