Elektronika Daya
BAB V
KONVERTER DC-AC
Tujuan Instruksional:
a. Memahami bentuk gelombang daya konverter DC-AC
b. Memahami metode pengontrolan Konverter DC-DC
c. Memahami bentuk gelombang sinyal control
d. Memahami bentuk gelombang di sisi masukan, luaran, dan berbagai titik.
e. Memahami bentuk gelombang yang benar, yang cacat, dan yang salah.
f. Memahami proses penstabilan tegangan
g. Mengetahui, memahami, cara meningkatkan frekwensi
h. Mengetahui dan memahami aplikasi Konverter DC-AC
5.1. Pendahuluan
Konverter DC-AC juga disebut di inverter. Fungsi inverter untuk mengubah
tegangan DC menjadi tegangan AC simetris dengan amplitudu dan frekwensi
yang diinginkan. Tegangan luaran dapat tertentu atau variasi pada frekwensi ter-
tentu atau variasi. Variasi Tegangan luaran dapat diperoleh dengan mengubah te-
gangan masukan DC dan mempertahankan Gain of the inverter constan. Dengan
perkataan lain, jika tegangan masukan DC tetap dan tidak dapat dikontrol, tega-
ngan luaran yang variasi dapat diperoleh dengan mengubah Gain of the inverter
constan [GIC]. GIC diperoleh dari pengontrolan PWM. Definisi dari GIC adalah rasio
Tegangan Luaran AC terhadap Tegangan Masukan DC.
Bentuk Gelombang Tegangan Luaran inverter yang ideal adalah sinusoidal.
Tetapi bentuk gelombang inverter pada prakteknya adalah nonsinusoidal dan
mengandung harmonisa-harmonisa. Untuk aplikasi daya rendah dan medium ge-
lombang tegangan berbentuk kotak atau hampir kotak bisa diterima. Untuk aplika-
si daya yang tinggi, bentuk gelombang yang sinusoidal dengan distorsi yang ren-
dah dibutuhkan. Dengan tersedianya komponen power-semikonduktor yang ber-
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 166
kecepatan tinggi, harmonisa yang terkandung di tegangan luaran dapat dikurangi
secara siknifikan dengan Teknik Switching.
Inverter secara luas digunakan pada aplikasi industri (penggerak motor dengan
variasi kecepatan, pemanasan secara induksi, Power Suply siap pakai, UPS). Stan-
dard luaran inverter fasa tunggal adalah: 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V -
400 Hz. Untuk sistem 3 fasa daya tinggi, standard luarannya adalah: 220/380
50 Hz, 120/208 V 60 Hz, dan 115/200 V 400 Hz.
Inverter secara luas diklasifikasikan menjadi 2 (dua) tipe: (1) Inverter fasa
tunggal. (2) Inverter 3-fasa. Masing-masing tipe dapat digunakan mengatur turn-
on dan turn-off komponen-komponen switching yakni: BJTS, MOSFETS,
IGBTS, MCTS, SITS, GTOS dan SCR. Inverter umumnya menggunakan sinyal
kontrol PWM untuk menghasilkan tegangan luaran AC. Sebuah Inverter disebut
sebuah voltage fed inverter (VFI) jika tegangan masukan tetap konstan. Disebut
sebuah current-fed inverter (CFI) jika arus masukan dipertahankan konstan, dan
sebuah variable dc linked inverter jika tegangan masukan dapat dikendalikan.
5.2. Prinsip kerja inverter fasa tunggal jembatan
Prinsip kerja dari inverter fasa tunggal dapat dilihat di Gambar 5.1. Pada saat 0
t t1 PWM-1 positip maka Switch S1 menutup, S2 membuka. Arus i1 (warna
merah) mengalir dengan arah tertentu (perhatikan arah arus i1 di Gambar 5.1). Ini
mengakibatkan Tegangan Vao menjadi 2VS , positip karena arus masuk dati titik a
ke titik O. Saat t1 t t2, PWM-1 maupun PWM-2 NOL, maka Switch S1 dan S2
membuka. Namun Magnit di L yang berasal dari arus i1, berubah menjadi arus i2
(warna hijau) saat t1 t t2. Jadi mengalirlah arus i2 (perhatikan arah bergeraknya
arusnya). Saat t1 t t2 tegangan Vao berpolaritas negatip. Tepat saat t = t2, maka
arus beban sama dengan 0. Kemudian pada t2 t t3 Saat ini PWM-2 mulai posi-
tip, mengakibatkan S1 membuka dan S2 menutup. Karena itu mengalirlah arus i3.
Perhatikan arahnya (warna coklat). Polaritas arus i2 positip, dan polaritas arus i3
negatip dan tegangan Vao tetap berpolaritas negatip. Pada t3 t t4 kedua PWM
berkondisi NOL, ini mengakibatkan ke dua S1 dan S2 membuka. Sisa magnit di
induktor (beban) akan berganti menjadi arus dan mengalirlah arus i4. Sampai di
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 167
sini tegangan Vao telah positip kembali. Pada t4 t t5 maka sinyal akan berulang
seperti pada 0 t t1.
Gambar 5.1. Prinsip kerja inverter jembatan fasa tunggal
5.3. Pemodelan Tegangan dan arus inverter fasa tunggal jembatan
Bentuk Gelombang Tegangan Luaran Vao dapat dilihat di Gambar 5.1. Jika
amplitudu puncak 2VS dan amplitudu lembah 2VS . Maka tegangan RMS da-
pat ditentukan:
Perhatikan lagi Gambar tegangan Vao, seperti di Gambar 5.2,
Gambar 5.2. Gelombang Tegangan inverter jembatan fasa tunggal
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 168
T
0
T
T
T
T
2S
2S
2S
ao
41
43
41
43
dt2
Vdt
2V
dt2
VT1
V~ 191
TV
161TV
81TV
161
T1V~ 2S
2S
2Sao
2V
V41
V~ S2Sao 192
Jika Gambar 5.2 ditransformasikan ke fourir. Lebih dahulu kondisi bentuk ge-
lombang dapat diuraikan sebagai berikut. Batas-batas dapat dilihat juga di persa-
maan 191.
2VtV Sao , Tt0 41
2VtV Sao , Tt 21
41
2VtV Sao , Tt 43
21
2VtV Sao , Tt43
Langkah I menentukan nilai a0,
Nilai a0, saat Tt0 41 ,
T
0
S21
1y
41
dtVa TV81
a S1y
Nilai a0, saat Tt 43
41
T
T
S21
2y
43
41
dtVa TVa S41
2y
Nilai a0, saat Tt43
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 169
T
T
S21
3y
43
dtVa TV81a S1y
Nilai a0 dapat ditentukan sebagai berikut:
dt)tF(a
T
0
T2
o
TV81
41
81
a ST2
o
0ao 193
Langkah II menentukan nilai an,
Nilai an saat Tt0 41
,.....3,2,1n,dttncosVT2a 0S
T
0
21
1_ny
41
,...3,2,1n,
Tn
TnsinVa
0
041
S1_ny
Nilai an, saat Tt 43
41
dttncosVT2
21a 0
T
T
S2_ny
43
41
0
00S
2_ny Tn
Tn41sinTn
43sinV
a
Nilai an, saat Tt43
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 170
dttncosVT2
21a 0S
T
T
3_ny
43
0
00S
3_ny Tn
Tn43sinTnsinV
a
Menentukan an dengan menjumlah any_1 + any_2 + any_3, hasilnya
0
0043
041
Sn Tn
TnsinTnsin2Tnsin2Va
194
Langkah III menentukan nilai bn,
Nilai bn saat Tt0 41
dttnsinV21
T2b
T
0
0S1_y
41
0
0S
1_y Tn
1Tn41cosV
b
Nilai bn, saat Tt 43
41
T
T
0S21
T2
2_y
43
41
dttnsinVb
0
041
043
S2y Tn
TncosTncosVb
Nilai bn, saat Tt43
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 171
dttnsinVb 0
T
T
S21
T2
3y
43
0
043
0S3y Tn
TncosTncosVb
Menentukan bn dengan menjumlah by_1 + by_2 + by_3, hasilnya
Tn
TncosTncos21Tncos2Vb
0
0043
041
Sn
1951
Sekarang nilai a0, an, dan bn sudah dapat ditentukan, selanjutya,
1n
0n0n0
ao tnsinbtncosa2a
tV 197
Dengan memasukan nilai a0, an, bn maka diperoleh persamaan 198
n0
00043
041
S
0
00043
041
S
ao
Tn
tnsinTncosTncos21Tncos2V
TntncosTnsinTnsin2Tnsin2V
tV 198
Persamaan 198 disebut tegangan luaran sesaat (instantaneous), dan ini dieks-
presikan dengan deret fourier. Persamaan 198 perlu dibuktikan dengan MATLAB,
programnya sebagai berikut:
Tabel 14. Susunan Program-142 t1=1e-3; sum1=0.0; Vs=220; f=50; T=1/f; omega=2*pi*f; t=0:t1:3*T; %for j=1:1:500; for j=1;
1 Pers ini ditinjau ulang, mungkin salah menghitung 2 E:\dari lama\Program Studi TE\ElecIndustri\Inverter\inv_30
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 172
i=j*2-1; vo=(Vs*(2*sin((1/4)*i*omega*T)-2*sin((3/4)*i*omega*T)+sin(i*omega*T))*(cos(i*omega*t))/(T*i*omega))+(-Vs*(2*cos((1/4)*i*omega*T)-1-2*cos((3/4)*i*omega*T)+cos(i*omega*T))*sin(i*omega*t)/(i*omega*T));
sum1=sum1+vo; end plot(t,sum1,'b') hndl=plot(t,sum1,'b-');set(hndl,'linewidth',1) hold on
Gambar 5.3. Hasil Ploting Program-11
Di dalam buku Powe elektronik karangan Muhammad H Rashid, persamaan
198 sangat sederhana yakni:
tnsinnV2V
....,5,3,1n
Sao
199
Persamaan 199 lihat nilai n hanya bernilai ganjil, karena n dengan nilai genap
samadengan NOL.
Tabel 15. Susunan Program-15 t1=1e-3; sum1=0.0; Vs=220; f=50; T=1/f; Omega=2*pi*f;
Buku Ajar 2009 PSTE
Konverter DC-AC 173
t=0:t1:3*T; for j=1:1:500; %for j=99; i=j*2-1; vo=((2*Vs*sin(i*Omega.*t))/(i*pi)); sum1=sum1+vo; end plot(t,sum1,'c') hndl=plot(t,sum1,'c-');set(hndl,'linewidth',1) hold on
Gambar 5.4. Hasil Ploting Program-12
Gambar 5.4 dianalisis dengan versi kami menghasilkan. Gambar 5.4 perlu di
Gambar kembali menjadi Gambar 5.5,
Vao
Waktu1/4T 1/2T 3/4T T
VS/2
-VS/2
Gambar 5.5. Gelombang luaran Vao
