BAB II LANDASAN TEORI 2.1
Inverter dan Aplikasi Inverter daya adalah sebuah perangkat yang dapat mengkonversikan
energi listrik dari bentuk DC menjadi bentuk AC. Diproduksi dengan segala bentuk dan ukuran, dari fungsi daya rendah seperti untuk menghidupkan radio mobil hingga untuk fungsi sebagai rangkaian pengaman sebuah bangunan dalam kasus pemadaman kebakaran. Inverter dapat dibuat dalam variasi beragam dan berbeda-beda dalam harga, efisiensi dan tujuan. Tujuan utama dari sebuah inverter daya DC-AC biasanya untuk mengambil daya DC yang dikeluarkan oleh sebuah baterai dan mengubahnya menjadi sumber listrik AC 120V/220V yang beroperasi pada frekuensi 60 Hz, menyamai daya yang tersedia pada outlet listrik rumah tangga pada umumnya.
Gambar 2.1 Commercial 200 Watt Inverter (DonRowe.com)
Gambar 2.1 memberikan gambaran tentang sebuah inverter daya rendah. Inverter
daya yang digunakan saat ini banyak berfungsi untuk menyalakan
peralatan dalam mobil seperti telepon selular, radio dan televisi. Selain itu banyak digunakan pula dalam komponen-komponen mesin industri sebagai pengatur gerak putaran motor-motor listrik.
6
7
Ada dua jenis inverter daya, pembangkit gelombang sinus modifikasi dan gelombang sinus murni. Keduanya berbeda berdasarkan output, memberikan bermacam-macam tingkat efisiensi dan distorsi yang dapat mempengaruhi perangkat elektronik dalam berbagai cara. Modifikasi gelombang sinus sama halnya dengan gelombang persegi, tetapi memiliki “stepping” yang terlihat dalam bentuk gelombang sinus. Hal ini dapat terlihat pada Gambar 2.2, yang menunjukkan bagaimana sebuah gelombang sinus dimodifikasi sehingga menyerupai gelombang sinus itu sendiri. Gelombang ini mudah untuk dihasilkan karena hanya merupakan hasil dari switching antara 3 nilai frekuensi yang ditetapkan, cara demikian membutuhkan rangkaian yang rumit. Inverter modifikasi gelombang sinus dibuat sebagai solusi murah dan mudah untuk menghidupkan peralatan yang memerlukan sumber listrik AC. Namun, metode ini memiliki beberapa kelemahan karena tidak semua peralatan elektronika atau listrik dapat beroperasi dengan baik pada golombang sinus yang telah dimodifikasi, peralatan seperti komputer dan peralatan medis merupakan contoh peralatan yang tidak tahan terhadap distorsi gelombang sehingga harus dioperasikan dengan sumber daya gelombang sinus murni.
Gambar 2.2 Gelombang Persegi, Modifikasi dan Sinus Murni (Trace Engineering)
8
Inverter gelombang sinus murni dapat mensimulasikan dengan tepat sesuai dengan sumber AC yang dialirkan oleh outlet listrik pada umumnya, sehingga inverter ini biasanya akan berharga lebih mahal karena adanya penambahan rangkaian yang pada akhirnya akan memberikan kemampuan yang optimal dalam menyediakan daya listrik AC ke semua peralatan elektronika.
2.2
Pulse Width Modulation (PWM) Ide utama dari teknik Pulse Width Modulation (PWM) adalah melakukan
modulasi sumber tegangan AC (jala-jala) ke bentuk pulsa untuk mengatur kecepatan. Kinerja (kecepatan, harmonisa, dll) yang diinginkan akan sangat bergantung dari besar dan banyaknya pulsa dalam setengah periode dan kombinasi keduanya. Ada beberapa teknik PWM yang digunakan, dan yang paling umum digunakan adalah : Single-Pulse Width Modulation, Multiple-Pulse Width Modulation, dan Sinusiodal-Pulse Width Modulation.
2.2.1
Single-Pulse Width Modulation Ciri-ciri dari jenis PWM ini adalah hanya terdapat 1 pulsa dalam setengah
periode, dan teknik ini hanya dapat memvariasikan lebar pulsa, sesuai gambar 2.3 dibawah ini :
Gambar 2.3 Single-Pulse Width Modulation
9
2.2.2
Multiple-Pulse Width Modulation Ciri-ciri dari jenis PWM ini adalah hanya terdapat n pulsa dalam setengah
periode, teknik ini mampu memvariasi lebar pulsa dan jumlah pulsa, seperti gambar 2.4 dibawah ini :
Gambar 2.4 Multiple-Pulse Width Modulation
2.2.3
Sinusiodal-Pulse Width Modulation Teknik ini lebih banyak digunakan dibandingkan teknik yang lain, karena
sinusiodal PWM akan mengurangi harmonisa lebih baik dibandingkan teknik yang lainnya. Sehingga teknik ini dipilih untuk pembangkitan sinyal PWM. Adapun teknik ini memiliki banyak variasi : - SPWM yang dibangkitkan oleh sinyal segitiga - SPWM yang dibangkitkan oleh sinyal gergaji - SPWM yang dibangkitkan oleh sinyal trapezoidal
2.2.3.1 Pembangkitan Sinyal PWM Sinusiodal Satu Phasa Prinsip kerja pembangkitan sinyal PWM sinusiodal satu phasa adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola gelombang sinusiodal. Sinyal pembangkit PWM sinusiodal diperoleh dengan cara sebagai berikut (Gambar 2.5)
10
Gambar 2.5 Pembangkitan sinyal PWM sinusiodal satu phasa
a.
Sinyal g1 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi sin(t) dan sinyal pembawa sgt(t) : g1 =
1, jika Ar.sin(t) ≥ Ac.sgt(t) 0, lainnya
(2.1)
atau g1 =
1, jika M.sin(t) ≥ sgt(t) 0, lainnya
b.
(2.2)
Sinyal g3 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi –sin(t) dan sinyal pembawa sgt(t) : g3 =
1, jika Ar.-sin(t) ≥ Ac.sgt(t) 0, lainnya
(2.3)
atau g3 =
1, jika M.-sin(t) ≥ sgt(t) 0, lainnya
c.
Sinyal g2 = -g3
d.
Sinyal g4 = -g1
(2.4)
11
Sedangkan tegangan sesaat keluaran inverter PWM sinusiodal satu fasa adalah sebagai berikut : a.
Pada setengah periode positif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g1 dan g2. V0 =
Vs, jika g1 dan g2 “ON” bersamaan 0, lainnya
b.
(2.5)
Pada setengah periode negatif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g3 dan g4. V0 =
-Vs, jika g3 dan g4 “ON” bersamaan 0, lainnya
(2.6)
Persamaan (2.4) dapat dinyatakan sebagai berikut. g3 =
1, jika M.sin(t) ≥ -sgt(t) 0, lainnya
(2.7)
Berdasarkan persamaan (2.2) dan persamaan (2.4), maka pembangkitan sinyal PWM sinusiodal satu phasa dapat dilakukan dengan menggunakan 2 buah sinyal sinus (sin(t) dan –sin(t)) dan 1 sinyal segitiga. Sedangkan berdasarkan persamaan (2.2) dan persamaan (2.7) pembangkitan sinyal PWM sinusiodal satu phasa dapat dilakukan dengan menggunakan 1 sinyal sinus (sin(t)) dan 2 sinyal segitiga (sgt(t) dan –sgt(t)).
2.2.3.2 Pembangkitan Sinyal PWM Sinusiodal Tiga Phasa Metode yang digunakan dalam pembangkitan sinyal PWM sinusiodal tiga phasa adalah dengan cara membandingkan sinyal segitiga dengan tiga sinyal sinus (phasa A, phasa B dan phasa C) yang masing-masing berbeda phasa 120o, seperti ditunjukkan pada gambar 2.6. Setelah didapatkan titik potong antara sinyal segitiga dan tiga sinyal sinus (0, 120 dan 240), maka pada setiap titik dilakukan pemicuan secara bergantian antara MOSFET sisi atas dan bawah sampai satu periode. Sedangkan tegangan pemicuan dapat dilihat dari gambar 2.7 dibawah ini .
12
Segitiga
A
B
C
Gambar 2.6 Pembangkitan sinyal PWM sinusiodal tiga phasa
Gambar 2.7 Tegangan Phasa-Netral dan Tegangan Phasa-Phasa
13
2.3
Hex-Bridge Tiga Phasa Hex-Bridge atau inverter jembatan penuh adalah sebuah konfigurasi
rangkaian switching yang terdiri dari enam komponen saklar yang disusun menyerupai huruf “H” dengan koneksi beban resistor seimbang yang tehubung bintang murni. Jika beban itu induktif, dioda umpan balik pada saklar akan terhubung di masing-masing saklar. Inverter jenis ini, dua atau tiga saklar bisa melakukan switching secara bersamaan. Urutan switching yang dilakukan sesuai dengan Tabel 2.1, dimana masing-masing saklar melakukan switching dalam periode 120o.
Gambar 2.8 Hex-Bridge Tiga Phasa
Tabel 2.1 Urutan Switching Hex-Bridge MOSFET
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
MOSFET
Q6
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
60o-
120o-
180o-
240o-
300o-
120o
180o
240o
300o
360o
Beda Phasa
o
0 -60
o
14
2.4
Rangkaian Pengaman dan Snubber Salah satu faktor utama dalam banyak perangkat elektronik adalah
kemampuan untuk melindunginya dari hentakan gelombang yang dapat menyebabkan kerusakan pada rangkaian. Dalam kasus inverter, beban induktif dapat menimbulkan masalah khusus karena sebuah induktor tidak bisa secara langsung menghentikan arus, harus dikurangi atau dialihkan sehingga arus tersebut tidak mencoba untuk mengalir melalui saklar terbuka. Jika arus tidak dikurangi hentakan gelombang dapat menyebabkan gangguan pada MOSFET yang digunakan untuk menghasilkan gelombang sinus, ketika MOSFET dimatikan beban induktif masih akan mencoba mendorong arus melalui saklar karena tidak ada saluran lain untuk pembuangan. Perlakuan ini dapat menyebabkan saklar yang akan digunakan berada dibawah tekanan besar, tingginya dV/dt, dI/dt, V dan I yang terkait dengan masalah ini akan menyebabkan MOSFET rusak dan patah secara mekanis. Untuk mengatasi ini sebuah rangkaian snubber dapat mengurangi atau menghilangkan masalahnya. Terdiri dari komponen resistor dan kapasitor yang ditempatkan pada setiap saklar sehingga memungkinkan setiap arus atau tegangan tinggi akan ditahan dengan peredam hentakan gelombang secara kritis dan melindungi saklar dari kerusakan. Rangkaian snubber akan dapat lebih efektif dengan penambahan dioda zener sehingga setiap lonjakan arus yang besar yang tidak bisa ditangani oleh resistor-kapasitor akan langsung dilewatkan ke ground oleh dioda zener. Pada gambar 2.9 menunjukkan representasi sederhana sebuah beban induktif (L) melalui sebuah saklar, sedangkan gambar 2.10 dan 2.11 menunjukkan bagaimana rangkaian snubber dapat diterapkan sehingga hentakan gelombang dapat ditekan.
15
Gambar 2.9
Gambar 2.10
Rangkaian Beban Induktif
Rangkaian Beban Induktif dengan Snubber
Gambar 2.11 Rangkaian Beban Induktif dengan Snubber dan Dioda Zener
2.5
Rangkaian Filter
2.5.1
Low-Pass-Filter Tapis lolos rendah (low-pass-filter) digunakan untuk meneruskan sinyal
berfrekuensi rendah dan meredam sinyal berfrekuensi tinggi. Sinyal dapat berupa sinyal listrik seperti perubahan tegangan maupun data-data digital seperti citra dan suara. Untuk sinyal listrik, low-pass-filter direalisasikan dengan meletakkan kumparan secara seri dengan sumber sinyal atau dengan meletakkan kapasitor secara paralel dengan sumber sinyal. Contoh penggunaan filter ini adalah pada aplikasi audio, yaitu pada peredaman frekuensi tinggi (yang digunakan pada tweeter) sebelum masuk speaker bass atau subwoofer (frekuensi rendah). Kumparan yang diletakkan secara seri dengan sumber tegangan akan meredam frekuensi tinggi dan meneruskan frekuensi rendah, sedangkan sebaliknya kapasitor yang diletakkan seri akan meredam frekuensi rendah dan meneruskan frekuensi tinggi.
16
Batas frekuensi antara sinyal yang dapat diterusakn dan yang diredam disebut dengan frekuensi cut-off. Frekuensi cut-off dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut :
=
(2.8)
Dimana : R = Nilai Tahanan C = Nilai Kapasitor
Low-Pass-Filter
yang
dirangkai
dengan
High-Pass-Filter
akan
membentuk filter baru, yaitu Band-Pass-Filter (meneruskan sinyal pada jangkauan frekuensi tertentu) ataupun Band-Stop-Filter (menghambat sinyal pada frekuensi tertentu).
2.5.2
Band-Pass-Filter Band-Pass-Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang hanya untuk
melewatkan sinyal dalam suatu pita frekuensi tertentu dan untuk menahan sinyal diluar jalur pita frekuensi tersebut. Jenis filter ini memiliki tegangan keluaran maksimum pada satu frekuensi tertentu yang disebut dengan frekuensi resonansi (r). Jika frekuensinya berubah dari frekuensi resonansi maka tegangan keluarannya turun, ada satu frekuensi resonansi dan satu dibawah dimana gainnya tetap 0,707 Ar. Frekuensi ini diberi tanda (h) frekuensi cut-off atas dan (l) frekuensi cut-off bawah. Pita frekuensi antara h dan I adalah band witdh (B). B = h - l
(2.9)
Band-Pass-Filter digolongkan sebagai pita sempit atau pita lebar. Filter pita sempit adalah sebuah filter yang mempunyai band width lebih kecil 1/10 dari frekuensi resonansinya (B<0, 1 r). Jika band width-nya lebih besar 1/10 dari frekuensi resonansinya (B>0, 1 r), maka filtersebut merupakan sebuah filter pita
17
lebar. Perbandingan antara frekuensi resonansi dan lebar pita dikenal sebagai faktor kualitas (Q) dari rangkaiannya. Q menunjukkan selektifitas dari rangkaian, semakin tinggi nilai Q semakin selektif rangkaian filter tersebut. Q = r/B
(2.10)
B = r/Q
(2.11)
Untuk filter-filter pita sempit, Q dari rangkaian lebih besar dari 10 dan untuk filter-filter pita lebar Q lebih kecil dari 10. Band-Pass-Filter dirangkai dengan menyusun high-pass-filter dan low-pass-filter seperti pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Band-Pass-Filter
Nilai frekuensi cut-off atas ditentukan oleh high-pass-filter sebagai berikut : Fch = ½ 2πRC
(2.12)
Dan nilai frekuensi cut-off bawah ditentukan oleh low-pass-filter sebagai berikut : Fcl = fch = ½ 2πRC
(2.13)
Sehingga besarnya band width adalah : B = fch – fcl Karakteristik dari Band-Pass-Filter ini ditunjukkan pada gambar 2.13.
(2.14)
18
Gambar 2.13 Karakteristik Band-Pass-Filter
