Penjelasan Motor Listrik Teori dan Hukum Serta Prinsip Kerjanya

Pernah bertanya-tanya bagaimana motor listrik bisa berputar? Apa dasar-dasar yang bisa mengakibatkanberputar? Bagaimana cara mengontrolnya?

Motor brushed DC telah ada di pasaran sejak lama dan motor brushed DC berputar dengan mudah hanya dengan suplai / baterai DC sedangkan motor induksi dan motor sinkron magnet permanen harus melibatkan elektronik yang kompleks dan teori kontrol untuk memutarnya secara efisien.

Penjelasan Motor Listrik Teori dan Hukum Serta Prinsip Kerjanya

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 cara kerja motor yang lebih kompleks.

Cara Pengoperasian Motor Linier
Jenis-Jenis Motor dan Sejarahnya
Saliency
Interaksi Fluks antara Stator dan Rotor

Pengoperasian Motor Linier

Agar mempermudah dalam pemahaman teori motor maka perlu pemahaman mengenai hukum faraday dan hukum lorentz yang menjadi dasar dari pembahasan kita

hukum Faraday

Hukum Induksi Faraday menyatakan hubungan antara fluks kumparan kawat dan tegangan induksi di dalamnya.

e(t) = -dφ/dt …(1)

Dimana ф mewakili fluks dalam kumparan. Ini adalah salah satu persamaan dasar yang digunakan untuk menurunkan model kelistrikan motor.

Rumus ini tidak terjadi pada motor praktis karena kumparan hannya terdiri dari sejumlah lilitan, dan kita harus memperhitungkan fluks yang melalui setiap lilitan ini. Istilah hubungan fluks (λ) mewakili total fluks yang dihubungkan dengan semua kumparan dan dapat di hitung dengan persamaan berikut

фn menyatakan fluks yang dihubungkan dengan kumparan ke-n dan N adalah jumlah lilitan. Hal ini dapat digambarkan sebagai kumparan yang terbentuk dari N lilitan tunggal dalam konfigurasi seri. Jadi,

λ= Nф

e(t) = -dλ/dt = -Ndφ/dt

Tanda minus biasanya dikaitkan dengan hukum Lenz.

Hukum Lenz menyatakan bahwa: EMF (gaya gerak listrik) Apabila GGL induksi muncul kepada suatu rangkaian, maka arah dari induksi yang dihasilkan akan sedemikian rupa dan mengakibatkan medan magnet dari induksi yang menentang perubahan oleh medan magnetik (arus induksi yang berusaha mempertahankan fluks magnetik dan totalnya konstan).

Mari kita pahami Hukum Lenz melalui penghantar (batang) yang ditempatkan dalam medan magnet (B̅) mengarah ke bawah ke bidang kertas seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.

Sebuah gaya Fapplied menggerakkan batang horizontal tetapi batang selalu dalam kontak 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 area yang dihubungkan dengan B̅ meningkat. Ini akan menginduksi EMF di rangkaian, seperti Hukum Faraday (besarnya ditentukan oleh seberapa cepat fluks berubah) dan Hukum Lenz (polaritasnya diputuskan sedemikian rupa sehingga arus yang diinduksi akan menentang perubahan fluks).

Aturan Jempol Tangan Kanan akan membantu kita dalam mengetahui arah arus. Jika kita menekuk jari-jari kita ke arah arus induksi, maka ibu jari akan memberikan arah medan yang dihasilkan oleh arus induksi itu.

Dalam hal ini, untuk melawan peningkatan fluks karena medan B̅, kita perlu mengembangkan medan keluar dari bidang kertas, maka dari itu arus akan mengalir berlawanan arah jarum jam.

Akibatnya, terminal A lebih positif daripada terminal B. Dari sudut pandang beban, EMF positif dikembangkan dengan meningkatnya fluks dan karenanya kita dapat menentukan persamaan sebagai berikut:

e(t) = d /dt

Perhatikan bahwa kita telah mengabaikan tanda negatif saat kita menulis persamaan ini dari sudut pandang beban.

Rangkaian listrik akan terbentuk menjadi seperti gambar di bawah ini.

Kita dapat menghitung EMF yang diinduksi sebagai berikut. Sebuah kumparan 1 putaran (dalam hal ini konduktor) akan menghasilkan hubungan fluks:

Dimana A menyatakan luas loop, 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 kecepatannya, Pembahasan ini dilanjutkan ke dalam Hukum Lorentz.

Hukum Lorentz

Kita pahami persamaan berikut:

F = q . (E + Vc x B)

Ini menyatakan bahwa ketika sebuah partikel muatan q bergerak dengan kecepatan vc dalam medan elektromagnetik, ia mengalami gaya. Dalam motor, medan listrik E tidak relevan. Jadi,

F = q . Vc. B

Jika medan konstan terhadap waktu terhadap panjang konduktor dan tegak lurus terhadapnya, kita dapat menulis persamaan di atas sebagai berikut:

F = q . dx/dt. B = dq/dt . x . B = saya. l. B = B. i . I

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 aliran arus dalam resistor.

Semua energi menjadi energi panas dalam resistor. Hukum kekekalan energi harus diperhatikan dan karenanya kita mendapatkan rumus:

F . v = e . i

Persamaan ini menunjukkan bagaimana energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Susunan ini disebut generator linier.

Akhirnya kita dapat mengetahui bagaimana motor bisa berputar, yaitu dengan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Pada gambar di bawah, kami telah mengganti resistor eksternal dengan resistor yang disatukan dari rangkaian dan sekarang ada sumber tegangan eksternal yang di hubungkan.

Dalam hal ini, kita akan mengamati gaya yang akan terjadi sesuai Hukum Lorentz. Arah gaya dapat ditentukan dengan Aturan Tangan Kanan yang ditunjukkan di bawah ini

Aturan Tangan Kanan Fleming

Pengaturan Motor Linier

Beginilah prinsip kerja motor listrik? Semua motor berasal dari prinsip dasar ini. Ada banyak artikel dan video mendetail yang akan Anda temukan yang akan menjelaskan cara pengoperasian motor DC brushed, motor brushless, motor PMSM, motor Induksi, dll.

Jadi, tidak mungkin kita bahas di artikel ini satu persatu yang menjelaskan prinsip kerjanya. Berikut adalah tautan ke beberapa artikel yang bagus tentang berbagai jenis motor dan prinsip kerjanya.

Sejarah Motor

Secara historis, ada tiga jenis motor yang telah banyak digunakan – motor DC brush commutator, motor sinkron dan motor induksi. Banyak aplikasi yang mengharuskan kecepatan motor yang bervariasi maka motor DC banyak digunakan. Tetapi pengenalan thyristor sekitar tahun 1958 dan teknologi transistor mengubah banyaknya motor dc yang beredar.
Inverter yang dikembangkan dapat membantu dalam aplikasi kontrol kecepatan motor AC yang efisien. Perangkat transistor dapat dihidupkan dan dimatikan sesuka hati dan memungkinkan operasi PWM. Skema kontrol dasar yang dikembangkan sebelumnya adalah penggerak V/f untuk mesin induksi.
Secara paralel, magnet permanen mulai menggantikan kumparan medan untuk meningkatkan efisiensi. Dan penggunaan inverter bersamaan dengan mesin magnet permanen sinussoidal memungkinkan penghapusan sikat untuk meningkatkan durasi masa pakai dan keandalan motor.
Langkah besar berikutnya adalah mengendalikan mesin tanpa sikat ini. Teori dua reaksi diperkenalkan oleh Andre Blondel di Prancis sebelum tahun 1900. Teori ini dikombinasikan dengan vektor ruang kompleks yang memungkinkan untuk memodelkan mesin secara akurat dalam keadaan transien dan tunak. Untuk pertama kalinya, besaran listrik dan mekanik dapat dihubungkan satu sama lain.
Motor induksi tidak memiliki banyak perubahan sampai tahun 1960. Dua orang asal Jerman – Blaschke dan Hasse membuat beberapa inovasi kunci yang mengarah pada pengendalian vektor motor induksi yang sekarang terkenal. Kontrol vektor berkaitan dengan model transien motor induksi daripada keadaan tunak. Selain mengontrol amplitudo tegangan terhadap rasio frekuensi, ia juga mengontrol fase. Ini dapat membantu motor induksi untuk digunakan dalam kontrol kecepatan dan aplikasi servo dengan dinamika tinggi.
Algoritme tanpa sensor adalah langkah besar berikutnya dalam mengendalikan motor ini. Kontrol vektor perlu mengetahui posisi rotor. Sensor posisi harganya mahal yang digunakan sebelumnya. Kemampuan untuk memperkirakan posisi rotor berdasarkan model motor memungkinkan motor berjalan tanpa sensor.
Ada sedikit perubahan sejak saat itu. Desain motor dan kontrolnya kurang lebih tetap sama.

Motor telah berkembang sejak abad terakhir. Dan elektronik telah membantu untuk digunakan dalam berbagai aplikasi. Mayoritas listrik yang digunakan di dunia ini dikonsumsi oleh motor Listrik!

Berbagai Jenis Motor

Motor dapat diklasifikasikan dalam banyak cara yang berbeda. Kita akan melihat beberapa klasifikasi.

Klasifikasi Umum Motor

Ini adalah klasifikasi yang paling umum. Ada banyak kebingungan mengenai motor AC dan DC dan itu penting untuk membedakan keduanya, unruk lebih detailnya silahkan baca jenis jenis motor listrik.

Kita bedakan dari tegangan suply motornya: motor yang membutuhkan suplai AC 'pada terminalnya' disebut motor AC dan yang dapat berjalan pada suplai DC 'pada terminalnya' disebut motor DC.

Kenapa 'Di terminalnya' ini penting karena dapat menghilangkan elektronik 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:

Klasifikasi Berdasarkan Catu Daya

Klasifikasi Berdasarkan Komutator

Meskipun saya tidak akan masuk jauh ke dalam 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 magnetik mesin (pada mesin magnet permanen).

Dan yang paling mendasar dari aspek itu adalah saliency, Saliency adalah ukuran perubahan reluktansi dengan posisi rotor.

Mengapa saliency penting untuk dipahami? Karena motor yang bagus sekarang dapat memiliki dua metode untuk menghasilkan torsi.

Kita dapat memanfaatkan variasi reluktansi pada motor untuk menghasilkan torsi reluktansi bersama-sama dengan torsi magnetik (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 reluktansi.

Ini akan terjadi dengan motor IPM (Interior Permanent Magnet). (Ada motor yang murni bekerja pada efek reluktansi tetapi kita tidak akan membahasnya di sini.) Topik berikutnya akan membantu Anda memahami hubungan fluks dan saliency.

(Catatan: pada gambar di bawah mengacu pada perbedaan fasa antara arus stator dan fluks celah udara.)

Torsi Bersih Diproduksi di motor IPM

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 putaran medan.

Di jalur itu, fluks melihat ketidakacuhan yang berbeda (resistensi magnetik). Laminasi (baja) memiliki reluktansi yang sangat rendah karena r yang tinggi (permeabilitas relatif baja dalam kisaran ribuan) sedangkan celah udara memiliki reluktansi yang sangat tinggi (μr kira-kira sama dengan 1).

MMF (gaya magnetomotive) yang dikembangkan di seluruh baja sangat kurang karena memiliki ketidakacuhan yang dapat diabaikan dibandingkan dengan celah udara. (Analog ke rangkaian listrik adalah: Sumber tegangan (magnet) menggerakkan arus (fluks) melalui resistor (keengganan 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 ketidakacuhan celah udara efektif (setiap bahan non-ferrous di jalur fluks dianggap memiliki permeabilitas relatif 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. (Namun Anda TIDAK BISA 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 terhadap fluks. Interaksi 2 fluks inilah yang akan menentukan torsi yang bekerja pada motor.

Dan istilah yang menggambarkannya disebut hubungan fluks celah udara efektif. Idenya bukan untuk masuk ke matematika dan menurunkan persamaan tetapi untuk mengambil dua poin:

Kita hanya pedulikan dengan fluks di celah udara karena seluruh MMF dikembangkan dengan ini.
Hubungan fluks efektif di celah udara disebabkan oleh arus stator dan fluks rotor (magnet) dan interaksi di antara keduanya menghasilkan torsi.

Jalur fluks yang ditunjukkan pada motor magnet permanen tanpa sikat

Struktur Motor yang Berbeda (Rotor dan Stator)

Gambar di atas menunjukkan rotor dan stator dari berbagai jenis motor. Akan menarik untuk mengetahui mana di antara mereka yang lebih bagus dan mana yang tidak?

Catatan: Di masing-masing motor ini, dua sumbu ditandai – D dan Q. (Sumbu Q adalah sumbu magnet dan sumbu D tegak lurus secara elektrik). Kami akan kembali ke sumbu D dan Q di artikel mendatang.

jawaban:

A,B,C – tidak bagus, D,E,F,G,H – lebih bagus (magnet mempengaruhi reluktansi pada posisi rotor yang berbeda, lihat gambar di bawah, pada J,K- baik rotor maupun stator tidak bagus .