## RANCANG BANGUN DAN ANALISIS INVERTER SATU FASA BERBASIS METODE SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION (SPWM) DENGAN MODUL EGS002
M. Rozi Sanjaya 1 , Endryansyah 2
1,2 Program Studi Teknik Elektro, Universitas Negeri Surabaya e-mail: msanjaya.19068@mhs.unesa.ac.id

## ABSTRAK
Inverter merupakan komponen penting dalam bidang Renewable Energy karena memainkan peran penting untuk mengubah tegangan DC dari pembangkit energi terbarukan seperti PLTS ke tegangan AC  yang  digunakan  sehari-hari.  Perancangan  inverter  dengan  menggunakan  modul  EGS002 merupakan IC khusus pembangkit sinyal SPWM, sangat menyederhanakan desain dan mengurangi kompleksitas  sistem  secara  keseluruhan.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan  sebuah intervter  satu  fasa  dengan  mengatur  sitching  mosfet  agar  menghasilkan  gelombang  sinusoidal murni dengan metode SPWM. Penelitian ini menggunakan pendekatan eksprimen dengan beberapa tahap yaitu, studi litratur, perancangan sistem, dan pengujan sistem. Hasil desain rangkaian PCB dari template schematic yang sudah disediakan oleh EG Micro selaku perusahaan pembuat modul EGS002, keempat MOSFET terpasang kepada heatsink untuk meminimalisir overheat. Selain tiu, pengujian  sistem  menunjukkan  tingkat  efektifitas  sesuai  dengan  rancangan  ditandai  dengan tegangan output yang stabil dan andal dengan distorsi harmonik yang minimal, pengujian beban resistif  dan  induktif  menunjukan  hasil  output  gelombang  keluaran  yang  tetap  stabil,  serta  sistem proteksi  yang  berjalan  dengan  baik.  Harapannya  hasil  penelitian  berupa  simulasi  dan  alat  fisik dalam  bentuk  kit  pembelajaran  dapat  digunakan  sebagai  media  pembelajaran  di  Laboratorium Sistem Kendali.
Kata kunci: Inverter, Satu fasa, SPWM, EGS002.

## 1. PENDAHULUAN
Listrik menjadi kebutuhan utama di zaman serba modern saat ini. Perkembangan teknologi membutuhkan  suplai  listrik  yang  memadai.  Beberapa  peralatan  elektronik  yang  digunakan  oleh masyarakat memiliki fungsi sebagai sarana hiburan, kenyamanan bahkan sumber penghasilan [1]. Penggunaan  listrik  AC  banyak  digunakan  oleh  masyarakat  karena  pada  awal  adanya  listrik  di Indonesia adalah listrik berjenis Alternating Current atau listrik arus bolak-balik. Listrik berjenis AC  dapat  dibangkitkan  melalui listrik  DC  ( Direct  Current )  atau  listrik  bergelombang  searah  [2]. Menurut  [3]  tahapan  untuk  mendapatkan  listrik  AC  dari  pembangkitan  menggunakan  listrik  DC dapat menggunakan sistem pembalikan kutup dari hasil keluaran listrik DC yang terhubung dengan beban yang dikenal dengan istilah inverter.
Inverter adalah perangkat listrik yang digunakan untuk mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) [4]. Inverter mengubah daya DC dari baterai, panel, dll. Energi matahari/sel surya diubah menjadi arus bolak-balik. Beberapa tahun terakhir dunia elektronik maju dengan pesat, Semua ini dibangun di atas kemajuan pendidikan yang ada selama ini. Seiring kondisi yang semakin maju,  terutama  di  dunia  elektronika,  mutlak  membutuhkan  sumber  arus  menjalankan  peralatan elektronik. Pengembangan produk elektronik sangat cepat, beberapa perangkat pendukung melalui
perkembangan, peralatan elektronik menjadi semakin banyak jenis yang berbeda. Salah satu sistem elektronik  yang  kita  kenal  adalah  inverter  yang  mengubah  tegangan  DC  12V  menjadi  tegangan 220AC  50Hz.  Menurut  [5]  pada  masa  depan,  inverter  DC  ke  AC  akan  mendominasi memainkan peran penting dalam mengubah energi menjadi arus searah, mengubah sel surya terbarukan menjadi daya AC yang kita gunakan sehari-hari.
Frekuensi  dan  tegangan  keluaran  inverter  dapat  disesuaikan  dengan  kebutuhan  beban. Perubahan  tegangan output diperoleh  dengan  mengubah  tegangan input DC  dan  menjaga gain inverter tetap konstan. Tapi jika tegangan input konstan dan tidak dapat diubah, sehingga tegangan berubah output dapat dilakukan dengan mengubah gain dari inverter. Gain inverter sendiri adalah tegangan  keluaran  AC  vs  DC  [6].  Idealnya,  bentuk  gelombang  tegangan output inverter  adalah sinusoidal. Namun, bukan itu masalahnya. Tegangan output yang dihasilkan oleh inverter bukanlah gelombang sinus murni, melainkan gelombang sinus yang terdistorsi harmonik pada output inverter. Dalam  inverter  gelombang  persegi  tradisional  dan  SPWM,  gelombang  keluaran  yang  dihasilkan memiliki  harmonisa  yang  cukup  besar. Sinusoidal  pulse-width  modulation (SPWM)  memiliki karakteristik dimana duty cycle dari pulsa meningkat secara gradual dan kemudian menurun secara gradual  dalam  deretan  pulsa  proporsional  terhadap  nilai  sudut  sinus  dalam  setengah  gelombang gelombang sinus [7]. Harmonisa yang besar dapat menyebabkan kinerja komponen kelistrikan yang buruk  semakin  lama  nilai  maksimalnya  dan  semakin  lama  akan  menyebabkan  kerusakan  pada komponen  tersebut.  Oleh  karena  itu,  perlu  diambil  langkah-langkah  untuk  mengurangi  harmonik pada output inverter. Bentuk gelombang keluaran sangat berkorelasi mengenai frekuensi s witching inverter semikonduktor.
Semakin  tinggi  frekuensinya  saat switching ,  bentuk  gelombang  yang  dihasilkan  semakin dekat sinusoidal. Namun, ketika frekuensi switching meningkat, maka daya yang keluar pada proses tersebut akan semakin besar. Jika ini terjadi, maka itu akan mengurangi efisiensi inverter itu sendiri. Cara lain untuk mengurangi harmonik dalam inverter dihasilkan menggunakan teknologi inverter tingkat. Inverter satu fasa dapat menjadi alat pendukung pada Laboratorium Sistem Kendali. Selain itu, sebagai alat pendukung inverter ini dapat dijadikan sebagai media praktikum mahasiswa pada mata pelajaran Sistem Penggerak Elektrik. Dengan adanya inverter ini diharapkan dapat menunjang pembelajaran mahasiswa dimasa yang akan datang.
Berdasarkan  pada  permasalahan  tersebut,  penelitian  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan sebuah intverter satu fasa dengan mengatur sitching mosfet agar menghasilkan gelombang sinusoidal murni dengan metode SPWM. Hasil yang didapatkan dari penelitian ini adalah berupa simulasi dan juga  modul  fisik  dari  inverter  tersebut,  yang  dapat  digunakan  sebagai  media  pendukung pembelajaran pada Laboratorium Sistem Kendali

## 2. METODOLOGI
Penelitian ini menggunakan pendekatan eksperimen yang merupakan penelitian kuantitatif untuk  mengetahui  pengaruh  variabel  tertentu  terhadap  variabel  lainnya  dalam  kondisi  yang dikendalikan [8]. Penelitian ini berdasar pada data-data numerik dan analisis terhadap data tersebut menggunakan  metode  statistik.  Data  pada  penelitian  ini  didapatkan  dari  hasil  pengukuran  dan perhitungan. Mathworks MATLAB/SIMULINK  tahun  2019  digunakan  untuk  membuat  dan memvalidasi model dan design inverter yang akan dibuat, model yang sudah tervalidasi selanjutkan akan dijadikan bahan acuan untuk perancangan hardware .
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  Laboratorium  Sistem  Kendali  Jurusan  Teknik  Elektro Universitas Negeri Surabaya pada semester genap 2022/2023. Instrumen pengumpulan data yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  PC,  MATLAB  2019,  alat  ukur  listrik,  dan oscilloscope . Sebagai  rancangan  penelitian  yang  telah  dijabarkan  pada  bagian  sebelumnya,  maka  prosedur masing-masing tahapan sebagai berikut:
Studi Literatur
Tahap  ini  merupakan  pengkajian  terhadap  apa  yang  akan  dihadapi  pada  pelaksanaan penelitian ini. Hal-hal yang akan dikaji antara lain adalah:
• Penelitian terdahulu yang relevan.
• Pemodelan sistem inverter dengan MATLAB
• Perancangan elektronika inverter fisik.
• Metode analisis inverter.

## Perancangan Sistem
Perancangan sistem pada penelitian ini secara garis besar terbagi menjadi dua bagian, yakni perancangan software dan perancangan hardware. Adapun detail spesifikasi yang penulis usulkan dalam penelitian ini adalah berupa sebuah simulasi inverter satu-fasa dengan konfigurasi full-bridge dan juga perangkat fisik. Simulasi bertujuan agar dapat memahami prinsip kerja dari sebuah inverter secara detail dan mandalam. Inverter full-bridge satu fasa ini menggunakan komponen-komponen dengan rating 2.5A sehingga power yang dapat dicapai pada saat kondisi full-load adalah tegangan input dikali dengan rating arus, tegangan input PSU adalah 24V. Oleh karena itu, inverter ini dapat mengangkat daya hingga 60W.
Tahap ini adalah tahap perantara antara perancangan software dan perancangan hardware . Tahap  ini  dilakukan  verifikasi  model  sistem  yaitu  merupakan  proses  untuk  menentukan  bahwa model konseptual telah menggambarkan sistem yang real dan juga validasi model yaitu merupakan proses untuk meyakinkan bahwa model dan data benar-benar mampu mewakili aspek-aspek penting dari sistem secara tepat dan akurat.
Jika model sistem sudah terverifikasi dan juga tervalidasi maka selanjutnya adalah proses perancangan hardware berdasarkan dengan rancangan software yang sudah dibuat, proses ini juga merupakan tahap akhir dari pembuatan alat karena proses selanjutnya hanyalah analisa data dari alat yang dibuat.

## Perancangan Input
Inverter  adalah  pengubah  tegangan  DC  ke  AC,  biasanya  tegangan  DC  bersumber  dari battery , yang mana battery tersebut dapat berasal dari transfer energi panel surya ataupun sebuah aki,  akan  tetapi  penulis  menggunakan  input  tegangan  dari  power  supply  DC  dengan  alasan durabilitas, sehingga kit bisa dipakai terus menerus tanpa perlu khawatir input yang kadaluarsa.

## Perancangan PCB
Proses ini adalah kelanjutan dari perancangan elektronika pada perancangan software , hasil dari proses ini adalah sebagai berikut:

## Perancangan Keseluruhan.
Analisis sistem adalah pengecekan secara menyeluruh semua variable input dan juga output dari  alat  yang  sudah  dihasilkan,  jika  ada  ketidaksesuaian  dengan  usulan  yang  sudah  dibuat  maka proses akan kembali pada proses perancangan sistem pada bagian yang bermasalah, hingga kondisi optimal dari alat dicapai, berikut adalah metode analisis sistem yang penulis terapkan pada penelitian ini.
Pengujian sistem bertujuan untuk menentukan apakah sistem bekerja pada performa yang terbaik.  Pengujian  sistem  dilakukan  dengan  dua  metode  sebagaimana  yang  ditunjukkan  pada Gambar 1, yakni uji kestabilan dan uji gangguan. Menurut [9], [10]  uji kestabilan merupakan uji kemampuan respon untuk menjaga sistem tetap stabil pada batasan yang ditentukan sedangkan uji gangguan adalah uji ketahanan pengendali terhadap gangguan luar yang diberikan pada sistem.

## PENGUJIAN SISTEM
UJI KESTABILAN
UJI GANGGUAN
Gambar 1 Diagram pengujian sistem (Sumber: Data Pribadi)

## Uji Kestabilan dan Uji Gangguan
Dalam uji kestabilan penulis melakukan pengujian berupa memberi beban yang bervariasi dan juga memberi interval waktu tertentu pada masing-masing beban untuk melihat kestabilan alat. Dalam  uji  gangguan  penulis melakukan  pengujian terhadap  sistem  proteksi  yang tertanam  dalam EGS002, yaitu over/under voltage protection , short-circuit protection , feedback protection. Untuk melihat lebih jelas, berikut flowchart penelitian disajikan pada Gambar 2.
Gambar 2 Flowchart Penelitian (Sumber: Data Pribadi)

## 3.       HASIL DAN PEMBAHASAN

## Desain Inverter
Berikut adalah hasil desain rangkaian PCB dari template schematic yang sudah disediakan oleh EG Micro selaku perusahaan pembuat modul EGS002, keempat MOSFET terpasang kepada heatsink untuk  meminimalisir  overheat.  Modul  EGS  membutuhkan  tegangan  15V,  12V,  5V,
Tegangan 15V berasal dari regulator LM2956, sedangkan 12V dari IC 7812 dan 5V dari IC 7805. Dioda 6A digunakan sebagai proteksi polaritas sederhana.

## Gambar 3 Perancangan PCB (Sumber: Data Pribadi)
Gambar 4 merupakan bentuk akhir dari alat yang dibuat, input AC untuk PSU DC dilengkapi dengan fuse 1A sebagai pengaman, dan juga indikator LED sebagai penanda. Alat ini dilengkapi dengan voltmeter pada masing-masing tegangan input DC dan juga tegangan keluaran inverter untuk memudahkan analisa data dan juga terdapat test point 12V AC untuk melihat bentuk gelombang dari inverter yang dihasilkan.
Gambar 4. Hasil Perancangan keseluruhan ( Sumber : Data Pribadi)

## Pengujian Sistem
Pengecekan Parameter Variable Tegangan Berdasarkan  pengecekan  tegangan  dari  beberapa  komponen  yang  sudah  dilakukan  penulis simpulkan bahwa data sesuai dengan spesifikasi rancangan, nilai tersebut adalah:
- Tegangan input stabil pada 24V DC
- Tegangan board EGS002: 15V, 12V, dan 5V
- Tegangan AC inverter: 12V AC
- Tegangan output trafo: 230V AC
Variable Arus Arus yang dikeluarkan pada saat inverter standby tanpa adanya beban adalah sebesar 0.3A dengan tegangan input 24V maka standby power alat ini adalah sebesar 7.2W. Dapat disimpulkan bahwa tidak ada short-circuit ataupun kegagalan wiring lainya yang mengakibatkan arus standby tinggi.

## Variable Frekuensi
Salah  satu  keunggulan  modul  EGS002  adalah  pilihan  frekuensi  keluaran  yang  dibutuhkan  dapat dipilih antara 50 Hz ataupun 60 Hz, dalam alat ini penulis memilih 50 Hz sebagai frekuensi keluaran.

## Uji Kestabilan
Tabel  1  menyajikan  data  hasil  pengujian  beban  kepada  inverter  dengan  nilai  bervariasi  masing- masing selama 5 menit.
Tabel 1 Daya Tegangan Input Beban (W) Tegangan (AC) Arus (A) Kondisi Power (W) LED 12 24V 0.55 OK 13.2 Kipas 25 24V 0.95 OK 22.8 Charger 33 24V 1.22 OK 29.28
Tabel. 2 Daya Tegangan Output Beban (W) Tegangan (AC) Arus (A) Kondisi Power (W) LED 12 220V 0.05 OK 11 Kipas 25 220V 0.1 OK 22 Charger 33 220V 0.13 OK 28.6
Dari data diatas maka efektifitas inverter adalah:
𝐸𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑓𝑖𝑡𝑎𝑠 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 Tabel 3 Nilai Efektifitas Inverter Pin (W) Pout (W) Efektifitas % LED 13.2 LED 12 90 Kipas 22.8 Kipas 22 96 Charger 29.28 Charger 28.6 97 Rata-rata 94.3%
Gambar 5. Uji Beban Induktif Kipas 25W
(Sumber: Data Pribadi)
Gambar 6. Bentuk Gelombang Uji Beban Induktif
(Sumber: Data Pribadi)

## Uji Gangguan
Uji gangguan dalam hal ini dapat disimulasikan dengan menurunkan atau menaikkan tegangan input untuk menguji proteksi over/under voltage protection, dan melakukan short-circuit secara manual pada keluaran AC inverter untuk melihat respon sistem proteksi, dan juga feedback voltage yang tidak terpasang. Dari hasil uji coba maka didapatkan hasil sebagai berikut:
Tabel 4. Tegangan Input Uji Gangguan Uji Vin Kondisi Under Voltage 5V DC OK Over Voltage 40V DC OK FB Protection 24V DC OK SC Protection 24V DC OK
Pada uji under-voltage , tegangan input yang masuk pada board adalah 5V, secara otomatis board mendeteksi  bahwa  ada  kondisi under-voltage sehingga  tidak  menjalankan  siklus firing MOSFET untuk pembangkitan sinyal SPWM, begitupula sebaliknya pada over-voltage.
Pada feedback protection , jika tidak ada tegangan keluaran AC dari trafo yang masuk kembali pada board maka board tidak akan menyala dan berkedip selama 3 kali berturut-turut. Pada shot-circuit protection , jika ada kejadian antara dua pin output bersentuhan ataupun ada kegagalan lainnya dalam perangkat  atau  beban, maka board secara  otomatis  akan  shutdown  dan  akan merestart perangkat dalam tiga detik berikutnya.

## 4.       KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut, (1)  inverter  berhasil  dibuat  dengan  spesifikasi,  rancangan,  dan  desain  yang  diusulkan,  (2), penggunaan  metode  SPWM  sebagai  kontrol  sinyal  MOSFET  sangat  mudah  dilakukan  dengan menggunakan  board  EGS002,  (3)  berdasarkan  hasil  analisis  dan  pengujian  yang  telah  dilakukan, gelombang outpu t  yang  dihasilkan  oleh  inverter  dengan  metode  SPWM  melalui  EGS002  ini mendekati sinus murni, meskipun sedikit terlihat THD pada gelombang outputnya, (4) dengan harga yang  murah, terdapat banyak  fasilitas  seperti  sistem  proteksi  dan kontrol  tegangan feedback ,  jika dibandingkan dengan merangkai sistem sendiri maka akan memakan waktu yang lama. Inverter  ini  hanya  mampu  mengangkat  beban  hanya  sebesar  60W,  dikarenakan  semua komponen yang dipakai mempunyai rating 2.5A dengan max input 24V. Sehingga dalam penelitian selanjutnya  dapat  dibuat  dengan  kapasitas  diatas  500W  untuk  memaksimalkan  fungsi  board EGS002. THD yang dihasilkan pada output inverter ini tidak bisa dihitung karena keterbatasan alat, disarankan pada penelitian selanjutnya perhitungan THD masuk kedalam analisis data.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] I. Ferdiansyah, I. Sudiharto, E. Sunarno, and M. G. Muhammad, “Desain Spwm Single Phase Full Bridge Inverter Pada Sistem Uninterruptible Power Supply 500W,” J. Arus Elektro Indones. , vol. 7, no. 1, p. 10, 2021, doi: 10.19184/jaei.v7i1.23438.
[2] R.  A.  Sukmayuwana,  T.  Hardianto,  and  W.  Hadi,  “Kontrol  Tegangan  Inverter  Full  Bridge  Satu  Fasa Berbasis Arduino Uno R3 Menggunakan Kontrol Pid,” J. Arus Elektro Indones. , vol. 6, no. 1, p. 22, 2020, doi: 10.19184/jaei.v6i1.19655.
[3] R. Hidayat et al. , “Modul Pembangkit Listrik Tenaga Surya Untuk Aplikasi Beban Rendah (600 W),” J. INTEKNA  Inf. Tek. dan Niaga , vol. 17, no. 1, pp. 29–36, 2017, doi: 10.31961/intekna.v17i1.490.
[4] A. Mathematics, “ 済無 No Title No Title No Title,” vol. 3, no. 1, pp. 1–23, 2016.
[5] D. H. Sinaga, W. Pangaribuan, M. A. R. Sembiring, and A. H. Syahrir, “Desain Sistem Cadangan Energi Listrik Menggunakan Tenaga Surya Pada Gedung Teknik Elektro FT – Unimed,” J. Ins. Prof. , vol. 2, no. 1, 2022, doi: 10.24114/jip.v2i1.28325.
[6] S. S. Atmojo, M. Facta, and K. Karnoto, “Analisis perancangan konverter dc-ac full-bridge frekuensi tinggi resonan  lcc  beban  paralel,” Transient  J.  Ilm.  … ,  vol.  1,  no.  Dc,  2019,  [Online].  Available: https://ejournal3.undip.ac.id/index.php/transient/article/view/8971%0Ahttps://ejournal3.undip.ac.id/inde x.php/transient/article/download/8971/8718
[7] S. Muttaqin, I. Setiawan, and M. Facta, “Desain Dan Implementasi Voltage-Source Inverter (Vsi) Tiga Fase Uniform Pulse-Width Modulation (Upwm) Dengan Dspic30F4011,” Transmisi , vol. 18, no. 4, p. 153, 2016.
[8] R. Nikmatur, “Proses Penelitian, Masalah, Variabel dan Paradigma Penelitian,” J. Hikmah , vol. 14, no. 1, p. 63, 2017.
[9] M. A. Savero, A. Dharmawan, and P. Studi, “Kendali Stabilisasi Pesawat Tanpa Awak Sayap Tetap untuk Pendaratan Otomatis Menggunakan Fuzzy,” vol. 12, no. 2, pp. 181–190, 2022.
[10] A. Dharmawan, B. Marthen, F. Adam, I. P. Sari, and R. Maulana, “Sistem Kontrol Proporsional-Integral Pada Proses Pasteurisasi Susu,” Transmisi , vol. 21, no. 1, p. 15, 2019, doi: 10.14710/transmisi.21.1.15-18.