Upaya otomasi industri dan efisiensi energi meningkatkan penggunaan penggerak frekuensi variabel (VFD) dalam sistem motor seperti konveyor, pompa, dan robot industri. Pemilihan kabel untuk motor jenis ini jauh lebih rumit dibandingkan menentukan pengukur kawat berdasarkan arus beban dan tingkat isolasi berdasarkan tegangan operasi.
Sistem motor VFD modern menggunakan elektronika daya mode peralihan untuk menghasilkan sinyal penggerak modulasi lebar pulsa (PWM) dengan tepian yang sangat cepat. Transien cepat ini meningkatkan pantulan sinyal yang disebabkan oleh ketidaksesuaian impedansi antara kabel dan terminal motor, menciptakan gelombang berdiri yang meningkatkan tegangan tegangan pada kabel. Selain itu, kapasitansi kabel line-to-line dan line-to-ground mempengaruhi kinerja driver dan meningkatkan arus pengisian. Karena sinyal VFD PWM mengandung sejumlah besar harmonik frekuensi tinggi, kabel motor harus dilindungi secara efektif untuk mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI).
Makalah ini menjelaskan secara singkat VFD dan membahas tantangan yang dihadapi oleh desainer dalam memilih kabel motor VFD untuk memastikan fungsionalitas, keandalan, dan keamanan yang diperlukan untuk pengoperasian yang benar. Kabel VFD LAPP kemudian dipresentasikan dan didemonstrasikan bagaimana kabel tersebut dapat digunakan untuk menyediakan daya yang stabil dan sinyal kontrol sekaligus mengurangi radiasi EMI dan kerentanan terhadap lingkungan yang keras.
Pengenalan PKS
Otomasi industri mengharuskan motor beroperasi dengan andal dan efisien, serta dapat beroperasi ke segala arah dalam rentang kecepatan penuh. VFD, kadang-kadang disebut sebagai driver gubernur, adalah pengontrol motor yang mengatur kecepatan dan torsi motor induksi AC (ACIM) dengan memvariasikan frekuensi input daya, tegangan, dan siklus kerja motor. Prinsip kerja VFD adalah menggunakan input penyearah AC dan output DC untuk menghasilkan sinyal PWM untuk menggerakkan motor. Dengan mengatur frekuensi, lebar dan amplitudo sinyal pulsa ini, kecepatan motor dan torsi keluaran dapat dikontrol di berbagai sistem penggerak motor.
Untuk mewujudkan fungsinya, VFD terdiri dari tiga komponen utama (Gbr. 1): penyearah yang mengubah AC menjadi DC, inverter yang mengubah aliran DC menjadi PWM, dan pengontrol VFD.
VFD memperbaiki input AC dan menghasilkan sinyal PWM menggunakan DC (klik amplifikasi)
Gambar 1: VFD memperbaiki masukan AC dan menggunakan DC untuk menghasilkan sinyal PWM guna mengontrol kecepatan motor dan torsi keluaran. Sumber gambar: Seni Pini)
Pengontrol memantau pengoperasian motor melalui berbagai sensor untuk mengontrol parameter motor penting. Sensor-sensor ini termasuk umpan balik transformator/encoder putar, takometer, serta sensor suhu dan getaran.
Penyearah ini menggunakan dioda konvensional yang diikuti dengan filter. Inverter mengadopsi transistor efek medan daya (FET) atau transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT). Transistor ini digerakkan oleh driver gerbang tegangan tinggi yang terisolasi, yang dikendalikan secara terpusat oleh pengontrol VFD.
VFD berbeda dari operasi AC tiga fase konvensional karena sinyal motor penggerak bukanlah gelombang sinus, melainkan pulsa PWM (Gbr. 2).
Pulsa PWM VFD menghasilkan respon arus sinusoidal
Gambar 2: Pulsa PWM VFD menghasilkan respon arus sinusoidal pada belitan motor. Sumber gambar: LAPP)
Frekuensi sinyal PWM umumnya 2 kHz hingga 20 kHz. Inverter secara bergantian menghubungkan motor ke kutub positif dan negatif bus AC dan ke tegangan umum DC. Tegangan bus DC mendekati tegangan puncak bus AC. Bentuk gelombang VFD PWM yang digunakan menghasilkan respon arus sinusoidal untuk mengontrol kecepatan dan torsi motor.
Karena karakteristik gelombang PWM, diperlukan kabel khusus untuk menghubungkan VFD ke motor. Bentuk gelombang ini adalah pulsa persegi panjang dengan spektrum luas dan kaya akan harmonik. Kabel VFD dirancang khusus untuk mengurangi radiasi sinyal frekuensi tinggi ini. Selain itu, untuk meminimalkan hilangnya peralihan perangkat switching inverter dan memaksimalkan efisiensi sistem, kecepatan lompatan pulsa perlu diatur secepat mungkin. Hal ini menghasilkan laju perubahan tegangan yang sangat tinggi (dV/dt) pada tepi pulsa. Fitur-fitur ini, dikombinasikan dengan tepi cepat dan komponen spektral frekuensi tinggi, menghasilkan interferensi elektromagnetik tingkat tinggi. Tepi yang cepat juga menghasilkan pantulan saluran transmisi dimana impedansi kabel berubah. Pantulan ini menciptakan gelombang berdiri pada kabel, yang meningkatkan tegangan pada kabel dan mengharuskan kabel VFD memiliki peringkat tegangan yang lebih tinggi.
Kapasitansi kabel antara konduktor logam juga menjadi perhatian. Ketika saklar inverter menghubungkan kabel ke bus DC, lonjakan arus dihasilkan yang mengisi kapasitansi kabel. Hal ini meningkatkan tingkat arus sesaat dan dapat merusak kabel. Arus mode umum ini dapat mengalir antar fasa atau dari satu fasa ke bumi. Arus ini juga dapat masuk ke ground loop melalui rangka motor dan melewati bantalan motor. Arus yang mengalir melalui bantalan menyebabkan permukaan bantalan berlubang, sehingga memperpendek umur motor. Masalah ini biasanya terjadi pada sistem VFD dengan tegangan tinggi, rating motor (HP) tinggi, dan kabel yang panjang.
Seperti halnya semua kabel dan kabel, arus mengalir melalui resistansi DC pada kabel yang menyebabkan hilangnya daya. Selain itu, karena bandwidth spektral sinyal PWM yang lebar, resistansi kabel dapat meningkat karena efek kulit. Efek resistansi ini bervariasi menurut panjang kabel.