AC drives , Inverter dan adjustable
frequency drive adalah sebutan yang umum untuk menyebutkan alat untuk mengontrol kecepatan AC inductance motor.
AC drive mendapatkan tegangan AC dan merubahnya menjadi tegangan AC yang frequency nya dapat di setel (di adjust) sehingga dapat
mengontrol kecepatan motor AC.
Ada tiga jenis inverter yang umum di temuin :
variable voltage inverter (VVI) , current source inverter (CSI), dan pulse
width modulation (PWM). Jenis yang lain dari AC drive adalah cycloneverter yang
umum di pakai untuk motor yang sangat besar dan ini tidak kita bahas di
pembahasan selanjutnya.
Semua AC drives merubah tegangan AC ke DC , dan
menggunakan tehnik switching merubah dari DC ke variable voltage / variable
frequency output.
Variable
Voltage Inverter.
Variable voltage inverter (VVI)
menggunakan SCR bridge untuk merubah tegangan masuk AC ke DC.
SCR berguna untuk
mengontrol tegangan DC yang di hasilkan
dari 0 sampai kira-kira 600 VDC.
Ada L1 choke dan C1 capacitor di
gunakan untuk lebih meratakan hasil tegangan DC , dalam inverter terdiri dari
enam peralatan switch yang biasanya menggunakan thyristor , bipolar transistor
,MOSFETS dan IGBT. Di bawah ini sekema
yang menggambarkan inverter menggunakan
bipolar transistor , control logic (tidak di perlihatkan) menggunakan
microprocessor untuk men switch transistor dan menjaga variable voltage dan
frequency untuk motor AC.
Ini adalah type switching berdasarkan
enam tahapan (six-step) karena menggunakan enam 60° step lengkapnya dalam
360° satu cycle. Agar motor berjalan dengan mulus gelombang sinus dalam
enam step output dapat di gunakan.
Kerugian system ini adalah tidak sama torque pulsation
dalam satu waktu, seperti bipolar
transistor.Pulsation mempunyai masalah pada kecepatan rendah dan variasi speed
pada motor, perubahan kecepatan kadang kala menghasilkan guncangan (cogging)
,karena bentuk gelombang arus tidah berupa gelombang sinusoidal maka sering
terjadi panas yang berlebihan sehingga menurunkan kemampuan daya motor (motor
derating).
Current Source Inverter
Current source inverter (CSI)
menggunakan SCR input untuk menghasilkan tegangan DC Link variable.
Di sisi
inverter juga menggunakan SCR untuk menswitch ke output motor. Current source
inverter mengontrol arus yang masuk ke motor , jadi harus hati-hati untuk mencocokkan
antara motor dengan drivenya.
Lonjakan arus karena switching dapat
di lihat pada grafik outputnya pada saat kecepatan rendah , current pulses bisa
mengakibatkan motor bergetar (coging).
Pulse Width
Modulation
Pulse width
modulation (PWM) drives , mayoritas produsen AC drive menggunakan teknik ini ,
karena akan menghasilkan sinusoidal current untuk mengontrol frequency dan
tegangan pada AC motor.
PWM drives lebih efisien dan merupakan jenis yang
mempunyai level lebih baik.
Dasar dari PWM drive memiliki sebuah DC converter
,DC link , control logic dan inverter.
Converter and DC Link
Bagan
converter memiliki penyearah diode bridge dengan converter tiga phase power
supplay ke tegangan DC.
Sebuah L1 line choke dan capasitor C1 untuk menghaluskan
tegangan DC .
Tegangan DC kira-kira lebih besar 1,35 kali dari tegangan input
AC , misalnya tegangan 650VDC untuk input tegangan 480 VAC.
Control Logic dan Inverter
Tegangan output dan frequency yang di alirkan ke motor di control
oleh control logic di bagian inverter.
Bagian inverter mempunyai enam buah
switch , keenam switch dapat menggunakan misalnya thyristor , bipolar
transistor ,MOSFETS dan IGBT.
Sekema berikut ini memperlihatkan inverter dengan
switch menggunakan IGBT, control logic menggunakan microprocessor untuk men-trigger IGBT on dan off sesuai dengan variable tegangan dan frequency yang dialirkan ke motor.

IGBT
IGBT
(insulated gate bipolar transistor) merupakan high speed switch di pergunakan
untuk inverter untuk menghasilkan pulsa PWM.
IGBT bisa di gunakan untuk switch on dan off
ribuan kali dalam satu detik, IGBT bisa on di bawah 400 nano detik dan off
sekitar 500 nano detik.
IGBT memiliki gate ( penyulut) , collector dan emitter
, ketika gate di beri tegangan positif ( biasanya +15VDC) maka IGB switch akan
membuka (on) dan arus akan mengalir dari collector ke emitter.IGBT akan menutup
jika tegangan positif di hilangkan dari gate.
Untuk mencegah IGBT on lagi maka
biasanya di gunakan (tegangan -15 VDC).
Cara
switch IGBT untuk menghasilkan tegangan AC
Sebagai contoh , satu phase
tegangan tiga phase di gunakan untuk menjelaskan bagaimana terjadinya tegangan
AC ,
Kita gantikan switch IGBT dengan perumpamaan sebuah saklar yang mana tegangan positive dan negative di
hasilkan dari sequence saklar tersebut.
Sebagai contoh step satu dan dua A+ dan B-
adalah tertutup.
Tegangan A dan B adalah positive,
Pada step ke tiga A+ dan B+
tertutup maka perbedaan potensial dari A ke B adalah nol,tegangan outputnya
adalah nol.
Pada step ke empat A- dan B+
tertutup , tegangan output A ke B adalah negative.
Tegangan sangat tergantung
dari nilai DC voltage dan frequency juga tergantung dari kecepatan switch.
Tegangan sinus gelombang AC dari penjumlahan output (A-B) sebagai contoh simulasi gelombang tegangan AC sebagai berikut:
PWM Output
Ini adalah
teknik PWM modulation, di dalam tulisan ini kita gunakan scope untuk mempermudah melihat secara detail.
Ilustrasi di bawah ini adalah penjelasan metode cara
PWM (pulse width modulation ) bekerja..
Sebuah IGBT atau jenis switch yang lain
bisa mengalirkan nilai tegangan positive pada DC voltage (650 VDC dari
converter) dan mengalirkan arus pada motor.
Jika IGBT mengalirkan arus dalam waktu
yang singkat pada motor maka akan di hasilkan arus yang kecil pada motor dan
switch off.
Jika IGBT switc on dalam waktu yang lama maka akan mengalirkan arus
yang lebih besar sampai arus puncak motor.
IGBT yang di switch dalam periode
waktu yang singkat akan menurunkan arus dalam motor, untuk setengah gelombang
negative berikutnya di buat seperti halnya cara di atas dengan IGBT yang
tersambung dengan tegangan negative pada converter DC voltage.
PWM Voltage dan Current
Kelebihan
sinusoidal current output yang di hasilkan oleh PWM akan mengurangi kerugian torque,
guncangan (cogging) pada saat kecepatan rendah dan mengurangi kerugian pada motor, jika menggunakan enam
step output.
Tegangan dan frequency di kontrol
dengan elektronik yang ada pada AC Inverter.
Tegangan tetap pada DC voltage (650
VDC) di modulasi dengan metode variable
voltage dan frequency.
Pada output frequency rendah maka tegangan output juga
rendah.
Peralatan switch akan bergeser ke posisi on dalam waktu yang singkat
maka tegangan dan arus yang di hasilkan pada motor juga rendah. Pada output
frequency tinggi dan voltage juga tinggi , peralatan switch bergeser pada
posisi on dalam waktu yang lama maka tegangan dan arus yang di hasilkan dalam
motor menjadi tinggi.
Volts
per Hertz Ratio
Ketika arus di masukkan ke dalam motor induksi akan membangkitkan flux yang akan menghasilkan field dan torque .
Magnet flux harus selalu konstan untuk
menghasilkan full load torque.
Ini sangat penting ketika menjalankan motor di bawah full speed. Dan saat
AC drive di jalankan dengan kecepatan rendah maka harus dipertahankan konstan
magnit flux di dalam motor. Metode pengaturan magnetic flux di sebut volt-per
hertz ratio. Dengan mode ini frequency dan tegangan harus naik dan turun
bersamaan untuk menjaga agara torque yang di hasilkan motor selalu bagus.
Sebagai contoh , jika frequency 60Hz
dan tegangan 460V maka volt per hertz ratio adalah ( 460 dibagi 60) adalah 7.6 V/Hz, jadi separo
kecepatan pada supplay tegangan 460V mempunyai frequency sebesar 30Hz dan
tegangan 230V dan ratio tetap sama 7,6V/Hz.
Pattern ratio akan menghemat energy
untuk motor , tetapi performanya sangat mengkhawatirkan ,
Variable frequency
drive berusaha untuk selalu menjaga ratio tetapi jika ratio naik atau turun karena
kecepatan motor berubah maka akan mengakibatkan arus motor tidak stabil yang
mengakibatkan torque tidak tepat.
Dalam PWM drive, perubahan tegangan
mempertahankan konstanta volt-per-hertz ratio jika frequency berubah dengan
menaikkan lebar pulsa dari inverter, dan PWM drive di buat daya torque di atas 0,5 Hz. Penggunaan dengan
lebih dari satu motor bisa juga di gunakan asal di sesuaikan jumlah amper motor
sama dengan besar arus drive ( motor beroperasi dalam frequency yang sama dan
motor dalam perubahan kecepatan yang sama.
Jenis beban pada motor sangat
penting untuk diperhatikan, jika menggunakan AC drive. Ada beberapa jenis beban
,
Untuk aplikasi harus di pilih jenis load yang sesuai dengan beban yang di gunakan dan pemilihan jenis beban di kelompokkan dalam
tiga jenis sebagai beriku:
·
Constant Torque Loads –
(conveyors, hoists, drill presses, extruders, positive displacementpumps )(torque
of these pumps may be reduced at low speeds).
·
Variable Torque Loads – (fans, blower,
propellers, centrifugal pumps).
·
Constant Horsepower Loads –
(grinders, turret lathes, coil winders)
Constant
Torque Loads
Constan torque loads adalah jika aplikasi yang menggunakan torque tetap
pada semua jenis kecepatan , yang artinya jika kecepatan berubah maka torque
tetap sama.
Diagram di
atas memperlihatkan speed ada di bagian bawah dan torque ada pada bagian kiri ,
perubahan torque sama dengan perubahan speed.
Horsepower mempunyai pengaruh yang proporsional dengan kecepatan.
Aplikasi constan torque mencakup
semua yang bukan variable torque application, tetapi hampir semua centrifugal
fans dan pompa adalah constan torque.
Variable
Torque Loads
Sebagai
gambaran hanya da dua kemungkinan variable torque load : Centrifugal pumps dan
fan . dengan variable torque load fungsi pembebanan terhadap kecepatan. variable torque loads umumnya mempunyai torque rendah pada kecepatan rendah dan
torque yang tinggi pada kecepatan yang tinggi.
Fans dan
pumps di disain untuk mengalirkan udara atau air , jika kapasitas aliran air
atau udara naik bisadengan menaikkan
kecepatan fan atau pump , menaikkan itu menaikkan juga inertial nya, dengan
adanya perubahan inertial , menaikkan aliran juga menaikkan gaya gesek
(friction) dari pipa. Dengan kenaikan friction maka mengaikibatkan kenaikan
tenaga atau torque untuk membuat aliran udara ataupun air. Efek dari penurunan
kecepatan pada variable torque fan atau pump adalah dengan menggunakan hokum
kelembaman di mana dasar interpretasi hukum tersebut bisa mempermudah
pemahaman.
1. Aliran yang di hasilkan peralatan
proporsional dengan kecepatan motor.
2.
Tekanan yang di hasilkan peralatan
proporsional dengan kecepatan
motor.
3. Daya horsepower di hasilkan peralatan
proporsional dengan kecepatan
motor.
Dalam grafik
di atas menggambarkan inti dari penghematan energy (energy saving). Merubah
kecepatan motor sama dengan daya dalam grafik. Sebagai contoh merubah kecepatan
50% akan merubah 50% volume yang
seharusnya merubah daya yang di butuhkan 50% tetapi tidak demikian dengan
merubah 50% kecepatan hanya memerlukan daya 12,5% di bandingkan jalan dengan
100% speed. Dengan pengurangan horsepower maka biaya untuk menjalankan motor
akan berkurang, jika penghematan di lakukan beberapa tahun operasi maka akan di
hasilkan penghematan yang cukup besar.
Berikut ini
table yang bisa membantu untuk memahami penghematan:
%
Speed % Torque % HP
100 100 100
90 81 72.9
80 64 51.2
70 49 34.3
60 36 21.6
50 25 12.5