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.

Elektronika Daya

Mikroprosessor,

Digital Signal

Processing

Status, parameterEncoder, Dekoder (servo)Tacho

Generator, Tegangan, Arus, dll

Elements of VSD Interaksi kegunaan;

meminimalkan gangguan terhadap sistem lain misal EMI (elektromagnetic Interference)

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.

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).

VVVF FOR AC DRIVEVVVF 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 :

120s

fNP

(1)

Torka Motor• Torka motor induksi didefinisikan sesuai

dengan persamaan berikut :

2

22

32

r slm

r sl lr

RP ETR L

(2)

sl r

Rangkaian Pengganti Motor Induksi

RsLlr

Lm

Rrs

V E Ir

Summary

Pengendalian motor induksi dapat dilakukan dengan cara :

• Mengubah jumlah kutub motor• Mengubah tegangan sumber• Mengubah frekuensi sumber• Menambahkan tahanan luar

ProblemsDaerah Pengaturan :

• Mengubah jumlah kutub motor

• Mengubah tegangan sumber

• Mengubah frekuensi sumber (OK)

• Menambahkan tahanan luar

2

22

32

r slm

r sl lr

RP ETR L

120s

fNP

/ dijaga tetapE

Daerah pengaturan motor induksi

1,0

1,0 2,50

Frekuensi (p.u)Kompensasiresistansi stator

Tega

ngan

(p.u

)Torka konstan Daya konstan

Arus jangkar

Kurva tegangan

Kurva Torka

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

20 40 60 80 100

20

40

60

80

100

Faktor Beban (%)

Rasio

Kons

umsi

Daya

(%)

Kecepatan konstan

Kecepatan diatur

Efek konservasi energi

Skema umum VVVF

MACLINE C

Bridge Rectifiers Inverter

D1 D3 D5

D2 D4 D6

T1 T3 T5

T2 T4 T6

• 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 :

3 2 3d llE E

VVVF

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

VVVF

Teknik

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 T1 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 T2 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 :

.1 sin2

4dph

Ev k t 5r

c

VkV

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 kHz. Karena faktor modulasi maksimum adalah satu, maka tegangan keluaran maksimum VVVF adalah :

.max3 3 3

0,8322 2

(6)d llll ll

E EV E

PWM

Skema umum VVVF

MACLINE C

Bridge Rectifiers Inverter

D1 D3 D5

D2 D4 D6

T1 T3 T5

T2 T4 T6

3 2 3d llE E

.max3 3 3

0,8322 2

d llll ll

E EV E

MODEL VSDMODEL VSD

IECS

MAC-LINE

DC-LINKConverter

Pengendali

Inveter

Pengendali

Gb.2.1 Diagram blok sederhana IECS

IECS

MACLINE C

L

Aru s Be b a n

KONVERTER INVERTER

ke ndalikonv e r te r

ke ndaliin v e rte r

PW MPu lsa G a te

TeganganA C 3 f asa

TeganganDC

Gb.2.2 Rangkaian umum pengendali motor

Sinyal Converter

MACLINE C

L

Aru s Be b a n

KONVERTER INVERTER

ke ndalikonv e rte r

ke nda liin v e r te r

PW MPu lsa G a te

TeganganA C 3 f as a

TeganganDC

Sinyal Inverter

MACLINE C

L

Aru s Be b a n

KONVERTER INVERTER

ke ndalikonv e rte r

ke nda liin v e r te r

PW MPu lsa G a te

TeganganA C 3 f as a

TeganganDC

Kendali Inverter

+

-

Arus ak tual PW M

Siny al pem bawa

• 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

VSD- SPEEDSTART 2000 (Pemeliharaan & Troubleshooting)

Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000

T1(U)

T2(V)

T3(W)

L1(R)

L2(S)

L3(T)

MCCB

M

Output Transf ormer(When used)

AC

Line (3 Phase)

Retif ier Inverter

Trafo

MACLINE C

L

Rectifier INVERTER

6 Pulsa

Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000 12 Pulsa

MCCB

L1(R)

L2(S)

L3(T)

T1(U)

T2(V)

T3(W)

M

L12

L22

L32

Output Transf ormer(When used)

AC

Line (9 Phase)

Trafo

InverterRetif ier

Service

Troubleshooting

Troubleshooting

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

Penyebab Gangguan

Konverter Beban

Pengendali

SumberDaya masukan Daya keluaran

ii

Referensi

Pengukuran

vi vo

SinyalKendali

io

VSD

Kondisi Gangguan

1. Akselerasi, berjalan normal, dekselerasi atau bahkan ketika belum dijalankan.

2. Ketika mengubah frekuensi keluaran3. VSD belum terhubung ke motor4. VSD sudah terhubung ke motor,

tetapi motor tersebut belum dibebani.

OVERCURRENT (ACC) or DC OVERCURRENT(ACC)

MACLINE C

L

Rectifier INVERTERIdc > 215 % Idc Nominal

Io >215 % Io Nominal

Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat akselerasi

Periksa : Apakah setting Acceleration Time terlalu pendek ?

Periksa jika ada kontaktor terpasang antara VSD dengan Periksa jika ada kontaktor terpasang antara VSD dengan motor.motor.

Periksa apakah motor tersumbat gerakannya Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor)(blok rotor) Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

OVERCURRENT (DEC) or DC OVERCURRENT (DEC)

MACLINE C

L

Rectifier INVERTERIdc > 215 % Idc Nominal

Io > 215 % Io Nominal

ArusArus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat saat dekselerasidekselerasi

Periksa : Apakah setting Periksa : Apakah setting Deceleration TimeDeceleration Time terlalu pendek ? terlalu pendek ?

Periksa Periksa Braking Resistor (optional)Braking Resistor (optional)Periksa apakah motor tersumbat gerakannya Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor)(blok rotor)

Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

OVERCURRENT (RUN) or DC OVERCURRENT (RUN)

MACLINE C

L

Rectifier INVERTER

Idc > 215 % Idc Nominal Io > 215 % Io Nominal

ArusArus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat sedang saat sedang beroperasiberoperasi

Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor) Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

U-PHASE SHORT-CIRCUIT or V-PHASE SHORT-CIRCUIT or W-PHASE SHORT-CIRCUIT

• Hubung singkat pada transistor inverterPeriksa Transistor:

MACLINE C

L

Rectifier INVERTER

LOAD-END OVERCURRENT

Hubung singkat pada transistor inverter dan motorPeriksa :

MACLINE C

L

Rectifier INVERTER

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

MACLINE C

L

Rectifier INVERTEROvervoltage or Spiked

++ Reaktor atau pindah

tap trafo++ dinamic braking resistor (optional)

OVER VOLTAGE (DEC)

• Bus DC 787 VDC

MACLINE C

L

Rectifier INVERTEROvervoltage or Spike

++ Reaktor atau pindah

tap trafo++ dinamic braking resistor (optional)

setting Deceleration Time terlalu pendek

INVERTER OVERLOAD

VSD dibebani > 100% dari kapasitas nominalnya, umumnya indikasi yang ditunjukkan overcurrent atau

dapat juga tegangan keluarannya bernilai nol.

MACLINE C

L

Rectifier INVERTER

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 OFFMungkin tombol STOP ditekan Mungkin tombol STOP ditekan

Komponen Elektronika Daya

Sistem Elektronika Daya

PemrosesDaya Beban

Pengendali

Sumber

Daya masukan Daya keluaran

ii io

Referensi

Pengukuran

vi vo

SinyalKendali

KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA

• RESISTOR• KAPASITOR• INDUKTOR• DIODA• THYRISTOR• BJT , MDs• MOSFET• IGBT

Resistor

IER Ω A B

Simbol

Macam-macam resistor

¼ W ½ W 1 W 2 W 5 W

Karbon Keramik

c i n c in ke -1a n g ka ke-1

c i n c in ke -2an gka ke-2

c in c i n ke -3ba nya kn ya no l

c in c i n ke -4T o le ra n s i

S ud a h d i tu l isde ng a n a n g ka

Cara membaca resistor

Variable ResistorPotensiometer

1

2

3

Simbol

Potens iometer Tr impot

Bentuk Fisik

KAPASITOR

Simbol VQC Farad

Michel Faraday

TantalumElektrolit

Polar

MKMMKP Millar

non Polar

Induktor

dtdi

Lv LL

intiuda r a

intim a gnetik

inti m a gne tikde nga n ga p

Simbol

induktor peredam 50 Hz8 H, r= 350

induktor peredamf rek. Radio 42 uH

induktor peredam 50 Hz5 mH, r= 50

Indukto r fi lter 24mH / 32 A Indukto r filte r 5 m H/ 15 A

Memperkirakan Nilai Induktor

r

p

prNrL

109..39,0 22

2.39,0)109(

rLprN

Susunan belitan induktor inti udara

Dioda

A K

+ -vD

iD

/ /

R ev ers ebloc k ing

region

v rated

vFvD

iD

I

0

(a ) (b )

(a )

vD

iD

0

(c )

0 t

trr

iD

iRm

dioda turn-off

Schottky diodes

Fast-recovery diodes

Line-frequency diodes

Gb.1.13 Dioda : (a) simbol, (b) karakteristik arus-tegangan, (c) karakteristik ideal.

Dioda

Vin Vo

Thyristor

(a)

A K

+ -vAK

iAiG

//

Reversebreakdown

voltage

vFvAK

iA

I

0

(b)

vAK

iA

0

(c)

//

Forwardbreakdown

voltage

Reverseblockingregion

Reversebreakdown

Off-onOff-on

On-state

Reverseblockingregion

Forwardbocking

Gb.1.16 Thyristor, (a) symbol, (b) karakteristik i-v, (c) .karakteristik ideal

Thyristor

Bentuk Fisik

BJT

Gb.118 BJT: (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (b) karakteristik ideal

Gb.119 Konfigurasi darlington : (a) Darlington (b) Triple darlington

FEhCI

BI BJT MDs

BJT

Bentuk Fisik

MOSFET

Gb.121 MOSFET: (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (b) karakteristik ideal

Gb.1.22 Bentuk fisik MOSFET

IGBT

Gb.1.21 IGBT: (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (b) karakteristik ideal

IGBT

Gb.1.22 Bentuk fisik IGBT

IGBT

Gb.1.22 Bentuk fisik IGBT

Pengujian Komponen

Pengujian Thyristor Daya

A K

G

BATT12 V

Lampu12 V/12 W

S1

Pengujian Transistor Daya

C E

BATT12 V

Lampu12 V/12 W

S1

BR

BATT9 V

Pengujian Sementara

C1 B1

E1/C2

B2 E2

Transistor Modul TOSHIBA-MG30G1JL1

Nila Display