- Pengoperasian Motor Linear
- Hukum Faraday
- Hukum Lorentz
- Sejarah Motor
- Berbagai Jenis Motor
- Saliency
- Interaksi Fluks antara Rotor dan Stator
Pernah bertanya-tanya bagaimana sebuah motor berputar? Apa dasar-dasar yang terlibat? Bagaimana cara mengontrolnya? Motor DC brushed telah ada di pasaran sejak lama dan mereka berputar dengan mudah hanya dengan suplai / baterai DC sedangkan motor induksi dan motor sinkron magnet permanen melibatkan elektronik yang kompleks dan teori kontrol untuk memutarnya secara efisien. Bahkan sebelum kita membahas apa itu motor DC atau jenis motor lainnya, penting untuk memahami pengoperasian motor linier - motor paling dasar. Ini akan membantu kita memahami dasar-dasar di balik pemintalan motor.
Saya seorang Power Electronics dan Motor Control Engineer dan blog berikutnya akan membahas tentang kontrol motor. Tetapi ada topik tertentu yang perlu dipahami sebelum masuk ke kedalaman kontrol motor dan kami akan membahasnya di artikel ini.
- Pengoperasian Motor Linear
- Jenis Motor dan Sejarahnya
- Saliency
- Interaksi Fluks antara Stator dan Rotor
Pengoperasian Motor Linear
Sebagai seorang insinyur elektronika daya, saya tidak tahu banyak tentang pengoperasian motor. Saya membaca banyak catatan, buku, dan video referensi. Saya mengalami kesulitan memahami beberapa motor dan kontrolnya secara mendalam sampai saya mengacu lagi pada hukum dasar konversi energi elektro-mekanik - Hukum Gaya Faraday dan Lorentz. Kami akan meluangkan waktu untuk memahami hukum ini. Beberapa dari Anda mungkin sudah mengetahuinya tetapi ada baiknya untuk membahasnya sekali lagi. Anda mungkin mempelajari sesuatu yang baru.
Hukum Faraday
Hukum Induksi Faraday menyatakan hubungan antara fluks kumparan kawat dan tegangan yang diinduksi di dalamnya.
e (t) = -dφ / dt… (1)
Dimana Φ mewakili fluks pada kumparan. Ini adalah salah satu persamaan dasar yang digunakan untuk menurunkan model kelistrikan motor. Situasi ini tidak terjadi pada motor praktis karena kumparan terdiri dari sejumlah putaran, didistribusikan di ruang angkasa dan kita harus memperhitungkan fluks melalui masing-masing putaran ini. Istilah hubungan fluks (λ) mewakili fluks total yang terhubung dengan semua kumparan dan ini diberikan oleh persamaan berikut
Φ n mewakili fluks yang dihubungkan dengan kumparan ke- n dan N adalah jumlah putaran. Ini dapat digambarkan sebagai kumparan yang terbentuk dari N belokan tunggal dalam konfigurasi seri. Jadi,
λ = Nφ e (t) = -dλ / dt = -Ndφ / dt
Tanda minus biasanya dikaitkan dengan hukum Lenz.
Hukum Lenz menyatakan sebagai berikut: EMF (gaya gerak listrik) diinduksi dalam gulungan kawat jika fluks yang dihubungkan dengannya berubah. Polaritas EMF sedemikian rupa sehingga jika sebuah resistor dihaluskan melewatinya, arus yang mengalir di dalamnya akan menentang perubahan fluks yang menyebabkan EMF tersebut.
Mari kita pahami Hukum Lenz melalui sebuah konduktor (batang) yang ditempatkan di medan magnet (B̅) yang mengarah ke bawah ke bidang kertas seperti yang ditunjukkan gambar di atas. Gaya F yang diterapkan menggerakkan batang secara horizontal tetapi batang selalu bersentuhan dengan konduktor horizontal. Resistor eksternal R digunakan sebagai shunt untuk memungkinkan arus mengalir. Jadi, pengaturannya bertindak seperti rangkaian listrik sederhana dengan sumber tegangan (EMF yang diinduksi) dan resistor. Fluks yang dihubungkan dengan loop ini berubah karena luas yang dihubungkan dengan B̅ meningkat. Ini menginduksi EMF di sirkuit sesuai dengan Hukum Faraday (besarnya ditentukan oleh seberapa cepat fluks berubah) dan Hukum Lenz (polaritas ditentukan sedemikian rupa sehingga arus yang diinduksi akan melawan perubahan fluks).
Aturan Jempol Tangan Kanan akan membantu kita dalam mengetahui arah arus. Jika kita melengkungkan jari kita ke arah arus induksi, maka ibu jari akan memberikan arah medan yang dihasilkan oleh arus induksi tersebut. Dalam hal ini, untuk melawan fluks yang meningkat karena medan B̅, kita perlu mengembangkan bidang menjadi bidang dari bidang kertas, dan karenanya, arus akan mengalir berlawanan arah jarum jam. Akibatnya, terminal A lebih positif daripada terminal B.Dari sudut pandang beban, EMF positif berkembang dengan meningkatnya fluks dan karenanya kita akan menulis persamaan sebagai
e (t) = d λ / dt
Perhatikan bahwa kita telah mengabaikan tanda negatif saat kita menulis persamaan ini dari sudut pandang beban. (Kasus serupa akan muncul ketika kita mulai berurusan dengan motor). Rangkaian kelistrikan terakhir akan berbentuk seperti gambar di bawah ini. Meskipun kasus yang dibahas adalah generator, kami telah menggunakan konvensi tanda dari sudut pandang motor dan polaritas yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini benar. (Ini akan menjadi jelas saat kita melanjutkan ke pengoperasian motor).
Kita dapat menghitung EMF yang diinduksi sebagai berikut. Sebuah kumparan 1 putaran (konduktor dalam hal ini) akan menghasilkan hubungan fluks:
Dimana A mewakili luas lingkaran, l adalah panjang konduktor, v adalah kecepatan gerak batang karena gaya yang diberikan.
Melihat Persamaan di atas, kita dapat mengatakan bahwa besarnya EMF sebanding dengan kecepatan konduktor dan tidak tergantung pada resistor eksternal. Tetapi resistor eksternal akan menentukan berapa banyak gaya yang dibutuhkan untuk mempertahankan kecepatan (dan karenanya arus). Pembahasan ini dilanjutkan ke depan dalam bentuk UU Lorentz.
Hukum Lorentz
Kami akan memeriksa persamaannya terlebih dahulu dan kemudian mencoba memahaminya.
F = q. (E + Vc x B)
Ini menyatakan bahwa ketika sebuah partikel bermuatan q bergerak dengan kecepatan v c dalam medan elektromagnetik, ia mengalami gaya. Di motor, medan listrik E tidak relevan. Jadi, F = q. Vc. B
Jika medan konstan dengan waktu sepanjang konduktor dan tegak lurus terhadapnya, kita dapat menulis persamaan di atas sebagai:
F = q. dx / dt. B = dq / dt. x. B = il B = B. i. l
Ini menunjukkan bahwa gaya yang bekerja pada muatan berbanding lurus dengan arus.
Kembali ke gambar pertama, kita telah melihat bahwa gaya eksternal yang diterapkan menginduksi EMF yang menginduksi arus dalam resistor. Semua energi dihamburkan sebagai panas pada resistor. Hukum kekekalan energi harus dipenuhi dan karenanya kita mendapatkan:
F. v = e. saya
Persamaan ini merepresentasikan bagaimana energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Susunan ini disebut generator linier.
Kita akhirnya dapat memeriksa bagaimana sebuah motor bekerja yaitu bagaimana energi listrik diubah menjadi energi mekanik. Pada gambar di bawah ini, kami telah mengganti resistor eksternal dengan resistor gabungan dari rangkaian dan sekarang ada sumber tegangan eksternal yang memasok arus. Dalam hal ini, kita akan mengamati gaya yang dikembangkan (F DIKEMBANGKAN) yang diberikan oleh Hukum Lorentz. Arah gaya dapat ditentukan dengan Aturan Tangan Kanan yang ditunjukkan di bawah ini
Beginilah cara kerja motor linier. Semua motor diturunkan dari prinsip-prinsip dasar ini. Ada banyak artikel dan video detail yang akan Anda temukan yang menjelaskan pengoperasian motor DC brushed, motor brushless, motor PMSM, motor Induksi, dll. Jadi, tidak masuk akal jika membuat satu artikel lagi yang menjelaskan pengoperasiannya. Berikut ini tautan ke beberapa video pendidikan yang bagus tentang berbagai jenis motor dan pengoperasiannya.
Sejarah Motor
- Secara historis, ada tiga jenis motor yang telah banyak digunakan - motor DC komutator sikat, motor sinkron dan motor induksi. Banyak aplikasi menuntut kecepatan yang bervariasi dan motor DC banyak digunakan. Tetapi pengenalan thyristor sekitar tahun 1958 dan teknologi transistor mengubah keadaan.
- Inverter dikembangkan yang membantu dalam aplikasi kontrol kecepatan yang efisien. Perangkat transistor dapat dihidupkan dan dimatikan sesuka hati dan memungkinkan operasi PWM. Skema kontrol dasar yang dikembangkan sebelumnya adalah drive V / f untuk mesin induksi.
- Secara paralel, magnet permanen mulai menggantikan kumparan medan untuk meningkatkan efisiensi. Dan penggunaan inverter bersama dengan mesin magnet permanen sinusoidal memungkinkan penghapusan sikat untuk meningkatkan umur dan keandalan motor.
- Langkah besar berikutnya adalah mengontrol mesin tanpa sikat ini. Teori dua reaksi (atau teori dq) diperkenalkan oleh Andre Blondel di Prancis sebelum tahun 1900. Ia dikombinasikan dengan vektor ruang kompleks yang memungkinkan untuk memodelkan mesin secara akurat dalam keadaan transien dan mapan. Untuk pertama kalinya, besaran listrik dan mekanik dapat dikaitkan satu sama lain.
- Motor induksi tidak mengalami banyak perubahan sampai tahun 1960. Dua orang Jerman - Blaschke dan Hasse membuat beberapa inovasi kunci yang mengarah pada pengendalian vektor motor induksi yang sekarang terkenal. Kontrol vektor berhubungan dengan model transien motor induksi daripada kondisi tunak. Selain mengontrol amplitudo tegangan terhadap rasio frekuensi, ini juga mengontrol fase. Ini membantu motor induksi digunakan dalam kontrol kecepatan dan aplikasi servo dengan dinamika tinggi.
- Algoritma tanpa sensor adalah langkah besar berikutnya dalam mengendalikan motor-motor ini. Kontrol vektor (atau Kontrol Berorientasi Bidang) perlu mengetahui posisi rotor. Sensor posisi mahal digunakan sebelumnya. Kemampuan untuk memperkirakan posisi rotor berdasarkan model motor memungkinkan motor berjalan tanpa sensor.
- Hanya ada sedikit perubahan sejak saat itu. Desain motor dan pengendaliannya kurang lebih tetap sama.
Motor telah berkembang sejak abad terakhir. Dan elektronik telah membantu mereka digunakan dalam berbagai aplikasi. Mayoritas listrik yang digunakan di dunia ini dikonsumsi oleh motor!
Berbagai Jenis Motor
Motor dapat diklasifikasikan dengan berbagai cara. Kami akan melihat beberapa klasifikasi.
Ini adalah klasifikasi paling umum. Ada banyak kebingungan mengenai motor AC dan DC dan penting untuk membedakan keduanya. Mari kita berpegang pada konvensi berikut: motor yang membutuhkan suplai AC 'di terminalnya' disebut motor AC dan yang dapat berjalan pada suplai DC 'di terminalnya' disebut motor DC. 'Pada terminalnya' penting karena menghilangkan jenis elektronik apa yang digunakan untuk menjalankan motor. Sebagai contoh: Motor DC brushless sebenarnya tidak dapat berjalan langsung pada suplai DC dan membutuhkan rangkaian elektronik.
Motor dapat diklasifikasikan berdasarkan catu daya dan berdasarkan pergantian - sikat atau tanpa sikat, seperti yang ditunjukkan di bawah ini
Meskipun saya tidak akan mendalami desain motor dari salah satu motor di atas - Ada dua topik penting yang ingin saya bahas - Saliency dan Interaksi Fluks Rotor dengan Fluks Stator.
Saliency
Aspek parameter mesin seperti produksi torsi dan induktansi dipengaruhi oleh struktur magnet mesin (pada mesin magnet permanen). Dan yang paling mendasar dari aspek itu adalah arti-penting. Saliency adalah ukuran perubahan keengganan dengan posisi rotor. Selama keengganan ini konstan dengan setiap posisi rotor, mesin disebut non-salient. Jika keengganan berubah dengan posisi rotor, mesin disebut salient.
Mengapa arti-penting penting untuk dipahami? Karena motor yang menonjol sekarang dapat memiliki dua metode untuk menghasilkan torsi. Kita dapat memanfaatkan variasi keengganan pada motor untuk menghasilkan torsi keengganan bersama dengan torsi magnet (dihasilkan oleh magnet). Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, kita dapat mencapai tingkat torsi yang lebih tinggi untuk arus yang sama dengan penambahan torsi keengganan. Ini akan menjadi kasus dengan motor IPM (Interior Permanent Magnet). (Ada motor yang murni bekerja pada efek keengganan tetapi kita tidak akan membahasnya di sini.) Topik berikutnya akan membantu Anda memahami hubungan fluks dan arti-penting dengan lebih baik.
(Catatan: Maju Sudut pada gambar di bawah ini mengacu pada perbedaan fasa antara arus stator dan fluks celah udara.)
Interaksi Fluks antara Rotor dan Stator
Fluks pada motor bergerak dari rotor melintasi celah udara ke stator dan kembali lagi melalui celah udara kembali ke rotor untuk menyelesaikan loop medan. Di jalur itu, fluks melihat keengganan yang berbeda (resistansi magnet). Laminasi (baja) memiliki keengganan yang sangat rendah karena μ tinggi r (permeabilitas relatif baja di kisaran ribu) sedangkan celah udara memiliki keengganan yang sangat tinggi (μ r adalah sekitar sama dengan 1).
MMF (gaya magnetomotive) yang dikembangkan melintasi baja sangat kecil karena memiliki keengganan yang dapat diabaikan dibandingkan dengan celah udara. (Analog ke rangkaian listrik adalah: Sumber tegangan (magnet) menggerakkan arus (fluks) melalui resistor (reluktansi celah udara). Konduktor (baja) yang terhubung ke resistor memiliki resistansi yang sangat rendah dan kita dapat mengabaikan penurunan tegangan (MMF drop) di atasnya). Dengan demikian struktur baja stator dan rotor memiliki pengaruh yang dapat diabaikan dan seluruh MMF dikembangkan melintasi keengganan celah udara efektif (setiap bahan non-ferrous di jalur fluks dianggap memiliki permeabilitas relatif yang sama dengan celah udara). Panjang celah udara dapat diabaikan dibandingkan dengan diameter rotor dan dapat diasumsikan dengan aman bahwa fluks dari rotor tegak lurus terhadap stator.Ada efek fringing dan non-linearitas lainnya karena slot dan gigi, tetapi ini umumnya diabaikan dalam pemodelan mesin. (Anda TIDAK DAPAT mengabaikannya saat mendesain mesin). Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet dalam kasus mesin magnet permanen). Arus dalam kumparan stator juga berkontribusi pada fluks. Interaksi dari 2 fluks inilah yang akan menentukan torsi yang bekerja pada motor. Dan istilah yang menggambarkannya disebut hubungan fluks celah udara efektif. Idenya bukanlah untuk mempelajari matematika dan mendapatkan persamaan tetapi untuk menghilangkan dua poin:Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet dalam kasus mesin magnet permanen). Arus dalam kumparan stator juga berkontribusi pada fluks. Interaksi dari 2 fluks inilah yang akan menentukan torsi yang bekerja pada motor. Dan istilah yang menggambarkannya disebut hubungan fluks celah udara efektif. Idenya bukanlah untuk mempelajari matematika dan mendapatkan persamaan tetapi untuk menghilangkan dua poin:Tetapi fluks di celah udara tidak hanya diberikan oleh fluks rotor (magnet dalam kasus mesin magnet permanen). Arus dalam kumparan stator juga berkontribusi pada fluks. Interaksi dari 2 fluks inilah yang akan menentukan torsi yang bekerja pada motor. Dan istilah yang menggambarkannya disebut hubungan fluks celah udara efektif. Idenya bukanlah untuk mempelajari matematika dan mendapatkan persamaan tetapi untuk menghilangkan dua poin:
- Kami hanya prihatin dengan fluks di celah udara karena seluruh MMF dikembangkan melewatinya.
- Hubungan fluks yang efektif di celah udara disebabkan oleh arus stator dan fluks rotor (magnet) dan interaksi di antara keduanya menghasilkan torsi.
Gambar di atas menunjukkan rotor dan stator dari berbagai jenis motor. Menarik untuk mengetahui mana di antara mereka yang menonjol dan mana yang tidak?
Catatan: Pada masing-masing motor ini, dua sumbu ditandai - D dan Q. (Q-Axis adalah sumbu magnet dan sumbu D tegak lurus secara elektrik). Kami akan kembali ke sumbu D dan Q di artikel mendatang. Tidak penting untuk pertanyaan di atas.
Menjawab:
A, B, C - non-salient, D, E, F, G, H - salient (magnet mempengaruhi keengganan pada posisi rotor yang berbeda, lihat gambar di bawah, di J, K- baik rotor maupun stator tidak menonjol.
Kami akan mengakhiri artikel ini pada saat ini. Lebih banyak matematika dan pemodelan mesin dapat didiskusikan tetapi akan menjadi terlalu rumit di sini. Kami telah membahas sebagian besar topik yang diperlukan untuk memahami pengendalian motor. Rangkaian artikel berikutnya akan langsung beralih ke Field Oriented Control (FOC), Space Vector Modulation (SVM), Flux Weakening, dan semua aspek perangkat keras dan lunak praktis di mana Anda mungkin akan terjebak setelah Anda mulai merancang pengontrol.