Tag Archives: motor listrik
Mengenal Motor Reluktans (bagian 2)
Teori Dasar
SynRM merupakan motor listrik 3 fase dengan struktur rotor magnetically anisotropic tanpa magnet permanen. Pada SynRM dengan 4 kutub, rotor mempunyai 4 kinerja high dan low. Kinerja high berarti konduktivitas magnet dan nilai induktans tinggi. Sedangkan kinerja low berarti nilai induktansnya rendah. Ketika medan magnet dihasilkan di celah udara dengan mengalirkan arus pada lilitan stator, rotor akan berusaha mensejajarkan sumbu konduktif magnet, sumbu d, dengan medan magnet dari stator untuk meminimalisasi reluktans dalam rangkaian magnet [1].
Reluktans merupakan invers dari permeance atau dalam paktiknya disebut resistans magnetik. Nilai reluktans yang tinggi mengindikasikan nilai induktansnya rendah. Sumbu yang memiliki performa yang tinggi (high performance) berada pada sumbu direct atau sumbu d. Sedangkan sumbu yang memiliki nilai reluktans yang tinggi berada pada sumbu quadrature atau sumbu q [1].
Gambar 1. Ilustrasi cross-sectional rotor SynRM dan definisi sumbu magnet d dan q [1].
Aspek desain yang penting dari SynRM yaitu efek dari konstruksi rotor pada nilai induktansi motor. Nilai torsi keluaran SynRM sebanding dengan perbedaan antara induktans sumbu d dengan induktans sumbu q. Sedangkan nilai maksimal faktor daya tergantung pada rasio antara induktans sumbu d dan induktans sumbu q. Meski demikian besarnya perbedaan induktans dari dua sumbu dan rasio salience yang tinggi tidak dapat diharapkan pada desain awal rotor kutub menonjol yang masih sederhana [2].
Untuk memperbaiki kinerja dari SynRM, perbedaan induktans kedua sumbu dan salience ratio harus ditingkatkan. Salah satu yang desain memungkinkan untuk memenuhi persyaratan kinerja yaitu menghapus beberapa bagian laminasi dari inti rotor untuk menghasilkan reluktans rendah untuk fluks sumbu d (flux guide) dan reluktans yang tinggi untuk fluks sumbu q (flux barrier) pada segmental struktur rotor. Segemental rotor pada SynRM terbuat dari laminasi baja silikon yang membuat konstruksi lebih ekonomis dan mudah untuk dibuat [2].
Prinsip Kerja
Prinsip kerja SynRM (synchronous reluctance motor) menggunakan konsep reluktansi dan perputaran sinusoisal MMF, yang dapat dihasilkan oleh stator IM sederhana, untuk menghasilkan torsi. Konsep torsi reluktans adalah konsep yang sudah ada sejak lama sebelum tahun 1900 [3] [4].
Ide utama dari konsep reluktans dapat dijelaskan pada gambar 2. Pada gambar 2, benda (a) dengan material magnet anisotropis memiliki perbedaan (geometris) reluktans di sumbu d dan sumbu q, sementara benda (b) dengan material magnet isotropis memiliki reluktans yang sama di semua sisi [3].
Medan magnet (ψ) yang mengenai benda anisotropis mampu menghasilkan torsi apabila terdapat perbedaan sudut antara sumbu d dengan medan magnet (δ≠0). Hal ini jelas jika sumbu d dari benda tidak lurus dengan medan magnet, yang akan membuat terjadinya medan distorsi dalam medan utama. Arah utama dari medan distorsi lurus sepanjang sumbu q benda tersebut [3].
Dalam situasi ini akan muncul torsi yang mengurangi energi potensial sistem dengan mengurangi besar medan distorsi di sumbu q (δ→0). Jika (δ) sudut beban dapat dijaga konstan, torsi elektromagnetik akan terus dikonversi menjadi torsi mekanik [3].
Gambar 2. (a) Sebuah benda dengan geometri anisotropis, dan
(b) benda dengan geometri isotropis dalam medan magnet ψ dan mekanisme produksi torsi [3] [4]
Arus pada stator berfungsi untuk menghasilkan medan magnet utama, dan produksi torsi dengan mengurangi medan distorsi. Hal ini dapat dilakukan dengan mengontrol sudut arus yang merupakan sudut antara vector arus pada lilitan stator dengan sumbu d rotor (θ) pada synchronous reference frame [3].
Referensi:
[1] P. Matyska, “Advantages of Synchronous Reluctance Motors,” Transactions on Electrical Engineering, vol. 3, no. 2, 2014.
[2] 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.
[3] R. R. Moghaddam, “Synchronous Reluctance Machine (SynRM) Design,” KTH Electrical Engineering, Stockholm, 2007.
[4] G. Brown, “Developing Synchronous Reluctance Motors for Variable Speed Operation,” in 6th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), Bristol, 2012.
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:
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.
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
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%.
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
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
- Pada pengujian kecepatan, sistem kontrol yang didesain bisa membuat kecepatan motor brushless DC mengikuti kecepatan referensi yang diberikan
- Pada pengujian pembebanan yang diberikan, motor brushless DC bisa mempertahankan kecepatannya sekalipun adanya lonjakan kecepatan maupun penurunan kecepatan sesaat.
- Konverter SEPIC berbasis power factor correction dapat memperbaiki faktor daya pada sistem dari 0.73 menjadi 0.999 pada kecepatan dan beban rating
- 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
