1
INVERTER
1. Pengertian Inverter
Inverter merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik dan frekuensinya dapat diatur. Inverter ini sendiri terdiri dari beberapa sirkuit penting yaitu sirkuit converter (yang berfungsi untuk mengubah daya komersial menjadi dc serta menghilangkan ripple atau kerut yang terjadi pada arus ini) serta sirkuit inverter (yang berfungsi untuk mengubah arus searah menjadi bolak-balik dengan frekuensi yang dapat diatur-atur). Inverter juga memiliki sebuah sirkuit pengontrol.
Sirkuit Konverter Sirkuit Inverter Sirkuit Utama Sirkuit Kontrol Daya AC Motor Unit Inverter
KONVERTER INVERTER Motor induksi
3 phasa Power supply
3 phasa Filter Vdc
Gambar 2.1 Blok Diagram Inverter
2. Prinsip Kerja Inverter
Prinsip kerja dari sebuah inverter adalah dengan menggabungkan sebuah rangkaian multivibrator yang dihubungkan dengan sebuah transformator penaik tegangan (Step Up). Inverter dapat digunakan untuk mensuplai beban dengan tegangan AC dengan daya yang
2 disesuaikan dengan daya tegangan DC yang tersedia. Contoh penggunaan inverter dapat digunakan untuk rangkaian UPS (Uninterrupted Power Supply) untuk suplai tegangan listrik bila terjadi pemutusan listrik dari PLN dengan tiba-tiba.
Rangkaian diatas adalah prinsip kerja dari inverter : Bila posisi sakelar yang On : 1. S1 dan S2 + VDC
2. S3 dan S4 - VDC 3. S1 dan S3 0 4. S2 dan S4 0
Jika posisi sakelar ada pada posisi 1, maka R akan dialiri listrik dari arah kiri ke kanan. Jika sakelar pada posisi ke dua, maka R akan mendapatkan aliran listrik dari arah kanan ke kiri, inilah prinsip arus bolak balik (AC) pada satu perioda yang merupakan gelombang sinus setengah gelombang pertama pada posisi positif dan setengah gelombang kedua pada posisi negatif. Prinsip kerja dari inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti ditunjukkan pada Gambar . Bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter dapat diklasifikasikan menjadi dua macam: inverter 1 fasa dan inverter 3 fasa.
3 0 + -S1 dan S4 On S2 dan S3 On Waktu Inverter 1 Fasa
Pada dasarnya inverter merupakan sebuah alat yang membuat tegangan bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang tegangan yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk sinusoida melainkan berbentuk gelombang dengan persegi. Pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua pasang saklar. Berikut ini merupakan gambar yang akan menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan gelombang tegangan persegi.
-+ S1 S2 S3 S4 Beban A B V VGambar 2.2 Prinsip kerja inverter 1 Phasa
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan arus bolak-balik, maka kerja saklar S1 sampai S4 yang disuplay oleh tegangan dc harus bergantian. Lalu bagaimanakah gelombang tegangan tersebut dapat terbentuk dari keempat buah saklar tersebut? Ketika saklar S1 dan S4 hidup maka arus akan mengalir dari titik A ke titik B sehingga terbentuklah tegangan positif. Setelah itu gentian saklar S2 dan S3 yang hidup dan arus akan mengalir dari tiitk B ke titik A sehingga terbentuklah tegangan negative.
Pembentukan gelombang hasil ON-OFF keempat saklar tersebut dapat terlihat dari gambar berikut:
4 0 + -S1 dan S4 On S2 dan S3 On Waktu
0,5 detik
0,5 detik
Dengan mengubah arah arus yang mengalir ke beban (pada ½ periode pertama arus mengalir dari titik A ke titik B dan pada ½ periode kedua arus mengalir dari B ke A) maka akan didapatkan bentuk gelombang arus bolak-balik. Lalu bagaimana inverter dapat mengatur frekuensi keluarannya? Inverter mengatur frekuensi keluarnnya dengan cara mengatur waktu ON-OFF saklar-saklarnya. Sebagai contoh apabila S1 dan S4 ON selama 0,5 detik begitu juga dengan S2 dan S3 secara berganti-gantian maka akan dihasilkan gelombang bolak-balik dengan frekunsi 1 Hz. Pada dasarnya saklar S1-S4 dan S2-S3 dihidupkan dengan jangka waktu yang sama. Jadi apabila dalam satu periode To = 1 detik, maka S1-S4 ON selama 0,5 detik dan S2-S3 ON selam 0,5 detik dan didapatkan frekuensi sebesar 1 Hz.
Gambar 2.4 Bentuk gelombang tegangan AC dengan frekuensi 1 Hz
Jika dalam satu periode tersebut dinyatakan pada T maka nilai frekuensi yang dihasilkan adalah (F) : F = 1/T
Dimana: F = Frekuensi (Hertz) T = Periode (detik)
Inverter 3 fasa
Pada dasarnya prinsip kerja pada inverter 3 Phasa sama dengan inverter 1 phasa. Yaitu dengan mengubah arus searah menjadi bolak-balik dengan frekuensi yang beragam. Dimana tegangan arus DC ini dihasilkan oleh sirkuit converter untuk kemudian diubah lagi menjadi arus AC oleh sirkuit inverter.
5 VDC W V U S6 S5 S4 S3 S2 S1 S1 S2 S3 S4 S5 S6 U-V V-W W-U 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540
Gambar 2.5 Sirkuit pada inverter
Dari gambar 2.6 dapat dilihat bahwa inverter memiliki dua buah sirkut utama, yaitu sirkuit converter dan sirkuit inverter. Sirkuit converter berfungsi untuk mengubah daya komersial AC menjadi arus searah serta menghilangkan ripple akibat penyearahan yang akan dilakukan oleh dioda-dioda pada sirkuit converter ini dengan menggunakan kapasitor penghalus (C). Tegangan DC dari converter itu kemudian menjadi sumber tegangan untuk transistor-transistor pada sirkuit converter. Selain berfungsi untuk mengubah kembali tegangan DC menjadi tegangan AC kembali, transistor-transistor juga mempunyai fungsi utama untuk mengatur frekuensi keluaran inverter yang beragam.
6
Sirkuit Konverter P Sirkuit Inverter
N R S T D1 D2 D3 D4 D5 D6 TR1 TR2 TR3 TR4 TR5 TR6 U V W
Gambar 2.6 Sirkuit dasar inverter 3 phasa dengan transistor
Inverter juga memiliki saklar-saklar seperti pada inverter 1 phasa yakni untuk membentuk tegangan bolak-balik juga mengatur frekuensi keluaran inverter yaitu S1-S6. Namun pada aplikasinya saklar-saklar ini diganti dengan menggunakan enam buah transistor. Hal imi disebabkan karena saklar konversional memiliki banyak kerugian diantaranya adalah pada kecepatan perpindahan saklar. Apabila saklar berubah-ubah dengan kecepatan tidak konstan untuk setiap perubahan tegangan (dari positif ke negative), tentunya frekuensi yang dihasilkan akan tidak konstan pula. Setelah itu transistor dihidup-matikan untuk menjalankan motor.
Hubungan antara tegangan inverter (VRO, VSO, VTO) dan tegangan output (VRS, VST, VTR) dapat diturunkan sebagai berikut:
VRS = VRO-VSO VST = VSO-VTO VTR = VTO-VRO
Tegangan phasa (VRN, VSN, VTN) diberikan oleh tegangan netral pada kumparan stator motor akan timbul tegangan relative terhadap titik nol inverter yaitu sebesar :
VNO = VRO+VSO+VTO ≠ 0 3
7 T1 ON 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 T2 ON vRO vSO vTO T4 ON T5 ON T5 ON T3 ON T6 ON T3 ON vRS vST vTR T2 T4 ON T1 T5 ON T2 T6 ON T5 T3 ON T5 T3 ON T6 T1 ON
Gambar dibawah ini menunjukan hubungan antara tegangan inverter serta urutan penyalaan. Pulsa-pulsa penyalaan yang identik dengan tegangan inverter adalah memiliki pilsa rate = 1 dengan pengeseran phasa 120 derajat, duty cycle 50 %.
Gambar 2.7 Hubungan Tegangan Antara Phasa Inverter Dan Urutan Penyalaan
Sedangkan untuk tegangan per phasa inverter dapat diturunkan menjadi persamaan – persamaan berikut :
VRN = 1/3 VRO – 1/3 VSO -1/3 VTO VSN = 2/3 VSO – 1/3 VRO -1/3 VTO VTN = 2/3 VTO – 1/3 VSO -1/3 VRO
Inverter biasanya menggunakan modulasi lebar pulsa (pulse width modulation PWM). Inverter juga dapat dibedakan dengan cara pengaturan tegangannya, yaitu: 1) Jika yang diatur tegangan input konstan disebut Voltage Fed Inverter (VFI); 2) Jika yang diatur konstan disebut Current Fed Inverter (CFI); dan 3) Jika tegangan input yang diatur disebut Variable DC Linked
8 Inverter. Inverter banyak diaplikasikan pada proses-proses industri dan banyak digunakan pada peralatan rumah tangga.
1. Inverter Setengah Gelombang
Prinsip kerja dari inverter satu fasa dapat dijelaskan dengan gambar . ketika transistor Q1 yang hidup untuk T0/2 tegangan pada beban V0 sebesar Vs/2. Jika transistor Q2 hanya hidup untuk T0/2, maka Vs/2 akan melewati beban. Q1 dan Q2 dirancang untuk bekerja saling bergantian. Pada Gambar b. menunjukkan bentuk gelombang untuk tegangan keluaran dan arus transistor dengan beban resistif.
Inverter setengah gelombang membutuhkan dua sumber DC dan ketika transistor off tegangan balik pada Vs menjadi Vs/2, yaitu :
2. Inverter Gelombang Penuh
Inverter gelombang penuh ditunjukkan pada gambar a. Ketika transistor Q1 dan Q2 bekerja (ON), tegangan Vs akan mengalir ke beban tetapi Q3 dan Q4 tidak bekerja (OFF). Selanjutnya, transistor Q3 dan Q4 bekerja (ON) sedangkan Q1 dan Q2 tidak bekerja (OFF),
9 maka pada beban akan timbul tegangan –Vs. Bentuk tegangan inverter gelombang penuh dapat dilihat pada gambar b.
Contoh dari rangkaian inverter sederhana bisa dilihat pada gambar dibawah ini.
10 3. Aplikasi Penggunaan Inverter
Secara umum rangkaian inverter biasanya digunakan dalam aplikasi pengendali kecepatan motor AC, variable-frequency drives, UPS/catu-daya AC, pemanas induksi/microvawe, Static
VAR Generator, FACTS (Flexible AC Transmission System), trasnmisi daya HVDC, ataupun
digunakan sebagai rangkaian rectifier-inverter.
Gambar 1 Aplikasi Inverter : Rangkaian Pengendali Kecepatan Motor AC
Gambar 2 Aplikasi Inverter : Pembangkit Hibrida PV – GD
Ada banyak topologi inverter saat ini bergantung pada jumlah fasa tegangan keluarannya (1-fasa, 3-(1-fasa, dll), metoda pengaturan sinyal kontrol tegangan keluaran (pulse width modulation (PWM), pulse amplitude modulation (PAM), gelombang persegi), menurut level tegangan keluaran, dll. Untuk memudahkan proses penulisan, pada artikel kali dikhususkan untuk membahas topologi rangkaian inverter 1 fasa.
11 Uninterruptible Power Supply (UPS)
UPS menggunakan baterai dan inverter untuk memenuhi daya AC ketika daya utama tidak dapat memenuhi kebutuhan. Saat daya utama dipulihka,perata arus menyediakan listrik DC untuk mengisi ulang baterai. Selain itu inverter juga digunakan untuk proses pemanasan induksi (induction heating) . Dalam hal ini,daya AC mula-mula diralat untuk menghasilkan daya DC. Lantas inverter berperan mengubah daya DC menjadi AC berfrekuensi tinggi.
Aplikasi pada mesin sepeda motor
Dalam hal ini inverter berfungsi untuk memberi daya listrik dan elektrik-diesel ke tenaga tarik sepeda motor tersebut. Dalam perkembangannya,inverter juga digunakan untuk menjalankan kendaraan listrik. Selain itu, inverter juga digunakan dalam transmisi daya HVDC (High Voltage Direct Current atau langsung bertegangan tinggi). Dalam transmisi daya HVDC ini daya AC diralat dan daya DC bertegangan tinggi
ditransmisikan ke lokasi lain. Di lokasi lain tersebut inverter berfungsi mengubah daya DC kembali menjadi daya AC.
Aplikasi pada variabel frequency Drive
Aplikasi pada variabel frequency Drive juga membutuhkan inverter. Variabel frequency Drives mengontrol kecepatan beroperasi mesin AC dengan mengendalikan frekuensi dan tegangan daya yang diberikan ke mesin . Inverter pada variabel frequency Drive
berfungsi menyediakan daya yang terkendali. Umumnya, variabel frequency drives dilengkapi dengan perata arus sehingga daya DC yang mengalir ke inverter dapat menghasilkan daya AC yang sesuai.
Aplikasi pada Pendingin ruangan
Aplikasi pada Pendingin ruangan alias air conditionerpun kini dilengkapi dengan inverter. Sebenarnya, pendingin ruangan semacam itu dilengkapi dengan variabel frequency drives (yang menggunakan inverter sebagai salah satu komponennya) guna mengendalikan kecepatan mesin dan kompresornya. Itulah berbagai penggunaan inverter pada mesin-mesin elektrik yang membantu kehidupan kita.
12 TIPE SUMBER TEGANGAN
SISTEM PAM SISTEM PWM
PERKIRAAN GELOMBANG SINUS SISTEM PWM
4. Pengendalian Tegangan Inverter
Dalam beberapa pemakain di industri, sering dikehendaki untuk mengendalikan tegangan keluaran Inverter. Terdapat beberapa teknik untuk mengendalikan tegangan keluaran Inverter seperti ditunjukan pada gambar 2.7.
Gambar 2.8 Teknik Mengeluarkan Tegangan Keluaran Inverter
Pada umumnya teknik yang sering dipakai adalah sistem PWM (Pulse Width
Modulation), sistem kontrol yang berbeda-beda ini menghasilkan karakteristik motor yang
berbeda pula (seperti getaran, suara, riak arus motor, respon torsi).
Pada sistem PWM, beberapa pulsa hidup-mati dihasilkan dalam satu siklus dan lamanya juga beragam untuk mengubah-ubah tegangan output. Jumlah pulsa hidup-mati yang dihasilkan dalam satu detik disebut frekuensi pembawa. Pada sistem PWM ini, getaran motor dan kebisingan motor dari komponen frekuensi sebanding dengan frekuensi pembawa yang dihasilkan. Frekuensi pembawa dari sebuah Inverter bersuara akustik lebih rendah sangat tinggi, jadi pada Inverter dengan nilai frekuensi pembawa yang besar dapat menghaluskan suara bising dari motor listrik. Akan tetapi hal tersebut dapat membuat arus bocor yang terjadi antara motor dan Inverter menjadi lebih besar, sehingga dapat mengakibatkan terjadinya arus lebih. Untuk kondisi seperti ini, pemilihan penghantar kebocoran ke bumi / cara pembumian harus dilakukan dengan benar.
5. Frequency Setting Method
Di dalam inverter frekuensi keluaran dapat diatur melalui dua cara yaitu melalui metode analog dan metode digital. Pada metode digital frekuensi keluaran inverter di atur melalui tombol
13
keypad inverter. Sedangkan pada metode analog frekuensi keluaran inverter diatur melalui
terminal input analog yaitu VR, V1, dan I. kita dapat memasang potensiometer pada terminal VR, V1, dan CM untuk mengatur frekuensi inverter.
Gambar 2.12 Potensiometer external sebagai pengaturan V/F
Pada aplikasinya terminal input analog ini dapat digunakan untuk menerima sinyal dari sensor berupa 0 sampai 20mA untuk terminal input 1 atau -10 sampai +10V DC untuk terminal input V1.
14 Refrensi :
1. http://id.scribd.com/doc/97650712/Elektronika-Daya
diakses tanggal : 16 Maret 2013 pukul 15:00 2. http://www.anneahira.com/inverter.htm
diakses tanggal : 16 Maret 2013 pukul 15:10
3. http://indone5ia.wordpress.com/2011/09/23/rangkaian-elektronika-daya-inverter-mengubah-tegangan-dc-ac/
