BAB 5

1. BAB 5 PENYONGSANG TERSUAP ARUS DAN TERSUAP VOLTAN

2. PENGENALAN • Kriteria kelajuan dan dayakilas bergantung rekabentuk asal. Diketahui kawalan kelajuan bagi setiap motor aruhan adalah melalui pelarasan frekuensi. • Motor aruhan boleh dipacu dengan menggunakan penyongsang bagi motor sangkar tupai dan boleh menjana frekuensi sendiri. Dengan itu,kelajuan motor sangkar tupai boleh dikawal.

3. PENGENALAN • Kelebihan kaedah ini adalah: i. kaedahnya lebih ringkas ii. Padat dan cekap iii. Ia meliputi kawalan pada fluks pada stator. • Apabila fluks bertambah kelajuan segerak turut bertambah maka kelajuan turut bertambah. Sistem yang popular dalam kawalan frekuensi ialah ‘variable solid’ dan ‘alternator converter’.

4. PENGENALAN • Sistem ini menggunakan talian 3 fasa yang disambung kepada penyongsang dan keluaran penyongsang disambung kepada stator. • Keluaran yang dihasilkan adalah arus dan voltan malar dalam bentuk a.u. • Terdapat dua jenis penyongsang yang digunakan iaitu: i. Penyongsang frekuensi tersuap arus ii. Penyongsang frekuensi tersuap voltan

5. PENYONGSANG TUKAR TERTIB KENDIRI • Motor segerak boleh dipacu dengan penyongsang penukar tertib semulajadi kerana motor segerak boleh membekalkan kuasa reaktif yang diperlukan oleh penyongsang. • Jika motor segerak digantikan dengan motor aruhan, sistem penukaran frekuensi akan rosak disebabkan motor aruhan tidak boleh memindahkan atau menghantar kuasa reaktif. Dan jika keadaan tadi kekal maka ia menyerap kuasa reaktif.

6. PENYONGSANG TUKAR TERTIB KENDIRI • Penyongsang tertukar tertib kendiri beroperasi berbeza sedikit daripada penyongsang tertukar tertib semulajadi iaitu: i. Ianya boleh menjana frekuensi sendiri di mana ianya ditentukan oleh frekuensi denyut yang diberikan pada kaki “gate”. ii. Ianya boleh menyerap atau memindah / menghantar kuasa reaktif. Kuasa reaktif ini di jana atau diserap bergantung kepada tindakan penyuisan oleh tiristor kuasa.

7. FUNGSI PENYONGSANG TERTUKAR TERTIB KENDIRI BAGI SEBUAH MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Penyongsang tertukar tertib kendiri dapat berfungsi untuk menukarkan kuasa arus terus kepada arus ulang-alik. • Litar penyongsang tertukar tertib kendiri mengandungi tiristor kuasa yang disusun dalam litar tetimbang tiga fasa. Bagaimanapun, setiap tiristor dikelilingi oleh susunan kapasitor , induktor, diod dan tiristor tambahan.

8. FUNGSI PENYONGSANG TERTUKAR TERTIB KENDIRI BAGI SEBUAH MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Tujuan komponen-komponen tambahan ini adalah untuk memaksa sebahagian tiristor kuasa untuk mengalir apabila secara normalnya ianya tidak boleh berkendali dan memaksa sebahagian lagi tiristor kuasa untuk berhenti mengalir sebelum tiba masa ‘semulajadi’nya. • Secara tepatnya, tindakan penyuisan membolehkan penukar ini menjana kuasa reaktif.

9. PRINSIP ASAS PENYONGSANG TERTUKAR TERTIB KENDIRI • Prinsip asas bagi kesemua penyongsang tertukar tertib kendiri iaitu: 1. Kuasa kehilangan penyongsang adalah kecil, maka kita andaikan kuasa masukan arus terus adalah bersamaan dengan kuasa aktif keluaran arus ulangalik. 2. Kuasa reaktif yang dijanakan oleh penyongsang tidak dihasilkan melalui penukar tertib kapasitor dalam litar. Kuasa reaktif adalah merujuk kepada tindakan penyuisan itu sendiri. 3. Kuasa keluaran reaktif tidak memerlukan masukan arus terus.

10. PRINSIP ASAS PENYONGSANG TERTUKAR TERTIB KENDIRI 4. Tiristor menyambung terminal masukan arus terus kepada terminal keluaran arus ulang alik dalam rangkaian terkawal dengan mengabaikan kejatuhan voltan. Ini diikuti oleh: a) dalam penyongsang suap voltan, talian voltan arus ulangalik adalah bersamaan dengan voltan masukan arus terus. b) dalam penyongsang suap balik arus, talian arus ulang alik adalah bersamaan dengan arus terus.

11. PRINSIP ASAS PENYONGSANG TERTUKAR TERTIB KENDIRI • LITAR PENYONGSANG PENUKAR TERTIBYANG RINGKAS T2 T1 R E C Q1 Q2 Rajah 5.1

12. PRINSIP KENDALIAN • Ketika SCR Q1 dipicu, bekalan E akan melalui separuh lilitan utama iaitu T1 dan seterusnya sebabkan terhasilnya aliran arus pada beban. Dalam masa yang sama, kapasitor akan dicas mengikut arah arus I1. • Apabila SCR Q2 dipicu, bekalan E akan melalui lilitan utama pengubah iaitu T1. Seterusnya dengan adanya cas pada kapasitor, ini akan menyebabkan katod SCR Q1 menjadi lebih positif daripada anod dan kemudian mematikan Q1. • Perubahan arah arus pada lilitan pertama akan menyebabkan arus pada beban lilitan kedua juga akan bertukar arah. Proses ini akan berulang di mana Q1 dan Q2 akan dihidupkan (ON) dan dimatikan (OFF) bersilih ganti seterusnya menghasilkan arus au dililitan beban kedua.

13. KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Penerus di sambungkan ke talian bekalan tiga fasa dan penyongsang di sambungkan ke stator. • Keluaran arus terus daripada penerus di sambungkan sebagai masukan arus terus bagi penyongsang melalui sebuah penyambung arus terus.

14. KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Terdapat dua jenis penyambung arus terus yang digunakan iaitu : • Penyambung arus terus arus malar • Penyambung arus terus voltan malar

15. KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Penyambung arus terus ini dapat memberikan peningkatan nilai bagi penyongsang tersuap arus dan suap voltan di mana - bagi penyongsang tersuap voltan, voltan talian arus ulangalik adalah bersamaan dengan voltan masukan arus terus - bagi penyongsang tersuap arus pula, arus talian arus ulangalik adalah bersamaan dengan talian arus terus.

16. KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Sambungan arus malar sedemikian adalah untuk membekalkan arus yang tetap kepada penyongsang yang akan disuapkan secara berturutan kepada bekalan tiga fasa bagi motor (Rajah 5.2). • Begitu juga bagi penyongsang voltan malar, ia juga adalah bertujuan untuk membekalkan voltan yang tetap kepada penyongsang di mana ia adalah disuiskan dari satu fasa ke satu fasa bagi motor aruhan sangkar tupai (Rajah 5.3). • Penyuisan ini boleh dilakukan samada secara kompleks atau ringkas bergantung kepada rekabentuk penukar.

17. Id Ia Penyong sang tertukar tertib kendiri M E E1 E2 Talian 3 fasa Motor Aruhan Sangkar tupai Rajah 5.2 Pemicu gate KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Penyongsang Tersuap Arus A B C

18. KENDALIAN SISTEM PENERUS-PENYONGSANG BAGI MENGAWAL KELAJUAN MOTOR ARUHAN SANGKAR TUPAI • Penyongsang Tersuap Voltan Id Ia Penyong sang tertukar tertib kendiri A M B E1 E2 Talian 3 fasa C C Motor Aruhan Sangkar tupai Rajah 5.3 Pemicu gate

19. KUIZ • Senaraikan 2 jenis penyongsang yang digunakan. • Berikan kelebihan menggunakan penyongsang berkenaan. • Apakah fungsi penyongsang tertib kendiri? • Di dalam penyongsang tukar tertib kendiri, sekiranya motor segerak ditukar kepada motor aruhan apa yang akan terjadi? • Apa yang dimaksudkan dengan kuasa keluaran reaktif tidak memerlukan masukan arus terus

20. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI Rajah 5.4 : Rajah Penyongsang Tukar Tertib Kendiri Sumber Arus

21. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI • Litar ini adalah gabungan antara penyongsang sumber arus dengan suis bertukar tertib kendiri. Penukar tertib kendiri ini boleh digabungkan dengan penyongsang lain. • Secara amnya kendalian adalah sama dengan kendalian penyongsang lain tetapi berbeza penggunaan jenis alatan penyuisan di mana suis bertukar tertib kendiri digunakan.

22. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI • Rajah di atas menggunakan sumber arus sebagai puncanya dan ia menggunakan 6 tertib kendiri sebagai suis S1 ke S6 perbezaan antara fasa 60 darjah dan setiap suisnya dihidupkan ke 120 darjah. • Cara kawalan akan ditunjukkan di bawah

23. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI Berdasarkan jadual di atas, suis akan diONkan secara serentak di mana satu untuk kumpulan atas (S1, S3 dan S5) dan satu lagi untuk kumpulan bawah (S2, S4 dan S6)

24. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI (a) (b) (c) Rajah 5.5

25. PRINSIP ASAS PENYONGSANG PENUKAR TERTIB KENDIRI UNTUK SEBUAH MOTOR SANGKAR TUPAI Rajah 5.6

26. SISTEM PENERUS PENYONGSANG UNTUK MENGAWAL KELAJUAN MOTOR SANGKAR TUPAI Rajah 5.7 : Litar Penerus Penyongsang 3 Fasa

27. SISTEM PENERUS PENYONGSANG UNTUK MENGAWAL KELAJUAN MOTOR SANGKAR TUPAI • Dari Rajah 5.7 di atas, litar boleh dibahagikan kepada 3 bahagian iaitu: i. Bahagian penerus ii. Bahagian penapis dan pemenggal iii. Bahagian penyongsang

28. SISTEM PENERUS PENYONGSANG UNTUK MENGAWAL KELAJUAN MOTOR SANGKAR TUPAI • Bahagian penerus - Tujuan : menukarkan bekalan au kepada at. - Kegunaan: digunakan oleh penyongsang dan dgn ini perubahan frekuensi dan voltan au boleh dikawal bila melalui penyongsang. - Boleh menggunakan kawalan: i. Penerus terkawal (guna peranti terkawal spt SCR) ii. Penerus jenis tidak terkawal (guna diod)

29. SISTEM PENERUS PENYONGSANG UNTUK MENGAWAL KELAJUAN MOTOR SANGKAR TUPAI • Bahagian Penapis - Terdiri daripada aruhan dan kapasitor. - Fungsi : Mengurangkan kandungan riak yang terdapat pada voltan yang dihasilkan penerus 3 fasa. - Fungsi Komponen aruhan dan kapasitor : i. menyimpan cas atau tenaga melaluinya. Atau ii. membuang cas bagi kapasitor dan tenaga bagi aruhan bila arus tidak melaluinya.

30. SISTEM PENERUS PENYONGSANG UNTUK MENGAWAL KELAJUAN MOTOR SANGKAR TUPAI • Bahagian Penyongsang - Fungsi : menukarkan voltan au kepada voltan at yang mempunyai frekuensi yang boleh dikawal. - Setiap pasang komponen (transistor, diod, SCR dll) yang terdapat dalam litar akan diONkan secara berselang-seli dan setiap transistor tersebut diONkan mengikut sudut voltan bekalan dan boleh dikawal pada sudut picuan komponen.

31. TERMOLOGI TERSUAP VOLTAN • Penyongsang tersuap voltan (voltage source inverter) atau boleh dikenali sebagai penyongsang sumber voltan merupakan sejenis penyongsang yang mengambil kuasa masukan dalam bentuk sumber voltan arus terus (AT) bolehubah. • Sumber ini akan melaraskan semula voltan masukan untuk membekalkan amplitud voltan keluaran yang diperlukan daripada penyongsang.

32. TERMOLOGI TERSUAP ARUS • Penyongsang tersuap arus (current source inverter) atau boleh dikenali sebagai penyongsang sumber arus merupakan sejenis penyongsang yang mengambil kuasa masukan dalam bentuk sumber voltan arus terus (AT) bolehubah. • Sumber ini akan melaraskan semula arus masukan untuk membekalkan amplitud voltan keluaran yang diperlukan daripada penyongsang.

33. PENYONGSANG TERSUAP VOLTAN • Penyongsang tersuap voltan (voltage fed inverter atau VFI) atau dikenali sebagai penyongsang voltan bolehubah (VVI) merupakan sejenis penyongsang yang mengambil kuasa masukan dalam bentuk sumber voltan arus terus (AT) bolehubah. • Sumber ini akan melaraskan semula voltan masukan untuk membekalkan amplitud voltan keluaran yang diperlukan daripada penyongsang. • Biasanya pemacu VFI berkurang keupayaan untuk dikenakan pembrekan secara penjanaan semula. Pemacu ini adalah paling mudah binaannya dan digunakan dalam industri untuk penggunaan sehingga 400 kuasa kuda (k.k.).

34. Kawalan Kelajuan Motor Au Secara VVI Jenis 6 Langkah i) Sistem menerima voltan masukan au yang nominal dan menukarkan kepada voltan keluaran at bolehubah. ii) Voltan keluaran dikenakan kepada voltage-controlled-oscillator secara bergilir-gilir akan menghasilkan frekuensi yang berkadar terus dengan voltan keluaran bekalan kuasa at. iii) Keluaran voltage-controlled-oscillator kemudiannya digunakan untuk memacu six phase logic yang akan membekalkan keluaran denyut kepada optical coupler, buffer driver dan power inverters.

35. Kawalan Kelajuan Motor Au Secara VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.8 : Rajah blok kawalan kelajuan motor au

36. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah • Rajah 5.9 di bawah, menunjukkan rajah inverter 6 langkah yg telah dimudahkan akan digunakan untuk menunjukkan turutan penyuisan yang betul. Setiap suis adalah transistor atau thyristor. Voltan dan arus keluaran untuk beban resistive ditunjukkan pada Rajah 5.10 di bawah. Bentuk gelombang arus mengandungi 6 langkah berlainan bila suis mengikut turutan yg betul. Oleh itu ia dinamakan 6 langkah.

37. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.9

38. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.10

39. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah • Setiap voltan yang dikenakan kepada ketiga-tiga fasa dianjakkan 120 darjah spt yang ditunjukkan. Rajah ini menunjukkan voltan talian Vab, Vbc dan Vca. iii) Semasa tempoh masa 1 dan 2, voltan daripada a ke b adalah +V di mana b berkeupayaan –V. iv) Semasa tempoh masa 3, voltan a ke b adalah sifar di mana kedua-dua a dan b adalah +V. Dengan cara ini bentuk gelombang 6 langkah diperolehi. v) Voltan keluaran boleh ditukar dengan mengubah voltan masukan arus terus. Frekuensi keluaran boleh diubah dengan mengubah frekuensi penyuisan transistor (S1 – S6). Biasanya frekuensi maksima untuk kawalan kelajuan motor yang menggunakan inverter 6 langkah adalah 200 Hz.

40. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah vi) Rajah 5.10 menunjukkan pada sebarang ketika 3 suis akan diONkan iaitu satu suis akan mengalirkan dalam setiap tetimbang dan kaki yang lain akan disuiskan dengan lengahan 120. Rajah 5.11 dan Rajah 5.12 menunjukkan transistor Q1 –Q6 secara teorinya mengalirkan untuk 180. vii) Bagaimanapun untuk situasi yang praktikal, adalah perlu untuk menyediakan lengah masa (biasanya 10o – 15o) kepada fasa arus semasa pengaliran dari +ve ke –ve. viii) Lengah masa ini membolehkan sesebuah transistor OFF dahulu sebelum transistor yang lain ON. Ini adalah untuk mengelakkan “cross conduction” (konduksi terpintas) yang boleh merosakkan transistor kuasa. Dengan itu, masa pengaliran maksima adalah 165o daripada tempoh 360o. Diod disambungkan selari dengan transistor akan mengalirkan arus bila transistor OFF diwakili oleh Ic pada Rajah 5.13.

41. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.11

42. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.12

43. Penyongsang VVI Jenis 6 Langkah Rajah 5.13

44. Penyongsang VVI Jenis SCR Rajah 5.14

45. Penyongsang VVI Jenis SCR Prinsip Operasi • Kuasa 1 fasa, 220V dikenakan kepada penerus jenis tetimbang (D9 – D12) melalui fius F1 dan F2 serta reaktor talian L1. ii) Voltan arus terus yang dihasilkan oleh tetimbang ditapiskan oleh penapis kapasitor C4. Voltan at bernilai tetap ini kemudiannya diperolehi pada talian 1 dan 5. Perhatikan bahawa tidak terdapat SCR melintangi talian au. Dengan itu, rekabentuk ini adalah baik untuk menghadapi kebisingan talian dan spikes yang boleh menjejaskan memicuan SCR di bahagian at.

46. Penyongsang VVI Jenis SCR • 6 SCR (SCR1 – SCR6) dan 6 diod (D1 – D6) membawa arus dalam tetimbang voltan bolehlaras. Sepasang SCR akan disuiskan ON dan OFF untuk setiap fasa. Tindakan ini akan menyebabkan setiap fasa menjadi positif – negatif – positif – negatif - …. Secara bergilir-gilir. SCR1 dan SCR2 digunakan untuk fasa A, SCR3 dan SCR4 untuk fasa B dam SCR5 dan SCR6 untuk fasa C. Tenaga untuk tetimbang voltan bolehlaras datang dpd kapasitor C3. Dengan kata lain, SCR mengeluarkan kuasa dari C3 untuk menjalankan motor dan mereka secara berterusan cuba untuk discaskan C3. Kapasitor C3 dicas oleh tetimbang voltan tetap.

47. Penyongsang VVI Jenis SCR • Setiap pasangan SCR yang mengawal setiap fasa di ON dan OFF dalam turutan masa yang teratur untuk membekalkan kuasa 3 fasa kepada motor, jika penyuisan ON dan OFF dicepatkan maka lebih tinggi frekuensi yang diperolehi. v) 6 SCR dalam tetimbang voltan tetap (SCR 11 – SCR 16) beroperasi dalam selari dengan tetimbang voltan bolehlaras yang setara (SCR 1 – SCR 6). Tujuan tetimbang voltan tetap adalah untuk membekalkan tenaga kepada C3 semasa beban motor menggunakannya dan mengOFFkan commute SCR dalam tetimbang voltan boleh laras.

48. Penyongsang VVI Jenis SCR • Bila SCR dalam tetimbang voltan bolehlaras (misalnya SCR 1 diONkan, SCR senilainya dalam tetimbang voltan tetap (SCR 11) boleh diONkan sehingga pada kadar 10 kHz. Ia akan ON untuk satu denyut bila voltan C3 terlalu rendah. Bila ia ON untuk satu denyut, tenaga yang datang dari talian at (talian 1 dan 5) akan melalui X1 dan X2. Sebahagian dari tenaga ini akan pergi ke motor, selebihnya akan pergi ke diod (D1 – D6) dan membantu mengecas semula C3. Jika nilai voltan C3 berterusan terlalu rendah satu lagi denyut tenaga akan dipanggil dan sekali lagi SCR dalam tetimbang voltan tetap akan ON. Denyutan tenaga persaat sehingga sebanyak 10,000 denyut boleh diperolehi daripada setiap SCR dalam tetimbang voltan tetap.

49. Penyongsang VVI Jenis SCR • Untuk commutate OFF satu SCR dalam tetimbang voltan boleh laras (misalnya SCR 1) getnya diOFFkan. Kemudian pasangannya dalam tetimbang voltan tetap (SCR 11) akan ON untuk satu denyut menyebabkan arus mengalir. Sebahagian arus mengalir kepada motor, selebihnya mengalir melalui diod D1. Tindakan ini akan memiraukan SCR1 menyebabkan ia berhenti mengalir. • SCR dalam tetimbang voltan tetap mengOFFkan dirinya sendiri secara natural selepas setiap denyut sebab ia mengalir dalam litar penala. Voltan akan meningkat pada penghujung denyut untuk menghalang sebarang pengaliran arus seterusnya.

50. VVI Jenis PWM KENAPA PWM JENIS VVI DIPILIH BERBANDING VVI 6 LANGKAH Dalam kawalan motor aruhan menggunakan VVI 6 langkah terdapat 4 kekurangan utama: • Kuasa mesti mengalir melalui 2 atau 3 set suis semikonduktor. Ini akan meningkatkan kos pemacu dan menurunkan kecekapan. • Inverter yang berasingan akan menambahkan saiz fizikal package pemacu. Ini menyebabkan saiz motor aruhan au yang kecil tidak bermakna disebabkan oleh bahagian inverter yang besar. • Bentuk gelombang keluaran inverter 6 langkah membawa kepada pepnurunan keupayaan motor. Berlaku pertambahan kehilangan hasil dari kandungan harmonik yang tinggi dalam arus motor terutamanya pada operasi kelajuan rendah. • Bentuk gelombang 6 langkah menghasilkan motor berpusing dalam keadaan tersentak-sentak.