INVERTER SATU FASA

INVERTER SATU FASA

Inverter digunakan untuk mengubah tegangan input DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, cell bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Tegangan output yang biasa dihasilkan adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz.

Prinsip Kerja Inverter

Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti ditunjukkan pada 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 adalah sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 macam : (1) inverter 1 fasa, (2) inverter 3 fasa. Inverter biasanya menggunakan rangkaian 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 arus input konstan disebut Current Fed Inverter (CFI), dan (3) jika tegangan input yang diatur disebut Variable dc linked inverter.

KOMPONEN PADA INVERTER

            Thyristor

Thyristor atau SCR (Silicon-Controlled Rectifier) adalah piranti semikonduktor yang sangat penting dalam aplikasi elektronika daya. Hal ini tidak lepas dari kemampuan yang dimiliki, yakni kemampuan penyakelarannya yang cepat, kapasitas arus dan tegangan yang tinggi serta ukurannya yang kecil. Komponen ini dioperasikan sebagai saklar dari keadaan tidak konduksi (Off) menjadi konduksi (On).

• Konstruksi dan Karakteristik SCR

Thyristor merupakan piranti semikonduktor empat lapis pnpn, yang

mem-punyai tiga terminal, yaitu Anoda, Katoda dan Gate seperti ditunjukkan pada Gambar

Simbol dan konstruksi thyristor

Jika tegangan anoda dibuat positif terhadap katoda maka sambungan J1 dan J3 mendapat bias maju sebaliknya J2 mendapat bias mundur sehingga ada arus bocor kecil yang mengalir dari katoda ke anoda. Dalam keadaan seperti ini, thyristor dalam keadaan off (terhalang) dan arus bocor keadaan off. Jika tegangan anoda-katoda, VAK dinaikkan terus sampai suatu harga tertentu sehingga mampu menjebol J2, thyristor dikatakan dalam keadaan breakdown bias maju. Tegangan yang menyebabkan breakdown ini disebut VBO. Karena J1 dan J3 dalam keadaan bias maju maka akan mengalir arus yang sangat besar dari anoda ke katoda dan thyristor dikatakan dalam keadaan konduksi atau On. Jatuh tegangan maju merupakan jatuh tegangan akibat resistansi dari keempat-lapisan, yang besarnya, tipikal 1 V. Dalam keadaan On ini arus anoda dibatasi oleh beban luar. Arus anoda harus lebih besar dari arus latchingnya, IL agar piranti ini tetap dalam keadaan On. IL merupakan arus anoda minimum yang diperlukan agar thyristor tetap dalam keadaan On, bila tidak, piranti ini akan kembali pada keadaan Off bila tegangan anoda ke katodanya diturunkan. Karakteristik v-i tipikal thyristor ditunjukkan pada gambar.

Karakteristik thyristor

Sekali thyristor konduksi maka sifatnya sama seperti dioda dalam keadaan konduksi dan tidak dapat dikontrol. Namun, apabila arus diturunkan sampai dengan arus holdingnya, IH Thyristor akan kembali pada keadaan off. Arus holding ini dalam ukuran miliampere dan lebih rendah dari arus latchingnya. Jadi arus holding IH adalah arus anoda minimum yang menjaga agar thyristor dalam keadaan on. Apabila tegangan katoda lebih tinggi terhadap anoda, sambungan J2 mengalami bias maju sementara J1 dan J3 mengalami bias mundur. Thyristor akan menjadi dalam keadaan off dan akan ada arus kecil yang mengalir yang disebut arus bocor bias mundur, IR Namun bila tegangan katoda-anoda dinaikkan terus sampai mencapai tegangan dadalnya, maka akan ada arus yang tinggi mengalir dari arah katoda ke anoda yang mengakibatkan rusaknya thyristor.

Dalam operasi normalnya, tegangan VAK selalu ada di bawah VBO, dan VKA selalu di bawah VBD. Dengan VAK yang lebih rendah dari VBO, untuk membuat thyristor menjadi on dilakukan dengan memberikan tegangan positif pada terminal gate-nya terhadap katoda. Dengan memberikan tegangan positif pada gate sama halnya dengan memberikan arus gate, IG membuat thyristor dari off menjadi on. Semakin besar IG maka tegangan arah maju untuk membuat thyristor konduksi semakin rendah. Sekali arus trigger diberikan akan membuat thyristor on dan selama arus anodanya tidak kurang dari arus holdingnya maka thyristor akan tetap on walaupun arus triggernya dihilangkan.

MOSFET

MOSFET mempunyai tiga terminal : Source (S), Drain (D), dan Gate (G). Karaktersitiknya seperti transistor tetapi lebih tahan terhadap gangguan. Perbedaannya, pada transistor pengendalian komutasi dilakukan dengan arus base (Ib) sedangkan pada MOSFET pengendalian komutasi dilakukan dengan tegangan gate (VGS). Bila kecepatan tinggi diperlukan, maka MOSFET merupakan komponen daya yang terbaik. Tiristor dan t r a n s i s t o r dapat digunakan pada f rekuensi 400 Hz – 2 kHz, MOSFET dapat digunakan pada f rekuensi 20 kHz. Proses pemadaman dan penyalaan MOSFET kira-kira 80 ns dan daya yang hilang karena proses tersebut sangat kecil. Meskipun demikian MOSFET mempunyai kelemahan karena tidak bisa digunakan untuk daya yang besar dan harganya mahal .

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Struktur fisik dan kemasan IGBT

IGBT komponen elektronika yang banyak dipakai dalam elektronika daya, aplikasinya sangat luas dipakai untuk mengatur putaran motor DC atau motor AC daya besar, dipakai sebagai inverter yang mengubah tegangan DC menjadi AC, dipakai komponen utama Variable Voltage Variable Frequency (VVVF) pada KRL modern, dipakai dalam kontrol pembangkit tenaga angin dan tenaga panas matahari. Di masa depan IGBT akan menjadi andalan dalam industri elektronika maupun dalam listrik industri. IGBT memiliki kesamaan dengan Transistor bipolar, perbedaannya pada Transistor bipolar arus basis IB yang diatur sedangkan pada IGBT yang diatur adalah tegangan gate ke emitor UGE. Dari karakteristik IGBT, pada tegangan UCE = 20 V dan tegangan gate diatur dari minimum 8 V, 9 V dan maksimal 16 V, arus kolektor IC dari 2 A sampai 24 A.

Karakteristik output IGBT

JENIS-JENIS INVERTER

Inverter satu fasa jembatan setengah

Inverter ini menggunakan dua buah komponen daya, T 1 dan T2, untuk menghubungkan titik a dengan tegangan positip atau negatip. Kombinasi buka hubung pada komponen daya menghasilkan 4 macam keadaan. Keadaan hubung pada T1 dan T2 akan mengakibatkan sumber arus searah terhubung singkat. Keadaan buka pada T1 dan T2 mengakibatkan tegangan pada titik a tidak tentu, tergantung dari kondisi awal dari rangkaian dan jenis bebannya . Dengan demikian hanya dua keadaan yang dapat dikendalikan untuk membangkitkan tegangan bolak-balik pada beban. T1 hubung dan T2 buka menghasilkan Va o positip . T 1 buka dan T2 hubung menghasilkan Va o negatip .

Inverter satu fasa jembatan setengah

Inverter satu fasa dengan beban tap tengah

Cara kerja inverter satu fasa dengan beban tap tengah sama dengan inverter jembatan setengah. Tap tengah transformator berfungsi supaya beban mendapat tegangan bolak balik. T1 hubung dan T2 buka akan menghasilkan Va o negatip. T1 buka dan T2 hubung menghasilkan Va o positip .

Inverter satu fasa dengan beban tap tengah

Inverter satu fasa jembatan penuh

Inverter ini lebih dikenal sebagai inverter jemba t a n . Dapat ditinjau sebagai dua buah inverter setengah jembatan, sehingga persamaan tegangan Va b dapat dinyatakan sebagai berikut.

Va b = Va o - Vb o

Dengan titik o adalah titik tengah teoritis pada sumbe r tegangan dan Va o s e r ta Vb o merupakan dua keadaan yang ada pada i n v e r t e r jembatan setengah. Menggunakan 4 buah komponen daya sehingga mempunya i 2 4 = 16 kemungkinan kombinasi yang berbeda dari kondisi buka hubung masing-masing komponen daya.

Inverter satu fasa jembatan penuh

Hanya 4 kemungkinan dari kombinasi ini dapat menghasilkan tegangan bolak-balik pada beban karena kemungkinan yang lainnya akan mengakibatkan sumber tegangan terhubung singkat. Dari Tabel terlihat bahwa 2 kemungkinan kondisi hubung buka komponen daya menghasilkan tegangan Va b nol, sehingga praktisnya hanya ada 3 kemungkinan bagi tegangan beban Va b , yaitu +E, -E, dan 0.

Kemungkinan kondisi hubung komponen daya

APLIKASI

DC power source utilization

Inverter designed to provide 115 VAC from the 12 VDC source provided in an automobile. The unit shown provides up to 1.2 amperes of alternating current, or just enough to power two sixty watt light bulbs.

An inverter converts the DC electricity from sources such as batteries, solar panels, or fuel cells to AC electricity. The electricity can be at any required voltage; in particular it can operate AC equipment designed for mains operation, or rectified to produce DC at any desired voltage.

Grid tie inverters can feed energy back into the distribution network because they produce alternating current with the same wave shape and frequency as supplied by the distribution system. They can also switch off automatically in the event of a blackout.

Micro-inverters convert direct current from individual solar panels into alternating current for the electric grid.^[1]

Uninterruptible power supplies

An uninterruptible power supply (UPS) uses batteries and an inverter to supply AC power when main power is not available. When main power is restored, a rectifier is used to supply

Induction heating

Inverters convert low frequency main AC power to a higher frequency for use in induction heating. To do this, AC power is first rectified to provide DC power. The inverter then changes the DC power to high frequency AC power.

HVDC power transmission

With HVDC power transmission, AC power is rectified and high voltage DC power is transmitted to another location. At the receiving location, an inverter in a static inverter plant converts the power back to AC.

Variable-frequency drives

A variable-frequency drive controls the operating speed of an AC motor by controlling the frequency and voltage of the power supplied to the motor. An inverter provides the controlled power. In most cases, the variable-frequency drive includes a rectifier so that DC power for the inverter can be provided from main AC power. Since an inverter is the key component, variable-frequency drives are sometimes called inverter drives or just inverters.

Electric vehicle drives

Adjustable speed motor control inverters are currently used to power the traction motors in some electric and diesel-electric rail vehicles as well as some battery electric vehicles and hybrid electric highway vehicles such as the Toyota Prius. Various improvements in inverter technology are being developed specifically for electric vehicle applications.^[2] In vehicles with regenerative braking, the inverter also takes power from the motor (now acting as a generator) and stores it in the batteries.

Air Conditioning

An air conditioner bearing the inverter tag uses a variable-frequency drive to control the speed of the motor and thus the compressor.

The general case

A transformer allows AC power to be converted to any desired voltage, but at the same frequency. Inverters, plus rectifiers for DC, can be designed to convert from any voltage, AC or DC, to any other voltage, also AC or DC, at any desired frequency. The output power can never exceed the input power, but efficiencies can be high, with a small proportion of the power dissipated as waste heat.