Variable Speed Drive Electrical Energy Conversion Research Laboratory

Variable Speed Drive Electrical Energy Conversion Research Laboratory Institute of Technology Bandung

Why Variable Speed ? • Perlu ada keselarasan antara karakteristik motor dengan beban; – Karakteristik motor servo, traksi, pompa hanya tepat digunakan untuk menggerakkan beban dengan karakteristik tertentu. • Ada kebutuhan untuk penghematan energi dan sistem pengoperasian yang efisien; – Perubahan kecepatan motor pompa, kendaraan listrik hybrid, aktuator pada sistem kelistrikan otomotif

Why Variable Speed ? • Perlu mengontrol posisi dan kecepatan dalam suatu proses – Tracking system dalam proses automation and control, industri manufaktur dan sistem pelacak. • Perlu mengurangi arus transient dan voltage stresses akibat start-stop motor dan gerakan mekanik yang kasar ; – Motor di pabrik tekstil, kertas dan tembaga • Gangguan penolakan beban terhadap catu daya yang diberikan akibat ketidakselarasan antara karakteristik motor dengan beban.

Elements of VSD Interaksi kegunaan; meminimalkan gangguan terhadap sistem lain misal EMI (elektromagnetic Interference) Elektronika Daya Status, parameter Encoder, Dekoder (servo) Tacho Generator, Tegangan, Arus, dll Mikroprosessor , Digital Signal Processing

Diagram Blok VSD Power Input : Daya masukan yang tersedia umumnya ac 380/220 V, 50 Hz. Power Converter : Konverter daya, bisa rectifiers/penyearah (ac-dc converter), cyclo concerter/ ac chopper (ac-ac converter), tergantung motor yang digunakan. Motor : motor arus searah (dc), motor arus bolak-balik (ac). Controller : Mengendalikan konverter Daya, dengan catu daya didapat dari daya masukan dan pengendalian berdasarkan sensor keluaran konverter daya dan torka serta kecepatan motor, sinyal yang disensor dibandingkan dengan refferensi pada rangkaian kontroller dan error yang dihasilkan dimasukkan ke gate/ base driver pada power konverter.

VVVF FOR AC DRIVE

Pengendalian Motor Induksi • Motor induksi banyak digunakan sebagai penggerak elektrik karena konstruksinya yang sederhana, kokoh dan murah. Secara umum kecepatan motor induksi tergantung pada kecepatan sinkron yang dapat ditentukan lewat hubungan matematik sebagai berikut : (1)

Torka Motor • Torka motor induksi didefinisikan sesuai dengan persamaan berikut : (2)

Rangkaian Pengganti Motor Induksi

Summary • • Pengendalian motor induksi dapat dilakukan dengan cara : Mengubah jumlah kutub motor Mengubah tegangan sumber Mengubah frekuensi sumber Menambahkan tahanan luar

Problems • • Daerah Pengaturan : Mengubah jumlah kutub motor Mengubah tegangan sumber Mengubah frekuensi sumber (OK) Menambahkan tahanan luar

Daerah pengaturan motor induksi

VVVF Dengan berkembangnya elektronika daya, pengendalian motor arus bolak-balik dengan cara mengubah tegangan dan frekuensi sumber secara proporsional dapat diimplementasikan. Divais seperti ini umumnya dinamakan Variable Speed Drive (VSD), tetapi karena kendalinya mengubah tegangan dan frekuensi divais ini dinamakan juga Variable Voltage Variable Frequency (VVVF).

VVVF Pengendalian motor AC dengan menggunakan VVVF selain dapat mengendalikan torka dan kecepatan secara baik, juga mempunyai keuntungan lain, antara lain : § Penggunaan energi menjadi efisien, § Peningkatan fleksibilitas produksi, § Peningkatan umur komponen mekanik, dan § Memudahkan untuk pemeliharaan.

Efisiensi energi VVVF

Skema umum VVVF

VVVF • Skema VVVF yang digunakan untuk pengendali arus bolak-balik (AC Drive) dilukiskan seperti pada Gb. 5. Bridge Rectifier yang terdiri dari enam buah dioda yang dihubung jembatan berfungsi untuk mengkonversikan tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah (Penyearah). Untuk meratakan tegangan keluaran dipasang tapis kapasitor elektrolitik C pada terminal keluaran penyearah. Jika nilai kapasitor tersebut cukup besar, tegangan searah yang dihasilkan adalah :

VVVF § Tegangan searah keluaran bridge rectifiers setelah ditapis dengan kapasitor C, selanjutnya dikonversi menjadi tegangan bolak-balik oleh Inverter. Tegangan bolakbalik dan frekuensi keluaran inverter dapat bervariasi sesuai dengan kendali inverter tersebut. Inverter dikendalikan dengan menggunakan teknik modulasi lebar pulsa (PWM).

T e k n i k PWM

PWM • Teknik PWM pada sistem VVVF diperlihatkan seperti pada Gb. 6. Suatu gelombang referensi tiga-fasa dibandingkan dengan gelombang pembawa (carrier) berupa gelombang segitiga frekuensi tinggi. Misal untuk fasa U jika nilai sesaat gelombang referensi fasa U (Eu) lebih tinggi dari nilai sesaat gelombang segitiga (Ecarr) maka transistor T 1 akan menerima sinyal ON, pada kondisi ini tegangan fasa U relatif terhadap titik tengah tegangan sumber akan bernilai +Ed/2. Sedangkan jika nilai sesaat gelombang referensi fasa U (Eu) lebih rendah dari nilai sesaat gelombang segitiga (Ecarr) maka transistor T 2 akan menerima sinyal ON, pada kondisi ini tegangan fasa U relatif terhadap titik tengah tegangan sumber akan bernilai -Ed/2. Komponen dasar gelombang tegangan keluaran VVVF akan mempunyai nilai sebagai berikut :

PWM • Pada persamaan (4) dan (5); adalah frekuensi sudut gelombang referensi, Vr dan Vc masing-masing adalah amplitudo gelombang referensi dan gelombang pembawa. Jadi, komponen dasar gelombang tegangan keluaran VVVF dapat diatur besar dan frekuensinya dengan cara mengatur amplitudo dan frekuensi gelombang referensi. Rasio antara frekuensi gelombang pembawa dan frekuensi gelombang referensi akan menentukan kualitas modulasi yang didapat. Untuk VVVF yang menggunakan transistor bipolar umumnya frekuensi gelombang pembawa atau frekuensi switching yang digunakan sebesar 5 k. Hz. Karena faktor modulasi maksimum adalah satu, maka tegangan keluaran maksimum VVVF adalah :

Skema umum VVVF

MODEL VSD

IECS Gb. 2. 1 Diagram blok sederhana IECS

IECS Gb. 2. 2 Rangkaian umum pengendali motor

Sinyal Converter

Sinyal Inverter

Kendali Inverter

VSD- SPEEDSTART 2000 (Pemeliharaan & Troubleshooting) • VSD-SPEED START 2000 adalah peralatan untuk mengendalikan motor elektrik AC. • Metode pengendaliannya menggunakan Flux vektor kontrol dengan teknik PWM. • Pengendali ini mempunyai ciri antara lain ; Sistem kendali loop tertutup dan pengontrolan torka secara tak langsung. • Dilengkapi dengan operator interface

Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000 6 Pulsa

Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000 12 Pulsa

Service

Troubleshooting

Troubleshooting • Troubleshooting adalah penelusuran untuk mencari kesalahan penyebab gangguan dengan maksud memperbaiki kesalahan tersebut.

Penyebab Gangguan

Kondisi Gangguan 1. 2. 3. 4. Akselerasi, berjalan normal, dekselerasi atau bahkan ketika belum dijalankan. Ketika mengubah frekuensi keluaran VSD belum terhubung ke motor VSD sudah terhubung ke motor, tetapi motor tersebut belum dibebani.

OVERCURRENT (ACC) or DC OVERCURRENT(ACC) Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat akselerasi Periksa : Apakah setting Acceleration Time terlalu pendek ? Idc > 215 % Idc Nominal Io >215 % Io Nominal Ø Periksa jika ada kontaktor terpasang antara VSD dengan motor. §Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor) § Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

OVERCURRENT (DEC) or DC OVERCURRENT (DEC) Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat dekselerasi Periksa : Apakah setting Deceleration Time terlalu pendek ? Idc > 215 % Idc Nominal Ø Periksa Braking Resistor (optional) §Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor) § Periksa mekanik yang terkopling dengan motor. Io > 215 % Io Nominal

OVERCURRENT (RUN) or DC OVERCURRENT (RUN) Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat sedang beroperasi Idc > 215 % Idc Nominal Io > 215 % Io Nominal §Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor) § Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

U-PHASE SHORT-CIRCUIT or V-PHASE SHORTCIRCUIT or W-PHASE SHORT-CIRCUIT • Hubung singkat pada transistor inverter Periksa Transistor:

LOAD-END OVERCURRENT Hubung singkat pada transistor inverter dan motor Periksa : Apakah terminal keluaran VSD short ? Megger Motor (sebelumnya lepas motor dari VSD dan lepas kapasitor koreksi daya (jika ada)

OVER VOLTAGE (ACC) or OVER VOLTAGE (RUN) • Bus DC 787 VDC Overvoltage or Spiked ++ Reaktor atau pindah tap trafo ++ dinamic braking resistor (optional)

OVER VOLTAGE (DEC) setting Deceleration Time terlalu pendek • Bus DC 787 VDC Overvoltage or Spike ++ Reaktor atau pindah tap trafo ++ dinamic braking resistor (optional)

INVERTER OVERLOAD VSD dibebani > 100% dari kapasitas nominalnya, umumnya indikasi yang ditunjukkan overcurrent atau dapat juga tegangan keluarannya bernilai nol.

MOTOR OVERLOAD Jika motor dibebani > 100 % dari kapasitas motor, temperatur lebih akan terjadi pada motor, indikasi yang ditunjukkan “motor overload” disini pada dasarnya adalah kejadian temperatur lebih tersebut. Periksa : Apakah memang over temperature atau setting pada operator interface-nya yang disetting rendah.

INVERTER OVERHEAT Penyebabnya temperature heatsink melebihi 900. Periksa : Apakah beberapa fan ada yang tidak berfungsi dan bersihkan heatsink dari sesuatu yang menghambat aliran udara ke heatsink tersebut. Apakah thermistor pada heatsink rusak? EMERGENCY OFF Mungkin tombol STOP ditekan

Komponen Elektronika Daya

Sistem Elektronika Daya

KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA • • RESISTOR KAPASITOR INDUKTOR DIODA THYRISTOR BJT , MDs MOSFET IGBT

Resistor Ω Simbol Macam-macam resistor Cara membaca resistor

Variable Resistor Potensiometer Simbol Bentuk Fisik

KAPASITOR Farad Michel Faraday Polar Simbol non Polar

Induktor Simbol

Memperkirakan Nilai Induktor Susunan belitan induktor inti udara

Dioda Gb. 1. 13 Dioda : (a) simbol, (b) karakteristik arus-tegangan, (c) karakteristik ideal. Schottky diodes Fast-recovery diodes dioda turn-off Line-frequency diodes