Mengenal Motor Reluktans (bagian 1)

Synchronous reluctance motor (dengan rotor kutub menonjol tanpa lilitan medan) merupakan salah satu motor listrik tua tipe single saliency yang telah menarik perhatian dari para peneliti [1, 2], dimana torsi keluaran dikembangkan berdasarkan perubahan nilai reluktans rotor. SynRM memiliki banyak keunggulan dibandingkan motor AC lain [3, 4]. Sebagai contohnya, SynRM memiliki konstruksi yang simpel dan kuat, rotor SynRM tidak memiliki lilitan dan material magnet, serta konfigurasinya lebih murah dibandingkan motor AC lain. [1, 5, 4]. Meskipun operasinya dipengaruhi oleh banyak faktor, SynRM tetap merupakan motor sinkron paling simpel [6].

Secara umum, permasalahan rugi-rugi pada mesin AC menjadi sangat rumit. Rugi tembaga dari mesin AC cenderung lebih besar dibandingkan rugi inti. Untuk menghasilkan torsi, SynRM tidak memerlukan magnet permanen yang terbilang mahal. Tanpa adanya lilitan pada rotor, tidak ada rugi tembaga di rotor. Jadi total rugi pada mesin AC tergantung pada rugi dari stator dan rotor, sedangkan pada SynRM rugi tembaga hanya berada di stator [7].  Torsi yang halus pada kecepatan rendah dan kecepatan sinkron pada SynRM mudah didapatkan. Akan tetapi desain awal rotor SynRM yang berupa rotor kutub menonjol menghasilkan daya keluaran dan faktor daya yang rendah. Kedua hal tersebut mencegah meluasnya penggunaan SynRM pada aplikasi VSD [3].

Konstruksi SynRM

Stator
Konstruksi stator SynRM menyerupai konstruksi stator dari mesin induksi (IM) [8].

Geometris Rotor
Secara garis besar terdapat 3 jenis SynRM dengan struktur rotor anistropis, seperti terlihat pada gambar 1. Salient pole rotor merupakan desain rotor anisotropis pertama dengan menghilangkan bahan-bahan besi pada masing-masing bagian rotor secara transversal (gambar 1 a ) [9].

Generasi anisotropis kedua yaitu axially laminated anisotropic rotor (ALA). Laminasi besi dibuat dengan bentuk yang sesuai pada setiap kutubnya, dan terisolasi satu sama lain dengan isolasi listrik dan magnetik dan tumpukan tersebut tersambung dengan penahan kutub (pole holder) ke bagian tengah rotor yang terhubung dengan poros (gambar 1 b) [9].

Generasi anisotropis yang ketiga yaitu transversally laminated anisotropic rotor (TLA). Rotor tipe ketiga ini laminasinya menyerupai desain tradisional yaitu secara transversal. Rusuk tipis rotor yang tersisa ketika ditekan, sehingga seluruh berbagai segmen rotor tersambung satu sama lain pada rusuk tersebut (gambar 1 c) [9].

SynRM tidak memiliki karakteristik torsi awal dan menggunakan sangkar tradisional pada struktur rotor dapat memunculkan torsi awal asinkron. Tetapi dengan menggunakan teknologi inverter, field oriented control dan teknologi PWM tanpa menggunakan sangkar pada rotor, mesin tersebut dapat di-start dari keadaan diam [9].
gambar-1

Gambar 1. Desain rotor pada SynRM
(a) Simple salient pole (SP),
(b) Axially laminated anisotropis (ALA),
(c) Transversally laminated anisotropis (TLA) [9]

Sejarah singkat desain alternatif geometri rotor dapat membantu memahami SynRM (gambar 2). Desain rotor pada gambar 2 (a), diperoleh dengan menghilangkan material dari rotor motor induksi konvensional, baik dengan menggiling setelah penuangan sangkarnya, maupun dengan menekan sebelum penuangan sangkarnya. Rotor jenis ini memiliki konstruksi yang sederhana, tetapi memiliki rasio saliency yang sangat rendah untuk menghasilkan performa yang baik [9].

Desain rotor pada gambar 2 (b), merupakan konstruksi kutub menonjol, seperti pada kutub menonjol pada motor sinkron konvensional yang telah dihilangkan lilitannya. Rasio induktans tidak jenuh rotor jenis ini berada pada nilai sekitar 3, namun menurun menjadi 2,5 pada kondisi berbeban. Sedangkan nilai maksimal rasio saliency tidak lebih dari 3,8. Selain memiliki rasio saliency yang buruk, karakteristik lain dari rotor kutub menonjol juga tidak dapat diandalkan. Bila ruang antar kutub pada sumbu q diperlebar untuk mengurangi nilai Lq, hal ini akan mempersempit ruang kutub pada sumbu d yang mengakibatkan penurunan nilai Ld. Dalam kasus ini desain lain dari rotor seperti penggunaan barrier harus digunakan untuk meningkatkan kinerja mesin [9].

Desain satu barrier pada gambar 2 c, dan 2 d juga tidak cukup untuk meningkatkan kinerja mesin. Konfigurasi pada gambar 2 d berasal dari motor sinkron dengan magnet permanen, apabila magnet permanennya dihilangkan [9].

Oleh karena itu jumlah barrier harus ditingkatkan. Seperti pada awal tahun 1923, Kostko [10] menganalisis bentuk rotor pada gambar 2 e dan gambar 3 a mewujudkan beberapa fitur sebagai perkembangan selanjutnya, termasuk penggunaan beberapa flux barrier, geometris segmental dan jalur sumbu q [9].

gambar-2

Gambar 2. Berbagai desain rotor SynRM [9]

Kostko [10] juga menunjukkan batas penting dari desain salient pole. Bila potongan antar kutub melebar untuk mengurangi induktans pada sumbu q hingga busur kutub menyempit, akan menghasilkan penurunan nilai induktans pada induktans sumbu d yang tidak diinginkan. Kostko [10] menyimpulkan pada dasarnya, adanya beberapa barrier atau pengaturan segmentasi merupakan cara alami untuk membuat rotor SynRM tanpa mengurangi nilai induktans sumbu d. Pengembangan jumlah barrier pada rotor SynRM dapat dilihat pada gambar 2 e dan gambar 2 f [9].

gambar-3

Gambar 3. (a) salah satu struktur TLA rotor, dan
(b) struktur modern pengembangannya [9]

Referensi :
[1] T. Radwan, E.M.Rashad, M. N. Uddin and M. Rahman, “Fuzzy-Logic-Based Controller For Synchronous Reluctance Motor,” in Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2004.
[2] T. Matsuo and T. A. Lipo, “Rotor Design Optimization of Synchronous Reluctance Machine,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 9, no. 2, pp. 359-365, 1994.
[3] Y.-J. Luo, G.-J. Hwang and K.-T. Liu, “Design of Synchronous Reluctance Motor,” in Electrical Electronics Insulation Conference, and Electrical Manufacturing & Coil Winding Conference, Rosemont, IL, 1995.
[4] T.-H. Liu and H.-H. Hsu, “Adaptive Controller Design for Synchronous Reluctance Motor with Direct Torque Control,” in The International Conference on “Computer as a Tool”, Warsaw, 2007.
[5] C. Mademlis, “Compensation of Magnetic Saturation in Maximum Torque to Current Vector Controlled Synchronous Reluctance Motor Drives,” IEEE Transactions on Energy Conversion,, vol. 18, no. 3, pp. 379 – 385, 2003.
[6] O. Dabija, A. Simion, L. Livadaru, N.-D. Irimia and S. Vlasceanu, “Study of a Skewed Rotor Cage Synchronous Reluctance Motor Using Finite Element Analysis,” in International Symposium On Advanced Topics In Electrical Engineering, Bucharest, 2013.
[7] D. Miljavec and P. Jereb, “Can synchronous reluctance motor be compared with induction motor?,” in Electrotechnical Conference, 1996. MELECON ’96., 8th Mediterranean , Bari, 1996.
[8] R. Saxena, G. K. Banerji, A. Srivastava and H. S. Rawat, “Performance Analysis of Axially Laminated Anisotropic Synchronous Reluctance Motor,” in 7th WSEAS International Conference on Electric Power Systems, High Voltages, Electric Machine, Venice, 2007.
[9] R. R. Moghaddam, “Synchronous Reluctance Machine (SynRM) Design,” KTH Electrical Engineering, Stockholm, 2007.
[10] J. K. Kostko, “Polyphase reaction synchronous motors,” Journal of American Institute of Electrical Engineers, pp. 1162-1168, 1923.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *