Alat Peraga Elektronika Daya Motor Listrik DC Tiga Fase

LEMBAR LAMPIRAN A
PERCOBAAN I
Peragaan Pembangkit Motor Brushless
I.
Tujuan
mengenal dan memahami prinsip kerja pembangkit motor dc tiga
fase(motor brushless/BLDC)
II.
Dasar teori
Motor brushless atau motor dc 3 fase memiliki komponen utama rotor
sebagai permanen magnet yang berputar dan stator sebagai medan magnet yang
menyebabkan rotor berputar. Motor brushless terdiri dari 6 kaki yaitu: 3 kaki
sensor hall effect dan 3 kaki input 3 fase. Motor brushless termasuk motor sinkron
dikarenakan stator dan rotor motor ini dibangkitkan pada frekuensi yang sama.
Arus dc rangkain harus di supply pada posisi rotor yang ditentukan oleh
sensor hall effect dengan teknik komutasi 6 langkah. Sensor posisi hall efek
berupa sinyal umpan balik digital 3bit(per bit mewakili masing-masing fase).
Gambar sensor hall efect
Gambar posisi sensor hall effect
Berdasarkan arah putaran motor maka didapat tabel acuan yang akan diset
atau diinisialisasi pada saat peragaan.
6 langkah
1
2
3
4
5
6
hall sensor
A B C
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
Aktif mosfet
PWM(A-high)
PWM(A-high)
PWM(B-high)
PWM(A-low)
PWM(A-low)
PWM(B-low)
PWM(B-low)
PWM(C-low)
PWM(C-low)
PWM(B-high)
PWM(C-high)
PWM(C-high)
A
V+
V+
off
VVoff
Phase
B
Voff
V+
V+
off
V-
C
off
VVoff
V+
V+
Modul input komutasi terdapat pada driver motor dimana komutasi bertujuan
merubah polaritas arah arus pembangkit agar permanen magnet dapat berputar sesuai yang
dikehendaki.
53
Kecepatan motor BLDC di kontrol oleh pemberian tegangan motor yang
berurutan(pulsa). Dengan PWM, maka variasi tegangan motor dapat dicapai dengan
mengubah duty cycle dari modulasi lebar pulsa.
Gambar pensaklaran masukan PWM terhadap tiap fase
Gambar pemberian tegangan pulsa terhadap fase
Mosfet on/off (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)
Metode pengsaklaran/switching pada frekuensi tinggi dengan sinyal yang
dibangkitkan oleh mikrokontroler. Potensial rata-rata yang digunakan pada
rotor proporsional dengan rasio waktu yaitu:
III.
Kecepatan motor dapat dikontrol dengan mengatur rasio waktu bertambah
atau berkurang sehingga kecepatan dapat bertambah atau berkurang.
Langkah Peragaan Modul Alat
Peragaan 1
Mencocokan posisi bandul berdasarkan sinyal kondisi(led 3 bit) dari sensor hall
efek dengan motor
54
1. Set kontrol masukan power hall pada modul kontrol amati posisi
bandul pada LED hall
2. Putar manual motor dengan tangan untuk mengecek posisi sensor
3. Mencocokan posisi bandul dengan 3 led sensor yang menyala hasil
keluaran motor brushless.
Gambar posisi bandul motor
Gambar Posisi bandul konstruksi motor
Table posisi hall effect untuk 1 putaran penuh
HA HB HC
Vcc
5V
IN sensor
200
input sensor
Gambar
Modul sensor
C+
CB+
BA+
A-
3 +
2
5 +
6
10 +
200
9
A
B
C
4
LM324/NS
1
1K
LM324/NS
7
LM324/NS
8
11
1K
1K
LED C
LED B
LED A
Peragaan 2
gnd
Set pembangkit PWM untuk arah putar
maju
dan
mundur motor dengan teknik komutasi 6 langkah kemudian diamati arah
putaran dengan mencatat status Led PWM dimana led1(AH), led3(BH),
led5(CH) mewakili mosfet atas aktif(mosfet p-chanel IRF9540) yang
menunjukan arah arus positif dan led2(AL), led4(BL), led6(CL) mewakili
mosfet bawah aktif(mosfet n-chanel IRF540). led1 dan led2 menunjukan
fase A, led3 dan led4 menujukan fase B, led5 dan led6 menujukan fase C.
55
R2
470
R1 Q1
470
R3
470
Q3
IRF9540
Q5
IRF9540
IRF9540
J3
Q2
q11
R7
150
V+5
q13
IRF540
Q6
A
B
C
IRF540
R9
150
q15
R8
150
R5
470
R4
470
gnd
gnd
Q4
IRF540
V+5
gnd
R6
470
+
12V
C1
V+12
470uF/16 V
+
UH J4
UL
VH
VL
WH
WL
R SENSE
1
J6
1K
10K
Vo A
200
R12
Vin
HU
HV
HW
V+5
1k
gnd
1
2
3
4
5
6
10K
1K
L324
10k 40%
1k 1k 1k 1k 1k
LM324/NS +
uu+
v+
vWw+
R13 R14 R15
150 150 150
200
A
B
C
Berikut dibawah
brushless,sebagai berikut:
6 langkah
hall sensor
A B C
1
2
3
4
5
6
Gambar driver motor dan sensor
ini tabel kebenaran arah putar
Aktif mosfet
A
V+
V+
Phase
B
maju
motor
C
V-
0 1 1 AH CL
V0 0 1 AH BL
VV+
1 0 1 CH BL
VV+
1 0 0 CH AL
VV+
1 1 0 BH AL
V+
V0 1 0 BH CL
Pensaklaran elektronik menggunakan mosfet tipe-p(mosfet p-chanel) dan
tipe-n(mosfet n-chanel), dengan status mosfet tipe P ON(short) saat mendapatkan
input logic 0 (low) dan status mosfet tipe N on(short) saat mendapatkan input logic
1(high). Untuk mendapatkan status aktif high pada tipe p digunakan transistor
switching tipe npn untuk mengaktifkan mosfet tipe P menjadi ON. Karateristik
mosfet dengan arus yang mengalir dari drain ke source memiliki hambatan yang
disebut Rds on. Hal ini sangat berpengaruh pada saat arus mengalir pada piranti
mosfet. Rds on adalah hambatan dalam mosfet saat arus mengalir pada saat mosfet
aktif(ON) sehingga terjadi desipasi daya yang mengakibatkan panas pada mosfet.
Hal mempengaruhi kecepatan switching(pensaklaran), Ion(arus yang mengalir saat
mosfet aktif), Ton(waktu aktif/ mosdfet short), Toff(waktu tidak aktif/mosfet
open), Pon(desipasi daya), Psw(daya waktu pensaklaran), hubungannya:
Pon = Ton/Toff(Ion2 . Rds)
56
Psw = ½ Vd. Io. Fs. (Ton + Toff)
12V
+V
R
470
S
IRF9540
G
1k
J1
2N3904
Rb
D
Q3
RL
Re
470
D
G
IRF540
S
R1 150
Untuk tipe P dapat dilihat persamaannya sebagai berikut:
Vth = -4volt, Vg – Vs = -4volt. Vg = Vs – 4 = 8 volt, maka mosfet tipe P
akan ON/ aktif saat Vg < 8 volt dan Off saat Vg > 8volt.
12V
+V
470
Vg
Re
Vg = Re/(Re+470)*12volt, sehingga dapat ditentukan nilai Re. nilai Rg dan
Re akan berpengaruh pada waktu Ton dan Toff, dikarenakan di dalam mosfet
terdapat kapasitor sehingga Rg akan berpengaruh pada waktu pengisian kapasitor
dalam mosfet dan Re berpengaruh pada waktu pengosongan kapasitor, semakin
kecil hambatan semakin cepat waktu yang diperlukan dalm pengisian dan
pengosongan kapasitor.
Untuk mosfet tipe N akan aktif saat Vg > Vth dan tidak aktif saat Vg < Vth.
Berikut contoh pewaktu 6 langkah fase terhadap sensor hall effect dari
microchip dan arah arusnya
57
Gambar arah arus
Gambar sinyal fase motor dan sensor untuk putar maju(CW)
58
1. Set input tipe komutasi pada alat untuk putar searah jarum jam(maju) atau
sebaliknya(mundur)
2. Amati putaran motor, dan led status aktif mosfet
Tabel hasil peragaan maju dan mundur untuk 1 putaran penuh
langkah
1
2
3
4
5
6
Aktif mosfet
Peragaan 3
Menset pengontrolan untuk penambahan kecepatan dan mengurangi
kecepatan motor menggunakan potensio serta pengereman motor, yaitu dengan
menset lebar pulsa atau duty cycle (putar potensio ke kanan ± 300 untuk dutycycle
10%, posisikan potensio ditengah untuk mendapatka duty cycle 50% dan
maksimum putaran potensio untuk mendapatkan dutycycle 90%) dan amati dan
ukur kecepatan menggunakan stopwatch.
Duty
cycle
Kecepatan
(stopwatch)
Maju/cw(detik)
Mundur/ccw(detik)
10%
50%
90%
59
MODUL PRAKTIKUM
PERCOBAAN II
Karateristik Motor Brushless
I.
Tujuan
memahami karateristik motor dc tiga fase(motor brushless/BLDC)
II.
Dasar teori
Motor brushless merupakan motor sinkron yang memiliki spesifikasi
penggabungan antara motor dc dan motor induksi 3 fase. Dengan persamaan
memiliki belitan stator yang menghasilkan medan putar dan perbedaannya yaitu
motor sinkron menggunakan sumber DC sebagai pembangkit, namun motor
brushless tidak dapat dibangkitkan hanya dengan pemberian sumber DC.
Disamping itu kecepatan motor brushless memiliki presisi kecepatan yang
ditentukan oleh jumlah kutub, dengan persamaan sebagai berikut:
Presisi kecepatan motor N, frekuensi sumber F, jumlah kutub P
N = 120(F/P)
Adapun motor brushless memiliki 2 komponen utama yaitu
Rotor – Arus rangkaian stator harus dipasok dengan encoder komutasi pada rotor
saat merespon sinyal posisi yang ditentukan dimana Rotor memiliki magnet
permanen, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan pada
medan magnet lainnya. Hal ini bertujuan menghilangkan kerugian gesek sikat dan
komutator.
Stator – kumparan medan stator menghasilkan medan magnet berputar dengan
pemberian tegangan berurutan yang sebanding dengan frekuensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan diatas.
BLDC(Brushless Motor) mempunyai banyak keuntungan dibandingkan
dengan tipe motor yang biasa (brushed) :
 Motor dc tiga fase atau BLDC(brushless motor) mempunyai rangkaian driver
yang mengontrol perpindahan arus, maka arus tersebut akan bisa lebih akurat
(presisi). Mikrokontroler (simple computer system)
juga dapat mengatur
kecepatan motor lebih baik sehingga membuat "brushless motor" lebih efisien.

Tidak adanya storing/electrical noise.

Tidak menggunakan "brushes" yang dapat rusak setelah lamanya pemakaian.

Dengan posisi "electromagnets" di bagian "stator", maka pendinginan motor
menjadi lebih mudah.

Jumlah
"electromagnets"
di
stator
dapat
sebanyak
mungkin
untuk
mendapatkan kontrol yang lebih akurat.
Adapun pendekatan teorinya sebagai berikut:
Untuk torsi T dikaitkan dengan fluks фf kuat medan magnet dan Ia arus permanen
magnet(rotor) sesuai dengan persamaan berikut:
T=K. Ia. Фf
Hubunga antara kecepatan flux medan dan tegangan motor
Gaya electromagnet E = KФN
60
Dimana:
E = gaya electromagnet yang dikembangkan pada terminal motor(volt)
Ф = flux medan magnet yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan sinkron dalam rpm(putaran per menit)
T= torsi
Ia = arus
K = konstanta persamaan
Va = tegangan masukan per fase
E = tegangan motor
Ra = resistansi stator
Xs = reaktansi sinkronisasi
Ia = arus permanen magnet pada rotor
III.
Hubungan daya dengan torsi pada motor system 3 fase
P= T. 2π. Rpm
Power (kW) = torsi (Nm) x 2 phi x rotational speed (RPM) / 60000
P= daya (KW)
T= torsi
6000 dapat diartikan 1 menit= 60 detik, dan untuk mendapatkan KW = 1000 watt
Dimana efisiensi η adalah perbandingan dalam persen antara daya masukan dan
daya keluaran, serta perhitungan beban motor dengan HP adalah spesifikasi
bawaan motor, Beban = Pη/HP*0,7457
Langkah Percobaan
Peragaan 1
Dalam hal ini motor brushless yang digunakan adalah motor brushless CDROM out runner menggunakan 3 sensor hall effect, motor ini berputar per 10°
untuk mencapai 1 putaran penuh. Motor terdiri dari permanen magnet 12 kutub
utara dan selatan. motor juga memiliki 9 stator lilitan artinya motor terdiri dari 3
lilitan per fase motor, jadi 1 revolusi(360°) = 36 siklus dan 1 siklus =6 langkah.
Untuk mencapai 1 putaran penuh (360°) dalam 6 siklus maka motor akan berputar
60° per fase setiap 6 langkah komutasi, sehingga motor memiliki 6 kombinasi
posisi sensor yang per fase. Hal ini menunjukan bahwa 6 kombinasi sensor akan
berulang sebanyak 36 derajad putar. Untuk tabel kebenarannya seperti dibawah
ini:
61
Tabel kebenaran untuk putar maju atau searah jarum jam(cw)
6 langkah
1
2
3
4
5
6
hall sensor
A B C
Aktif mosfet
0
0
1
1
1
0
AH
AH
CH
CH
BH
BH
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
CL
BL
BL
AL
AL
CL
A
V+
V+
VV-
Phase
B
VVV+
V+
C
VV+
V+
V-
Tabel kebenaran untuk putar mundur atau terbalik arah jarum jam(ccw)
6
langkah
1
2
3
4
5
6
hall sensor
A B C
Aktif mosfet
0
0
1
1
1
0
CH
CH
AH
AH
BH
BH
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
AL
BL
BL
CL
CL
AL
A
VV+
V+
V-
Phase
B
VVV+
V+
C
V+
V+
VV-
1. Penentuan kecepatan motor paling rendah dengan menset PWM(potensio)
2. Amati jumlah derajad putar motor dalam 1 putaran penuh(revolusi)
3. Mencatat posisi led hall effect(led A, led B, led C)yang menyala untuk 1
recolusi
4. Mengukur waktu yang dibutuhkan 1 putaran penuh dengan pwm yang sama
untuk putar maju maupun mundur
Table kebenaran waktu yang dibutuhkan untuk 1 putaran penuh
Langkah
komutasi
Ha
Hb Hc
Waktu
maju(detik)
Waktu
mundur(detik)
Jumlah derajad
putar motor
6 langkah
18 langkah
36 langkah
Peragaan 2
1. Pengukuran keluaran motor berdasarkan hasil umpan balik motor,
kemudian menghitung nilai torsi, dan power motor. Untuk pengukuran
62
torsi dapat dilakukan dengan menggunakan prony brake dan untuk
menentukan harga torsi dari pengujian adalah
T = 9,8(W2-W1)R (Nm)
Dimana W2 dan W1 adalah skala yang dinyatakan dalam Kg, sedangkan R
adalah jari-jari perputaran motor yang dinyatakan dalam meter atau cm
.adapun kurva karateristik yang dapat dicapai yaitu:
a. Kurva karateristik arus beban(Ia) sebagai fungsi torsi(T)
b. Kurva karateristik tegangan sebagi fungsi torsi(T)
c. Kurva karateistik putaran sebagi funsi torsi(T)
Tabel pengukura hasil uji motor
W2(gr)
W1(gr)
Torsi(Nm)
Volt(volt)
Arus(ampere)
Gambar pengujian pengukuran torsi
63
LEMBAR LAMPIRAN B
DOKUMENTASI ALAT
64
Tampak atas
Tampak Depan
Gambar maket Alat Peraga Elektronika Daya Motor Listrik DC Tiga Fase tahap akhir
65