Inversi Pada Sistem UPS Statis

          Inversi adalah konversi dari daya listrik dc ke daya listrik ac. Inversi dapat dicapai dengan menggunakan SCR atau IGBT. Dalam aplikasi dengan kapasitas daya tinggi, IGBT telah banyak digunakan. Inverter untuk sistem UPS statis dapat berupa inverter 1 fase atau inverter 3 fase. Inverter 1 fase digunakan pada kapasitas daya sampai 75 kVA, sedangkan inverter 3 fase digunakan pada kapasitas daya yang lebih tinggi.

1. Prinsip Inverter

          Elemen dasar dari sebuah inverter 1 fase seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Ketika SCR 1 dan 4 diaktifkan, sementara SCR 2 dan 3 masih off, maka tegangan dc muncul pada beban dengan polaritas yang ditunjukkan sepertipada gambar 1a. Setelah beberapa interval waktu, jika SCR 1 dan 4 dimatikan dan SCR 2 dan 3 diaktifkan, tegangan dc muncul pada seluruh beban dengan melawan polaritas seperti yang ditunjukkan pada gambar 1b. Jika SCR 2 dan 3 diizinkan untuk mengalirkan dalam interval waktu yang sama seperti SCR 1 dan 4 dan kemudian dimatikan, sementara SCR 1 dan 4 diaktifkan dan terjadi proses pengulangan, maka tegangan ac akan muncul pada  seluruh beban. Bentuk gelombang tegangan ac ini seperti yang ditunjukkan pada gambar 1c. Dua poin yang harus dipertimbangkan dalam membuat rangkaian inverter sederhana untuk kepentingan praktis ditunjukkan seperti pada gambar 1. Seperti telah dibahas sebelumnya, sekali SCR diaktifkan dia masih tetap mengalirkan sampai arus turun menjadi hampir nol. Dalam rangkaian yang ditunjukkan pada gambar 1, setelah SCR diaktifkan, arus beban mengalir dengan magnitude lebih besar dari nol. Oleh karena itu, beberapa cara eksternal diperlukan agar menyebabkan arus turun menjadi mendekati nol untuk mematikan SCR. Cara-cara seperti itu disebut “sirkuit komutasi”. Secara umum, semua inverter dengan SCR membutuhkan komutasi yang berarti dan biasanya pengisian kapasitor digunakan untuk mempengaruhi proses komutasi. Namun, ketika gerbang dimatikan (gate turn off / GTO) pada SCR atau transistor daya yang digunakan, tidak memerlukan sirkuit komutasi. GTO SCR dan transistor daya dapat dimatikan oleh pulsa gerbang yang disuplai oleh daya rendah sirkuit gerbang. Dalam rangkaian ditunjukkan bahwa beban terhubung langsung ke sumber dc melalui SCR, ini merupakan subyek beban transien yang dihasilkan dalam sistem dc. Untuk alasan ini, biasanya beban diisolasi dari sumber dc melalui penggunaan transformator output. Disamping itu, bentuk gelombang keluaran inverter adalah gelombang kotak (persegi). Bentuk gelombang ini tidak cocok untuk mensuplai daya pada peralatan listrik yang sensitif. Oleh karena itu, beberapa cara diperlukan untuk mengkondisikan keluaran inverter agar berbentuk gelombang sinusoida.

Gambar 1. Inverter 1 fase sederhana

2. Pengontrolan Tegangan Inverter

          Metode atau teknik yang umum digunakan untuk mengontrol tegangan output inverter adalah dengan mengontrol lebar pulsa, modulasi gelombang pulsa (PWM), dan menggunakan transformator ferroresonan. Setiap metode tersebut memungkinkan digunakan untuk mengontrol tegangan output. Dalam beberapa desain kombinasi metode kontrol lebar pulsa dengan modulasi gelombang pulsa banyak digunakan. Namun, metode transformator ferroresonan tidak pernah digunakan sebagai kombinasi dengan salah satu metode yang ada. Penggunaan metode pengendalian lebar pulsa  memang kurang populer dibanding dengan metode PWM dan transformator ferroresonan, sehingga beberapa produsen UPS menganjurkan penggunaan PWM sementara yang lain mendukung penggunaan transformator ferroresonan. Meskipun kedua metode tersebut masing-masing memiliki keunggulan dan kelemahan, tetapi dalam menentukan metode pengontrolan tegangan biasanya tidak bisa ditentukan ketika merancang sistem UPS. Kedua jenis metode tersebut dapat digunakan asalkan memenuhi persyaratan kinerja dari sistem UPS.

a. Kontrol Lebar Pulsa

          Untuk mengilustrasikan teknik ini, rangkaian pada gambar 1 dapat digambar ulang seperti pada gambar 2. Mengacu pada gambar tersebut, ketika setiap pasang SCR (1, 4 dan 2, 3) adalah gate untuk interval waktu yang sama dengan setengah siklus tanpa kedua pasang mengalirkan secara bersamaan, maka bentuk gelombang tegangan output seperti ditunjukkan pada gambar 2b. Jika gate dari sepasang SCR 2, 3 terhambat oleh seperempat siklus, maka bentuk gelombang tegangan output seperti ditunjukkan pada gambar 2c. Oleh karena itu, tegangan output inverter dapat terus disesuaikan dengan memperlambat sinyal pemicu sepasang SCR dengan memperhatikan sepasang lainnya. Besarnya komponen fundamental dari tegangan output tergantung pada lebar pulsa dan akan lebih tinggi tegangan outputnya jika pulsanya lebih lebar/luas. Tegangan output maksimum diperoleh tanpa menghambat, sementara tegangan nol diperoleh ketika sinyal pemicu terhambat oleh setengah siklus. Pengontrolan tegangan dilakukan dengan loop kontrol umpan balik yang merasakan tegangan output dan menyesuaikan sudut picu SCR untuk menambah atau mengurangi tingkat tegangan output. Dengan denyut nadi teknik kontrol lebar pulsa, harmonik konten tegangan output menjadi lebih tinggi sehingga diperlukan penyaringan (filter) harmonik.

Gambar 2. Pengontrolan tegangan dengan metode kontrol lebar pulsa

b. Modulasi Gelombang Pulsa (PWM)

          Dalam teknik ini, pasangan SCR inverter yang dinyalakan dan dimatikan setiap setengah siklus banyak sekali untuk menyediakan gelombang pulsa dengan amplitudo konstan dan lebar yang berbeda. Tegangan output merupakan tiruan dari gelombang pulsa tersebut seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Tingkat tegangan output dapat dikontrol dengan memvariasikan lebar pulsa. Dengan teknik ini bentuk gelombang tegangan output dapat dibuat dengan erat mendekati gelombang sinus, dan juga cukup layak untuk menghilangkan semua harmonik, dengan demikian kita dapat menghilangkan penggunaan filter output. Inverter yang menggunakan teknik ini memiliki impedansi rendah dan respon sementara lebih cepat. Pengontrolan dilakukan dengan kontrol umpan balik seperti halnya pada teknik kontrol lebar pulsa.

Gambar 3. Modulasi gelombang pulsa (PWM)

c. Transformator Ferroresonan

          Sebuah transformator ferroresonan yang dihubungkan  pada output inverter dapat digunakan untuk mengatur tegangan output dan mengurangi harmonik konten. Transformator ferroresonan pada dasarnya adalah transformator dua lilitan dengan tambahan sedikit gulungan kompensasi sekunder dan serangkaian low pass filter yang dihubungkan pada bagian utama gulungan sekunder seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Filter menampilkan impedansi rendah pada harmonik pesanan yang lebih rendah dan mengurangi amplitudonya dalam nilai output rendah  yang dapat diterima. Tegangan gulungan kompensasi ditambahkan ke tegangan output sekunder sebesar 180° out-off-fase, dengan demikian dapat mempertahankan tegangan output dalam regulasi band sempit. Namun, dengan penggunaan transformator ferroresonan, tegangan output tidak terus menerus disesuaikan seperti pada teknik sebelumnya.

Gambar 4. Transformator Ferroresonan

3. Inverter 3 Fase

          Inverter 3 fase biasanya terdiri dari tiga inverter 1 fase yang terhubung pada suplai dc yang sama, seperti yang ditunjukkan pada gambar 5. Gulungan sekunder dari tiga output trafo inverter 1 fase tersebut terhubung dalam konfigurasi bintang (Y). Untuk menghasilkan Output tiga fase, sinyal picu untuk fase B SCR inverter tertunda sebesar 120° dari fase A SCR inverter tersebut. Demikian pula sinyal picu untuk fase C SCR inverter tertunda sebesar 120° dari fase B SCR inverter tersebut. Sehingga tegangan fase ke netral untuk pulsa 180° dan tegangan sekunder line ke line ditunjukkan seperti pada gambar 5, di mana:

EA-B = EA-N - EB-N

EB-C = EB-N - EC-N

EC-A = EC-N - EA-N

          Dalam kasus ini sebagai inverter 1 fase, bentuk gelombang output adalah gelombang kotak dan diperlukan sarana untuk mengkondisikan output ke bentuk gelombang sinusoida. Pengontrolan tegangan output inverter 3 fase dapat dilakukan dengan teknik yang sama seperti yang digunakan pada inverter 1 fase. Namun, penggunaan transformator ferroresonan tidak layak untuk banyak aplikasi 3 fase, karena dengan sedikit arus beban tidak seimbang dapat menyebabkan pergeseran fasa yang cukup besar pada tegangan output transformator ferroresonan. Dengan pergeseran fasa tegangan yang cukup besar, tiga tegangan line ke netral mungkin memiliki besar yang sama tapi tegangan line ke line kemungkinan sangat tidak seimbang. Namun, dalam hal ini teknik PWM juga dapat digunakan seperti dalam inverter 1 fase.

Gambar 5. Inverter 3 fase