INVERTER 1 FASA

A. Tujuan Percobaan

1. Untuk mengamati perubahan tegangan keluaran (AC) pada pengubahan

duty cycle atau frekuensi switching pada inverter 1 fasa.

2. Untuk mengamati perubahan keluaran inverter karena pengaruh tegangan

referensi.

3. Untuk mengamati pengaruh filter pada keluaran inverter.

B. Dasar Teori

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.

Gambar 1. Prinsip Kerja Inverter

Praktikum Elektronika Daya

Rangkaian diatas adalah prinsip 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 inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti

ditunjukkan pada Gambar 1. 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.

Praktikum Elektronika Daya

1) Inverter Setengah Gelombang

(a) (b)

Gambar 2 : (a) Rangkaian Inverter Setengah Gelombang

(b) Bentuk Gelombang dari Inverter Setengah Gelombang

Prinsip kerja dari inverter satu fasa dapat dijelaskan dengan gambar 2-a.

Ketika transistor Q1 yang hidup untuk waktu T0/2, tegangan pada beban V0 sebesar

Vs/2. Jika

transistor Q2 hanya hidup untuk T0/2, Vs/2 akan melewati beban. Q1 dan Q2

dirancang untuk bekerja saling bergantian. Pada gambar 2-b menunjukkan bentuk

gelombang untuk tegangan keluaran dan arus transistor dengan beban resistif.

Praktikum Elektronika Daya

2) Inverter Gelombang Penuh

(a)

Gambar 3 : (a) Rangkaian Inverter Gelombang Penuh

(b) Bentuk Gelombang dari Inverter Gelombang Penuh

Inverter gelombang penuh ditunjukkan pada gambar 3-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), maka pada beban akan timbul tegangan –Vs. Bentuk gelombang

ditunjukkan pada gambar 3-b.

Contoh rangkaian inverter sederhana ditunjukkan seperti Gambar 4 di bawah ini.

Praktikum Elektronika Daya

Gambar 4. Contoh rangkaian Inverter

Prinsip kerja inverter yang sedehana adalah :

Tegangan yang masuk dari jala jala 50 Hz dialirkan ke board Rectifier/ penyearah

DC, dan ditampung ke bank capacitor. Jadi dari AC di jadikan DC.

Tegangan DC kemudian diumpankan ke board inverter untuk dijadikan AC

kembali dengan frekuensi sesuai kebutuhan. Jadi dari DC ke AC yang komponen

utamanya adalah Semiconduktor aktif seperti IGBT. Dengan menggunakan

frekuensi carrier (bisa sampai 20 kHz), tegangan DC dicacah dan dimodulasi

sehingga keluar tegangan dan frekuensi yang diinginkan.

Untuk pemasangan inverter sebaiknya juga dipasang unit pengaman hubung

singkat seperti Seconductor Fuse atau bisa juga Breaker. Ini seperti pada pemasangan

softstarter hanya saja tanpa contactor bypass. Pengontrolan start, stop, jogging dll bisa

dilakukan dengan dua cara yaitu via local dan remote. Local maksudnya adalah dengan

menekan tombol pada keypad di inverternya. Sedangkan remote dengan menghubungkan

terminal di board control dengan tombol external seperti push button atau switch. Masing

masing option tersebut mempunyai kelemahan dan keunggulan sendiri sendiri. Frekuensi

dikontrol dengan berbagai macam cara yaitu : melalui keypad (local), dengan external

Praktikum Elektronika Daya

potensiometer, Input 0 ~ 10 VDC , 4 ~ 20 mA atau dengan preset memori. Semua itu bisa

dilakukan dengan mengisi parameter program yang sesuai.

Beberapa parameter yang umum dipergunakan/ minimal adalah sebagai berikut

(istilah/nama parameter bisa berbeda untuk tiap merk) :

Display : Untuk mengatur parameter yang ditampilkan pada keypad display.

Control : Untuk menentukan jenis control local/ remote.

Speed Control : Untuk menentukan jenis control frekuensi reference

Voltage : Tegangan Suply Inverter.

Base Freq. : Frekuensi tegangan supply.

Lower Freq. : Frekuensi operasi terendah.

Upper Freq. : Frekuensi operasi tertinggi.

Stop mode : Stop bisa dengan braking, penurunan frekuensi dan di lepas seperti

starter DOL/ Y-D.

Acceleration : Setting waktu Percepatan.

Deceleration : Setting waktu Perlambatan.

Overload : Setting pembatasan arus.

Lock : Penguncian setting program.

Pulse Width Modulation ( PWM )

PWM merupakan pulsa yang mempunyai lebar pulsa (duty cycle) yang dapat

diubah-ubah. Pada Gambar 4 merupakan proses pembuatan PWM yang terdiri dari

gelombang segitiga, tegangan referensi dan komparator. Komparator merupakan

piranti yang digunakan untuk membandingkan dua buah sinyal masukan. Dua sinyal

masukan yang dibandingkan adalah gelombang segitiga dengan tegangan referensi

yaitu tegangan DC.

Praktikum Elektronika Daya

Gambar 4 . Rangkaian PWM

Pada Gambar 5 adalah hasil perbandingan gelombang segitiga dengan

tegangan DC yang menghasilkan gelombang kotak dengan lebar pulsa yang dapat

diatur. Pengaturan lebar pulsa dapat dilakukan dengan cara mengubah-ubah nilai

tegangan DC referensi.

Gambar 5 . Gelombang Pulsa Keluaran PWM

Apabila menginginkan gelombang kotak yang mempunyai waktu ON dan

OFF berkebalikan maka diperlukan tegangan DC referensi yang negatif. Untuk

memperoleh tegangan DC negative adalah dengan memasukkan tegangan DC positif

ke rangkaian pembalik (inverting).

Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT)

Pengenalan dari insulated gate bipolar transistors (IGBTs) pada pertengaha

tahun 1980 an telah menjadi bagian penting dari sejarah peralatan power

Praktikum Elektronika Daya

semikonduktor . IGBT menjadi peralatan yang sangat populer dalam power

elektronik dengan sampai medium power(beberapa kWs sampai MWs) dan menyebar

luas dalam aplikasi dc/ac driver dan sistem power supply.

Sebuah IGBT pada dasarnya adalah hybrid MOS gate turn on/off bipolar

transistor yang merupakan gabungan dari keunggulan MOSFET dan BJT. Arsitektur

dasar dari IGBT hampir sama dengan MOSFET kecuali adanya penambahan layer P+

pada colector diatas layer drain N+ dari MOSFET. Peralatan ini memiliki impedansi

input yang tinggi dari MOSFET, tetapi karakteristik konduksi seperti BJT.

Jika gate adalah positif dengan respect ke emitter , sebuah N-chanel

diinduksikan pada daerah P. Ini di forward-biaskan pada baseemitter junction dari P-

N-P transistor., menjadikan on dan menyebabkan modulasi konduktivitas pada daerah

N-, memberikan reduksi signitifikan pada drop over konduksi pada MOSFET itu.

Strukutur IGBT dengan rangkaian ekuivalennya ditunjukkan Gambar 6 (a)

sedangkan symbol dari IGBT ditunjukkan Gambar 6 (b) berikut ini :

Gambar 6 : (a) Structure IGBT dengan Rangkaian Ekuivalennya, (b) Simbol IGBT

Praktikum Elektronika Daya

Pada kondisi ON, driver MOSFET dalam rangakaian ekuivalen dari IGBT

kebanyakan membawa arus terminal total. Perilaku pengunci seperti pada thyristor

disebabkan oleh parasitic NP- N transistor dicegah dengan mengurangi dengan cukup

resistivitas dari layer P+ dan membelokkan sebagian besar dari arus yang mengalir ke

MOSFET. IGBT di turn off –kan dengan mereduksi gate tegangan menjadi nol atau

negatif, dengan menutup konduktasi channel pada daerah P.

Peralatan ini memiliki density arus yang lebih tinggi daripada BJT ataupun

MOSFET. Input kapasitansi (Ciss) dari IGBT lebih signitifikan daripada MOSFET.

Serta, perbandingan dari gate-collector capasitansi ke gate-emitter capasitansi lebih

rendah, memberikan peningkatan effect feedback Miller. Gambar 2.10 menunjukkan

Volt-Ampere kharakteristik dari sebuah IGBT yang mendekati daerah saturasi, yang

mengindikasikan seperti kharakteristik BJT.

Modern IGBT menggunakan trench-gate teknologi untuk mengurangi drop

konduksi yang lebih jauh. Peralatan ini tidak menunjukkan beberapa detik

kharakteristik breakdown dari BJT dan square SOA dibatasi thermalnya seperti

MOSFET. Oleh karena itu, sebuah IGBT converter dapat didesain dengan atau tanpa

snubber.

Praktikum Elektronika Daya

Gambar 7 : Kharakteristik Volt-Ampere IGBT (POWEREX IPM CM-150TU-12H) ;

(600V,150A)

Perhitungan duty cycle PWM

Dengan cara mengatur lebar pulsa “on”  dan  “off”  dalam satu perioda

gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi  output  dari suatu PWM akan

didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan sebagai

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan

seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V.

pada  duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya  akan diberikan 50% dari total

tegangan yang ada, begitu seterusnya

Praktikum Elektronika Daya

Perhitungan Pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup

sederhana. 

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output

yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar.

Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol oleh

sinyal PWM. a adalah nilai  duty cycle saat kondisi sinyal  “on”. b adalah nilai  duty

cycle saat kondisi sinyal “off”. V full adalah tegangan maximum pada motor. Dengan

menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output sesuai dengan

sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan.

Praktikum Elektronika Daya

C. Peralatan

1. DC Power Supply ± 15 V/3A (72686) 1 unit

2. Reference Variabel Generator (73402) 1 unit

3. Control Unit PWM,PFM (735341) 1 unit

4. IGBT 100V/10A (735346) 2 unit

5. Load Power Electronics (73509) 1 unit

6. Oschilloscope 1 unit

D. Prosedur Percobaan

1. Merangkai semua peralatan mengacu pada rangkaian percobaan. Sebelum

memulai percobaan, mengonfirmasikan rangkaian yang telah dipasang

pada asisten.

2. Menset Reference Variabel Generator (73402), sebagai tegangan

referensi. Menetapkan referensi pada posisi tertentu (misalnya 5V).

3. Menset Control Unit PWM, PFM (735341) pada posisi frekuensi tertentu

(misalnya 300 Hz).

4. Mengukur tegangan keluaran PFM dengan oschilloscope. Mangambil

gambar bentuk gelombang yang dihasilkan pada oschilloscope.

5. Mengukur kembali keluaran PFM dengan menggunakan multimeter, Vac

dan Vdc.

6. Mengukur tegangan keluaran IGBT (735346) dengan oschilloscope.

Mangambil gambar bentuk gelombang yang dihasilkan pada

oschilloscope.

7. Mengukur tegangan keluaran (Vout) sebelum menggunakan filter dengan

oschilloscope dan multimeter.

8. Mengukur tegangan keluaran (Vout) setelah menggunakan filter dengan

oschilloscope dan multimeter.

9. Mengulangi percobaan dengan mengubah-ubah Vref dengan frekuensi

tetap.

Praktikum Elektronika Daya

10. Mengulangi percobaan dengan mengubah-ubah frekuensi PFM dengan

Vref tetap.

11. Melakukan analisa terhadap bentuk gelombang yang dihasilkan.

Praktikum Elektronika Daya

E. Data Percobaan

Tabel 1. Tegangan keluaran pada saat frekuensi PFM tetap (200 Hz)

Input Tegangan Keluaran PFM Tegangan Keluaran InverterV/div T/divFrekuensi

(Hz)Vref

(V)Ampl.

(V)Frekuensi

(Hz)Multimeter

(V)TON TOFF Ampl.

(V)Frekuensi

(Hz)Multimeter

(V)

20046810

Tabel 2. Tegangan keluaran pada saat tegangan referensi tetap (6 V)

Input Tegangan Keluaran PFM Tegangan Keluaran InverterV/div T/divVref

(V)Frekuensi

(Hz)Ampl.

(V)Frekuens

i(Hz)

Multimeter(V)

TON TOFF Ampl.(V)

Frekuensi(Hz)

Multimeter(V)

62003005001000

Praktikum Elektronika Daya

F. Analisa Data

Praktikum Elektronika Daya

G. Kesimpulan

Praktikum Elektronika Daya

Daftar Pustaka

Praktikum Elektronika Daya