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 Drives
AC Source
DC Link
AC Motor PWM inverter
Diode rectifier
Uninterruptibe AC Power Supplies Mechanical Maintenance Switch
Standby generator
Static Bypass Switch
Filter Critical Loads
AC normal source
Bettery Battery charger
Inverter
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:
Konsep Proses Inverter
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
Basic Concepts jI o X L
E
Vo
Io
PF = 0 lagging
Vo jI o X L
Io
Id
Inverter
Io Ed
PF = 1
E
L E
Vo
Io E
Vo
Io
PF = 0 leading jI o X L
E jI o X L
PF = −1
Vo
Basic Concept
Current-Source Inverter
Voltage-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.
0
Inverter Satu-Fasa D1
io S1
•
N1
id
• N2
•
Ed
vo
Load
N1 S2
D2
S1
S3
D1
D3
io
S1
Ed vo
D1
S2
Ed
u
S2
u
Load
0
Ed
io
Load vo
D2
D2
Inverter Center-Tap
D1
N2 Ed N1
io
0
S1
id
•
N1
• •
Ed
N2
vo
Load
N2 Ed N1
N1 S2
D2
id
vo io
v
S4
D4
Inverter Center-Tap vo
N2 Ed N1
io
0
N2 Ed N1
id
D1
D1
S1
io
•
id N1 • Ed N1
S1 • N 2 vo
D1
D1
io
id
Load
•
Ed
S1
• N1 N1
•
N 2 vo
io
io id
Load
•
Ed
S1
• N1
•
N 2 vo
Load
N1
• N1
Ed
S2
S2
S2
S2
D2
D2
D2
D2
Inverter Center-Tap Beban
Beban
•
id N1
• N 2 vo
Load
Analisis Tegangan Output Inverter Center-Tap Tegangan : ∞
v= 2
∑Vk sin (kωt ) k = 2 n −1
V1 =
π /2 2 2 N2 2 2 N2 Ed ∫ sin (ωt )d (ωt ) = Ed 0 π N1 π N1
Vk = V1 / k
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 vo
Ed 2
id 1
io
0
S1
Ed 2
vo
0
D1
io u
Load
Ed 2
Ed 2
id1
S2
D2 iS 1
id 2
iD1
Analisis Tegangan Output Inverter Half-Bridge Tegangan : ∞
∑Vk sin (kωt )
vo = 2
k = 2 n −1
Komponen dasar : V1 =
2 Ed π / 2
π
∫0
sin (ωt )d (ωt ) =
Harmonisa orde k : Vk = V1 / k
2 Ed
π
Inverter Thyristor
Beban
Beban
Inverter Thyristor
Beban
Beban
Inverter Full-Bridge
vuo
vvo Ed 2 Ed
S1
Ed 2
S3
D1
D3
io
0
0 Ed 2 Ed 2
id
u
Load vo
S2
D2
S4
β
S3
S4
0 Ed 2
Ed
v
S2
S1
Ed 2
vuv
iuv S4
D4 0
Ed
id
Inverter Full-Bridge ∞
∑Vk sin (kωt )
vo = 2
k =2 n −1
Vk = V1 =
2 2
π 2 2
π
π /2 2 2 Ed cos(kβ / 2 ) sin (kωt )d (ωt ) = β /2 kπ
Ed ∫
Ed cos(β / 2 )
2 2 V3 = Ed cos(3β / 2 ) 3π 2 2 V5 = Ed cos(5β / 2 ) 5π 2 2 V7 = Ed cos(7 β / 2 ) 7π
Sudut β bisa dipilih untuk mengatur besarnya komponen dasar atau menghilangkan harmonisa tertentu.
0
Arus Input id = s1iu − s2iu = (s1 − s2 )iu = s12iu Asumsi arus keluaran sinusoidal : iu = 2 I l sin (ωt − φ ) Switching function : ∞ 4 s12 = ∑ cos(kβ / 2 )sin (kωt ) k = 2 h −1 kπ Arus input : cos(kβ / 2 ) [cos((k − 1)ωt + φ ) − cos((k + 1)ωt − φ )] π k k = 2 h −1 Arus sisi dc terdiri atas komponen dc dan komponen orde genap.
id =
2 2
∞
Il
∑
0
Inverter Tiga-Fasa id
S1
Ed 2
Ed
0
Ed 2
D1
u
S3
D3
S4 D2
D5
w
v
S2
S5
S6 D6
D4
Load n
vuo = vun + v no
vvo = vvn + v no v wo = v wn + v no 1 vun + vvn + v wn = 0 → v no = (vuo + vvo + v wo ) 3 1 1 1 vun = (2vuo − vvo − v wo ) vvn = (2vvo − vuo − v wo ) v wn = (2v wo − vuo − vvo ) 3 3 3 vuv = vuo − vvo vvw = vvo − v wo v wu = v wo − vuo
Inverter Tiga-Fasa Ed 2
vuo
Tegangan fasa - ke - nol
0
∞
Ed 2
vvo
k = 2 n −1
0
Ed 2
V ph,1 =
Ed 2
v wo
0
2
π
Ed
V ph, k = V ph,1 / k Tegangan fasa - ke - netral
Ed 2
2 Ed 3 Ed 3
vun
∑V ph, k sin(kωt )
vuo = 2
Ed 2
∞
0
vun = 2
Ed 3 2 Ed 3
∑
V ph, k k = 2 n −1 k ≠ 3n
sin (kωt )
Ed
Tegangan antar fasa : vuv
0
Vll ,1 = Ed
6
π
Ed 0
Arus Input id = su iu + sviv + swiw 1 2 ∞ sin (kωt ) 1 2 ∞ sin [k (ωt − 23π )] + sv = + ∑ ∑ 2 π k = 2 h −1 k 2 π k =2 h −1 k 2π ∞ sin[k (ωt + 3 )] 1 2 sw = + ∑ 2 π k =2 h −1 k
su =
iu = 2 I l sin (ωt − φ ) iv = 2 I l sin (ωt − 23π − φ ) iw 2 I l sin (ωt + 23π − φ ) id = +
2 2
π
2 2
π
cos[(k − 1)ωt + φ ] − cos[(k + 1)ωt − φ ] k k = 2 h −1 ∞
Il
∑
cos[(k − 1)(ωt − 23π ) + φ ] − cos[(k + 1)(ωt − 23π ) − φ ] k k = 2 h −1 ∞
Il
∑
cos[(k − 1)(ωt + 23π ) + φ ] − cos[(k + 1)(ωt + 23π ) − φ ] k π k = 2 h −1 Arus sisi dc terdiri atas komponen dc plus harmonisa kelipatan enam.
+
2 2
∞
Il
∑
0
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 id1 S1 Ed 2
D1
vo 0
Ed 2
io
Load
u
D2
o
Ed 2
S2
id 2
vuo
+
0
Ed 2
−
If fc/fr integer, the technique is called synchronous otherwise asynchronous
Natural Sampling
LPKEE-ITB
Regular Sampling
Ed 2
vuo
0
Ed 2
Simulation
reference carrier 0
Simulation Results
Analisis Tegangan Keluaran Inverter PWM Satu-Fasa Nilai rata - rata tegangan : vo =
TON − TOFF E d E E = (2α − 1) d = d v r Ts 2 2 2
car vr
yang mana α = TON / Ts .
0
Deret Fourier : ∞
vo = vo +
∑ C n cos(nω s t )
Ed 2
n =1
E d απ cos(nω s t )d (ω s t ) − π 0 2E d Cn = sin (nαπ ) nπ Jika v r = k sin θ maka Cn =
vo = k
∫
π
∞ Ed 2E d sin θ + sin[nπk sin θ ] cos(nω s t ) 2 n =1 kπ
∑
∫απ cos(nω s t )d (ω s t )
0
−
Ed 2 TON Ts
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 Output voltage equation :
carrier
di vuo = Riu + L u + eu dt ~ Let us assume vuo = vuo + v~uo and iu = iu + iu
vur
Then E Ed 2TON = − 1 d 2 Ts 2 diu = Riu + L + eu dt ~ di ~ ~ vuo = vuo − vuo = R iu + L u dt Thus, ~ 1 iu ≈ ∫ (vuo − vuo )dt L v − uo (t − t o ) for to ≤ t ≤ t1 L Ed − vuo v = − uo To + 2 (t − t1 ) for t1 ≤ t ≤ t3 L L v uo (t − t4 ) − for t3 ≤ t ≤ t 4 L vuo = vr
Ed 2 vu
0
−
Ed 2
Ts To
T1
To
~ iu
to
t1
t2
t3
t4
Analisis Riak 2To 1 1 r = − vu Ts 2 2
Mean square value of ripple : 1 ~ I u2 = Ts
∫
t o +Ts
to
~2 iu dt
T1 1 1 = + vr Ts 2 2
RMS value of ripple :
vur = k sin θ
~ I u ,av =
1 2π
∫
2π
0
~ I u2 dθ
0
Programmed PWM Ed 2 0
E − d 2
π
an =
2 Ed nπ
2M k 1 + ∑ (−1) cos nα k k =1
2M k − ∑ (−1) sin nα k k =1 Untuk n ganjil.
bn =
2 Ed nπ
Programmed PWM
Teknik PWM Untuk Inverter Satu-Fasa Full-Bridge
id
Ed 2
Ed 2
Ed vuo
S1
D3
io 0
Ed 2
Ed 2
S3
D1
u S2
Load vo D2
v S4
D4
vvo S1
+ −
S2
vuv
PWM Characteristic
LPKEE-ITB
S3
+ −
S4
Three-Phase PWM Inverter id
S1
Ed 2
Ed
0 Ed 2
D1
S3
D3
S5
u
v
w
S2
S4
S6
D2
D5
D6
D4
Load
n
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa vur
Ed E ELSE vuo = − d 2 2 Ed Ed r IF vv > car THEN vvo = ELSE vvo = − 2 2 E E r d IF v w > car THEN v wo = ELSE v wo = − d 2 2 vuv = vuo − vvo IF vur > car THEN vuo =
v uo
vvw = vvo − v wo vwu = vwo − vuo Ed r vu 2 Ed r vvo = vv 2 E vwo = d vwr 2 vuo =
v vo
v uv
v vr
v wr
PWM Characteristics
Ripple Analysis
Simulation
Simulation Results
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa vuo
iu vvo
iv
0
Load
n
iw vwo
Teknik PWM Inverter Tiga-Fasa
Reference signals : vur = k sin θ + so vvr = k sin (θ − 23π ) + so vwr = k sin (θ + 23π ) + so
The most popular : k - so = sin 3θ 6 k − so = sin 3θ 4 − Discontinuous PWM - Space vector PWM 0
a
Konverter DC-AC 3 Fasa (Three Phase Inverter) ELEKTRONIKA DAYA Penulis
[email protected] [email protected] http://www.aswadiwordpress.com 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.
A. Objektif Setelah 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.
B. 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
http://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:
Im = 2Vdc / 3RL
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
Irms = 1 / π ( Vdc / 2 RL )2 ( 2π / 3 )
Irms = Vdc / RL ( 1 / 6 ) = 0.408Vdc / RL
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
