doi: 10.14710/teknik.v41n2.23932               Copyright © 2020, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919

## Sistem Kontrol Injeksi Arus pada Inverter Berbasis Metode
Proportional Integral
Eko Wirahadi Saputra, Hermawan, Iwan Setiawan*
Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Soedarto, SH, Kampus UNDIP Tembalang, Semarang, Indonesia 50275

## Abstrak
Saat  ini  energi  terbarukan  yang  bersumber  dari  energi  hijau  terus  dikembangkan  dan  dioptimalkan. Khusus pemanfaatan energi terbarukan dengan keluaran daya DC, maka secara praktis diperlukan sistem inverter  agar  bisa  digunakan  sebagai  pengganti  sumber  energi  daya  AC.  Agar  bekerja  secara  optimal, secara internal dalam sebuah sistem inverter sumber tegangan, perlu dilengkapi sistem umpan balik arus. Salah satu metode pengontrolan arus inverter yang relative popular adalah metode kontrol Proporsional- Integral. Dalam  penelitan  ini,  dirancang  inverter  satu  fasa  tipe  Full  Bridge  dengan  metode  kontrol proportional-integral menggunakan mikrokontroler 16-bit dsPIC30F4011. Dengan sensor arus ACS712- 05B arus keluaran inverter diumpan-balikkan. Pengujian dilakukan dengan variasi beban 8 Ω dan 10 Ω, dengan  memvariasikan  sejumlah  nilai  parameter  kp  dan  ki.  Berdasarkan  hasil  pengujian  metode proportional integral untuk pengontrollan arus pada inverter satu fasa memiliki  respon sistem cepat dan relative stabil.
Kata kunci : inverter; kontrol arus; proportional integral; dsPIC30F4011; ACS712-05

## Abstract
[Title:  Currents  injection  control  system  on  inverter  using  proportional-integral  method] Currently, renewable  energy  from  green  energy  sources  continues  to  be  developed  and  optimized.  Specifically,  for the  renewable  energy  utilization  with  a  DC  power  output,  an  inverter  system  is  practically  required  so that it can be used as a substitute for the AC power energy sources. In order to work optimally, internally in the voltage source inverter system, a current feedback system is required. One of the relatively popular inverter  current  control  methods  is  the  Proportional-Integral  control  method.  In  this  research,  a  Full Bridge type single phase inverter was designed with a proportional-integral control method using a 16-bit dsPIC30F4011 microcontroller. With current sensor ACS712-05B inverter output current is fed back. The test is carried out with a load variation of 8 Ω and 10 Ω, by varying the parameter values  of kp and ki. Based on the test results of the proportional integral method for current control in single-phase inverters, the system response is fast and relatively stable.
Keywords : inverter; current control; proportional integral; dsPIC30F4011; ACS712-05

## 1. Pendahuluan
Energi  terbarukan  terus  dikembangkan  dan dioptimalkan  dengan  mengubah  pola  pikir  bahwa  energi terbarukan  bukan  sekedar  sebagai  energi  alternatif  dari bahan  fosil  yang  merupakan  sumber  daya  yang  tidak dapat  diperbarui  sehingga  lambat  laun  akan  habis,  tetapi harus  menjadi  pasokan  energi  nasional  dengan  porsi energi baru terbarukan sebesar 23% pada tahun 2025 dan
di tahun 2050 paling sedikit sebesar 31% (PP No.79/2014 tentang  Kebijakan  Energi  Nasional)  (Dewan  Energi Nasional,  2016). Sumber energi  terbarukan  yang terhubung  ke  sistem  tenaga  listrik  meningkat  secara signifikan,  diantaranya  pemanfaatan  energi  terbarukan yang  dari  angin,  mikrohidro,  dan  solar  energi  (Selvaraj dkk., 2008; Setiawan dkk., 2018; Kuspranoto dkk., 2018).
Dalam  pemanfaatan  energi  terbarukan  yang  sebagian besar  menghasilkan  tegangan  DC,  maka  dibutuhkan inverter  agar  bisa  digunakan  sebagai  pengganti  sumber energi  dari  PLN  (tegangan  AC  220v  50Hz).  Tingkat
------------------------------------------------------------------
*) Penulis Korespondensi.
E-mail: iwansetiawan@live.undip.ac.id
konsumsi  energi  untuk  peralatan  elektronik  tidak  sama, maka  diperlukan  pengontrol  arus  keluaran  inverter  satu fasa.
Berdasarkan metode kontrol yang digunakan, ada sejumlah  strategi  yang  relative  popular  dalam  sistem control  umpan  balik  arus  inverter  satu  phase,  yaitu diantaranya:  Sistem  Kontrol Hysteris ( Rahim dkk., 2007; Dahono,  2009),  Sistem  Kontrol  Proporsional-Resonant (Zhou dkk., 2010;  Kuperman,  2015)  dan  sistem  kontrol proporsional integral (Ciobotaru dkk., 2006)
Penggunaan  sistem  inverter  dalam  kondisi  beban nonlinear  berpengaruh  terhadap  kualitas  daya  dalam sistem  tenaga.  Perilaku  nonlinier  dari  inverter  dan  beban nonlinier menyebabkan tegangan dan arus sistem menjadi harmonik yang kemudian menyebabkan kerusakan sistem daya  keseluruhan.  Oleh  karena  itu,  penerapan  standar IEEE  519-1992  dan  standar  IEC  yang  mengatur kompatibilitas  total  harmonic  distortion  (THD)  dalam sistem tenaga sangat penting (Ajot dkk., 2017).
Tujuan  penelitian  ini  adalah  merancang  dan merealisasikan sistem control arus pada inverter satu fasa tipe Full  Bridge dengan  metode  kontrol  proportional- integral menggunakan mikrokontroler 16-bit dsPIC30F4011.  Dengan  sensor  arus  ACS712-05B  arus keluaran inverter diumpan-balikkan. Pengujian dilakukan dengan  variasi  beban  8  Ω  dan  10  Ω,  dan  beberapa  nilai parameter kp dan ki.

## 2. Bahan dan Metode
Inverter satu  fasa  tipe full  bridge dengan  kontrol arus proportional integral terdiri dari blok DC Link , blok rangkaian  kontrol,  blok  sensor  arus  ACS712-05B,  blok modul Digital-to-Analog  Converter AD7302,  serta  blok beban.  Gambar  1  dan  Gambar  2  berturut-turut memperlihatkan  blok  diagram  rangkaian  inverter  satu phase dan prototipe rangkaian pengujiannya.
Inverter  satu  fasa  mendapatkan  sumber  tegangan DC dari DC link yang akan diproses melalui pensaklaran pada MOSFET driver menggunakan switching frequency of  the  unipolar  SPWM  modulation dari  perintah mikrokontroller  DSPIC30F4011.  Proses  pensaklaran  itu sendiri  dihasilkan  dari  sinyal  kontrol proportional integral berdasarkan  arus  aktual  yang  diukur  modul sensor  dan  arus  referensi.  Arus  aktual  diperoleh mikrokontroller  DSPIC30F4011  melalui  modul  sensor arus ACS712-05B menggunakan analog digital converter (ADC),  sedangkan  arus  referensi  diperoleh  dari pembangkitan  sinyal  sinus  pada  mikrokontroller  yang amplitudonya  dapat  diatur  menggunakan  potensiometer. Hasil arus referensi dan arus aktual akan direpresentasikan  ke  modul Digital  To  Analog (DAC) oleh  mikrokontroller  DSPIC30F4011.  Keluaran  inverter satu  fasa  dihubungkan  dengan  beban  yang  akan membantu  proses  analisa  dan  pengujian  inverter.  Pada penelitian  perancangan  inverter  satu  fasa    blok  DC link menggunakan full-wave  bridge  rectifier dengan  sumber satu  fasa,  sedangkan  blok  rangkaian  kontrol  terdiri  dari mikrokontroler  16-bit  DSPIC30F4011  dan  MOSFET driver .

## 2.1. MOSFET Driver
Rangkaian  TLP250  digunakan  untuk  mengisolasi dan  menguatkan  sinyal    kontrol Proportional  Integral dengan  level  tegangan  5  Volt  yang  dibangkitkan  oleh mikrokontroller  DSPIC30F4011  menjadi  level  tegangan yang  lebih  tinggi  dengan  sistem ground terpisah  (level tegangan  15  Volt)  dan  cukup  untuk  memicu  MOSFET ( Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor ) sebagai driver (Hart,  2011) . Gambar  3  memperlihatkan rangkaian  driver  yang  digunakan  untuk  menggerakan Mosfet pada rangkaian.
DC Link Inverter Satu Fasa Tipe Full Bridge MOSFET Driver Mikrokontroller DSPIC30F4011 Digital-to-Analog Converter AD7302 Sensor Arus ACS712-05B Beban V AC V DC Keterangan : Aliran Daya Aliran Sinyal
Gambar  1. Diagram  Blok  Perancangan  Inverter  Satu Fasa
Gambar  2. Inverter  satu  fasa  tipe full  bridge dengan kontrol arus proportional integral.
MOSFET 1 ( high-side ) terhubung dengan optocoupler yang memiliki suplai DC terpisah dengan fasa lain dan MOSFET  Driver sisi low , sedangkan MOSFET 2 ( low-side )  terhubung  dengan  rangkaian  optocoupler  yang memiliki  titik  referensi ground yang  sama  dengan MOSFET Driver sisi low pada fasa yang lain (Hart, 2011).
2.2. Sensor Arus ACS712-05B
Sensor  arus  ACS712-05B  digunakan  untuk mengukur  dan  membaca  nilai  arus  aktual  yang  melalui beban.  Sensor  ini  bekerja  dengan  prinsip hall  effect .  Arus yang  mengalir  melewati  sensor  akan  dibaca  dan dikonversikan  menjadi  nilai  tegangan  yang  proporsional, kemudian sinyal berupa tegangan tersebut akan dibaca oleh modul ADC pada mikrokontroler DSPIC30F4011. Tegangan  keluaran  sensor  akan  bernilai  sekitar  2,5 V  saat  tidak  ada  arus  yang  mengalir  melewati  sensor. Berdasarkan datasheet ,  sensitivitas  sensor  arus  ACS712-
05B  ini  adalah  sebesar  185  mV/A  (Zhang dkk., 2014), sensor  yang  digunakan  tersebut  sudah  dilengkapi  IC op- amp atau  penguat  sinyal  TLC2272ACD  yang  dapat digunakan untuk mengatur nilai offset dan gain melalui dua potensiometer.  Potensiometer gain diatur  hingga  nilai sensitivitas sensor berubah menjadi 0,5 V/A, sehingga nilai tegangan  keluaran  maksimal  dari  sensor  saat  arus  yang terbaca sebesar 5 A sesuai dengan Persamaan 1.
Tegangan  keluaran  sensor  diatur  menjadi maksimal  5  V  untuk  memudahkan  pembacaan  oleh modul analog-to-digital  converter yang  memiliki tegangan referensi sebesar 5 V.
2.3. Kontroler Arus Proportional-Integral
Kontrol Proportional  Integral digunakan  untuk mengumpan  balikkan  nilai  keluaran  arus  dari inverter dengan memberikan gain . Nilai error 𝑒 ( 𝑡 ) diperoleh dari hasil  pengurangan  nilai  arus  aktual  yang  diukur  oleh sensor arus ( 𝑖𝑎𝑐𝑡 ) dan nilai referensi arus yang diberikan lewat  potensiometer  ( 𝑖𝑟𝑒𝑓 )  (Pradana dkk., 2011).  Blok diagram  sistem  control  Proportional  Integral  pada pengontrolan  arus  ini  dapat  dilihat  pada  Gambar  4. Setelah  nilai  ( 𝑡 )  didapatkan,  kontroler  akan  menghitung nilai error dengan  nilai  penguatan  untuk  menghasilkan sinyal kontrol.
Persamaan    2  menunjukkan  persamaan  kontroler proportional-integral dalam bentuk Transformasi Laplace.
(2)
Parameter  yang  dibutuhkan  untuk  kontroler  PI  adalah (1) untuk  mendapatkan  respon transient yang  cepat dan kestabilan yang bagus dan (2) untuk mengurangi steady-state error.
Nilai  parameter dan ditentukan  dengan proses  tuning  pada  simulasi  system  inverter  satu  fasa pada  MATLAB.  Proses tunning dilakukan  untuk menuntukan parameter terbaik pada metode proportional  Integral. Fitur  yang  digunakan  dalam proses  tunning  pada  MATLAB  yaitu  LINEAR ANALYSIS dengan menggunakan bode plot. Gambar 5 dan  Gambar  6  berikut  berturut-turut  memperlihatkan diagram bode pengaruh perubahan Kp dan perubahan Ki dalam kawasan frekuensi.
Gambar 3. Rangkaian MOSFET Driver TLP250
Gambar  4. Diagram  Blok  Kontroler  Proportional- Integral

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian  penerapan  metode  PI  pada  inverter dengan  kombinasi  nilai , yang  berbeda.  Nilai variasi , yg  digunakan  pada  pengujian  diambil berdasarkan  hasil  pengamatan  proses  tunning  pada MATLAB  yaitu  Linear  Analysis  dengan  menggunakan bode plot .  Arus yang diamati adalah arus referensi dan arus  keluaran inverter  menggunakan  kontrol PI. dan akan  diubah  berdasarkan  penguatan. lebih  kecil daripada dan lebih  besar  daripada .  Pengujian ini  bertujuan  untuk  mengetahui  bentuk  gelombang  arus referensi  dan  gelombang  arus  yang  mendapatkan pengaruh  sinyal  kontrol  akibat  variasi  parameter  dari proportional integral.
3.1. Pengujian Pada Variasi Parameter dengan Nilai Tetap (Arus referensi 2A)
Gambar  7  dan  8  berturut-turut  memperlihatkan hasil  pengujian  untuk  nilai  Kp  yang  berbeda.  Pada Gambar  7  bentuk  gelombang  dari  arus  actual  (warna biru)  mengikuti  bentuk  gelombang  dari  arus  referensi (warna  merah)  dengan  waktu  5.60  ms.  Pengamatan gelombang dilakukan pada v/div = 1 V, t/div = 10.0 ms, dan  faktor  pengali probe  oscilloscope 1x. Berdasarkan hasil  pengamatan  melalui Oscilloscope diperoleh tegangan maksimum dan periode sebagai berikut :
Gambar 5. Bode plot tetap
Gambar 6. Bode plot tetap
Gambar 7. Tegangan  Keluaran  dengan  Arus  Referensi 2A  dengan  Parameter  Pengukuran  ( =  0.4  and = 0.9) Gambar  8. Tegangan  Keluaran  dengan  Arus  Referensi 2A  dengan  Parameter  Pengukuran  ( =  0.7  and =
0.9)
doi: 10.14710/teknik.v41n2.23932               Copyright © 2020, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Gambar  9. Tegangan  Keluaran  dengan  Arus  Referensi 2  A  dengan  Parameter  Pengukuran  ( =  0.9  and =
0.3) Gambar 10 . Tegangan Keluaran dengan Arus Referensi 2  A  dengan  Parameter  Pengukuran  ( =  0.9  and =
0.8)
Pada  Gambar  8  bentuk  gelombang  dari  arus actual  (warna  biru)  mengikuti  bentuk  gelombang  dari arus  referensi  (warna  merah)  dengan  waktu  3.20  ms. Pengamatan  gelombang  dilakukan  pada  v/div  =  1  V, t/div  =  10.0  ms,  dan  faktor  pengali probe  oscilloscope 1x. Berdasarkan hasil pengamatan  melalui Oscilloscope diperoleh tegangan maksimum dan periode:
Berdasarkan  hasil  pengujian  pada  Gambar  7  dan 8.  diperoleh  bentuk  gelombang  keluaran  di  beban  10 ohm  untuk  arus  referensi  2  A.  Pengamatan  gelombang dilakukan pada v/div = 1 V, t/div = 10.0 ms, dan faktor pengali probe oscilloscope 1x. Semakin besar Parameter mempengaruhi  cepat  respon  sinyal  dan  membuat sinyal  aktual  lebih  proportional  terhadap  sinyal referensi.  Gelombang  sinus  yang  terbentuk  sudah membentuk gelombang sinus dengan baik
3.2.  Pengujian  Pada  Variasi  Parameter dengan  Nilai Tetap (Arus referensi 2A)
Hasil  pengujian  pengaruh  perubahan  Ki  dengan nilai  Kp  yang  tetap,  berturut-turut  diperlihatkan  pada Gambar 9 dan Gambar 10.  Berdasarkan  hasil pengujian pada  Gambar  9  dan  10  diperoleh  bentuk  gelombang keluaran  di  beban  10  ohm  untuk  arus  referensi  2  A. Pengamatan  gelombang  dilakukan  pada  v/div  =  1  V, t/div  =  5  ms,  dan  faktor  pengali probe  oscilloscope 1x.
Ketika  parameter diperbesar,  kesalahan steady  state error menurun.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil  yang  telah  dicapai  selama analisis, perancangan, implementasi, dan pengujian pada penelitian ini, desimpulan pengaruh parameter gain pada metode  kontrol  Proportional  Integral  terhadap  arus
keluaran  inverter  adalah  Proportional  gain  ( )  untuk mempercepat  respon  transient  serta  membuat  keluaran inverter  lebih  proportional  terhadap  referensi.  Semakin besar akan  membuat  keluaran  inverter  lebih proportional terhadap referensi.  Integral  gain ( ) untuk mengurangi steady-state error.

## Daftar Pustaka
Ajot,  T.  C.  A.,  Salimin,  S.,  &  Aziz,  R.  (2017).
Application  of  PI  Current  Controller  in  Single Phase  Inverter  System  Connected  to  Non  Linear
Load. IOP  Conference  Series:  Materials  Science and Engineering , 226 (1). https://doi.org/10.1088/1757-899X/226/1/012135 Ciobotaru,  M.,  Teodorescu,  R.,  &  Blaabjerg,  F.  (2006). Control  of  single-stage  single-phase  PV  inverter. EPE Journal, 16(3), 20-26.
Dahono, P. A. (2009). New hysteresis current controller for  single-phase  full-bridge  inverters.  IET  Power Electronics, 2(5), 585-594.
Dewan Energi Nasional (2016). Indonesia energy outlook 2016. Jakarta: Sekretariat Jenderal Dewan Energi Nasional.
Hart, Daniel W. (2011). Power Electronics . New York: McGraw-Hill.
Kuperman,  A.  (2015).  Proportional-resonant  current controllers  design  based  on  desired  transient performance.  IEEE  Transactions  on  Power Electronics, 30(10), 5341-5345.
Kuspranoto,  A.  H.,  Achmad,  S.  J.  Al,  Setiawan,  I.,  & Facta,  M.  (2018).  Design  and  Development  of Injection  Current  Control  on  Inverter-Based Proportional  Resonant  Method. Proceedings  -
2018 5th International Conference on Information Technology, Computer and Electrical Engineering, ICITACEE 2018 , 191–196. https://doi.org/10.1109/ICITACEE.2018.8576919
Pradana,  M.  I.,  Riyadi,  M.  A.,  &  Setiawan,  I.  (2018). Implementasi  Kontrol  Arus  Pada  Inverter  Satu
Fasa Menggunakan Dspic30f4011 Dengan Metode Kontrol  Proportional  Integral. Transient:  Jurnal Ilmiah Teknik Elektro , 7 (2), 529-535.
Rahim,  N.  A.,  &  Selvaraj,  J.  (2007,  November). Implementation  of  hysteresis  current  control  for single-phase  grid  connected  inverter.  In  2007  7th International  Conference  on  Power  Electronics and Drive Systems (pp. 1097-1101). IEEE.
Selvaraj,  J.,  Rahim,  N.  A.,  &  Krismadinata,  C.  (2008). Digital  PI  current  control  for  grid  connected  PV inverter. 3rd  IEEE  Conference  on  Industrial
Electronics and Applications , 742–746. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2008.4582614
Setiawan, I.,  Andromeda, T., Facta, M., & Handoko, S.
(2018). Implementation and Performance Analysis of  a  Single  Phase  Synchronization  Technique based on T / 4 Delay PLL . 8 (1).
Zhang, N., Tang, H., & Yao, C. (2014). A systematic method for designing a PR controller and active damping of the LCL filter for single-phase grid- connected PV inverters. Energies , 7 (6), 3934– 3954. https://doi.org/10.3390/en7063934
Zhou,  K.,  Zhu,  W.,  &  Zhu,  L.  (2010,  September). Proportional-resonant  current  control  of  single- phase  grid-tied  PV  inverter  system.  In  CICED 2010 Proceedings (hal. 1-4). IEEE.