Bagaimana Drive Merespons Penurunan Tegangan: Panduan Praktis tentang Gangguan Tegangan

Pasokan listrik publik umumnya andal, tetapi mereka menderita gangguan. Tentu saja kehilangan total pasokan menyebabkan semua peralatan listrik berhenti, kecuali jika memiliki pasokan cadangan seperti UPS dan/atau generator cadangan yang terhubung. Saat listrik kembali, peralatan memulai ulang dari keadaan mati sesuai dengan cara dirancang untuk memulai. Namun ada kelas gangguan yang berupa gangguan singkat atau penurunan tegangan di mana perilaku tidak begitu jelas.

Penurunan tegangan singkat tidak jarang terjadi. Mereka dapat disebabkan oleh gangguan garis yang dipicu oleh petir atau benda jatuh seperti pohon dan sebagainya. Setiap kali terjadi gangguan di sistem daya publik, penurunan tegangan menyebar dari titik gangguan ke seluruh sistem. Perlengkapan proteksi perusahaan listrik memutus sirkuit yang bermasalah dalam skala waktu sekitar 200 ms, setelah itu listrik pulih untuk sebagian besar konsumen, terkadang setelah beberapa upaya oleh circuit breaker auto-reclosing. Namun selama waktu ini konsumen listrik mengalami penurunan tegangan dengan kedalaman yang bervariasi tergantung pada jarak listrik dari titik gangguan. Di industri berat, penurunan tegangan juga terjadi saat memulai motor besar secara langsung ke jaringan.

Penting bagi peralatan listrik untuk berperilaku dengan benar selama dan setelah penurunan atau gangguan, hal yang sering diabaikan. Peralatan harus mampu ride through penurunan pendek atau dangkal. Jika tidak memungkinkan, perilaku yang benar tergantung pada aplikasi. Di beberapa aplikasi peralatan harus berhenti dan menunggu untuk di-restart, secara manual, untuk menghindari bahaya dari pemulaian yang tidak terduga, atau secara otomatis tetapi di bawah kontrol koordinasi untuk beberapa motor. Aplikasi lain memerlukan peralatan untuk memulai ulang secara otomatis saat listrik kembali, secara terkontrol. Gagal memulai ulang dengan benar dapat menyebabkan produksi hilang di pabrik manufaktur, darurat seperti orang yang terjebak di lift, sistem pendingin udara yang trip, dan segala macam perangkat elektronik yang memerlukan kunjungan servis mahal untuk mereset mereka.

Dips dan interupsi

Dips dan interupsi yang paling pendek biasanya sekitar 10 ms, atau setengah siklus jaringan, dalam durasi. Apa pun yang melebihi sekitar 10 s dianggap kehilangan daya. Rentang durasi di mana kita perlu memeriksa perilaku dengan cermat terutama dari 10 ms hingga sekitar 500 ms. Dalam rentang ini, kesalahan desain dapat menghasilkan perilaku yang salah seperti processor yang tergantung atau crash, atau data yang rusak.

Dalam sistem tiga fasa, gangguan sering mempengaruhi hanya satu fasa, karena petir dan benda jatuh sering hanya mempengaruhi satu fasa. Gangguan mungkin menyebar ke ketiga fasa. Gangguan fasa-ke-ground tunggal di sistem transmisi tegangan tinggi muncul sebagai gangguan fasa-ke-fasa di sistem distribusi tegangan rendah, setelah transformator delta-star. Dips dari pemulaian motor mempengaruhi ketiga fasa.

Penyimpanan energi dan ride-through

Dalam sirkuit elektronik yang di daya oleh jaringan biasanya terdapat kapasitor yang cukup besar yang terhubung dalam garis DC internal untuk meratakan tegangan rectified, dan biasanya menyimpan cukup energi untuk menjaga sirkuit beroperasi selama sekitar 10 ms hingga 20 ms. Untuk gangguan lebih pendek, sirkuit terus beroperasi secara normal, dan mungkin ada sirkuit pemantau daya yang mendeteksi tegangan rendah. Kemudian ada waktu untuk menjalankan rutinitas pendek untuk menyimpan beberapa data penting dalam memori non-volatile dan menempatkan sistem dalam keadaan yang diketahui, dari mana sistem dapat restart saat pasokan daya kembali. Jika ridethrough hingga sekitar 100 ms diperlukan, ini dapat dicapai dengan menambahkan kapasitansi ekstra, di luar itu beberapa jenis baterai atau UPS diperlukan.

Dalam variabel speed drive yang umum, karena throughput daya tinggi, kapasitor tidak menyimpan cukup energi untuk menyediakan daya beban rated bahkan selama 10 ms. Tidak ada kemungkinan realistis untuk ride through gangguan dengan cara sederhana menggunakan energi yang tersimpan kapasitor, kecuali daya beban sangat rendah saat itu. Di beberapa aplikasi khusus kapasitor ekstra, super-kapasitor atau baterai telah dihubungkan ke DC bus untuk memastikan ridethrough, tetapi ini biasanya terlalu mahal.

Di sisi lain, mungkin ada energi yang berguna yang tersimpan secara mekanis dalam inersia motor. Tergantung pada aplikasi, mungkin memungkinkan untuk menggunakan beberapa energi ini untuk menjaga drive dalam keadaan yang layak siap untuk saat listrik kembali.

Ride-through untuk drive

Gambar 1 menunjukkan komponen daya utama dari drive AC. Chokes adalah opsional dan memiliki sedikit efek pada ridethrough.

Gambar 1: Komponen daya utama AC VSD

Rectifier adalah unidirectional, daya hanya dapat lewat dari pasokan AC ke DC bus. Inverter dan motor adalah bidirectional, jadi memungkinkan untuk energi kembali dari motor ke drive DC bus, asalkan ada juga cukup energi untuk menjaga motor magnetized.

Drive controller memiliki pengukuran tegangan DC bus, jadi dapat mendeteksi penurunan tegangan. Gangguan singkat pasokan AC memiliki efek yang sama dengan dip, karena tegangan DC jatuh saat kapasitor discharge. Ada beberapa situasi yang mungkin, dan perilaku detail tergantung pada mode kontrol motor yang digunakan. Mari kita pertimbangkan kontrol open loop sederhana dengan rasio V/f dasar dan tetap.

Dalam setiap kasus di mana tegangan pulih sebelum tingkat deteksi kehilangan pasokan tercapai, operasi normal kemudian dilanjutkan. Ada lonjakan arus input singkat saat kapasitor di-charge ulang tanpa manfaat sirkuit soft charge. Drive dirancang untuk menahan lonjakan ini tanpa kerusakan, tetapi diketahui circuit breaker beroperasi dalam situasi ini, terutama di mana sejumlah drive di-feed dari breaker yang sama.

Rutinitas kehilangan pasokan:

Ada parameter mode yang dapat dipilih pengguna yang memberikan pilihan tiga tindakan, yang dapat dipilih untuk menyesuaikan kebutuhan aplikasi:

1. Tidak ada tindakan (fungsi kehilangan pasokan dinonaktifkan)
2. Ramp to stop
3. Ride through

Di opsi 1 motor coast to stop. Drive tidak melakukan tindakan saat tegangan jatuh di bawah tingkat deteksi kehilangan pasokan. Jika tegangan terus jatuh di bawah tingkat deteksi under voltage, drive dinonaktifkan dan motor coast to halt. Jika listrik kembali drive menjalankan automatic restart jika perintah enable dan run ke drive masih ada.

Opsi 2 biasanya dipilih di mana aplikasi memerlukan beberapa gerakan terkoordinasi dan penting agar drive tidak mencoba tindakan independen. Motor diramp ke stop saat tegangan jatuh di bawah tingkat deteksi kehilangan pasokan. Jika listrik kembali saat drive sedang mendecelerate motor, drive terus meramp motor ke halt, jika tidak drive masuk ke keadaan under-voltage dan shutdown.

Ada perbedaan dalam perilaku detail antara beberapa produk Control Techniques setelah drive mencapai stop jika pasokan telah kembali:

• Untuk Unidrive M700 dan produk terkait: Setelah motor mencapai stop, drive masuk ke keadaan disabled dan memerlukan sinyal enable di-toggle sebelum dapat beroperasi lagi.
• Untuk Unidrive M100 hingga M400 dan produk terkait: Setelah motor mencapai stop selama perintah enable dan run masih ada, drive restart dan meramp kecepatan motor kembali ke speed reference.

Opsi 3 biasanya dipilih di mana aplikasi memerlukan drive untuk terus beroperasi secara independen sejauh mungkin. Drive mengurangi setting kecepatan motor secara terkontrol sehingga fluks motor dipertahankan dan energi yang tersimpan secara mekanis di motor dan beban dikembalikan ke drive saat kecepatan jatuh. Energi digunakan untuk mempertahankan arus magnetisasi motor dan untuk menyediakan daya ke sirkuit kontrol drive. Jika listrik kembali sebelum energi habis, drive mempercepat motor kembali ke kecepatan yang diatur.

Kesempatan ridethrough yang berhasil jelas tergantung pada beban mekanis saat itu dan inersia spesifik motor dan beban.

Perhatikan bahwa jika penurunan tegangan terjadi hanya di satu fasa dari pasokan tiga fasa, energi yang dipulihkan hanya perlu “mengisi celah” untuk rectifier selama interval tegangan fasa yang hilang, yang memerlukan jauh lebih sedikit energi daripada penurunan tiga fasa dan paling mungkin menghasilkan ridethrough yang berhasil.

Batas jumlah upaya auto-reset

Ini dapat diatur ke jumlah yang diinginkan atau unlimited.

Restart motor yang berputar:

Di semua opsi ini, jika automatic restart dipilih maka harus dipertimbangkan apakah rutinitas “catch a spinning motor” diperlukan. Di mana drive telah mempertahankan kontrol motor, yaitu dalam keadaan ramp atau ride-through, ini tidak diperlukan. Namun setelah under-voltage trip terjadi motor tidak lagi dikontrol. Motor mungkin terus berputar sebagai akibat dari inersia dan/atau faktor eksternal seperti aliran udara di kipas. Dalam hal itu restart mungkin gagal kecuali algoritma spinning motor diaktifkan.

Standar dan persyaratan untuk penurunan tegangan, gangguan dan ridethrough

Ada standar internasional dan standar harmonis EU untuk kekebalikan produk listrik terhadap penurunan dan gangguan tegangan. Di EU ini tercakup secara hukum oleh EMC Directive. Di sisa dunia ini umumnya dianggap sebagai masalah kualitas produk daripada hukum EMC. Untuk peralatan yang berating di bawah 16 A per fasa standar uji adalah IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 di EU), tetapi standar ini memberikan rentang opsi tingkat uji yang luas dan tidak ada kriteria lulus/gagal. Standar produk harus dikonsultasi untuk menemukan persyaratan yang tepat. Sebuah persyaratan umum dapat diambil dari standar kekebalikan generik untuk peralatan industri, IEC 61000-6-2:

Peralatan harus beroperasi seperti yang ditentukan selama penurunan dan setelahnya, dan tidak boleh terjadi kehilangan atau kerusakan data yang tersimpan. Perhatikan bahwa ini tidak memerlukan ride-through secara harfiah, dalam arti terus menyediakan daya output rated, tetapi hanya operasi sesuai yang dimaksud. Tujuan uji adalah untuk menemukan error atau bug seperti keadaan tergantung atau data yang rusak yang tersimpan setelah penurunan/gangguan. Jika uji diterapkan pada mesin yang mengandung drive maka drive harus dikonfigurasi dengan benar untuk memastikan bahwa seluruh mesin berperilaku seperti yang dimaksud selama dan setelah penurunan.

Untuk peralatan yang berating di atas 16 A per fasa ada standar uji lain IEC 61000-4-34. Standar ini jarang digunakan, karena kesulitan dan biaya peralatan uji. Perilaku drive daya tinggi dapat diprediksi dengan andal melalui simulasi dan dengan menskalakan dari model daya rendah.

Standar lain untuk gangguan daya berasal dari Information Technology Industry Council (ITIC) di Amerika Serikat dan terkadang ditetapkan untuk peralatan IT. Standar ini tidak mendefinisikan metode uji tetapi hanya perilaku tegangan terminal. Kurva ITIC (sebelumnya CBEMA curve) menunjukkan operasi yang berlanjut untuk gangguan hingga 20 ms. Ini hanya berlaku untuk pasokan single-phase dan tidak mudah disesuaikan dengan tiga fasa.

Dari diskusi sebelumnya Anda dapat melihat bahwa drive mungkin dapat mencapai ini dalam mode ridethrough asalkan energi yang cukup dapat dipulihkan dengan mendecelerate beban, terutama dengan pasokan tiga fasa.

Gambar 2: Kurva ITIC (sebelumnya CBEMA)