## JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan)
Vol. 11, No 1  pISSN: 2303-0577   eISSN: 2830-7062

## RANCANG  BANGUN  DIODE  CLAMPED  MULTILEVEL INVERTER  7  TINGKAT  UNTUK  KONTROL  DAN MONITORING MOTOR INDUKSI SATU FASA BERBASIS IoT
Noer Soedjarwanto 1 , F. X. Arinto Setyawan 2 , Farhan Adiwinata 3
1,2,3 Jurusan teknik Elektro, Universitas Lampung; Jl. Prof. Sumantri Brojonegoro No. 1, Bandar Lampung
Riwayat artikel: Received: 20 September   2022 Accepted: 8  November  2022 Published: 15 Januari  2023

## Keywords:
Diode Clamped Multilevel Inverter, Motor Induksi, Internet of Things.
Corespondent Email: farhanadiwinata35@gmail.co m
How to cite this article :
Farhan (2023). Rancang Bangun Diode Clamped Multilevel Inverter 7 Tingkat Untuk Kontrol dan Monitoring Motor Induksi Satu Fasa Berbasis IoT. Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan, 11(1).
© 2023 JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan). This article is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY NC)
Abstrak. Kecepatan motor induksi dapat diatur dengan mengubah tegangan input, jumlah kutub ataupun frekuensi yang diberikan pada motor. Mengatur kecepatan motor  induksi dengan  cara  mengubah  tegangan input dan  jumlah kutub cukup sulit dilakukan. Oleh karena itu hal yang paling mudah dilakukan adalah dengan mengubah frekuensi input pada motor induksi. Salah satu cara mendapatkan  nilai  frekuensi  yang  dapat  diubah  –  ubah  adalah  dengan menggunakan  inverter.  Inverter  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah diode  clamped  multilevel  inverter.  Untuk  memudahkan  dalam  melakukan kontrol kecepatan dan monitoring motor induksi, digunakan sensor tegangan ZMPT101B  dan  sensor  kecepatan  Optocoupler  serta  aplikasi  blynk  sebagai media dari internet of things. Hasil pengujian menunjukkan jika rangkaian alat dapat  bekerja  dengan  baik.  Perubahan  frekuensi  yang  dilakukan  diode clamped  multilevel  inverter  berhasil  mengubah  kecepatan  putaran  motor induksi dan kontrol serta monitoring menggunakan konsep internet of things dapat bekerja sesuai kebutuhan.
Abstract. The speed of an induction motor can be adjusted by changing the input  voltage,  the  number  of  poles,  or  the  frequency  applied  to  the  motor. Adjusting the speed of an induction motor by changing the input voltage and the number of  poles is quite difficult. Therefore the easiest thing to do is to change the input frequency on the induction motor. One way to get a variable frequency value is to use an inverter. The inverter used in this study is a seven level diode clamped multilevel inverter. To make it easier to control the speed and  monitor  the  induction  motor,  the  ZMPT101B  voltage  sensor  and  the Optocoupler  speed  sensor  are  used  as  well  as  the  blynk  application  as  a medium for the internet of things. The test results show that the series of tools can  work  well.  The  frequency  changes  carried  out  by  the  diode  clamped multilevel  inverter  successfully  change  the  rotation  speed  of  the  induction motor,  the  control  and  monitoring  using  the  internet  of  things  concept  can work as needed.

## 1. PENDAHULUAN
Motor  induksi  merupakan  salah  satu peralatan yang banyak digunakan pada industri maupun  rumah  tangga.  Meskipun  begitu  pada motor  induksi  juga  terdapat  kekurangan  yaitu
pada  kecepatan  putaran  motornya.  Salah  satu cara untuk mengubah kecepatan motor induksi adalah dengan mengubah frekuensi input pada sumber statornya[1].
Inverter  merupakan  alat  yang  mampu menghasilkan  arus  bolak-balik  yang  nilai frekuensi  pada  tegangan  output  nya  dapat diubah.  Akan  tetapi  inverter  biasa  masih menghasilkan  harmonisa  yang  cukup  tinggi. Untuk  mengatasi  kendala  tersebut  dibuat multilevel inverter jenis DCMI (diode clamped multilevel inverter). DCMI adalah tipe inverter yang  besar  harmonisa  tegangannya  dapat dikurangi  dengan  menambah  tingkatan  pada inverter[2].
Berdasarkan penelitian sebelumnya, penelitian  tersebut  melakukan  perancangan sistem  untuk  mengendalikan  kecepatan  motor AC  satu  fasa  dengan  menggunakan  multilevel inverter  tipe  DCMI  (diode  clamped multilevel inverter)  sebagai  alat  yang  digunakan  untuk mengatur  besaran  frekuensi  pada  tegangan outputnya.  Kemudian  dalam  hal  pengontrolan dan monitoring, pengontrolan kecepatan motor AC  satu  fasa  menggunakan  potensiometer untuk  mengubah  besaran  frekuensi  dan monitoring nya menggunakan multimeter untuk mengetahui  besaran  tegangan  dan  arus  serta menggunakan  tachometer  untuk  mengetahui besaran kecepatan putaran motor[2].
Dari  latar  belakang  ini  timbul  suatu  ide untuk membuat rancang bangun sistem kendali dan  monitoring  kecepatan motor  AC  satu fasa dengan menggunakan diode clamped multilevel inverter berbasis Internet of Things sebagai alat yang  dapat  mengatur  frekuensi  keluaran  dan dapat  diakses  kapanpun  dan  dimanapun  tanpa perlu mengkhawatirkan jarak tertentu.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
A. Motor Kapasitor
Salah  satu  jenis  dari  motor  induksi  satu fasa  adalah  motor  kapasitor,  motor  ini digunakan  pada  listrik  tegangan  AC  satu  fasa. Konstruksi  dari  motor  kapasitor  cukup  serupa dengan  motor split  phase ,  akan  tetapi perbedaannya motor kapasitor memiliki sebuah kapasitor  tambahan. Salah satu contoh penerapan  dari  motor  kapasitor  adalah  pada kompresor  udara,  mesin  cuci,  pompa  air, refrigator,  dan  lain-lain.  Letak  dari  kapasitor pada  motor  adalah  pada  bagian  atas  motor, ataupun  di  dalam  kerangka  motor  itu  sendiri. Fungsi  dari  kapasitor  ini  adalah  untuk menaikkan  kopel  awal  dan  mengurangi  arus start yang terdapat pada motor dan juga untuk
mempertajam geseran fasa antara belitan utama dan belitan bantu[1].
Kecepatan  putaran  motor  induksi  dapat diketahui dengan menggunakan rumus:
𝑛 𝑠 = 120  × 𝑓 𝑝
Berdasarkan  penggunaan  kapasitornya jenis motor kapasitor dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu:
• Motor kapasitor start
• Motor Kapasitor running
• Motor Kapasitor start-running

## B. Multilevel Inverter
Multilevel  inverter  adalah  tipe  inverter yang gelombang keluaran tegangannya mempunyai tingkatan ataupun level yang sesuai dengan  jumlah  sumber  tegangan  DC  yang digunakan,  bentuk  gelombang  dari  multilevel inverter  berupa  gelombang  kotak  bertingkat, dan jumlah tingkatnya sesuai dengan tingkatan atau  level  yang  di  buat  pada  inverter. Bersumber pada topologinya multilevel inverter bagi jadi 3 tipe, yaitu :
• Cascaded multilevel inverter (CMI)
• Flying  capasitor  multilevel  inverter (FCMI)
• Diode  clamped  multilevel  inverter (DCMI)
C. Diode  Clamped  Multilevel  Inverter (DCMI)
DCMI  adalah  bagian  dari  multilevel inverter yang bekerja dengan satu sumber DC. cara penggunaannya adalah dengan menggunakan  kapasitor  sebagai  pembagi tegangan yang didapat dari sumber tegangan dc. Pada  DCMI  juga  terdapat  mosfet  yang berfungsi untuk mengatur pensaklaran inverter, dioda berfungsi untuk mengatur dan membatasi tegangan  pada  komponen  mosfet,  dan  resistor berfungsi sebagai beban rangkaian, yang dapat diganti  dengan  beban  lain  sesuai  dengan kebutuhan[2].
Gambar 1. Rangkaian DCMI 7 Tingkat
Multilevel  inverter  dengan  sumber  DC sendiri  maupun  terpisah  akan  menghasilkan keluaran  tegangan  yang  sesuai  dengan  level tingkatan inverter tersebut. Dimana pada DCMI 7  tingkat,  tegangan  keluaran  (Vo)  memiliki tujuh  level  tegangan  yaitu  +Vdc/2,  +Vdc/3, +Vdc/6, 0, -Vdc/6, -Vdc/3, dan -Vdc/2.
Untuk  mengubah  tegangan  DC  menjadi AC  dan  menghasilkan  7  level  tegangan dibutuhkan pensaklaran secara bergantian pada mosfet  yang  dilakukan  secara  berulang-ulang. Tabel  1  memperlihatkan  proses  pensaklaran DCMI pada tiap level tegangan.
Tabel 1. Pensaklaran pada DCMI 7 tingkat

## D. Pulse Width Modulation
Pulse  Width  Modulation (PWM)  atau modulasi  lebar  pulsa  merupakan  suatu  teknik yang  membandingkan  sinyal  referensi  (Vr) dengan sinyal carrier (Vc).  Sinyal carrier yang
biasa  digunakan  berupa  gelombang  segitiga ataupun gelombang gigi gergaji.
Prinsip  dasar  dari  teknik  PWM  adalah ketika besarnya amplitudo sinyal referensi (Vr) lebih  besar  dari  amplitudo  sinyal carrier (Vc) maka  dihasilkan  sinyal high atau on dan  jika besar  amplitudo  sinyal  referensi  (Vr)  berada lebih  kecil  dari  amplitudo  sinyal carrier (Vc)
maka dihasilkan sinyal low atau off [3].

## E. Gate Driver
Gate  driver adalah  salah  satu  rangkaian elektronika  yang  memiliki  fungsi  sebagai gerbang (pemisah) antara saklar daya (MOSFET) dengan mikrokontroler. Gate driver juga dapat digunakan sebagai penguat tegangan dari  mikrokontroler  yang  nilai  keluarannya sebesar  3,3  V  atau  5V  menjadi  lebih  besar sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan untuk memicu gate pada  saklar  daya  (MOSFET). Pada penelitian ini gate driver yang digunakan menggunakan  IC  jenis  HCPL,  yang  bekerja dengan  menggunakan  optocoupler[4].  Berikut rangkaian  terpadu  pada  IC  HCPL,  yang  dapat dilihat pada gambar 2.

## Gambar 2. Rangkaian IC HCPL-3120

## F. Mikrokontroler
Mikrokontroller merupakan suatu rangkaian  terpadu  elektronik  yang  berfungsi sebagai  pengendali  yang  mengatur  jalanya proses  kerja  dari  suatu  rangkaian  elektronik. Didalam sebuah rangkaian. Arduino merupakan suatu  modul  mikrokontroller  yang  sangat populer  saat  ini,  terdapat  beberapa  macam arduino sesuai kebutuhan[5]. NodeMCU adalah mikrokontroler  yang  merupakan  sebuah  open source  platform  IoT  dan  merupakan  modul pengembangan  yang  menggunakan  bahasa pemrograman  untuk  mempermudah  dalam membuat suatu produk IoT[7]. Jenis mikrokontroler yang digunakan pada penelitian ini  adalah  Arduino  Mega  dan  NodeMCU ESP8266.
G. Internet of Things
Internet of Things adalah salah satu bentuk teknologi  masa  kini  dari  perkembangan jaringan  internet. Internet  of  Things dapat didefinisikan sebagai hubungan atau kesinambungan  antara  komputer, smartphone , sensor,  aktuator  dan  perangkat  lain  yang mampu  terhubung  dengan  jaringan  internet, sehingga  informasi  yang  dihasilkan  oleh perangkat tersebut dapat diakses dan digunakan oleh masyarakat umum maupun sistem lain[6].
Pada  penelitian  ini  komponen Internet  of Things yang digunakan adalah sensor tegangan AC ZMPT101B, sensor kecepatan Optocoupler, mikrokontroler NodeMCU ESP8266,  dan  modul  wifi  ESP-01  serta platform
yang digunakan adalah Blynk[8][9][10].

## 3. METODE PENELITIAN

## A. Alat dan Bahan
Alat  dan  bahan  yang  digunakan  pada penelitian  ini  dibagi  menjadi  perangkat  keras (hardware)  dan  perangkat  lunak  (software) sebagai berikut.
Perangkat keras yang digunakan, yaitu:
1.  Rangkaian  diode  clamped  multilevel inverter (DCMI) 7 Tingkat satu fasa 2.  Rangkaian gate driver mosfet
3.  Rangkaian catu daya (power supply)
4.  Motor Kapasitor Tipe 73134 Class 0.1 5.  Arduino Mega 2560 6.  Node MCU ESP8266 7.  Laptop Asus X456UF 8.  Osiloskop digital
9.  Sensor tegangan ZMPT101B
10. Sensor optocoupler
Perangkat lunak yang digunakan, yaitu:
1.  Matlab 2018b
2.  Diptrace 2.3
3.  Microsoft Office 2013
4.  Arduino IDE
5.  Blynk

## B. Diagram Alir Penelitian
Penyelesaian tugas akhir dilakukan dalam beberapa  tahap,  secara  umum  tahap  tahap tersebut dijelaskan pada Gambar 3
Gambar 3. Diagram Alir Penelitian

## C. Diagram Blok
Saat  arduino  memberikan  trigger  ke rangkaian gate driver lalu ke rangkaian inverter, maka  inverter  akan  melakukan  pengaturan dengan  mengubah  nilai  frekuensi.  Tegangan satu fasa  yang  dihasilkan  inverter akan masuk ke  beban  motor.  Lalu  pengaturan  kecepatan motor  akan  dilakukan  berdasarkan  frekuensi yang  diberikan  oleh  inverter.  Nilai  tegangan dan  arus  keluaran  inverter,  serta  kecepatan putaran  motor  akan  diterima  oleh  sensor  yang kemudian  akan  diproses  oleh  Node  MCU  dan kemudian  dikirim  ke  database  yang  kemudian dapat ditampilkan secara online. Diagram blok perancangan alat dapat dilihat pada Gambar 4.

## Gambar 4. Diagram Blok Penelitian

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pengujian  Diode  Clamped  Multilevel
Inverter Berikut merupakan hasil pengujian Diode Clamped Multilevel Inverter. Terdapat
duabelas  buah  mosfet,  sepuluh  buah  diode,
enam buah kapasitor dan satu sumber tegangan. Pada  pengujian  ini  dilakukan  dengan  melihat gelombang dari tegangan output yang dihasilkan  dari  rangkaian  diode  clamped multilevel inverter. Tegangan output yang diuji memiliki nilai frekuensi sebesar 30, 40, 50, dan 60  Hz.  Berikut  merupakan  gelombang output dari rangkaian DCMI serta pengaruh perubahan frekuensi terhadap tegangan, arus dan kecepatan.
Gambar 5 Gelombang keluaran DCMI
Gambar 6 Grafik pengaruh frekuensi terhadap tegangan output
Gambar 7 Grafik pengaruh frekuensi terhadap arus output
Gambar 8 Grafik pengaruh frekuensi terhadap kecepatan putaran motor

## B. Pengujian Internet of Things
Pada penelitian ini, untuk menghubungkan rangkaian dengan IoT digunakan 2 buah sensor (Sensor Tegangan AC ZMPT101B dan Sensor Kecepatan Optocoupler), Satu buah mikrokontroler NodeMCU, Modul wifi ESP-01 dan platform Blynk.  Berikut  merupakan  hasil dari pengujian masing masing komponen. 1. Sensor ZMPT101B Pengujian sensor ZMPT101B digunakan  untuk  mengetahui  kinerja  dari sensor dalam membaca nilai tegangan AC. Pengujian  ini  dilakukan  dengan  cara membandingkan  data  keluaran  tegangan dari  sensor  dengan  alat  ukur  multimeter.
Tabel  2  memperlihatkan  perbandingan antara sensor dan alat ukur.
Tabel 2. Perbandingan antara sensor Tegangan
AC dan Multimeter 2. Sensor Optocoupler Pengujian sensor Optocoupler digunakan  untuk  mengetahui  kinerja  dari sensor  dalam  membaca  nilai  kecepatan putaran  motor.  Pengujian  ini  dilakukan dengan cara membandingkan data
keluaran kecepatan dari sensor dengan alat ukur tachometer. Tabel 3 memperlihatkan perbandingan antara sensor dan alat ukur.
Tabel 3 Perbandingan antara sensor kecepatan dan Tachometer
3. NodeMCU, ESP-01, dan Blynk Pada pengujian ini  sensor ZMPT101B dan  sensor  Optocoupler  dihubungkan dengan  mikrokontroler  NodeMCU  yang kemudian NodeMCU akan mengirim hasil keluaran sensor kepada aplikasi Blynk dan nilai  keluaran  sensor  akan  terlihat  pada aplikasi  Blynk,  dan  nilai  frekuensi  juga dapat diatur nilainya yang kemudian akan dikirim  ke  arduino  yang  telah  terhubung dengan  modul  wifi  ESP-01,  sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9 Tampilan aplikasi blynk

## C. Pengujian Keseluruhan Rangkaian
Penelitian  ini  terdiri  dari  tiga  rangkaian utama,  yaitu  rangkaian  gate  driver,  rangkaian diode  clamped  multilevel  inverter,  dan rangkaian IoT (Internet of Things) sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Keseluruhan Rangkaian Penelitian Rangkaian  gate  driver  berfungsi  untuk menaikkan  tegangan  dari  Arduino  yang nilainya  adalah  5  Volt,  menjadi  15  Volt  agar sesuai  dengan  tegangan  kerja  mosfet  yang digunakan  pada  diode  clamped  multilevel inverter, Arduino pada penelitian ini digunakan untuk  menghasilkan  sinyal  PWM  yang  duty cycle nya dapat diatur agar dapat menghasilkan gelombang  bertingkat,  dan  menghasilkan frekuensi  yang  berbeda  –  beda.  Rangkaian diode  clamped  multilevel  inverter  berfungsi untuk  mengubah  tegangan  DC  menjadi tegangan  AC  dengan  gelombang  kotak bertingkat  yang  menyerupai  sinusoidal  agar dapat  digunakan  untuk  menyalakan  motor induksi,  besar  tegangan  DC  yang  dibutuhkan adalah  sebesar  150  Volt  DC  yang  didapatkan dari power supply. Rangkaian IoT (Internet of Things)  berfungsi  untuk  memonitoring  dan mengontrol beban, dimana mikrokontroler yang digunakan  adalah  NodeMCU  ESP8266  dan sensor yang digunakan adalah sensor tegangan AC ZMPT101B dan sensor kecepatan optocoupler. Sensor yang digunakan diletakkan pada beban motor induksi, yang kemudian hasil dari  nilai  sensor  dikirimkan  ke  aplikasi  blynk
melalui nodeMCU ESP8266. Untuk
pengontrolan kecepatan dengan cara mengubah frekuensi, dari aplikasi blynk mengirimkan nilai frekuensi  yang  diinginkan  kepada  Arduino yang telah dipasang modul wifi ESP-01.

## D. Hasil Perancangan Alat
Pada  penelitian  ini  terdapat  beberapa modul rangkaian pengendali yaitu: modul gate driver, modul diode clamped multilevel inverter 7  tingkat,  mikrokontroler  Arduino  mega  dan NodeMCU.
Pengaturan frekuensi pada inverter dikendalikan  menggunakan  aplikasi  blynk. Frekuensi  yang  diberikan  kepada  inverter adalah sebesar 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz, dan 60 Hz. Tegangan  DC  yang  diberikan  sebagai  sumber oleh catu daya adalah sebesar 150 Volt DC. Dan keluaran tegangan AC pada inverter pada setiap frekuensi  adalah  sebesar  102,3  V,  107,4  V, 110,4  V,  dan  114  V  pada  saat  menggunakan beban  motor.  Dan  kecepatan  yang  dihasilkan adalah  sebesar  1493,  1832,  2376,  dan  2670 RPM.

## 5. KESIMPULAN
Dari serangkaian penelitian, pengujian dan analisa  yang  telah  dilakukan  pada  tugas  akhir ini dapat diambil kesimpulan bahwa :
Telah  berhasil  dirancang  diode  clamped multilevel  inverter  7  tingkat  yang  mampu mengontrol  dan  melakukan  monitoring  pada motor  induksi  dan  terintegrasikan  dengan Internet of Things.
Perubahan  Nilai  frekuensi  pada  DCMI mempengaruhi  tegangan  dan  arus output serta kecepatan putaran motor, dimana semakin besar frekuensi  yang  diberikan  maka  semakin  besar pula  nilai  tegangan  dan  arus output serta kecepatan putaran motor.
Sensor  tegangan  AC  ZMPT101B  yang digunakan  memiliki  rata  –  rata  nilai  error sebesar 0,44%. dan sensor Kecepatan Optocoupler  yang  digunakan  memiliki  rata  – rata nilai error sebesar 2,54%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  D.  W.  Hart,  Power  Electronics,  Valparaiso, Indiana: Mc Graw Hill, 2010.
[2]  N.  Soedjarwanto,  O.  Zebua,  M.  H.  Lazuardy, “Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Menggunakan  Multilevel  Inverter  Dengan Mengatur  Frekuensi,”  Prosiding  Seminar Nasional  Teknologi  Elektro  Terapan,  Vol.  03, ISSN: 2581-0049, 2019.
[3]  D.  D.  Khaimar  dan  V.  M.  Deshmukh, “Performance  Analysis  of  Diode  Clamped  3 Level  MOSFET  Based  Inverter,”  International Electrical  Engineering  Journal  (IEEJ),  vol.  5, No.7, pp. 1484-1489, 2014.
[4]  Rendi  Febrianto,  “Rancang  Bangun  Boost Converter  Untuk  Proses  Discharging  Baterai Pada  Penerangan  Jalan  Umum  Tenaga  Surya (Pjuts),” Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro  Terapan,  vol.  02  No.01,  ISSN:  2581- 0049, 2018.
[5]  Anonim,  “Arduino  Mega  2560  rev3”,  Arduino Store, [Online].
Available: https://store.arduino.cc/usa/mega-2560-r3. [Diakses 27 Juni 2022]
[6] D. Setiadi, M. N. Abdul Muhaemin, “Penerapan Internet of Things (IoT) Pada Sistem Monitoring Irigasi (Smart Irigasi),” Jurnal Infotronik, vol. 3 No.2, p-ISSN : 2548-1932, 2018.
[7] Siswanto, T. Nurhadian, M. Junaedi, “Prototype Smart  Home  Dengan  Konsep  IoT  (Internet  of Thing)  Berbasis  NodeMCU  dan  Telegram,” Jurnal SIMIKA, vol. 3 No.1, 2020.
[8]  H.  Susanto,  A.  Hamzah,  “Penerapan  Konsep Internet  of  Things  (IoT)  Sebagai  Monitoring Tegangan  dan  Arus  Pada  Motor  Induksi  1 Phase,”  Prosiding  Seminar  Nasional  Aplikasi dan  Teknologi  (SNAST),  ISSN:  1979-911X, 2018.
[9] A. R. Nugraha, Rahmadwati, Retnowati, “Sistem Pengaturan  Kecepatan  Motor  DC  Pada  Alat Pengaduk Adonan Dodol Menggunakan Kontroler PID,” Jurnal Mahasiswa TEUB, vol.2 No.2, 2014
[10]  R.  P.  Gozal,  A.  Setiawan,  H.  Khoswanto, “Aplikasi  SmartRoom  Berbasis  Blynk  Untuk Mengurangi Pemakaian Tenaga  Listrik,”  Jurnal Infra, vol.8 No.1, 2020