i
PROPOSAL PROYEK AKHIR RANCANG BANGUN SISTEM BATTERY CHARGING PADA MESIN PEMARUT KELAPA MENGGUNAKAN METODE KONTROL LOGIKA FUZZY
Diusulkan oleh : Amien Raharja NRP. 1310121031
PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA 2015
ii
LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL PROYEK AKHIR TAHUN 2015/2016 RANCANG BANGUN SISTEM BATTERY CHARGING PADA MESIN PEMARUT KELAPA MENGGUNAKAN METODE KONTROL LOGIKA FUZZY
Oleh : Amien Raharja NRP. 1310121031 1310121031 Proposal Tugas Akhir ini Diajukan untuk Dilanjutkan sebagai Proyek Akhir di Program Studi D4 Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Disetujui Oleh : Tim Penguji :
Dosen Pembimbing :
1. ......................................... ......................................... NIP.
1. Ainur Rofiq Nansur, ST, MT. NIP. 196407131989031005 196407131989031005
2. ......................................... ......................................... NIP.
2. Syechu Dwitya Nugraha, S.ST, MT NIP. 2000000051 2000000051
3. ......................................... ......................................... NIP.
iii
DAFTAR ISI
Lembar Depan Lembar Persetujuan Daftar Isi Abstrak 1. Pendahuluan 1.1. Tujuan 1.2. Latar Belakang 1.3. Perumusan Masalah dan Batasan Masalah 2. Tinjauan Pustaka 2.1. Penelitian yang pernah dilakukan 2.2. Teori penunjang yang digunakan dalam penelitian 3. Metodologi Penentian 3.1. Perencanaan Sistem 3.2. Implementasi Sistem 3.3. Pengujian Hasil Penelitian 3.3. Kesimpulan 4. Hasil yang Diharapkan 5. Relevansi 6. Biaya Dan Jadwal Kegiatan 6.1. Anggaran Biaya 6.2. Jadwal Penelitian 7. Daftar Pustaka
i ii iii iv 1 1 1 2 3 3 5. 30 30 31 32 33 33 33 33 33 34 36
iv
ABSTRAK Mesin pemarut kelapa yang ada di pasaran banyak yang menggunakan sumber PLN sebagai supplynya sehingga menambah beban listrik rumah tangga dan pembayaran tagihan listrik kepada PLN. Dengan ini diperlukan mesin pemarut kelapa yang yang memanfaatkan energi terbarukan berupa sinar matahari dan memiliki efisiensi yang sama dengan mesin pemarut kelapa yang ada di pasaran.Sinar matahari akan di konversi menjadi energi listrik dengan menggunakan solar cell 150 WP yang terhubung dengan boost konverter dan accoumulator. Boost konverter akan menaikan tegangan keluaran solar cell menggunakan metode kontrol logika fuzzy sebagai penyulutan PWM pada ARM STM32F407VG STM32F407VG dari 18 Volt menjadi 52,8 Volt yang akan disimpan di accumulator 48 Volt berkapasitas 10 Ah. Tegangan keluaran accumulator akan dinaikan menggunakan boost konverter dari 48 Volt menjadi 80 Volt menggunakan increment dan dicrement. Boost konverter akan dihubungan dengan inverter1 fasa fullbridge untuk mengkonversi tegangan DC menjadi AC dari 80 Volt DC ke 56,57 Volt AC. Tegangan keluaran inverter akan di filter oleh filter LC dan akan dinaikan menggunakan trafo step up ratio 1 : 4 untuk menggerakan motor AC 1 fasa 220 Volt dengan daya 125 Watt. Kecepatan putar motor disensing menggunakan Optocoupler yang data akan diolah pada ARM STM32F407VG sebagai parameter kontrol kecepatan. Kata kunci : Mesin Pemarut Pemarut Kelapa, Kontrol Logika Logika Fuzzy ,Boost ,Boost Converter, ARM STM32F407VG, STM32F407VG, Optocoupler,Solar Optocoupler,Solar Cell, Accumulator, Accumulator, Inverter 1 fasa, Trafo Step Up, Motor AC.
1
1. PENDAHULUAN 1.1 TUJUAN Adapun tujuan dari pembuatan tugas akhir ini dibedakan menjadi tujuan umum dan tujuan khusus. TUJUAN UMUM Untuk memenuhi persyaratan akademis menyelesaikan studi pada Program Studi Teknik Elektro Industri Program D4 di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya TUJUAN KHUSUS . Sedangkan tujuan khusus pemuatan alat pemarut kelapa hemat energi ini adalah:
1. Mendapatkan daya maksimum solar cell yang digunakan untuk charge accumulator. 2. Menghasilkan rangkaian charger (boost konverter) yang sesuai untuk pengisian accumulator. 3. Memperoleh perhitungan yang tepat terhadap kebutuhan solar cell baik dari besaran WP maupun jumlah layernya. 4. Memperoleh perhitungan yang tepat terhadap kebutuhan accumulator dari kapasitas Ah nya. 5. Mendapatkan rule base dan membership function yang tepat untuk kontrol logika fuzzy. 6. Mendapatkan sistem yang effisien.
1.2. LATAR BELAKANG
Indonesia merupakan negara yang akan kaya akan beranekaragam tanaman khususnya buah kelapa yang sering dijadikan masyarakat Indonesia sebagai bahan pembuat kue atau penyedap masakan. Dengan demikian banyak masyarakat Indonesia yang membutuhkan mesin pemarut kelapa untuk mempermudah pengolahan buah kelapa, namun kebanyakan pemarut kelapa yang ada di pasaran efisiensinya sangat rendah dan masih belum hemat energi karena menggunakan sumber listrik PLN sebagai supplynya . Indonesia juga terkenal dengan cuacanya yang tropis dimana cahaya mataharinya sangat melimpah. Dengan ini penulis akan membuat tugas akhir sebuah alat pemarut kelapa dengan memanfaatkan tenaga surya sebagai supplynya. Tenaga surya akan konversi menjadi tegangan melalui solar cell berkapasitas 150 WP yang kemudian akan di naikkan tegangnya menggunakan Boost Converter dengan metode kontrol
2
logika fuzzy pada ARM STM32F407VG.Tegangan yang keluar dari solar cell 150 WP adalah 18 Volt dan akan naikan menggunakan boost converter menjadi 52,8 Volt dengan duty cycle 0,66. Tegangan dan arus yang keluar dari Boost Converter akan disimpan dalam accumulator berkapasitas 48 Volt 10 Ah yang outputnya akan dipasang sensor tegangan dan sensor arus sebagi monitoring dan data yang akan diinputkan ke ARM STM32F407VG. Accumulator akan dihubungkan dengan Boost Converter untuk menaikan tegangan DC dari 48 Volt ke 80 Volt dengan duty cycle 0,4 kemudian dihubungkan dengan inverter 1 fasa untuk mengubah tegangan DC ke AC. Agar output inverter 1 fasa sinus murni maka inverter akan dihubungkan dengan rangkaian filter pasif LC untuk mengurangi distorsi. Filter LC akan dihubungkan dengan trafo step up 1:4 untuk menaikan tegangan dari 56,57 Volt ke 220 Volt AC. Output trafo Step Up akan digunakan untuk mensupply motor AC 1 fasa 220 Volt 125 watt untuk menggerakkan alat pemarut kelapa kemudian dipasang sensor kecepatan rotary encoder yang datanya akan diinputkan ke ARM STM32F407VGuntuk proses kontrol kecepatannya agar tetap konstan dengan menggunakan metode logika fuzzy melaui PWM boost converter. Hasil sensing dari sensor kecepatan, tegangan dan arus akan ditampilan pada LCD. 1.3. PERUMUSAN MASALAH DAN BATASAN MASALAH PERUMUSAN MASALAH Berdasarkan latar belakang pembuatan Proyek Akhir ini, rumusan masalah yang akan diangkat meliputi: 1. Bagaimana membangkitkan energi yang bisa untuk mensupply sistem agar bisa melakukan proses pemarutan kelapa selama 3 jam setiap harinya.? 2. Berapa jumlah Solar cell dan berapa besar kapasitas WP yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan tersebut? 3. Berapa besar Ah dari accu untuk menyuplai beban motor AC yang terkoneksi ? 4. Berapa besar kapasitas inverter yang diperlukan untuk menyuplai beban motor AC 125 watt ? 5. Bagaimana mendesain filter agar gelombang keluaran dari inverter menjadi sinus murni atau setidaknya mendekati sinus ? 6. Bagaimana menentukan membership function, input dan output serta rule base dari logika fuzzy yang akan digunakan ? 7. Bagaimana mendapatkan sistem yang efisien untuk proses ini ? 8. Bagaimana mendapatkan kualitas parutan kelapa yang baik dibandingkan pada proses pemarutan secara tradisional ?
3
BATASAN MASALAH
Untuk menyelesaikam masalah dalam Proyek akhir ini maka perlu diberi batasan-batasan dan asumsi sebagai berikut: 1. Motor yang digunakan Motor AC satu fasa Motor AC 1 fasa 125 W / 220 Volt 2. Tenaga listrik yang digunakan berasal dari solar cell berkapasitas 150 WP. 3. DC – DC Converter yang digunakan jenis boost converter untuk menaikkan tegangan output sari solar cell dan tegangan output pada accumulator. 4. Menggunakan metode logika fuzzy untuk mengatur PWM pada boost converter yang menaikan tegangan output solar cell. 5. Bost converter pada output aki dikontrol menggunakan increment dicrement. 6. Inverter yang digunakan fullbridge 1 fasa dengan tegangan dan frekuensi fix. 7. Tidak membahas mekanik dari sistem pemarut kelapa. 8. Accumulator yang digunakan tegangan 48 Volt 10 Ah yang terdiri dari 4 buah accumulator tegangan 12 volt yang disusun seri. 9. Tidak membahas mengenai harmonisa yang dihasilkan oleh inverter 1 fasa. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENELITIAN YANG PERNAH DILAKUKAN (SEBAGAI REFERENSI)
1. Andri Pradipta, Jurusan Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Tugas Akhir “Rancang bangun inverter satu fasa dengan filter pasif untuk penggerak pompa pengairan pada miniature sawah”. Membahas tentang inverter 1 fasa yang digunakan untuk meggerakkan motor induksi dengan daya 125 Watt yang akan digunakan untuk pengairan sawah dengan sumber accumulator 24 Volt DC yang akan dinaikkan menjadi 80 Volt DC dengan menggunakan boost converter, kemudian dimasukkan ke inverter 1 fasa dengan motode SPWM dengan efisiensi 60 % setelah difilter oleh filter LC agar keluaran dari inverter mendekati sinus murni. Kemudian tegangan AC hasil dari inverter tersebut dinaikkan dengan menggunakan trafo step up agar tegangan mencapai 220 Volt. Namun efisiensi menjadi 54 % setelah keluar dari trafo tersebut. 2. Faisz Kasifalham, Bambang Dwi Argo, dan Musthofa Lutfi, Jurusan Keteknikan Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya Jl. Veteran, Malang 65145. 2013 Melakukan penelitian “Uji Performansi Mesin Pemarut Kelapa dan Pemeras Santan Kelapa” dengan hasil bahwa mesin pemarut dan pemeras santan kelapa mempunyai dua proses mekanisme kerja, yaitu mekanisme transmisi daya dan mekanisme
4
proses pemerutan dan pemerasan. Uji performa mesin tersebut juga menunjukkan bahwa semakin cepat putaran poros motor bakar akan meningkatkan kapasitas kerja pemarutan, kapasitas pemerasan, rendemen santan, dan efisiensi pemerasan dengan hubungan grafik logaritmik antara variabel dengan parameter yang diamati. Namun, untuk kebutuhan energi terjadi hubungan eksponensial, dengan semakin tinggi putaran poros motor bakar akan menyebabkan penurunan kebutuhan energi. 3. Junaidi & Eka Sunitra Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang Kampus Unand Limau Manis Padang 25163 tentang “ Rancang Bangun Mesin Pemeras Santan Dengan Metode Kombinasi Pemarutan Dan Pemerasan Dengan Sistem Screw” dengan hasil yaitu: 1. Suatu mesin pemeras santan dalam satu rangkaian unit pemarut dan pemeras telah dirancang dengan kapasitas 114 kg/jam santan, dan kemudian dilakukan pembuatan. 2. Setelah dibuat kemudian mesin ini diuji dan telah berhasil menghasilkan kapasitas santan dari rata 57,2 kg/jam menjadi 85,5 kg/jam, dan jumlah santan dari 1,44 kg dalam 15 kelapa cukilan sampai 2,68 kg. 3. Putaran dan celah sangat berpengaruh terhadap kapasitas namun jarak celah juga sangat berpengaruh terhadap jumlah santan, sedangkan putaran tidak berpengaruh terhadap jumlah santan. 4. Terlihat biaya pemprosesan kelapa menjadi santan adalah lebih rendah, sehingga harga santan dengan alat ini rendah. 4. Dwi Lestari*, Bambang Susilo, Rini Yulianingsih Jurusan Keteknikan Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya Jl. Veteran, Malang 65145 tentang “Rancang Bangun Mesin Pemarut dan Pemeras Santan Kelapa Portable Model Kontinyu” dengan hasil Ra ncang Bangun Mesin Pemarut Dan Pemeras Santan Kelapa Portable Model Continue adalah Mesin ini dibuat melalui hasil perhitungan analisa teknik meliputi semua komponenya dengan beberapa macam bahan diantaranya adalah aluminium, steenles steel dan plat besi. Mesin ini bekerja dengan sistem kerja continue yang dapat digunakan sesuai fungsinya dan diuji cobamenggunakan daya 0.5 HP. Kapasitas hasil pemarut sebesar 3.198 gr/menit dan kapasitas pemeras 0,021 gr/menit namun pada hasil pengamatan kapasitas pemarut dan pemeras masing – masing 8,71 gr/menit dan 6,138 gr/menit dengan karakteristik santan sedikit berwarna hitam dikarenakan tercampur dengan kotoran sisa perbaikan mesin dan ampas yang masih mengandung santan kar ena pemerasan yang tidak sempurna. Dibandingkan dengan manual, mesin memiliki tingkat efisiensi yang lebih rendah karena mesin tidak dapat bekerja dengan baik. Hasil diidentifikasi menunjukkan letak kegagalan mesin terletak pada screw pemeras yang terlalu rapat jarak pich dan jarak antar ruang pemerasnya.
5
2.2. TEORI PENUNJANG 2.2.1 Solar Cell
Solar Cell atau Photovoltaic adalah suatu alat yang dapat mengkonversi radiasi tenaga matahari menjadi sumber energy listrik secara langsung. Dalam sebuah modul PV ( Photovoltaic) terdiri dari banyak sel surya yang bisa terpasang secara seri maupun pararel. Surya adalah sebuah elemen semikonduktor yang dapat mengkonversi energi surya menjadi energy listrik atas dasar efek Photovoltaic. Solar Cell mulai banyak digunakan seiring dengan menipisnya energy fosil serta terjadinya isu global warming. Berikut adalah skema kinerja dari solarcell yang terdapat pada Gambar 2.2.1.1 dibawah ini.
Gambar 2.2.1.1 Skema Photovoltaic
Bentuk karakteristik keluaran dari Photovoltaic dapat dilihat dari kurva performansi, disebut kurva V-I yang menunjukan hubungan antara tegangan dan arus.
Gambar 2.2.1.2. Karakteristik P-V untuk level Radiasi yang berbeda
.
Gambar 2.2.1.3 Karakteristik Photovoltaic Antara tegangan dan arus
6
Gambar 2.2.1.2 diatas merupakan grafik karakteristik antara daya (P) dengan tegangan (V) dengan tingkat intensitas cahaya matahari yang berbeda beda. Sedangkan Gambar 2.2.1.3 diatas merupakan karakteristik kurva V-I dengan sumbu horizontal adalah tegangan (V) dan sumbu vertical kiri adalah arus (I) dan vertikal kanan menyatakan daya (P). Pada kurva diatas dalam standar Test Conditions 1000 Watt per meter persegi radiasi atau bisa disebut satu matahari puncak/one peak sun hour dan 25 ᵒC adalah suhu modul Photovoltaic.
Gambar 2.2.1.4. Karakteristik P-V terhadap Temperatur
Gambar 2.2.1.5. Kurva V-I terhadap temperatur
Pada Gambar 2.2.1.4. Photovoltaic dapat beroperasi secara maksimum jika temperatur sel photovoltaic dalam kondisi normal (25oC). semakin naiknya temperatur photovoltaic akan melemahkan tegangan keluaran / tegangan open circuit (Voc). Pelemahan arus ini menyebabkan berkurangnya. Pelemahan tegangan keluaran menyebabkan berkurangnya daya keluar dari photovoltaic seperti pada Gambar 2.2.1.5.
2.2.2 Boost Converter a. Konverter Penaik Tegangan (BOOST CONVERTE R ) Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter
7
penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Seperti halnya konverter buck, konverter boost memiliki rangkaian yang terdiri dari induktansi, kapasitor, diode frewheel, dan komponen switching seperti Thyristor, MOSFET, IGBT, dan GTO. Proses switching pada konverter ini juga disulut oleh PWM sebagai pengaturan duty cycle yang sangat berpengaruh pada besar kecilnya tegangan output dari konverter boost. Gambar 2.2.2.1 berikut merupakan rangkaian sederhana dari boost converter.
Gambar 2.2.2.1. Rangkaian Converter DC-DC Tipe Boost
Prinsip Kerja Boost Converter ada 2 yaitu : Ketika Mosfet On (Tertutup) dan dioda off seperti pada gambar 8, arus searah jarum jam dari sumber menuju induktor (terjadi pengisian arus pada induktor). Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif dibandingkan sisi kanannya.
Gambar 2.2.2.2. Mosfet Boost Converter ON
Diode mendapatkan tegangan balik dan dengan menggunakan hukum khirchhoff tegangan : = = = (1) Laju perubahan arus konstan, sehingga arus naik secara linier pada saat saklar ditutup. Perubahan arus induktor dapat dihitung dengan :
8
∆ ∆
=
∆
=
(2)
(∆ ) =
(3) Ketika Mosfet off (Terbuka) dan dioda on seperti gambar 9, arus yang disimpan di induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor meyebabkan induktor tersebut melawannya dengan membalik polaritasnya lebih negatif pada sisi kiri). Sehingga, arus yang mengalir pada dioda dan pada beban adalah penjumlahan antara arus pada sumber dan arus pada induktor (seri). Disaat yang bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya boost converter memiliki keluaran lebih tinggi dibandingkan dengan masukannya.
Gambar 2.2.2.3. Mosfet Boost Converter OFF
Dengan asumsi bahwa tegangan keluaran konstan, maka tegangan pada induktor : = − = (4)
=
−
(5) Laju perubahan arus induktor konstan, sehingga arys berubah secara linier. Perubahan arus induktor ketika saklar dibuka adalah : ∆ ∆ − = = (6) ∆ (1 − ) ( − )(1 − ) (∆ ) = (7) Pada operasi steady state, total perubahan arus induktor adalah Nol.
9
(∆ ) + (∆ ) = 0 ( − )(1 − ) + =0 Yang akan menghasilka Vo : ( + 1 − ) − (1 − ) = 0
(8) (9) (10) =
1−
Dari rangkaian Boost Converter seperti diatas, didapatkan gelombang keluaran secara terperinci seperti gambar 2.2.2.4 dibawah ini :
Gambar 2.2.2.4. Gelombang Keluaran DC Chopper Tipe Boost
Dari gambar 2.2.2.4., dapat dilihat bahwa arus pada beban (IL) akan naik secara linier ketika Mosfet dalam kondisi off dan turun secara linier pula ketika Mosfet dalam kondidi on. Namun penurunan arus beban (IL) tersebut tidak mencapai nol. Sehingga gambar diatas dapat digolongkan menjadi Boost Converter Mode Continous. Semakin besar duty cycle, maka semakin besar pula tegangan keluaran yang dihasilkan Boost Converter . Namun, tegangan keluaran tersebut selalu lebih besar atau sama dengan tegangan masukkan DC Chopper . Semakin besarnya duty cycle dapat dilihat dari semakin besarnya area yang diwarnai biru muda pada gambar diatas.
Rangkaian Snubber Pada rangkaian converter DC-DC dibutuhkan rangkaian snubber untuk memotong tegangan Vds yang mempunyai spike terlalu tinggi/melampaui tegangan Vds pada MOSFET. Untuk rangkaian boost converter setelah di-
10
supply tegangan pada sisi masukan, tegangan spike yang ditimbulkan oleh induktansi bocor (leakage inductance) cukup tinggi. Untuk itu digunakan rangkaian snubber yang akan meredam tegangan spike tersebut. Berikut rangkaian snubber yang ditunjukkan pada gambar 2.2.2.5 dibawah ini :
Gambar 2.2.2.5 Rangkaian Snubber
2.2.3 Baterai
Baterai atau aki, atau bisa juga disebut accu adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Proses elektrokimia reversible yang dimaksud adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel. Baterai atau aki berfungsi untuk menyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia, yang akan digunakan untuk mensuplai (menyediakan) listrik ke dalam sebuah sistem atau komponen-komponen kelistrikan lainnya. Bagian-bagian pada baterai dapat dilihat pada gambar 2.2.3.1
Gambar 2.2.3.1 Konstruksi Pada Baterai
11
Jumlah tenaga listrik yang disimpan dalam baterai dapat digunakan sebagai sumber tenaga listrik tergantung pada kapasitas baterai dalam satuan Ampere Hour (AH). Jika pada kotak baterai tertulis 12 V 60 AH, berarti baterai baterai tersebut mempunyai tegangan 12 V dimana jika baterai tersebut digunakan selama 1 jam dengan arus pemakaian 60 A, maka kapasitas baterai tersebut setelah 1 jam akan kosong (habis). Kapasitas baterai tersebut juga dapat menjadi kosong setelah 2 jam jika arus pemakaian hanya 30 A. Disini terlihat bahwa lamanya pengosongan baterai ditentukan oleh besarnya pemakaian arus listrik dari baterai tersebut. Semakin besar arus yang digunakan, maka akan semakin cepat terjadi pengosongan baterai, dan sebaliknya, semakin kecil arus yang digunakan, maka akan semakin lama pula baterai mengalami pengosongan. Besarnya kapasitas baterai sangat ditentukan oleh luas permukaan plat atau banyaknya plat baterai. Jadi dengan bertambahnya luas plat atau dengan bertambahnya jumlah plat baterai maka kapasitas baterai juga akan bertambah. Sedangkan tegangan accu ditentukan oleh jumlah daripada sel baterai, dimana satu sel baterai biasanya dapat menghasilkan tegangan kira kira 2 sampai 2,1 V. Tegangan listrik yang terbentuk sama dengan jumlah tegangan listrik tiap-tiap sel. Jika baterai mempunyai enam sel, maka tegangan baterai standar tersebut adalah 12 V sampai 12,6 V. Biasanya setiap sel baterai ditandai dengan adanya satu lubang pada kotak accu bagian atas untuk mengisi elektrolit aki. 2.2.4 Inverter 1 Fasa
Inverter adalah perangkat elektronika yang dipergunakan untuk mengubah tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Curent). Output suatu inverter dapat berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus (sine wave), gelombang kotak (square wave) dan sinus modifikasi (sine wave modified). Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain.
Gambar 2.2.4.1 Rangkaian Dasar Inverter 4 Saklar
12
Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 saklar seperti ditunjukkan pada gambar 2.2.4.1. Bila saklar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah saklar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Untuk mengatur buka atau tutup keadaan saklar pada rangkaian inverter tersebut dapat dilakukan dengan beberapa metode switching . Metode switching yang sering digunakan adalah metode dengan membangkitkan gelombang PWM atau SPWM. PWM atau Pulse Width Modulation adalah salah satu teknik pemodulasian sinyal dimana besar duty cycle pulsa dapat diubah-ubah. PWM biasa digunakan untuk aplikasi-aplikasi analog yang menggunakan kontrol digital atau mikrokontroler, hal ini dikarenakan mikrokontroler tidak mampu menghasilkan tegangan analog secara langsung. Terdapat beberapa teknik untuk membangkitkan sinyal PWM, namun secara garis besar terbagi dalam 2 cara, yaitu pembangkitan sinyal dengan rangkaian analog dan dengan kontrol digital (dengan Mikrokontroler).Secara analog, pembangkitan sinyal PWM yang paling sederahana adalah dengan cara membandingkan sebuah sinyal segitiga atau gigi gergaji dengan tegangan referensi DC. Gelombang segitiga atau gigi gergaji sebagai frekuensi pembawa yang juga merupakan frekuensi sinyal keluaran PWM. Sedangkan tegangan referensi dc adalah tegangan yang menentukan besarnya duty cycle dari keluaran sinyal PWM. Sedangkan pembangkitan PWM pada mikrokontroler adalah dengan membandingkan dua buah variable yang tersimpan dalam memori Mikrokontroler. Yaitu variabel TCNTx dengan OCRxx. Apabila timer yang digunakan adalah timer 0, maka variabel yang dipakai adalah TCNT0 dan OCR0 seperti pada gambar 2.2.4.2 TCNT0 adalah suatu nilai variabel yang terus bertambah setiap satu satuan waktu (bergantung pada setting timer ) yang jika dianalogikan ke rangkaian analog adalah sinyal ramp. Sedangkan OCR0 adalah suatu variabel yang berfungsi sebagai nilai referensi saat keluaran PWM berubah dari high ke low ataupun low ke high.
Gambar 2.2.4.2 Pembangkitan Sinyal PWM dengan Mikrokontroler .
Pada metode SPWM atau Sinusoidal Pulse Width Modulation bentuk gelombang sinusoidal PWM (Unipolar ) diperoleh dengan mengkomparasi antara gelombang segitiga (triangle wave) dengan 2 gelombang sinusoidal
13
(yang berbeda 180°) seperti pada gambar 2.2.4.2 Gelombang segitiga sebagai carrier dan gelombang sinusoidal sebagai gelombang yang dimodulasi. Pada gelombang SPWM unipolar terdapat perbedaan lebar pulsa pada fase positif dan fase negatifnya, dan akan periodik sesuai dengan frekuensi dari tegangan referensi (sinusoidal).
Gambar 2.2.4.3 Sinusoidal Pulse Width Modulation.
Dengan teknik pensaklaran SPWM ini keluaran dari comparator mempunyai bentuk hampir menyerupai gelombang sinusoidal, sehingga cara ini digunakan untuk pensaklaran inverter agar gelombang keluaran inverter mendekati sinusoidal. 2.2.5 Motor Induksi Satu Fasa
Motor induksi adalah adalah motor listrik bolak-balik (ac) yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran medan stator terdapat selisih putaran yang disebut slip. Pada umumnya motor induksi dikenal ada dua macam berdasarkan jumlah fasa yang digunakan, yaitu: motor induksi satu fasa dan motor induksi tiga fasa. Sesuai dengan namanya motor induksi satu fasa dirancang untuk beroperasi menggunakan suplai tegangan satu fasa. Motor induksi satu fasa sering digunakan sebagai penggerak pada peralatan yang memerlukan daya rendah dan kecepatan yang relatif konstan. Hal ini disebabkan karena motor induksi satu fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu konstruksi yang cukup sederhana, kecepatan putar yang hampir konstan terhadap perubahan beban, dan umumnya digunakan pada sumber jala-jala satu fasa yang banyak terdapat pada peralatan domestik.
14
Walaupun demikian motor ini juga memiliki beberapa kekurangan, yaitu kapasitas pembebanan yang relatif rendah, tidak dapat melakukan pengasutan sendiri tanpa pertolongan alat bantu dan efisiensi yang rendah. Konstruksi Umum Konstruksi motor induksi satu fasa hampir sama dengan konstruksi motor induksi tiga fasa, yaitu terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk silinder dan simetris. Di antara rotor dan stator ini terdapat celah udara yang sempit.
Gambar 2.2.5.1. Konstruksi Umum Motor Induksi Satu Fasa.
Stator merupakan bagian yang diam sebagai rangka tempat kumparan stator yang terpasang. Stator terdiri dari : inti stator, kumparan stator, dan alur stator. Motor induksi satu fasa dilengkapi dengan dua kumparan stator yang dipasang terpisah, yaitu kumparan utama (main winding) atau sering disebut dengan kumparan berputar dan kumparan bantu (auxiliary winding) atau sering disebut dengan kumparan start. Rotor merupakan bagian yang berputar. Bagian ini terdiri dari : inti rotor, kumparan rotor dan alur rotor. Pada umumnya ada dua jenis rotor yang sering digunakan pada motor induksi, yaitu rotor belitan ( wound rotor ) dan rotor sangkar ( squirrel cage rotor ). Prinsip Kerja Motor Induksi Satu Fasa
Teori Medan Putar Silang Prinsip kerja motor induksi satu fasa dapat dijelaskan dengan menggunakan teori medan putar silang (cross-field theory). Jika motor induksi satu fasa diberikan tegangan bolak-balik satu fasa maka arus bolak balik akan mengalir pada kumparan stator. Arus pada kumparan stator ini menghasilkan medan magnet seperti yang di tunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar 2.2.5.2
15
Belitan Rotor
A
Belitan Stator
C Gambar 2.2.5.2. Medan Magnet Stator Berpulsa Sepanjang Garis AC.
Arus stator yang mengalir setengah periode pertama akan membentuk kutub utara di A dan kutub selatan di C pada permukaan stator. Pada setengah periode berikutnya, arah kutub-kutub stator menjadi terbalik. Meskipun kuat medan magnet stator berubah-ubah yaitu maksimum pada saat arus maksimum dan nol pada saat arus nol serta polaritasnya terbalik secara periodik, aksi ini akan terjadi hanya sepanjang sumbu AC. Dengan demikian, medan magnet ini tidak berputar tetapi hanya merupakan sebuah medan magnet yang berpulsa pada posisi yang tetap ( stationary). Seperti halnya pada transformator, tegangan terinduksi pada belitan sekunder, dalam hal ini adalah kumparan rotor. Karena rotor dari motor induksi satu fasa pada umumnya adalah rotor sangkar dimana belitannya terhubung singkat, maka arus akan mengalir pada kumparan rotor tersebut. Sesuai dengan hukum Lenz, arah dari arus ini (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.2 adalah sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan melawan medan magnet yang menghasilkannya. Arus rotor ini akan menghasilkan medan magnet rotor dan membentuk kutub-kutub pada permukaan rotor. Karena kutub-kutub ini juga berada pada sumbu AC dengan arah yang berlawanan terhadap kutub-kutub stator, maka tidak ada momen putar yang dihasilkan pada kedua arah sehingga rotor tetap diam. Dengan demikian, motor induksi satu fasa tidak dapat diasut sendiri dan membutuhkan rangkaian bantu untuk menjalankannya.
16
Gambar 2.2.5.3. Motor Dalam Keadaan Berputar
Misalkan sekarang motor sedang berputar. Hal ini dapat dilakukan dengan memutar secara manual (dengan tangan) atau dengan rangkaian bantu. Konduktor-konduktor rotor akan memotong medan magnet stator sehingga timbul gaya gerak listrik pada konduktor-konduktor tersebut. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 2.2.5.3 yang menunjukkan rotor sedang berputar searah jarum jam. Jika fluks rotor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.2.5.3 mengarah ke atas sesuai dengan kaidah tangan kanan Fleming, arah gaya gerak listrik (ggl) rotor akan mengarah keluar kertas pada setengah bagian atas rotor dan mengarah ke dalam kertas pada setengah bagian bawah rotor. Pada setengah periode berikutnya arah dari gaya gerak listrik yang dibangkitkan akan terbalik. Gaya gerak listrik yang diinduksikan ke rotor adalah berbeda dengan arus dan fluks stator. Karena konduktor-konduktor rotor terbuat dari bahan dengan tahanan rendah dan induktansi tinggi, maka arus rotor yang dihasilkan akan tertinggal terhadap gaya gerak listrik o rotor mendekati 90 . Gambar 2.2.5.4 menunjukkan hubungan fasa dari arus dan fluks stator, gaya gerak listrik, arus dan fluks rotor.
Teori Medan Putar Ganda
Teori medan putar ganda (double revolving-field theory) adalah suatu metode lain untuk menganalisis prinsip perputaran motor induksi satu fasa disamping teori medan putar silang. Menurut teori ini, medan magnet yang berpulsa dalam waktu tetapi diam dalam ruangan dapat dibagi menjadi dua medan magnet, dimana besar kedua medan magnet ini sama dan berputar dalam arah yang berlawanan. Dengan kata lain, suatu fluks sinusoidal bolak-balik dapat diwakili oleh dua fluks yang berputar, yang masing-masing nilainya sama dengan setengah dari nilai fluks bolak-balik tersebut dan masing-masing berputar secara sinkron dengan arah yang berlawanan.
17
Gambar 2.2.5.4. Fluks Rotor Tertinggal Terhadap Fluks Stator Sebesar 90°
Sesuai dengan kaidah tangan kanan Fleming, arus rotor ini akan menghasilkan medan magnet, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.4 karena medan rotor ini terpisah sebesar 90 o dari medan stator, maka disebut sebagai medan silang (cross-field ). Nilai maksimum dari medan ini seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.2.5.4, terjadi pada saat seperempat periode setelah gaya gerak listrik rotor yang dibangkitkan adalah telah mencapai nilai maksimumnya. Karena arus rotor yang mengalir disebabkan oleh suatu gaya gerak listrik bolak- balik maka medan magnet yang dihasilkan oleh arus ini adalah juga bolak-balik dan aksi ini terjadi sepanjang sumbu DB (lihat Gambar 2.2.5.5).
Gambar 2.2.5.5. Medan Silang yang Dibangkitkan Arus Stator
Karena medan silang beraksi pada sudut 90 o terhadap medan magnet stator dengan sudut fasa yang juga tertinggal 90 o terhadap medan stator, kedua medan bersatu untuk membentuk sebuah medan putar resultan yang berputar dengan kecepatan sinkron yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.6.
18
Gambar 2.2.5.6. Phasor Medan Putar yang Dihasilkan Oleh Belitan Stator dan Rotor.
Teori Medan Putar Ganda Teori medan putar ganda (double revolving-field theory) adalah suatu metode lain untuk menganalisis prinsip perputaran motor induksi satu fasa disamping teori medan putar silang. Menurut teori ini, medan magnet yang berpulsa dalam waktu tetapi diam dalam ruangan dapat dibagi menjadi dua medan magnet, dimana besar kedua medan magnet ini sama dan berputar dalam arah yang berlawanan. Dengan kata lain, suatu fluks sinusoidal bolak-balik dapat diwakili oleh dua fluks yang berputar, yang masing-masing nilainya sama dengan setengah dari nilai fluks bolak-balik tersebut dan masing-masing berputar secara sinkron dengan arah yang berlawanan. Pada Gambar 2.2.5.7.a menunjukkan suatu fluks bolak-balik yang mempunyai nilai maksimum φ m . Komponen fluksnya A dan B mempunyai nilai yang sama yaitu φ m /2, berputar dengan arah yang berlawanan dan searah jarum jam, seperti ditunjukkan anak panah.
Gambar 2.2.5.7. Konsep Medan Putar Ganda.
19
Pada beberapa saat ketika A dan B telah berputar dengan sudut + θ dan –θ seperti pada Gambar 2.2.5.7.b, maka besar fluks resultan adalah :
dimana : φ r = fluks resultan ( weber ) φ m = fluks maksimum ( weber ) θ = sudut ruang Setelah seperempat periode putaran, fluks A dan B akan berlawanan arah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.7.c, sehingga resultan fluksnya sama dengan nol. Setelah setengah putaran, fluks A dan B akan mempunyai resultan sebesar -2 x φ m /2 = - φ m , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.7.d. Setelah tiga perempat putaran, resultan akan kembali nol seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.7.e dan demikianlah seterusnya. Jika nilai-nilai dari fluks resultan digambarkan terhadap θ diantara θ = 0o sampai θ = 360o, maka akan didapat suatu kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.5.8.
Gambar 2.2.5.8. Kurva Fluks Resultan Terhadap θ
20
Pada saat rotor berputar sesuai dengan arah momen putar medan maju dengan kecepatan tertentu, maka besar slip terhadap momen putar medan maju (sf) yang terjadi adalah : s f = ns − nr / ns = s …………………………….......................................(2.2) dimana : ns = kecepatan sinkron ( rpm ) nr = kecepatan putaran rotor (rpm) 2.2.6 ARM STM32F407VG
Gambar 2.2.6.1 ARM Cortex
ARM itu merupakan mikrokontroler yang lagi panas-panasnya di koar-koarin di elins, karena penggunaan AT MEGA dari ATMEL sudah mulai ditinggalkan dengan alasan sudah terlalu banyak aplikasi dengan AT MEGA maka harus berkembang dengan ARM yang harganya relatif lebih murah dengan teknologi yang lebih canggih. Sedikit sejarahnya, ARM adalah prosesor dengan arsitektur set instruksi 32•bit RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang dikembangkan oleh ARM Holdings. ARM merupakan singkatan dari Advanced RISC Machine (sebelumnya lebih dikenal dengan kepanjangan Acorn RISC Machine). Pada awalnya ARM prosesor dikembangkan untuk PC (Personal Computer) oleh Acorn Computers, sebelum dominasi Intel x86 prosesor•Microsoft di IBM PC kompatibel menyebabkan Acorn Computers bangkrut. Setelah Acorn Computers bangkrut, Apple Computers (sekarang Apple Inc) dan VLSI Technology Inc membeli kekayaan intelektual Acorn Computer, dan mendirikan ARM Ltd. ARM Ltd kemudian melanjutkan proyek Acorn Computer untuk mengembangkan prosesor 32•bit dengan arsitektur RISC yang sederhana dan hemat energi. Prosesor yang dikembangkan ARM Ltd ternyata tidak diminati oleh kalangan produsen PC, dengan alasan tidak kompatibel dengan arsitektur Intel x86. ARM Ltd kemudian memutuskan untuk tidak memproduksi ARM prosesor, tetapi melisensikan desain prosesor tersebut untuk digabungkan dengan ASIC (Application Specific IC) yang membutuhkan kontroler embedded (contoh:
21
kontroler printer, kontroler mesin cuci, kontroler video dekoder, kontroler ethernet hub/router, dan sebagainya). Saat ini, selain digunakan untuk ASIC, ARM prosesor juga diproduksi oleh berbagai perusahaan semikonduktor sebagai mikroprosesor terpisah (sebelumnya ARM prosesor selalu di•embeddedkan dengan ASIC) maupun mikrokontroler (dengan pengurangan berbagai fitur yang diperlukan mikroprosesor). Perusahaan yang dulu ataupun saat ini menggunakan lisensi ARM prosesor meliputi Alcatel•Lucent, Apple Inc., Atmel, Broadcom, Cirrus Logic, Digital Equipment Corporation (DEC), Freescale, Intel (melalui akuisisi DEC), LG, Marvell Technology Group, Microsoft, NEC, Nuvoton, Nvidia, NXP (dulu Philips), Oki, Qualcomm, Samsung, Sharp, STMicroelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments, VLSI Technology, Yamaha and ZiiLABS. Berbagai macam kontroler berbasis ARM yang terkenal meliputi DEC StrongARM (digunakan Intel untuk prosesor PDA), Marvell Xscale (desain Xscale dibeli Marvell dari Intel), Nintendo (untuk prosesor Gameboy, DSi, dan 3DS), Nvidia Tegra, ST•Ericsson Nomadik, Qualcomm Snapdragon, Texas Instruments OMAP product line, Samsung Hummingbird and Apple A4. ARM STM32F407VG Spesifikasi:
Gambar 2.2.6.2 ARM STM32F407VG
22
2.2.7
Sensor Arus
ACS712 merupakan suatu IC terpaket yang mana berguna untuk sensor arus menggantikan trafo arus yang relatif besar dalam hal ukuran. Pada prinsipnya ACS712 sama dengan sensor efek hall lainnya yaitu dengan memanfaatkan medan magnetik di sekitar arus kemudian dikonversi menjadi tegangan yang linier dengan perubahan arus. Nilai variabel dari sensor ini merupakan input untuk mikrokontroller yang kemudian diolah. ACS712 memiliki bentuk fisik seperti yang akan ditunjukan pada gambar 2.2.7.1 dan disetiap pin yang terdapat pada ACS712 memiliki fungsi yang berbeda – beda seperti ditunjukan pada tabel 2.2.7.1. keluaran dari ACS712 masih berupa sinyal tegangan AC, agar dapat diolah oleh mikrokontroller maka sinyal tegangan AC ini di searahkan oleh rangkaian penyearah. Seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.2.7.1 Aplikasi Rangkaian Sensor Arus ACS712.
Gambar 2.2.7.2 Pin Out Diagram ACS712
23
Tabel 2.7.1 Pin Deskripsi ACS 712 Nomor
Nama
Deskripsi
1 dan 2
IP+
Terminal arus dengan fuse yang menyatu
3 dan 4
IP-
Terminal arus dengan fuse yang menyatu
5
GND
Terminal ground signal
6
FILTER
Terminal untuk pengaturan bandwith
7
VIOUT
Signal output analog
8
VCC
Perangkat terminal power supply
2.2.8
kapasitor
external
Sensor Tegangan
Pengukuran besarnya tegangan pada beban menggunakan AMC1100. AMC1100 merupakan suatu komponen elektronika yang dapat digunakan untuk mengukur besaran tegangan dan arus pada sistem dengan memiliki 8 kaki.
Gambar 2.2.8.1 Pin Out Diagram AMC1100
konfigurasi disetiap pin tersebut memiliki fungsi yang berbeda seperti tampak pada gambar 2.8.1 dan pin deskripsinya akan ditunjukan pada tabel 2.2.8.1 Tabel 2.2.8.1 Pin Deskripsi AMC1100 Nama
No.
Function
Deskripsi
GND1 GND2
4 5
Power Power
Sisi tinggi analog ground Sisi rendah analog ground
VDD1 VDD2 VINN
1 8 2
Sisi tinggi power supply Sisi rendah power supply Inverting analog input
VINP
3
VOUTN
6
Power Power Analog input Analog Input Analog
Non inverting analog input Inverting analog output
24
VOUTP
2.2.9
7
Output Analog Output
Non inverting analog output
Kontrol Logika Fuzzy
Logika fuzzy, adalah peningkatan dari logika boolean yang berhadapan dengan konsep kebenaran sebagian. Dimana logika klasik menyatakan bahwa segala hal dapat diekspresikan dalam istilah binery (0 atau 1, ya atau tidak), logika fuzzy menggantikan kebenaran boolean dengan tingkat kebenaran. Logika fuzzy memungkinkan nilai keanggotaan antara 0 dan 1, tingkat keabuan dan juga hitam dan putih, dalam bentuk linguistik, konsep tidak pasti seperti “sedikit”, lumayan”, dan“banyak”. Dalam logika fuzzy, nilai-nilai linguistik dan ekspresi digunakan untuk menggambarkan variabel fisik.
Gambar 2.2.9.1 Struktur dan elemen fungsi dari kontrol f uzzy.
Kontrol logika fuzzy berarti kontrol terbuka dan loop tertutup dari proses teknis, termasuk pengolahan nilai yang terukur, berasal dari variabel terukur, dan set poin. Variabel keluaran dalam bentuk variabel pengoreksi. Transformasi harus dilakukan antara masukan dan variabel keluaran dari proses dan dunia fuzzy ( fuzzifikasi, defuzzifikasi) komponen inti pengendalian fuzzy terdiri dari linguistik aturan dasar (rule base) dan kesimpulan (inference). Fuzzyfikasi
Penentuan dan pencocokan variabel masukan dengan istilah linguistik disebut sebagai fuzzifikasi. Untuk tujuan ini, tingkatan aktual keanggotaan untuk variabel masukan ditentukan untuk masing-masing linguistik.
25
Gambar 2.2.9.2 Prinsip dan proses fuzzifikasi.
Aturan Dasar (r ul e base )
Basis aturan (rule base) berisi pengetahuan empiris mengenai operasi dari suatu proses dibawah pertimbangan tertentu. Aturan linguistik digunakan untuk mewakili pengetahuan terhadap suatu plant. Keputusan (I nf erence )
Definisi yang lebih umum dan matematis terbukti basis aturan fuzzy didasarkan pada umum, modus ponens dan prinsip implikasi fuzzy. Prinsip prinsip dan definisi yang digunakan disisni berlaku untuk kasus sederhana dari basis aturan fuzzy, pada dasarnya terinspirasi dari inferensi mamdani banyak digunakan dalam skema kontrol. Skema inferensi lebih rumit tidak dalam dalam bidang standar ini. Inferensi terdiri dari tiga aktivasi subfunction agregasi, dan accumulation. a. Pengumpulan ( Aggregation) Menentukan tingkat pencapaian kondisi dari derajat keanggotaan subkondisi. b. Aktivasi ( Activation) Dalam kesimpulan, sub-conclusion berhubungan dengan variabel keluaran tingkat keanggotaan kesimpulan ini kemudian ditentukan berdasarkan tingkat pemenuhan kondisi ditentukan dalam aggregation (kesimpulan jika A maka B). secara umum, min atau prod digunakan untuk aktivasi. c. Pengumpulan ( Accumulation) Adalah hasil aturan yang dikombinasikan untuk mendapatkan hasil secara keseluruhan. Algoritma maksimum biasanya digunakan untuk akumulasi. Bergantung pada kombinasi operator dalam langkah-langkah individu, strategi strategi inference yang terkenal adalah max-min inferensi yang artinya metode minimum untuk akumulasi dan maksimum untuk aktivasi. Max-min Inferensi, fungsi keanggotaan dari fuzzy set kesimpulan terbatas pada tingkat pemenuhan kondisi dan kemudian, pada gilirannya,dikombinasikan untuk menciptakan fuzzy set oleh membentuk maksimal. Dalam Inferensi maxprod sebaliknya,
26
fungsi keanggotaan fuzzy set dari kesimpulan yang berbobot, yaitu dikalikan, dengan tingkat pencapaian kondisi dan kemudian digabungkan. Fungsi Membership
Kondisi hanya fungsi keanggotaan harus benar-benar memuaskan adalah bahwa ia harus bervariasi antara 0 dan 1. Fungsi itu sendiri bisa menjadi kurva yang sewenang-wenang yang bentuknya kita dapat mendefinisikan sebagai fungsi yang sesuai dengan kita dari sudut pandang kesederhanaan, kenyamanan, kecepatan, dan efisiensi.
Gambar 2.2.9.3 Macam-macam fungsi membership.
Langkah penyusunan fuzzy adalah sebagai berikut : 1. Menentukan proses fuzzyfikasi – proses memetakan nilai masukan sistem kedalam fungsi keanggotaan untuk menentukan resultan nilai kebenaran untuk setiap label (fungsi keanggotaan), hasilnya adalah masukan fuzzy. 2. Menentukan rule, perhitungan relatif yang dapat digunakan, atau “nilai kebenaran” tiap rule. Dalam inferen min-max, hal ini sama dengan nilai minimum anticedent (masukan fuzzy) untuk rule tersebut. Keluaran fuzzy dihitung dengan menentukan nilai maksimum rule strength untuk tiap label keluaran. 3. Proses defuzzyfikasi – Proses penghitung center of gravity (COG) seluruh keluaran fuzzy untuk variabel keluaran yang diberikan untuk menentukan nilai keluaran yang diberikan. Keluaran dari COG akan digunakan sebagai set point baru.
2.2.10 Sensor Optocoupler
Optocoupler adalah suatu piranti yang terdiri dari 2 bagian yaitu transmitter dan receiver, yaitu antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya terpisah. Biasanya optocoupler digunakan sebagai saklar elektrik, yang bekerja
27
secara otomatis. Pada dasarnya Optocoupler adalah suatu komponen penghubung (coupling) yang bekerja berdasarkan picu cahaya optic. Optocoupler terdiri dari dua bagian yaitu: 1. Pada transmitter dibangun dari sebuah LED infra merah. Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra merah tidak terlihat oleh mat a telanjang. 2. Pada bagian receiver dibangun dengan dasar komponen Photodiode. Photodiode merupakan suatu transistor yang peka terhadap tenaga cahaya. Suatu sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan spektrum infra merah. Karena spekrum inframerah mempunyai efek panas yang lebih besar dari cahaya tampak, maka Photodiode lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra merah. Oleh karena itu Optocoupler dapat dikatakan sebagai gabungan dari LED infra merah dengan fototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Cahaya infra merah termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata telanjang. Sinar ini tidak tampak oleh mata karena mempunyai panjang gelombang , berkas cahaya yang terlalu panjang bagi tanggapan mata manusia. Sinar infra merah mempunyai daerah frekuensi 1 x 1012 Hz sampai dengan 1 x 1014 GHz atau daerah frekuensi dengan panjang gelombang 1µ m – 1mm. LED infra merah ini merupakan komponen elektronika yang memancarkan cahaya infra merah dengan konsumsi daya sangat kecil. Jika diberi bias maju, LED infra merah yang terdapat pada optocoupler akan mengeluarkan panjang gelombang sekitar 0,9 mikrometer. Proses terjadinya pancaran cahaya pada LED infra merah dalam optocoupler adalah sebagai berikut. Saat dioda menghantarkan arus, elektron lepas dari ikatannya karena memerlukan tenaga dari catu daya listrik. Setelah elektron lepas, banyak elektron yang bergabung dengan lubang yang ada di sekitarnya (memasuki lubang lain yang kosong). Pada saat masuk lubang yang lain, elektron melepaskan tenaga yang akan diradiasikan dalam bentuk cahaya, sehingga dioda akan menyala atau memancarkan cahaya pada saat dilewati arus. Cahaya infra merah yang terdapat pada optocoupler tidak perlu lensa untuk memfokuskan cahaya karena dalam satu chip mempunyai jarak yang dekat dengan penerimanya. Pada optocoupler yang bertugas sebagai penerima cahaya infra merah adalah fototransistor. Fototransistor merupakan komponen elektronika yang berfungsi sebagai detektor cahaya infra merah. Detektor cahaya ini mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik, oleh sebab itu fototransistor termasuk dalam golongan detektor optik. Fototransistor memiliki sambungan kolektor – basis yang besar dengan cahaya infra merah, karena cahaya ini dapat membangkitkan pasangan lubang elektron. Dengan diberi bias
28
maju, cahaya yang masuk akan menimbulkan arus pada kolektor. Fototransistor memiliki bahan utama yaitu germanium atau silikon yang sama dengan bahan pembuat transistor. Tipe fototransistor juga sama dengan transistor pada umumnya yaitu PNP dan NPN. Perbedaan transistor dengan fototransistor hanya terletak pada dindingnya yang memungkinkan cahaya infra merah mengaktifkan daerah basis, sedangkan transistor biasa ditempatkan pada dinding logam yang tertutup. Ditinjau dari penggunaanya, fisik optocoupler dapat berbentuk bermacammacam. Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi transmitter dan sisi receiver, maka optocoupler ini biasanya dibuat dalam bentuk solid (tidak ada ruang antara LED dan Photodiode). Sehingga sinyal listrik yang ada pada input dan output akan terisolasi. Dengan kata lain optocoupler ini digunakan sebagai optoisolator jenis IC. Prinsip kerja dari optocoupler adalah : 1. Jika antara Photodiode dan LED terhalang maka Photodiode tersebut akan off sehingga output dari kolektor akan berlogika high. 2. Sebaliknya jika antara Photodiode dan LED tidak terhalang maka Photodiode dan LED tidak terhalang maka Photodiode tersebut akan on sehingga output- nya akan berlogika low. Sebagai piranti elektronika yang berfungsi sebagai pemisah antara rangkaian power dengan rangkaian control. Komponen ini merupakan salah satu jenis komponen yang memanfaatkan sinar sebagai pemicu on/off-nya. Opto berarti optic dan coupler berarti pemicu. Sehingga bisa diartikan bahwa optocoupler merupakan suatu komponen yang bekerja berdasarkan picu cahaya optic opto-coupler termasuk dalam sensor, dimana terdiri dari dua bagian yaitu transmitter dan receiver. Dasar rangkaian dapat ditunjukkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar 2.2.10.1 Optocoupler
Sebagai pemancar atau transmitter dibangun dari sebuah led infra merah untuk mendapatkan ketahanan yang lebih baik daripada menggunakan led biasa. Sensor ini bisa digunakan sebagai isolator dari rangkaian tegangan rendah kerangkaian tegangan tinggi. Selain itu juga bisa dipakai sebagai
29
pendeteksi adanya penghalang antara transmitter dan receiver dengan memberi ruang uji dibagian tengah antara led dengan photo transistor. Penggunaan ini bisa diterapkan untuk mendeteksi putaran motor atau mendeteksi lubang penanda disket pada disk drive computer. Tapi pada alat yang penulis buat optocoupler untuk mendeteksi putaran. Penggunaan dari optocoupler tergantung dari kebutuhannya. Ada berbagai macam bentuk, jenis, dan type. Seperti MOC 3040 atau 3020, 4N25 atau 4N33dan sebagainya. Pada umumnya semua jenis optocoupler pada lembar datanya mampu dibebani tegangan sampai 7500 Volt tanpa terjadi kerusakan atau kebocoran. Biasanya dipasaran optocoupler tersedianya dengan type 4NXX atau MOC XXXX dengan X adalah angka part valuenya. Untuk type 4N25 ini mempunyai tegangan isolasi sebesar 2500 Volt dengan kemampuan maksimal led dialiri arus fordward sebesar 80 mA. Namun besarnya arus led yang digunakan berkisar antara 15mA - 30 mA dan untuk menghubungkan-nya dengan tegangan +5 Volt diperlukan tahanan sekitar 1Kohm.
2.2.11 TFT Touchscreen
LCD (Liquid Crystal Display) seperti yang ditunjukan pada gambar 2.2.11.1 merupakan komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf, angka ataupun grafik. Perbedaan LED ( Light Emiting Diode ) dan LCD adalah LED menghasilkan cahaya sedangkan LCD tergantung dari cahaya dari luar, sehingga bila cahaya dari luar semakin terang maka tampilan yang terdapat pada LCD juga akan semakin jelas.
Gambar 2.2.11.1 TFT Touchscreen
Teknologi TFT LCD berupa liquid crystal yang diisikan di antara dua pelat gelas, yaitu colour filter glass dan TFT glass. Colour filter glass mempunyai filter warna yang bertugas memancarkan warna, sedangkan TFT glass mempunyai Thin Film transistor sebanyak pixel yang ditampilkan. Liquid crystal bergerak sesuai dengan perbedaan voltase antara colour filter glass
30
dengan TFT glass. Jumlah cahaya yang dipasok oleh Back Light ditentukan oleh jumlah pergerakan liquid crystal yang pada gilirannya akan membentuk warna.
3. METODOLOGI 3.1 Perencanaan Sistem (Hardware / Software) Perancangan Perangkat Lunak (Software) Pada perencanaan sistem ini langkah awal yang dilakukan adalah membuat pengendali berbasis logika fuzzy dengan menentukan parameter parameter yang digunakan dalam pengaturan kecepatan motor induksi. Menentukan rule base dan membership functionnya, untuk pemrograman pada ARM STM32F407VG menggunakan software Keil untuk membakitkan PWM boost converter Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Solar Cell 150 WP Vo=18 – 22Volt
Vin = 18 Volt
Vo = 52,8 Volt Duty Cycle = 0,66
Boost Converter Sensor Tegangan dan Sensor Arus
LCD Touchscreen
DAC
Accu 48 Volt 10 Ah Vo = 48 Volt
Vo= 80 Volt Duty Cycle= 0,4
ADC
Boost Converter
Inverter 1 fasa
Logika Fuzzy DAC DAC
Control Profesional ARM
Vo(rms)=56,57 Volt
Filter Pasif (LC)
SPWM ADC
Vs(rms)=220Volt
Sensor Tegangan
Trafo Step Up Ratio 1:4
Motor AC 1 fasa 125 watt/ 220 Volt
Sensor Kecepatan Mekanik Alat
Gambar 3.1.1 Blok Diagram Sistem
31
Mesin pemarut kelapa yang efiensinya tinggi dengan mengontrol kecepatan motor menggunakan metode logika fuzzy berdasarkan ketebalan dari daging kelapa dan mesin pemarut kelapa yang hemat energi dengan memanfaatkan tenaga surya sebagai supplynya. Tenaga surya akan konversi menjadi tegangan melalui solar cell berkapasitas 150 WP yang kemudian akan di naikkan tegangnya menggunakan Boost Converter dengan metode kontrol logika fuzzy pada ARM STM32F407VG. Tegangan yang keluar dari solar cell 150 WP adalah 18 Volt dan akan naikan menggunakan boost converter menjadi 52,8 Volt dengan duty cycle 0,66. Tegangan dan arus yang keluar dari Boost Converter akan disimpan dalam accumulator berkapasitas 48 Volt 10 Ah yang outputnya akan dipasang sensor tegangan dan sensor arus sebagi monitoring dan data yang akan diinputkan ke ARM STM32F407VG. Accumulator akan dihubungkan dengan Boost Converter untuk menaikan tegangan DC dari 48 Volt ke 80 Volt dengan duty cycle 0,4 kemudian dihubungkan dengan inverter 1 fasa untuk mengubah tegangan DC ke AC. Agar output inverter 1 fasa sinus murni maka inverter akan dihubungkan dengan rangkaian filter pasif LC untuk mengurangi distorsi. Filter LC akan dihubungkan dengan trafo step up 1:4 untuk menaikan tegangan dari 56,57 Volt ke 220 Volt AC. Output trafo Step Up akan digunakan untuk mensupply motor AC 1 fasa 220 Volt 125 watt untuk menggerakkan alat pemarut kelapa kemudian dipasang sensor kecepatan rotary encoder yang datanya akan diinputkan ke ARM STM32F407VG untuk proses kontrol kecepatannya agar tetap konstan dengan menggunakan metode logika fuzzy melaui PWM boost converter. Hasil sensing dari sensor kecepatan, tegangan dan arus akan ditampilan pada LCD. 3.2 Implementasi Sistem
Dari hasil perancangan, dilakukan realisasi / pembuatan baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Diadakan pengukuran / pengujian masing - masing bagian (sub-sistem) dari perangkat - perangkat tersebut sebelum dilakukan integrasi. Untuk mengetahui semua sistem yang telah dirancang sesuai dengan hasil yang diharapkan, dilakukan integrasi terhadap masing-masing perangkat. Secara detail tahap-tahap pengerjaan proyek akhir ini terlihat pada flowchart berikut
32
3.1 Flowchart tahap-tahap pengerjaan proyek akhir
3.3 Pengujian / Analisa Hasil Penelitian
Setelah dilakukan perancangan dan beberapa pengujian pada sistem, maka akan diperoleh data – data hasil kinerja sistem yang dapat dilihat melalui karakteristik solar cell. Solar cell menghasilkan tegangan yang berubah-ubah, karena tegangan ini dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari. Saat intensitas cahaya tinggi maka tegangan yang dihasilkan juga tinggi, begitupun sebaliknya. Tegangan yang dihasilkan solar cell 150 WP sekitar 18volt sampai 22Volt. Dari parameter tegangan tersebut selanjutnya akan diproses pada mikrokontroler yaitu dengan menyuplai boost converter berupa sinyal PWM untuk mengatur besarnya duty cycle. Sinyal PWM tersebut digunakan untuk menyulut boost converter agar dapat mengontrol tegangan untuk mencharger accumulator 48 volt 10 Ah yang outputnya akan dipasang sensor tegangan dan sensor arus sebagi monitoring dan data yang akan diinputkan ke ARM STM32F407VG. Accumulator akan dihubungkan dengan Boost Converter untuk menaikan tegangan DC dari 48 Volt ke 80 Volt dengan duty cycle 0,4 kemudian dihubungkan dengan inverter 1 fasa untuk mengubah tegangan DC ke AC. Agar output inverter 1 fasa sinus murni maka inverter akan dihubungkan dengan rangkaian filter pasif LC untuk mengurangi distorsi. Filter LC akan dihubungkan dengan trafo step up 1:4 untuk menaikan tegangan dari
33
56,57 Volt ke 220 Volt AC. Output trafo Step Up akan digunakan untuk mensupply motor AC 1 fasa 220 Volt 125 watt untuk menggerakkan alat pemarut kelapa kemudian dipasang sensor kecepatan rotary encoder yang datanya akan diinputkan ke ARM STM32F407VG untuk proses kontrol kecepatannya agar tetap konstan dengan menggunakan metode logika fuzzy melaui PWM boost converter. Hasil sensing dari sensor kecepatan, tegangan dan arus akan ditampilan pada LCD. 3.4 Kesimpulan
Setelah melakukan pengujian dan analisa hasil penelitian sistem, maka akan diperoleh kesimpulan dari sistem yang dibuat. Kita juga akan mengetahui kelebihan dan kelemahan dari sistem yang kita buat. 4. HASIL YANG DIHARAPKAN Target luaran yang diharapkan adalah terciptanya suatu produk teknologi dari mahasiswa yang berguna untuk masyarakat dan mempermudah manyarakat dalam bekerja serta sinar matahari benar-benar dapat dimanfaatkan sehingga dapat dikonfersi menladi suatu sumber yang ramah lingkungan dan dapat menjadi sumber yang dapat dimanfaatkan untuk sumber energi dari alat pemarut kelapa. 5.
RELEVANSI Target luaran yang diharapkan adalah terciptanya suatu produk teknologi dari mahasiswa yang dapat mengkonversi panas matahari menjadi energi listrik yang efektif, efisien dan memenuhi kriteria untuk proses pemarutan kelapa sehingga dapat menjadi contoh pemanfaatan energi terbarukan yang akan terus dikembangkan dan kelak akan berguna bagi seluruh masyarakat Indonesia.
6. BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN 6.1 Biaya Tabel 6.1 Rincian Biaya No
Jenis Pengeluaran
A.
Peralatan Penunjang 1. Tool Box
2. 3. 4. 5. 6.
Solder Tool Set Organizer Box Penyedot Timah Adaptor Selector
Harga Satuan/Unit
Rp. 42.500/Buah Rp. 35.000/Buah Rp.105.000/Set Rp. 32.900/Buah Rp. 40.000/Buah Rp. 35.000/Buah
Volume
1 1 1 1 1 1
Jumlah
Rp. 42.500 Rp. 35.000 Rp.105.000 Rp. 32.900 Rp. 40.000 Rp. 35.000
34
7. Bor B.
Rp.60.000/Buah
1
Rp.60.000
Rp.3.300.000/Buah
1
Rp.3.300.000
2. Accumulator 3. ARM STM32F407VG 4. Timah 5. Pasta Solder
.150.000/Buah Rp. 250.000/Buah
4
Rp.600.000 Rp. 250.000
Rp. 12.500/Buah Rp. 30.000/Buah
1
6. LCD TFT 7. Trafo Step Up 8. Komponen Boost Converter 9. Komponen Inverter 10. Sensor Arus 11. Sensor Tegangan
Bahan Habis Pakai 1. Solar Cell 150 WP
12. Komponen Filter LC 13. Sensor Kecepatan E
1
Rp. 12.500 Rp. 30.000
Rp. 260.000/Buah Rp. 500.000/Buah
1 1 1
Rp. 260.000 Rp.500.000
Rp. 200.000/Buah
1
Rp. 200.000
Rp. 200.000/Buah
1
Rp. 200.000
Rp. 90.000/Buah Rp. 40.000/Buah
1 2
Rp. 90.000 Rp. 80.000
Rp. 50.000/Buah
1
Rp. 50.000
Rp. 50.000/Buah
1
Rp. 50.000 Rp. 5.972.900
Jumlah Pengeluaran
6.2 Jadwal Kegiatan 6.2.1 Jadwal Kegiatan Pembuatan Proposal Proyek Akhir Tabel 6.2.1 Rencana Jadwal Kegiatan Pembuatan Proposal Proyek Akhir
BULAN NO
KEGIATAN 1
1
Studi Literatur
2
Sharing dengan Dosen Pembimbing
3
Pembuatan Blok Diagram
4
Pembuatan Simulasi
5
Penyusunan Proposal
2
3
4
5
6
35
6.2.2 Jadwal Kegiatan Progres Proyek Akhir Tabel 6.2.2 Rencana Jadwal Kegiatan Pembuatan Proposal Proyek Akhir
BULAN NO
KEGIATAN 1
1
Survei Komponen
2
Sharing dengan Dosen Pembimbing
3
Perencanaan Komponen
4
Uji Coba Sensor
5
Pembuatan Mekanik
6
Pembuatan Elektrik Sistem
2
3
4
5
6
6.2.3 Jadwal Kegiatan Proyek Akhir Tabel 6.2.3 Rencana Jadwal Kegiatan Pembuatan Proposal Proyek Akhir
BULAN NO
KEGIATAN 1
1
Uji Coba Elektrik Sistem
2
Sharing dengan Dosen Pembimbing
3
Uji Coba Mekanik
4
Integrasi Sistem
5
Uji Coba dan Analisa Sistem
6
Penyusunan Buku
2
3
4
5
6
