Variable Speed Drive Part 1

Posted on August 4, 2010

45



Ketika kontrol motor tidak lagi sekedar ON/OFF saja maka sudah saatnya menggunakan variable speed drive. Sebuah alat yang mampu untuk menawarkan fungsi pengontrolan motor yang lebih lanjut. Itulah yang saya dapatkan ketika kuliah tanpa pernah melihat kerja langsung dari sebuah VSD dan contoh barangnya.

Apa itu variable speed drive?

Variable speed drive atau juga disebut dengan variable frequency drive atau singkatnya disebut dengan inverter adalah solusi aplikasi yang membutuhkan kemampuan pengaturan motor lebih lanjut, misal: pengaturan putaran motor sesuai bebannya atau sesuai nilai yang kita inginkan. Penggunaan VSD bisa untuk aplikasi motor AC maupun DC. Istilah inverter sering digunakan untuk aplikasi AC.

Ada tiga jenis inverter yang biasa dipelajar di bangku kuliah:

  1. variable voltage inverter (VVI)
  2. current source inverter (CSI)
  3. pulse width inverter (PWM)
  4. cycloconverter

Bagaimana prinsip kerja variable speed drive?

Secara sederhana untuk drive AC, variable speed drive atau inverter akan mengubah AC ke DC yang kemudian diatur dengan suatu teknik penyaklaran ‘switching‘ mengubah DC menjadi tegangan dan frekuensi keluaran AC yang bervariasi.

Variable Voltage Inverter (VVI)

Jenis inverter ini menggunakan konverter jembatan SCR untuk mengubah tegangan input AC ke DC. SCR adalah komponen elektronika daya yang memiliki kemampuan untuk mengatur nilai tegangan DC mulai dari 0 hingga mendekati 600 VDC. Induktor L1 sebagai choke dengan kapasitor C1 membentuk bagian dengan istilah DC-link yang membantu memperhalus kualitas tegangan DC hasil konversi. Bagian inverter sendiri terdiri dari kumpulan divais penyaklaran seperti: thyristor, transistor bipolar, MOSFET, atau IGBT. Gambaran berikut menunjukkan inverter yang menggunakan transistor bipolar. Pengatur logika, biasanya dalam bentuk kartu elektronik, yang memiliki komponen utama sebuah mikroprosesor akan mengatur kapan waktu transistor-transistor inverter hidup atau mati untuk menghasilkan tegangan dan frekuensi yang bervariasi untuk dilanjutkan ke motor sesuai bebannya.

vvi

variable voltage inverter circuit

Tipe inverter ini menggunakan enam langkah untuk menyelesaikan satu putaran 360°(6 langkah masing-masing 60°). Oleh karena hanya enam langkah, inverter jenis ini memiliki kekurangan yaitu torsi yang pulsatif (peningkatan/penurunan nilai yang mendadak) setiap penyaklaran terjadi. Dan ini dapat ditemui pada operasi kecepatan rendah seiring variasi putaran motor. Istilah teknis dari putaran yang bervariasi ini adalah cogging. Selain itu, bentuk gelombang sinyal keluaran yang tidak sinusoidal sempurna mengakibatkan pemanasan berlebih di motor yang mengakibatkan motor mesti dijalankan di bawah nilai rating-nya.

vvi waveform

waveform of a vvi

Current Source Inverter (CSI)

Jenis inverter satu ini menggunakan SCR untuk menghasilkan tegangan DC-link yang bervariasi untuk suplai ke bagian inverter yang juga terdiri dari SCR untuk menyaklarkan keluaran ke motor. Beda dengan VVI yang mengontrol tegangan, CSI justru mengontrol arus yang akan disuplai ke motor. Karena inilah pemilihan motor haruslah hati-hati agar cocok dengan drive. Berikut gambaran sederhana inverter sumber arus.

 

CSI

current source inverter schematic

 

Percikan arus akibat proses penyaklaran dapat dilihat pada keluaran jika kita mengukurnya menggunakan osciloscope. Pada kecepatan rendah sifat arus yang pulsatif dapat mengakibatkan motor tersendat ‘cog‘.

csi waveform

waveform of current source inverter output

Pulse Width Modulation

Teknik penyaklaran satu ini memberikan output yang lebih sinusoidal dibandingkan dua jenis inverter sebelumnya. Drive yang menggunakan PWM terbukti lebih efisien dan memberikan tingkat performa yang lebih tinggi. Sama seperti VVI, sebuah PWM juga terdiri atas rangkaian konverter, DC link, control logic, dan sebuah inverter. Biasanya konverter yang digunakan adalah tipe tidak terkontrol (dioda biasa) namun juga ada yang menggunakan setengah terkontrol atau kontrol penuh. Perhatikan gambar sebuah PWM berikut ini.

PWM drive

PWM drive basic schematic

Konverter

Konverter akan mengubah tegangan AC 3 fasa menjadi tegangan DC dan dihaluskan oleh rangkaian induktor L1 dan kapasitor C1. Nilai tegangan DC yang dihasilkan adalah 1.35 kali tegangan inputnya, misal: 480VAC dihasilkan 650 VDC.

Inverter

Untuk bagian inverter, rangkaian PWM di atas menggunakan divais elektronika daya “Insulated Gate Bipolar Transistor” (IGBT ). IGBT memiliki kemampuan penyaklaran yang sangat tinggi hingga ribuan kali per detik dimana dapat aktif kurang dari 400 nano detik dan mati dalam waktu 500 nano detik. IGBT dibangun oleh sebuah gate, kolektor, dan emiter. Saat gate diberikan tegangan positif (biasanya +15VDC), arus akan mengalir melalui kolektor dan emiter. IGBT akan mati saat tegangan positif dihilangkan dari gate. Selama kondisi mati, tegangan gate IGBT akan ditahan pada nilai tegangan negatif yang kecil sekitar -15V VDC untuk mencegah agar tidak hidup dengan sendirinya.

igbt

insulated gate bipolar transistor

Berikut gambaran gelombang keluaran inverter PWM. Penjelasan PWM sendiri adalah di luar dari bahasan kita kali ini.

PWM

PWM waveform

Sebagai catatan, amplituda tegangan dapat kita mainkan dengan mengatur durasi hidupnya. Untuk frekuensi rendah yang membutuhkan tegangan rendah, durasi ini akan diperpendek hingga pembentukan arus dan tegangan motor akan lambat. Dengan memperpanjang durasi penyaklaran, pembentukan arus dan tegangan akan cukup lama hingga mencapai nilai yang maksimal dibandingkan waktu yang lebih pendek.

PWM control

PWM waveform for controlling voltage amplitude

Cukup sekian untuk tulisan saat ini. Di tulisan selanjutnya kita akan membahas prinsip kerja kontrol drive dan aplikasinya.

Semoga bermanfaat. :)

Referensi

http://ecmweb.com/powerquality/electric_improving_power_factor/

http://www3.sea.siemens.com/step/flash/STEPACDrives/index.htm

http://www3.sea.siemens.com/step/flash/STEPControlComponents/index.htm

http://www3.sea.siemens.com/step/flash/acmotors/index.htm

Variable Voltage                       The variable voltage inverter (VVI) uses an SCR converter
Inverter (VVI)                            bridge to convert the incoming AC voltage into DC. The SCRs
provide a means of controlling the value of the rectified DC
voltage from 0 to approximately 600 VDC. The L1 choke and
C1 capacitor(s) make up the DC link section and smooth
the converted DC voltage. The inverter section consists of
six switching devices. Various devices can be used such as
thyristors, bipolar transistors, MOSFETS, and IGBTs. The
following schematic shows an inverter that utilizes bipolar
transistors. Control logic (not shown) uses a microprocessor
to switch the transistors on and off providing a variable voltage
and frequency to the motor

 

About these ads
Posted in: Bagi Ilmu, Control