Balikkan rangkaian penyearah, sambungkan salah satu ujungnya ke arus searah (DC), dan ujung lainnya dapat mengalirkan arus bolak-balik (AC). Ini adalah inverter, perangkat yang mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik.
Sebagian besar beban komersial, industri, dan perumahan memerlukan daya AC, namun daya AC tidak dapat disimpan dalam baterai, dan penyimpanan baterai penting untuk daya cadangan. Saat ini, cacat ini dapat diatasi dengan catu daya DC.
Polaritas daya DC tidak berubah seiring waktu seperti daya AC, sehingga daya DC dapat disimpan dalam baterai dan superkapasitor. Jadi pertama-tama kita dapat mengubah daya AC menjadi daya DC, lalu menyimpannya di baterai. Dengan cara ini, setiap kali daya AC diperlukan untuk mengoperasikan peralatan AC, daya DC akan diubah kembali menjadi daya AC untuk mengoperasikan peralatan AC.
Menurut sumber masukan, metode koneksi, bentuk gelombang tegangan keluaran, dll. Aplikasinya, inverter dibagi menjadi 17 kategori utama berikut.
1. Klasifikasikan berdasarkan sumber masukan
Masukan suatu inverter dapat berupa sumber tegangan atau sumber arus, sehingga dibedakan menjadi inverter sumber tegangan (VSI) dan inverter sumber arus (CSI).
Inverter Sumber Tegangan (VSI)
Apabila masukan inverter berupa sumber tegangan DC konstan, maka inverter tersebut disebut inverter sumber tegangan.
Input inverter sumber tegangan mempunyai sumber tegangan DC kaku dengan impedansi nol. Faktanya, impedansi sumber tegangan DC dapat diabaikan. Dengan asumsi bahwa VSI ditenagai oleh sumber tegangan ideal (sumber impedansi sangat rendah), tegangan keluaran AC sepenuhnya ditentukan oleh keadaan perangkat switching di inverter dan catu daya DC yang diterapkan.
Inverter Sumber Arus (CSI)
Bila masukan inverter berupa sumber arus DC konstan, maka inverter disebut inverter sumber arus.
Arus kaku disuplai dari sumber listrik DC ke CSI, dimana sumber listrik DC tersebut mempunyai impedansi yang tinggi. Biasanya, induktor besar atau arus kontrol loop tertutup digunakan untuk menghasilkan arus kaku. Gelombang arus yang dihasilkan bersifat kaku dan tidak terpengaruh oleh beban. Arus keluaran AC sepenuhnya ditentukan oleh perangkat switching di inverter dan keadaan catu daya DC yang diterapkan.
2. Klasifikasikan berdasarkan fase keluaran
Menurut tegangan keluaran dan fasa arus, inverter dibagi menjadi dua kategori: inverter satu fasa dan inverter tiga fasa.
Inverter satu fasa
Inverter satu fasa mengubah masukan DC menjadi keluaran satu fasa. Tegangan/arus keluaran inverter satu fasa hanya mempunyai satu fasa, dan frekuensi nominalnya adalah tegangan nominal 50Hz atau 60Hz.
Tegangan nominal didefinisikan sebagai level tegangan di mana sistem kelistrikan beroperasi. Tegangan nominalnya berbeda-beda yaitu 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV, dan 765kV. Tegangan nominal rendah dapat langsung dicapai melalui penggunaan trafo internal atau inverter dengan rangkaian boost dan buck, sedangkan untuk tegangan nominal tinggi digunakan trafo boost eksternal.
Inverter satu fasa digunakan untuk beban rendah. Kerugian satu fasa lebih tinggi, dan efisiensi satu fasa lebih rendah dibandingkan inverter tiga fasa. Oleh karena itu, inverter tiga fase adalah pilihan yang lebih disukai untuk beban tinggi.
Inverter tiga fasa
Inverter tiga fasa mengubah arus searah menjadi daya tiga fasa. Catu daya tiga fasa menyediakan tiga saluran daya AC dengan sudut fasa yang dipisahkan secara seragam. Amplitudo dan frekuensi ketiga gelombang yang dihasilkan pada ujung keluaran adalah sama, tetapi sedikit berbeda karena beban, dan setiap gelombang memiliki pergeseran fasa sebesar 120 derajat antara satu sama lain.
Pada dasarnya inverter tiga fasa tunggal terdiri dari tiga inverter satu fasa yang masing-masing memiliki jarak fasa 120 derajat, dan setiap inverter satu fasa dihubungkan ke salah satu dari tiga terminal beban.
3. Diklasifikasikan berdasarkan teknologi pergantian
Menurut teknologi pergantian, dapat dibagi menjadi dua jenis utama: pergantian garis dan inverter pergantian paksa. Selain itu, terdapat juga inverter pergantian tambahan dan inverter pergantian pelengkap, namun karena tidak umum digunakan, kami akan membahas secara singkat dua tipe utama di sini.
Pembalikan garis
Pada inverter jenis ini, tegangan saluran rangkaian AC dapat diperoleh melalui peralatan; Ketika arus di SCR mengalami karakteristik nol, perangkat dimatikan. Proses pergantian ini disebut pergantian garis, dan inverter yang bekerja berdasarkan prinsip ini disebut inverter pergantian garis.
Pergantian paksa
Pada pergantian jenis ini, tidak akan ada titik nol pada catu daya. Itu sebabnya beberapa sumber eksternal diperlukan untuk memperbaiki perangkat. Proses pergantian ini disebut pergantian paksa, dan inverter yang didasarkan pada proses ini disebut inverter pergantian paksa.
4. Diklasifikasikan berdasarkan metode koneksi
Menurut metode penyambungan thyristor pada rangkaian, dapat dibagi menjadi inverter seri, inverter paralel, dan inverter jembatan, di antaranya inverter jembatan dibagi lagi menjadi setengah jembatan, jembatan penuh, dan jembatan tiga fasa.
Inverter seri
Inverter seri terdiri dari sepasang thyristor dan rangkaian RLC (resistansi, induktansi, dan kapasitansi). Satu thyristor dihubungkan secara paralel dengan rangkaian RLC, dan satu thyristor dihubungkan secara seri antara catu daya DC dan rangkaian RLC. Inverter jenis ini disebut inverter seri karena bebannya dihubungkan langsung secara seri dengan sumber listrik DC dengan bantuan thyristor.
Inverter seri juga dikenal sebagai inverter pergantian mandiri karena thyristor inverter jenis ini diubah secara otomatis oleh beban. Nama lain dari inverter ini adalah 'load commutation inverter'. Alasan pemberian nama ini adalah karena LCR merupakan beban yang memberikan pergantian.
Inverter paralel
Inverter paralel terdiri dari dua thyristor, kapasitor, transformator tap tengah, dan induktor. Thyristor digunakan untuk menyediakan jalur aliran arus, sedangkan induktor digunakan untuk menjaga sumber arus tetap konstan. Konduksi dan pemutusan thyristor ini dikendalikan oleh kapasitor pergantian yang terhubung di antara keduanya.
Disebut inverter paralel karena dalam pengoperasiannya kapasitor dihubungkan secara paralel dengan beban melalui trafo.
Inverter setengah jembatan
Inverter setengah jembatan memerlukan dua sakelar elektronik untuk beroperasi. Sakelar dapat berupa MOSFET, IJBT, BJT, atau thyristor.Setengah jembatan dengan thyristor dan sakelar BJT memerlukan dua dioda tambahan, kecuali untuk beban resistif murni, sedangkan MOSFET memiliki dioda bawaan. Singkatnya, dua sakelar cukup untuk memenuhi beban resistif murni, sedangkan beban lainnya (induktor dan kapasitor) memerlukan dua dioda tambahan. Dioda ini disebut dioda umpan balik atau dioda freewheeling.
Prinsip kerja inverter setengah jembatan sama untuk semua saklar, namun disini kita membahas setengah jembatan dengan saklar thyristor. Ada dua thyristor yang saling melengkapi, yang berarti menghantarkan satu thyristor pada satu waktu. Untuk beban resistif, rangkaian beroperasi dalam dua mode. Frekuensi switching akan menentukan frekuensi keluaran. Ketika frekuensi keluaran 50HZ, setiap thyristor bekerja satu kali selama 20ms.
Inverter jembatan penuh
Inverter jembatan penuh satu fase memiliki empat sakelar terkontrol yang digunakan untuk mengontrol arah aliran arus pada beban. Jembatan ini memiliki 4 dioda umpan balik yang dapat menyalurkan kembali energi yang tersimpan di beban ke catu daya. Dioda umpan balik ini hanya berfungsi ketika semua thyristor dimatikan dan bebannya bukan beban resistif murni.
Untuk beban apa pun, hanya 2 thyristor yang bekerja pada satu waktu. Thyristor T1 dan T2 akan bekerja dalam satu siklus, sedangkan T3 dan T4 akan bekerja pada siklus lainnya. Dengan kata lain, ketika T1 dan T2 dalam keadaan ON, T3 dan T4 dalam keadaan OFF, sedangkan ketika T3 dan T4 dalam keadaan ON, dua lainnya dalam keadaan OFF. Membuka dua atau lebih thyristor secara bersamaan dapat menyebabkan korsleting, menghasilkan panas berlebih, dan langsung membakar rangkaian.
Inverter jembatan tiga fasa
Industri dan beban berat lainnya memerlukan catu daya tiga fase. Untuk mengoperasikan beban berat ini dari perangkat penyimpanan atau sumber daya DC lainnya, diperlukan inverter tiga fase. Inverter jembatan tiga fase dapat digunakan untuk tujuan ini.
Inverter jembatan tiga fase adalah jenis inverter jembatan lainnya, yang terdiri dari 6 sakelar terkontrol dan 6 dioda, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
5. Diklasifikasikan berdasarkan mode operasi
Menurut mode pengoperasiannya, inverter dibagi menjadi tiga kategori utama:
Inverter independen
Inverter independen terhubung langsung ke beban dan tidak akan terganggu oleh sumber listrik lain. Inverter independen atau "off grid mode inverter", inverter menyuplai daya ke beban secara mandiri tanpa terpengaruh oleh jaringan atau sumber daya lainnya.
Inverter ini disebut inverter mode off grid karena tidak terpengaruh oleh jaringan utilitas. Inverter ini tidak dapat dihubungkan ke jaringan utilitas karena tidak mempunyai kemampuan sinkronisasi, dimana sinkronisasi merupakan proses pencocokan fasa dan frekuensi nominal (50/60hz) dari dua sumber listrik AC.
Inverter yang terhubung ke jaringan
Inverter yang terhubung ke jaringan atau grid connect (GTI) memiliki dua fungsi utama. Salah satu fungsi inverter yang terhubung ke jaringan adalah untuk menyediakan daya AC dari perangkat penyimpanan (sumber daya DC) ke beban AC, sedangkan fungsi lain dari inverter yang terhubung ke jaringan adalah untuk memberikan daya tambahan ke jaringan.
Inverter yang terhubung ke jaringan, juga dikenal sebagai inverter interaktif utilitas, inverter interkoneksi jaringan, atau inverter umpan balik jaringan, menyinkronkan frekuensi dan fase arus untuk beradaptasi dengan jaringan utilitas. Dengan meningkatkan level tegangan inverter, daya disalurkan dari sumber listrik DC ke jaringan utilitas.
Inverter puncak ganda
Inverter puncak ganda dapat beroperasi sebagai inverter yang terhubung ke jaringan dan inverter independen. Inverter ini dapat menyuntikkan energi tambahan dari sumber energi terbarukan dan perangkat penyimpanan ke dalam jaringan listrik, dan mengambil listrik dari jaringan listrik ketika energi yang dihasilkan oleh energi terbarukan tidak mencukupi. Dengan kata lain, inverter ini dapat beroperasi sebagai inverter independen dan inverter yang terhubung ke jaringan sesuai dengan kebutuhan beban. Inverter puncak ganda bersifat multifungsi, termasuk fungsi inverter independen dan inverter yang terhubung ke jaringan.
Fungsi inverter puncak ganda akan bervariasi sesuai beban. Jika terjadi masalah pada jaringan listrik atau daya energi terbarukan mencukupi untuk memenuhi beban, maka fungsinya akan diubah menjadi inverter independen (menjadi inverter independen). Dalam hal ini, saklar transfer akan memutus inverter dari jaringan listrik.
Ketika energi terbarukan mulai menghasilkan energi tambahan, mode pengoperasian akan beralih dari mode independen ke mode terhubung ke jaringan. Inverter menyinkronkan fase dan frekuensinya dengan inverter dan mulai menyuntikkan energi tambahan ke jaringan listrik.
6. Klasifikasikan berdasarkan bentuk gelombang keluaran
Inverter ideal mengacu pada inverter yang mengubah sinyal DC menjadi output AC sinusoidal murni. Masalah dengan inverter sebenarnya adalah sinyal keluarannya tidak sepenuhnya sinusoidal. Menurut bentuk gelombang keluarannya, inverter dibagi menjadi tiga kategori:
Inverter gelombang persegi
Ini adalah inverter paling sederhana untuk mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik, tetapi bentuk gelombang keluarannya bukan gelombang sinus murni yang diperlukan. Inverter ini memiliki gelombang persegi pada ujung keluarannya. Dengan kata lain inverter ini mengubah input DC menjadi AC dalam bentuk gelombang persegi. Sedangkan inverter gelombang persegi juga lebih murah.
Struktur paling sederhana dari inverter ini dapat berupa inverter H-bridge. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, menggunakan sakelar SPDT (single push double throw) sebelum trafo dapat mencapai versi yang lebih sederhana. Trafo ini juga akan membantu mencapai level tegangan keluaran yang diinginkan.
Pengoperasian model ini sangat sederhana. Cukup menyalakan dan mematikan saklar secara bersamaan akan mengubah arus pada terminal keluaran. Dengan kata lain, mengganti lemparan ganda kutub tunggal pada frekuensi yang diinginkan akan menghasilkan gelombang AC persegi pada keluaran inverter tipikal (yaitu transformator keran tengah). Distorsi harmonik dari gelombang sinus tipikal adalah sekitar 45%, yang selanjutnya dapat dikurangi dengan menggunakan filter untuk menyaring beberapa harmonik.
Inverter gelombang sinus kuasi
Inverter gelombang sinus kuasi, juga dikenal sebagai inverter gelombang sinus termodifikasi dengan gelombang sinus bertahap. Dengan kata lain, sinyal keluaran inverter ini secara bertahap meningkat dalam polaritas positif. Setelah mencapai puncak positif, sinyal keluaran secara bertahap menurun hingga mencapai puncak negatif, seperti terlihat pada gambar.
Struktur inverter gelombang sinus kuasi jauh lebih sederhana daripada inverter gelombang sinus murni, namun lebih kompleks daripada inverter gelombang persegi murni.
Meskipun bentuk gelombang keluaran akhir inverter ini bukan gelombang sinus murni, distorsi harmonik keluaran masih berkurang hingga 24%. Pemfilteran akan semakin mengurangi distorsi, namun jumlah distorsinya masih signifikan. Oleh karena itu, inverter ini bukanlah pilihan utama untuk menggerakkan berbagai beban, termasuk rangkaian elektronik.
Gelombang kuasi sinus dapat merusak perangkat elektronik yang memiliki pengatur waktu di sirkuit secara permanen. Jika disambungkan ke inverter gelombang sinus kuasi, semua peralatan listrik yang memiliki motor tidak akan bekerja seefisien yang disambungkan ke inverter gelombang sinus murni. Selain itu, transisi bentuk gelombang yang cepat dapat menyebabkan kebisingan. Karena masalah ini, penerapan inverter gelombang sinus kuasi menjadi terbatas.
Inverter gelombang sinus murni
Inverter sinus murni mengubah DC menjadi AC sinus murni. Bentuk gelombang keluaran inverter gelombang sinus murni masih bukan gelombang sinus yang ideal, namun jauh lebih halus dibandingkan inverter gelombang persegi dan gelombang sinus kuasi.
Bentuk gelombang keluaran inverter gelombang sinus murni memiliki harmonik yang sangat rendah. Harmonisa adalah gelombang sinus dengan kelipatan ganjil frekuensi dasar dengan amplitudo berbeda. Harmonisa sangat tidak populer karena dapat menyebabkan masalah serius pada berbagai peralatan listrik. Dengan menggunakan berbagai teknik PWM dan kemudian melewatkan sinyal keluaran melalui filter low-pass, harmonik ini dapat dikurangi lebih lanjut.
Konstruksi dan pengoperasian inverter gelombang sinus murni jauh lebih kompleks daripada inverter gelombang persegi dan gelombang persegi yang dimodifikasi.
Inverter ini lebih unggul dari dua inverter pertama karena sebagian besar peralatan listrik memerlukan gelombang sinus murni agar dapat beroperasi lebih baik. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, inverter gelombang persegi atau gelombang sinus kuasi dapat merusak peralatan listrik, terutama yang dilengkapi motor. Oleh karena itu, untuk penggunaan praktis digunakan inverter sinus murni.
7. Diklasifikasikan berdasarkan jumlah tingkat keluaran
Tingkat keluaran inverter apa pun setidaknya bisa dua atau lebih. Berdasarkan jumlah level keluarannya, inverter dibagi menjadi dua kategori: inverter dua tingkat dan inverter multi-level.
Inverter dua tingkat
Inverter dua tingkat memiliki dua tingkat keluaran. Tegangan keluaran bergantian antara positif dan negatif, dan bergantian pada frekuensi dasar (50Hz atau 60Hz).
Beberapa yang disebut 'inverter dua tingkat' memiliki tiga tingkat dalam bentuk gelombang keluarannya. Alasan untuk mengklasifikasikan inverter tiga tingkat ke dalam kategori ini adalah karena salah satu levelnya adalah tegangan nol. Sebenarnya nol adalah level ketiga, tetapi masih tergolong inverter dua tahap.
Rangkaian inverter dua tingkat terdiri dari sumber dan beberapa saklar yang mengontrol arus atau tegangan. Karena keterbatasan kerugian sakelar dan peringkat perangkat, pengoperasian inverter dua tingkat frekuensi tinggi dalam aplikasi tegangan tinggi dibatasi. Namun, nilai pengenal sakelar dapat ditingkatkan melalui kombinasi seri dan paralel. Kelompok sakelar yang memberikan setengah siklus positif pada inverter dua tingkat disebut sakelar kelompok positif, sedangkan kelompok sakelar lain yang memberikan setengah siklus negatif disebut sakelar kelompok negatif.
Karena alasan berikut, inverter dua tingkat tidak disukai. Inverter memerlukan jumlah sakelar dan sumber daya minimum untuk mengoperasikan dan mengubah daya dalam tegangan kecil. Langkah tegangan yang lebih kecil akan menghasilkan bentuk gelombang berkualitas tinggi. Selain itu juga dapat mengurangi tegangan tegangan (dv/dt) dan masalah kompatibilitas elektromagnetik pada beban. Oleh karena itu, inverter multi-level adalah pilihan pertama yang lebih praktis.
Inverter bertingkat (MLI)
Inverter multi-level mengubah sinyal DC menjadi bentuk gelombang bertahap multi-level. Bentuk gelombang keluaran inverter multi-level tidak langsung bolak-balik positif dan negatif, tetapi bolak-balik multi-level. Karena kehalusan bentuk gelombang berbanding lurus dengan jumlah level tegangan. Oleh karena itu, inverter multi level akan menghasilkan bentuk gelombang yang lebih halus. Seperti disebutkan sebelumnya, karakteristik ini membuatnya cocok untuk aplikasi praktis.
Kesimpulan:
Artikel ini memperkenalkan 17 jenis utama inverter, namun sebenarnya masih banyak klasifikasi inverter lainnya. Misalnya, inverter multi-level juga dapat dibagi menjadi inverter kapasitor terbang (FCMI), inverter penjepit dioda (DCMI), dan inverter jembatan-H bertingkat.
Dari perspektif aplikasi praktis, inverter tiga fase cocok untuk aplikasi beban tinggi, inverter sinus murni dapat melindungi peralatan listrik dengan lebih baik, dan inverter multi-level adalah pilihan yang lebih praktis.