VFD: prinsip kerja dan pemilihan

Di sebuah laundry komersial yang beroperasi dua belas jam sehari, tiga mesin cuci-peras besar model lama menggerakkan drumnya dengan motor yang diasut langsung setiap kali drum mulai berputar atau berbalik arah. Setiap kali motor dihidupkan langsung dari jala-jala, arus asut mencapai lima hingga tujuh kali arus pengenal, kontak kontaktor aus oleh busur api, dan bantalan menerima sentakan mekanis yang terakumulasi menjadi keausan dini. Tagihan listrik pun tidak ramah, karena pompa bilasan dan kipas pengering selalu bekerja pada kapasitas penuh meskipun kebutuhan sebenarnya hanya separuh. Penggerak frekuensi variabel, disingkat VFD dari variable frequency drive, dipakai untuk menyelesaikan persoalan itu, tetapi hanya bila perangkatnya dipilih sesuai beban.

Uraian berikut menjelaskan bagaimana VFD bekerja secara elektronis, kapan pemakaiannya menghemat energi dan kapan tidak, serta bagaimana memilih VFD untuk aplikasi nyata. Bab soft starter membahas pengendali yang hanya mengatur proses asut dengan tegangan tereduksi, sedangkan VFD mengatur kecepatan dan torsi sepanjang operasi. Penyetelan VFD yang sudah terpasang dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning, dan pemasangannya pada bab VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor. Uraian ini menjadi landasan konsep bagi kedua bab itu.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada VFD untuk motor induksi tiga fasa tegangan rendah, jaringan 230/400 V, 50 Hz, dengan daya sampai sekitar 22 kW, rentang yang paling umum di laundry komersial dan bengkel industri ringan. Komponen semikonduktor daya dibahas sejauh diperlukan untuk memahami cara kerja, bukan untuk merancang sirkit. Harmonisa arus masukan dibahas pada bab harmonisa, sedangkan EMC, kabel motor, RCD, dan arus bantalan dibahas pada bab instalasi VFD. Dasar motor induksi (medan putar, slip, kurva torsi) ada di bab motor induksi tiga fasa, dan pelat nama dasar di Bab 52.

Standar acuannya IEC 61800-2:2021 (edisi 3.0), yang menetapkan spesifikasi rating sistem penggerak AC kecepatan variabel, termasuk rating keluaran, kemampuan beban lebih, dan jenis profil beban; IEC 61800-5-1:2022 (edisi 3.0), yang mengatur keselamatan listrik, termal, dan energi pada penggerak; serta IEC TS 60034-25:2022 (edisi 4.0), panduan penerapan mesin AC pada sistem penggerak daya. IEC TS 60034-17, panduan lama untuk motor sangkar yang dicatu konverter, sudah ditarik pada 2014 dan digantikan IEC TS 60034-25 edisi 3 (2014), yang kini berlaku sebagai edisi 4 (2022). Isi klausul ketiga standar itu tidak dibaca penuh, sehingga bab ini tidak mengutip angka dari teksnya. Angka pabrikan ditandai sebagai nilai satu manual yang dicek editor, dan data motor contoh adalah ilustrasi. Pengukuran pada VFD bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Arsitektur VFD: penyearah, tautan DC, dan inverter IGBT

VFD memiliki tiga blok yang dapat dipahami dari aliran energinya. Blok pertama adalah penyearah (rectifier), yang mengubah tegangan bolak-balik jaringan menjadi tegangan searah. Pada VFD tiga fasa yang umum, penyearah berupa jembatan dioda enam pulsa tak terkendali. Buku ajar korpus menulis bahwa penyearah "menghilangkan riak" atau bahkan "mengatur kecepatan"; kenyataannya penyearah hanya menyearahkan, riak dihaluskan kapasitor, dan kecepatan diatur blok ketiga.

Tegangan searah hasil penyearahan tiga fasa gelombang penuh bergantung pada beban:

$$U_\text{DC} \approx \frac{3\sqrt{2}}{\pi}\,U = 1{,}35\,U \qquad U_\text{DC,0} \approx \sqrt{2}\,U$$

dengan $U$ tegangan antarfasa efektif jaringan (V), $U_\text{DC}$ tegangan rata-rata pada beban besar (V), dan $U_\text{DC,0}$ tegangan saat beban ringan (V), ketika kapasitor terisi sampai puncak tegangan antarfasa. Untuk 400 V, nilainya 540 V dan 566 V; susut di dioda, reaktor, dan impedansi jaringan menurunkannya sedikit. Rumus mengandaikan tegangan jaringan sinus dan seimbang.

Blok kedua adalah tautan DC (DC link). Isinya kapasitor elektrolit berkapasitas besar dan kadang induktor (DC choke). Kapasitor menyimpan energi dan menghaluskan riak, sehingga tegangan yang masuk ke inverter relatif stabil; induktor, bila ada, mengurangi harmonisa arus masukan. Energi kapasitor inilah yang membuat tautan DC tetap bertegangan beberapa detik sampai beberapa menit setelah suplai diputus, seperti diuraikan pada kondisi berhenti di bawah.

Blok ketiga adalah inverter, yang membangun kembali tegangan bolak-balik dengan frekuensi dan amplitudo yang dapat diatur. Komponen utamanya enam transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT, insulated-gate bipolar transistor) dalam jembatan tiga fasa. Pengendali menyalakan dan mematikan IGBT dengan modulasi lebar pulsa (PWM, pulse-width modulation) pada frekuensi pembawa atau frekuensi pensakelaran (carrier frequency, switching frequency) orde kilohertz, jauh di atas 50 Hz; salah satu buku ajar korpus menyebut sampai 20 kHz, dan nilai persisnya dibaca dari lembar data. Tegangan antarfasa keluaran tetap berupa pulsa bernilai $\pm U_\text{DC}$, tetapi induktansi belitan meredam riak arus sehingga arus motor mendekati sinus. Karena itu tegangan di terminal motor tetap pulsa bertepi curam, yang dibahas pada bagian motor untuk VFD.

Buku ajar lain di korpus menjelaskan inverter VFD sebagai jembatan tiristor dengan multivibrator dan trafo penaik tegangan, seperti inverter UPS. Susunan itu adalah inverter daya kecil berbaterai, bukan VFD modern, yang tidak memakai trafo di jalur daya. Sebagian VFD memakai penyearah aktif (active front end) berbasis IGBT sebagai pengganti jembatan dioda. Penyearah aktif memungkinkan aliran energi dua arah, yaitu pengereman regeneratif, dan harmonisa masukan yang jauh lebih rendah. Untuk laundry dan pompa kecil, jembatan dioda enam pulsa masih paling banyak dipakai.

Arus masukan dan sumber. Karena daya diteruskan lewat tautan DC, arus masukan VFD mengikuti daya aktif yang diserap motor, bukan arus motor. Saat drum dipercepat pada kecepatan rendah dengan torsi pengenal, arus motor sekitar arus pengenal, tetapi daya dan arus salurannya masih kecil, seperti dicatat pada tabel bab metode pengasutan motor. Pada genset, VFD karena itu tidak menimbulkan lonjakan asut beberapa kali arus pengenal; yang diperiksa adalah beban jalan dan harmonisa arus masukan, seperti diuraikan pada bab genset dan bab harmonisa. Faktor daya pergeseran penyearah dioda mendekati satu, tetapi faktor daya totalnya lebih rendah karena arusnya berdenyut.

Perintah dan referensi. Pengendali VFD menerima perintah jalan, berhenti, dan arah lewat tombol panel (lokal) atau terminal masukan digital (jarak jauh), dan referensi frekuensi lewat potensiometer, sinyal 0–10 V atau 4–20 mA, kecepatan tetap yang disimpan (preset), atau jaringan. Pada contoh washer-extractor di bab pemrograman PLC, PLC hanya memberi perintah cuci dan perintah peras sebagai dua masukan digital; masing-masing memanggil kecepatan tetap dan waktu akselerasi yang disetel di VFD. Referensi lewat Modbus dibahas pada bab PLC lanjutan, dan setelan sumber perintah pada bab parameter.

Kendali V/f dan kendali vektor

Dua cara kendali menentukan bagaimana VFD mengatur kecepatan dan torsi motor induksi. Yang paling sederhana adalah kendali V/f (tegangan per frekuensi). Untuk menjaga fluks celah udara tetap, perbandingan tegangan dan frekuensi dipertahankan sama dengan nilai pengenalnya: bila frekuensi diturunkan dari 50 Hz ke 25 Hz, tegangan keluaran juga turun dari 400 V ke 200 V. Kendali V/f mudah diterapkan dan cukup andal untuk beban yang tidak memerlukan tanggapan torsi cepat, seperti pompa sentrifugal dan kipas. Di atas frekuensi pengenal, tegangan tidak dapat naik lagi sehingga fluks dan torsi yang tersedia turun (daerah daya tetap), seperti diuraikan di bab motor induksi tiga fasa.

Kelemahan kendali V/f muncul pada kecepatan rendah. Ketika frekuensi mendekati nol, tegangan yang diperlukan juga mendekati nol, tetapi resistansi belitan stator tidak ikut mengecil. Susut tegangan pada resistansi stator menjadi bagian besar dari tegangan terminal, sehingga fluks melemah dan torsi yang dapat dibangkitkan berkurang. VFD dengan kendali V/f karena itu dilengkapi penambah tegangan (voltage boost) pada frekuensi rendah; pada bentuk dasarnya, penambahan ini berupa nilai tetap yang disetel, sehingga terlalu kecil pada beban berat dan terlalu besar pada beban ringan.

Kendali vektor (vector control atau field-oriented control, FOC) memisahkan arus motor menjadi komponen pembentuk fluks dan komponen pembentuk torsi, lalu mengatur keduanya secara terpisah. Hasilnya, torsi dapat dikendalikan dengan tepat sampai kecepatan rendah, kemampuan yang dibutuhkan drum mesin cuci saat mulai berputar dengan linen basah yang berat. Kendali vektor tanpa sensor (sensorless vector) memperkirakan posisi fluks dan kecepatan rotor dari arus dan tegangan yang diukur, sehingga membutuhkan data motor yang benar dari identifikasi otomatis. Perkiraan itu melemah di sekitar frekuensi nol; torsi penuh yang bertahan pada kecepatan nol memerlukan kendali vektor dengan enkoder pada poros. Untuk sebagian besar drum dan pompa laundry, kendali vektor tanpa sensor sudah memadai.

Penghematan energi: torsi variabel dan torsi tetap

Klaim penghematan energi VFD sering diperluas ke semua jenis beban. Pengelompokan beban menjadi torsi tetap, torsi variabel, dan daya tetap sudah dibahas di bab memilih motor untuk beban, termasuk tabel contoh laundry dan batas hukum afinitas. Pada beban torsi variabel, yaitu pompa sentrifugal dan kipas, VFD memberi penghematan besar melalui hukum afinitas. Pada beban torsi tetap, misalnya drum cuci saat mengangkat linen, konveyor, dan kompresor torak, manfaat VFD ada pada pengendalian kecepatan, asut halus, dan panas rotor yang kecil, bukan pada pengurangan energi.

Untuk pompa atau kipas yang sama, daya poros pada kecepatan $n$ diperkirakan dari daya poros pada titik acuan:

$$P = P_0 \left(\frac{n}{n_0}\right)^3$$

dengan $P_0$ daya poros yang diserap pompa pada kecepatan $n_0$ (kW), bukan daya pengenal motor, serta $n$ dan $n_0$ dalam rpm. Bila kecepatan diturunkan menjadi 80 %, daya menjadi $0{,}8^3 = 0{,}512$ kali, sehingga penurunan kecepatan 20 % menghemat hampir separuh daya poros. Hubungan ini berlaku untuk titik kerja yang sebangun, yaitu bila kurva sistem melewati titik nol; sistem dengan tinggi tekan statis, misalnya pengisian tangki atap, menghemat jauh lebih sedikit. Buku ajar korpus menulis penghematan "7/8" pada setengah kecepatan tanpa syarat itu. Daya listrik masukan juga memuat rugi motor dan rugi VFD, sehingga penghematan listrik sedikit lebih kecil dari penghematan daya poros (latihan 2).

Beban torsi tetap berperilaku lain. Daya mekanis $P = T\,\omega$ turun sebanding kecepatan, tetapi energi untuk satu putaran, $2\pi T$, tidak bergantung pada kecepatan. Menurunkan kecepatan konveyor tidak mengurangi energi untuk memindahkan barang yang sama; motor hanya bekerja lebih lama dengan daya lebih kecil. Pada drum cuci, kecepatan dan lama putaran ditentukan program cuci demi aksi mekanis, bukan demi hemat energi. VFD pada drum tetap berguna karena mengatur profil kecepatan, pembalikan putaran, dan peras bertahap tanpa kejut mekanis.

Memilih VFD

Kesalahan pemilihan yang paling sering terjadi adalah memilih VFD dari daya motor dalam kilowatt semata. Angka kilowatt mudah dibaca dari pelat nama, tetapi batas termal semikonduktor VFD ditentukan arus. Dua motor berdaya sama dengan faktor daya, efisiensi, atau jumlah kutub berbeda menarik arus berbeda, dan VFD harus memasok arus itu terus-menerus tanpa trip arus lebih. Buku ajar instalasi motor korpus sudah benar dalam hal ini: arus VFD yang dipilih lebih besar dari arus motor, dengan memperhatikan jenis beban torsi tetap atau variabel.

Langkah pertama adalah membaca arus pengenal motor dari pelat nama pada tegangan suplai yang dipakai, lalu memilih VFD dengan arus keluaran pengenal sama atau lebih besar. Berikutnya kelas beban. IEC 61800-2:2021 memuat kemampuan beban lebih keluaran dan contoh pengurangan beban kontinu sebagai fungsi beban lebih, serta merujuk IEC TR 61800-6 untuk jenis profil beban. Pabrikan menerjemahkannya menjadi beberapa rating pada satu unit, umumnya beban normal atau ringan (normal duty, ND, atau light duty) untuk pompa dan kipas, dan beban berat (heavy duty, HD) untuk drum, konveyor, dan kompresor yang butuh torsi tinggi saat asut atau sering berakselerasi. Manual yang dicek editor memberi juga arus nominal tanpa kemampuan beban lebih. Arus kontinu rating HD lebih kecil daripada rating ND pada unit yang sama, karena sebagian kemampuan termal disisihkan untuk beban lebih.

Batas suhu dan ketinggian juga wajib diperhitungkan. VFD bekerja pada arus pengenal sampai suhu udara masuk dan ketinggian tertentu, pada manual yang dicek editor 40 °C dan 1.000 m; di atasnya arus keluaran diturunkan (derating) agar semikonduktor tidak melampaui batas termal. Suhu yang dipakai adalah suhu udara di sekitar VFD, yaitu udara di dalam panel, bukan suhu ruang; anggaran panas panel dibahas pada bab desain panel kendali. Kelas IP dan pengembunan di ruang cuci yang lembap juga dibahas di sana.

Nilai tabel berasal dari satu manual untuk modul VFD berdaya ratusan kilowatt, sehingga tidak berlaku umum dan belum tentu sama untuk unit sampai 22 kW. Kasus B dan latihan 4 memakainya hanya untuk memperlihatkan cara menerapkan aturan (ilustrasi), dan angka VFD yang dipilih dibaca dari lembar datanya. Dengan faktor suhu $k_\vartheta$ dan faktor ketinggian $k_\text{h}$ dari lembar data, syarat pemilihan ditulis:

$$I_\text{VFD} \, k_\vartheta \, k_\text{h} \ge I_\text{N}$$

dengan $I_\text{VFD}$ arus keluaran pengenal VFD pada kelas beban yang dipilih (A) dan $I_\text{N}$ arus pengenal motor (A). Perkalian kedua faktor adalah anggapan editorial yang konservatif; manual tertentu boleh memberi aturan gabungan sendiri. Untuk beban lebih, arus beban lebih VFD dibandingkan dengan arus yang diperlukan untuk torsi terbesar yang diminta beban, dan lamanya dengan jendela waktu beban lebih. Anggapan arus sebanding torsi bersifat konservatif, karena komponen arus magnetisasi tidak ikut naik saat torsi naik.

Motor untuk VFD: isolasi dan pendinginan

Tidak setiap motor induksi cocok dicatu VFD. Tegangan di terminal motor berupa pulsa PWM dengan laju perubahan tegangan $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t$ yang tinggi. Pada kabel panjang, pantulan gelombang dapat membuat puncak tegangan di terminal motor mendekati dua kali tegangan tautan DC, dan tekanannya terpusat pada lilitan awal belitan. Kerusakan pada lilitan awal dekat sambungan keluar termasuk pola kerusakan yang dicatat bab kerusakan dan uji motor. Buku ajar korpus menulis bahwa VFD sebagai pengasut halus "mengurangi tekanan pada isolasi motor"; untuk asut halus itu benar dari sisi arus, tetapi pulsa keluarannya justru menambah tekanan dielektrik pada belitan.

Kelas termal isolasi (B, F, H) menyatakan suhu yang ditahan, bukan ketahanan terhadap pulsa tegangan berulang. Yang menentukan adalah sistem isolasi yang dinyatakan pabrikan tahan terhadap puncak tegangan dari konverter. IEC TS 60034-25:2022 mendefinisikan motor converter capable dan converter duty, dan IEC 60034-1:2026 kini mendefinisikan converter duty sendiri, seperti dicatat bab data motor lanjutan. Pengaruh panjang kabel, reaktor keluaran, dan filter sinus pada puncak tegangan dibahas pada bab instalasi VFD.

Pulsa PWM juga menimbulkan tegangan mode bersama yang muncul sebagai tegangan poros. Tegangan itu dapat meluah menembus lapisan gemuk bantalan dan menimbulkan erosi listrik berupa garis rapat di jalur gelinding, bukan pengikisan elektrolitik; pola dan diagnosisnya ada di bab kerusakan dan uji motor. Cincin pembumian poros, bantalan berisolasi, dan kabel simetris berpelindung dibahas pada bab instalasi VFD.

Persoalan kedua adalah pendinginan pada kecepatan rendah. Motor berkipas pada porosnya sendiri (IC411) kehilangan aliran udara pendingin ketika diperlambat, sehingga beban bertorsi tetap yang berputar pelan dapat membuat motor panas walaupun arusnya tidak melampaui arus pengenal. Bab data motor lanjutan sudah menguraikan pilihan penanganannya: kipas terpisah (IC416), rangka lebih besar, batas kecepatan minimum, atau sensor suhu belitan.

Contoh kerja: memilih VFD untuk drum dan pompa

Kasus A: drum mesin cuci (beban torsi tetap)

Soal. Motor drum -M1 sebuah mesin cuci-peras memakai data motor contoh kerja bab motor induksi tiga fasa: 5,5 kW, 400 V Δ, 50 Hz, 1.455 rpm, efisiensi 90,0 %, faktor daya 0,82 (ilustrasi). Drum harus mulai berputar dengan linen basah. Panel berada di ruang mesin bersuhu 35 °C dengan udara dalam panel dirancang tidak melampaui 40 °C, pada ketinggian 50 m. Toko menawarkan VFD berlabel "5,5 kW" dengan arus keluaran 12,5 A untuk beban ringan dan 9,5 A untuk beban berat (ilustrasi). Tentukan kelas beban dan arus minimum VFD -T1, lalu nilai tawaran itu.

Langkah 1: arus pengenal motor. Pelat nama memberi arusnya; bila perlu diperiksa dari data lain:

$$I_\text{N} = \frac{P_\text{N}}{\sqrt{3}\,U\,\eta\,\cos\varphi} = \frac{5\,500}{\sqrt{3} \times 400 \times 0{,}90 \times 0{,}82} = 10{,}8 \text{ A}$$

Angka ini sama dengan arus motor 5,5 kW di bab proteksi motor. Yang dipakai untuk memilih adalah ampere ini, bukan 5,5 kW.

Langkah 2: kelas beban. Drum memerlukan torsi hampir tetap sejak diam, termasuk torsi lepas awal saat linen basah menempel, dan sering berakselerasi serta membalik putaran. Ini beban berat (HD). Pada manual yang dicek, rating HD memberi beban lebih 50 % selama 1 menit, yaitu $1{,}5 \times 10{,}8 = 16{,}2$ A bila $I_\text{VFD}$ tepat 10,8 A. Bila torsi lepas awal drum 140 % torsi pengenal (ilustrasi), arus yang diperlukan paling tinggi $1{,}4 \times 10{,}8 = 15{,}1$ A dengan anggapan konservatif arus sebanding torsi. Nilai itu di bawah 16,2 A, asalkan lepas awal berlangsung jauh di bawah 1 menit.

Langkah 3: penurunan rating. Udara dalam panel paling tinggi 40 °C dan ketinggian di bawah 1.000 m, sehingga $k_\vartheta = k_\text{h} = 1$. Syaratnya menjadi $I_\text{VFD,HD} \ge 10{,}8$ A.

Langkah 4: nilai tawaran. Rating HD tawaran, 9,5 A, lebih kecil dari 10,8 A, walaupun labelnya "5,5 kW". Unit itu cocok untuk pompa 5,5 kW, tetapi untuk drum dipilih ukuran berikutnya yang rating HD-nya sekurangnya 10,8 A.

Tafsir. Pilih VFD -T1 kelas beban berat dengan arus keluaran HD sekurangnya 10,8 A. Karena drum memerlukan torsi terkendali pada kecepatan rendah, kendali vektor tanpa sensor lebih sesuai daripada V/f saja. Waktu asut dan panas rotornya sudah dihitung di bab memilih motor untuk beban, dan cara membuang energi saat berhenti dibahas pada bab pengereman motor.

Kasus B: pompa sentrifugal (beban torsi variabel)

Soal. Pompa air bilasan resirkulasi digerakkan motor -M2 3 kW, 400 V, 1.450 rpm, efisiensi 86 %, faktor daya 0,80 (ilustrasi). Dari kurva pompa, pada 1.450 rpm pompa menyerap daya poros 2,6 kW (ilustrasi). Sirkuitnya tertutup tanpa tinggi tekan statis berarti. Pompa akan dijalankan pada 80 % kecepatan. Hitung daya poros baru dan tentukan arus minimum VFD -T2 bila udara di sekitar VFD 42 °C.

Langkah 1: arus pengenal motor. $I_\text{N} = 3\,000/(\sqrt{3} \times 400 \times 0{,}86 \times 0{,}80) = 6{,}3$ A.

Langkah 2: daya pada 80 % kecepatan. Sirkuit tanpa tinggi statis memenuhi syarat hukum afinitas:

$$P_{80} = 2{,}6 \times 0{,}8^3 = 2{,}6 \times 0{,}512 = 1{,}33 \text{ kW}$$

Daya poros turun 1,27 kW atau 48,8 %. Angka $P_0$ adalah daya yang diserap pompa, bukan 3 kW pelat nama motor; memakai 3 kW melebihkan penghematan sebesar perbandingan $3/2{,}6$.

Langkah 3: arus dasar pemilihan. Arus motor pada beban parsial tidak sebanding daya karena efisiensi dan faktor daya ikut berubah. Untuk memilih VFD dipakai arus pengenal 6,3 A, supaya pompa tetap dapat dijalankan pada kecepatan penuh.

Langkah 4: kelas beban dan penurunan rating. Pompa sentrifugal jarang mengalami beban lebih, sehingga kelas beban normal (ND) sesuai. Dengan aturan 1 % per °C di atas 40 °C dari manual yang dicek, $k_\vartheta = 1 - 0{,}01 \times 2 = 0{,}98$, sehingga $I_\text{VFD,ND} \ge 6{,}3/0{,}98 = 6{,}43$ A.

Tafsir. Pilih VFD -T2 kelas beban normal dengan arus keluaran sekurangnya 6,5 A. Kendali V/f cukup untuk pompa sentrifugal. Bila pompa ternyata mengisi tangki di tempat yang lebih tinggi, penghematan dihitung ulang dari kurva sistem, bukan dari pangkat tiga.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Aturan penurunan rating dari satu manual tetap dipakai sebagai ilustrasi, seperti pada Kasus B, dan pengukuran pada VFD bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: tautan DC pompa air bersih hotel. Teknisi hotel mencatat tegangan jaringan 380 V antarfasa (angka latihan) di panel pompa air bersih ber-VFD, lalu menganggap tautan DC-nya "lebih rendah, jadi lebih aman". Rumus tautan DC memberi:

$$U_\text{DC} \approx 1{,}35 \times 380 = 513\ \text{V}, \qquad U_\text{DC,0} \approx \sqrt{2} \times 380 = 537\ \text{V}$$

Saat pompa berhenti, VFD berbeban ringan dan kapasitornya tertahan dekat 537 V, hampir sembilan kali batas 60 V. Tegangan jaringan yang lebih rendah tidak mengubah kondisi berhenti butir 1: waktu tunggu pada label dan pembuktian tegangan tetap diperlukan sebelum penutup dibuka.

Contoh 2: kipas buang dapur hotel pada 35 Hz. Kipas buang dapur sebuah hotel menyerap daya poros 5,2 kW pada 50 Hz, dan di luar jam masak VFD menurunkannya ke 35 Hz dengan kendali V/f (angka latihan). Kecepatan sinkron sebanding frekuensi, seperti rumus kecepatan sinkron di Bab 52, sehingga dengan slip diabaikan kecepatan menjadi 70 %. Kurva sistem saluran dianggap melewati titik nol:

$$U = 400 \times \frac{35}{50} = 280\ \text{V}, \qquad P = 5{,}2 \times 0{,}7^3 = 1{,}78\ \text{kW}$$

Daya poros turun 3,42 kW atau 65,7 %, sekitar 34 kWh daya poros bila berlangsung 10 jam sehari (angka latihan); penghematan listrik sedikit lebih kecil karena rugi motor dan VFD. Frekuensi 35 Hz hanya dipakai bila aliran udara pada kecepatan itu masih memenuhi kebutuhan tudung dapur.

Contoh 3: konveyor linen laundry rumah sakit. Konveyor pemindah linen di laundry sebuah rumah sakit memerlukan torsi hampir tetap 30 N·m di poros motor (angka latihan). Pada 1.450 rpm dan pada separuh kecepatan:

$$P = T\,\omega = 30 \times \frac{2\pi \times 1\,450}{60} = 4{,}56\ \text{kW}, \qquad P_{50} = 2{,}28\ \text{kW}, \qquad 2\pi T = 188{,}5\ \text{J}$$

Daya turun separuh, tetapi waktu untuk memindahkan muatan yang sama menjadi dua kali, sehingga energi per putaran tetap 188,5 J. VFD pada konveyor ini dibenarkan oleh asut halus dan pengaturan kecepatan, bukan oleh hemat energi, dan motor berkipas sendiri yang lama berputar pelan diperiksa pendinginannya.

Contoh 4: pompa air panas hotel di dataran tinggi. Pompa sirkulasi air panas sebuah hotel pada ketinggian 1.800 m memakai motor berarus pengenal 7,6 A. VFD-nya berada di panel dengan udara dalam 45 °C dan berarus keluaran ND 8,0 A (semua angka latihan). Aturan tabel dari manual yang dicek editor memberi:

$$k_\vartheta = 1 - 0{,}01 \times 5 = 0{,}95, \qquad k_\text{h} = 1 - 0{,}01 \times \frac{800}{100} = 0{,}92, \qquad 8{,}0 \times 0{,}95 \times 0{,}92 = 6{,}99\ \text{A}$$

Arus 6,99 A lebih kecil dari 7,6 A, sehingga VFD itu tidak memadai walaupun arus pada labelnya lebih besar dari arus motor. Arus ND yang diperlukan sekurangnya $7{,}6/(0{,}95 \times 0{,}92) = 8{,}70$ A, dan nilainya dicari pada lembar data unit pengganti; kondisi berhenti butir 4 berlaku sampai VFD diganti.

Kondisi berhenti

VFD dianggap berbahaya dan pekerjaan dihentikan bila salah satu keadaan berikut ditemui:

1. Penutup VFD akan dibuka atau terminal masukan, keluaran, atau tautan DC akan disentuh, padahal waktu tunggu pada label belum terlewati atau tegangan tautan DC belum terbukti turun ke 60 V atau kurang. Pada suplai 400 V, tautan DC berada sekitar 566 V saat beban ringan, dan sampai sekitar 622 V bila tegangan suplai berada di batas atas +10 %, keadaan terburuk yang dipakai bab uji pra-energi. Batas 60 V mengikuti IEC 60204-1 6.2.4; batas itu dan hitungan waktu tunggu dari peluahan eksponensial dibahas pada bab uji pra-energi dan bab kerja aman. Tegangan dibaca pada terminal ukur pabrikan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD; layar yang gelap atau lampu indikator yang padam bukan bukti.
2. Satu-satunya pemutus yang dibuka adalah perintah berhenti VFD, fungsi safe torque off (STO), atau kontaktor. Perintah berhenti dan STO menghentikan torsi tanpa memisahkan tegangan. Kontaktor bukan pemisah karena posisinya ditentukan koil, tidak dapat dikunci terbuka, dan kontak yang las tidak terlihat. Pemisah yang dapat dikunci di sisi masuk tetap diperlukan.
3. Motor magnet permanen atau beban yang masih berputar tersambung ke keluaran VFD yang akan dikerjakan; motor jenis itu membangkitkan tegangan di terminalnya selama porosnya berputar.
4. Arus keluaran VFD setelah penurunan rating lebih kecil dari arus motor, atau motor belum dinyatakan cocok untuk catu konverter pada kabel yang panjang. Mesin tidak dijalankan pada kondisi produksi sampai VFD diganti atau kecocokannya dibuktikan.

Energi tersimpan dan hierarki pengendaliannya berasal dari Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Inverter VFD sama dengan inverter UPS." Inverter UPS mengubah tegangan DC baterai menjadi AC berfrekuensi tetap untuk cadangan daya. VFD mengubah AC jaringan menjadi DC lalu menjadi AC yang frekuensi dan tegangannya diatur untuk kendali kecepatan. Keduanya dapat memakai IGBT dan PWM, tetapi fungsi, susunan, dan standarnya berbeda.

"VFD mengurangi tekanan pada isolasi motor." Pulsa PWM bertepi curam justru menambah tekanan dielektrik dibandingkan catu sinus, terutama dengan kabel panjang. Motor yang tidak dinyatakan cocok untuk konverter dapat gagal isolasi lebih awal.

"VFD selalu menghemat energi." Penghematan besar hanya terjadi pada beban torsi variabel yang kecepatannya memang diturunkan dan sistemnya tanpa tinggi statis besar. Pada beban torsi tetap, energi per putaran tetap, dan VFD menambah rugi sendiri.

"Faktor daya VFD selalu mendekati satu." Yang mendekati satu adalah faktor daya pergeseran penyearah dioda. Buku ajar korpus menulis faktor daya naik menjadi 0,9 sampai mendekati satu; arus masukan berdenyut, sehingga faktor daya total lebih rendah dan harmonisanya perlu diperhitungkan.

"Memilih VFD cukup dari kilowatt motor." Label kilowatt VFD mengacu pada motor standar pada salah satu kelas beban, sehingga tidak menjamin arus beban berat yang cukup. Arus pengenal motor, kelas beban, dan penurunan rating adalah dasar pemilihan, seperti diperlihatkan Kasus A.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya kurva torsi dan hubungan tegangan-frekuensi dari bab motor induksi tiga fasa, pendinginan dan motor tugas konverter dari bab data motor lanjutan, jenis beban, hukum afinitas, dan panas rotor dari bab memilih motor untuk beban, arus bantalan dari bab kerusakan dan uji motor, serta pelat nama dari Bab 52. Perbandingan metode asut ada di bab metode pengasutan motor, pengendali tegangan tereduksi di bab soft starter, dan pengereman di bab pengereman motor. Harmonisa masukan diuraikan di bab harmonisa, VFD pada genset di bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan, alasan VFD bukan pemisah di bab isolasi, penyakelaran, dan pemutusan darurat, dan komunikasi Modbus dengan VFD di bab PLC lanjutan.

Penyetelan data motor, akselerasi, batas arus, sumber perintah, dan resistor rem dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning. Kabel motor, EMC, filter, RCD, arus bantalan, dan STO dibahas pada bab VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor. Panas VFD di dalam panel dibahas pada bab desain panel kendali, tegangan sisa pada bab uji pra-energi dan komisioning, dan prosedur penguncian pada bab kerja aman.

Latihan dan pembahasan

1. VFD tiga fasa berpenyearah dioda enam pulsa dicatu jaringan 400 V antarfasa. Hitung perkiraan tegangan tautan DC saat berbeban besar dan saat beban ringan, lalu jelaskan mengapa keduanya berbeda.
2. Pompa sentrifugal menyerap daya poros 7,5 kW pada 1.450 rpm dengan motor berefisiensi 91 % yang diasut langsung. Pompa lalu dijalankan VFD berefisiensi 97 % pada 1.160 rpm, dengan efisiensi motor turun ke 90 %. Sistemnya tanpa tinggi statis. Hitung daya poros baru, daya listrik masukan pada kedua keadaan, dan penghematannya dalam persen; bandingkan dengan persen penghematan daya poros.
3. Motor konveyor berarus pengenal 18 A sering mulai bergerak dengan muatan penuh dan membutuhkan torsi asut 140 % torsi pengenal. Pilih kelas beban VFD (normal atau berat) dengan nilai beban lebih pada tabel, dan jelaskan alasannya.
4. VFD berarus pengenal 25 A dipasang di panel dengan udara dalam 48 °C pada ketinggian 1.500 m. Dengan aturan pada tabel dan perkalian kedua faktor, hitung arus keluaran yang diizinkan. Apakah VFD ini dapat mencatu motor 22 A? Bagaimana jawabannya bila lokasi berada di bawah 1.000 m?
5. Jelaskan mengapa kendali vektor lebih cocok daripada kendali V/f untuk drum yang harus memberi torsi pengenal pada 10 % kecepatan pengenal. Pakai konsep arus pembentuk fluks dan arus pembentuk torsi, dan sebutkan kapan enkoder diperlukan.
6. Seorang teknisi akan mengganti modul IGBT di dalam VFD 11 kW yang dicatu 400 V dan memiliki kapasitor tautan DC 1.000 µF. Suplai baru saja diputus. Hitung energi kapasitor saat pemutusan, lalu sebutkan dua syarat minimum sebelum bagian dalam VFD disentuh beserta alasannya.

Kunci jawaban beralasan

1. Saat berbeban besar $U_\text{DC} \approx 1{,}35 \times 400 = 540$ V, nilai rata-rata tegangan tersearahkan dengan faktor $3\sqrt{2}/\pi = 1{,}3505$. Saat beban ringan kapasitor terisi sampai puncak tegangan antarfasa, $\sqrt{2} \times 400 = 566$ V. Perbedaannya berasal dari kapasitor. Pada beban ringan kapasitor hampir tidak meluah di antara puncak, sehingga tegangannya bertahan dekat puncak. Pada beban besar kapasitor meluah lebih dalam di antara puncak, dan rata-ratanya mendekati nilai penyearah tanpa kapasitor, $1{,}35\,U$, terutama bila ada induktor tautan DC. Nilai beban ringan inilah yang menjadi dasar kondisi berhenti; pada batas atas suplai +10 % nilainya sekitar 622 V.
2. $n/n_0 = 1\,160/1\,450 = 0{,}8$, sehingga daya poros $7{,}5 \times 0{,}512 = 3{,}84$ kW. Masukan asut langsung $7{,}5/0{,}91 = 8{,}24$ kW; masukan dengan VFD $3{,}84/(0{,}90 \times 0{,}97) = 4{,}40$ kW. Penghematan listrik $8{,}24 - 4{,}40 = 3{,}84$ kW (kebetulan sama dengan daya poros baru) atau 46,6 %, sedikit di bawah 48,8 % penghematan daya poros, karena rugi VFD dan efisiensi motor yang turun ikut dibayar.
3. Kelas beban berat. Rating beban ringan hanya memberi 110 % selama 1 menit, sedangkan rating beban berat memberi 150 %. Dengan anggapan konservatif arus sebanding torsi, 140 % torsi meminta 140 % arus, di atas 110 %. Bila komponen magnetisasi diperhitungkan (faktor daya 0,82 sebagai contoh), arusnya sekitar 128 %, tetap di atas 110 %, sehingga kesimpulan tidak berubah. VFD dipilih dengan arus HD sekurangnya 18 A, dan lama asut dibandingkan dengan jendela 1 menit.
4. $k_\vartheta = 1 - 0{,}01 \times 8 = 0{,}92$ dan $k_\text{h} = 1 - 0{,}01 \times 500/100 = 0{,}95$, sehingga $I = 25 \times 0{,}92 \times 0{,}95 = 21{,}85$ A, kurang dari 22 A: tidak memadai. Di bawah 1.000 m, $I = 25 \times 0{,}92 = 23{,}0$ A, cukup dengan cadangan tipis. Pilihannya VFD satu ukuran lebih besar, atau udara panel diturunkan dengan cara yang dibahas pada bab desain panel kendali; nilai sebenarnya dibaca dari lembar data VFD itu.
5. Pada 10 % kecepatan, tegangan V/f kecil dan susut resistansi stator menjadi bagian besar dari tegangan terminal, sehingga fluks melemah dan torsi yang tersedia turun; penambah tegangan tetap hanya cocok untuk satu keadaan beban. Kendali vektor mengukur arus, menjaga komponen pembentuk fluks pada nilai pengenal, dan menaikkan komponen pembentuk torsi sesuai permintaan, sehingga torsi pengenal tersedia pada kecepatan rendah. Kendali tanpa sensor memperkirakan fluks dari arus dan tegangan dan melemah di sekitar 0 Hz; torsi penuh yang bertahan pada kecepatan nol memerlukan enkoder.
6. $E = \tfrac{1}{2} C U^2 = \tfrac{1}{2} \times 1\,000 \times 10^{-6} \times 566^2 = 160$ J pada 566 V, cukup untuk sengatan berbahaya dan busur kecil. Syarat pertama: waktu tunggu pada label sudah terlewati setelah VFD diisolasi dan dikunci di sisi masuk, karena resistor peluahan membutuhkan waktu. Syarat kedua: tegangan tautan DC dibuktikan 60 V atau kurang dengan pengukuran pada terminal ukur pabrikan oleh personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD, karena resistor peluahan dapat putus dan layar atau lampu dapat padam lebih dulu. Hitungan waktu tunggu dan contoh label yang tidak cukup dibahas pada bab uji pra-energi.

Referensi