SIMULASI GRID MIKRO PADA FOTOVOLTA DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh : SATYAWAN SURYA WARDANA NIM. I 1405028 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

SIMULASI GRID MIKRO PADA FOTOVOLTA DENGAN BEBAN

MOTOR INDUKSI

Satyawan Surya Wardana Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta

ABSTRAK Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasikan grid mikro dengan sumber tenaga dari fotovolta dengan beban motor induksi dan untuk mengetahui hubungan antara tegangan yang dihasilkan fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar motor induksi. Radiasi matahari sebagai masukan fotovolta diambil di Universitas Sebelas Maret Surakarta. Kapasitas beban untuk motor induksi menggunakan 3 HP dan 5 HP. Tegangan minimum yang mampu menggerakkan motor induksi 3 HP adalah 202,1 Volt yang dihasilkan oleh fotovolta 10 sel pada

radiasi 152 W/m dan menghasilkan torsi 11,79 Nm dengan kecepatan mesin 1090 RPM. Pada motor induksi 5 HP tegangan minimum untuk menggerakkan motor

sebesar 243,57 volt yang dihasilkan oleh fotovolta 17 sel pada radiasi 152 W/m dan menghasilkan torsi 1246 Nm dengan kecepatan mesin 1244 RPM. Dari hasil tersebut menunjukkan bahwa simulasi mikro-grid dengan fotovolta sebagai sumber yang terhubung ke beban motor induksi dapat dilakukan dengan perangkat lunak.

Kata kunci : Fotovolta, motor induksi, inverter

SIMULATION OF MICRO GRID BY USING PHOTOVOLTAIC FOR

Satyawan Surya Wardana

Mechanical Engineering Sebelas Maret University of Surakarta

ABSTRACT

The aims of study are to simulate the micro grid by using photovoltaic as a

source with induction motor as loads and to find out the relationship between the

generated voltage from photovoltaic with torque and rotational speed in induction

motors. Solar radiation was used as inputs photovoltaic are taken at the Sebelas

Maret University Surakarta. The capacity of induction motor load capacity use

are 3 HP and 5 HP. The minimum voltage that is able to drive the induction

2 motor 3 HP is 202,1 volt which is produced by photovoltaic 10 cells at 152 W/m

of radiation and produces of torque 11,79 Nm with engine speed of 1090 RPM.

For the 5 HP induction motor, the minimum required voltage to run the motor is

at 243,57 volt with is generated by photovoltaic 17 cells at 152 W/m of radiation

and produces 12,46 Nm of torque with engine speed of 1244 RPM. The result

showed that micro-grid simulation with photovoltaic as a source wich is

connected to the induction motor load can be simulate well with the software.

Keywords : Photovoltaic, induction motor, inverter

DAFTAR ISI

Halaman

3.3. Alat dan Bahan Penelitian ........................................................ 16

5.1. Kesimpulan .............................................................................. 35

BAB V PENUTUP

3.6.2. Torsi Motor Induksi ....................................................... 33

3.6.1. Putaran Mesin Motor Induksi ........................................ 32

4.2. Torsi dan Putaran Mesin Motor Induksi .................................. 32

4.1. Tegangan Listrik yang dihasilkan Fotovolta ............................ 30

BAB IV DATA DAN ANALISA

3.6.3. Pemodelan Motor Induksi ............................................. 27

3.6.2. Pemodelan Inverter ........................................................ 26

3.6.1. Pemodelan Fotovolta ..................................................... 19

3.6. Cara Kerja ................................................................................ 19

3.5. Diagram Alir Penelitian .......................................................... 18

3.4. Tahapan dan Alur Penelitian .................................................... 16

3.2. Waktu dan Tempat Penelitian .................................................. 16

ABSTRAK ....................................................................................................... v KATA PENGANTAR ..................................................................................... vii DAFTAR ISI .................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................... xiii

3.1. Uraian Umum ........................................................................... 16

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

2.4. Inverter........................................................................................ 14

2.3. Motor Induksi............................................................................. 9

2.2. Fotovolta...................................................................................... 4

2.1. Tinjauan Pustaka......................................................................... 4

3 BAB II DASAR TEORI

3 1.6. Sistematika Penulisan ..............................................................

3 1.5. Manfaat Penelitian ...................................................................

2 1.4. Tujuan Penelitian .....................................................................

2 1.3. Batasan Masalah ......................................................................

1 1.2. Perumusan Masalah .................................................................

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang .........................................................................

5.2. Saran......................................................................................... 35

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1. Port simulink dan block parameter ............................................. 20Tabel 4.1. Tegangan listrik (Volt) yang dihasilkan fotovolta dari variasi jumlah sel dan radiasi matahari (W/m

) ................................................. 30

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Cara kerja fotovolta ..................................................................

5 Gambar 2.2. Kurva I-V karakteristik fotovolta .............................................

6 Gambar 2.3. Rangkaian listrik fotovolta .......................................................

7 Gambar 2.4. Model modul fotovolta.............................................................

8 Gambar 2.5. Motor induksi ...........................................................................

9 Gambar 2.6. Stator ........................................................................................ 10

Gambar 2.7. Kaidah tangan kiri penentuan arah gaya lorentz ...................... 11Gambar 2.8. Rotor lilitan .............................................................................. 12Gambar 2.9. Rotor sangkar ........................................................................... 13Gambar 2.10. Cara kerja PWM....................................................................... 14Gambar 2.11. Sinyal PWM ............................................................................. 15Gambar 3.1. rangkaian dalam satu modul fotovolta ..................................... 19Gambar 3.2. Source block parameters in ...................................................... 20Gambar 3.3. Function block parameter insolation to current gain ............... 20Gambar 3.4. Function block parameter 1/Rp ................................................ 20Gambar 3.5. Function block parameter PN-junction characteristic .............. 21Gambar 3.6. Function block parameters algebraic constraint ....................... 21Gambar 3.7. Function block parameters Ns .................................................. 21Gambar 3.8. Function block parameters constant ......................................... 21Gambar 3.9. Function block parameters insolation to current gain .............. 22Gambar 3.10. Satu modul fotovolta ................................................................ 22Gambar 3.11. Function block parameter PV module. .................................... 23Gambar 3.12. Mask editor parameters ............................................................ 23Gambar 3.13. Mask editor initalization .......................................................... 24Gambar 3.14. Rangkaian array fotovolta ........................................................ 25Gambar 3.15. Rangkaian inverter ................................................................... 26Gambar 3.16. Block parameters input inverter ............................................... 27Gambar 3.17. Rangkaian motor induksi ......................................................... 27Gambar 3.19. Rangkaian grid mikro............................................................... 29Gambar 4.1. Grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik yang dihasilkan fotovolta .................................................................. 32Gambar 4.2. Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan putaran mesin yang dihasilkan motor induksi .......................................................... 33Gambar 4.3. Grafik hubungan variasi tegangan listrik dengan torsi yang dihasilkan motor induksi ................................................................... 34

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Radiasi Matahari ......................................................................... 39 Lampiran 2. Data hasil simulasi ...................................................................... 44

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Energi listrik merukan kebutuhan yang sangat penting dalam kehidupan manusia, sehingga permintaan kebutuhan listrik terus meningkat. Di Indonesia banyak daerah yang belum terjangkau oleh listrik, selain karena

daerahnya terpencil juga karena keterbatasan kemampuan Perusaan Listrik Negara (PLN) yang terbatas (Rahardjo dkk, 2008). Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik didaerah yang terisolir dari listrik PLN salah satu cara yang bisa dingunakan adalah dengan menggunakan grid mikro. Grid mikro merupakan jaringan lokal yang mampu menghasilkan sumber tenaga untuk mensuplai kebutuhan energi dari jaringan itu sendiri (Lynch, 2005). Ada beberapa jenis grid mikro salah satunya adalah fotovolta sebagai sumber energi dan motor induksi pemakai energinya.

Potensi energi matahari di Indonesia dapat dimanfaatkan sepanjang hari, hal ini sangat menguntungkan untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan fotovolta (Rahardjo dkk, 2008). Menurut Ikbal (2008), selain efisiensi fotovolta yang relatif kecil, masalah lain adalah energi listrik yang dihasilkan fotovolta berupa tegangan listrik searah (tegangan DC) sehingga tidak bisa langsung dihubungkan ke jaringan yang membutuhkan tegangan listrik bolak balik (tegangan AC). Oleh

utility

karena itu untuk menghubungkan fotovolta ke jaringan utility yang memiliki tegangan bolak balik (tegangan AC) dibutuhkan inverter. Inverter adalah alat yang mampu mengubah tegangan listrik searah (tegangan DC) menjadi tegangan listrik bolak balik (tegangan AC). Jaringan utility yang digunakan sebagai beban fotovolta misalnya adalah motor induksi.

Motor induksi sebagai mesin penggerak dewasa ini semakin banyak digunakan jika dibandingkan dengan jenis motor yang lain. Ini disebabkan karena konstruksinya sederhana serta kokoh, harganya relatif murah, biaya operasional rendah dan perawatannya mudah (Syukri, 2004). Ditinjau

(squirrel cage induction motor) dan motor induksi rotor lilit (wound rotor ). Di industri banyak dipakai motor listrik jenis sangkar tupai

induction motor

karena mempunyai banyak kelebihan dibanding dengan motor listrik jenis lain. Kekurangannya arus start besar sekitar 3 sampai 5 kali dari arus nominal dan putarannya relatif konstan atau sulit diatur (Yunus dan Suyamto, 2008).

Pada penulisan tugas akhir ini diharapkan dapat mengetahui gambaran karakteristik fotovolta yang terhubung beban motor induksi dengan simulasi menggunakan perangkat lunak (software).

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan uraian di atas, rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimana mensimulasikan grid mikro pada fotovolta dengan beban motor induksi menggunakan perangkat lunak (software).

2. Bagaimana grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik yang dihasilkan fotovolta, grafik hubungan antara tegangan listrik yang dihasilkan oleh fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar pada motor induksi.

1.3. Batasan Masalah

Untuk menentukan arah penelitian yang baik, ditentukan batasan masalah sebagai berikut:

1. Data yang digunakan sebagai masukan (input) adalah radiasi matahari

2 (kWh/m ).

2. Keluaran (output) yang ingin dicapai adalah grafik hubungan variasi radiasi matahari dengan tegangan listrik yang dihasilkan fotovolta, grafik hubungan antara tegangan listrik yang dihasilkan oleh fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar pada motor induksi.

3. Penyusunan program dan analisa dilakukan dengan bantuan perangkat lunak (software).

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini yaitu :

1. Mensimulasikan grid mikro pada fotovolta dengan beban motor induksi menggunakan perangkat lunak (software).

2. Mengetahui hubungan antara tegangan listrik yang dihasilkan oleh fotovolta dengan torsi dan kecepatan putar pada motor induksi.

1.5. Manfaat Penelitian

Beberapa manfaat penelitian ini adalah :

1. Memperkaya khasanah ilmu pengetahuan khususnya pada pengembangan keilmuan tentang motor induksi, fotovolta serta perangkat lunak (software).

2. Memberikan gambaran tentang pentingnya simulasi dalam rancang bangun grid mikro yaitu fotovolta dengan beban motor induksi menggunakan peragkat lunak (software).

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penelitian, perumusan masalah, batasan masalah serta sistematika penulisan.

BAB II : Dasar Teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan perkembangan fotovolta, motor induksi serta perangkat lunak

(software).

BAB III : Metodologi Penelitian, menjelaskan bahan dan peralatan yang digunakan dalam simulasi, langkah-langkah simulasi mengunakan perangkat lunak.

BAB IV : Data dan Analisa, menjelaskan data hasil simulasi serta analisa hasil dari simulasi. BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Grid mikro merupakan jaringan lokal yang mampu menghasilkan sumber tenaga untuk mensuplai kebutuhan energi dari jaringan itu sendiri (Lynch, 2005). Ada beberapa jenis grid mikro salah satunya adalah fotovolta sebagai sumber energi dan motor induksi pemakai energinya.

2.2. Fotovolta

Fotovolta merupakan teknologi konversi energi dari radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung (Sihana, 2006). Fotovolta menggunakan proses konversi langsung dari cahaya matahari atau radiasi matahari menjadi energi listrik.

Fotovolta terbuat dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya. Fotovolta pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Fotovolta merupakan elemen aktif (Semikonduktor) yang memanfaatkan efek fotovoltaik untuk merubah energi surya menjadi energi listrik. Sinamo (2007), menyatakan bahwa pada fotovolta terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (negatif).

Susunan sebuah fotovolta , sama dengan sebuah dioda, terdiri dari dua

lapisan yang dinamakan PN juction. PN junction itu diperoleh dengan jalan menodai sebatang bahan semikonduktor silikon murni (valensinya 4) dengan impuriti yang bervalensi 3 pada bagian sebelah kiri, dan yang di sebelah kanan dinodai dengan impuriti bervalensi 5. Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P, sedangkan yang sebelah kanan dinamakan silikon jenis N. Di dalam silikon murni terdapat dua macam dinamakan hole, sedangkan yang negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, di dalam silikon jenis P terbentuk hole (pembawa muatan listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena itu di dalam silikon jenis P hole merupakan pembawa muatan mayoritas, sedangkan elektron merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut pemba muatan minoritas.

Gambar 2.1. Cara kerja fotovolta

Di dalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian N. Oleh karena itu dinamakan PN junction. Bila sekarang, bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari sebuah batrei, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias". Dalam keadaan

forward bias, di dalam rangkaian itu timbul arus listrik yang disebabkan oleh

kedua macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron.

Fotovolta pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang sebesar mungkin. Silikon jenis P merupakan lapisan langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positif. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif (Sinamo, 2007).

Besar energi listrik yang dihasilkan oleh modul fotovolta tergantung pada intensitas radiasi matahari setempat dan kapasitas modul fotovolta itu sendiri. Didalam perdagangan, kapasitas daya modul fotovolta dinyatakan pada kapasitas puncaknya, yaitu besarnya daya yang mampu dibangkitkan modul fotovolta pada keadaan standar uji (Standard Test Condition - STC). Dibawah ini adalah kurva I- V karakteristik arus–tegangan fotovolta:

Gambar 2.2 kurva I-V karakteristik fotovolta Gambar diatas menunjukkan kurva I-V yang merupakan karakteristik fotovolta.

tegangan listrik/ Voltage (Volt) adalah sumbu horizontal. Arus listrik/ current (Ampere) adalah sumbu vertikal. Kebanyakan kurva I-V diberikan dalam Standar

Test Conditions (STC) pada radiasi 1000 watt per meter persegi (disebut satu

matahari puncak/ one peak sun hour ) dan 25 derajat Celcius (www.panelsurya.com). Kurva I-V terdiri dari 3 hal yang penting:

1. Maximum Power Point (Vmp dan Imp)

2. Open Circuit Voltage (Voc)

2.2.1. Maximum Power Point (Vmp&Imp) Pada kurva I-V, Maximum Power Point (Vmp dan Imp), adalah titik operasi, dimana maksimum output yang dihasilkan oleh fotovolta panel saat kondisi operasional. Dengan kata lain, Vmp dan Imp dapat diukur pada saat modul fotovolta diberi beban pada 25 derajat Celcius dan radiasi 1000 watt per meter persegi.

2.2.2. Open Circuit Voltage (Voc)

Open Circuit Voltage Voc, adalah kapasitas tegangan maksimum yang dapat dicapai pada saat tidak adanya arus atau current.

2.2.3. Short Circuit Current (Isc)

Short Circuit Current Isc, adalah arus output maksimum dari fotovolta

panel yang dapat dikeluarkan pada saat kondisi tidak ada resistansi atau short circuit .

2.2.4. Label Spesifikasi Fotovolta Panel Semua nilai ditemukan pada kurva I-V digunakan untuk menciptakan label yang spesifik untuk setiap modul fotovolta. Semua model ditera di bawah standar kondisi tes. Standar modul fotovolta menggunakan data-sheet parameter sebagai berikut:

- , 1,5 AM, Temperature 25 C Electrical rating pada 1.000 Watt/m

Voc : 22,2 V

- Vmp (V R ) : 17,2 V
- Isc : 5,45 A
- Imp (I ) : 4,95 A -

2.2.5. Model rangkaian sel fotovolta dan persamaannya

Berlaku hukum kirchoff arus (KCL)

Ǵ 岸岸岸

I蝨 ᥨǴ

Karakteristik dioda

⁄ Ǵ Ǵ 岸岸

1 Hukum kirchoff tegangan(KVL) 岸 ᥨǴ 蝨5AA I ᥨǴ

Bypass diode voltage 岸 mp II

鎨mp II

岸

2.2.6. Implementasi software Dari sumber www.coursehero.com, dari persamaan KCL, KVL dan karakteristik dioda, dalam sofware dapat dibuat pemodelan sebagai berikut:

恐岸

ᥨǴ ᥨǴ ᥨǴ

Gambar 2.4 Model modul fotovolta Rahardjo (2008), menyatakan bahwa tipe-tipe pemasangan dalam fotovolta dapat dibedakan menjadi: a. Tipe stand-alone, dimana tipe ini biasanya digunakan untuk beban listrik terisolasi atau di daerah terpencil, kapasitas kecil.

b. Tipe isolated grid, tipe ini biasanya digunakan untuk beban listrik besar terisolasi dan terkonsentrasi, bisa dikombinasikan dengan sumber energi lain dalam operasi hybrid.

c. Tipe grid connected, tipe ini digunakan pada daerah yang telah memiliki sistem jaringan listrik komersial, dan sistem langsung output energi surya ke dalam jaringan listrik.

2.3. Motor Induksi

Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/ geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor” (Yunus dan Suyamto, 2008),

Yunus dan Suyamto (2008), menyebutkan bahwa konstruksi motor induksi terdiri dari :

2.3.1. Stator, bagian yang diam.

Stator ini menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah koil (elektromagnetik) atau magnet permanen. Bagian stator terdiri dari bodi magnet yang melekat padanya. Untuk motor kecil, magnet tersebut adalah magnet permanen, sedangkan untuk motor besar menggunakan elektromagnetik. Konstruksi stator terdiri dari : a. Rumah stator.

b. Inti stator.

c. Alur, alur merupakan tempat meletakan belitan.

d. Belitan stator Gambar stator motor induksi dapat dilihat pada gambar 2.6 dibawah ini :

Gambar 2.6. Stator 2.3.2. Rotor, bagian yang berputar.

Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik mengalir. Suatu kumparan motor akan berfungsi apabila mempunyai arah putaran kawat yang menentukan arah putaran motor dapat ditentukan dengan menggunakan kaedah tangan kiri, yang berbunyi ”apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub utara dan selatan magnet, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu

Gambar 2.7. Kaidah tangan kiri penentuan arah gaya lorentz

Arus listrik (i) yang dialirkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan Fluks (B) akan menghasilkan suatu gaya sebesar: F = B x I x l

(2.3) Dimana :

F = Gaya lorentz B = Kerapatan fluks I = Arus Listrik

l = Konduktor

Untuk membalik arah putaran motor dapat dilakukan dengan membalik arah arus jangkar. Misalkan mula-mula arah putaran ke kanan, untuk mengubah arah putaran ke kiri dilakukan dengan membalik arah arus jangkar, atau pada prinsipnya sama dengan membalik polaritas motor. Konstruksi rotor terdiri dari : a. Inti rotor bahannya sama dengan inti stator.

b. Belitan rotor bahannya dari tembaga, dari konstruksi lilitan akan memberikan dua macam rotor yakni :

Motor induksi dengan rotor sangkar tupai
Motor induksi dengan rotor lilitan c. Alur dan gigi materialnya sama dengan inti, alur tempat meletakan belitan.

Menurut Yunus dan Suyamto (2008), ditinjau rotornya motor induksi dibagi menjadi dua yaitu motor induksi sangkar tupai (squirrel cage induction

motor ) dan motor induksi rotor lilitan (wound rotor induction motor).

a. Rotor Lilitan Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan belitan kumparan tiga fasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor juga mempunyai jumlah kutub yang sama. Rotor yang mempunyai tiga belitan yang mirip dengan belitan stator. Ketiga belitan tersebut biasanya terhubung bintang. Ujung-ujung belitan tersebut dihubungkan dengan slip ring yang terdapat pada poros rotor. Belitan-belitan tersebut dihubungkan melalui sikat (brush) yang menempel pada slip ring. Jenis rotor belitan dapat dilihat pada gambar sebagai berikut:

Gambar 2.8. Rotor lilitan

b. Rotor Sangkar Tupai Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang penghantar yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor. Ujung-ujung batang penghantar dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat. Jenis rotor sangkar dapat dilihat pada gambar berikut :

2.3.3. Celah udara, adalah ruang antara stator dan rotor.

Rotor dan stator membentuk rangkaian magnetis, berbentuk silindris yang simetris dan diantaranya terdapat celah udara. Celah udara antara stator dan rotor, kalau terlalu luas maka effisiensi rendah, sebalikanya jika terlalu sempit menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin, apabila ada beda perputaran maka akan menimbulkan slip.

Menurut Yunus dan Suyamto (2008), motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama, yaitu sebagai berikut: a. Motor induksi satu fase.

Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor sangkar tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 HP sampai 5 HP.

b. Motor induksi tiga fase.

Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis motor induksi tiga fase, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Motor induksi tiga fase tersedia dalam ukuran hingga ratusan HP.

2.4. Inverter

Inverter adalah rangkaian elektronika yang biasa digunakan untuk mengubah tegangan searah (tegangan DC) menjadi tegangan bolak-balik (tegangan AC) dengan tegangan dan frekuensi keluaran dapat diatur sehingga kecepatan motor induksi dapat dikendalikan dengan fleksibel. Ada beberapa jenis inverter diantaranya adalah inverter PWM (Pulse Width Modulation). Menurut Hasrudin dan Bambang (2009), keuntungan operasi inverter PWM sebagai teknik konversi dibanding dengan jenis-jenis inverter lainnya adalah rendahnya distorsi itu teknik PWM sangat praktis dan ekonomis untuk diterapkan berkat semakin pesatnya perkembangan komponen semikonduktor (terutama komponen elektronik yang mempunyai waktu penyaklaran sangat cepat).

Menurut Hasrudin dan Bambang (2009), pada motor induksi, inverter PWM mempunyai kelebihan yaitu mampu menggerakkan motor induksi dengan putaran halus dan rentang yang lebar. Selain itu apabila pembangkitan sinyal PWM dilakukan secara digital akan dapat diperoleh unjuk kerja system yang bagus.

Untuk mendapatkan sinyal PWM dari input berupa sinyal analog, dapat dilakukan dengan membentuk gelombang gigi gergaji atau sinyal segitiga yang diteruskan ke komparator bersama sinyal aslinya.

Gambar 2.10. Cara kerja PWM

Jika digambarkan dalam bentuk sinyal, maka terlihat seperti dibawah ini :

Gambar 2.11. Sinyal PWM Dimana sinyal input analog (berwarna hijau) dimodulasikan dengan sinyal gigi gergaji (berwarna biru), sehingga didapatkan sinyal PWM seperti gambar dibawahnya (berwarna merah).

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Uraian Umum

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi eksperimental. Kegiatan dalam penelitian ini meliputi simulasi pembuatan grid mikro dengan sumber tenaga dari fotovolta dendan beban motor induksi dengan menggunakan perangkat lunak (software).

3.2 Waktu Dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Agustus 2010 di Laboratorium produksi dan Laboratorium Listrik & Elektronika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3.3 Alat Dan Bahan

Alat dan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Perangkat lunak (software) yang digunakan untuk melakukan simulasi.

b. Tabel data Radiasi Matahari.

c. Separangkat personal computer (PC).

Komputer yang digunkan dengan spesifikasi sebagai berikut : - Prosesor Core duo 1,8 Ghz.

Memori 1Gb.
Hardisk 80 Gb.

3.4 Tahapan dan Alur Penelitian

1. Tahap I Tahap persiapan. Dalam tahap ini semua bahan dan peralatan dipersiapkan semua agar penelitian dapat berjalan dengan lancar.

2. Tahap II Pengumpulan data awal. Setelah data awal didapatkan maka selanjutnya menentukan desain pemodelan dan menentukan data awal yang berupa variasi radiasi matahari, variasi jumlah modul pada fotovolta, horse power pada motor induksi.

3. Tahap III Melakukan pemodelan fotovolta, motor induksi dan inverter dengan perangkat lunak (software), kemudian merangkainya menjadi sebuah sistem grid mikro yang terintegrasi satu sama lain.

4. Tahap IV Melakukan simulasi, simulasi yang dilakukan adalah dengan memasukan variabel dari data awal. Data radiasi matahari sebagai masukan (input) fotovolta dan menvariasikan jumlah modul pada fotovolta dan kan menghasilkan keluaran (output) berupa tegangan listrik (volt).

Data keluaran (output) pada fotovolta dijadikan data input untuk motor induksi. Data variasi kapasitas (horse power) motor induksi sebagai beban pada fotovolta dan akan menghasilkan keluaran (output) berupa putaran mesin (RPM) dan torsi (Nm).

5. Tahap V Mengambil data hasil simulasi. Mengambil data dari simulasi yang telah dilakukan untuk kemudian melakukan pengolahan data.

6. Tahap VI Tahap pengambilan kesimpulan. Data yang telah dianalisa dibuat suatu kesimpulan yang berhubungan dengan tujuan penelitian.

3.5 Diagram Alir Penelitian

Mulai Persiapan alat dan bahan

Parameter Input Software Menentukan:

a. Variasi radiasi matahari

b. Variasi jumlah modul pada fotovolta

c. Penbebanan Horse Power motor induksi.

Menentukan desain pemodelan Pembuatan desain grid mikro pada software:

a. Membuat pemodelan

Fotovolta - Motor induksi
Inverter

b. Merangkai pemodelan yang telah dibuat

Running pemodelan

dengan software Mengukur:

a. Tegangan output pada fotovolta (Volt)

b. Putaran mesin (RPM) dan torsi (Nm) pada motor induksi Analisa dan pengolahan data

Kesimpulan

Tahap II Tahap III Tahap VI Tahap V Tahap IV Tahap I

3.6. Cara Kerja

3.6.1. Pemodelan Fotovolta

Untuk dapat mensimulasikan fotovolta menggunakan perangkat lunak (software), terlebih dahulu kita harus membuat pemodelan dari fotovolta tersebut. Proses dalam pemodelan fotovolta menggunakan perangkat lunak (software) adalah sebagai berikut:

1. Membuka perangkat lunak (software).

2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.

3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.

4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai gambarl 3.1. rangkaian dalam satu modul fotovolta.

Insolatioan to current gain Ns Vpv cell

Solve

1 G f (z) z Ns Isc f(z) = 0 .

1 Isolation Vpv

Algebraic Constraint

f(u)

Pn-junction caracteristic

1/Rp

Gambar 3.1. Rangkaian dalam satu modul fotovolta

Pada gambar 3.1 rangkaian dalam satu modul fotovolta merupakan modifikasi/ penyederhanaan dari gambar 2.4 model modul fotovolta. Penyederhanaan dilakukan karena output yang ingin dicapai oleh pemodelan fotovolta adalah tegangan (Vpv). Pengurangan yang dilakukan berupa input arus input fotovolta (Ipv), cell series resistance (Rs), By-pass dioda, MinMax, Constant diode, Switch,dan daya output fotovolta (Ppv).

Tabel 3.1 Port Simulink dan Blok Parameter

Port Simulink Block Parameter

1 Input In1

Gambar 3.2. Source block parameters in

Insolation

Insolation to

to current gain

current gain

Gambar 3.3. Function block parameter insolation to current gain

1/Rp

Gambar 3.4. Function block parameter 1/Rp PN-junction characteristic Io*(exp(u/Vt)-1)

Gambar 3.5. function block parameter PN- junction characteristic

Algebraic Constraint

Gambar 3.5. Function block parameters algebraic constraint

Gambar 3.6. Function block parameters Ns

Constant

Gambar 3.7. Function block parameters constant

Ns Ns Diode Constant f(z) z

Solve f(z) = 0 Algebraic Constraint f(u)

Pn-junction caracteristic Sum

Gambar 3.9. Function block parameters insolation to current gain

5. Setelah semua port simuling terangkai seperti gambar 3.1. Rangkaian dalam

satu modul fotovolta kemudian blok semua icon tersebut selanjutnya klik tombol kiri pada mouse pilih create Subsystem, dan akan muncul gambar icon baru seperti gambar 3.10. Satu modul fotovolta dibawah ini yang berupa fotovolta satu modul. Insolation merupakan parameter input dari fotovolta yang berupa radiasi matahari. Vpv merupakan output dari fotovolta yang berupa hasil dari konversi radiasi matahari menjadi tegangan listrik. _{Insolation Vpv}

PV module

Gambar 3.10. Satu modul fotovolta

6. Klik pada icon PV module selanjutnya akan muncul function block parameters PV module seperti pada gambar 3.12. Selanjutnya adalah menuliskan parameter input dari fotovolta yang berupa:

Voc : 22.2 V - Vmp (V ) : 17.2 V

Isc : 5.45 A - Imp (I R ) : 4.95 A

Gambar 3.11. function block parameters PV module

7. Klik kanan Edit Mask, klik pada Parameters kemudian mensettingnya sesuai

gambar 3.2. Mask editor parameters berikut:Gambar 3.12. Mask editor parameters

8. Edit Mask (klik kanan atau edit menu), klik pada Initialization kemudian tulis program sesuai model parameters Io, Rs, Rp seperti dibawah ini.

Gambar 3.13. Mask editor initalization

9. Setelah semua sesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK” 10. merangkai fotovolta yang telah selesai dibuat menjadi fotovolta multi modul yaitu dengan rangkaian beberapa modul fotovolta dengan rangkaian seperti gambar berikut: input Insolation Vpv _. _{PV module (I)} _{Insolation Vpv} _{Insolation Vpv} _{PV module (I)2} _{Insolation Vpv} PV modul e (I)1 _{Insolation Vpv} _{PV module (I)4} _{Insolation Vpv} PV modul e (I)3 _Vpv _Vpv _{ni lai tegangan1} _{Insolation Vpv} _{PV module (I)6} _{Insolation Vpv} PV modul e (I)5 _{Insolation Vpv} _{PV module (I)8} _{Insolation Vpv} PV modul e (I)7 _{PV modul e (I)9} Add

Gambar 3.14. Rangkaian array fotovolta

Input merupakan masukan bagi insolation, pada constat value lah nilai dari radiasi matahari dituliskan. Setelah input radiasi matahari dimasukkan selanjutnya klik icon “start simulation”, hasil dari konversi radiasi matahari menjadi tegangan listrik dapat kita lihat pada nilai tegangan.

Pada simulasi fotovolta menggunakan variasi yang berupa jumlah modul dan variasi radiasi matahari. Variasi radiasi matahari aktual diambil di Universitas Sebelas Maret Surakarta pada hari sabtu, tanggal 22 Mei 2004 (tugas akhir bambang setiyawan). Input radiasi matahari dapat kita lihat pada lampiran bagin lampiran 1.Data radiasi matahari.

3.6.2. Pemodelan Inverter

Pada pemodelan motor induksi membutuhkan energi listrik dari fotovolta untuk dapat menghasilkan torsi dan putaran mesin. Untuk menggerakkan motor induksi dibutuhkan arus listrik bolak balik (AC), tetapi karena energi listrik yang dihasilkan oleh fotovolta berupa tegangan searah (DC) maka dibutuhkan inverter. Proses dalam pemodelan inverter menggunakan perangkat lunak (software) adalah sebagai berikut:

1. Membuka perangkat lunak (software).

2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.

3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.

4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai gambar berikut:

Gambar 3.15. Rangkaian inverter

Pada rangkaian inverter parameter input yang berupa +, −, dan g. Parameter input + dan – merupakan bagian yang menerima listrik searah dari sumber listrik searah (DC). Parameter “g” merupakan gate bagian dari inverter untuk input referensi mengatur kecepatan motor induksi. Sedangkan untuk output berupa huruf A, B, C yang merupakan listrik tiga fasa hasil dari konversi listrik searah dari sumber listrik searah (DC). Â ^B ^C â ^b ^c ^V-I ^Measurement ^Speed ^Setpoint ^(RPM) ^g Â ^B ^C ⁺ ^- ^MOSFET Înverter Ûmag Ûangle ^Pulses ^{Discrete SV PWM} ^Generator ^RPM ^m ^theta ^Constant ^V/Hz

Gambar 3.16. Block parameters input inverter

Step time, dalam detik, ketika output bergerak dari initial value parameter menuju final value parameter. Step time ditentukan 1 detik. Initial value, merupakan output saat simulasi berjalan 0 sampai 1 detik. Final value, merupakan output saat simulasi berjalan setelah 1 detik.

5. Setelah semua selesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK”.

3.6.3. Pemodelan Motor Induksi

Proses dalam pemodelan motor induksi menggunakan perangkat lunak (software) adalah sebagai berikut: 1. Membuka perangkat lunak (software).

2. Klik icon simulink, kemudian akan muncul Simulink Library Broswer.

3. Klik File-New-Model, kemudian akan muncul new model Untitle.

4. Klik tool Simulink Library Broswer, kemudian mencari icon simulink sesuai gambar berikut:

Gambar 3.18. Block parameters motor induksi

Tm adalah input beban motor induksi, apabila nilai Tm negatif maka

Asynchronous Machine tersebut menjadi generator, apabila nilainya positif

maka mesin tersebut menjadi motor. Icon A, B, C merupakan input/masukan listrik tiga fasa bagi motor induksi yang berasal dari inverter. m (measurement) merupakan bagian untuk pengukuran output motor induksi.

Output motor induksi yang diukur berupa kecepatan putar rotor (rotor speed) dan torsi motor induksi (torque).

5. Setelah semua selesai ditulis, maka selanjutnya klik “OK”.

Setelah pemodelan fotovolta, inverter dan motor induksi selesai dibuat, maka selanjutnya adalah mengabungkan ketiga komponen tersebut menjadi satu kesatuan rangkain grid mikro. Rangkaian grid mikro menggunakan input radiasi matahari dan dengan variasi yang berupa jumlah modul fotovolta. Untuk rangkaian grid mikro dari fotovolta, motor induksi dan inverter PWM bisa dilihat lebih jelas pada gambar 3.18 rangkaian grid mikro. p e rp u st a ka a n .u n s. a ₁₅₂ _{Isolation Vpv} _{m Umag}

_Pulses

_{? Discrete, id} _{Ts = 2e-006 s.}

G input _{PV module (I)} _Speed ^RPM _theta _{Uangle more info1} _{pow ergui} am _{Isolation Vpv} _Setpoint _{Constant Generator1} ^{Discrete SV PWM} ba _{PV module (I)1} _(RPM)1 _V/Hz1 _{wm (RPM)1} ₊ r 3.19. R _{Isolation Vpv} _{PV module (I)2} _{+ B In1} _{Controlled Voltage Source c C} _g _B _A _{b B} _{a A A} _{Tm <Rotor speed (wm)>} _m _{<Electromagnetic torque Te (N*m)>} _-K- _rpm1 _RPM1 _Out1 _{Te (Nm)1}

^- o

_V-I

^In2

an ^{Isolation Vpv} ^C

_- m

_Measurement1

_{3 HP - 220 V1}

_{PV module (I)3}

_MOSFET

_torsi1

k _{Isolation Vpv} _Inverter1 ai it

t _Vpv

o _{PV module (I)4}

g ^Vpv

u _{Isolation Vpv} _{nilai tegangan1} ser

rid m _{PV module (I)5} ikr _{Isolation Vpv} o _{PV module (I)6} . _{Isolation Vpv} _{Isolation Vpv} _{PV module (I)7}

PV module (I)8 _{Isolation Vpv} d _{PV module (I)9} _Add ig ilib .u n s. a

29 c.

SIMULASI GRID MIKRO PADA FOTOVOLTA DENGAN BEBAN MOTOR INDUKSI