1

PENGENALAN KEPADA PEMACU ELEKTRIK Pemacu (Drives) – Sistem yang mempunyai kawalan pergerakan (motion control)

Penggerak utama (prime movers) boleh terdiri dari sistem hydro, stim, diesel, petrol dan lektrik

Sistem kawalan pergerakan yang menggunakan motor elektrik dikenali sebagai pemacu elektrik (electrical drives) Jenis kawalan Gelung buka (open–loop) Gelung tutup (closed–loop) Jenis-jenis pemacu kawalan laju:

Constant speed drives Multi–speed drives Variable speed drives

Samada mengawal laju, kedudukan atau dayakilas

2

Komponen dalam pemacu elektrik: Motor Mendapat bekalan dari sumber elektrik Terdapat beberapa jenis – penggunaan bergantung kepada sumber yang ada (jika beroperasi tanpa penukar) dan aplikasi Antara yang popular:

Motor DC (siri, selari, compound, magnet), Motor AC Motor Aruhan – squirrel cage , wound rotor

Source

Control

f/back

Power processor

Control Unit

Motor Load

3

Motor segerak – wound field, magnet kekal Brushless DC motor – Motor Setapak (Stepper motors)

Motor keengganan segerak (Synchronous reluctance motors) Sumber (source) Bekalan biasanya adalah dari jenis AC – satu atau tiga fasa Bekalan DC biasanya diperolehi dari bateri (kereta elektrik etc), solar power (remote areas) Bekalan AC boleh digunakan untuk motor DC dengan bantuan penukar Pemproses Kuasa (Power processor) atau power modulator Mengawal kuasa yang dibekalkan kepada motor supaya bersuaian dengan operasi yang diperlukan Boleh dikelaskan kepada 3: a) Variable impedances

4

Untuk pemacu kos rendah dan kuasa rendah – laju atau daya kilas dikawal dengan mengawal nilai rintangan atau regangan (b) Switching circuits Menggunakan relays bagi mengawal operasi motor seperti mengubah arah putaran, braking dan mengubah laju (c) Penukar (Converters) Berfungsi menukar jenis sumber yang ada pada sumber serasi dengan motor Sumber yang ada biasanya : AC (satu atau tiga fasa) dan DC Sumber yang diperlukan : AC (satu atau 3 fasa) dan DC DC→DC

Fixed DC. Variable DC DC–DC Chopper

5

AC → DC

Variable voltage AC

Fixed voltage and freq.

Fixed DC Penerus (Rectifier)

Fixed voltage and freq.

Variable DC Tap –Transformer

Penerus (Rectifier)

Fixed voltage and freq.

Variable DC Penerus terkawal (Controlled Rectifier)

6

Fixed voltage and freq.

Variable DC Fixed voltage

DC Penerus (Rectifier)

DC–DC Chopper

Fixed voltage and freq.

Variable DC Switched–mode rectifier

Fixed voltage and freq.

Variable DC AC motor

DC motor

7

DC→AC – Inverter

Fixed DC. Fixed voltage Variable freq. Stepped wave

inverter

Fixed DC. variable voltage Variable freq. PWM Inverter

Fixed DC. Variable voltage Variable freq. Stepped wave

inverter DC–DC

Variable DC.

8

AC→AC

Fixed AC. Variable Voltage Fixed frequency Transformer

Fixed AC. Variable Voltage Fixed frequency AC voltage

controller

Fixed AC. Variable Voltage Variable freq Cycloconverter/

matrix conv

9

Unit Kawalan (Control Unit) Bergantung kepada jenis kawalan terhadap motor

– litar analog – litar digital – microprocessor – DSP

Jenis kawalan pula bergantung kepada aplikasi Aplikasi yang memerlukan ketepatan (laju atau kedudukan) memerlukan kaedah kawalan yang lebih kompleks, oleh itu memerlukan misalnya microprocessor.

Fixed AC. Variable voltage Variable freq. PWM inverter AC–DC

(rectifier)

fixed DC.

10

Kebaikan Pemacu Elektrik Pemacu elektrik popular kerana – ciri-ciri kawalan yang mudah – wide speed range – flexible – Motor elektrik mempunyai kecekapan yang tinggi – Tidak mencemarkan udara – Boleh terus beroperasi pada nilai maksimum – Tenaga elektrik senang di hantar (transmitted) – penukaran tenaga dari elektrik ↔ mekanikal adalah cekap Pemacu AC dan pemacu DC Sebelum peranti semiconductor diperkenal: Kebanyakan pemacu AC digunakan untuk aplikasi laju tetap Pemacu DC digunakan untuk aplikasi laju berubah Setelah peranti semiconductor diperkenal: Kawalan laju boleh diperolehi menggunakan pemacu AC Pemacu AC mula mengganti pemacu DC dalam setengah-setengah aplikasi Pemacu AC dijangka mengganti sepenuhnya pemacu DC

11

Perbandingan di antara pemacu AC dan pemacu DC Kos: Motor AC (terutamanya motor aruhan squirrel cage) jauh lebih murah dari motor DC Disamping itu motor AC lebih lasak, ringan dan kurang perlu selenggaraan Untuk prestasi yang sama, teknologi kawalan motor AC lebih kompleks – oleh itu kos pengawal untuk pemacu AC lebih tinggi

Prestasi: Sebelum kaedah kawalan vector diperkenal: Prestasi motor DC jauh lebih baik – kawalan dayakilas, kedudukan (position)

dan laju yang tepat dan cepat Setelah kaedah kawalan vector (vector control) yang mula diperkenalkan awal 70 an: Menggunakan kaedah kawalan ini, prestasi pemacu AC boleh menyamai

(atau lebih baik) dari pemacu DC

12

Kemajuan dalam teknologi microprocessor dan sistem digital menyebabkan

prestasi pemacu AC semakin meningkat – menyamai pemacu AC

13

ASAS PEMACU ELEKTRIK Persamaan Dayakilas untuk sistem berputar Beban yang disambung pada motor adalah melalui sistem transmission – beban boleh bergerak secara berputar (rotational) atau gelunsur (translational). Untuk tujuan rekabntuk pengawal dan analisis pemacu, gabungan motor–beban biasanya digambarkan dengan system setara:

Sistem ini digambarkan dengan persamaan:

Motor Load TL

Te

ωm

J

14

dt)J(d

TT mLe

ω+=

Di mana: Te = Dayakilas motor TL = Dayakilas beban J = Moment of inertia untuk gabungan motor–beban ωm = laju sudut motor Jika dJ/dt = 0, persamaan menjadi:

dtd

JTT mLe

ω+=

Sebutan J(dω/dt) dikenali sebagai dayakilas dinamik – wujud hanya keadaan fana, i.e. laju berubah. Dalam keadaan mantap, dωm/dt = 0 ∴ Te= TL Untuk accelerate dengan kadar dωm/dt , Te harus lebih besar dari TL sebanyak J(dωm/dt)

15

dtd

JTT mLe

ω=−

Contoh 1: Dua sistem pemacu menggunakan motor sama kadarannya tetapi memacu beban yang berbeza nilai J. Simtem pemacu 1 mempunyai gabungan moment of inertia J1 dan pemacu 2 mempunyai gabungan moment of inertia J2, dan J1 > J2. Jika kedua-dua beban dayakilas pemacu adalah sama, dan dayakilas motor dihadkan pada nilai yang sama, pemacu 2 akan mencepat dengan lebih pantas kerana nilai gabungan motor–beban moment of inertia nya lebih kecil. Untuk mencepat dengan kadar yang sama, pemacu 1 harus menggunakan motor yang lebih besar kadarannya. Contoh 2

Motor Beban 1, TL1

Beban 2, TL2

J1

J2

ωm ωm1

ωm2

n1

n2

16

Apakah sistem setara untuk gabungan motor, Beban1 dan Beban2 ?

m

2m

2

1

1m

2m

nn

ωω

==ωω

= a2

Tenaga kinetik untuk gabungan motor, Beban1 dan Beban2 mesti menyamai tenaga kinetik sistem setara:

Motor Load TL Te

ωm

J J = ? TL = ?

17

22m2

21m1

2m J

21

J21

J21

ω+ω=ω ,

Gantikan ωm2 dengan a2ωm :

2221 JaJJ +=

Kuasa bagi gabungan motor, Beban1 dan Beban2 mesti menyamai kuasa sistem setara:

TLωm = TL1ωm + TL2ωm2 Jika gantikan ωm2 dengan a2ωm

TL = TL1 + a2TL2