Arus, daya, dan torsi dalam penggerak kecepatan variabel

Perilaku arus dan daya dalam sistem penggerak kecepatan variabel tidak selalu dipahami dengan baik oleh pengguna, terutama pertanyaan tentang bagaimana arus masukan dan keluaran penggerak berubah seiring dengan perubahan kecepatan dan beban poros motor. Di blog ini kita melihat perilaku dasar dari variable speed drive untuk memperjelas bagaimana nilai-nilai ini berhubungan. Ini membantu untuk memahami perilaku sistem dan untuk memperhitungkan efek dari berbagai tugas pada konsumsi energi dan pada peringkat daya komponen utama. Kami melihat secara singkat drive DC (penyearah terkontrol) serta drive inverter AC, karena ada beberapa perbedaan yang menarik.

Arus motor

Torsi yang dihasilkan oleh motor listrik selalu dapat dianggap sebagai produk dari fluks magnet yang bekerja pada konduktor pembawa arus. Untuk tingkat fluks motor tertentu, torsi adalah fungsi langsung dari arus yang menghubungkan fluks.

Mengabaikan efek orde kedua, kami dapat meringkas ini untuk motor DC dan AC:

• Dalam mesin DC, fluks diatur oleh arus belitan eksitasi (medan), dan torsi adalah produk dari fluks dan arus jangkar.
• Dalam motor AC tanpa magnet permanen, amplitudo fluks diatur oleh rasio tegangan yang diberikan terhadap frekuensi. Torsi adalah perkalian antara fluks dan arus penghasil torsi, yaitu komponen arus yang sefasa dengan tegangan.

Pada motor DC dan motor induksi AC, arus magnetisasi biasanya konstan terlepas dari torsi, kecuali jika kontrol hemat energi khusus diterapkan pada torsi yang dikurangi. Untuk motor induksi kecil, arus magnetisasi dapat menjadi proporsi yang cukup besar (misalnya 70%) dari arus pengenal. Keuntungan dari motor magnet permanen adalah tidak memerlukan arus magnetisasi, sehingga kerugian yang terkait dengan arus ini dapat dihindari.

Gambar 1 menunjukkan variasi khas arus motor (dinormalisasi) dengan torsi, untuk motor induksi dengan tegangan suplai tetap. Variasi dengan kecepatan tidak signifikan.

Daya motor

Daya pada poros diberikan oleh produk torsi dan kecepatan.

Jika kita mengabaikan rugi-rugi, maka masukan daya listrik diberikan, untuk mesin DC hasil kali tegangan dan arus DC, dan untuk mesin AC hasil perkalian r.m.s. tegangan dan komponen arus sefase dengan tegangan, karena arus biasanya tertinggal dari tegangan sefasa.

Untuk pendekatan pertama, arus tergantung pada torsi dan tegangan pada kecepatan. Daya masukan serupa dengan daya keluaran kecuali untuk rugi-rugi, yang pada daya pengenal biasanya berkisar antara 5% sampai 20% dari daya pengenal.

Menggerakkan arus dan daya

Karena drive menggunakan perangkat switching dengan kehilangan daya minimal, sekitar 2%, daya input harus sangat dekat dengan daya output. Perilaku arus input drive sedikit kurang jelas.

Gambar 2 menunjukkan elemen penting dari penyearah jangkar penggerak DC.

Thyristor memungkinkan tegangan output diatur untuk mengontrol torsi dan kecepatan motor. Perhatikan bahwa ada kontinuitas antara fase input dan output, tanpa jalur arus alternatif seperti kapasitor atau koneksi bersama. Kecuali selama interval tumpang tindih singkat, hanya dua thyristor yang bekerja setiap saat, sehingga arus beban selalu mengalir dalam fase input kecuali jika dioda freewheel dipasang.

Drive DC – keluaran

Arus dalam keluaran penggerak DC adalah arus jangkar motor, yang sebanding dengan torsi. Ada konverter kecil tambahan untuk memasok medan.

Drive DC – masukan

Jika sekarang kita melihat bagaimana arus input dipengaruhi oleh operasi motor, kita melihat bahwa besarnya arus input berbanding lurus dengan torsi dalam hubungan yang sangat sederhana. Jika riak arus dapat diabaikan maka . Ini terlepas dari kecepatan, atau tegangan output[1].

Lalu bagaimana daya input dapat bervariasi agar sesuai dengan output, jika arus dan tegangan input tidak tergantung pada kecepatan? Jawabannya adalah bahwa faktor daya input berubah, karena ketika penyearah difase mundur (sudut tembak lebih besar dari 0°), arus input tertinggal dari tegangan suplai sefasa. Secara ekstrim, jika motor dalam keadaan diam tetapi menghasilkan torsi pengenal, sehingga daya poros adalah nol, arus input masih pada nilai pengenalnya, tetapi dengan jeda fase yang akan menjadi 90° jika bukan karena rugi-rugi. Ini bisa menjadi kelemahan serius dari drive DC, dan merupakan alasan mengapa drive DC besar sering digunakan dengan kapasitor koreksi faktor daya.

Drive AC – keluaran

Arus keluaran penggerak AC adalah arus motor, yang seperti telah kita lihat terdiri dari komponen penghasil torsi dan komponen magnetisasi, yang terakhir disuplai oleh penggerak terlepas dari torsi yang diperlukan. Arus pada tahap inverter, yang menyumbang sebagian besar dari biaya material penggerak, oleh karena itu merupakan fungsi dari torsi keluaran bersama dengan komponen tetap. Kecepatannya hampir tidak terpengaruh.

Drive AC – masukan

Gambar 3 menunjukkan elemen penting dari penggerak inverter AC.

Kaki tiga fase inverter terhubung ke sirkuit bus DC yang sama, yang disuplai oleh penyearah. Adanya hubungan umum ini berarti bahwa ketika tegangan keluaran inverter kurang dari nilai maksimumnya, yaitu pada kecepatan kurang dari kecepatan dasar, arus keluaran sebagian bersirkulasi di antara kaki fasa inverter. Hal yang sama berlaku untuk bagian reaktif dari arus keluaran. Bus DC hanya perlu mensuplai daya aktual yang dibutuhkan oleh motor, yaitu produk dari tegangan keluaran dan bagian nyata (aktif) dari arus. Tegangan DC ditetapkan oleh tegangan suplai, sehingga arus DC bervariasi sebanding dengan daya, atau kecepatan jika torsi konstan.

Arus masukan penyearah mencerminkan arus bus DC. Daya input praktis sama dengan daya bus DC, karena rugi-rugi penyearah dapat diabaikan. r.m.s. nilai arus agak lebih tinggi daripada yang diharapkan untuk daya, karena bentuk gelombangnya tidak sinusoidal, yaitu arus mengandung harmonik. Saat arus meningkat, harmonik menjadi lebih kecil secara proporsional karena efek penghalusan dari tersedak penghalusan atau reduksi harmonik. Pada daya beban terukur, r.m.s. arus input seringkali cukup dekat dengan r.m.s. arus keluaran, dan ini dapat menyebabkan pengguna berasumsi bahwa mereka sama. Namun ini benar-benar hanya kebetulan, dengan motor tipikal memiliki faktor daya sekitar 0,85, dan penggerak tipikal memiliki faktor distorsi sekitar 0,85. Pada kecepatan yang dikurangi, kedua arus menjadi sangat berbeda.

Untuk meringkas, Gambar 4 menunjukkan bagaimana arus input dan output dari drive AC khas bervariasi sebagai kecepatan dan torsi bervariasi. Semua besaran dinormalisasi sehingga nilai pengenal atau dasar adalah 1,0.

Hanya ada satu jalur untuk arus keluaran karena hampir tidak bervariasi dengan kecepatan. Arus input meningkat sebagai fungsi dari torsi dan kecepatan, tetapi dengan penurunan kemiringan sebagai efek choke menjadi lebih jelas saat arus pengenal didekati, meningkatkan faktor daya dengan mengurangi harmonik arus. Ada rugi-rugi tetap yang kecil dan beberapa rugi-rugi yang bervariasi dengan torsi, seperti yang terlihat pada saluran untuk kecepatan nol, terutama disebabkan oleh rugi-rugi resistif pada belitan motor.

Arah torsi dan kecepatan – regenerasi

Untuk penyederhanaan, pembahasan di atas telah diterapkan pada situasi kuadran tunggal. Jika torsi dan/atau kecepatan dapat berbalik arah, maka beberapa faktor tambahan harus diperhitungkan.

Untuk drive DC, aplikasi empat kuadran membutuhkan dua jembatan thyristor untuk memungkinkan arus DC dua arah. Perilaku arus input sebagai arah putaran terbalik adalah kelanjutan dari kasus kuadran tunggal, faktor daya melewati nol dengan kecepatan nol dan kemudian naik kembali ke arah maksimum sekitar 0,82 tetapi dengan fase bagian nyata dibalik memberikan kebalikan aliran daya.

Untuk drive AC, penyearah yang tidak terkontrol tidak dapat mengembalikan daya ke catu daya. Inverter secara alami regeneratif, sehingga dengan beban overhaul, bus DC menerima daya yang dikembalikan, dan sirkuit pengereman resistif diperlukan untuk menghindari perjalanan tegangan berlebih. Arus input kemudian nol.

Kita dapat meringkas semua hal di atas dalam grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Hal ini berlaku untuk beban torsi konstan (agak teoretis), yaitu beban di mana torsi konstan pada seluruh rentang kecepatan dari -100% hingga +100%. Dalam prakteknya ini terjadi dengan lift atau hoist yang membawa beban tetap, dan di mana percepatannya cukup rendah sehingga kita mengabaikan gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat beban. Dengan kata lain, kami memvariasikan kecepatan secara perlahan.

Pada Gambar 5, kita mulai dengan kecepatan maksimum. Untuk drive DC dan AC, arus input sekitar 100%. Kami sekarang mulai mengurangi kecepatan. Untuk penggerak DC besarnya arus masukan tetap tidak berubah, dan kita hanya dapat mengatakan bahwa kecepatannya turun jika kita melihat komponen aktifnya (sefasa dengan tegangan). Untuk drive AC, arus input turun, tidak sebanding dengan kecepatannya.

Pada kecepatan nol arus masukan penggerak DC masih sedikit di atas 100%. Sudut fasenya hampir -90 °, satu-satunya bagian aktif dari arus yang disebabkan oleh rugi-rugi daya, karena daya poros adalah nol. Arus input drive AC sangat rendah, hanya menghasilkan rugi-rugi daya. Faktor daya agak buruk karena smoothing choke memiliki pengaruh yang kecil pada arus yang begitu rendah – tetapi hal ini tidak penting secara praktis karena arus jauh lebih rendah daripada nilai nominalnya.

Pada kecepatan negatif, arus masukan penggerak DC masih pada nilai pengenalnya, tetapi bagian sebenarnya telah menjadi negatif, sehingga penggerak mengembalikan energi yang diregenerasi ke suplai utama, dengan faktor daya yang agak rendah. Drive AC memiliki arus nol, karena penyearah input telah diblokir dan kehilangan daya drive disuplai oleh daya yang diregenerasi dari beban. Setiap daya cadangan harus dihamburkan di resistor pengereman.