Desain Kontrol PFC untuk motor Brushless DC

Motor Brushless DC mulai banyak digunakan untuk aplikasi rumah tangga maupun industri karena memiliki rasio torsi/inersia dan efisiensi yang tinggi. Pada umumnya, sumber motor brushless DC adalah dengan menggunakan baterai. Seiring dengan berjalannya waktu, sumber yang digunakan untuk pengoperasian motor brushless DC adalah sumber AC 220 volt karena lebih murah dan praktis. Contoh penerapan motor brushless DC dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai pompa. Motor brushless DC merupakan motor yang terkomutasi secara elektris dan membutuhkan informasi posisi rotor sebagai sinyal masukan Voltage Source Inverter (VSI).

Pada motor brushless DC konvensional yang menggunakan sumber AC 220 volt, drive hanya berupa rectifier (penyearah) dan kapasitor DC link. Pada perkembangannya, skema pengaturan kecepatan telah dikembangkan dengan memberikan input Pulse Width Modulation (PWM) pada VSI. Pada skema ini, PWM yang digunakan untuk mengatur kecepatan rentan terjadi losses pada switch VSI dikarenakan frekuensi switching yang tinggi. Selain itu, drive ini menyebabkan tingginya nilai Total Harmonic Distorsion (THD) dan rendahnya faktor daya. Standar faktor daya internasional tidak merekomendasikan metode ini

Mekanisme motor brushless DC

Brushless DC tiga fasa beroperasi dengan memanfaatkan tarikan dan tolakan kutub-kutub magnet. Ketika arus melalui salah satu dari ketiga fasa, maka akan menghasilkan medan magnet dan menarik medan magnet permanen (rotor) yang memiliki polaritas yang berbeda. Sehingga rotor akan bergerak sesuai dengan arah medan statornya. Perubahan medan magnet stator akan menyebabkan rotor bergerak mengikuti statornya secara konstan. Untuk menentukan timing komutasi yang tepat, motor brushless DC memerlukan tiga buah sensor hall dan atau encoder. Ketiga sensor Hall (“a”, “b”, “c”) terpasang pada stator dengan interval 120 derajat. Setiap 60 derajat putaran, satu sensor hall mengubah state (keadaannya) nya. Sehingga dibutuhkan enam tahapan untuk melakukan satu siklus putaran penuh. mekanisme perubahan switch yang terjadi akibat sensing dari hall sensor dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

 

mekanisme1mekanisme2

Gambar 1. Mekanisme gerak motor brushless DC

Konfigurasi Kontrol Kecepatan Berbasis PFC Menggunakan SEPIC

Rangkaian PFC SEPIC yang diaplikasikan pada motor brushless DC ditunjukkan oleh Gambar 3.1 dibawah ini.

rangkaian-utama

Gambar 2. Konfigurasi rangkaian kontrol

Rangkaian kontrol yang dirancang menggunakan referensi berupa kecepatan aktual motor brushless DC. Kecepatan yang dikontrol kemudian dikonversi menjadi bentuk Pulse Width Modulation (PWM) yang kemudian menuju ke switch pada SEPIC converter. Sementara enam switch pada VSI mendapat masukan sinyal biner hasil sensor posisi hall. Kecepatan motor brushless DC yang telah di-setting juga mempengaruhi besarnya tegangan pada DC link. Nilai tegangan tersebut mempengaruhi hall sensor dalam memberikan sensing posisi rotor dari motor brushless DC. Semakin besar nilai tegangan, maka semakin besar kecepatan perubahan biner sensor posisi yang disalurkan menuju VSI. Setiap perubahan sensor yang disalurkan menuju VSI, ada dua switch pada VSI dalam keadaan ON.

Skema kontrol PFC yang digunakan adalah metode kontrol arus hysteresis. Skema utama adalah kontrol kecepatan sedangkan loop kontrol didalamnya merupakan kontrol PFC. Mekanisme kontrol kecepatan dari rangkaian keseluruhan adalah dengan mengontrol kecepatan error () yang didapatkan melalui selisih kecepatan referensi () dan kecepatan aktual () motor brushless DC menggunakan kontroler proporsional-integral (PI) untuk menghasilkan sinyal referensi . Sinyal hasil PI kemudian dikalikan dengan sinyal tegangan yang telah terlebih dahulu dimutlakkan dan memiliki nilai amplitudo satu (1). Hasil perkalian antara dan tegangan akan membentuk gelombang fullwave. Gelombang fullwave tersebut kemudian dijadikan referensi untuk dibandingkan dengan gelombang arus yang disensing pada titik setelah diode fullbridge melalui komparator. Nilai gelombang dan arus tersebut memiliki bentuk yang hampir sama. Apabila nilai arus sensing lebih besar daripada sinyal referensi, maka komparator mengeluarkan nilai nol, begitupun sebaliknya apabila nilai arus sensing lebih kecil daripada arus referensi, maka komparator akan mengeluarkan sinyal satu (ON).

Perbandingan Performansi Motor uncontrolled dan menggunakan kontrol PFC-SEPIC

Nilai PF tanpa kontrol

distorsi-arus

Gambar 3. Distorsi yang terjadi pada gelombang arus

Gelombang diatas menunjukkan bahwa sinyal arus yang berwarna memiliki ripple yang tinggi. Nilai ripple tersebut disebabkan karena tidak ada rangkaian kontrol yang mengatur agar bentuk gelombang arus sama dengan bentuk gelombang tegangannya. Simulasi diatas menunjukkan bahwa apabila mengoperasikan motor brushless DC dengan menggunakn sumber AC 220 rms, maka kecepatan yang dihasilkan memiliki karakteristik ripple yang besar serta nilai faktor daya dan THD yang berada diluar batas toleransi. Faktor daya yang terjadi sumber adalah 0.732 sedangkan nilai THD arus 74.39%. telah diketahui bahwasanya batas nilai faktor daya minimal yang diijinkan PLN adalah sebesar 0.85. Selain itu, nilai THD arus sangat tinggi dan jauh diatas batas toleransi sebesar 5%.

Performansi motor dengan kecepatan referensi yang bervariasi setelah menggunakan kontrol PFC-SEPIC

respon-kecepatan

Gambar 4. Respon kecepatan motor brushless DC

Berdasarkan hasil simulasi didapatkan bahwa kecepatan aktual dapat mengikuti kecepatan referensi yang diinginkan. Selain itu, pada grafik dapat dilihat overshoot yang dihasilkan tidak terlalu besar dan terjadi dalam waktu yang singkat.

Nilai PF dengan menggunakan PFC-SEPIC

tabel

Berdasarkan hasil diatas, dapat dilihat bahwa kontrol PFC-SEPIC membuat nilai faktor daya mendekati satu dan nilai THD yang kecil. Sistem ini sangat baik untuk dioperasikan di industri.

Kesimpulan

  1. Pada pengujian kecepatan, sistem kontrol yang didesain bisa membuat kecepatan motor brushless DC mengikuti kecepatan referensi yang diberikan
  2. Pada pengujian pembebanan yang diberikan, motor brushless DC bisa mempertahankan kecepatannya sekalipun adanya lonjakan kecepatan maupun penurunan kecepatan sesaat.
  3. Konverter SEPIC berbasis power factor correction dapat memperbaiki faktor daya pada sistem dari 0.73 menjadi 0.999 pada kecepatan dan beban rating
  4. Konverter SEPIC berbasis power factor correction dapat menurunkan nilai THD arus dari 74.39% menjadi 1.24%

 

Daftar Pustaka

  • Bhim, V., Singh, B., “Reduced Sensor Configuration of a Power Factor Correction Based Single-Ended Primary Inductance Converter Fed Brushless DC Motor Drive”, IET Power Electron, Vol. 8, Iss. 9, pp. 1606-1615, March, 2015
  • Madani, S.M., Lei, H., Toliyat, H.A., “A Low-cost Four Switch BLDC Motor Drive with Active Power Factor Correction”, 28th Annual IEEE Conf. of Industrial Electronics Society (IECON), vol. 1, pp. 579-584, November, 2002
  • Jian, Z., Yangwei, Y., “Brushless DC Motor Fundamental Application Node” MPS Module, 2014
  • Hanselman, D., “Brushless Permanent Magnet Motor Design”, Magna Physics Publishing, 2006

Related Posts

Leave a Reply