A question: I have a machine with some electric motors & electronic card inside. The machine specification is 440 Vac, 60 Hz. What is happened with the machine if the available voltage supply only 415 Vac and 50 Hz?.
Discussion:
My experience a voltage drop to 8% below the standard is still OK but electronic equipments becomes sensitive to be damage, if power main breaker suddenly trip. Indeed, the IEEE 446-1995 standard limits the voltage rise is equal to +6% and limits the voltage drop of -13% but my practical experience, it is wise enough to limit the maximum voltage fluctuation of + - 5% of the required equipment voltage. The reason 'particularly in industries' is because many electrical appliances are used with various types and reliability of the equipment against voltage fluctuations are also different.
If the supply voltage drops, the power (Kw) electric motor will decrease as well, so it no longer resembles as in its nameplate although it still can be used to run electric motors as long as the load is still below its Kw nameplate. The power 3 phase motor can be calculated according to the formula P_3phase = 1732 x V_pp x I_line x cos (psi); (note: pp = phase to phase; I = electric current) and power for 1 phase motors are being calculated according to the formula P_1phase = V_pn x I_pn x cos (psi); (pn = phase to neutral).
When the load of the motor same as in the nameplate, then the current (I_line for 3 phase motors or I_pn for motor 1 phase) will rise above its nameplate rating amp, but because Thermal Overload Relay (T.O.R) protection activated, these motors still safe from burnout asl ong as the T.O.R is set not greater than the service factor. If frequency supply is down then the speed of the electric motor will also decrease as in the formula n_rpm = 120f / p, p = number of poles; _Hz f = supply frequency. The reduction in speed will decrease motor cooling fan, then the motor becomes more hot and as a consequence the insulation lifetime on the motor stator windings becomes more short
Picture-1: Nameplate of the electric motor
With the frequency and voltage lower it can cause decrease the ac performance of the solenoid coil on the hydraulic/pneumatic system, coil on the relay or contactor will also be decreased according to the principles described above.
Now let's look at the existing voltage and frequency:
3 phase voltage drop = 415/440 = 0.94 (down 6%)
Voltage per phase is calculated:
Standard equipment = 440/1.732 = 254 Vac
Voltage available = 415/1.732 = 239.6 Vac
Then drop in voltage = 239/254 = 0.94 (down 6%)
Decreased frequency = 50/60 = 83% (down 17%) .. what will happen?
Lets look its theory:
We know electronic devices such as a driver for dc motors will use a dc voltage / current (direct current) and the frequency will be lost last in the rectifier. Any electronic devices supplied with an ac voltage (alternating current) will have a rectifier circuit in it.
After ac supply become a dc voltage/current, there is no longer called with frequency because the frequency changes to zero. With the decline in frequency from 60Hz to 50 Hz then the graph of a wave of alternating voltage is transformed into a dc voltage will become less at the same duration time when compared between the graph at 60 Hz and 50 Hz. As a result, the average dc voltage generated will be reduced from the standard voltage appliance because the voltage ripple generated will be greater. If the ac voltage supply also down then consequently the rectifier dc output voltage is automatically also more down.
Picture-2: Full wave rectifier with filter capacitor
Picture-3: Graphic of full wave rectifier with filter capacitor
The equation of the full-wave rectifier with filter capacitor can be written as below:
Vdc = Vm - (Vr/2) ... (eq-1)
Vr = (Idc/2fC) ... (eq-2)
Where:
Vm = Maximum ac supply voltage,. Vout = Vdc (average), Vr = voltage ripple, f = frequency supply and C = capacitance of the capacitor. The maximum ac voltage is Vm = Vrms * 1414. Vrms = V2 = actual reading of output step down transformer in the rectifier (rms = root mean square)
The principle as follows;
From equation (1) and (2) above shows the value of Vr will be higher when the frequency f lower as long as current Idc and C are constant. Thus for a fixed sinusoidal voltage supply V2 and frequency decreased then the output Vdc of rectifier will lower. If both voltage supply and frequency is down then the value of Vr will increase and Vm will decrease so that the output dc voltage of the rectifier will be smaller than the previous value of the above.
Example: Suppose the value of Idc and C fixed and step-down transformer of the rectifier has a ratio of 254/26 volt. So, for voltage supply 254 Vac and 60 Hz. Vr = Idc/120C, Vm = 26 * 1414 = 36.76 volts. So Vdc1 = 36.76 - Idc/240C.
For voltage supply 254Vac; 50Hz then Vdc2 = 36.76 - Idc/200C;
For voltage 239.6 and 50 Hz then the transformer secondary voltage V2 = 239 x (26/254) = 24.46 volts. Vm = 24.46 x 1.414 = 34.59 volts.
Vdc3 = 34.59 - Idc/200C.
From the above equation can be deduced Vdc1> Vdc2 and Vdc2> Vdc3. The order becomes Vdc1> Vdc2> Vdc3
Thus if the dc voltage supply drop and the load power rectifiers are still constant, then current rectifier output will increase which will cause an increase in current in an electric components of the rectifier’s load. How many percent reduction of frequency will affect the performance or even cause damage to electronic equipments?. According to the 1995 IEEE std 446 frequency fluctuations are still allowed is equal to + - 0.5 Hz of standard equipment nameplate. My practical experience with the standard use of electronic devices powered by the frequency of 60Hz but supplied by 50Hz would cause the device not operate unless the name plate of such equipment written that it can be used for a frequency of 50 Hz or 60Hz.
Terjemah dalam bahasa Indonesia:
Pengaruh Tegangan dan Frekuensi 50 Hz/60Hz terhadap kinerja peralatan listrik di industri dan rumah tangga
Sebuah pertanyaan: Seandainya saya memiliki peralatan listrik yang terdiri dari motor-motor listrik AC yang dikontrol dengan menggunakan peralatan elektronik. Spesifikasi alat adalah 440 Vac;60 Hz. Apakah akibatnya pada peralatan saya tersebut seandainya catu tegangan yang tersedia sebesar 415 Vac dan 50 Hz.
Pembahasan:
Pengalaman saya penurunan tegangan sampai 8% dibawah standarnya masih OK hanya saja alat-alat electronic menjadi rawan kerusakan, untuk itu perlu dijaga jangan sampai main breaker tiba-tiba trip. Bila tiba-tiba main power trip, biasanya alat-alat electronic ada yang rusak. Memang standar IEEE 446 Tahun 1995 batas kenaikan tegangan adalah sebesar +6% dan batas penurunan tegangan sebesar -13%. Dari pengalaman praktis untuk amannya peralatan-peralatan listrik adalah cukup bijaksana untuk membatasi fluktuasi tegangan maksimal +- 5% dari tegangan yang diminta alat. Alasannya ‘khususnya didunia industri’ adalah dikarenakan banyaknya peralatan listrik yang dipakai dengan bermacam-macam jenis dan keandalan alat terhadap fluktuasi tegangan juga berbeda-beda.
Apabila catu tegangan turun, maka daya (Kw) motor-motor listrik akan menurun juga, sehingga tidak lagi seperti nameplate-nya walaupun tegangan ini masih bisa dipakai untuk memutar motor-motor listrik asalkan beban motor-motor tersebut masih dibawah rating Kw nameplate-nya. Besar Kw motor 3 phase dapat dihitung sesuai rumus P_3phase = 1.732 x V_pp x I_line x cos (psi); (note: pp = phasa ke phasa; I = arus listrik). Sedang Kw motor 1 phase dihitung sesuai rumus P_1phase = V_pn x I_pn x cos (psi); (pn = phasa ke netral).
Bila beban sebesar rating Kw nameplate motor, maka arus (I_line untuk motor 3 phase atau I_pn untuk motor 1 phase) akan naik diatas rating Amp nameplate-nya tetapi karena proteksi Thermal Overload Relay (T.O.R) bekerja, motor tersebut masih aman dari terbakar dengan ketentuan T.O.R tersebut diset tidak lebih besar dari service factor motornya. Bila frekuensi supply turun maka putaran motor listrik juga akan turun sesuai rumus n_rpm = 120f/p ; p =jumlah kutub; f _Hz= supply frekwensi. Penurunan putaran ini akan mengakibatkan pendinginan kipas turun dan motor akan terasa lebih panas sehingga umur isolasi pada gulungan stator motor juga semakin berkurang. Lihat picture-1 untuk memperlihatkan karakteristik sebuah motor listrik
Dengan turunnya frekuensi serta tegangan dapat mengakibatkan kinerja ac solenoid coil pada system hidrolic, coil pada relay maupun kontaktor juga akan menurun sesuai prinsip yang diterangkan diatas.
Sekarang mari kita lihat tegangan dan frekwensi yang ada:
Penurunan tegangan 3 phasa = 415/440 = 0.94 (turun 6%)
Tegangan per phasa dihitung:
Standard alat = 440/1.732 =254 Vac
Tegangan yang ada = 415/1.732= 239.6 Vac
Maka penurunan tegangan = 239/254 = 0.94 ( turun 6%)
Penurunan frekuensi = 50/60 = 83% (turun 17%)..apa yang akan terjadi?
Teorinya:
Kita tahu alat-alat electronic misalnya driver untuk penggerak motor-motor dc akan menggunakan tegangan/arus dc (direct current) dan fungsi frekuensi terakhir berlaku dititik penyearah tegangan/arus. Setiap alat-alat electronic yang dicatu dengan tegangan ac (alternating current) akan memiliki rangkaian penyearah didalamnya.
Setelah menjadi tegangan/arus dc tidak ada lagi yang dinamakan dengan frekuensi karena harga frekuensi tersebut berubah menjadi nol. Dengan turunnya frekuensi dari 60Hz menjadi 50 Hz maka grafik jumlah gelombang tegangan bolak-balik yang berubah menjadi tegangan dc akan menjadi semakin sedikit persatuan waktu yang sama bila dibandingkan antara grafik pada 60 Hz dan 50 Hz . Akibatnya tegangan dc rata-rata yang dihasilkan akan menurun dari tegangan standar alatnya karena tegangan ripple yang ditimbulkan akan semakin besar. Apabila catu tegangan ac juga turun maka akibatnya tegangan dc output penyearah tersebut otomatis juga akan semakin turun. Lihat picture 2 dan 3 untuk skema rangkaian penyearah
Secara rumus untuk penyearah gelombang penuh dengan filter capacitor dapat dituliskan bahwa harga :
Vdc = Vm - (Vr/2)…(pers-1)
Vr = (Idc/2fC)…(pers-2)
Dimana:
Vm= Catu tegangan maksimum bolak-balik. Vout = Vdc (rata-rata), Vr = Tegangan ripple, f = catu frekuensi dan C besar kapasitansi capasitor. Tegangan maksimum ac adalah Vm = Vrms * 1.414, Vrms = V2 = actual pembacaan output trafo step down penyearah (rms = root mean square)
Prinsip kerjanya sebagai berikut;
Dari persamaan (1) dan (2) diatas terlihat harga Vr akan membesar bila f makin mengecil untuk arus Idc dan C yang sama. Dengan demikian untuk catu tegangan sinusoidal yang tetap dan frekuensi diturunkan maka Vdc yang keluar dari penyearah akan mengecil. Apabila catu tegangan bolak balik dan frekuensi turun maka harga Vr membesar dan Vm mengecil sehingga tegangan dc yang keluar dari penyearah arus (rectifier) akan lebih kecil lagi dari harga sebelumnya diatas.
Contoh: Andaikan harga Idc dan C tetap dan trafo step down penyearah arus alat elekronik memiliki rasio sebesar 254/26 volt. Maka untuk catu tegangan 254 Vac dan 60 Hz . Vr = Idc/120C, Vm =26*1.414 = 36.76 volt. Jadi Vdc1 = 36.76 – Idc/240C.
Untuk catu tegangan 254Vac ;50Hz maka Vdc2 = 36.76 – Idc/200C;
Untuk tegangan 239.6 dan 50 Hz maka tegangan sekunder trafo V2 = 239 x (26/254) = 24.46 volt. Vm = 24.46 x 1.414 = 34.59 volt.
Vdc3 = 34.59 – Idc/200C.
Dari persamaan diatas dapat ditarik kesimpulan Vdc1 > Vdc2 dan Vdc2 > Vdc3. Urutannya menjadi Vdc1 > Vdc2 > Vdc3
Dengan demikian kalau catu tegangan DC turun sedang beban daya rectifier tersebut tetap maka arus keluaran penyearah akan naik yang akan menyebabkan kenaikan arus pada komponen2 listrik beban penyearah tersebut. Berapakah besar persen penurunan frekuensi akan mempengaruhi kinerja atau bahkan menyebabkan kerusakan pada alat2 elektronik?. Menurut IEEE std 446 tahun 1995 fluktuasi frekuensi yang masih diizinkan adalah sebesar +- 0.5 Hz dari nameplate standard alat. Sesuai pengalaman praktis pemakaian alat electronic dengan standard 60Hz tetapi dicatu dengan frekuensi 50Hz akan menyebabkan alat menjadi tidak berfungsi kecuali pada name plate alat tersebut dituliskan dapat dipakai untuk frekuensi 50 Hz ataupun 60Hz.
Download artikel dalam bahasa Indonesia à