Munculnya penggerak frekuensi variabel (VFD) telah merevolusi kontrol otomasi industri dan efisiensi energi motor. VFD sebenarnya sangat diperlukan dalam produksi industri, dan bahkan dalam kehidupan sehari-hari, VFD telah menjadi komponen integral dalam elevator dan-AC frekuensi variabel. PKS telah merambah ke setiap sudut produksi dan kehidupan sehari-hari. Namun, hal ini juga menimbulkan tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya, dengan kerusakan motorik menjadi salah satu permasalahan yang paling menonjol.
Banyak yang telah mengamati fenomena PKS yang merusak motor. Misalnya, produsen pompa baru-baru ini sering menerima laporan dari pelanggan tentang kegagalan pompa yang terjadi dalam masa garansi. Sebelumnya, produk pabrikan ini terkenal dengan kehandalannya. Investigasi mengungkapkan bahwa semua pompa yang rusak digerakkan oleh penggerak frekuensi variabel.
Meskipun masalah kerusakan motorik yang disebabkan oleh VFD-meningkatkan perhatian, mekanisme yang mendasarinya masih belum jelas, dan tindakan pencegahan sebagian besar masih belum diketahui. Artikel ini bertujuan untuk mengatasi ketidakpastian ini.
Kerusakan Motor Akibat VFD
Kerusakan motor akibat VFD terlihat dalam dua cara utama: kerusakan belitan stator dan kerusakan bantalan, seperti diilustrasikan pada Gambar 1. Kerusakan tersebut biasanya terjadi dalam jangka waktu mulai dari beberapa minggu hingga lebih dari satu tahun. Durasi spesifik bergantung pada banyak faktor, termasuk merek VFD, merek motor, peringkat daya motor, frekuensi pembawa VFD, panjang kabel antara VFD dan motor, dan suhu sekitar. Kegagalan motorik dini menimbulkan kerugian ekonomi yang besar pada perusahaan. Kerugian ini tidak hanya mencakup biaya perbaikan dan penggantian namun, yang lebih penting lagi, dampak finansial dari penghentian produksi yang tidak terduga. Oleh karena itu, ketika menggunakan VFD untuk menggerakkan motor, masalah kerusakan motor memerlukan perhatian yang besar.
Perbedaan Antara Penggerak Frekuensi Variabel dan Penggerak Frekuensi Jalur
Untuk memahami mengapa motor frekuensi saluran lebih rentan terhadap kerusakan pada kondisi konverter frekuensi, pertama-tama kita harus memahami perbedaan antara tegangan yang disuplai oleh konverter frekuensi dan tegangan frekuensi saluran. Kemudian, kita harus memahami bagaimana perbedaan ini berdampak buruk pada motor.
Untuk memahami mengapa motor lebih rentan terhadap kerusakan pada kondisi penggerak VFD dibandingkan dengan operasi frekuensi{0}}jalur, pertama-tama kita harus memeriksa perbedaan antara tegangan yang disuplai oleh VFD dan tegangan frekuensi{1}}jalur. Kita kemudian harus memahami bagaimana perbedaan ini berdampak negatif pada motor.
Struktur dasar penggerak frekuensi variabel ditunjukkan pada Gambar 2, terdiri dari dua bagian utama: rangkaian penyearah dan rangkaian inverter. Rangkaian penyearah membentuk rangkaian keluaran tegangan DC menggunakan dioda standar dan kapasitor filter. Rangkaian inverter mengubah tegangan DC ini menjadi bentuk gelombang tegangan termodulasi lebar -pulsa (tegangan PWM). Akibatnya, bentuk gelombang tegangan yang menggerakkan motor dari VFD adalah bentuk gelombang pulsa dengan lebar pulsa yang bervariasi, bukan bentuk gelombang tegangan sinusoidal. Menggerakan motor dengan tegangan berdenyut ini merupakan penyebab mendasar kerusakan motor.
Mekanisme Kerusakan Inverter Pada Belitan Stator Motor
Ketika tegangan pulsa merambat melalui kabel, impedansi yang tidak sesuai antara kabel dan beban menyebabkan pantulan pada ujung beban. Refleksi ini menghasilkan superposisi gelombang datang dan gelombang pantulan, menghasilkan tegangan yang jauh lebih tinggi. Amplitudonya dapat mencapai hingga dua kali lipat tegangan bus DC-kira-kira tiga kali lipat tegangan masukan inverter-seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3. Tegangan lonjakan yang terlalu tinggi yang diterapkan pada belitan stator motor menyebabkan lonjakan tegangan. Lonjakan tegangan berlebih yang sering terjadi dapat menyebabkan kegagalan motor dini.
Umur sebenarnya dari motor yang digerakkan oleh penggerak frekuensi variabel setelah mengalami lonjakan tegangan bergantung pada banyak faktor, termasuk suhu, kontaminasi, getaran, tegangan, frekuensi pembawa, dan proses pembuatan insulasi kumparan.
Semakin tinggi frekuensi pembawa konverter frekuensi, semakin dekat bentuk gelombang arus keluaran mendekati gelombang sinus. Hal ini mengurangi suhu pengoperasian motor, sehingga memperpanjang masa pakai isolasi. Namun, frekuensi pembawa yang lebih tinggi berarti lebih banyak tegangan lonjakan yang dihasilkan per detik, sehingga dampaknya lebih sering terjadi pada motor. Gambar 4 mengilustrasikan bagaimana masa pakai insulasi bervariasi menurut panjang kabel dan frekuensi pembawa. Grafik menunjukkan bahwa untuk kabel sepanjang 200 kaki, peningkatan frekuensi pembawa dari 3 kHz menjadi 12 kHz (peningkatan empat kali lipat) mengurangi umur isolasi dari sekitar 80.000 jam menjadi 20.000 jam (penurunan empat kali lipat).
Pengaruh Frekuensi Pembawa pada Isolasi
Semakin tinggi suhu motor, semakin pendek umur insulasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, ketika suhu naik hingga 75 derajat, umur motor berkurang hingga hanya 50%. Motor yang digerakkan oleh penggerak frekuensi variabel (VFD) mengalami suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan motor yang digerakkan oleh tegangan frekuensi utilitas, karena tegangan PWM mengandung proporsi komponen frekuensi tinggi yang lebih tinggi.
Mekanisme Kerusakan Penggerak Frekuensi Variabel pada Bantalan Motor
Penyebab kerusakan bantalan motor penggerak frekuensi variabel adalah aliran arus yang melalui bantalan yang terjadi dalam keadaan tersambung terputus-putus. Sirkuit yang terhubung secara terputus-putus menghasilkan busur, dan busur ini membakar bantalan.
Dua penyebab utama menginduksi aliran arus melalui bantalan motor AC: pertama, tegangan induksi dari ketidakseimbangan medan elektromagnetik internal; kedua, jalur arus frekuensi tinggi-yang diciptakan oleh kapasitansi liar.
Pada motor induksi AC ideal, medan magnet internalnya simetris. Ketika arus dalam belitan tiga-fasa sama dan fasa-bergeser 120 derajat , tidak ada tegangan yang diinduksi pada poros motor. Namun, ketika tegangan keluaran PWM dari inverter menyebabkan asimetri medan magnet di dalam motor, maka tegangan diinduksikan pada poros. Tegangan ini biasanya berkisar antara 10 hingga 30V, bergantung pada tegangan penggerak-tegangan penggerak yang lebih tinggi menghasilkan tegangan poros yang lebih tinggi. Jika tegangan ini melebihi kekuatan isolasi minyak pelumas di dalam bantalan, jalur listrik akan terbentuk. Saat poros berputar, isolasi minyak pelumas secara berkala mengganggu aliran arus. Proses ini menyerupai aksi peralihan saklar mekanis, menghasilkan busur api yang mengikis permukaan poros, bola, dan bantalan, sehingga membentuk lubang. Tanpa getaran eksternal, lubang kecil hanya menimbulkan dampak minimal. Namun, jika dikombinasikan dengan getaran eksternal, hal ini akan menciptakan lekukan yang secara signifikan mengganggu pengoperasian motor.
Selain itu, percobaan menunjukkan bahwa tegangan pada poros juga berhubungan dengan frekuensi dasar tegangan keluaran inverter. Semakin rendah frekuensi fundamental maka semakin tinggi tegangan pada poros sehingga mengakibatkan kerusakan bantalan semakin parah.
Selama fase operasi awal ketika suhu pelumas rendah, amplitudo arus berkisar antara 5 hingga 200 mA. Arus rendah seperti itu tidak menyebabkan kerusakan pada bantalan. Namun, setelah pengoperasian yang lama, seiring dengan meningkatnya suhu pelumas, arus puncak dapat mencapai 5 hingga 10 A. Hal ini menyebabkan timbulnya busur api, membentuk lubang mikro pada permukaan bantalan.
Melindungi Gulungan Stator Motor
Ketika panjang kabel melebihi 30 meter, penggerak frekuensi variabel (VFD) modern pasti menghasilkan tegangan lonjakan di terminal motor, sehingga memperpendek umur motor. Dua pendekatan mencegah kerusakan motor: menggunakan motor dengan kekuatan tembus isolasi belitan yang lebih tinggi (umumnya disebut motor yang kompatibel dengan VFD-) atau menerapkan langkah-langkah untuk mengurangi tegangan lonjakan. Yang pertama cocok untuk proyek baru, sedangkan yang kedua ideal untuk retrofit motor yang sudah ada.
Saat ini, empat metode perlindungan motor yang umum digunakan:
(1) Memasang reaktor pada keluaran inverter: Ini adalah pendekatan yang paling sering digunakan. Namun, perlu diingat bahwa meskipun efektif untuk kabel yang lebih pendek (di bawah 30 meter), kinerjanya terkadang kurang optimal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6(c).
(2) Memasang filter dv/dt pada keluaran inverter: Cocok untuk panjang kabel di bawah 300 meter. Meskipun sedikit lebih mahal dibandingkan reaktor, hal ini memberikan hasil yang jauh lebih baik, seperti ditunjukkan pada Gambar 6(d).
(3) Memasang filter gelombang sinus pada keluaran inverter: Ini adalah solusi paling ideal. Dengan mengubah tegangan pulsa PWM menjadi tegangan gelombang sinus, motor beroperasi pada kondisi yang identik dengan tegangan frekuensi saluran. Pendekatan ini sepenuhnya menyelesaikan masalah lonjakan tegangan (lonjakan tegangan tidak akan terjadi terlepas dari panjang kabel).
(4) Memasang penyerap tegangan lonjakan pada antarmuka motor-kabel: Kelemahan dari tindakan sebelumnya adalah reaktor atau filter menjadi besar, berat, dan mahal untuk motor-bertenaga tinggi. Selain itu, reaktor dan filter menyebabkan penurunan tegangan yang mengurangi torsi keluaran motor. Menggunakan penyerap tegangan lonjakan inverter mengatasi keterbatasan ini. Penyerap tegangan lonjakan SVA yang dikembangkan oleh 706 Institute of the Second Academy of CASIC menggunakan elektronika daya canggih dan teknologi kontrol cerdas, menjadikannya solusi ideal untuk mencegah kerusakan motor. Selain itu, peredam lonjakan SVA juga melindungi bantalan motor.