Analisis Karakteristik Daya Output Inverter Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil

## Menggunakan Arduino
Muchsin Harahap 1 , Andri Syaputra 1 , Suherman 2 *
1 Prodi Teknik Pendingin dan Tata Udara, Politeknik Tanjungbalai Jln. Sei Raja Kel. Sei Raja, Kecamatan Sei Tualang Raso – Kota Tanjungbalai
2 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Sumatera Utara Jln. Muchtar Basri No. 3 Glugur Darat – Sumatera Utara *E-mail: suherman.me.umsu@gmail.com
Diajukan: 21-10-2022; Direvisi: 12-04-2023; Dipublikasi: 20-04-2023

## Abstrak
Daerah  pesisir  dimana  banyak  ditemukan  aliran  sungai  kecil  dan  irigasi  yang  menuju  ke  muara  sungai  merupakan potensi  untuk  bisa  dijadikan  pembangkit  listrik  mikrohidro  dengan  skala  kecil.  Dengan  menggunakan  turbin archimedes dan perkembangannya. Banyak variabel dari turbin screw yang perlu diperhatikan secara seksama seperti debit  air,  laju  air,  turbin,  sudut  poros  turbin  dengan  sudut  kemiringan  tertentu.  Adapun  tujuan  penelitian  ini  untuk menghasilkan  daya output dengan  menggunakan arduino untuk  menganalisis  karakteristik  daya  output.  Dari  hasil penelitian  yang  dilakukan  maka  daya  maksimal  diperoleh  sebesar  18,72  W  pada  sudut  kemirigan  45 0 ,  kecepatan dengan nilai 269,53 rpm, debit air dengan nilai 1,133 m 3 /s dan laju kecepatan air dengan nilai 3,846 kg/s.
Kata kunci: Debit air; Turbin screw ; Generator; Inverter ; Arduino

## Abstract
Coastal areas where many small rivers flow and irrigation leads to river mouths are potentials that can be used as micro-hydro power plants on a small scale. By using the Archimedes turbine and its development. Many variables of screw turbines that need to be considered carefully such as water discharge, water rate, turbine, turbine shaft angle with a certain tilt angle. The purpose of this research is to produce output power which is good to use Arduino which aims to analyze the characteristics of the output power. From the results of the research conducted, the maximum power  obtained  is  18.72  watts  at  an  angle  of  45 0 ,  rpm  speed  with  a  value  of  269.53  rpm,  water  discharge  with  a value of 1.133 m 3 /s and water velocity with a value of 3.846 kg/s.
Keywords: Water discharge, Screw turbine, Generator, Inverter, Arduino

## 1. Pendahuluan
Turbin air tipe ulir ( screw ) merupakan salah satu tipe turbin air yang memiliki potensi pembangkit listrik ukuran skala  kecil/rendah  dan  ramah  lingkungan  [1].  Prinsip  kerja  turbin screw yaitu  menggunakan  prinsip  kebalikan  dari pompa  dan  memanfaatkan  daya  aliran  yang  tersedia  untuk  produksi  energi  dalam head yang  rendah  [2].  Untuk  jenis turbin  ini  sesuai  untuk  sungai  yang  memiliki head kurang  dari  5  meter  atau  saluran  irigasi.  Hal  ini  sangat  berpotensi untuk memanfaatkan tenaga air skala kecil/rendah untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Dengan debit yang kecil dan head yang rendah bisa digunakan untuk membangkitkan energi listrik menggunakan turbin screw archimedes di aliran irigasi kecil [3].
Inverter merupakan  salah  satu  komponen  penting  pada  pembangkit  air  dengan  skala  kecil.  Dimana inverter berperan sebagai membangkitkan tegangan kecil DC menjadi tegangan besar AC. Struktur kerja rangkaian dari inverter fasa  tunggal  terdiri  dari  setengah  jembatan,  jembatan  penuh,  dan  struktur  tiga  tingkat  [4].  Terdapat  beberapa  teknik penyaklaran  pada inverter satu  fasa  dan  tiga  fasa.  Jenis inverter yang  digunakan  sistem  jembatan  penuh  ( full  bridge ) dan menggunakan metode push full pada inventer bertujuan untuk memberikan tegangan penuh pada daya output [5].
Penerapan arduino pada inverter digunakan untuk pembangkit pulsa, pulsa yang dihasilkan akan memicu switch pada  rangkaian inverter untuk  bekerja.  Pelaksanaan  penelitian  ini  menerapkan  pengaturan pulse  width  modulation
(PWM)  agar  dapat  menghasilkan  karakteristik  daya output inverter dengan  gelombang  keluaran  sinus  murni bertegangan  220  Volt  dan  gelombang  sinus  murni  pada  frekuensi  50  Hz.  Pengaturan  PWM  akan  dikontrol  dan  di- monitoring oleh arduino dengan tujuan untuk menganalisis karakteristik daya output maksimum [6]. Hasil karakteristik tersebut dilakukan dengan model simulasi software dan numerik untuk mendapatkan hasil optimal.
Turbin  screw  archimedes digerakkan  oleh  dua  gaya  yaitu  berat  air  dan  tekanan  hidrostatik.  Dimana  pendorong utama yang memutar turbin archimedes adalah gerakan air yang mengalir di ruang dalam turbin screw archimedes . Di Selain  itu,  gerakan  air  disebabkan  oleh  gaya    gravitasi  dengan  pergerakan  putaran  turbin  memiliki  arah  yang berlawanan. Ini adalah alasan utama turbin screw archimedes digerakkan oleh tekanan hidrostatik oleh air [7].
Terdapat beberapa istilah yang sering digunakan pada turbin archimedes yakni: (1) Pitch , yaitu panjang atau jarak tempuh  benang  masing-masing  waktu  satu  putaran  atau  satu  periode;  (2) Chutes ,  yaitu  ruang  yang  dibatasi  oleh  dua bilah yang berdekatan; (3) Bucket , yaitu tempat volume air yang menempati dan mengalir dalam peluncuran setiap kali putaran atau periode.
Pada  penelitian  sebelumnya  [8]  menggunakan  turbin screw yang  di  atur  pada  sudut  kemiringan  poros  turbin.
Turbin screw archimedes menjadi dua jenis klasifikasi dengan tipe closed compact installation dan jenis steel strough.
Jenis closed compact installation adalah jenis turbin dimana seluruh instalasi tertutup sedangkan Turbin screw tipe steel trough memiliki  perbedaan  yaitu  seluruh  bagian  sudu  dan  bilah  sudunya  terbuka  [9].  Gambar  1  menunjukkan  kedua jenis turbin tersebut.
Gambar 1. (a) Tipe steel strough dan (b) Tipe closed compact installation
Daya yang dikeluarkan oleh turbin dapat ditentukan dengan persamaan Persamaan (1).
𝑃 𝑤 = 𝜌. 𝑔. 𝑄. ℎ (1)
dimana ρ ialah massa jenis air (kg/m 3 ), g adalah percepatan gravitasi (9,81 m/s 2 ), h adalah head air jatuh dari sumber (m) dan Q adalah laju aliran air volumetrik (m 3 /s). Daya mekanik Ps yang tersedia pada poros turbin dapat ditentukan dengan  mengukur torsi T pada  kecepatan sudut  yang  sesuai ω. Torsi ditentukan dengan  mengukur gaya  tangensial F pada rem kuda dengan momen radius r dari puli pada persamaan Persamaan 2.
Untuk  menunjukkan  seberapa efektif  efisiensi  mekanis turbin   yanik energi  kinetik  yang  tersedia dari air diubah menjadi gerakan turbin dapat di lihat pada Persamaan 3.
𝑃 𝑠 = 𝑇. 𝜔 = 𝑇 2𝜋𝑛 60 (3)
Efisiensi pada turbin dapat dihitung dengan Persamaan 4.
𝑛 𝑚 = 𝑃 𝑠 𝑃 𝑤 (4)

## 1.1. Inverter
Inverter merupakan rangkaian elektronika  yang bersifat  mengubah arus searah  menjadi arus bolak baik. Inverter yang  digunakan  untuk  penelitian  ini  adalah  jenis inverter  full  bridge .  Hal  ini  digunakan  untuk  menjaga  kestabilan tegangan  dan  arus  sehingga  daya output menjadi  stabil  [10].  Pada  penelitian  ini  penggunaan inverter  full  bridge diaplikasikan pada daya besar dengan nilai tegangan yang harus dinaikkan sehingga bisa dimanfaatkan untuk menyuplai beban  yang  bervariasi  [11].  Besar  frekuensi  dilakukan  mengatur  periode  gelombang  keluaran  pada  Persamaan  5. Dimana f adalah frekuensi (Hz) dan T adalah periode (detik).
𝑓 = 1 𝑇
(5)
Skematik rangkaian dasar inverter full bridge ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Full bridge inventer [12]

## 1.2. Arduino Uno
Arduino  Uno merupakan  sistem board mikrokontroler menggunakan ATmega328 . Arduino memiliki  bahasa pemograman khusus dengan bahasa hampir sama dengan bahasa C . Mekanisme struktur pemograman arduino dimulai dari menulis program kemudian meng- compile selanjutnya proses unggah program, yaitu mengisikan program kedalam memori  program arduino [13-14].  Untuk  dapat  menjalankan arduino pada  penelitian  ini,  dibutuhkan  beberapa  sensor tegangan,  arus  yang  akan  di  hubungkan  ke arduino melalui coding program.  Adapun  bagian  struktur  tersebut  dapat dilihat pada Gambar 3 .
Gambar 3. Arduino Uno dan sensor

## 2. Material dan Metode
Tahapan penelitian yang dilaksanakan dijelaskan sebagai berikut.
2.1. Tahapan Pembuatan Turbin Screw
Mendesain  turbin screw dilakukan  dengan  menggunakan Software  SOLIDWORKS .  Rangka  turbin  terbuat dari mild steel hollow dengan ukuran 20 x 20 mm disambung menggunakan proses pengelasan SMAW. Adapun hasil desain turbin seperti disajikan pada Gambar 4.
Gambar 4. Pembuatan turbin screw

## 2.2. Tahapan Pembuatan Sirkuit Diagram Kelistrikan
Membuat  rangkaian  sirkuit  diagram  pada  penelitian  ini  dengan  urutan:  (1)  Mendesain  model  rangkaian  sirkuit diagram  dengan  menggunakan  aplikasi  komputer;  (2)  Hasil  dari  rangkaian  tersebut  akan  dicetak  dan  dirangkaian perancangan pembuatan dalam bentuk  fisik; (3) Uji coba secara bertahap untuk  mendapatkan  nilai  yang optimal pada pelaksanaan perancangan tersebut.
2.3. Tahapan Penentuan Parameter Pengukuran
Tahapan ketiga pada penelitian ini ialah pengujian untuk parameter yang diukur seperti tegangan, arus, daya dan kecepatan  air  diamati  menggunakan  flow  meter.  Untuk  putaran  pada  poros  turbin  diukur  dengan  menggunakan tachometer dan diukur dengan menggunakan avometer digital dan menggunakan arduino dengan sudut kemiringan 30 o , 35 o , 40 o , 45 o . Gambar 5 menunjukkan tahapan rancangan penelitian.
Gambar 5. Perancangan Penelitian

## 3. Hasil dan pembahasan
Pengujian  ekspemerintal  turbin  akan  dilakukan  tahapan  pengambilan  data  pada  turbin  yang  dibuat.  Untuk penelitian ini menggunakan 4 buat sudut pengambilan data yaitu sudut 30 o , 35 o , 40 o , 45 o pada Gambar 6.
Gambar 6. Prototipe turbin screw dengan arduino
Parameter  yang  diukur  pada  pengujian  kelistrikan  ini  adalah  laju  aliran,  tegangan,  arus,  daya,  torsi,  kecepatan (rpm) dan efisiensi turbin. Adapun data hasil sebagaimana disajikan pada Tabel (1). Gambar 7 menunjukkan hasil dan karakterisitik daya output yang dilakukan pada penelitian ini.

## Tabel 1. Hasil pengujian kelistrikan yang dihasilkan pada turbin
No Sudut Tegangan (V) Arus (A) Daya (W) Laju Aliran (kg/s) Torsi (Nm) Kecepatan (rpm) 1 30 o 11,837 1,023 17,557 3,846 0,480 240,00 2 35 o 11,900 1,083 16,390 3,846 0,494 248,97 3 40 o 12,527 1,300 16,390 3,846 0,609 257,33 4 45 o 12,770 1,373 18,720 3,846 0,622 269,53
Generator Pembangkit Inverter Turbin Air Sensor Arus Sensor Daya Sensor Tegangan Arduino Uno
Display
Gambar 7. Nilai Karakterisktik daya output turbin screw
Parameter pengujian eksperimental mesin dilakukan dan pengambilan data pengukuran debit, torsi, daya mekanis, daya hidrolik dan efisiensi turbin. Hasil pengujian eksperimantal dapat dilihat pada Tabel 2.

## Tabel 2. Hasil pengujian eksperimental turbin screw archimedes
No Sudut Laju Aliran (kg/s) Debit (m 3 /s) Torsi (Nm) Daya Mekanis (W) Daya Hidrolik (W) 1 30 o 3,846 1,032 17,557 9,810 40,496 2 35 o 3,846 1,042 16,390 9,918 45,034 3 40 o 3,846 1,061 16,390 10,086 49,960 4 45 o 3,846 1,133 18,720 10,773 55,590

## 4. Kesimpulan
Kesimpulan dapat ditarik dari penelitian ini yaitu pada turbin screw skala kecil dapat diuraikan bahwa desain dan rancang  bangun  turbin  dengan    poros screw ukuran  panjang  1,2  m  dan  dan  diameter  bilah  260  mm  telah  dilakukan. Pengambilan data diambil dengan sudut kemiringan 30 o , 35 o , 40 o , 45 o dengan 3 kali pengambilan data pada tiap sudut kemiringan. Dari hasil penelitian yang dilakukan aya maksimal  diperoleh sebesar 18,72 Wpada sudut kemiringan 45 o , kecepatan  dengan  nilai  269,53  rpm,  debit  air  dengan  nilai  1,133  m 3 /s  dan  laju  kecepatan  air  dengan  nilai  3,846  kg/s. Dalam penelitian sebelumnya dengan menggunakan turbin archimedes , didapatkan debit air 0,0065 m 3 /s, arus sebesar 10,4 V, putaran turbin sebanyak 243 rpm [8]. Sedangkan dalam penelitian lainnya bahwa  sudut  sudu turbin archimedes screw dipengaruhi  oleh  sudut  kemiringan  turbin, pitch  ratio ,  dan  jumlah  sudu.  Hal  ini  merupakan  kesimpulan  bahwa nilai  parameter  kemiringan  sudut  yang  besar,  membuat  daya  dan  efisiensi  akan  menurun,  disebabkan  oleh  aliran  air akan  mulai  keluar  dari  jalur  kanal  yang  dapat  terkonversi  menjadi  daya  turbin.  Dalam  penelitian  ini,  nilai  sudut kemiringan yang paling efesien adalah sudut 28 o . Untuk kemiringan head yang efisien, sudut  kemiringan  40 o memiliki debit air 0,4901 m 3 /s,  nilai head 5 m. Potensi daya yang dibangkitkan didapat sebesar 13,556  Kw [15-16].
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Tegangan (V) Arus (I) Daya (W) Laju Aliran (Kg/s) Torsi (Nm) 30o 35o 40o 45o

## Ucapan terima kasih
Dengan penuh rasa syukur penulis menyampaikan dan mengucapkan terima kasih dengan sebesar besarnya kepada Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Riset, dan Teknologi yang telah memberikan pendaan penelitian dosen pemula pada tahun 2022. Semoga dengan adanya pendanaan ini memberikan semangat dan motivasi kepada peneliti lainya.

## Daftar Pustaka
[1] P.  Taylor,  G.  Müller,  and  J.  Senior,  “Simplified  theory  of  Archimedean  screws  Simplified  theory  of Archimedean screws Théorie simplifiée de la vis d ’ Archimède,” J. of Hydraulic Res. , vol. 47, no. December 2014, pp. 37–41, 2010, doi: 10.3826/jhr.2009.3475.
[2] K. Kashyap, R. Thakur, S. Kumar, and Rajkumar, “Identification of Archimedes Screw Turbine for Efficient Conversion  of  Traditional  Water  Mills  (  Gharats  )  into  Micro  Hydro-power  Stations  in  Western  Himalayan Regions of India : An Experimental Analysis,” Int. J. Renew. Energy Res. , vol. 10, no. 3, pp. 1452–1463, 2020.
[3] M. A. Bustomi, B. Indarto, and D. Ramazhoni, “Characteristics Analysis of Archimedes Screw Turbine Micro Hydro Power Plants with Variations in Water Discharge Characteristics Analysis of Archimedes Screw Turbine Micro Hydro Power Plants with Variations in Water Discharge,” J. Phys. Conf. Ser. , vol. 1805, no. March, pp. 1–9, 2021, doi: 10.1088/1742-6596/1805/1/012029.
[4] A.  Al,  S.  Bandri,  A. Y. Dewi, A. Syofian, and T. E. Padang,  “Effective  Power Output Single  Phase Inverter Design  in  Home  Scale  Application  with Arduino Microcontroller  as  Control  Pulse,” Int.  J.  Eng.  Trends Technol. , vol. 26, no. 2, pp. 103–106, 2015.
[5] D. Santoso and L. H. Pratomo, “The Voltage Control in Single-Phase Five- Level Inverter for  a  Stand-Alone Power Supply Application,” J. Robot. Control , vol. 2, no. 5, pp. 421–428, 2021, doi: 10.18196/jrc.25117.
[6] M. Youssef, C. Boubahri, F. Aloui, and S. Fetni, “Simulation and design of a single phase inverter with digital PWM  issued  by  an Arduino board,” Int.  J.  Eng.  Tech.  Res. ,  vol.  2,  no.  August,  pp.  1–8,  2020,  doi: 10.17577/IJERTV9IS080237.
[7] D.  Adanta  and  M.  H.  G.  Syafei,  “Development  of  Archimedes  Turbine  Research :  Review  Article,” Pros. SNTTM XVI, vol. 16, no. 2, pp. 177–181, 2017
[8] R. Rahmawaty, S. Suherman, S. Dharma, and A. Sai’in, “Kajian Eksperimental pada Turbin Screw Archimedes Skala Kecil,” J. Rekayasa Mesin, vol. 17, no. 1, p. 95, 2022, doi: 10.32497/jrm.v17i1.3065
[9] C. Z. Rosly, U. K. Jamaludin, N. S. Azahari, M. A. Nik, A. N. Oumer, and N. T. Rao, “Parametric Study On Efficiency  Of  Archimedes  Screw  Turbine,” ARPN  Jorurnal  Eng.  Scinece ,  vol.  11,  no.  18,  pp.  10904–10908, 2016
[10] R. A. Umar, K. B. Adam, B. S. Aprillia, and U. Telkom, “Perancangan inverter tenaga surya on grid satu fasa,” Ridho Alfayet Umar, Ridho Alfayet Umar, Bandiyah Sri April. , pp. 1–8, 2019.
[11] R. A. Sukmayuwana, T. Hardianto, and W. Hadi, “Kontrol Tegangan Inverter Full Bridge Satu Fasa Berbasis Arduino Uno R3 Menggunakan Kontrol PID,” Arus Elektro Indones. , pp. 22–26.
[12] Electricalbaba, “Single Phase Full Bridge Inverter Explained - Electrical Concepts,” https://electricalbaba.com, 2020. https://electricalbaba.com/single-phase-full-bridge-inverter-explained/ (accessed Apr. 18, 2023) .
[13]     D. Setiawan, H. Eteruddin, and Arlenny, “Desain dan analisis inverter satu fasa berbasis arduino menggunakan metode spwm,” J. Tek. , vol. 13, no. 2, pp. 128–135, 2019
[14] A. Rajagukguk and R. Kurniawan, “Design Inverter SPWM Tow Frequency Based Soil Moisture Sensor Using
Arduino ,” Antonius Rajagukguk , vol. 4, no. 2, pp. 163–168, 2021.
[15] F.  Baskoro,  M.  N.  Karim,  M.  Widyartono,  and  S.  Haryudo,  “Kajian  Kemiringan  Blade  Dan  Head  Turbin Archimedes Screw Terhadap Daya Keluaran Generator Ac 1 Phase 3 Kw,” J. Tek. ELEKTRO, vol. 10, no. 1 SE-Artikel, Dec. 2020, doi: 10.26740/jte.v10n1.p219-228.
[16] A.  Nurdin  and    dwi  aries  Himawanto,  “Kajian  Teoritis  Uji  Kerja  Turbin  Archimedes  Screw  Pada  Head Rendah,”  Simetris  J.  Tek.  Mesin,  Elektro  dan  Ilmu  Komput.,  vol.  9,  pp.  783–796,  Nov.  2018,  doi: 10.24176/simet.v9i2.2340.