Memahami Kedipan: Dampak pada Kualitas Daya dan Bagaimana Variabel Speed Drive Membantu

Blog ini membahas topik kedipan, yang dapat dilihat sebagai masalah kualitas daya atau Kompatibilitas Elektromagnetik (EMC) tergantung pada sudut pandang Anda. Kami akan mempertimbangkan apakah variabel speed drive dapat menyebabkan kedipan dan juga di mana mereka dapat membantu menyelesaikan masalah kedipan.

“Kedipan” merujuk pada efek pada pencahayaan listrik saat tegangan pasokan bervariasi dengan cepat. Ini dapat berupa sekali dip atau flash sesekali ketika beban besar dihubungkan atau dicabut secara tiba-tiba, hingga kedipan cepat yang mengganggu jika tegangan dimodulasi pada frekensi di rentang di mana mata dan otak manusia sangat sensitif, yaitu sekitar 0.5 Hz hingga 20 Hz.

Kedipan kadang-kadang disalahpahami dengan harmonik dan masalah kualitas daya lain. Harmonik menurut definisi pada frekensi yang merupakan kelipatan bulat dari frekensi pasokan, dan mereka terlalu tinggi bagi mata untuk merespons. Namun baik kedipan maupun tegangan harmonik disebabkan oleh arus beban yang mempengaruhi tegangan karena impedansi sumber daya, jadi di lokasi di mana impedansi pasokan tinggi, karena jalur pasokan panjang atau faktor lain, masalah tegangan harmonik dan kedipan dapat terjadi bersama.

Gambar 1 menunjukkan gelombang yang diperbesar dengan kedipan yang disimulasikan pada satu kelima frekensi pasokan. Sebaliknya Gambar 2 menunjukkan harmonik kelima yang disimulasikan. Dalam Gambar 2 setiap siklus terdistorsi tetapi bentuk yang sama, sehingga tidak ada kedipan yang terjadi.

Penyelenggara daya listrik harus memastikan bahwa kualitas daya mereka layak pakai, dan mereka memiliki pedoman untuk kedipan. Secara umum mereka hanya melakukan pengukuran jika ada keluhan, jarang ada pengujian rutin pada instalasi kecuali untuk beberapa sistem khusus seperti turbin angin.

Produk listrik yang diproduksi dalam jumlah besar mungkin harus memenuhi standar produk untuk kedipan. Standar produk internasional yang paling dikenal adalah IEC 61000-3-3, atau untuk Eropa EN 61000-3-3, yang memberikan uji dan batas untuk produk yang berating hingga 16 A per fasa. Di Uni Eropa standar ini harmonisasi di bawah EMC Directive, sehingga peralatan dalam cakupannya umumnya harus mematuhinya untuk dapat membawa tanda CE dan dipasarkan di EU. Untuk arus rated hingga 75 A, IEC 61000-3-11 berlaku. Standar memiliki batas yang ketat dalam rentang frekensi ulang sensitif 0.5 Hz – 20 Hz, tetapi tidak ada batas di atas 25 Hz.

Standar untuk kedipan semuanya memerlukan pengukuran dan penilaian yang mempertimbangkan perilaku dinamis lampu listrik dan sensitivitas mata dan otak manusia. Kurva kedipan (lihat selanjutnya) didasarkan pada lampu pijar filamen tungsten. Lampu ini cukup sensitif terhadap tegangan karena hubungan hukum persegi antara tegangan dan daya. Di sisi lain massa termal berarti mereka cenderung meratakan fluktuasi cepat. Tentu saja lampu pijar semakin jarang sekarang. Lampu fluoresien memiliki karakteristik yang berbeda dengan efek merata yang lebih sedikit. Lampu LED sering kali memiliki regulator sehingga tidak terpengaruh oleh tegangan, kecuali ketika dirancang untuk digunakan dengan dimmer. Standar mungkin diperbarui di masa depan untuk mencerminkan perilaku lampu modern, tetapi biaya perubahan dalam mengganti peralatan pengujian dan menguji ulang produk tidak disukai. Kemungkinan besar batas yang didasarkan pada lampu pijar akan ada bersama kita untuk beberapa tahun lagi.

Interharmonics

Interharmonics adalah frekensi yang tidak diinginkan yang tidak pada kelipatan bulat dari frekensi pasokan, jadi mereka terletak antara harmonik dalam spektrum. Jika mereka dekat dengan harmonik yang benar maka mereka dapat menghasilkan modulasi yang terlihat dari tegangan pasokan. Dalam beban resistif sederhana seperti lampu pijar mereka tidak menyebabkan kedipan karena frekuensinya tinggi dan lampu hanya sensitif terhadap rata-rata berjalan dari tegangan r.m.s. Namun rectifier atau beban non-linear lain dapat menghasilkan frekensi jumlah-dan-perbedaan yang dapat mencakup frekensi rendah jika interharmonik dekat dengan kelipatan bulat dari frekensi pasokan. Gambar 3 menunjukkan contoh di mana interharmonik dari urutan 5.2. Amplitudo puncak terlihat dimodulasi, tetapi tegangan r.m.s. tidak, dan ini tidak akan diukur sebagai kedipan. Bentuk gelombang ini dapat terjadi dengan drive regeneratif atau pengontrol daya aktif lain di mana frekensi switching tidak terkait fase dengan pasokan.

Penyebab kedipan

Kedipan selalu disebabkan oleh variasi arus yang ditarik dari pasokan, yang menghasilkan variasi tegangan pasokan yang kemudian mempengaruhi beban lain termasuk pencahayaan. Ada banyak sumber yang mungkin, daftar di bawah ini menunjukkan beberapa yang lebih umum.

Kejadian tunggal:

1. Memulai motor secara langsung ke jaringan. Ini adalah penyebab yang paling umum dari penurunan tegangan tunggal. Motor induksi menarik antara 3 dan 5 kali arus ratednya saat memulai, dan efek pada tegangan semakin memburuk karena arus pemulaian terlambat terhadap fase tegangan sehingga penurunan tegangan pada impedansi pasokan, yang biasanya terutama induktif, lebih besar daripada untuk beban resistif.
2. Memulai perangkat elektronik besar seperti drive, dengan arus inrush charging kapasitor
3. Memulai transformator besar dengan arus inrush magnetisasi
4. Memulai kompresor atau pompa dengan tekanan balik, yang menyebabkan torsi pemulaian tinggi

Kejadian acak yang sering:

1. Bak arco
2. Mesin las arco
3. Mesin yang tunduk pada puncak beban berat yang sering, misalnya mixer, pres dll.

Kejadian periodik atau hampir periodik:

1. Mesin las titik otomatis
2. Pompa atau kompresor relips, atau beban pulser yang serupa.
3. Termostat atau pengontrol lain yang bekerja dengan memindai beban – terutama dengan switch solid-state yang dapat beroperasi sering.
4. Pengontrol thyristor atau triac burst-firing

Efek variabel speed drive terhadap kedipan

Drive itu sendiri

Satu-satunya cara drive dapat menyebabkan kedipan dalam dirinya sendiri adalah melalui arus inrush charging kapasitor saat daya dipasang. Drive Control Techniques dirancang sehingga arus inrush tidak melebihi arus input rated, jadi penurunan tegangan tidak melebihi yang disebabkan oleh operasi normal pada daya rated.

Sistem kontrol

Jika drive berada dalam sistem yang menyebabkan drive menghasilkan output daya yang berfluktuasi cepat maka ini dapat menyebabkan kedipan. Ini dapat disebabkan oleh operasi periodik yang diprogram atau stabilitas marginal dalam loop kontrol umpan balik. Setiap sistem kontrol harus dievaluasi untuk memastikan bahwa tidak akan menyebabkan kedipan berlebihan.

Dalam mesin dengan beberapa sumbu dan gerakan periodik cepat, mungkin memungkinkan untuk mengatur kontrol sehingga puncak daya terjadi secara berurutan. Ini dapat mengalikan frekensi kedipan dengan jumlah sumbu, yang jika bergerak di atas 25 Hz dapat menghilangkan masalah.

Beban

Pemulaian motor

Drive sepenuhnya menghilangkan penurunan tegangan tiba-tiba yang disebabkan oleh pemulaian motor. Tidak hanya frekensi dan tegangan motor diramp secara terkontrol sehingga arus motor dibatasi, tetapi juga arus input drive proporsional terhadap output daya, bukan output arus, jadi arus input hanya diramp seiring bertambahnya kecepatan motor. Ada aplikasi di mana drive layak sepenuhnya untuk manfaatnya dalam memulai tanpa menyebabkan penurunan tegangan berlebihan, jika alternatifnya akan menjadi penguatan sistem pasokan yang mahal.

Beban pulser seperti pompa relips

Drive memiliki energi yang tersimpan yang sangat terbatas di kapasitor DC linknya, tidak cukup untuk meratakan siklus kedipan, jadi jika daya beban fluktuasi maka arus input drive fluktuasi dengan cara yang sama. Kecuali jika tindakan khusus dilakukan, drive tidak akan mengompensasi beban yang fluktuasi.

Biasanya drive secara sederhana tidak membuat perbedaan pada tingkat kedipan yang disebabkan oleh beban pulser, tetapi memungkinkan untuk drive membuat efek ini semakin buruk:

• Pertama, dengan mengurangi kecepatan ia mungkin membawa frekensi pulsasi di bawah titik kritis 25 Hz di mana kedipan menjadi terlihat.
• Kedua, jika sistem drive dikonfigurasi untuk memberikan kontrol kecepatan yang ketat dengan torsi beban pulser maka ia dapat meningkatkan fluktuasi daya, karena mencegah motor untuk melambat dan mempercepat dalam siklus torsi. Ini mengurangi manfaat dari energi yang tersimpan dalam inersia mesin, termasuk flywheel jika dipasang. Kecuali jika ada alasan yang sangat khusus untuk mengontrol kecepatan dengan ketat dalam siklus torsi, tidak disarankan untuk menggunakan kontrol kecepatan closed-loop atau slip compensation dengan beban pulser. Sebenarnya lebih baik untuk mengizinkan kecepatan bervariasi dengan torsi untuk memanfaatkan energi yang tersimpan secara mekanis.

Jika kontrol kecepatan closed-loop harus digunakan, lebih baik untuk mengimplementasikan kontroler predominantly integral dengan gain rendah. Dengan cara ini kecepatan rata-rata dikontrol dengan tepat, tetapi kontroler tidak menahan variasi periodik alami dalam siklus yang disebabkan oleh slip motor induksi. Saran ini tampak kontraintuitif, karena kita cenderung memikirkan variabel speed drive sebagai menawarkan kontrol kecepatan yang cepat dan akurat, tetapi sebenarnya kontrol yang cepat mengurangi manfaat flywheel atau inersia lain dalam menyimpan energi.

Diskusi di atas berlaku dengan motor induksi. Dengan motor magnet permanen kecepatan secara inheren dikontrol ketat dan pulsasi torsi secara langsung terpantul sebagai input daya tanpa kemungkinan slip rotor yang memberikan pengurangan apa pun. Memungkinkan untuk memprogram algoritma kontrol khusus ke dalam drive yang secara sengaja mengizinkan kecepatan jatuh secara dinamis saat torsi naik, dalam siklus rotasi, sambil mempertahankan kecepatan rata-rata jangka panjang pada nilai yang diinginkan. Ini cenderung menjaga daya konstan (daya = torsi x kecepatan), dan itu adalah daya yang menentukan arus input. Control Techniques memiliki aplikasi yang dipatenkan untuk ini. Memungkinkan bahwa ini dapat memberikan penghematan biaya yang berguna dalam desain mesin di beberapa aplikasi, misalnya pompa atau kompresor relips multi-silinder mungkin digantikan oleh satu silinder.

Batas kedipan

Kedipan diukur menggunakan “flickermeter” yang didefinisikan dalam standar IEC 61000-4-15. Batas untuk peralatan ditetapkan dalam standar seperti IEC 61000-3-3 dan IEC 61000-3-11.

Pengukuran kedipan adalah fluktuasi tegangan pasokan. Untuk uji produk, sistem uji harus mencakup impedansi pasokan simulasi, yang didefinisikan dalam standar. Batas dalam IEC 61000-3-3 didasarkan pada pasokan 230 V 50 Hz dengan impedansi (0.4 + j0.25) W, yang mensimulasikan pasokan yang sangat “lemah”, yaitu satu dengan arus short circuit rendah.

Gambar 4 menunjukkan batas untuk perubahan tegangan persegi panjang repetitif sederhana dari IEC 61000-3-3, untuk pasokan 230 V 50 Hz. Sumbu frekuensi mewakili siklus lengkap per detik, yaitu setiap siklus terdiri dari dua langkah yang sama besar tetapi berlawanan. Ada aturan lebih lanjut untuk mengevaluasi pola lain. Gambar menunjukkan dengan jelas tingkat yang diizinkan yang rendah untuk rentang frekensi kritis antara sekitar 0.5 Hz dan 20 Hz.

Mengurangi kedipan

Kami telah mempertimbangkan cara penggunaan variabel speed drive dapat membantu mengurangi kedipan dari pemulaian motor atau dari beban pulser.

Metode konvensional termasuk penggunaan pompa relips multi-silinder untuk meratakan torsi, dan flywheel.

Di mana fluktuasi daya besar tidak dapat dihindari, koneksi pasokan harus dibuat secara listrik dekat dengan feed pasokan masuk situs untuk menghindari penurunan tegangan pada kabel yang dibagikan dengan beban lain. Sirkuit pencahayaan juga harus dihubungkan secara terpisah dekat dengan feed pasokan masuk.

Dalam kasus ekstrim mungkin perlu untuk memasang pasokan baru dengan impedansi yang lebih rendah. Dengan mempertimbangkan biaya tinggi, layak untuk mengeksplorasi kemungkinan bahwa penggunaan kreatif variabel speed drive mungkin menghindari biaya tersebut.