Inverter (Konverter DC – AC)
Penggunaan Inverter
• Pengendalian motor ac
• UPS
• Catu daya ac
• Ballast elektronik
• Microwave heating
• Static VAR generators
• FACTS (Flexible AC Transmission System)
• Filter daya aktif
• Penyearah
Variable Speed DrivesS
ou
rce
A
C
rectifier Diode inverter PWM
Link DC
Motor AC
Uninterruptibe AC Power Supplies
chargerBattery
Bettery
Inverter
Filter
Switch Bypass Static
Switch eMaintenanc Mechanical
Loads Critical
source
normal AC
generator
Standby
Properties of Ideal Inverters
• DC input is free of ripple
• AC output is sinusoidal or has a
controllable waveshape
Klasifikasi Inverter
1) Menurut jumlah fasa
- satu-fasa
- banyak fasa
2) Menurut sumber dc:
- sumber tegangan
- sumber arus
3) Menurut metoda komutasi:
- komutasi paksa
- komutasi natural
4) Menurut metoda pengaturan gelombang ac:
- gelombang persegi
- pulse amplitude modulation (PAM)
- pulse width modulation (PWM)
5) Menurut jumlah level gelombang keluaran:
- dua level
- banyak level
Ditinjau dari prosesnya:
Rangkaian inverter seri
Rangkaian inverter paralel
Rangkaian inverter jembatan (bridge)
Ditinjau dari tegangan AC yang dihasilkan:
Rangkaian inverter satu fasa
Rangkaian inverter tiga fasa
Ditinjau dari pembebanan:
Rangkaian inverter tegangan (VSI): tegangan konstan, arus tergantung beban
Rangkaian inverter arus (CSI): arus konstan, tegangan bervariasi
Konsep Proses Inverter
Basic Concepts
oV E
L
oI
dE
dI
Inv
ert
er
oV
Lo XjI
E
E
E
Lo XjI
Lo XjI
oV
oV
E Lo XjI
oVlagging
0=PF
1=PF
leading
0=PF
1−=PF
oI
oI
oI
oI
Basic Concept
0
Voltage-Source Inverter Current-Source Inverter
Voltage across the switch is
unidirectional but the current
is bidirectional
Reverse conducting switches
are required
Current through the switch is
unidirectional but the voltage
is bidirectional.
Reverse blocking switches
are required.
Inverter Satu-Fasa
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
dE
1S1D
2S 2D
dE
Load u0
ovoi
dE
1S1D
2S 2D
Load
3S 3D
4S 4D
u v
ov
oi
Inverter Center-Tap
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
dEN
N
1
2
dEN
N
1
2
0
ov
oi
di
Inverter Center-TapdE
N
N
1
2
dEN
N
1
2
0
ov
oi
di
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
dE
•
•
1S
1D
2S
2D
ov Load
oi
•1N
1N
2Ndi
Inverter Center-Tap
BebanBeban
Analisis Tegangan OutputInverter Center-Tap
( )
( ) ( )
kVV
EN
NtdtE
N
NV
tkVv
k
dd
nk
k
/
22sin
22
sin2
:Tegangan
1
1
22/
01
21
12
=
==
=
∫
∑∞
−=
πωω
π
ω
π
Inverter Center-Tap
• Sederhana
• Komponen minimum
• Harus pakai trafo
• Cocok untuk daya rendah (< 1 kW)
• Cocok untuk tegangan dc yang rendah
• Pengaturan tegangan dilakukan dengan
menggunakan trafo ferroresonance.
Half-Bridge Inverter
1S1D
2S 2D
2
dE
Load u0
ovoi
2
dE
1di
2di
2
dE
0
ov
oi
2
dE
1Si
1Di
1di
Analisis Tegangan Output Inverter Half-Bridge
( )
( ) ( )
kVV
k
Etdt
EV
tkVv
k
dd
nk
ko
/
: orde Harmonisa
2sin
2
:dasarKomponen
sin2
:Tegangan
1
2/
01
12
=
==
=
∫
∑∞
−=
πωω
π
ω
π
Inverter Thyristor
Beban Beban
Inverter Thyristor
Beban Beban
Inverter Full-Bridge
2
dE
2
dE
0
2
dE
2
dE
0
0
dE
dE
uov
vov
uvv
uvi
β
1S 2S
4S 3S 4S
di
1S1D
2S 2D
Load
3S 3D
4S 4D
u v
ov
oi
dE
2
dE
2
dE
0
di
Inverter Full-Bridge
( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
( )
( )2/7cos7
22
2/5cos5
22
2/3cos3
22
2/cos22
2/cos22
sin22
sin2
7
5
3
1
2/
2/
12
βπ
βπ
βπ
βπ
βπ
ωωπ
ω
π
β
d
d
d
d
ddk
nk
ko
EV
EV
EV
EV
kEk
tdtkEV
tkVv
=
=
=
=
==
=
∫
∑∞
−=
0
Sudut β bisa dipilih untuk mengatur
besarnya komponen dasar atau
menghilangkan harmonisa tertentu.
Arus Input
0
( )
( )
( ) ( )
( ) ( )( ) ( )( )[ ]
genap. ordekomponen dan dckomponen atas terdiridc sisi Arus
1cos1cos2/cos22
:input Arus
sin2/cos4
:function Switching
sin2
:sinusoidalkeluaran arus Asumsi
12
1212
122121
φωφωβ
π
ωβπ
φω
−+−+−=
=
−=
=−=−=
∑
∑
∞
−=
∞
−=
tktkk
kIi
tkkk
s
tIi
isissisisi
hkld
hk
lu
uuuud
Inverter Tiga-Fasa
( )
( ) ( ) ( )
uowowuwovovwvououv
vouowownwouovovnwovououn
wovouonownvnun
nownwonovnvonounuo
vvvvvvvvv
vvvvvvvvvvvv
vvvvvvv
vvvvvvvvv
−=−=−=
−−=−−=−−=
++=→=++
+=+=+=
23
12
3
12
3
1
3
10
1S1D
2S
2D
udE
2
dE
2
dE
0
di
3S 3D
4S
4D
v
5S 5D
6S
6D
w
n
Load
Inverter Tiga-Fasa
2
dE
2
dE
0
0
0
0
0
2
dE
2
dE
2
dE
2
dE
3
2 dE
3
dE
3
dE
3
2 dE
dE
dE
uov
vov
wov
unv
uvv
0
( )
( )
dll
nknk
kphun
phkph
dph
nk
kphuo
EV
tkVv
kVV
EV
tkVv
π
ω
π
ω
6
:fasaantar Tegangan
sin2
netral-ke-fasaTegangan
/
2
sin2
nol-ke-fasaTegangan
1,
312
,
1,,
1,
12
,
=
=
=
=
=
∑
∑
∞
≠−=
∞
−=
Arus Input
0
( ) ( )[ ]
( )[ ]
( ) ( ) ( )
( )[ ] ( )[ ]
( )( )[ ] ( )( )[ ]
( )( )[ ] ( )( )[ ]
enam.kelipatan harmonisa plus dckomponen atas terdiridc sisi Arus
1cos1cos22
1cos1cos22
1cos1cos22
sin2sin2sin2
sin2
2
1
sin2
2
1sin2
2
1
12
32
32
12
32
32
12
32
32
12
32
12
32
12
∑
∑
∑
∑
∑∑
∞
−=
∞
−=
∞
−=
∞
−=
∞
−=
∞
−=
−++−++−+
−−+−+−−+
−+−+−=
−+−−=−=
++=
−+=+=
++=
hkl
hkl
hkld
lwlvlu
hkw
hkv
hku
wwvvuud
k
tktkI
k
tktkI
k
tktkIi
tIitIitIi
k
tks
k
tks
k
tks
isisisi
φωφω
π
φωφω
π
φωφω
π
φωφωφω
ω
π
ω
π
ω
π
ππ
ππ
ππ
π
π
Simulation
Simulated Result
Line-line voltage
Line-neutral voltage
Line current
Input current
Teknik PWM
1. Sampling Based PWM:
• Natural sampling (Carrier Based)
• Regular sampling
2. Programmed PWM:
• Eliminated Harmonics
• Minimum Harmonics
Teknik PWM
1S
2
dE
Load0
ovoi
2
dE
1di
2di
1D
2S
2D
u
+
−
o2
dE
0
2
dE
uov
If fc/fr integer, the technique is called synchronous otherwise asynchronous
Natural Sampling
LPKEE-ITB
Regular Sampling
2
dE
0
2
dE
uov
Simulation
0
carrier
reference
Simulation Results
Analisis Tegangan Keluaran Inverter PWM Satu-Fasa
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
[ ] ( )∑
∫∫
∑
∞
=
∞
=
+=
=
=
−=
+=
=
=−=−
=
1
0
1
cossinsin2
sin2
sin
sin2
coscos
cos
./
2212
2
n
sdd
o
r
dn
ssssd
n
n
snoo
sON
rddd
s
OFFONo
tnknk
EEkv
kv
nn
EC
tdtntdtnE
C
tnCvv
TT
vEEE
T
TTv
ωθππ
θ
θ
αππ
ωωωωπ
ω
α
α
π
απ
απ
maka Jika
:FourierDeret
mana yang
:tegangan rata-rata Nilai
0
0
2
dE
2
dE−
rvcar
ONT
sT
Control characteristic
Simulation result under nonsinusoidal reference
Analisis Tegangan keluaran
• Maximum peak output voltage is Ed/2. This
value is less than the fundamental
component of square-wave output voltage.
• The output current waveform is almost
sinusoidal when the switching frequency is
high.
• Because the switching frequency is high,
the switching losses are also high.
Analisis Riak
0
2
dE−
2
dE
ruv
carrier
ot 1t 2t 3t 4t
sT
1ToToT
ui~
uv
( )
( )
( )
( )
≤≤−−
≤≤−−
+−
≤≤−−
=
−≈
+=−=
++=
−==
+=+=
++=
∫
434
311
1
for
for 2
for
1~
Thus,
~~~
21
2
2
Then
~ and ~ assume usLet
:equation tageOutput vol
tttttL
v
tttttL
vE
TL
v
tttttL
v
dtvvL
i
dt
idLiRvvv
edt
idLiR
E
T
TEvv
iiivvv
edt
diLRiv
uo
uod
ouo
oouo
uouou
uuuououo
uu
u
d
s
ONdruo
uuuuououo
uu
uuo
Analisis Riak
0
θsin
2
1
2
1
2
1
2
12
1
kv
vT
T
vT
T
r
u
r
s
r
u
s
o
=
+=
−=
∫
∫
=
=+
π
θπ
2
0
2
,
22
~
2
1~
:ripple of value RMS
~1~
:ripple of valuesquareMean
dII
dtiT
I
uavu
Tt
tu
s
u
so
o
Programmed PWM
0
2
dE
2
dE−
π
ganjil. Untuk n
nn
Eb
nn
Ea
M
k
kkd
n
M
k
kkd
n
−−=
−+=
∑
∑
=
=
2
1
2
1
sin)1(2
cos)1(12
απ
απ
Programmed PWM
Teknik PWM Untuk Inverter Satu-Fasa Full-Bridge
2
dE
2
dE
uov
vov
uvv
1S1D
2S 2D
Load
3S 3D
4S 4D
u v
ov
oi
dE
2
dE
2
dE
0
di
+
−
+
−
1S
2S
3S
4S
PWM Characteristic
LPKEE-ITB
Three-Phase PWM Inverter
1S1D
2S
2D
udE
2
dE
2
dE
0
di
3S 3D
4S
4D
v
5S 5D
6S
6D
w
n
Load
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa
ruv r
vv rwv
uov
vov
uvvr
wd
wo
rv
dvo
ru
duo
uowowu
wovovw
vououv
dwo
dwo
rw
dvo
dvo
r
v
duo
duo
ru
vE
v
vE
v
vE
v
vvv
vvv
vvv
Ev
Evcarv
Ev
Evcarv
Ev
Evcarv
2
2
2
22
22
22
=
=
=
−=
−=
−=
−==>
−==>
−==>
ELSE THEN IF
ELSE THEN IF
ELSE THEN IF
PWM Characteristics
Ripple Analysis
Simulation
Simulation Results
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa
n
Load
0
uov
vov
wov
wi
vi
ui
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa
( )
( ) o
r
w
o
r
v
o
r
u
skv
skv
skv
++=
+−=
+=
32
32
sin
sin
sin
:signals Reference
π
π
θ
θ
θ
0
PWM vector Space -
PWM ousDiscontinu
3sin4
3sin6
-
:popularmost The
−
=−
=
θ
θ
ks
ks
o
o
a
KKoonnvveerrtteerr DDCC--AACC 33 FFaassaa ((TThhrreeee PPhhaassee IInnvveerrtteerr))
EELLEEKKTTRROONNIIKKAA DDAAYYAA Penulis [email protected]@yahoo.comhttp://www.aswadiwordpress.com
A
S
B
h
Lisensi Dokumen Copyright © 2009 elearning- ft.unp.ac.id Seluruh dokumen di e-learning FT UNP Padang dapat digunakan secara bebas oleh mahasiswa peserta e-learning untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari penulis naskah dan admin e-learning FT UNP Padang.
. Objektif
etelah pelajaran ini diharapkan mahasiswa mampu:
1. Menjelaskan prinsip kerja inverter 3 fasa menurut mode konduksi komponen
pensakelaran.
2. Menentukan besarnya tegangan keluaran inverter 3 fasa
3. Mendeskripsikan penerapan Komponen switching (BJT, IGBT, Mosfet) pada proses
pengendalian tegangan keluaran inverter 3 fasa.
4. Menganalisis dan mengevaluasi unjuk kerja inverter 3 fasa.
. Pendahuluan
Kebutuhan akan sistem sumber daya listrik, terutama sumber listrik bolak
balik dengan daya dan sistem tegangan yang lebih besar sudah merupakan suatu
keharusan seiiring dengan meningkatkannya intensitas/ volume pekerjaan manusia.
Hal yang sama juga berlaku untuk industri yang menggunakan sumber listrik dengan
daya yang relatif lebih besar, misalnya sumber listrik 3 fasa dengan daya lebih besar
sebagai penghasil tenaga gerak, maupun tenaga panas. Pada kenyataannya
ttp://elearning-ft.unp.ac.id/ 1
a
ketersediaan sumber energi listrik sering menjadi kendala di lapangan, misalnya
diakibatkan oleh terjadinya gangguan pada sistem penyaluran daya listrik ke
konsumen, dan dapat juga diakibatkan oleh karena terjadinya pemadaman listrik dari
PLN. Hal ini dapat mengakibatkan terganggunya proses pabrik, lebih jauh dapat
berakibat terjadinya penurunan produksi pabrik.
Sehubungan dengan itu biasanya diperlukan tersedianya sumber penghasil
energi listrik cadangan, terutama untuk keperluan mesin dan peralatan utama yang
tidak boleh berhenti selama berlangsungnya proses produksi pabrik. Penghasil energi
listrik cadangan ini biasa disebut dengan Uninterrupted Power Suplay (UPS). Salah
satu komponen utama dari sebuah UPS adalah inverter, baik inverter fasa tunggal
maupun inverter fasa banyak (biasanya fasa tiga). Penerapan penggunaan inverter
juga biasa digunakan secara luas untuk keperluan sehari-hari, misalnya sebagai
penyedia sumber energi listrik cadangan untuk keperluan komputer, peralatan
pengendali tegangan pada pusat pembangkit listrik tenag surya (PLTS)
Dari mode konduksi, inverter 3 fasa dibedakan atas atas:
a. inverter 3 fasa mode konduksi 120 derjat.
Inverter 3 fasa dengan mode konduksi 1200 memungkinkan setiap
komponen pensakelaran akan konduksi selama 1200 dengan pasangan
konduksi yang berbeda, misalnya 600 pertama antara Q1Q6, dan 600 ke dua
antara Q1Q2, dan seterusnya.
b. inverter 3 fasa mode konduksi 180 derjat
Inverter 3 fasa dengan mode konduksi 1800 memungkinkan 3 komponen
pensakelaran konduksi pada saat yang bersamaan. Ke tiga komponen
pensakelaran akan konduksi selama 1800 dengan pasangan konduksi yang
juga berbeda-beda.
Dari segi teknik pensakelaran (switching technique) dibedakan atas;
a. inverter persegi (square inverter)
b. inverter pwm (inverter pwm)
c. inverter quasi pwm (quasi pwm inverter).
Inverter pada umumnya digunakan secara luas untuk keperluan industri,
diantaranya:
a. Penyedia daya bolak-balik cadangan,
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 2
a
b. Peralatan pengendali frekuensi untuk kebutuhan industri.
c. Peralatan pengendali kecepatan motor induksi (single phase and poly
phase ac induction motor control).
C. Inverter 3 Fasa
Inverter 3 fasa merupakan inverter dengan tegangan keluaran berupa tegangan
bolak balik (ac) 3 fasa per segi. Sebuah rangkaian dasar inverter 3 fasa tunggal
sederhana terdiri dari 6 buah sakelar S1, S2, S3, S4, S5, dan S6 dengan menggunakan
mosfet daya (power mosfet) sebagai sakelar diperlihatkan pada gambar 1. Tegngan
suplai merupakan sumber dc dengan tegangan sebesar Vs/2, dengan titik netral
merupakan titik hubung dari titik bintang (Y) pada beban. Dioda freewheeling pada
setiap mosfet daya digunakan untuk melayani beban dominan induktif. Khusus pada
tipe ini 2 atau lebih mosfet daya akan konduksi secara bersamaan dengan urutan
tertentu. Terdapat 2 jenis mode operasi dari inverter jenis ini, yaitu mode kondusi 1200
dan mode konduksi 1800..
Gambar 1. Rangkaian Daya Inverter 3 Fasa
Khusus untuk mode operasi 1200, pola pengaturan kerja pensakelaran setiap
komponen switching mengikuti bentuk seperti tabel berikut
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 3
a
Tabel 1. Konfigurasi Pensakelaran pada Inverter 3 fasa mode konduksi 1200.
sakelar Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
sakelar Q6 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
waktu 0-600 600-1200 1200-1800 1800-2400 2400-3000 3000-3600
Bila dipilih 2 komponen pensakelaran konduksi pada saat yang bersamaan,
maka tegangan dan arus untuk interval 600 diperlihatkan pada gambar 4, dan bentuk
gelombang tegangan diperoleh seperti pada gambar 5. Pasangan komponen
pensakelaran yang lain pada waktu selanjutnya akan identik, dengan lama waktu
konduksi sebesar 1200.
Gambar 2. Arah aliran arus pada beban mengikuti pola pensakelaran
Inverter 3 fasa persegi mode konduksi 1200.
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 4
a
Gambar 3. Bentuk Gelombang Arus fasa dan tegangan line
Pada Inverter 3 fasa persegi mode konduksi 1200
Jenis yang lain dari inverter 3 fasa adalah inverter 3 fasa dengan mode
konduksi 1800. Pada mode konduksi ini dimungkinkan bahwa tidak hanya 2
komponen pensakelaran yang konduksi pada saat yang bersamaan. Dengan mengatur
waktu konduksi sedemikian rupa, sehingga dimungkinkan tidak hanya 2 komponenn
pensakelaran yang konduksi pada setiap saat. Detail konfigurasi pengaturan waktu
konduksi pasangan mosfet diatur dengan cara mengacu pada tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2. Konfigurasi Pensakelaran pada Inverter 3 fasa mode konduksi 1800.
sakelar Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
sakelar Q5 Q6 Q1 Q2 Q3 Q4
sakelar Q6 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
waktu 0-600 600-1200 1200-1800 1800-2400 2400-3000 3000-3600
Bentuk gelombang tegangan dan arus pada gambar 6 diperoleh dari persamaan:
RL/VdcIm 32=
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 5
a
Gambar 2. Arah aliran arus pada beban mengikuti pola pensakelaran
Inverter 3 fasa persegi mode konduksi 1800.
Perbandingan besarnya arus line efektif inverter 3 fasa persegi mode konduksi
1200 dan mode konduksi 1800 dijelaskan sebagai berikut:
1. 2 komponen pensakelaran yang aktif selama 1200 periode konduksi
menghasilkan
)/()RL/Vdc(/Irms 3221 2 ππ=
RL/Vdc.)/(RL/VdcIrms 408061 ==
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 6
a
2. 3 komponen pensakelaran yang aktif selama 1200 periode konduksi
menghasilkan
F. EVALUASI
1. Suatu inverter 3 fasa persegi dengan mode konduksi 1200 disuplai dengan tegangan
searah Vs sebesar 120 volt, dan RB=100 ohm. Anda diminta:
a. menjelaskan cara kerja rangkaian
b. menentukan tegangan rms pada titik A dan B.
c. Menentukan daya yang diserap oleh beban RB.
2. Anda diminta untuk menemukan 2 buah contoh soal mengenai inverter 1 fasa
persegi. Contoh soal dapat anda peroleh dari buku teks, learning material, dst.
Berikan tanggapan anda tentang contoh soal tersebut, misalnya berkaitan dengan
ketuntasan dan kejelasan pembahasan, tingkat kesukaran dsb.
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 7
a G. Simulasi Dengan program PSIM ver 8.04
1. Gambar Rangkaian Daya a. Beban Resistif
2. Bentuk Sinyal Hasil-hasil Simulasi
a. Beban Resistif
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 8
a
b. Beban Dominan Induktif
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 9
a
Hasil-Hasil Simulasi
H. PENUTUP
Pembahasan yang telah dilakukan pada bagian ini telah menyelesaikan materi
mengenai inverter 3 fasa persegi mode konduksi 1200 dan mode konduksi 1800. Pada
banyak penggunaan inverter 3 fasa yang lazim digunakan untuk keperluan industri
dan penerapan lainnya adalah inverter 3 fasa PWM. Anda diminta untuk mencoba
memahami prinsip pensakelaran pada inverter 3 fasa jenis ini . Pemahaman tentang
cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan
keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat (rumus akhir dari setiap
pembahasan) tetap merupakan fokus dari materi ini. Agar pemahaman Saudara lebih
mantap, coba Saudara kerjakan lagi soal yang ada tanpa melihat modul ini. Saudara
dipastikan telah dapat memahami materi dalam modul ini dengan baik, jika Saudara
dapat mengerjakannya tanpa melihat catatan,.
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 10
a I. Daftar Pustaka
1. Cyril W. Lander (1981), Power Electronics
2. DA Badley (1995), Power Electronics
3. PC. Sen (1985). Principles of Electrical Machines and Power Electronics.
4. Mohan (1989), Power Electronics, Converter Application and Design.
J. Biografi Penulis
Aswardi, lahir di Bukit Tinggi 21 Februari 1959. Menamatkan pendidikan pada jenjang strata 1 (S1) pada Fakultas pendidikan Teknologi dan Kejuruan (FPTK) IKIP Padang tahun 1983. Melanjutkan pendidikan pada jenjang Magister Teknik (S2) pada tahun 1996 di Institut Teknologi Bandung dan selesai pada tahun 1999 pada bidang Mesin-mesin Listrik dan Elektronika Daya. Meminati dan menekuni penelitian bidang Mesin listrik dan Elektronika Daya, serta Electric Drive
http://elearning-ft.unp.ac.id/ 11