Motor DC, motor universal, dan motor BLDC

Sebuah laundry kiloan memakai dua mesin cuci bukaan depan kelas rumah tangga di samping mesin komersialnya. Mesin yang lebih tua mencuci normal, tetapi saat memeras drum tidak mencapai kecepatan tinggi, tercium bau arang terbakar, dan dari celah bawah terlihat percikan api. Mesin yang lebih baru tidak bersabuk; saat drumnya diputar tangan dalam keadaan dicabut, layar tidak menyala, tetapi terdengar klik halus dari papan kendali. Pemilik perlu memutuskan apakah mesin lama cukup diganti sikatnya, motornya, atau mesinnya, dan teknisi bertanya mengapa motor mesin baru tidak punya sikat tetapi resistansi ketiga terminalnya sama persis.

Kedua mesin memakai prinsip yang sama: konduktor berarus di dalam medan mengalami gaya, dan konduktor yang bergerak membangkitkan tegangan yang melawan suplai. Bab-bab motor sebelumnya membahas motor induksi, yang rotornya mendapat arus dari induksi medan putar; motor di sini mendapat arus rotornya langsung melalui komutator dan sikat, atau memindahkan belitannya ke stator lalu membalik arus dengan sakelar elektronik. Bab magnet dan induksi memberi gaya pada konduktor berarus dan hukum Faraday yang dipakai di seluruh uraian. Bab 2 · Otomotif & Mobilitas Listrik membahas motor traksi kendaraan listrik beserta baterainya dan tidak diulang.

Batas pembahasan

Pembahasan mencakup motor DC berpenguatan terpisah, shunt, seri, kompon, dan magnet permanen berdaya kecil sampai beberapa kilowatt, motor universal pada peralatan rumah tangga dan alat tangan, serta motor BLDC dan PMSM pada peralatan dan mesin cuci. Perancangan dan parameter penggerak, penggulungan ulang, dan perhitungan pengereman tidak dibahas; pengereman dibahas pada bab pengereman motor, dan inverter untuk motor induksi pada bab VFD: prinsip kerja dan pemilihan. Angka pada contoh adalah ilustrasi, bukan data produk. Bab ini bahan belajar, bukan instruksi kerja: pengukuran yang memerlukan tegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Motor DC: bagian dan asal torsi

Stator motor DC memuat kutub medan (kumparan pada inti kutub atau magnet permanen) dan rangka sebagai jalur fluks. Rotornya disebut jangkar (angker): inti berlaminasi dengan belitan di alur-alurnya, yang ujung-ujungnya disambung ke segmen-segmen komutator. Sikat karbon yang ditekan pegas menyalurkan arus ke komutator. Buku ajar mesin listrik di korpus menyebut jangkar "dinamo", padahal dinamo berarti generator.

Komutator adalah penyearah mekanis. Tegangan pada setiap kumparan jangkar yang berputar sebenarnya bolak-balik, dan komutator membalik sambungan kumparan saat kumparan melewati garis netral di antara dua kutub, sehingga konduktor di bawah kutub utara selalu berarus ke satu arah dan semua gaya menghasilkan torsi searah. Arus jangkar sendiri menghasilkan medan yang menggeser garis netral (reaksi jangkar) dan memicu percikan api saat komutasi; motor yang lebih besar karena itu diberi kutub bantu (interpole) di antara kutub utama.

IEC 60034-8 menandai belitan mesin DC dengan huruf: A untuk jangkar, B untuk belitan kutub bantu, C untuk belitan kompensasi, D untuk penguat seri, E untuk penguat shunt, dan F untuk penguat terpisah, masing-masing dengan angka 1 dan 2 untuk kedua ujungnya. PUIL 2020 Bagian 5-510, 5100.5.1.1 j), mensyaratkan pelat nama motor arus searah (a.s.) mencantumkan jenis lilitannya: shunt, kompon, atau seri. Standar rating dan kinerja IEC 60034-1 edisi 15 mencakup semua mesin listrik berputar kecuali mesin kendaraan rel dan jalan raya, sehingga ketiga jenis motor ini termasuk cakupannya.

GGL lawan dan persamaan kecepatan

Jangkar yang berputar di dalam fluks kutub membangkitkan tegangan menurut hukum Faraday. Buku ajar mesin listrik menyebutnya GGL yang melawan tegangan yang diberikan, dan menyatakan bahwa perubahan energi hanya berlangsung bila tegangan sumber lebih besar daripada GGL itu. Dua persamaan dengan konstanta yang sama menggambarkan motor:

$$E = k\,\Phi\,\omega, \qquad T = k\,\Phi\,I_\text{a}, \qquad k = \frac{p\,Z}{2\pi a}$$

dengan $E$ GGL lawan (V), $T$ torsi elektromagnetik (N·m), $\Phi$ fluks per kutub (Wb), $\omega$ kecepatan sudut (rad/s), $I_\text{a}$ arus jangkar (A), $p$ jumlah kutub, $Z$ jumlah konduktor jangkar, dan $a$ jumlah jalur paralel. Dalam SI, $k\Phi$ bersatuan V·s/rad yang sama dengan N·m/A, dan $E I_\text{a} = T\omega$ adalah daya listrik yang diubah menjadi daya mekanis. Di lapangan kecepatan sering ditulis dalam rpm, dan $k\Phi$ dinyatakan dalam V/rpm.

Rangkaian jangkar memenuhi hukum Kirchhoff tegangan:

$$V = E + I_\text{a}R_\text{a} \quad\Rightarrow\quad \omega = \frac{V - I_\text{a}R_\text{a}}{k\,\Phi}$$

dengan $V$ tegangan terminal jangkar dan $R_\text{a}$ resistansi rangkaian jangkar termasuk sikat. Asumsinya keadaan tunak, susut kontak sikat (orde 1–2 V) dimasukkan ke $R_\text{a}$ atau diabaikan, dan reaksi jangkar tidak mengubah $\Phi$. Bila beban bertambah, kecepatan turun sedikit, $E$ turun, arus jangkar naik, dan torsi naik sampai menyamai torsi beban. Saat motor diam, $E = 0$ dan hanya $R_\text{a}$ yang membatasi arus, yang dihitung pada contoh kerja kedua.

Bila $E$ lebih besar daripada $V$, arus membalik dan mesin bekerja sebagai generator. Pada pengereman dinamis, jangkar yang masih berputar dilepas dari suplai dan disambung ke resistor. Karena $E$ dan torsi rem sama-sama sebanding kecepatan, kecepatan meluruh eksponensial; waktu henti dan perhitungannya dibahas pada bab pengereman motor. Pada plugging, polaritas jangkar dibalik saat berputar sehingga $V$ dan $E$ menjumlah, dan jangkar harus diputus saat kecepatan nol.

Jenis penguatan dan karakteristiknya

Cara kumparan medan dicatu menentukan apakah $\Phi$ tetap atau berubah dengan beban. Buku ajar instalasi motor di korpus membagi motor DC menjadi penguat terpisah, shunt, seri, dan kompon; motor magnet permanen berperilaku seperti penguat terpisah.

Pada motor shunt dan penguat terpisah, satu-satunya penurun kecepatan adalah susut $I_\text{a}R_\text{a}$ yang kecil. Buku ajar mesin listrik menyebut kecepatan motor kecil turun sekitar 10–15 persen dari tanpa beban ke beban penuh (tercetak "beban hanya turun"), dan lebih sedikit pada motor besar. Kumparan medan shunt yang putus saat motor berjalan membuat $\Phi$ jatuh ke fluks sisa, sehingga motor berakselerasi dengan arus jangkar besar. Karena itu pengasut tiga titik untuk motor shunt, yang menjadi latihan dalam silabus teknisi elektronika daya di korpus, memasang kumparan penahan tuasnya seri dengan medan shunt sehingga tuas lepas bila medan atau suplai hilang.

Pada motor seri, arus medan sama dengan arus jangkar. Di bawah titik jenuh $\Phi$ kira-kira sebanding $I_\text{a}$, sehingga torsi mendekati sebanding kuadrat arus dan kecepatan kira-kira berbanding terbalik dengan arus. Buku ajar instalasi motor benar ketika melarang motor seri dijalankan tanpa beban karena kecepatannya tidak terkendali; karena alasan yang sama motor seri besar tidak digandeng dengan sabuk yang dapat lepas atau selip.

Pengaturan kecepatan dan pembalikan putaran

Persamaan kecepatan memberi tiga pengungkit, dan buku ajar mesin listrik menyebut dua di antaranya: menaikkan tegangan jangkar menaikkan kecepatan, dan menurunkan arus medan juga menaikkan kecepatan. Tegangan jangkar diatur dari nol sampai kecepatan dasar dengan fluks penuh, sehingga torsi pada arus pengenal tetap. Di atasnya, pelemahan medan menaikkan kecepatan; torsi pada arus pengenal turun sebanding fluks sehingga daya kira-kira tetap, dibatasi komutasi dan kekuatan mekanis jangkar. Resistor seri jangkar membuang daya dan kini hanya dipakai saat asut.

Dari jaringan AC, penyearah terkendali dengan tiristor (SCR) mengatur sudut penyalaan; dari sumber DC, chopper dengan modulasi lebar pulsa (PWM) menyambung-putus tegangan pada frekuensi tinggi, sehingga tegangan rata-rata $V_\text{a} = D\,V_\text{dc}$ dengan $D$ siklus kerja. Induktansi jangkar meratakan arus di antara pulsa. Silabus teknisi elektronika daya di korpus memuat pengaturan jangkar dan medan, kendali fasa SCR, dan PWM atau chopper SCR sebagai latihan berurutan. Penyearah terkendali menarik arus yang tidak sinus dan bergeser fase dari jaringan, sehingga klaim buku ajar mesin listrik bahwa pengaturan motor DC "tidak memengaruhi kualitas" daya masukan tidak dapat dipegang; akibat harmonisa dibahas pada bab harmonisa: sumber, ukuran, dan akibatnya.

Arah putar motor DC dibalik dengan membalik arus jangkar atau arus medan, tetapi tidak keduanya, sesuai latihan pembalikan putaran di silabus yang sama. Membalik polaritas suplai motor shunt, seri, atau kompon membalik kedua arus sekaligus, sehingga arah putar tidak berubah. Hanya motor magnet permanen dan motor penguat terpisah yang medannya dicatu sendiri yang berbalik arah dengan membalik polaritas jangkar.

Motor universal: motor seri yang bekerja pada AC

Motor universal adalah motor seri yang dapat bekerja dengan tegangan AC maupun DC. Pada AC, arus jangkar dan arus medan berbalik arah bersamaan setiap setengah periode, sehingga hasil kali keduanya tetap positif. Buku ajar instalasi motor menuliskannya sebagai $T = k(-I_\text{a})(-\Phi)$ yang bernilai sama dengan setengah periode positif, dan mencatat bahwa torsinya berdenyut pada dua kali frekuensi jaringan. Inti statornya berlaminasi untuk menekan arus pusar, dan lilitan medannya sedikit supaya reaktansinya kecil.

Reaktansi itu tetap ada. Pada tegangan efektif yang sama, sebagian tegangan AC habis di reaktansi belitan dan arus tertinggal, sehingga GGL lawan dan kecepatannya lebih rendah daripada pada DC. Buku ajar instalasi motor menulis sebaliknya (dicek pada gambar halaman). Buku yang sama menyebut daya motor universal umumnya 10–300 W, terlalu sempit karena alat tangan, penyedot debu, dan mesin cuci memakai motor universal ratusan watt sampai lebih dari satu kilowatt.

Kecepatannya tidak terikat frekuensi jaringan. Satu catatan aplikasi pabrikan semikonduktor menyebut motor universal masih banyak dipakai pada penyedot debu, mesin cuci, alat tangan, dan pengolah makanan, dengan kecepatan sekitar 1.000–15.000 rpm. Kecepatannya diatur lewat tegangan dengan tiristor, menurut buku ajar instalasi motor; pada peralatan AC yang umum adalah triac dengan kendali sudut fasa, yang dinyalakan terlambat setelah setiap titik nol tegangan.

Mesin cuci memerlukan kendali kecepatan tertutup karena beban drum berubah dan motor seri tidak menjaga kecepatannya sendiri; catatan aplikasi yang sama menyebut sensor kecepatan pada poros, biasanya sensor inkremental atau generator takometer. Satu catatan aplikasi mesin cuci menyebut motor universal berkendali triac sebagai rancangan yang lama mendominasi, dengan contoh kecepatan drum 30–45 rpm saat mencuci, sampai 2.000 rpm saat memeras, dan motor sampai 20.000 rpm melalui sabuk. Arah drum dibalik dengan menukar sambungan medan terhadap jangkar melalui relai saat motor diam, sesuai aturan pembalikan di atas.

Sikat dan komutator adalah harga yang dibayar: setiap komutasi memercik kecil, mengikis sikat, menghasilkan serbuk karbon dan bising listrik yang mengganggu elektronika di dekatnya. PUIL 2020 Bagian 5-510, 5100.5.1.4, mensyaratkan motor terbuka yang memiliki komutator atau cincin pengumpul ditempatkan atau dilindungi supaya percikan apinya tidak mencapai bahan mudah terbakar, dan 5100.5.2.2.2 meminta motor yang tidak menjadi terlalu panas di lingkungan berdebu yang membuat bahan beterbangan menumpuk. Di laundry, bahan itu adalah serabut kain (lint).

BLDC dan PMSM: komutasi elektronik

Motor DC tanpa sikat (BLDC) membalik susunan motor DC: magnet permanen di rotor, belitan tiga fasa di stator, dan komutator diganti enam sakelar semikonduktor yang dikendalikan dari posisi rotor. Satu catatan aplikasi pabrikan semikonduktor mendefinisikan BLDC sebagai motor sinkron magnet permanen dengan GGL lawan berbentuk trapesium, yang andal dan efisien tanpa keausan sikat.

Pada BLDC bersensor, tiga sensor Hall di stator membaca kutub magnet rotor. Keluaran ketiganya tergeser 120° listrik satu sama lain dan saling tumpang tindih, sehingga memberi enam keadaan selebar 60° listrik per putaran listrik; pada setiap keadaan hanya dua dari tiga fasa yang dialiri arus, dan komutasi terjadi setiap 60° listrik. Kecepatan dan arus diatur dengan PWM.

Hubungan listrik dan mekanis bergantung pada jumlah kutub. Dengan $p$ kutub, satu putaran mekanis memuat $p/2$ putaran listrik, sehingga

$$f = \frac{p}{2}\cdot\frac{n}{60}, \qquad N_\text{kom} = 6\cdot\frac{p}{2}$$

dengan $f$ frekuensi arus fasa (Hz), $n$ kecepatan (rpm), dan $N_\text{kom}$ jumlah komutasi per putaran mekanis pada kendali enam langkah. Persamaan motor DC tetap berlaku: tegangan induksi sebanding kecepatan dengan konstanta $k_\text{e}$ (misalnya V/rpm antarfasa), dan torsi sebanding arus dengan konstanta $k_\text{t}$, sehingga kecepatan tanpa beban ditentukan tegangan catu dan $k_\text{e}$.

PMSM (motor sinkron magnet permanen dalam arti sempit) memakai belitan terdistribusi yang menghasilkan GGL lawan sinus, dicatu arus sinus, dan torsinya lebih rata daripada BLDC. Satu manual rancangan acuan untuk mesin cuci poros horizontal menjelaskan kendali berorientasi medan (field-oriented control, FOC), yang memisahkan arus stator menjadi komponen pembentuk fluks dan komponen pembentuk torsi yang diatur terpisah. Manual itu juga menjelaskan pelemahan medan: di atas kecepatan dasar, tegangan induksi mendekati batas tegangan DC link, sehingga pengendali menyuntikkan arus sumbu d yang melemahkan medan magnet efektif.

Banyak pengendali bekerja tanpa sensor posisi. Satu catatan aplikasi untuk komutasi enam langkah tanpa sensor mencuplik tegangan fasa yang sedang tidak dicatu dan mendeteksi titik nol GGL lawannya, lalu menunda komutasi sekitar 30° listrik setelah titik nol itu. Catatan yang sama menegaskan batasnya: rotor yang diam tidak menghasilkan GGL lawan, sehingga pengendali tidak mengetahui posisi rotor. Motor karena itu diasut dengan penjajaran (menyuntikkan arus searah agar rotor menempati posisi tertentu), lalu dipercepat secara lingkar terbuka dengan langkah terjadwal sampai GGL lawan cukup untuk diikuti. Manual PMSM mesin cuci memakai urutan serupa.

Pengendali dan mesin cuci inverter

Pengendali BLDC atau PMSM dari jaringan 230 V terdiri atas penyearah, kapasitor rangkaian antara DC (DC link), inverter tiga fasa, pengukur arus, dan mikrokontroler. Tegangan DC link hasil penyearahan 230 V sekitar $230\sqrt{2} \approx 325$ V; manual acuan mesin cuci tadi menyebut tahap dayanya bekerja pada tegangan DC 140–325 V dan dilindungi terhadap tegangan lebih dan kurang DC link serta arus lebih. Saat drum diperlambat, motor menjadi generator dan mengisi DC link, sehingga perlambatan harus terkendali atau energinya dibuang.

Catatan aplikasi mesin cuci tadi menyebut generasi baru mesin cuci memakai motor tiga fasa tanpa sikat, motor induksi atau motor magnet permanen sinus, dengan kendali mikrokontroler. Manual acuan PMSM menambahkan bahwa penggerak langsung tanpa sabuk memperbaiki keandalan dan kemudahan perbaikan serta menghemat ruang kabinet. Motor penggerak langsung berkutub banyak supaya torsi besar tersedia pada kecepatan drum rendah. Motor ini menjadi generator setiap kali drum diputar tangan, dan tegangannya dapat mengisi DC link melalui dioda inverter; itulah penjelasan yang paling mungkin bagi reaksi papan kendali pada kasus pembuka. Tegangan antarfasa yang terbaca saat poros diputar pada kecepatan yang diketahui, dengan motor terlepas dari pengendali, memberi $k_\text{e}$; tiga tegangan yang sama menunjukkan belitan sehat, dan $k_\text{e}$ yang jauh di bawah data pabrik menunjukkan magnet melemah.

IEC 60034-1 edisi 15 menyerahkan mesin dengan komponen elektronik aktif terpadu yang bekerja sebagai sistem penggerak daya kepada seri IEC 61800, tetapi bagian motornya tetap tunduk pada IEC 60034-1. Motor pengganti harus cocok dengan jumlah kutub, $k_\text{e}$, susunan sensor, dan perangkat lunak pengendali, bukan hanya daya dan tegangannya.

Contoh kerja: kecepatan motor DC shunt saat tegangan jangkar turun dan beban naik

Data ilustrasi. Motor DC shunt 1,5 kW pada mesin penyetrika lama dicatu penyearah terkendali: tegangan jangkar pengenal 180 V, arus jangkar pengenal 9,5 A, kecepatan pengenal 1.500 rpm, resistansi rangkaian jangkar 1,2 Ω termasuk sikat. Medan shunt dicatu dari suplai medan tersendiri yang tetap, kecuali pada Langkah 5. Motor shunt yang medannya dicatu tersendiri berperilaku sebagai motor penguat terpisah; Langkah 5 memperlihatkan bedanya bila medan diparalel pada suplai yang sama. Reaksi jangkar dan jenuh diabaikan.

Langkah 1: GGL lawan dan konstanta motor pada titik pengenal. GGL lawan adalah tegangan terminal dikurangi susut resistansi jangkar:

$$E_\text{N} = 180 - 9{,}5 \times 1{,}2 = 168{,}6\ \text{V}, \qquad k\Phi = \frac{168{,}6}{1\,500} = 0{,}1124\ \text{V/rpm}$$

Dalam SI, $\omega_\text{N} = 2\pi \times 1\,500/60 = 157{,}1$ rad/s dan $k\Phi = 168{,}6/157{,}1 = 1{,}073$ N·m/A, sehingga torsi elektromagnetik $1{,}073 \times 9{,}5 = 10{,}2$ N·m dan daya yang diubah $168{,}6 \times 9{,}5 = 1\,602$ W. Selisihnya terhadap daya poros 1,5 kW adalah rugi gesek, angin, dan inti.

Langkah 2: tegangan jangkar turun ke 150 V dengan beban bertorsi tetap. Torsi tetap dan $\Phi$ tetap berarti $I_\text{a}$ tetap 9,5 A, karena $T = k\Phi I_\text{a}$:

$$E = 150 - 9{,}5 \times 1{,}2 = 138{,}6\ \text{V}, \qquad n = \frac{138{,}6}{0{,}1124} = 1\,233\ \text{rpm}$$

Kecepatan turun ke 82,2 %, sedikit lebih banyak daripada tegangan (83,3 %), karena susut $I_\text{a}R_\text{a}$ tidak ikut turun.

Langkah 3: beban naik 30 % pada 180 V. Arus jangkar naik sebanding torsi menjadi $1{,}3 \times 9{,}5 = 12{,}35$ A:

$$E = 180 - 12{,}35 \times 1{,}2 = 165{,}2\ \text{V}, \qquad n = \frac{165{,}2}{0{,}1124} = 1\,470\ \text{rpm}$$

Kecepatan hanya turun 2,0 %. Tanpa beban ($I_\text{a} \approx 0$) kecepatannya $180/0{,}1124 = 1\,601$ rpm, sehingga regulasi kecepatan, yaitu selisih kecepatan tanpa beban dan beban penuh dibagi kecepatan beban penuh, sekitar 6,8 %.

Langkah 4: medan dilemahkan ke 80 % pada torsi tetap. Konstanta menjadi $0{,}8 \times 0{,}1124 = 0{,}08992$ V/rpm, dan arus jangkar harus naik menjadi $9{,}5/0{,}8 = 11{,}9$ A untuk torsi yang sama:

$$E = 180 - 11{,}875 \times 1{,}2 = 165{,}75\ \text{V}, \qquad n = \frac{165{,}75}{0{,}08992} = 1\,843\ \text{rpm}$$

Kecepatan naik 23 %, tetapi arus jangkar melampaui pengenal 25 %. Pelemahan medan karena itu cocok untuk beban yang torsinya turun saat kecepatan naik; medan putus adalah kasus ekstremnya.

Langkah 5: bila medan disambung paralel pada suplai yang sama. Bila suplai turun ke 150 V dan fluks diandaikan sebanding arus medan, fluks turun ke 0,833 kali. Torsi tetap memerlukan $I_\text{a} = 9{,}5/0{,}833 = 11{,}4$ A, $E = 150 - 11{,}4 \times 1{,}2 = 136{,}3$ V, dan $n = 136{,}3/(0{,}833 \times 0{,}1124) = 1\,455$ rpm. Kecepatan hampir tetap, tetapi arus jangkar naik 20 %, sehingga pengaturan tegangan jangkar memerlukan medan yang dicatu tersendiri. Karena jenuh, fluks nyata tidak sebanding arus medan, jadi langkah ini hanya menunjukkan arah.

Contoh kerja: arus asut tanpa resistor asut dan tahapan resistor asut

Langkah 1: arus asut langsung. Motor yang sama disambung langsung ke 180 V saat diam. Karena $E = 0$,

$$I_\text{asut} = \frac{V}{R_\text{a}} = \frac{180}{1{,}2} = 150\ \text{A} \approx 15{,}8\,I_\text{N}$$

Susut kontak sikat, induktansi jangkar, dan impedansi suplai membuat arus nyata sedikit lebih kecil, tetapi tetap belasan kali arus pengenal: komutasi memercik berat sampai dapat terjadi busur di permukaan komutator, torsi kejut merusak kopling, dan pengaman suplai memutus. Penggerak elektronik membatasi arus; pengasut resistor memakai resistansi seri yang dikurangi bertahap.

Langkah 2: resistor tahap pertama. Arus asut dibatasi $2 I_\text{N} = 19$ A: resistansi total $180/19 = 9{,}47$ Ω dan resistor luar $9{,}47 - 1{,}2 = 8{,}27$ Ω. Saat motor berakselerasi, $E$ naik dan arus turun; tahap dipindah ketika arus turun ke $I_\text{N}$, yaitu pada $E = 180 - 9{,}5 \times 9{,}47 = 90$ V, atau $90/0{,}1124 = 801$ rpm. Titik pindah ini mengandaikan torsi beban saat asut di bawah torsi pengenal; untuk beban penuh, arus minimum dipilih sedikit di atas arus beban.

Langkah 3: tahap berikutnya. Resistansi total baru dipilih agar arus kembali ke 19 A pada $E = 90$ V: $(180 - 90)/19 = 4{,}74$ Ω (luar 3,54 Ω), dan tahap berikutnya dipindah pada $E = 135$ V atau 1.201 rpm. Tahap ketiga $(180 - 135)/19 = 2{,}37$ Ω (luar 1,17 Ω) dipindah pada $E = 157{,}5$ V atau 1.401 rpm. Saat resistor terakhir dilepas, arus menjadi $(180 - 157{,}5)/1{,}2 = 18{,}75$ A, masih di bawah 19 A.

Tafsir. Dengan perbandingan arus maksimum dan minimum 2, setiap resistansi total setengah dari sebelumnya, dan tiga tahap cukup. Kontak-kontak bertahap pada pengasut tiga titik adalah wujud fisik tahapan ini; "tiga titik" menunjuk tiga terminal sambungannya (jalur, medan, jangkar), bukan jumlah tahap resistor. Motor magnet permanen dan universal kecil umumnya diasut langsung karena resistansi jangkarnya, dalam per satuan, jauh lebih besar; metode asut motor induksi dibandingkan pada bab metode pengasutan motor, yang dibahas sesudah bab ini.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; angka keadaannya angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Pengukuran yang memerlukan papan kendali dicatu dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: konveyor kecil dapur hotel dengan chopper PWM. Motor DC magnet permanen 24 V menarik 3,0 A pada 2.000 rpm dengan resistansi jangkar 0,8 Ω, lalu siklus kerja chopper diturunkan ke 0,5 pada torsi beban tetap (angka latihan).

$$k\Phi = \frac{24 - 3{,}0 \times 0{,}8}{2\,000} = 0{,}0108\ \text{V/rpm}, \qquad V_\text{a} = 0{,}5 \times 24 = 12\ \text{V}, \qquad n = \frac{12 - 3{,}0 \times 0{,}8}{0{,}0108} = 889\ \text{rpm}$$

Kecepatan turun ke 44 %, bukan 50 %, karena susut $I_\text{a}R_\text{a}$ tetap 2,4 V. Pada tegangan rendah susut ini makin menentukan.

Contoh 2: kecepatan kipas BLDC dari sinyal Hall. Kipas BLDC 8 kutub di ruang rawat rumah sakit dilaporkan lambat. Satu keluaran sensor Hall terbaca 80 Hz, satu periode per putaran listrik (angka latihan).

$$n = \frac{60 \times 80}{8/2} = 1\,200\ \text{rpm}, \qquad N_\text{kom} = 6 \times \frac{8}{2} = 24\ \text{per putaran}$$

Komutasi terjadi $24 \times 1\,200/60 = 480$ kali per detik. Bila 1.200 rpm sama dengan perintah pengendali, motor dan komutasinya bekerja, sehingga yang diperiksa berikutnya adalah perintah kecepatan dan beban kipas.

Contoh 3: memeriksa magnet motor mesin cuci penggerak langsung. Motor PMSM 24 kutub berdata $k_\text{e}$ 0,10 V/rpm dilepas dari pengendali. Probe dipasang saat drum diam, lalu drum diputar sampai takometer membaca 60 rpm; tegangan antarfasa terbaca 5,9; 5,9; dan 6,0 V (angka latihan).

$$f = \frac{24}{2} \times \frac{60}{60} = 12\ \text{Hz}, \qquad k_\text{e} \approx \frac{5{,}93}{60} = 0{,}099\ \text{V/rpm}$$

Ketiga tegangan hampir sama dan $k_\text{e}$ hanya sekitar 1 % di bawah data, sehingga belitan sehat dan tidak ada tanda magnet melemah. Terminal tidak disentuh selama drum berputar (kondisi berhenti butir 3).

Contoh 4: mengapa motor seri tidak boleh lepas beban. Pada motor seri di bawah jenuh, torsi kira-kira sebanding kuadrat arus dan kecepatan kira-kira berbanding terbalik dengan arus. Bila beban menaikkan arus 1,5 kali, torsi naik $1{,}5^2 = 2{,}25$ kali dan kecepatan turun ke sekitar 0,67 kali. Bila sabuk lepas dan arus turun ke 0,25 kali, kecepatan menuju sekitar empat kali semula (angka latihan). Karena itu motor seri dan motor universal tidak dijalankan pada tegangan penuh tanpa beban (kondisi berhenti butir 1).

Kegagalan khas dan uji dasar

Motor bersikat dan tanpa sikat gagal di tempat berbeda. Tabel berikut memisahkan gejala, dugaan penyebab, dan uji pembeda, yang semuanya dilakukan setelah mesin diisolasi dan diverifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan; prosedur penguncian dibahas pada bab kerja aman. Cara menyusun hipotesis dan uji pembeda ada di Bab 3 · Sistem, Diagram & Diagnosis.

Resistansi jangkar dan fasa motor kecil hanya beberapa ohm, sehingga nilai dibandingkan dengan kabel ukur yang sama atau diukur dengan metode empat kawat. Uji resistansi isolasi dan penafsirannya ada di bab uji resistansi isolasi dan bab kerusakan dan uji motor. Pengecualiannya sinyal sensor Hall, yang memerlukan papan kendali dicatu; pengukuran itu hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Buku ajar dasar listrik di korpus menganjurkan komutator dibersihkan dengan amplas halus. Amplas berbutir menghantar, misalnya amplas besi (emery), meninggalkan partikel di celah segmen; menghaluskan komutator adalah pekerjaan bengkel motor dengan alat yang ditentukan pabrik.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Motor seri berdaya besar, atau motor universal yang dilepas dari bebannya (misalnya motor mesin cuci dengan sabuk lepas atau motor yang dikeluarkan dari mesinnya), akan dijalankan pada tegangan penuh.
2. Rangkaian medan motor shunt atau penguat terpisah terbuka atau longgar. Jangkar tidak dicatu sampai medan dan proteksi hilang medannya diperiksa.
3. Terminal motor magnet permanen akan disentuh sementara rotornya dapat berputar. Rotor ditahan diam dan terminal diperlakukan bertegangan.
4. Tutup pengendali BLDC, PMSM, atau penggerak DC akan dibuka sebelum waktu tunggu peluahan pada label berlalu dan tegangan DC link terukur mendekati nol.
5. Terlihat busur melingkar di permukaan komutator, asap, atau serabut kain terbakar di sekitar motor. Mesin dimatikan dan diisolasi.
6. Motor atau pengendali mesin cuci terkena air. Mesin tidak dienergikan sebelum dikeringkan; motor diuji isolasinya dengan pengendali terlepas, dan pengendali diperiksa menurut prosedur pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Motor universal berputar lebih cepat pada AC." Buku ajar instalasi motor menulisnya begitu. Pada tegangan efektif yang sama, reaktansi belitan menurunkan GGL lawan, sehingga kecepatan pada AC lebih rendah.

"Fluks magnet bersatuan tesla (kg/A·s²)." Buku yang sama memberi satuan ini untuk $\Phi$ pada $T = kI_\text{a}\Phi$. Tesla (kg/A·s²) adalah satuan kerapatan fluks $B$; fluks $\Phi$ bersatuan weber, yaitu tesla kali meter persegi.

"Kecepatan motor seri dibatasi 5.000 rpm." Angka itu dari buku yang sama dan tidak berdasar. Kecepatan motor seri ditentukan beban, dan motor universal alat rumah tangga bekerja jauh di atas 5.000 rpm.

"Pada motor seri, bila kecepatan berkurang medannya makin kecil." Buku ajar mesin listrik menulis ini setelah menyatakan bahwa kecepatan turun saat beban naik. Urutannya terbalik: beban naik menaikkan arus, arus menaikkan fluks, dan kecepatan turun, sehingga pada kecepatan rendah medan justru besar.

"Saat plugging, arus pada kecepatan nol sekitar satu setengah nilai awalnya." Buku yang sama menulisnya demikian (dicek pada gambar halaman). Saat awal plugging $V$ dan $E$ menjumlah; pada kecepatan nol $E = 0$, sehingga arus tinggal sekitar setengah nilai awalnya.

"BLDC adalah motor DC, jadi dapat langsung disambung ke aki atau catu DC." BLDC tidak berputar tanpa pengendali yang membalik arus fasanya, dan arah putarnya diatur pengendali, bukan polaritas suplai.

Hubungan dengan bab lain

Bab magnet dan induksi memberi gaya pada konduktor berarus, hukum Faraday, dan arus pusar. Bab 52 dan bab motor induksi tiga fasa memberi pelat nama dan hubungan tegangan-frekuensi; bab motor satu fasa membahas motor induksi peralatan kecil. Bab memilih motor untuk beban memberi jenis beban dan hubungan daya-torsi, dan Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika membahas torsi, putaran, dan transmisi daya. Bab kerusakan dan uji motor memberi uji belitan, isolasi, dan bantalan. Topik ini dibahas lebih lanjut pada bab pengereman motor, bab metode pengasutan motor, bab harmonisa, dan bab VFD. Di rak Laundry, bab washer-extractor membahas drum dan ekstraksi.

Latihan dan pembahasan

Angka dalam soal adalah data latihan. Pengukuran bertegangan diandaikan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

1. Motor DC penguat terpisah 220 V, resistansi jangkar 0,8 Ω, berputar 1.450 rpm dengan arus jangkar 12 A. Hitung $k\Phi$ dalam V/rpm, kecepatan bila tegangan jangkar diturunkan ke 180 V dengan torsi beban tetap, dan kecepatan tanpa beban pada 220 V.
2. Untuk motor pada soal 1 (12 A adalah arus pengenal), hitung arus asut bila disambung langsung ke 220 V dan resistor luar tahap pertama yang membatasi arus asut dua kali arus pengenal.
3. Setelah perawatan, motor DC shunt pada mesin penggulung berputar jauh di atas kecepatan biasanya dengan arus jangkar tinggi, lalu pengaman memutus. Penjelasan yang paling konsisten: (A) sambungan rangkaian medan longgar atau putus; (B) tegangan jangkar turun; (C) sikat sudah aus; (D) beban bertambah.
4. Mesin cuci bermotor universal mencuci normal, tetapi saat memeras memercik berat dan kecepatan tidak tercapai. Sikat masih panjang dan bergerak bebas. Komutator menunjukkan bekas terbakar pada sepasang segmen bersebelahan. Penyebab yang paling mungkin dan uji pembedanya: (A) triac hubung singkat; (B) kumparan jangkar putus; (C) generator takometer putus; (D) tegangan jaringan rendah.
5. Mesin cuci inverter bermotor PMSM tanpa sensor tidak mau berputar dengan muatan basah yang berat: drum tersentak maju-mundur lalu muncul kode galat. Dengan muatan ringan atau bila drum sudah bergerak, mesin normal. Jelaskan mekanismenya dari cara pengendali tanpa sensor mengasut motor.
6. Motor PMSM penggerak langsung 36 kutub memiliki $k_\text{e}$ 0,12 V/rpm (antarfasa, efektif) dan DC link 325 V. Hitung frekuensi arus fasa dan jumlah komutasi per detik bila motor dikendalikan enam langkah saat drum 1.400 rpm, tegangan induksi puncak antarfasa pada kecepatan itu, dan kecepatan saat tegangan itu menyamai DC link.

Kunci jawaban beralasan

1. $E = 220 - 12 \times 0{,}8 = 210{,}4$ V dan $k\Phi = 210{,}4/1\,450 = 0{,}1451$ V/rpm. Torsi tetap berarti $I_\text{a}$ tetap 12 A: $E = 180 - 9{,}6 = 170{,}4$ V, $n = 170{,}4/0{,}1451 = 1\,174$ rpm. Tanpa beban $I_\text{a} \approx 0$: $n_0 = 220/0{,}1451 = 1\,516$ rpm.
2. $I_\text{asut} = 220/0{,}8 = 275$ A, sekitar 22,9 kali arus pengenal. Resistansi total untuk 24 A adalah $220/24 = 9{,}17$ Ω, sehingga resistor luar $9{,}17 - 0{,}8 = 8{,}37$ Ω.
3. Jawaban A. Menurut $\omega = (V - I_\text{a}R_\text{a})/(k\Phi)$, fluks yang jatuh ke fluks sisa menaikkan kecepatan, dan torsi beban dengan fluks kecil menuntut arus jangkar besar. B dan D menurunkan kecepatan; C menimbulkan percikan dan kecepatan rendah.
4. Jawaban B. Kumparan putus memutus arus setiap kali segmennya lewat di bawah sikat, sehingga busur membakar segmen yang sama berulang-ulang. Uji pembedanya resistansi antarsegmen bersebelahan: pasangan yang jauh lebih tinggi menunjuk kumparan putus. A membuat motor berputar penuh sejak awal, C menghentikan mesin dengan galat tanpa membakar segmen, dan D tidak menghasilkan pola bakar.
5. Saat diam GGL lawan nol, sehingga pengendali menjajarkan rotor dengan arus searah lalu mempercepatnya dengan langkah terjadwal secara lingkar terbuka. Dengan inersia dan torsi beban besar, rotor tertinggal dari langkah itu dan kehilangan sinkron, sehingga drum tersentak dan asut dihentikan. Bila drum sudah bergerak, GGL lawan tersedia dan pengendali langsung masuk lingkar tertutup. Muatan, gesekan drum, dan bantalan diperiksa lebih dulu.
6. $f = 18 \times 1\,400/60 = 420$ Hz; komutasi $6 \times 420 = 2\,520$ per detik. Tegangan efektif $0{,}12 \times 1\,400 = 168$ V, puncak $168\sqrt{2} = 238$ V, di bawah 325 V. Batas $325/(0{,}12\sqrt{2}) \approx 1\,915$ rpm, dengan anggapan inverter dapat memakai penuh tegangan DC dan sebelum susut belitan dan sakelar diperhitungkan; di atasnya diperlukan pelemahan medan.

Referensi