Dunia Listrik - Prinsip Kerja Motor Stepper

Motor stepper adalah jenis motor yang dirancang memiliki tingkat presisi yang tinggi. Motor ini memiliki gerak diskrit (patah – patah) yang mampu menjangkau sudut besar maupun kecil. Jenis motor ini dapat digunakan untuk kendali posisi tanpa perlu memakai sensor. Hal ini menjadi kelebihan motor stepper untuk bisa dimanfaatkan di industri dengan biaya murah. Contoh aplikasi motor stepper adalah pada mesin CNC dan printer.

Gambar 1. Prinsip kerja motor stepper

Prinsip kerja motor stepper selanjutnya akan kita bahas. Motor ini merupakan kelompok motor DC. Dapat dilihat pada gambar diatas, Stator terdiri dari coil yang dihubungkan dengan sumber eksternal untuk membentuk electromagnet. Rotor bisa dibuat dari electromagnet maupun dengan permanen magnet.

Ketika switch A terkoneksi dengan sumber DC maka pole 1 akan berubah menjadi magnet sehingga rotor tertarik ke pole 1. Selanjutnya jika switch A dibuka dan switch B ditutup maka rotor akan tertarik ke pole 2. Perubahan switch ini diatur dengan sistem switching.

Gambar 2. Foto riil motor stepper

Berdasarkan jenis rotornya, motor stepper dibagi menjadi tiga yaitu:

1. Variable reluctance stepper motor
2. Permanent magnet stepper motor 
3. Hybrid stepper motor

Untuk mendapatakn kepresisian yang tinggi maka banyak pole di rotor dan stator yang dipakai. Kebanyakan pole stator memanfaatkan electromagnet. Jika pole rotor juga menggunakan electromagnet maka disebut tipe variable reluctance. Jika polenya memakai permanent magnet maka disebut permanent magnet. Sedang jika polenya gabungan electromagnet dan permanent magnet maka disebut hybrid.

Gambar 3. Variable reluctance stepper motor

Sedangkan menurut kutub di stator dibedakan menajdi bipolar dan unipolar. Untuk yang bipolar berarti kutubnya saling berpasangan, seperti gambar 3, sehingga dalam satu pole hanya terdapat 1 coil. Sedangkan untuk yang unipolar, artinya dalam satu pole ada dua coil, gambar 4.

Gambar 4. Unipolar stepper motor

Selanjutnya, akan sedikit dibahas proses pengaturan switching pada motor tipe bipolar. Gambar 5 menunjukkan ilustrasi switch pada stator motor stepper bipolar, Gambar 3. Secara sederhana anggap motor mampu berputar dalam 4 step. Gambar 6 menunjukkan urutan switch on untuk masing – masing stepnya. Sedangkan gambar 7 menunjukkan pole yang terjadi akibat switching yang dilakukan untuk step 1 dan step 2.

Gambar 5. Switch pada stator motor stepper

Gambar 6. Tabel switching

Gambar 7. Pole hasil switching

Read More

Dunia Kereta - Motor Linier

Linier motor adalah motor listrik yang stator dan rotornya berbentuk linier. Jadi motor ini berbrntuk linier datar, tidak bulat tabung seperti motor pada umumnya, Gambar 1. Karena bentuknya yang linier, motor ini  tidak menghasilkan torsi (putaran) tetapi menghasilkan gaya yang linier. Umumnya, motor liier dibuat dengan prinsip hukum Lorentz, yakni arus listrik yang mengalir pada medan magnet akan terkena gaya Lorentz yang arahnya tegak lurus, seperti ilustrasi gambar 2.

Gambar 1. Motor Induksi vs Motor Linier[1]

Gambar 2. Hukum Lorentz[2]

Gambar 3. Ilustrasi cara kerja motor linier[2]

Gambar 3 menunjukkan ilustrasi cara kerja sederhana dari motor linier. N dan S adalah kutub magnet sedangkan kotak tengah adalah koil/lilitan, terdapat dua lilitan atas dan bawah. Gambar ini adalah penampang melintang, sehingga tanda silang pada lingkaran kecil di lilitan menunjukkan lilitan arah keluar, sedangkan tanda titik adalah lilitan arah masuk. Kedua lilitan ini dialiri arus listrik dengan beda fasa 90°. Sehingga jika lilitan bawah kita buat fasa nya mendahului maka motor akan bergerak kebawah dan jika lilitan atas yang fasa nya mendahului maka motor akan bergerak ke atas. Kedua lilitan ini disebut sebagai active part karena yang dikendalikan, sedangkan medan magnet yang ada di kanan kirinya disebut reactive part.

Banyak desain yang diusulkan para ilmuwan untuk motor linier, yang kesemuanya memiliki dua karegori utama yaitu: low acceleration (percepatan rendah) dan high accerelation (percepatan tinggi). Low acceleration cocok untuk diaplikasikan untuk kendaraan darat seperti kereta api, sedangkan high acceleration diaplikasikan untuk studi tentang tumbukan dan pesawat luar angkasa.

Sedangkan jenis linier motor sendiri hampir sama seperti motor umunyanya yakni Linier DC motor, Linier Synchronous Motor (LSM), dan Linier induction motor (LIM). Mengingat kekurangan dari motor DC dibanding motor AC, maka Linier DC motor juga tidak cocok dipakai untuk transportasi. LSM biasanya memakai megnet permanen dimana cara kerjanya sudah dijelaskan diatas. Sedangkan untuk LIM sendiri, cara kerjanya adalah active part yang berupa konduktor yang dililiti koil 3 phase sehingga apabila ada plat besi yang diletakkan diatasnya akan ter-induksi dan memiliki eddy current yang menghasilkan medan magnet yang berlawanan. Sesuai dengan hukum Lenz’s maka kedua medan magnet yang berlawanan ini akan saling tolak – menolak sehingga menghasilkan gaya gerak.

Gambar 4. Linier induction motor (LIM)[2]

Gambar 5. Linier Synchronous Motor (LSM)[2]

Berdasarkan letak bagian active part dan reactive part maka pemanfaatan motor linier dalam perkeretaapian juga berbeda. Jika active part ada di kereta, artinya kita perlu mengalirkan listrik ke kereta karena inverter yang mengendalikan active part ada di kereta sehingga tetap dibutuhkan overhead line (LAA) atau 3^rd rail. Sedangkan jika active part ada di lintasan maka tidak perlu mengalirkan energi ke kereta. Menurut hemat saya, cara kedua memerlukan dana yang lebih ,ahal karena harus membuat active part sepanjang lintasan. Sebagai informasi Japan subway produk Kawasaki mamaki overhead line sedangkan Bombardier memakai 3^rd rail pada kereta motor linier mereka.

Berikut beberapa kelebihan dan kekurangan motor linier dibanding motor biasa pada aplikasi kereta api:

Kelebihan:

•  Perawatan lebih mudah dan murah
• Tidak ada bearing, gear dan coupling
• Pengereman sepenuhnya elektrik
• Luas terowongan dapat dibuat lebih kecil

Kekurangan:

•  Untuk factor keamanan air gap minimal 10 mm
• Efisiensi rendah

Contoh aplikasi motor linier pada kereta api:

1. Airport express di Beijing
2.   Kelana Jaya line di Kuala Lumpur
3. Green Line di Yokohama

Gambar 6. Kelana Jaya LRT, Malaysia[5]

Ref:

1. http://www.explainthatstuff.com/linearmotor.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
3.  http://www.hitachi-rail.com/products/rolling_stock/linear/feature01.html
4.  Hellinger, Rolf and Mnich, Peter. Linier Motor Powered Transportation: History, Present Status, and Future Outlook. Proceeding IEEE. Vol. 97, No. 11, Nov 2009.
5. http://www.myrapid.com.my/media-centre/media-releases/2014/rapidkl-rolls-out-first-newly-refurbished-trains

Read More

Dunia Listrik - Scalar Control

Pada artikel kali ini akan dibahas mengenai dasar scalar control. Apa itu scalar control? Scalar control adalah salah satu metode control motor AC yang paling sederhana. Dari namanya scalar control pasti kalian bertanya, jika ada scalar control ada vector control juga kah? Jawabanya adalah iya. Lantas apakah perbedaan antara scalar control dan vector control? Dari namanya scalar dan vector sudah terlihat jelas bahwa scalar hanya memiliki nilai sedangkan vector memiliki nilai dan arah. Demikian pula pada scalar control pengendalian yang dilakukan hanya dengan input nilai tanpa memperhatikan arah, sebaliknya pada vector control, selain memperhatikan input nilai, vector control juga memperhatikan arah dengan menggunakan transformasi – transformasi untuk proyeksi arahnya. Lebih jelas tentang vector control akan dibahas pada artikel selanjutnya.

Skema scalar control dapat dilihat pada Gambar 1. Input control merupakan kecepatan sudut yang diinginkan. Input ini kemudian masuk kedalam look-up table yang berisi grafik kecepatan-voltage, Gambar 2. Dari grafik tersebut kita akan tau pada kecepatan tertentu berapa voltage yang harus diberikan ke motor. Data tabel ini dapat diperoleh dari data sheet motor, jika ada, atau dari percobaan sederhana dengan menginputkan tegangan tertentu kita ukur berapa kecepatan yang keluar dari motor. Selain masuk ke look-up table, input kecepatan ini juga diintegralkan sehingga diperoleh sudut. Sudut ini digunakan untuk memperoleh gelombang sinus 3-phase dengan menggunakan formula seperti ditunjukkan blok selanjutnya. Setelah itu selanjutnya masuk PWM Generator untuk mendapatkan sinyal PWM (Pulse Wide Modulation). Sinyal PWM inilah yang akan mengontrol switching inverter sehingga diperoleh listrik AC dari supply DC. Misal pada Gambar 1 supply DC yang digunakan adalah third rail.

Gambar 1. Scalar control – open loop

Gambar 2. Grafik hubungan tegangan dan frekuensi

Penjelasan tambahan untuk Gambar 2. Karena grafik ini adalah hubungan antara tegangan (volt) dan kecepatan/ frekuensi (Hz), maka sering kali scalar control disebut juga dengan V/Hz control. We adalah kecepatan sudut. We-b adalah kecepatan sudut base, biasanya pada motor tertulis frekuensi, itu adalah frekuensi base yang bisa dikonvert ke We-base. Vs adalah stator voltage. Vo adalah voltage booster yang ditambahkan agar motor bisa memiliki torsi maksimum pada kecepatan rendah, tanpa Vo maka pada kecepatan rendah Vs bisa mendekati nol sehingga ada kemungkinan motor tidak berputar.

Gambar 3. Scalar control – close loop

Scalar control pada Gambar 1 sebenarnya sudah cukup untuk mengatur kecepatan motor AC yang tidak memerlukan kepresisian tinggi, misalnya kipas blower. Akan tetapi, jika kepresisian diperlukan misalnya pada rolling mill atau untuk motor traksi penggerak kereta api maka skema scalar control dapat dibuat close loop seperti Gambar 3. Dengan adanya tambahan feedback dan controller pada skema close loop ini, maka kepresisian control dapat ditingkatkan. Pada skema scalar control pertama, open loop, tidak memiliki feedback sehingga error yang terjadi tidak dapat dikoreksi. Blok limiter yang terletak setelah controller dipakai untuk membatasi torsi input yang diberikan ke motor.

Scalar control – close loop ini dulu juga dipakai untuk control motor traksi pada kereta api, tetapi semenjak ditemukan vector control yang memiliki presisi yang tinggi, scalar control mulai ditinggalkan. Beberapa kereta api produk lama masih memakai metode scalar control close loop ini.

Read More