Variable Frequency / Speed Drive (VFD/VSD)

 

Contoh VFD/VSD : VLT Micro Drive

Variable frequency drive (VFD) adalah mesin elektronika daya yang didesain untuk kontrol kecepatan pada motor listrik, khususnya motor induksi (induction motors/asynchronous motors), sehingga kerap juga disebut variable speed drive (VSD).

 

Pada artikel kali ini, kami akan membahas dengan detail mengenai topik variable frequency drive (VFD) atau variable speed drive (VSD), atau dalam ilmu elektronika daya disebut sebagai solid-state variable frequency drive (SSVFD).

 

Pembahasan akan meliputi konsep kontrol kecepatan motor dengan mengontrol frekuensi daya listrik input, kemudian kami akan bahas konsep derating voltage yang sangat penting dalam menjaga motor beroperasi dengan aman, serta prinsip dan fitur-fitur kontrol VFD/VSD yang banyak digunakan dalam industri.

 

Kontrol Kecepatan Motor Dengan Frekuensi

 

Motor induksi memiliki hubungan berbanding lurus (linear) antara kecepatan putar motor (rpm) dengan frekuensi daya listrik suplai (Hz), sesuai persamaan berikut:

 

N_R       = (120 x F /P) – S

 

N_R adalah kecepatan rotor (rpm), F adalah frekuensi daya listrik suplai (Hz), P adalah jumlah pole (kutub) pada belitan stator motor, dan S adalah kecepatan slip (nilainya bervarian sekitar 5% dari kecepatan N_R).

 

Jumlah pole (P) bernilai tetap sesuai desain dari motor induksi (seperti 2, 4, 6, 8, 10, 12 dst). Kecepatan slip (S) nilainya bervariasi sesuai pembebanan daya mekanik pada shaft rotor, umumnya kecepatan slip pada rating kapasitas daya adalah sekitar 5% dari kecepatan rotor. Nilai frekuensi (F) umumnya adalah 50Hz atau 60Hz, di Indonesia menggunakan base 50Hz.

 

Maka, dapat kita lihat dari persamaan di atas, perubahan F akan berdampak secara berbanding lurus dengan perubahan kecepatan rotor pada sebuah motor induksi. Semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi kecepatan motor, sebaliknya semakin rendah frekuensi, semakin rendah pula kecepatan motor. Meskipun demikian, sangat penting untuk mengontrol batas tegangan suplai dan batas torsi mekanik seiring perubahan frekuensi, untuk menjamin keamanan operasi motor induksi.

 

Konsep Derating Voltage

 

Bila frekuensi suplai diturunkan dari frekuensi kerja motor induksi (misal frekuensi kerjanya 50Hz, dan dihendaki penurunan kecepatan motor dengan menurunkan nilai frekuensi dibawah 50Hz), maka diperlukan pula penurunan nilai tegangan suplai secara linear dengan penurunan frekuensi. Proses ini disebut derating voltage, dan bila tidak dilakukan, arus magnetisasi pada inti besi motor akan meningkat dan berlebih, menyebabkan panas dan dapat merusak motor tersebut. Hal ini sesuai dengan persamaan berikut:

 

Φ        = (V_M / ωN) cos ωt

 

Φ adalah flux magnetic pada inti besi, V_M adalah tegangan suplai motor, ω = 2Л F (berbanding lurus dengan frekuensi listrik), dan N adalah jumlah belitan pada stator motor dan bernilai tetap sesuai desain.

 

Jadi, dari persamaan tersebut, bila frekuensi diturunkan sedangkan tegangan dijaga tetap, maka flux magnetic akan meningkat. Untuk mengatasi masalah tersebut, tagangan harus diturunkan secara linear dengan penurunan frekuensi agar flux magnetic bernilai tetap.

 

Namun, bila frekuensi suplai dinaikkan melebihi frekuensi kerja motor induksi, tegangan suplai perlu dijaga tetap pada nilai tegangan nominalnya. Karena bila tegangan suplai melebihi nominal voltage nya, dapat menyebabkan overheat pada belitan stator dan dapat merusaknya. Frekuensi naik dengan menjaga tetap tegangan menyebabkan penurunan nilai flux magnetic, hal ini berdampak pada penurunan maximum torque yang dapat dihasilkan motor.

 

Variable Frequency Drive/Variable Speed Drive

 

Variable frequency drive (VFD) atau variable speed drive (VSD) adalah istilah yang lebih umum digunakan dalam implementasi industri. Dalam kenyataan, banyak juga praktisi engineering, teknisi elektrikal, serta orang awam menyebut VFD/VSD ini dengan nama inverter. Padahal, inverter memiliki makna berbeda, dan merupakan salah satu konverter daya selain rectifier yang digunakan di dalam sistem VFD/VSD. Di dalam ilmu mesin-mesin listrik atau elektronika daya, konsep VFD/VSD disebut sebagai solid-state variable-frequency induction motor drive. Soal penamaan ini tidak terlalu penting untuk dibahas, kami hanya memberikan referensi untuk penamaan yang benar terhadap unit mesin ini.

 

Input daya pada VFD/VSD dapat berupa sistem 1 phase (220Vac) maupun 3 phase (380Vac), frekuensi 50 Hz atau 60 Hz. Output daya dari VFD/VSD adalah 3 phase dengan frekuensi yang dapat diatur dalam rentang 0 – 120 Hz, dan tegangan dapat diatur dari 0V sampai tegangan nominal motor (220/380V). Konversi nilai frekuensi dan tegangan yang sangat bervariasi ini dilakukan dengan teknis pulse-width modulation (PWM).

 

Fitur-Fitur Kontrol VFD/VSD

 

Secara umum, penggunaan VFD atau VSD pada sistem suplai motor induksi, akan memiliki beberapa kelebihan berikut ini.

 

1. Kontrol Frekuensi/Kecepatan

 

Output frekuensi dari VFD dapat di kontrol baik secara manual menggunakan tombol maupun maupun menggunakan sinyal eksternal (0-10Vdc atau 4-20mA). Nilai output dapat bervariasi dari 0 Hz hingga 120 Hz.

 

Perlu dicatat bahwa untuk motor induksi dengan sistem self cooling, yaitu menggunakan kipas yang digerakkan menggunakan shaft rotornya, operasi pada frekuensi/kecepatan dibawah rating kerjanya memiliki batas yaitu 50% dari rating nya. Misalkan motor induksi dengan spesifikasi 50Hz/1450rpm, maka untuk operasi dalam waktu lama, minimal frekuensi/kecepatannya adalah 25Hz/725rpm. Hal ini agar motor tidak mengalami overheat akibat pengurangan kapasitas cooling system akibat berkurangnya kecepatan kipas pendingin motor seiring berkurangnya kecepatan motor. Sedangkan motor dengan cooling system eksternal dapat beroperasi pada kecepatan yang sangat rendah sekalipun.

 

2. Pemilihan Karakteristik Torque-Speed

 

Karakteristik torsi dan kecepatan dipengaruhi nilai tegangan dan frekuensi daya listrik suplai. Umumnya, karakteristik motor induksi dapat dibagi menjadi 3 berdasarkan karakteristik torsi dan kecepatannya, dan hal ini dapat di atur pada parameter dari sebuah VFD/VSD.

 

Pertama, untuk aplikasi standar atau general purpose, pengaturan frekuensi dan tegangan dapat diatur seperti kurva berikut ini.

 

Parameter Tegangan vs Frekuensi General Purpose VFD

Settingan parameter ini cocok digunakan untuk motor induksi pada aplikasi gear pump, lobe pump, agitator, dan berbagai beban mekanikal lain dengan kebutuhan torsi awal yang sedang. Berikut adalah karakteristik torsi dan kecepatan yang dihasilkan dari aplikasi general purpose.

 

Torque-Speed Characteristic General Purpose VFD

Kedua, untuk aplikasi beban motor yang memiliki torsi awal (starting torque) tinggi, pengaturan frekuensi dan tegangan dapat diatur seperti kurva berikut ini.

 

Parameter Tegangan vs Frekuensi High Torque VFD

Settingan parameter ini cocok digunakan untuk motor induksi pada aplikasi bucket elevator, penggerak drum roaster, penggerak grinder, dan berbagai beban mekanikal lain dengan kebutuhan torsi awal yang tinggi. Berikut adalah karakteristik torsi dan kecepatan yang dihasilkan dari aplikasi high starting torque.

 

Torque-Speed Characteristic High Torque VFD

Ketiga, untuk aplikasi beban motor yang memiliki torsi awal (starting torque) rendah, pengaturan frekuensi dan tegangan dapat diatur seperti kurva berikut ini.

 

Parameter Tegangan vs Frekuensi Low Torque VFD

Settingan parameter ini cocok digunakan untuk motor induksi pada aplikasi centrifugal pump, kipas, blower, vacuum pump, dan berbagai beban mekanikal lain dengan kebutuhan torsi awal yang rendah. Berikut adalah karakteristik torsi dan kecepatan yang dihasilkan dari aplikasi low starting torque.

 

Torque-Speed Characteristic Low Torque VFD

3. Percepatan Dan Perlambatan Yang Smooth

 

Hal ini merupakan kemampuan VFD untuk mengontrol percepatan atau perlambatan perubahan kecepatan/frekuensi pada motor induksi, sehingga motor dapat beroperasi dengan smooth dan aman dari kerusakan mekanikal saat berubah kecepatan kerjanya.

 

Misalnya semula motor running dengan kecepatan 900 rpm, dan kemudian kecepatan dinaikkan menjadi 1400 rpm, maka perubahan kecepatan tersebut tidak terjadi secara instan. Kita dapat mengatur parameter berapa lama selang waktu perubahan dari 900 rpm menjadi 1400 rpm.

 

4. Sistem Proteksi Motor Yang Lengkap

 

Kita dapat mengatur parameter proteksi pada sebuah VFD untuk menjaga motor dari berbagai resiko kerusakan. Seperti menginput limit arus untuk proteksi terhadap overload/overcurrent, menginput limit arus berlebih sesaat (instantaneous) untuk proteksi terhadap short circuit, dan menginput limit tegangan nominal untuk proteksi terhadapa undervoltage atau overvoltage.

 

Penulis : ER

 

Share this post