Panduan untuk memilih Variable Frequency Drive (VFD) yang tepat untuk aplikasi motor.

Kontrol VFD, aplikasi, skema

Artikel ini membahas konsep Variable Frequency Drive (VFD) dalam beberapa aspek yang paling penting dalam memilih VFD yang tepat untuk suatu aplikasi. Salah satu faktor penting adalah jenis kontrol yang dibutuhkan untuk aplikasi tertentu, karena tidak jarang terjadi kesalahan pemilihan jenis kontrol yang tidak memberikan kinerja yang diinginkan.

Selain itu, dampak yang diperkirakan akan terjadi pada aplikasi motor akibat penggunaan VFD juga dibahas, beserta persyaratan pentanahan.

Seringkali, VFD dikaitkan dengan aplikasi tegangan rendah (LV); aplikasi tegangan menengah (MV) seringkali diabaikan, sehingga perbedaan utamanya disorot. Terakhir, skema VFD disajikan untuk memberikan gambaran umum tentang gambar-gambar yang mungkin ditemui.

Daftar isi:

1. Pengantar VFD

Metode paling sederhana untuk mengontrol kecepatan motor adalah dengan mengoperasikannya pada kecepatan penuh, tetapi banyak aplikasi membutuhkan kecepatan variabel . Banyak teknologi telah digunakan sebelum munculnya penggerak frekuensi variabel (VFD) untuk mengontrol kecepatan, antara lain: katup kontrol, peredam, dan baling-baling; kopling arus eddy; mesin berbahan bakar fosil; puli dengan pitch variabel; kopling hidrolik dan kontrol solid-state DC.

Awalnya, motor DC digunakan sebagai VFD karena dapat dengan mudah mencapai kecepatan dan torsi yang dibutuhkan tanpa memerlukan elektronik yang canggih.

Namun, evolusi teknologi penggerak kecepatan variabel AC sebagian didorong oleh keinginan untuk meniru kinerja unggul motor DC, seperti respons torsi yang cepat dan akurasi kecepatan , sambil menggunakan motor AC yang kokoh, murah, dan bebas perawatan.

Fungsi dari setiap blok VFD adalah sebagai berikut:

Tambahkan Teks Tajuk Anda Di Sini

Penyearah gelombang penuh yang mengubah arus bolak-balik (AC) yang diberikan menjadi arus searah (DC) .

bus DC

Juga disebut sebagai penghubung DC, komponen ini menghubungkan output penyearah ke input inverter. Bus DC berfungsi sebagai filter untuk menghaluskan output yang tidak rata dan bergelombang, sehingga output yang telah diperbaiki sedekat mungkin menyerupai DC murni .

Inverter

Inverter mengambil arus DC yang telah difilter dari bus DC dan mengubahnya menjadi bentuk gelombang DC berdenyut . Dengan mengontrol keluaran inverter, bentuk gelombang DC berdenyut dapat mensimulasikan bentuk gelombang AC pada frekuensi yang berbeda.

Logika kontrol

Sistem logika kontrol menghasilkan pulsa yang diperlukan untuk mengontrol penyalaan perangkat semikonduktor daya seperti SCR dan transistor . Rangkaian kontrol yang cukup kompleks mengkoordinasikan pengalihan perangkat daya, biasanya melalui papan kontrol yang menentukan penyalaan komponen daya dalam urutan yang tepat.

Mikroprosesor tertanam digunakan untuk semua logika internal dan kebutuhan pengambilan keputusan.

Jumlah pulsa pada konverter menentukan jumlah komutasi yang digunakan dalam satu periode fundamental untuk mengubah AC menjadi DC. Konverter dasar untuk sistem tiga fasa adalah topologi B6 (lihat Gambar 2). Konverter B6 menggunakan 6 komutasi dalam satu periode fundamental. Hal ini menghasilkan komutasi setiap 60 derajat.

Tabel 1 mencantumkan jumlah pulsa konverter yang umum. Selain itu, jumlah terminal sekunder transformator isolasi (jika ada) berbanding lurus dengan jumlah pulsa penggerak sesuai dengan rumus berikut:

xmfr _#sekunder × 6 = Konverter _#pulsa

Sebagai contoh, penggerak dengan satu sekunder akan memiliki konverter 6-pulsa, sedangkan penggerak dengan 4 sekunder akan menghasilkan konverter 24-pulsa. Gambar 3 menggambarkan konverter 12-pulsa dengan dua konverter B6 dan dua sekunder transformator.

Pada inverter di luar tipe 6-pulsa, pergeseran fasa antar sekunder diperlukan untuk mengurangi harmonik dan membagi beban seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4. Rumus untuk menghitung pergeseran fasa transformator adalah 360/#pulsa , sehingga pergeseran fasa untuk VFD 12-pulsa adalah 30° dan 20° untuk VFD 12-pulsa.

Penting untuk dicatat bahwa VFD bukanlah starter motor , karena beroperasi dalam mode berjalan, di mana arus dan torsi berbanding lurus satu sama lain dalam persentase.

2. Jenis kontrol VFD

Di sini kami menganalisis pengaruh variasi parameter suplai input (tegangan dan frekuensi) terhadap karakteristik dan kinerja motor induksi (seperti kerapatan fluks, kecepatan, torsi, daya kuda, dll.). Kami juga menilai pengaruh variasi satu parameter terhadap parameter lainnya dan kemudian memilih skema solid-state yang paling tepat untuk mencapai kinerja yang dibutuhkan.

Secara umum, kita membahas skema-skema berikut:

Kontrol V/f (kontrol kecepatan pada torsi konstan).
Kontrol fasor (vektor).
Kontrol torsi langsung (DTC).

2.1. Kontrol V/f (kontrol kecepatan pada torsi konstan)

Motor induksi sangkar tupai adalah motor tiga fasa yang paling umum digunakan dalam aplikasi komersial dan industri. Metode pengendalian kecepatan yang disukai untuk motor induksi sangkar tupai adalah dengan mengubah frekuensi tegangan suplai .

Karena prinsip kerja penggerak ini adalah untuk mengubah frekuensi ke motor guna mengubah kecepatan, nama yang paling tepat untuk sistem ini adalah penggerak frekuensi variabel (VFD). Namun, nama lain yang digunakan untuk merujuk pada jenis penggerak ini termasuk penggerak kecepatan variabel (ASD), penggerak frekuensi variabel (AFD), penggerak kecepatan variabel (VSD), dan konverter frekuensi (FC).

VFD (Variable Frequency Drive) mengontrol kecepatan, torsi, dan arah motor induksi AC . VFD menerima input AC dengan tegangan dan frekuensi tetap dan mengubahnya menjadi output AC dengan tegangan dan frekuensi variabel. Baik referensi tegangan maupun frekuensi dimasukkan ke dalam modulator yang mensimulasikan gelombang sinus AC dan mengirimkannya ke kumparan stator motor.

Teknik ini disebut modulasi lebar pulsa (PWM) dan memanfaatkan fakta bahwa terdapat penyearah dioda pada sumber listrik utama dan tegangan DC perantara dijaga konstan.

Inverter mengontrol motor dalam bentuk rangkaian pulsa PWM yang menentukan tegangan dan frekuensi.

Yang penting, metode ini tidak menggunakan perangkat umpan balik yang mengambil pengukuran kecepatan atau posisi dari poros motor dan memasukkannya kembali ke dalam loop kontrol. Pengaturan seperti itu, tanpa perangkat umpan balik, disebut ” penggerak loop terbuka “. Skema dasar kontrol V/f diilustrasikan pada Gambar 5.

Motor induksi menghasilkan torsi sebagai berikut: T = k ₁ Φ _m I ₂

Fluks magnetisasi ditemukan sebagai: Φ _m = k ₂ × V/f

Di mana:

T : torsi yang tersedia pada poros (Nm).
Φ _m : fluks magnetisasi (Wb).
I ₂ : arus rotor (A); bergantung pada beban.
V : tegangan stator (V).
k ₁ dan k ₂ : konstanta yang bergantung pada material dan desain mesin.

Jelas dari kedua persamaan tersebut bahwa beban torsi konstan bergantung pada arus rotor, yang pada gilirannya bergantung pada beban.

Oleh karena itu, arus rotor praktis konstan, maka dengan memvariasikan amplitudo dan frekuensi tegangan yang diberikan ke motor secara proporsional akan menghasilkan fluks konstan dan karenanya torsi konstan sementara arus tetap tidak berubah.

Oleh karena itu, motor tersebut menyediakan penyesuaian kecepatan dan torsi secara terus menerus terkait dengan beban mekanis . Kerugian dapat diminimalkan sesuai dengan kondisi beban dengan menjaga slip tetap konstan pada kecepatan berapa pun, untuk beban tertentu.

Rasio V/f dijaga konstan hingga frekuensi dasar (terukur) motor. Dari frekuensi ini ke atas, tegangan dijaga konstan pada nilai dasarnya (terukur), sementara frekuensi yang diterapkan pada kumparan stator terus meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Daerah di atas frekuensi dasar disebut sebagai pelemahan medan, di mana fluks berkurang sebagai akibat dari peningkatan frekuensi, menyebabkan torsi motor menurun secara bertahap. Kurva torsi versus kecepatan tipikal dari motor induksi yang diberi daya inverter diilustrasikan pada Gambar 7.

Torsi tetap konstan hingga frekuensi dasar dan setelah titik ini, torsi menurun (medan melemah). Karena daya keluaran berbanding lurus dengan torsi dikalikan kecepatan, daya keluaran meningkat secara linier hingga frekuensi dasar dan dari titik itu ke atas tetap konstan.

Penggerak volt per hertz mungkin mencakup beberapa penyempurnaan sebagai berikut:

Peningkatan tegangan frekuensi rendah (juga disebut kompensasi IR): Di bawah 15 Hz, tegangan yang diberikan ke motor ditingkatkan untuk mengkompensasi kehilangan daya yang dialami motor AC pada kecepatan rendah dan meningkatkan kemampuan torsi awal.
Kompensasi selip kondisi tunak: Meningkatkan frekuensi berdasarkan pengukuran arus untuk memberikan pengaturan kecepatan kondisi tunak yang lebih baik.
Kompensasi stabilitas: Untuk mengatasi ketidakstabilan frekuensi menengah yang terlihat pada motor efisiensi tinggi.

Meskipun demikian, kontrol V/f memiliki beberapa kekurangan yang membatasi efektivitasnya dalam kasus-kasus tertentu . Faktanya, pada kecepatan yang sangat rendah, sekitar 5% dari kecepatan penuh (pada 5% f) atau kurang, motor mungkin tidak mampu menghasilkan torsi teoritisnya karena tegangan stator yang sangat rendah.

Di sisi lain, motor akan menimbulkan proporsi kerugian yang relatif lebih tinggi dan efisiensi mesin yang lebih rendah. Akibatnya, kontrol V/f tidak cocok , dan aplikasinya terbatas hanya pada beban tipe kipas, pompa, dan kompresor, di mana pengaturan kecepatan tidak perlu akurat, dan kinerja kecepatan rendah atau respons transiennya tidak kritis, serta tidak diharuskan beroperasi pada kecepatan yang sangat rendah. Kontrol ini terutama digunakan untuk memulai secara perlahan dan untuk menghemat energi selama variasi beban.

Selain itu, kontrol kecepatan mungkin tidak terlalu akurat dan waktu respons mungkin tidak sebanding dengan kebutuhan sistem yang berubah dengan cepat.

2.2. Kontrol fasor (vektor)

Penggerak yang dikendalikan fasor merupakan solusi untuk keterbatasan kontrol v/f, karena dapat memberikan kontrol kecepatan yang sangat akurat bahkan pada kecepatan yang sangat rendah. Memang, ini memungkinkan respons yang cepat dan tingkat presisi yang tinggi pada kontrol kecepatan dan torsi motor. Pada dasarnya, arus motor dipisahkan menjadi dua vektor, satu untuk menghasilkan fluks magnetisasi dan yang lainnya untuk menghasilkan torsi, masing-masing diatur secara terpisah.

Sistem ini bisa berupa sistem loop terbuka (tanpa sensor) atau sistem loop tertutup (dengan umpan balik) .

Umpan balik kecepatan berupa sensor kecepatan (misalnya, encoder inkremental) dan diperlukan pada motor. Mode kontrol ini memberikan akurasi yang tinggi baik pada torsi maupun kecepatan motor bahkan pada kecepatan yang sangat rendah (dan nol). Di sisi lain, tipe tanpa sensor lebih sederhana daripada kontrol loop tertutup, tetapi aksinya terbatas terutama pada kecepatan yang sangat rendah.

Pada kecepatan yang lebih tinggi, mode kontrol ini praktis sama baiknya dengan kontrol vektor umpan balik. Tidak seperti tipe kontrol V/f, tipe kontrol fasor tidak dapat digunakan dalam aplikasi multi-motor.

Aplikasi umum yang membutuhkan torsi tinggi pada kecepatan rendah seperti itu bisa berupa jalur proses pabrik baja atau penanganan material (misalnya, menahan beban agar tetap diam pada ketinggian tertentu oleh derek, sambil memindahkan material dari satu lokasi ke lokasi lain).

2.3. Kontrol torsi langsung

Dengan teknologi kontrol torsi langsung (DTC) revolusioner yang dikembangkan oleh ABB, orientasi medan dicapai tanpa umpan balik menggunakan teori motor canggih untuk menghitung torsi motor secara langsung dan tanpa menggunakan modulasi. Variabel pengontrolnya adalah fluks magnetisasi motor dan torsi motor.

Kontrol torsi langsung menggambarkan cara kontrol torsi dan kecepatan didasarkan langsung pada keadaan elektromagnetik motor, mirip dengan motor DC, tetapi berbeda dengan cara penggerak PWM tradisional menggunakan frekuensi dan tegangan input.

DTC adalah teknologi pertama yang mengontrol variabel kontrol motor “nyata” yaitu torsi dan fluks . Dengan DTC, tidak ada modulator dan tidak ada persyaratan untuk takometer atau encoder posisi untuk memberikan umpan balik kecepatan atau posisi poros motor. DTC menggunakan perangkat keras pemrosesan sinyal digital tercepat yang tersedia dan pemahaman matematis yang lebih maju tentang cara kerja motor.

Hasilnya adalah penggerak dengan respons torsi yang biasanya 10 kali lebih cepat daripada penggerak AC atau DC mana pun. Akurasi kecepatan dinamis penggerak DTC akan 8 kali lebih baik daripada penggerak AC loop terbuka mana pun dan sebanding dengan penggerak DC yang menggunakan umpan balik.

DTC memproduksi drive “universal” pertama yang mampu berfungsi seperti drive AC atau DC.

KONTEN PREMIUM

Kategori “Motor Listrik” dikhususkan untuk artikel-artikel teknis tentang motor listrik. Ratusan artikel yang diterbitkan menjelaskan tentang motor induksi satu fasa dan tiga fasa serta jenis motor lainnya, konstruksinya, metode penyalaan, proteksi, diagram pengkabelan, perawatan, dan prosedur pengujian. Perhatian khusus diberikan pada analisis skema motor dan pemecahan masalah.