Transcript 6. vsd - Akbar College

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 :
120 f
Ns 
P
(1)
Torka Motor
• Torka motor induksi didefinisikan sesuai
dengan persamaan berikut :
Rrsl
 3P  E 
Tm  
 
2
2
2


  Rr  sl Llr 
2
sl    r
(2)
Rangkaian Pengganti Motor Induksi
Llr
Rs
V
E
Lm
Ir
Rr
s
Summary
•
•
•
•
Pengendalian motor induksi dapat
dilakukan dengan cara :
Mengubah jumlah kutub motor
Mengubah tegangan sumber
Mengubah frekuensi sumber
Menambahkan tahanan luar
Problems
•
•
•
•
Daerah Pengaturan :
120 f
Ns 
Mengubah jumlah kutub
P
motor
Mengubah tegangan
2
Rrsl
 3P  E 
sumber
Tm  
 
2
2
2


  Rr  sl Llr 
Mengubah frekuensi
sumber (OK)
Menambahkan tahanan
dijaga tetap
luar
E /
Daerah pengaturan motor induksi
Torka konstan
1,0
Daya konstan
Tegangan (p.u)
Kurva Torka
Arus jangkar
Kurva tegangan
0
1,0
Kompensasi
resistansi stator
2,5
Frekuensi (p.u)
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
100
Rasio Konsumsi Daya (%)
80
Kecepatan konstan
60
Efek konservasi energi
40
Kecepatan diatur
20
20
40
60
Faktor Beban (%)
80
100
Skema umum VVVF
Bridge Rectifiers
D1
D3
Inverter
T1
D5
AC
LINE
T3
T5
M
C
D2
D4
D6
T2
T4
T6
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 :
Ed 
3 2

Ell
 3
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 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 :
Ed
v ph.1 
k sin t  4 
2
Vr
k
Vc
 5
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 :
Vll .max 
3Ed
2 2

3 3Ell
 0,83Ell (6)
2
Skema umum VVVF
Bridge Rectifiers
D1
D3
T1
D5
AC
LINE
T3
T5
M
C
D2
Ed 
Inverter
3 2

D4
Ell
D6
 3
T2
Vll .max
T4
3Ed
T6
3 3Ell


 0,83Ell
2
2 2
MODEL VSD
IECS
Converter
DC-LINK
Inveter
ACLINE
M
Pengendali
Pengendali
Gb.2.1 Diagram blok sederhana IECS
IECS
KONVERTER
INVERTER
L
AC
LINE
M
C
Pulsa Gate
Tegangan
AC 3 fasa
ke ndali
konv e rte r
PWM
Tegangan
DC
ke ndali
inv e rte r
Arus Beban
Gb.2.2 Rangkaian umum pengendali motor
Sinyal Converter
KONVERTER
INVERTER
L
AC
LINE
Pulsa Gate
Tegangan
AC 3 f asa
M
C
ke ndali
konv e rte r
PWM
Tegangan
DC
ke ndali
inv e rte r
Arus Beban
Sinyal Inverter
KONVERTER
INVERTER
L
AC
LINE
Pulsa Gate
Tegangan
AC 3 f asa
M
C
ke ndali
konv e rte r
PWM
Tegangan
DC
ke ndali
inv e rte r
Arus Beban
Kendali Inverter
Arus aktual
PWM
+
Siny al pembawa
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
MCCB
Retifier
Output Transf ormer
(When used)
Inverter
AC Line (3 Phase)
L1(R)
T1(U)
L2(S)
T2(V)
M
Trafo
L3(T)
T3(W)
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
C
M
Konfigurasi VSD-SPEEDSTART 2000
12 Pulsa
MCCB
Retifier
Output Transf ormer
(When used)
Inverter
L1(R)
T1(U)
L2(S)
T2(V)
L3(T)
T3(W)
AC Line (9 Phase)
L12
L22
L32
Trafo
M
Service
Troubleshooting
Troubleshooting
• Troubleshooting adalah
penelusuran untuk mencari
kesalahan penyebab gangguan
dengan maksud memperbaiki
kesalahan tersebut.
Penyebab Gangguan
VSD
Daya masukan
Sumber
vi
Daya keluaran
Konverter
ii
io
Sinyal
Kendali
Pengendali
vo
Beban
Pengukuran
Referensi
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 ?
Rectifier
Idc > 215 % Idc Nominal
INVERTER
Io >215 % Io
Nominal
L
AC
LINE
C
M
 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 ?
Rectifier
Idc > 215 % Idc Nominal
INVERTER
Io > 215 % Io
Nominal
L
AC
LINE
C
 Periksa Braking Resistor (optional)
Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor)
 Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.
M
OVERCURRENT (RUN) or
DC OVERCURRENT (RUN)
Arus lebih pada sisi keluaran inverter atau penyearah saat sedang beroperasi
Idc > 215 % Idc Nominal
Rectifier
INVERTER
Io > 215 % Io
Nominal
L
AC
LINE
C
Periksa apakah motor tersumbat gerakannya (blok rotor)
 Periksa mekanik yang terkopling dengan motor.
M
U-PHASE SHORT-CIRCUIT or V-PHASE SHORTCIRCUIT or W-PHASE SHORT-CIRCUIT
• Hubung singkat pada transistor inverter
Periksa Transistor:
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
C
M
LOAD-END OVERCURRENT
Hubung singkat pada transistor inverter dan motor
Periksa :
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
C
Apakah terminal keluaran VSD short ?
Megger Motor (sebelumnya lepas motor dari VSD dan lepas
kapasitor koreksi daya (jika ada)
M
OVER VOLTAGE (ACC) or OVER VOLTAGE (RUN)
• Bus DC 787 VDC
Overvoltage
or Spiked
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
++ Reaktor
atau pindah
tap trafo
C
++ dinamic braking resistor (optional)
M
OVER VOLTAGE (DEC)
setting Deceleration Time terlalu pendek
• Bus DC 787 VDC
Overvoltage
or Spike
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
++ Reaktor
atau pindah
tap trafo
C
++ dinamic braking resistor (optional)
M
INVERTER OVERLOAD
VSD dibebani > 100% dari kapasitas nominalnya, umumnya
indikasi yang ditunjukkan overcurrent atau dapat juga
tegangan keluarannya bernilai nol.
Rectifier
INVERTER
L
AC
LINE
C
M
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
Daya masukan
Sumber
vi
ii
Pemroses
Daya
Sinyal
Kendali
Pengendali
Daya keluaran
io
vo
Beban
Pengukuran
Referensi
KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA
•
•
•
•
•
•
•
•
RESISTOR
KAPASITOR
INDUKTOR
DIODA
THYRISTOR
BJT , MDs
MOSFET
IGBT
Resistor
E
Ω
R
I
Karbon
¼W
½W
A
B
Simbol
Keramik
1W
2W
Macam-macam resistor
5W
cincin ke-1
angka ke-1
cincin ke-2 cincin ke-3
angka ke-2 banyaknya nol
cincin ke-4
Toleransi
Cara membaca resistor
Sudah ditulis
dengan angka
Variable Resistor
Potensiometer
3
1
2
Simbol
Potensiometer
Trimpot
Bentuk Fisik
KAPASITOR
Q
C
V
Farad
Michel Faraday
Elektrolit
Polar
Tantalum
Simbol
MKP
Millar
non Polar
MKM
Induktor
diL
vL  L
dt
inti
udara
inti
magnetik
induktor peredam 50 Hz
8 H, r= 350 
induktor peredam 50 Hz
5 mH, r= 50 
induktor peredam
frek. Radio 42 uH
inti magnetik
dengan gap
Simbol
Induktor filter 24mH / 32 A
Induktor filter 5 mH/ 15 A
Memperkirakan Nilai Induktor
r
p
Susunan belitan induktor inti udara
2
0,39.r .N
L
9r  10 p
2
(9r  10 p) L
N
2
0,39.r
Dioda
iD
iD
A
K
I
vrated
//
+
vD
Rev erse
blocking
region
-
(a)
iD
0
vF
vD
0
vD
(a)
(b)
(c)
Gb.1.13 Dioda : (a) simbol, (b) karakteristik arus-tegangan, (c) karakteristik ideal.
Schottky diodes
iD
trr
0
t
Fast-recovery diodes
iRm
dioda turn-off
Line-frequency diodes
Dioda
Vin
Vo
Thyristor
iA
iG
iA
A
Reverse
breakdown
K
Reverse
blocking
region
//
+ vAK
(a)
-
iA
On-state
I
Off-on
Off-on
vAK
//
0
vF
Reverse
breakdown
voltage
(b)
Forward
breakdown
voltage
Reverse
blocking
region
vAK
0
Forward
bocking
(c)
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
BJT
I
B

I
C
h
FE
MDs
Gb.119 Konfigurasi darlington : (a) Darlington (b) Triple darlington
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
S1
A
BATT
12 V
G
K
Lampu
12 V/12 W
Pengujian Transistor Daya
C
E
S1
B
BATT
12 V
R
BATT
9V
Lampu
12 V/12 W
Pengujian Sementara
C1
B1
B2
E1/C2
Transistor Modul TOSHIBAMG30G1JL1
E2
Nila Display