## PERANCANGAN INVERTER SATU FASA LIMA LEVEL  MODIFIKASI PULSE
WIDTH MODULATION

## Benriwati Maharmi
Jurusan Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Pekanbaru (STTP) JL. Dirgantara, No. 4, Arengka Raya Kota Pekanbaru, Riau 28289, Indonesia Email: benriwati @sttp-yds.ac.id
Abstrak  - Energi baru dan terbarukan merupakan salah satu alternatif sumber energy,  seperti pembangkit listrik tenaga surya. Energi surya dimanfaatkan dengan menggunakan sel surya yang menghasilkan energi listrik berupa arus searah ( Direct Current /DC). Supaya energi listrik bisa digunakan untuk beban arus bolak balik ( Alternating Current /AC) maka dibuatlah inverter yang berfungsi mengkonversikan tegangan  dan  arus searah menjadi tegangan dan arus bolak balik. Hasil pengkonversian pada inverter konvensional biasanya menimbulkan nilai harmonisa yang bisa menyebabkan terjadinya gangguan dan kerusakan pada piranti listrik. Untuk mengurangi harmonisa maka dirancanglah inverter satu fasa lima level dengan modifikasi Pulse Width Modulation (PWM). Rancangan inverter satu fasa lima level dengan modifikasi Pulse Width Modulation diharapkan  dapat menghasilkan tegangan dan arus keluaran yang relatif konstan dengan nilai harmonisa yang kecil sehingga aman digunakan untuk berbagai macam peralatan elektronik. Inverter hasil rancanganan jika dihubungkan dengan  perangkat sel surya dan accumulator , bisa digunakan sebagai sumber energi listrik (energi alternatif) jika sewaktu-waktu listrik PLN mati dan juga dapat digunakan di daerah yang belum ada listrik PLN sebagai sumber energi listrik.
Kata kunci : Inverter Lima Level; Satu Fasa; Sinusoidal ; Pulse Width Modulation ; Perancangan.

## PENDAHULUAN
Perbandingan kebutuhan energi listrik tidak sebanding dengan energi listrik yang tersedia sehingga mengakibatkan tidak semua kebutuhan akan energi listrik terpenuhi. Berdasarkan konsumsi listrik disemua sektor cenderung akan meningkat terus setiap tahunnya dengan laju pertumbuhan 9% per tahun [1]. Akibat kurangnya ketersediaan energi listrik ini memicu banyak pihak melakukan penelitian untuk mencari sumber energi baru dan terbarukan untuk memenuhi kebutuhan energi. Berdasarkan BPPT (2014) [1], pemanfaatan energi terbarukan masih relatif kecil karena tingginya biaya investasi dan kurangnya pengetahuan dalam mengadaptasi fasilitas energi terbarukan. Salah satu sumber energi terbarukan  yang berpotensi  dimanfaatkan  di Indonesia adalah energi surya. Energi  surya tersedia hampir merata  sepanjang tahun  di Indonesia dengan intensitas radiasi rata-rata 4.8 kWh/m per hari [2].  Energi  surya dimanfaatkan dengan menggunakan sel surya yang menghasilkan energi listrik berupa arus searah ( Direct Current/DC ), dapat disimpan pada accumulator dan juga dapat dimanfaatkan secara langsung. Untuk aplikasi beban DC sel
surya hanya memerlukan regulator sesuai dengan suplai  tegangan yang diperlukan beban, sedangkan untuk beban AC sel surya memerlukan inverter untuk mengkonversi tegangan DC menjadi tegangan AC sesuai dengan suplai tegangan yang diperlukan beban. Energi listrik yang dihasilkan sel surya masih berupa tegangan dan arus DC. Sedangkan  kebanyakan alat-alat elektronik yang digunakan pada  jaringan listrik adalah tegangan dan arus AC. Maka diperlukan konverter  yang dapat mengkonversi tegangan dan arus DC ke tegangan dan arus AC. Supaya tegangan dan arus AC yang dihasilkan konstan (tidak merusak alat-alat elektronik) diperlukan pengaturan keluaran inverter sesuai dengan kebutuhan seperti pengaturan tegangan atau arus yang konstan.
Kebanyakan    rangkaian    inverter  yang ada dipasaran dan umum diteliti adalah mengkonversi listrik DC menjadi AC yang berbentuk gelombang persegi  ( square wave ). Rangkaian inverter yang menghasilkan gelombang persegi memiliki beberapa kelemahan, sehingga berpotensi merusak  alat- alat elektronik (tegangan tidak stabil).
Berdasarkan  penelitian  Hahn  [3], banyak penelitian inverter menggunakan Pulse Width
Modulation (PWM). Namun, PWM mempunyai lebar pulse yang harus dibuat bervariasi sesuai dengan amplitudo gelombang sinus sehingga membutuhkan sirkuit kontrol dan switching berkecepatan tinggi  [4]. Jadi inverter yang menghasilkan keluaran PWM adalah rumit dan mempunyai rugi-rugi switching [3].  Untuk mengurangi kelemahan ini,  dilakukan  penelitian  merancang  inverter satu fasa lima level Pulse Width  Modulation yang akan memberikan nilai harmonik yang kecil.  Paper ini bertujuan merancang inverter satu fasa lima level dengan Pulse Width Modulation .

## TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Inverter
Inverter digunakan untuk mengubah tegangan input DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Phogat [5] dan Ismail et al [6] membagi inverter atas 3 tipe, yaitu: bridge inverters , series inverters dan parallel inverter . Bridge inverters dikelompokkan menjadi inverter jembatan/ setengah gelombang dan inverter jembatan/gelombang penuh.

## Inverter Setengah Jembatan  [6]
Inverter setengah gelombang dapat dijelaskan melalui Gambar 1.  Saklar K1 dan K2,  ON- OFF secara bergantian. Pada saat K1 ON, arus mengalir dari E/2 (+) ke K1, ke beban B-A, ke E/2 (-), sedangkan K2 dalam keadaan terbuka.
Gambar 1. (a) Inverter Setengah Jembatan Satu Fasa, (B) Sinyal Gelombang Keluaran
Pada waktu K2 ON sedangkan K1 terbuka, maka arus dari E/2 (+) ke beban A-B ke K2 ke E/2 (-). Dengan demikian dalam satu periode ini beban merasakan adanya arus yang mengalir dalam dua arah (bolak-balik). Besarnya tegangan pada beban adalah:
dt V T Veff ∫ = 2 1 dt E T 2 2 0 2 1 ∫       = π dt E T Veff ∫       = π 2 0 2 2 2 1 ( ) π π 2 2 2 1 2 2       = E Veff
2 2 2 E Veff =
Jadi:
2 2 E Veff = (1)
Jika saklar K1 dan K2 di ganti dengan suatu saklar elektronik yang dapat memenuhi kriteria di atas, misalnya dengan sebuah thyristor yang di  paralel dengan dioda. Maka rangkaian  inverter  segi empat setengah jembatan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Inverter Segi Empat Setengah
Jembatan dengan Menggunakan Saklar
Elektronik
Dari Gambar 2 dapat dilihat, saat T1 menutup, tetapi arus masih negatif, maka arus akan
mengalir melalui dioda D1. Dioda tidak akan pernah dialiri arus jika bebannya resitif murni. Dalam praktek, beban resitif murni tidak pernah ada sehingga dioda yang terhubung paralel dengan saklar selalu diperlukan. Inverter Jembatan Penuh [6] Rangkaian inverter jembatan/gelombang penuh satu fasa atau H-bridge inverter dapat dijelaskan melalui Gambar 3. Prinsip kerjanya: saklar K1 dan K4 ON – OFF secara bersama- sama dan demikian juga saklar K2 dan K3.
Gambar 3. (a) Rangkaian Inverter Segi Empat Jembatan Penuh, (b) Sinyal Gelombang Keluaran
Saat K1, K4 ON dan K2, K3 OFF, maka arus akan mengalir dari sumber tegangan E (+) ke K1 lalu ke beban A-B ke K4 ke E(-). Pada saat saklar K2, K3 ON dan K1, K4 OFF, maka arus akan mengalir dari  sumber tegangan E(+) ke K2  ke  beban A-B  ke  K3  ke  E  (-)  dengan demikian untuk satu perioda ini beban dialiri arus dalam dua arah (arus bolak-balik). Besarnya tegangan pada beban adalah:
dt t v T veff 2 2 0 2 ) ( 1 ∫ = π ) dt E dt E T ∫ ∫ − + = π π π 2 2 0 2 1 [ ] π π π 2 2 2 2 1 E E E T − + = π π 2 2 2 E = 2 2 E veff =
Jadi :
E Veff =
( 2 )
Jika saklar K1, K2, K3 dan K4 diganti dengan komponen (saklar) elektronik yang memenuhi kriteria di atas, misalnya menggunakan MOSFET, maka inverter segi empat jembatan penuh dapat dilihat pada Gambar 4.

## Gambar 4. Rangkaian Konvensional Inverter Segi Empat Jembatan Penuh [7]
Inverter Lima Level PWM Satu Fasa  [8-9] Konfigurasi five level PWM inverter satu fasa diperlihatkan pada Gambar    5a. Penambahan satu transistor switching dan empat dioda pada conventional inverter satu fasa dan terhubung center-tap pada sumber DC, menjadi
perubahan yang nantinya akan memberikan output dengan harmonic yang rendah. Inverter ini akan bekerja dalam bentuk 10 tahap switching dan lima bentuk pulsa switcing yang akan diimplementasikan pada inverter ini diperlihatkan pada Gambar 5b.
(a)
(b)
Gambar 5.(a) Konfigurasi Inverter Lima Level PWM Satu Fasa. (b). Pola Switching Inverter Lima Level PWM Satu Fasa.

## Perancangan Inverter Satu Fasa Lima Level  Modifikasi Pulse Width Modulation
Inverter multi level merupakan susunan beberapa inverter yang dirangkai secara bertingkat ( cascade ). Rodriguez et al [10] menyatakan bahwa inverter yang terdiri dari
multi level menghasilkan gelombang tegangan dengan distorsi harmonisa yang kecil.
Berdasarkan [10] menyatakan bahwa penggunaan  metoda pengontrolan komponen
Vol. 8 No.1 Januari 2017
switching dapat mengendalikan frekuensi, fase, dan amplitude gelombang yang di inginkan. Dengan mengadopsi metoda tersebut, untuk penelitian ini dirancang inverter multi level (lima tingkat) satu fasa menggunakan sistem switching . Inverter yang
akan dibuat untuk penelitian ini, dengan mengabungkan full-bridge inverter satu fasa dengan menambah satu sistem switching yang terhubung dengan sumber DC.  Blok diagram penelitian seperti terlihat pada Gambar  6.
Gambar 6. Diagram Blok Rangkaian Rancangan Inverter Lima Level Satu Fasa

## HASIL DAN DISKUSI Blok Pulse Width Modulation (PWM)
Teknik modulasi PWM dalam perancangan berfungsi untuk menghasilkan Pulse Width modulasi  yang berfungsi sebagai sinyal switching yang menjadi input pada gate MOSFET pada inverter satu phasa lima level. Sinyal switching PWM dirancang  pada komputer dengan software code composer studio V6 . Sinyal PWM yang dibangkitkan oleh software menghasilkan  keluaran  berupa gelombang persegi  dalam bentuk sinyal digital. Sinyal digital PWM yang termodifikasi
ini  akan  dimasukkan ke dalam digital input port di modul kit DSP TMSF28355, sisi output akan dihubungkan dengan gate drive.
Sinyal PWM yang dirancang menggunakan software code composer studio V6 diharapkan hasilnya menyerupai hasil PWM pada simulasi menggunakan software PSIM.  Dalam teknik PWM  ini  sinyal gate dibangkitkan dengan sinyal referensi sinusoidal dengan gelombang pembawa triangular. Pada simulasi yang menggunakan software PSIM, rangkaian sistem  PWM dirancang dengan rangkaian digital seperti pada Gambar 7.
Sumber DC/ Accumulator Beban PWM Inverter Lima Level Satu Fasa Gate Drive DSP
Gambar 7. Rangkaian Digital PWM
Sistem PWM yang dibentuk menggunakan simulasi  PSIM menghasilkan sinyal S1, S2,
S3, S4 dan S5 yang akan menjadi sinyal gate
pada inverter lima level seperti pada Gambar 8.
0 0.4 0.8 VS1 0 0.4 0.8 VS2 0 0.4 0.8 VS3 0 0.4 0.8 VS4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) 0 0.4 0.8 VS5 Gambar 8. Sistem PWM pada Sinyal Gate Inverter Lima Level
Blok  Gate Drive Rangkaian gate drive dibangun menggunakan IC HCPL 3120-000E,  converter DC to DC Vol. 8 No.1 Januari 2017
NMA0515SC dan capasitor 10 NF. Dimana tegangan gate harus lebih tinggi dari tegangan drain ,  sehingga dibutuhkan driver MOSFET untuk memicu gate pada sisi MOSFET.  Pada penelitian ini lima buah driver MOSFET
digunakan untuk memicu kelima gate MOSFET  pada inverter satu phasa lima level yang dirancang.  Adapun rangkaian gate drive dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Circuit Gate Drive

## Blok Inverter Satu Fasa Lima Level
Konfigurasi yang digunakan pada perancangan ini menggunakan MOSFET dimana drain dihubungkan dengan sumber DC sedangkan gate MOSFET dihubungkan dengan Rangkaian gate drive . Rangkaian inverter satu fasa lima level dirancang dengan  rangkaian inverter  jembatan/gelombang penuh satu fasa
dan  penambahan  satu MOSFET  dan empat dioda  yang  dihubungkan antara sumber DC. MOSFET yang digunakan adalah type IRFP460 sebanyak lima buah MOSFET . Dari hasil rancangan yang dibuat diharapkan hasil output tegangan dan arus  inverter satu fasa lima level berupa gelombang seperti hasil simulasi PSIM seperti Gambar 10.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) 0 -50 -100 -150 50 100 150 Vout
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) 0 -2 -4 2 4 I1
Gambar 10. Gelombang Tegangan dan Arus Inverter Satu Fasa Lima Level

## KESIMPULAN
Inverter konvensional biasanya menimbulkan nilai harmonisa yang bisa menyebabkan terjadinya gangguan dan kerusakan pada piranti listrik. Dalam penelitian ini dirancang sebuah inverter lima level sehingga menghasilkan gelombang tegangan dengan distorsi harmonisa yang kecil. Namun, rangakaian inverter perlu dikontrol supaya frekuensi, fase, dan amplitude gelombang yang diinginkan bisa dikendalikan. Rancangan inverter menggunakan metoda pengontrolan dengan menambahkan komponen switching . Inverter yang dirancang dengan type inverter full-bridge satu fasa dengan  satu sistem switching dibagian depan yang terhubung dengan sumber DC. Dengan menggunakan modifikasi Pulse Width Modulation (PWM) maka nilai harmonisa akan kecil dan menghasilkan tegangan dan arus keluaran yang relatif konstan.  Sehingga, rancangan inverter satu fasa lima level  ini aman digunakan untuk berbagai macam peralatan elektronik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] BPPT (2014).  Outlook Energi Indonesia 2014, Editor: A. Sugiyono, Anindhita, M.S. Boedoyo & Adiarso, Pusat Teknologi Pengembangan Sumber daya Energi (PTPSE), Jakarta. 2014.
[2] Lubis, A. Energi terbarukan dalam pembangunan berkelanjutan, Jurnal Teknik Lingkungan, Vol.8, No.2, Pages  155-162. 2007.
[3] Hahn, J.H. Modified Sine-Wave Inverter Enhanced, Power Electronics Technology, Pages 20-22. 2006.
[4] Gutierrez, M.J.M., F. Perez-Hidalgo, F. Vargas-Merino, J R. Heredia-Larrubia.    Pulse width modulation technique with harmonic injection and frequency modulated carrier: formulation and application to an induction motor, IET Electric Power Applications, Vol.1,No.5, Pages 714-726. 2007.
[5] Phogat, S. Analysis of single-phase SPWM inverter, International Journal of Science and Research (IJSR), Vol.3, No.8, Pages  1793- 1798. 2014.
[6] Ismail, B., S. Taib, R.M. Saad, M. Isa, C.M. Hadzer.  Development of a single phase SPWM microcontroller-based inverter, First International Power and Energy Coference, Putrajaya, Malaysia, Pages 437-440. 2006. [7] Camur, S., Arifoglu, B., Beser, E. K. & Beser, E. A. Novel Topology for Single-Phase Five-Level Inverter Compared with H-Bridge Inverter, In International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM) 2006, IEEE, Pages 556-560. 2006.
[8] Park, S.J., Kang, F.S., Lee, M.H., and Kim, C.U. A New Single-Phase Five-Level PWM Inverter Employing a Deadbeat Control Scheme, IEEE Transactions on power electronics Vol. 18(3), Pages 831-843. 2003. [9] Wang, C.M. A novel single-stage full- bridge buck-boost inverter, Applied Power Electronics Conference and Exposition, Eighteenth Annual IEEE, Vol.1, Pages 51- 57. 2003.
[10] Rodriguez, J., Franquelo, L.G., Kouro, S., Leon, J.I., Portillo, R.C., Prats, M.A.M., Perez, M.A.  Multilevel converters: an enabling technology for high-power applications. Proc. IEEE, Vol. 97(11), Pages 1786-1817. 2009.
Vol. 8 No.1 Januari 2017