## Rancang Bangun Inverter 1 Fasa dengan Teknik Modulasi Third Harmonic Injection Pulse Width Modulation untuk Panel Surya 1 KWP

## Firman Hidayat Jati Pamungkas
Fikas.pamungkas@gmail.com
Universitas Jember
Bambang Sujanarko
sujanarko. te knik@un e j.ac.id
Universitas Jember Moch. Gozali gozali@ teknik.unej .ac.id Universitas Jember
Abstrak
Indonesia merupakan negara tropis, artinya Indonesia mendapat paparan  sinar  matahari  lebih  banyak  dari  negara  lain.  Oleh karena  itu,  Indonesia  sangat berpotensi  dalam mengembangkan Energi  Baru  Terbarukan  terutama  panel  surya.  Panel  surya dapat digunakan pada rumah untuk contoh skala kecil, maupun dalam  skala  besar  yaitu  pembangkit  listrik.  Namun  listrik  yang dihasilkan dari panel surya tidak bisa langsung digunakan untuk beberapa  peralatan  rumah  tangga,  karena  listrik  yang dihasilkan  adalah  listrik  searah  atau  direct  current  (DC). Sehingga  diperlukan  sebuah  alat  yang  dapat  mengubah  listrik DC  menjadi  listrik  AC  (Alternating  Current)  yang  dinamakan Inverter.  Inverter  yang  baik  adalah  yang  memiliki  rating  THD (Third  Harmonic  Distortion)  tidak  lebih  dari  5%.  THD  yang tinggi  dapat  merusak  peralatan  elektronik.  Oleh  karena  itu, penelitian  ini  menggunakan  metode  modulasi  THIPWM  yang mampu mereduksi THD.
Kata  Kunci —    Inverter , THIPWM, Mikrokontrol, Total Harmonic Distortion

## Abstract
Indonesia is a tropical country, means that Indonesia gets more sun  exposure  than  other  countries.  Therefore,  Indonesia  has the  potential  to  develop  Renewable  Energy,  especially  solar panels.  Solar  panels  can  be  used  in  homes  for  small  scale,  as well as on large scale such as power plants. However, electricity generated  from  solar  panels  cannot  be  directly  used  for  some household  appliances,  because  electricity  produced  is  direct current  (DC)  electricity.  So  we  need  a  device  that  can  convert DC  electricity  into  AC  electricity  (Alternating  Current)  called an  inverter.  A  good  inverter  is  one  that  has  a  THD  (Third Harmonic  Distortion)  rating  of  no  more  than  5%.  High  THD can  damage  electronic  equipment.  Therefore,  this  study  uses the THIPWM modulation method that is able to reduce THD.
Keywords —Inverter,  THIPWM,    Microcontroller,  Total Harmonic Distortion

## I. PENDAHULUAN
Negara tropis seperti Indonesia adalah negara yang berada dalam  wilayah  tropika,  artinya  Indonesia  selalu  mendapat sinar  matahari  yang  tegak  lurus  pada  saat  siang  hari  minimal satu hari dalam setahun. Pada tengah-tengah daerah tropis ada
sebuah  garis  khayal  yang  disebut  khatulistiwa.  Dari  letaknya dalam  daerah  khatulistiwa,  wilayah  Indonesia  menerima banyak  sinaran  matahari  karena  matahari  sepanjang  tahun berada di atasnya.
Matahari  merupakan  sumber  energi  dari  segala  proses  di bumi.  Energi  bersifat  kekal  dan  tidak  bisa  di  musnahkan. Energi tidak dapat hilang namun dapat diubah menjadi bentuk energi  lain,  seperti  energi  listrik.  Untuk  mengubah  atau mengkonversi  energi  matahari  menjadi  energi  listrik, dibutuhkan sebuah alat yaitu panel surya. Namun, panel surya hanya menghasilkan listrik searah atau DC. Panel surya dapat menghasilkan  listrik  AC  apabila  dibantu  dengan  sebuah  alat yang dinamakan Inverter
Inverter  merupakan  suatu  rangkaian  yang  digunakan  untuk mengubah  sumber    tegangan  DC  tetap  menjadi  sumber tegangan  AC  dengan  frekuensi  tertentu.  Keluaran  dari  sebuah inverter  dapat  berupa  tegangan  AC  dengan  bentuk  gelombang sinus, gelombang kotak dan gelombang sinus modifikasi
Inverter  akan  sangat  dibutuhkan  sebagai  penyedia  listrik cadangan  terutama  pada  kebutuhan  listrik  rumah  tangga  jika sewaktu-waktu  listrik  sedang  padam.  Selain  itu,  inverter  juga berperan  penting  dalam  mengubah  listrik  DC  dari  panel  surya menjadi listrik AC yang biasa digunakan sehari-hari.
Pada  era  teknologi  milenial  saat  ini,  pabrik-pabrik  atau industri  banyak  menggunakan  peralatan  elektronik  yang sangat  sensitif  terhadap  harmonisa.  Oleh  karena  itu,  akhir- akhir  ini  sangat  dibutuhkan  sumber  listrik  dengan  nilai harmonisa  yang  sangat  kecil  serta  faktor  daya  yang  tinggi pada  dunia  industri.  Inverter  adalah  salah  satu  solusi  untuk mendapatkan  sumber  daya  yang  bersih  terutama  di  bidang energi  terbarukan.  Sebuah  inverter  dapat  diklasifikasikan menjadi single  level inverter  dan multilevel inverter. Multilevel inverter  memiliki  keuntungan  yaitu  kecil  nilai harmonisa dan keluaran daya yang lebih tinggi daripada single level inverter. Selain itu, dikenal juga PWM Inverter. Inverter jenis ini bekerja dengan mengatur lebar pulsa dari gelombang tegangan  referensi.  Ada  berbagai  macam  cara  modulasi  dari PWM Inverter seperti SPWM ( Sine Pulse Width Modulation ), THIPWM ( Third Harmonic Injection Pulse Width Modulation ) dan  SVPWM  ( Space  Vector  Pulse  Width  Modulation ).  Pada
prinsipnya  semua  modulasi  adalah  sama,  yang  membedakan hanyalah bentuk gelombang referensi.
Berdasarkan  uraian  diatas,  maka  pada  penelitian  ini  akan dibuat  rancang  bangun  inverter  1  fasa  untuk  sebuah  panel surya dengan daya 1kWp (1000 wattpeak). Pada penelitian ini, digunakan  keluaran  berupa modified  sinewave dengan  teknik modulasi  THIPWM  ( Third  Harmonic  Injection  PWM ). Modulasi  THIPWM  dipilih  karena  tipe  modulasi  ini  dapat meningkatkan  efisiensi  serta  dapat  menghemat  daya.  Selain itu,  modulasi  THIPWM  dipilih  karena  metode  ini  dapat mengatur  faktor  daya  dari  keluaran  inverter  serta  dapat mengurangi  harmonisa  tegangan  lebih  baik  daripada  inverter biasa.  Pada  penelitian  ini,  digunakan  konfigurasi H-bridge , dengan tegangan input 180 VDC langsung dari panel surya.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Blok Diagram Sistem
Pada  penelitian  ini  untuk  mendapatkan  data  yang diinginkan dan sesuai dengan tujuan awal maka sesuai dengan topik  yang  diambil  untuk  bentuk  dari  blok  diagram  sistem secara keseluruhan dapat dilihat seperti pada Gambar 1.
Gbr. 1 Diagram Blok Sistem
Panel  surya  akan  mengeluarkan  daya  1  kWp  dengan  arus searah  (DC).  Selanjutnya  listrik  akan  dialirkan  menuju Inverter  yang  akan  mengubah  listrik  DC  menjadi  AC  yang dapat  digunakan  pada  beban.  Inverter  dikendalikan  oleh mikrokontrol  yaitu  arduino.  Pada  penelitian  ini  digunakan beban  maksimal  1  kW  dengan  2  jenis  beban  yaitu  beban berupa motor yaitu kipas angin dan beban lampu pijar.

## B. Perancangan Kendali atau Kontrol
Pada  perancangan  kendali  ini  memuat  sistem  dimana pengendai  fuzzy  dan  pid  digunakan  untuk  menentukan tegangan output (Gambar 2).

## Gbr. 2 Diagram Blok Kontrol
Masukan  dari  pembentukan  PWM  adalah  tegangan referensi  dan  tegangan  caririer  serta  terdapat  pengaturan waktu.  Kedua  tegangan  bermodulasi  membentuk  gelombang
kotak  PWM.  Gelombang  tersebut  dibangkitkan  oleh mikrokontroller  Arduino.  Kemudian  gelombang  PWM dimasukkan pada driver rangkaian inti full bridge. Kemudian gelombang diteruskan menuju rangkaian inti full bridge. Pada rangkaian  inti  gelombang  PWM  akan  diterima  oleh  gate mosfet  yang  kemudian  bermodulasi  dengan  tegangan  DC. Sehingga keluaran dari  inverter  membentuk  gelombang baru atau modified sine wave.

## C. Perancangan Driver MOSFET
Driver  MOSFET  yang  dimaksud  adalah  rangkaian  utama dari  inverter  yang  berfungsi  menaikkan  tegangan,  dengan memperbesar tegangan maka besarnya tegangan pemicu pada gate MOSFET  akan  bernilai  besar.  Rangkaian  ini  mendapat input  dari  kontrol.  Rangkaian  driver  ini  dilengkapi optocoupler yang  berfungsi  untuk  memisahkan  tegangan mikrokontroller  dengan  tegangan  yang  lebih  tinggi. Rangkaian dari driver MOSFET ditunjukkan pada Gambar 3.
Gbr. 3 Driver MOSFET

## III. H ASIL DAN PE MBAHASAN
Pengujian  ini  dilakukan dengan  memberikan  2  jenis  beban yaitu beban resitif dan beban induktif, dan variasi beban yang akan  diberikan  ada  3  yaitu  beban  resitif  saja,  beban  induktif saja,  dan  penjumlahan  semua  beban  baik  resitif  maupun induktif.  Beban  resitif  yang  digunakan  adalah  lampu  pijar, dimulai dari 0 Watt(tanpa beban) hingga 240 Watt, kemudian akan  dianalisis  bagaimana  efisiensi  dari  inverter.  Pada  beban induktif,  digunakan  3  beban  yaitu  2  buah  bor  listrik  masing- masing  berdaya  135  Watt  dan  220  Watt  dan  1  buah  gerinda berdaya 450 Watt dengan total beban sebesar 805 Watt. Beban tersebut  akan  digunakan  sebagai  acuan  untuk  mencari tegangan  keluaran,  arus  keluaran  serta  daya  keluaran  dan efisiensi  yang  nantiya  akan  dibuat  grafik  untuk  dilakukan analisa.

## A. Analisa Pengujian Inverter Beban Resistif
Pengujian  beban  resistif  dilakukan  dengan  menggunakan lampu  pijar.  Terdapat  12  variasi  beban  dengan  beda  masing- masing sebesar 20 Watt. Variasi beban dimulai dengan beban 20 Watt hingga beban 240 Watt (Tabel 1 dan 2).
TABEL I
D ATA T EGANGAN DAN A RUS B EBAN R ESISTIF Beban (Watt) Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) 20 182,9 0,36 191,5 0,33 40 188,7 0,17 177,6 0,18 60 178,6 0,49 181,7 0,43 80 197,8 0,34 212,6 0,31 100 192,4 0,67 200,7 0,61 120 190,7 0,74 197,7 0,65 140 193,5 0,56 204,5 0,48 160 185 0,87 188,7 0,78 180 189,7 0,7 197,4 0,61 200 189,1 0,76 194,6 0,61 220 179,5 1,04 177,1 0,96 240 184,7 0,88 185,3 0,79
Selain  itu  juga  didapatkan  efisiensi  dan  THD  dari  beban resistif pada Tabel 2.
TABEL II
D ATA D AYA , E FISIENSI DAN THD B EBAN R ESISTIF Beban (Watt) Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) 20 182,9 0,36 191,5 0,33 40 188,7 0,17 177,6 0,18 60 178,6 0,49 181,7 0,43 80 197,8 0,34 212,6 0,31 100 192,4 0,67 200,7 0,61 120 190,7 0,74 197,7 0,65 140 193,5 0,56 204,5 0,48 160 185 0,87 188,7 0,78 180 189,7 0,7 197,4 0,61 200 189,1 0,76 194,6 0,61 220 179,5 1,04 177,1 0,96 240 184,7 0,88 185,3 0,79
Gambar  4  merupakan  bentuk  gelombang  untuk  beban resistif  dengan  beban  20  Watt.  Gambar  5,  merupakan spektrum  gelombang  untuk  beban  resistif  dengan  beban  20 Watt.
Gbr. 4 Bentuk Gelombang Beban 20 Watt
Gbr. 5 Spektrum Gelombang 20 Watt

## B. Analisa Pengujian Inverter Beban Induktif
Pengujian  beban  induktif  dilakukan  dengan  3  jenis  alat, yaitu  bor  kecil,  bor  besar  dan  gerinda  dengan  beban  secara berturut-turut  135  Watt,  220  Watt  dan  450  Watt  (Tabel  3). Sehingga  ketika  dinyalakan  semua,  beban  total  adalah  805 Watt.
Tegangan  masukan  berbeda-beda  pada  setiap  beban.  Hal ini dikarenakan tegangan masukan dipengaruhi oleh intensitas matahari.  Apabila  digunakan  sebuah  baterai  maka  tegangan masukan  akan  stabil  (konstan),  sehingga  tidak  akan  terjadi fluktuasi tegangan maupun arus.
TABEL III D ATA T EGANGAN DAN A RUS B EBAN I NDUKTIF Beban (Watt) Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) 135 199 0,23 216,6 0,21 220 197,7 0,2 215,5 0,18 355 196,2 0,5 208,6 0,47 450 193,8 0,83 202,6 0,79 805 192,3 1,3 196,4 1,26
Selain  itu  juga  didapatkan  efisiensi  dan  THD  dari  beban induktif yaitu seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.
TABEL IV
D ATA D AYA , E FISIENSI DAN THD B EBAN I NDUKTIF Beban (Watt) Pin (Watt) Pout (Watt) Efisiensi (%) THD (%) 135 45,77 45,486 99,38 15 220 39,54 38,79 98,10 21 355 98,1 98,042 99,94 20 450 160,854 160,054 99,50 15 805 249,99 247,464 98,99 16
Gambar  6  merupakan  bentuk  gelombang  untuk  beban induktif dengan beban 135 Watt.
Gbr. 6 Bentuk Gelombang 135 Watt
Gambar  7,  merupakan  spektrum  gelombang  untuk  beban induktif dengan beban 135 Watt.
Gbr. 7 Spektrum Gelombang Beban 135 Watt

## C. Analisa Pengujian Inverter Beban Campuran
Pengujian  dengan  beban  campuran  adalah  dengan menyalakan  semua  beban  resistif  (lampu)  dan  menggerakkan semua  beban  induktif.  Sehingga  didapatkan  total  beban  yaitu 1045 Watt (Table 5 dan 6).
TABEL V D ATA T EGANGAN DAN A RUS B EBAN C AMPURAN Beban (Watt) Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) 1045 167,8 2,15 170,3 2,07
Selain  itu  juga  didapatkan  efisiensi  dan  THD  dari  beban campuran, yang diunjukkan pada Tabel 6
TABEL VI D ATA T EGANGAN DAN A RUS B EBAN C AMPURAN Beban (Watt) Pin (Watt) Pout (Watt) Efisiensi (%) THD (%) 1045 360,77 352,52 97,71 19
Gambar  8  merupakan  bentuk  gelombang  beban  campuran 1045  watt.  Sedangkan  Gambar  9  merupakan  spektrum gelombangnya.
Pada  beban  campuran  ini,  hanya  dilakukan  1  variasi  data yaitu dengan beban 1045 Watt (240 Watt resitif dan 805 Watt induktif). Menganalisa Tabel 5 dan Tabel 6, dengan tegangan masukan  sebesar  167,8  V  dihasilkan  tegangan  keluaran sebesar 170,3 V, dengan arus masukan 2,15 Ampere dan arus keluaran  2,07  Ampere  sehingga  di  hasilkan  daya  keluaran 352,521 Watt serta efisiensi yang dihasilkan 97,71%.
Gbr. 8 Bentuk Gelombang 1045 Watt
Gbr. 9 Spektrum Gelombang 1045 Watt

## IV. KESIMPULAN (PENUTUP)
Inverter  dengan  metode  THIPWM  ini  masih  memiliki THD  rata-rata  sebesar  15%  dengan  nilai  THD  terkecil  10% dan  THD  terbesar  21%.  Hal  ini  dikarenakan  inverter  belum menggunakan  filter  ataupun  trafo  yang  dapat  menjaga tegangan dan mengurangi ripple.
Besar  THD  untuk  masing-masing  beban  berbeda-beda, terjadi  kenaikan  dan  penurunan  pada  tiap  beban.  Hal  ini dikarenakan  besar  tegangan  masukan  dari  panel  surya  yang berubah-ubah bergantung  dengan kondisi langit apakah cerah atau tertutup awan pada saat itu.
Efisiensi  dari  inverter  bergantung  terhadap  intensitas cahaya  matahari.  Jika  intersitas  cahaya  rendah,  maka  akan menghasilkan efisiensi yang buruk serta THD yang tinggi.
Efisiensi  tertinggi  didapat  pada  saat  inverter  diberi  beban induktif, yaitu sebesar 99%. Hal ini disebabkan beban induktif juga bekerja sebagai filter pasif
R EFERENSI
[1] Anita,  &  Gaur,  P.  (2015).  Simulation  of  High  Efficiency  Grid Connected  THIPWM-Three  Phase  PV  Inverter. European  Journal  of Advances in Engineering and Technology , 129-134.
[2] Chaturvedi,  L.,  Yadav,  D.  K.,  &  Pancholi,  G.  (2017).  Comparison  of SPWM,  THIPWM  and  PDPWM  Technique  Based  Voltage  Source Inverters  for  Application  in  Renewable  Energy. Journal  of  Green Engineering , 84-98.
[3] Ibrahim, Z. B., Hossain, M. L., Bugis, I. B., Hasim, A. S., & Mahadi, N. M.  (2014).  Simulation  Investigation  of  SPWM,  THIPWM  and SVPWM Techniques for Three Phase Voltage Source Inverter
[4] JOSE,  J.,  GOYAL,  G.  N.,  &  AWARE,  M.  V.  (2010).  Improved Inverter Utilisation Using Third. Drives and Energy Systems , 1-6.
[5] McGrath,  B.  P.,  &  Holmes,  D.  G.  (2002).  Multicarrier  PWM Strategies  for  Multilevel  Inverters. TRANSACTIONS  ON INDUSTRIAL ELECTRONICS , 858-867.
[6] Nagasai, K. B., & R, T. J. (2016). Harmonic Analysis and Application of PWM Techniques for Three Phase Inverter. 1228-1223.
[7] Yaakub, M. F., Mohamad, S. H., Ahmad, S., & Jidin, A. Z. (2016). Simulation  of  Three-Phase  Cascaded  H-Bridge  Multilevel Inverter with THIPWM. 484-488.
[8] transactions on industrial electronics, Vol. 63, No. 2.
[9] Younis,  M.  A.,  Rahim,  N.  A.,  &  Mekhilef,  S.  (2010).  High Efficiency  THIPWM  Three-Phase  Inverter  for  Grid  Connected
System. Industrial Electronics and Applications ,  88-93.