Penggerak Motor DC Tanpa Sikat

Definisi

Penggerak motor DC tanpa sikat didefinisikan sebagai penggerak frekuensi variabel yang dikendalikan sendiri yang menggunakan motor Arus Alternatif Magnet Tetap (PMAC) sinusoidal. Jenis penggerak ini menawarkan beberapa keuntungan yang signifikan. Hampir tidak memerlukan perawatan, ia memiliki umur pakai yang panjang, menjadikannya pilihan yang andal untuk berbagai aplikasi. Selain itu, ia memiliki inersia rotasi rendah, gesekan minimal, dan beroperasi dengan karakteristik frekuensi rendah. Selain itu, ia menghasilkan gangguan frekuensi radio dan suara bising minimal, memastikan operasi yang halus dan hening. Namun, bukan tanpa kekurangan; batasan utamanya adalah biaya relatif tinggi dan torsi awal rendah.

Aplikasi

Penggerak motor DC tanpa sikat digunakan secara luas di berbagai industri dan perangkat. Dalam bidang elektronik konsumen, mereka digunakan dalam pemutar rekaman, drive pita untuk perekam, dan drive spindle pada hard disk komputer. Mereka juga berfungsi sebagai penggerak daya rendah dalam instrumen periferal komputer dan sistem kontrol. Di luar elektronik konsumen, aplikasinya mencakup industri aerospace, di mana keandalan dan operasi rendah suara sangat penting. Dalam bidang biomedis, presisi dan operasi bersih mereka membuatnya cocok untuk berbagai perangkat medis. Selain itu, mereka umumnya digunakan untuk menggerakkan kipas pendingin, menyediakan ventilasi efisien dan hening dalam berbagai sistem.

Struktur Motor

Gambar di bawah ini menunjukkan penampang melintang dari motor PMAC trapesium tiga fase, dua kutub, yang merupakan komponen kunci dari penggerak motor DC tanpa sikat. Motor ini memiliki rotor magnet tetap dengan busur kutub lebar, yang berkontribusi pada operasi efisiennya. Stator dilengkapi dengan tiga gulungan kutub, masing-masing terpisah 120 derajat satu sama lain. Konfigurasi gulungan khusus ini memastikan operasi listrik yang seimbang dan produksi torsi yang halus. Setiap gulungan fase mencakup 60 derajat di sisi mana pun, mengoptimalkan interaksi medan magnet dalam motor dan memungkinkan kontrol yang tepat atas kecepatan dan performanya.

Tegangan yang diinduksi pada tiga fase motor digambarkan dalam gambar di bawah ini. Pembentukan gelombang trapesium dapat disebabkan oleh interaksi spesifik antara rotor dan stator. Ketika rotor berputar dalam arah berlawanan jarum jam, selama 120 derajat putaran pertama dari posisi referensi, semua konduktor bagian atas fase A berinteraksi dengan kutub selatan medan magnet, sementara semua konduktor bagian bawah fase A berinteraksi dengan kutub utara.

Kopling magnet yang konsisten dalam rentang sudut ini menghasilkan tegangan yang diinduksi yang relatif stabil, berkontribusi pada bagian puncak datar dari gelombang trapesium. Seiring rotor terus berputar, perubahan orientasi medan magnet menyebabkan tegangan yang diinduksi bertransisi, akhirnya membentuk bentuk trapesium khas yang penting untuk operasi dan kontrol yang tepat dari penggerak motor DC tanpa sikat.

Selama 120 derajat putaran rotor, tegangan yang diinduksi pada fase A tetap relatif konstan. Setelah putaran melebihi 120 derajat, beberapa konduktor bagian atas fase A mulai terhubung dengan kutub utara, sementara yang lain terus berinteraksi dengan kutub selatan. Fenomena yang sama terjadi dengan konduktor bagian bawah. Akibatnya, selama 60 derajat putaran berikutnya, tegangan yang diinduksi pada fase A berbalik secara linier. Pola perubahan tegangan ini dicerminkan juga pada fase B dan C, menciptakan perilaku listrik yang terkoordinasi yang penting untuk operasi motor.

Sistem penggerak motor DC tanpa sikat, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah ini, terdiri dari inverter sumber tegangan yang dipasangkan dengan motor PMAC trapesium. Gulungan stator motor dikonfigurasikan dalam koneksi bintang. Gambar juga menunjukkan gelombang tegangan fase karakteristik dari motor PMAC trapesium, yang mencerminkan dinamika induksi tegangan unik yang dijelaskan di atas. Gelombang ini adalah fitur kunci yang memungkinkan kontrol dan operasi yang efisien dari penggerak motor DC tanpa sikat, memfasilitasi produksi torsi yang halus dan regulasi kecepatan yang tepat.

Gulungan stator motor DC tanpa sikat diberi pulsa arus. Setiap pulsa memiliki durasi 120 derajat listrik dan ditempatkan dengan tepat dalam wilayah di mana tegangan yang diinduksi tetap konstan dan mencapai nilai maksimumnya. Kritis, polaritas pulsa arus ini sesuai dengan polaritas tegangan yang diinduksi, memastikan interaksi harmonis antara input listrik dan medan magnet yang dihasilkan oleh motor.

Fluks celah udara dalam motor dipertahankan pada tingkat yang stabil, dan magnitudo tegangan yang diinduksi berbanding lurus dengan kecepatan rotasi rotor. Hubungan ini fundamental untuk operasi motor, karena memungkinkan kontrol yang akurat atas performa motor berdasarkan tegangan yang diinduksi bergantung pada kecepatan, memungkinkan transfer daya yang efisien dan operasi yang halus dalam berbagai kondisi operasi.

Selama setiap interval 60 derajat operasi, arus mengalir ke salah satu fase gulungan stator motor dan keluar dari fase lain. Pola aliran arus bolak-balik ini adalah ciri khas operasi motor DC tanpa sikat. Akibatnya, daya yang disuplai ke motor dalam setiap interval 60 derajat ini dapat dinyatakan dengan rumus berikut, yang mempertimbangkan interaksi antara tegangan dan arus dalam fase gulungan.

Torsi yang dihasilkan oleh motor

Gelombang torsi dari penggerak motor DC tanpa sikat digambarkan dalam gambar di bawah ini. Magnitudo torsi yang dihasilkan oleh motor berbanding lurus dengan arus yang mengalir melalui tautan daya DC. Hubungan ini fundamental untuk memahami perilaku dinamis dan karakteristik performa motor.

Pengereman regeneratif dalam sistem penggerak ini dicapai dengan membalik arus fase. Ketika arus fase dibalik, arah sumber arus Id juga berubah sesuai. Balikan ini memicu aliran daya yang dimulai dari motor, melalui inverter, dan akhirnya kembali ke sumber DC. Selama proses ini, motor berfungsi sebagai generator, mengonversi energi mekanik dari beban menjadi energi listrik, yang kemudian dialirkan kembali ke suplai daya. Ini tidak hanya membantu dalam memperlambat motor, tetapi juga memungkinkan pemulihan dan penggunaan kembali energi, meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem.

Ketika kecepatan rotasi sistem penggerak dibalik, polaritas tegangan yang diinduksi dalam motor juga berbalik. Perubahan polaritas tegangan ini memicu operasi pengereman regeneratif, memungkinkan penggerak untuk mengonversi energi mekanik beban bergerak menjadi energi listrik yang dapat dialirkan kembali ke suplai daya.

Sebaliknya, membalik arah arus yang mengalir melalui gulungan motor memulai operasi motoring, mendorong motor ke arah yang diinginkan. Gelombang arus yang sesuai dengan mode operasi ini—pengereman regeneratif dan motoring—ditunjukkan dengan jelas dalam gambar di bawah ini, memberikan representasi visual dari perilaku listrik sistem penggerak dalam kondisi yang berbeda.

Jenis Penggerak Motor DC Tanpa Sikat

Penggerak motor DC tanpa sikat dapat dibagi menjadi dua jenis utama: penggerak motor DC tanpa sikat berbiaya rendah dan penggerak motor DC tanpa sikat fasa tunggal. Setiap jenis memiliki karakteristik dan prinsip operasional uniknya sendiri, yang diuraikan di bawah ini.

Penggerak Motor DC Tanpa Sikat Berbiaya Rendah

Penggerak motor DC tanpa sikat berbiaya rendah dirancang dengan sederhana dan terjangkau. Ia memiliki konfigurasi minimalis, terdiri dari hanya tiga transistor dan konverter tiga dioda. Setup ini membatasi penggerak untuk hanya menyuplai arus atau tegangan positif ke motor tiga fasa.

Selama operasi, tegangan yang diinduksi dan arus memainkan peran penting baik dalam fungsi motoring maupun pengereman motor. Ketika pulsa arus positif 120 derajat disalurkan ke motor, ia memulai aksi motoring, menyebabkan motor berputar dalam arah berlawanan jarum jam. Sebaliknya, ketika pulsa arus ini digeser 60 derajat menjadi total 180 derajat, motor beralih ke keadaan pengereman. Perubahan waktu pulsa arus ini secara efektif mengubah interaksi antara input listrik dan medan magnet motor, memungkinkan pergeseran dari gerakan rotasi ke mekanisme pengereman.

Penggerak Motor DC Tanpa Sikat Berbiaya Rendah: Mekanisme Kontrol Arus

Dalam penggerak motor DC tanpa sikat berbiaya rendah, arus fase A diatur dengan tepat oleh tiristor Tr1 dan dioda D1. Ketika Tr1 diaktifkan (dinyalakan), tegangan sumber Vd dihubungkan ke gulungan A. Koneksi ini menyebabkan laju perubahan arus IA menjadi positif, artinya arus di fase A mulai meningkat. Sebaliknya, ketika Tr1 dimatikan, arus iA masuk ke keadaan bebas melalui dioda D1. Selama proses bebas ini, laju perubahan iA menjadi negatif, dan arus perlahan-lahan meredam.

Dalam periode waktu 0 - 120º, Tr1 dapat dihidupkan dan dimatikan secara bergantian. Strategi penghidupan dan pemadaman ini digunakan untuk membuat arus aktual IA mengikuti arus acuan rektangular iA, memastikan bahwa perbedaan antara keduanya tetap dalam band histeresis yang telah ditentukan. Kontrol yang tepat ini membantu dalam mempertahankan operasi motor yang stabil dan transfer daya yang efisien.

Penggerak Motor DC Tanpa Sikat Fasa Tunggal

Konfigurasi penggerak motor DC tanpa sikat fasa tunggal digambarkan dalam gambar di bawah ini. Untuk analisis, asumsikan bahwa motor ditenagai oleh konverter fasa tunggal setengah jembatan, yang mensuplai gelombang arus rektangular ke motor, seperti yang ditunjukkan dalam diagram pendamping. Gelombang arus khusus ini memainkan peran penting dalam menentukan karakteristik performa dan perilaku operasional motor.

Torsi yang dihasilkan oleh motor menunjukkan fluktuasi yang signifikan, yang biasa disebut ripple torsi. Namun, ketika motor beroperasi pada kecepatan tinggi, inersia sistem motor-beban bertindak sebagai filter alami. Inersia inheren ini meratakan variasi torsi, memungkinkan motor untuk mempertahankan kecepatan rotasi yang relatif seragam meskipun adanya ripple torsi.