DC Motor Drives Koneksi motor DC (If dan Ia) Hubungan koneksi antara arus medan dan arus jangkar dapat dibagi menjadi beberapa bagian seperti di bawah ini : a. hubungan terpisah (separetely excitated) Ada juga yang digunakan sebelum supply dari tegangan yang berubah (biasanya motor DC dioperasikan dari sebuah supply DC, biasanya tegangan konstan b. hubungan seri (baik untuk applikasi traction atau daya tarik) c. hubungan shunt (baik digunakan untuk applikasi yang mempunyai kecepatan tetap) d. compound-wound (campuran dari seri dan shunt) Motor Shunt • Jangkar dan medan dihubungkan secara pararel. • Tegangan supply konstan • Karakteristik Torka – kecepatan, hampir mirip dengan motor DC hubungan terpisah (dan juga Motor induksi) • Resistansi start membatasi arus yang yang besar. • Pengontrolan beberapa kecepatan dapat dilakukan dengan perubahan Rf (field weakening) • Merubah putaran rotor dengan membalik arah arus If
Kontrol kecepatan dengan field weakening :
ω=
V R − 2T kΦ kΦ
Motor Seri • Medan dan jangkar dihubungkan secara seri • Supply tegangan konstan
V n
2
•
Torka berbanding lurus terhadap I2 , dan
• • •
Pengontrolan kecepatan dapat dilakukan dengan mengatur perubahan Ra + Rf Resistansi start (Ra + Rf) akan membatasai arus yang sangat besar Merubah arah torka rotor (termasuk juga putaran rotor), tidak mungkin dilakukan dengan merubah polaritas tegangan, sebagaimana Ia dan If akan berubah polaritasnya secara bersamaan Kecepatan tanpa beban susah untuk di dapat (karena terlalu tinggi). Kecepatan akan sangat tinggi pada tanpa beban dan motor seri besar tidak perlu dihubungkan pada beban mekanik dengan belt or mekanik lainnya yang memungkinkan untuk bisa rusak karena getaran
• •
torka yang berasal dari gesekan dan windage bisa digunakan sebagai acuan kecepatan tanpa beban. Motor seri : pengontrolan kecepatan dengan perubahan Ra + Rf (perubahan polaritas medan)
T = k Φ I a = kI f I a = kI a2 V = I a ( R a + R f ) + E = I a ( R a + R f ) + kI a ω
ω=
Ra + R f Ra + R f V V − = − kI a k k kT
V dan T = k ( R + R ) + kω a f
2
Motor seri :Universal Motor Kelemahan dari motor seri yaitu tidak dimungkinkan untuk merubah arah torka motor dengan merubah polaritas tegangan. Untuk mengatasinya maka harus tersebut harus mampu disupply oleh tegangan bolak balik (tegangan AC), dan motor jenis ini dinamakan Universal Motor. • Perlu disusun secara berlapis lapis inti dan magnetnya • Kurang dari 1 kW, 8-12000 rpm (kecepatan tinggi akan berukuran kecil) • Biasa digunakan dalam mixer makanan, vacuum cleaner, portable power tools dan sebagainya DC motor drives Dari penjelasan di atas, dapat diketahui bahwa untuk mengontrol kecepatan dan torka dari motor DC bisa menggunakan perubahan tegangan DC. Cara lama untuk mendapatkan tegangan DC yang berubah-ubah dapat dilihat di gamabr di bawah ini :
Cara yang lebih baik untuk mendapatkan sebuah tegangan DC yang berubah ubah yaitu menggunakan: 1. Penyearah Thyristor atau converter (masukan :tegangan AC ”tetap”) 2. Chopper (masukan : tegangan DC tetap)
dengan
Konverter Thyristor
Penyearah thyristor mempunyai : effisiensi diatas 95%, berukuran kecil, perawatan yang sedikit, respon yang lebih cepat terhadap perubahan kecepatan ke seting kecepatan yang dikehendaki. Kelamahannya : Tegangan yang dihasilkan tidak murni DC, kapasitas beban lebih dari thyristor di batasi, converter tunggal tidak bisa digunakan untuk regenaration, power factor dari supply mungkin rendah dan drive dapat memberikan masalah interferensi sinyal.
Konverter jenis ini menghasilkan tegangan yang tidak murni DC, tetapi bagaimana dengan arusnya ? (dapat dilihat dari grafik di bawah ini : Arus dapat di buat merata dengan sebuah induktance, sehingga akan menyebabkan sedikit riak (ripple)torka, rotor intertia akan menjaga kecepatan hampir konstan. Dari gambar di samping terlihat bahwa makain tinggi torka, rugi rugi juga akan makin tinggi (I2R).
Operasi di 4 kuadran dan pengereman regenerative Untuk itu supply harus mampu menyediakan tegangan negatif dan positif dan mampu menerima arus negatif dan positif. Konverter tunggal hanya mampu mensupply arus positif saja. Operasi dua kuadran (pengereman) dari motor hanya dapat dilakukan dengan membalik kontak di rangkaian jangkarnya, seperti pada gambar di bawah ini :
Sedangkan untuk dapat beroperasi di 4 kuadran, maka perlu di tambah satu lagi konverter seperti pada gambar di samping kiri ini:
Chopper fed DC motor Drive
Ini bias digunakan jika sumber supplynya berupa tegangan DC. Arus hanya akan mengalir dari supply pada sebagian dari setiap putaran. Riak (ripple) arus dapat sangat kecil, jika menggunakan frekuensi penyalaan (switching) yang tinggi, diatas 100 Hz Pengontrolan kecepatan dapat sangat effektif dengan menggunakan ratio turn-on time, seperti dibawah ini:
Vdc =
t on V T
Susunan Pengontrolan (control) untuk DC drives Pengontrolan dua loop :
Karakteristik Dinamis dan konstanta waktu (Dynamic Behabior and Time constant) Jika arus berubah maka energy akan disimpan dalam La, seperti
U a = Ria + La
Jika kecepatan berubah, energy kinetik putaran dalam J, seperti
J
di a + k Φω dt
dω = Te − TL = k Φ i a − TL dt
RJ L dan Konstanta waktu elektrical (jangkar), τ a = , dimana 2 R kΦ arus dinamik lebih cepat dari mekanikal dinamik τ a << τ .
Kontanta waktu elektro-mekanik,
τ=
Jika tegangan jangkar tiba tiba meningkat (seperti di start langsung) dalam sedikit gesekan, motor tidak berbeban, dan jika di asumsikan L=0, maka :
U a = Ria + La
di a V − V1 − t τ + k Φ ω dan ia = 2 e dt R
Karakteristik Transient-sentakan (surge) arus • Peningkatan arus harus dibatasi (untuk melindungi thyristor di konverter dan menghindari kelebihan panas)
I=
V − kΦω R
•
Start secara langsung, biasanya tidak dianjurkan,
• •
Peningakatan beban secara tiba tiba akna menyebabkan sentakan (surge) arus Sehingga arus perlu untuk disensor dan dikontrol (dengan pengontrolan tegangan)
Susunan pengontrolan untuk DC drives Pengontrolan kecepatan dalam prakteknya: kita beri sebuah response step dalam kecepatan dengan arus yang dibatasi oleh ratingnya (23 A). Sehingga akan nampak bentuk gelombang sperti di bawah ini :
Driver Pengontrolan Digital Penerapan pengontrolan digital dapat dilakukan dengan diskretisasi dari algoritma pengontrolan yang berasal dari waktu kontinue. Prakiraan sebuah derivative waktu dengan
e(t ) =
dI (t ) I (t ) − I (t − Ts ) ≈ dimana Ts=sampling period dt Ts
1 ) merupakan waktu antara dua sampling yang berurutan fs I k − I k −1 ⇒ I k = I k −1 + ek Ts Ik adalah k dari s sample daripada I, I k = I ( kTs ) sehingga ek = Ts
Jika k = jumlah sample
t = kTs dan Ts = (
Mesin DC dengan eksitasi magnet terpisah
Jika
TL = b L ω ⇒ J
dω + b f ω = Te − bL ω dt
State Space representation dari mesin DC (dengan TL sebagai masukan) Bentuk dasar dari state space yaitu :
X& = Ax + Bu y = Cx + Du
x:state(kecepatan&arus), u:masukan(tegangan&torka) dan u:keluaran(arus&kecepatan)
Dari ekuivalen sirkuit untuk mesin DC, maka akan didapatkan persamaan seperti di bawah ini :
di a R k ω u dω k Φ i a T L bω = − a i a − Φ + a dan = − − dt La La La dt J J J Maka akan di dapat matrik sebagai berikut :
Ra k Φ 10 − L − L u a ia 1 0 a a , B = La 1 , C = x = , u = dan matrik A = − kΦ b 01 ω TL 0 − J J J Dan jika kita simulaskan dengan menggunakan simulink pada matlab :
