V/f dan Vector Control pada Motor induksi

Dalam mengendalikan motor induksi menggunakan VFD (inverter) terdapat beberapa jenis pengendalian. Pertama kita lihat dulu dari segi motor induksinya. Motor induksi dalam kasus ini terbagi dalam 2 aspek yaitu :

1. Motor induksi tanpa encoder
2. Motor induksi dengan encoder

Jenis pengendalian yang cocok untuk masing-masing motor induksi di atas dalam VFD adalah sebagai berikut:

V/f Control

V/f control merupakan teknik kendali motor oleh inverter dengan menghasilkan PWM yang sudah didesain untuk mempertahankan nilai konstan perbandingan Voltage/Frekuensi dalam kondisi motor ideal. Contohnya sebuah motor 220 Vac, 50 Hz, untuk mengendalikan motor pada 25 Hz, motor akan mendapat 110Vac dari drive. Padahal bagaimana motor bereaksi pada output yang diberikan juga bergantung pada faktor lain, misalnya torsi. Jika inverter memberikan output 35 Hz pada motor, tapi kecepatan sebenarnya pada motor adalah 30 Hz, inverter tidak akan tau hal ini. Dalam kondisi ideal pun daerah low frekuensi juga tidak bisa dikendalikan dengan pengendalian jenis ini. Karena VFD tidak dapat menghasilkan torsi yang cukup untuk menggerakkan motor. Batas daerah frekuensi bawah tergantung dari masing-masing manufaktur inverter. Ada yang 1:10 pada 60 Hz (batas bawahnya 6 Hz), ada yg 1:40 pada 60 Hz, dan lain sebagainya.

Vector Control

Sedangkan pada vector control, VFD dapat memanipulasi secara terpisah Voltage dan Frekuensi untuk menghasilkan nilai optimal V/Hz pada kondisi torsi maupun kecepatan tertentu. Ini dimungkinkan karena pengendalian ini mendapatkan feedback untuk mengkalkulasi lagi PWM sehingga sesuai dengan output yang diharapkan. Dalam menerima feedback, vector control terbagi menjadi 2 yaitu :

1.  Open Loop Vector Control, dimana VFD mendapatkan feedback dari dirinya sendiri, bukan dari sensor eksternal yang dipasang pada motor. Dalam hal ini VFD memonitor arus yang keluar dan membandingkannya dengan keadaan ideal dan mengeksekusi koreksi terhadap error yang terjadi.
2. Closed Loop Vector Control, dimana VFD mendapatkan feedback dari luar (contohnya encoder) dengan mekanisme yang hampir sama.

Namun ketika motor bekerja semakin pelan, kemampuan mendeteksi perubahan kecil dalam kemagnetan adalah semakin sulit. Sehingga open loop vector control tidak cukup handal jika diaplikasikan pada crane, hoist. Berbeda dengan closed loop vector control yang dapat membuat motor AC memproduksi maksimum torsi yang kontinu pada kecepatan nol. Sehingga membuatnya cocok pada aplikasi crane dan hoist.

Project 1 – Auto filling

Project percobaan pertama yang harus saya selesaikan adalah :

Tugasnya adalah buat rancangan logika menggunakan relay yang memenuhi syarat berikut :

• Mengisi air ke tanki secara otomatis
• Ketika low level sensor tidak mendeteksi air (tentunya begitu pula dengan high level sensor) maka pompa akan hidup dan mengisi air sampai high level sensor mendeteksi adanya air dan pompa akan mati.
• Ketika valve dibuka, level air akan turun. Walaupun high level sensor sudah tidak mendeteksi air, pompa masih belum hidup sampai low level sensor tidak mendeteksi air lagi dan pompa kembali hidup. Seperti proses sebelumnya.
• Saat level air turun, user dapat mengisi secara manual air dalam tangki dengan menekan push button fill manual.
• Proses ini dapat dihentikan dengan menekan tombol stop.

Beberapa perangkat yang digunakan untuk percobaan ini yaitu :

1. Power supply IFM 24Vdc – 220 Vac
2. Beberapa relay omron 24Vdc + socket
3. 2 buah capacitive sensor IFM 24 Vdc
4. Inverter Yaskawa V1000 Series – VTBA0003BAA
5. 2 buah push button
6. Beberapa jumper
7. Motor untuk pompa

High level dan low level sensor menggunakan 2 buah capacitive sensor IFM 24 Vdc. Rating dari motor tersebut adalah . Sesuai dengan postingan sebelumnya mengenai memilih inverter maka inverter ini sudah memenuhi syarat yaitu dengan spesifikasi berikut :
(saat normal duty), (normal duty)

Berikut adalah rancangan dalam bentuk ladder diagram

Rancangan ini menggunakan kondisi latching relay dan reset relay yang telah kita bahas sebelumnya disini. Penjelasan dari diagram ini sebagai berikut :

1. Rangkaian ini running otomatis sesuai spesifikasi minimal masalah, jika anda ingin menambahkan cara menghidupkan sistem di awal dengan sebuah trigger manual, anda dapat menambahkan sebuah rangkaian tombol start.
2. Rangkaian push button Stop dibuat dengan rangkaian reset relay, sehingga di awal rangkaiannya tertutup selama push button belum ditekan. Setelah push button ditekan maka rangkaian akan terbuka dan bertahan dalam keadaan terbuka
3. Sensor low level dan high level dalam kondisi NOT, sehingga perlu ditambah relay masing-masing untuk membuat kondisi NOT.
4. Sensor low level dan relay 2 membentuk rangkaian latching, sedangkan sensor high level sebagai pengubah keadaan menjadi unlatching kembali.
5. Cara kerja rangkaian pada nomor (4) adalah, saat low level dan high level tidak mendeteksi air, maka rangkaian menjadi tertutup dan relay aktif. Saat low level sensor mendeteksi adanya air jalurnya jadi terbuka, namun karena relay telah aktif dan high level belum mendeteksi maka tetap ada jalur tertutup untuk tetap menghidupkan relay. Saat high level dan low level mendeteksi air, maka jalur terbuka sehingga relay mati. Saat high level sensor tidak mendeteksi air, namun karena low level sensor masih mendeteksi air dan relay sebelumnya mati maka jalur tetap terbuka, menyebabkan relay tetap mati sampai low level sensor tidak mendeteksi adanya air. Begitu skemanya berulang.

Berikut realisasi hardwiring rancangan di atas

Di atas terlihat bagian yaitu ke Rangkaian logic Inverter. Karena inverter tipe ini dapat dikendalikan oleh masukan digital (untuk rangkaian di atas sumber tegangan logicnya berasal dari inverter sendiri) untuk melakukan RUN atau STOP.

Terima Kasih

Memilih inverter

Setiap penggunaan motor AC  di industri memiliki pemilihan FVD (inverter) yang berbeda-beda tergantung pengaplikasiannya. Ada beberapa kriteria umum yang digunakan ketika akan memilih inverter yaitu :

• Pengaplikasian motor tersebut di industri seperti contoh motor pompa, fan, blower, HVAC, conveyor, crane, compressor, lift, dan lain sebagainya.
• Jenis motor yang meliputi motor induksi, permanen magnet motor, servo, dan motor khusus lainnya.
• Kapasitas dari motor dalam kW atau HP (Horse Power)
• Tegangan rating dari motor 200 V (200-280 V) atau 400 V (380-480V) atau MV (Medium Voltage)
• Rating arus dari motor

NPN vs PNP – Sinking vs Sourcing

Dalam elektronika industri terdapat sensor yang menggunakan 3 jenis pengkabelan yaitu 1 kabel untuk +VCC, 1 kabel untuk -VCC dan 1 kabel untuk output/data. Jenis sensor ini dikendalikan oleh transistor dimana berdasarkan rangkaiannya dibedakan menjadi 2 yaitu tipe PNP (sourcing) dan NPN (sinking).

Tipe PNP

Secara umum bisa digambarkan sebagai berikut :

Saat keadaan awal (tidak mendeteksi) maka transistor dalam keadaan off. Namun ketika sensor mendeteksi maka transistor akan aktif dan menyebabkan arus mengalir dari kaki emiter menuju output sensor. Karena memberikan arus kepada output maka disebut source tipe (sumber).

Bentuk konfigurasi sensor tipe PNP dengan sebuah relay.

Tipe NPN

Secara umum bisa digambarkan sebagai berikut :

Saat keadaan awal (tidak mendeteksi) maka transistor dalam keadaan off. Namun ketika sensor mendeteksi atau diaktifkan maka transistor akan ON (aktif) dan menyebabkan arus mengalir dari output menuju kaki emitter (catu negatif). Karena meneria arus dari output maka disebut sink tipe (penyerap arus).

Bentuk konfigurasi sensor tipe NPN dengan sebuah relay.

Sensor proximity Kapasitif

Sensor proximity kapasitif bekerja untuk mendeteksi ada atau tidaknya objek dengan melihat perubahan nilai kapasitansi ketika didekatkan dengan benda tertentu. Sensor ini akan membangkitkan medan elektrik dan nantinya akan mendeteksi nilai kapasitansi ketika medan elektrik ini memotong suatu objek. Dalam fisika kita punya persamaan untuk besarnya nilai kapasitansi suatu benda .
Dari sini kita lihat bahwa perubahan nilai kapasitansi tergantung beberapa faktor yaitu :

• Jarak dan posisi benda di depan sensor proximity
• Ukuran dan bentuk objek
• Konstanta dielektrik benda tersebut

Karena hubungan perubahan jarak dengan benda dan nilai kapasitansi tidak linier, maka sensor ini sulit dipakai sebagai pendeteksi jarak. Aplikasinya hanya sebagai pendeteksi ada atau tidaknya benda (baik logam maupun nonlogam) dengan mengatur nilai set point kapasitansinya terhadap benda yang akan kita deteksi.

Sensor yang digunakan dalam training ini adalah jenis IFM KB0025 Capacitive Sensors 24Vdc.

(sumber https://www.ifm.com)

Untuk mengecek sensor ini dapat bekerja atau tidak dapat menggunakan relay untuk melihat relay nya terjadi kontak atau tidak ketika diletakkan benda didepan sensor (juga untuk mengatur set point ketika terdeteksi ada benda atau tidak dengan kontak relay). Sensor ini hanya menggunakan 2 kabel (Brown and Blue), jadi kita tidak perlu memperhatikan sensor ini tipe PNP atau NPN

Variable-frequency drive (VFD) a.k.a. inverter

Mungkin beberapa pembaca sudah mengetahui cara mengendalikan kecepatan motor DC adalah dengan memberikan level tegangan yang berbeda. Contoh untuk motor dengan tegangan optimal 3 Vdc dapat berputar 1000 rpm. Dengan memberikan tegangan 1.5 Vdc maka  motor berputar dengan kecepatan setengahnya atau  500 rpm (idealnya :D)

Namun berbeda dengan motor AC, karena tegangan yang masuk sudah berubah-ubah setiap waktunya (secara sinusoidal). Melalui persamaan kecepatan di bawah ini (untuk mendapatkan darimananya silahkan pelajari sendiri) :
dimana = Kecepatan putaran motor,  = frekuensi (Hz),  = Kutub motor (pole)

Sehingga kita bisa mengatur kecepatan putaran motor dengan mengatur frekuensi tegangan AC inputnya.

VFD (Variable-frequency Drive) atau yang biasa disebut inverter adalah sebuah perangkat yang dapat mengatur kecepatan dan arah putaran motor dengan mengubah keluaran frekuensinya. Secara schematic cara kerja dari inverter ini sebagai berikut :

Inverter Schematic (Sumber Yaskawa)

Secara garis besar ada 3 bagian dalam inverter yaitu :

1. Rectifier, tegangan masukan AC akan masuk ke dalam rectifier yaitu rangkaian penyearah DC.
2. Tegangan yang sudah disearahkan tersebut akan ditampung dalam DC bus (capacitor bank) untuk mendapatkan tegangan DC yang konstan.
3. Tegangan DC tersebut kemudian masuk ke dalam bagian inverter untuk dicacah dan dimodulasi oleh rangkaian flip-flop untuk dihasilkan tegangan AC (berupa gelombang pseudo-sine atau PWM)  dengan frekuensi yang diinginkan.

Dalam industri biasanya juga digunakan motor DC dengan tegangan sumber AC, bagian 1 dan 2 (rectifier dan DC bus) digunakan untuk mengendalikan jenis motor ini. Perangkat tersebut biasanya dinamakan converter.

Beberapa perusahaan telah memproduksi perangkat inverter ini yaitu diantaranya Mitsubishi, Siemens, Yaskawa, Omron. Inverter yang saya gunakan dan coba saat ini adalah produk AC Drive dari Yaskawa tipe V1000. Untuk penggunaan dan penjelasan lebih lengkap mengenai inverter ini akan saya muat dalam post tersendiri.

Yaskawa V1000 series (sumber http://www.clrwtr.com)

Relay

Relay adalah perangkat yang bekerja berdasarkan prinsip fisika yaitu kumparan yang dapat bertindak sebagai magnet ketika dilewati arus. Relay yang saya coba dan gunakan yaitu relay omron 24Vdc. Secara sederhana, ketika switch ditutup sehingga relay mendapatkan tegangan, maka coil akan menjadi magnet dan menarik kontaktor sehingga yang sebelumnya terdapat jalur dari 9 ke 1 (atau sebaliknya), menjadi terbentuk jalur dari 9 ke 5. Prinsip relay ini dapat digunakan dalam rangkaian logika. Baik yang normally open (tertutup ketika dapat tegangan, dan terbuka ketika tidak dapat tegangan) yaitu dengan menggunakan jalur nomor 5 dan 9. Maupun normally closed (terbuka ketika mendapat tegangan, dan tertutup ketika tidak mendapat tegangan) atau dalam logika biasa disebut NOT, dengan menggunakan jalur nomor 9 dan 1. Namun ada keadaan saat kita menggunakan push button yaitu kita cukup menekan sekali tanpa menahan (rangkaian tertutup saat ditekan, dan kembali terbuka saat push button dilepas) namun kita mengharapkan sistem kita tetap hidup (jika menggunakan jalur 5-9, maka jalur ini tetap tersambung walaupun push button ini dilepas). Hal ini yang disebut keadaan latching yaitu mempertahankan keadaan relay tetap aktif. Keadaan ini bisa kita buat dengan ladder diagram dan  konfigurasi relay sebagai berikut :

Ketika push button ditekan, maka coil akan menarik kontaktor dan terbentuk jalur 5-9. Walaupun push button dilepas, namun coil tetap mendapat tegangan yang di-supply oleh jalur 5-9 tersebut, sehingga koil tetap menjadi magnet dan kontaktor dalam kondisi membentuk jalur 5-9. Kondisi ini akan bertahan terus kecuali kita buat mekanisme untuk memutus jalur 5-9, contohnya dengan memberikan switch untuk membuka (yang berarti keadaan switch ini adalah tetap tertutup sebelumnya/normally closed). Salah satu kelebihan dari relay adalah rangkaian logika yang kita gunakan terisolasi dari rangkaian relay yang menggunakan supply untuk menjadikan coil sebagai magnet, sehingga kita bebas menggunakan sumber tegangan lainnya dan juga berguna sebagai proteksi.

Kita juga bisa buat kebalikannya, yaitu rangkaian ini awalnya tertutup. Dengan menekan push button sekali, maka rangkaian akan mempertahankan keadaan terbuka, yang saya sebut dengan keadaan reset relay. Rancangan ladder diagram dan konfigurasi rangkaian relay nya sebagai berikut :

Jenis-jenis motor AC

Di hari pertama saya kerja, hal yang dikenalkan adalah motor yang biasa digunakan dalam industri. Dalam hal ini yang dibahas adalah jenis motor yang sumbernya AC.  Secara sederhana motor adalah perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Motor AC dapat diklasifikasikan sebagai berikut

• Synchronous Motor
• Asynchronous Motor

Contoh asynchronous motor yaitu motor induksi.

Sedangkan contoh synchronous motor yaitu

• Permanent magnet motor
• Servo Motor

Disini akan kita bedakan cara kerja motor induksi dengan permanent magnet motor.

rotor pada motor induksi menjadi magnet ketika diinduksi oleh statornya, sehingga disini terjadi delay saat rotor mengikuti stator. Hal ini disebabkan karena ada waktu yang dibutuhkan untuk menginduksi terlebih dahulu rotor untuk menjadi magnet, kemudian baru mengikutinya. Ini yang membuat posisi dari motor induksi sulit untuk dideteksi tanpa perangkat tambahan (contoh encoder)

Sedangkan pada permanent magnet motor, rotornya sendiri merupakan magnet permanen, sehingga tidak ada delay saat mengikuti stator. Namun ada kelemahan yang muncul, karena yang digunakan magnet permanen, maka kutub utara dan selatannya tetap. Jadi starting-nya harus pelan baru kemudian bisa dipercepat, karena jika dari awal sudah kencang bisa terjadi kebingungan dari rotor jika sempat tertinggal diawal, seperti ilustrasi berikut.

Permanent magnet motor dan servo dapat digunakan untuk motor yang presisi namun perbedaannya servo itu closed loop (adanya feedback) sedangkan permanent magnet motor itu open loop. Posisi pada permanent magnet motor dapat diketahui tanpa tambahan encoder karena rotor mengikuti tepat stator.