Variable Speed Drive

1
Variable Speed Drive
Electrical Energy Conversion Research
Laboratory Institute of Technology Bandung
2
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

3
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.

4
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
5
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.
6
VVVF FOR AC DRIVE
7
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)
8
Torka Motor

• Torka motor induksi didefinisikan sesuai dengan
  persamaan berikut

(2)
9
Rangkaian Pengganti Motor Induksi
10
Summary

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

11
Problems

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

12
Daerah pengaturan motor induksi
13
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).
14
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.

15
Efisiensi energi VVVF
16
Skema umum VVVF
17
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

18
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).

19
Teknik PWM
20
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

21
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

22
Skema umum VVVF
23
MODEL VSD
24
IECS
Gb.2.1 Diagram blok sederhana IECS
25
IECS
Gb.2.2 Rangkaian umum pengendali motor
26
Sinyal Converter
27
Sinyal Inverter
28
Kendali Inverter
29
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

30
Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000
6 Pulsa
31
Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000
12 Pulsa
32
Service
33
Troubleshooting
34
Troubleshooting

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

35
Penyebab Gangguan
36
Kondisi Gangguan

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

37
OVERCURRENT (ACC) or DC OVERCURRENT(ACC)
Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau
penyearah saat akselerasi Periksa Apakah
setting Acceleration Time terlalu pendek ?
Idc gt 215 Idc Nominal
Io gt215 Io Nominal

• Periksa jika ada kontaktor terpasang antara VSD
  dengan motor.
• Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok
  rotor)
• Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

38
OVERCURRENT (DEC) or DC OVERCURRENT (DEC)
Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau
penyearah saat dekselerasi Periksa Apakah
setting Deceleration Time terlalu pendek ?
Idc gt 215 Idc Nominal
Io gt 215 Io Nominal

• Periksa Braking Resistor (optional)
• Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok
  rotor)
• Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.

39
OVERCURRENT (RUN) or DC OVERCURRENT (RUN)
Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau
penyearah saat sedang beroperasi
Idc gt 215 Idc Nominal
Io gt 215 Io Nominal

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

40
U-PHASE SHORT-CIRCUIT or V-PHASE SHORT-CIRCUIT or
W-PHASE SHORT-CIRCUIT

• Hubung singkat pada transistor inverter
• Periksa Transistor

41
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)
42
OVER VOLTAGE (ACC) or OVER VOLTAGE (RUN)

• Bus DC 787 VDC

Overvoltage or Spiked
Reaktor atau pindah tap trafo
dinamic braking resistor (optional)
43
OVER VOLTAGE (DEC)
setting Deceleration Time terlalu pendek

• Bus DC 787 VDC

Overvoltage or Spike
Reaktor atau pindah tap trafo
dinamic braking resistor (optional)
44
INVERTER OVERLOAD
VSD dibebani gt 100 dari kapasitas nominalnya,
umumnya indikasi yang ditunjukkan overcurrent
atau dapat juga tegangan keluarannya bernilai nol.
45
MOTOR OVERLOAD
Jika motor dibebani gt 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.
46
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
47
Komponen Elektronika Daya
48
Sistem Elektronika Daya
49
KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA

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

50
Resistor
51
Variable ResistorPotensiometer
52
KAPASITOR

53
Induktor
54
Memperkirakan Nilai Induktor
Susunan belitan induktor inti udara
55
Dioda
Gb.1.13 Dioda (a) simbol, (b) karakteristik
arus-tegangan, (c) karakteristik ideal.
Schottky diodes
Fast-recovery diodes
Line-frequency diodes
56
Dioda
57
Thyristor
Gb.1.16 Thyristor, (a) symbol, (b) karakteristik
i-v, (c) .karakteristik ideal
58
Thyristor
Bentuk Fisik
59
BJT
Gb.118 BJT (a) simbol, (b) karakteristik i-v,
(b) karakteristik ideal
60
BJT
MDs
Gb.119 Konfigurasi darlington (a) Darlington
(b) Triple darlington
61
BJT
Bentuk Fisik
62
MOSFET
Gb.121 MOSFET (a) simbol, (b) karakteristik i-v,
(b) karakteristik ideal
Gb.1.22 Bentuk fisik MOSFET
63
IGBT
Gb.1.21 IGBT (a) simbol, (b) karakteristik i-v,
(b) karakteristik ideal
64
IGBT
Gb.1.22 Bentuk fisik IGBT
65
IGBT
Gb.1.22 Bentuk fisik IGBT
66
Pengujian Komponen
67
Pengujian Thyristor Daya
68
Pengujian Transistor Daya
69
Pengujian Sementara