Motor traksi dan inverter: motor induksi dan magnet permanen, inverter dan PWM, kendali torsi, pengereman regeneratif, pendinginan, dan efisiensi

Sebuah laundry memakai mobil boks listrik untuk mengantar linen ke tiga hotel. Pada hari panas, setelah dua jam berkeliling, mobil itu kehilangan tenaga di tanjakan menuju hotel terakhir, dan panel menampilkan peringatan suhu penggerak. Setelah diparkir setengah jam, tenaganya kembali. Sopir juga mengeluh bahwa setiap pagi, ketika baterai baru diisi penuh, mobil hampir tidak melambat saat pedal gas dilepas, sedangkan sore harinya perlambatan itu terasa kuat. Ketika suatu hari mobil itu mogok, bengkel umum yang dihubungi menyarankan menderek dengan roda depan diangkat dan roda penggerak belakang tetap di jalan.

Teknisi armada memeriksa catatan servis dan manual pemilik. Cairan pendingin penggerak tidak pernah diperiksa dan kisi radiator di depan tertutup debu dan serangga. Perlambatan yang lemah di pagi hari adalah perilaku normal: baterai penuh tidak dapat menerima energi pengereman. Dan manual melarang menderek dengan roda penggerak di jalan, karena motor magnet permanennya akan menjadi generator. Motor traksi dan inverter adalah jantung kendaraan listrik; bab ini menjelaskan cara kerjanya dan hal yang harus diperhatikan teknisi dan pengelola armada, bukan cara membongkar atau memperbaikinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas motor traksi dan inverter pada mobil, kendaraan niaga ringan, forklift, dan troli listrik: rantai penggerak, kurva torsi dan daya, jenis motor, inverter, kendali torsi, pengereman regeneratif, rugi, pendinginan, dan pemeriksaan dari luar. Motor traksi (traction motor) adalah motor yang digunakan untuk mendorong kendaraan, bukan motor bantu seperti penggerak kipas. Membuka inverter atau motor, mengukur pada konduktor tegangan tinggi, dan mengganti komponen tidak dibahas dan hanya dikerjakan orang yang berwenang menurut manual pabrik. Gambaran motor traksi di kendaraan ada di Bab 2; motor induksi di Bab 40 · Kelistrikan & Kendali; motor DC, BLDC, dan magnet permanen di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali; pengereman motor di Bab 55 · Kelistrikan & Kendali; arsitektur, parameter, dan instalasi VFD di Bab 67 · Kelistrikan & Kendali sampai Bab 69 · Kelistrikan & Kendali; transmisi dan gaya dorong di Bab 5; rem gesek di Bab 6; dan baterai traksi di Bab 7. Angka untuk kendaraan tertentu diambil dari manual pabrik.

Rantai penggerak listrik

Energi kendaraan listrik mengalir dari baterai ke inverter, dari inverter ke motor, lalu melalui roda gigi reduksi dan diferensial ke roda. Saat pengereman regeneratif, aliran itu berbalik. Setiap tahap punya efisiensi, dan efisiensi rantai adalah hasil kalinya:

Efisiensi motor (motor efficiency) adalah perbandingan daya mekanis yang diberikan motor dengan daya listrik yang dipasok ke motor. Pada titik kerja yang baik, inverter traksi mencapai sekitar 95 sampai 98 persen, motor sekitar 90 sampai 96 persen, dan reduksi satu tingkat sekitar 97 persen, sehingga efisiensi rantai sekitar 85 sampai 90 persen, jauh di atas mesin pembakaran dalam di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dan siklusnya. Pada beban sangat ringan atau kecepatan sangat rendah, efisiensinya turun.

Kendaraan listrik umumnya tidak memerlukan transmisi bertingkat seperti di Bab 5 tentang transmisi dan penggerak, karena motor listrik menghasilkan torsi dari putaran nol dan bekerja di rentang putaran yang lebar. Satu reduksi tetap, sekitar 8 sampai 11 untuk mobil, cukup untuk menurunkan putaran motor ke putaran roda.

Kurva torsi dan daya motor traksi

Motor traksi yang dikendalikan inverter memberi dua daerah kerja:

1. Daerah torsi tetap, dari nol sampai putaran dasar (base speed): inverter dapat memberi arus terbesar sehingga torsi terbesar tersedia, dan daya naik lurus dengan putaran.
2. Daerah daya tetap, di atas putaran dasar: tegangan inverter sudah mencapai batas tegangan baterai, sehingga medan dilemahkan dan torsi turun kira-kira berbanding terbalik dengan putaran.

Daya mekanis adalah hasil kali torsi dan kecepatan sudut, seperti di Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi:

dengan $n$ putaran dalam rpm. Pelat nama dan manual membedakan daya puncak (peak power), yang boleh diberikan beberapa detik sampai puluhan detik, dan daya kontinu (continuous power), yang dapat ditahan tanpa batas waktu dengan pendinginan yang baik. Daya kontinu sering hanya separuh atau kurang dari daya puncak. Mobil di kasus pembuka menanjak berulang kali pada siang yang panas sehingga motor dan inverter bekerja dekat batas kontinu terlalu lama; pengendali lalu membatasi daya agar suhu tidak melampaui batas, yang disebut penurunan daya karena suhu (thermal derating).

Jenis motor traksi

Motor induksi untuk traksi

Motor induksi tiga fasa dibahas rinci di Bab 40 · Kelistrikan & Kendali tentang motor induksi tiga fasa. Medan putar stator memotong batang konduktor pada rotor, sehingga arus terinduksi di rotor dan torsi terbentuk. Slip (slip) $s$ adalah selisih putaran sinkron medan putar dan putaran rotor, dibagi putaran sinkron; rotor berputar pada $(1-s)$ kali putaran sinkron, dan frekuensi arus rotor sama dengan $s$ kali frekuensi suplai. Frekuensi arus rotor bergantung pada kecepatan relatif antara fluks dan rotor, dan pada slip kecil kurva torsi terhadap slip berupa garis lurus. Karena itu inverter mengendalikan torsi motor induksi dengan mengatur frekuensi dan arus sehingga slip tetap kecil di seluruh rentang putaran.

Untuk traksi, motor induksi tahan, murah, tidak memakai magnet, dan tidak menghasilkan tegangan bila berputar tanpa dieksitasi. Kekurangannya adalah rugi tembaga di rotor yang membuat rotor panas dan efisiensi pada beban ringan sedikit lebih rendah daripada motor magnet permanen. Banyak forklift listrik modern memakai motor induksi tegangan rendah, sekitar 24 sampai 80 V, dengan inverter di dalam forklift.

Motor magnet permanen sinkron

Motor magnet permanen sinkron memiliki magnet di rotornya, seperti BLDC dan PMSM di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang motor DC, motor universal, dan motor BLDC. Untuk frekuensi tertentu, motor sinkron berputar pada kecepatan rata-rata tetap berapa pun bebannya, sehingga putarannya mengikuti frekuensi inverter tepat tanpa slip:

dengan $f$ frekuensi dan $p$ jumlah kutub. Motor ini efisien dan padat sehingga paling banyak dipakai pada mobil listrik. Magnet permanen adalah komponen termahal sebuah generator, dan magnet tanah jarang di rotor juga peka terhadap panas: suhu terlalu tinggi dapat melemahkan magnet secara permanen.

Ciri terpenting bagi keselamatan adalah GGL lawan (back EMF), yaitu GGL yang dibangkitkan di belitan motor. Pada motor magnet permanen, tegangan itu ada setiap kali rotor berputar, dengan atau tanpa inverter bekerja, dan naik lurus dengan putaran:

Pada putaran tinggi, GGL lawan dapat melampaui tegangan baterai. Inverter mengatasinya dengan pelemahan medan. Bila inverter mati atau rusak sementara roda tetap berputar, misalnya saat diderek dengan roda penggerak di jalan, motor menjadi generator yang tidak terkendali: tegangan dapat mengisi tautan DC melalui dioda inverter, merusak komponen, dan membuat bagian sistem bertegangan walaupun kendaraan mati. Karena itu manual melarang menderek atau mendorong kendaraan seperti itu kecuali dengan cara yang diizinkan.

Motor pada forklift dan troli

Forklift dan troli listrik yang lebih tua memakai motor DC seri atau motor DC penguatan terpisah dengan pengendali pemotong arus, dan sikat motornya aus dan harus diperiksa berkala seperti di Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang motor DC. Yang lebih baru memakai motor induksi atau magnet permanen dengan inverter. Forklift biasanya mempunyai motor traksi dan motor pompa hidraulik yang terpisah, masing-masing dengan pengendalinya, dan sering juga motor kemudi listrik.

Pada forklift, membalik arah gerak saat masih melaju, dengan memindahkan tuas arah, adalah pengereman listrik yang mirip dengan plugging di Bab 55 · Kelistrikan & Kendali tentang pengereman motor. Pengendali modern mengubahnya menjadi pengereman regeneratif yang terkendali; pengendali lama membuang energinya sebagai panas di motor. Pada troli tarik, motor kecil sering berupa motor magnet permanen roda, dengan rem elektromagnetik gagal aman yang mengunci ketika daya hilang.

Inverter traksi: saklar daya, tautan DC, dan prapengisian

Arsitektur VFD industri di Bab 67 · Kelistrikan & Kendali tentang prinsip kerja VFD memakai penyearah, tautan DC, dan inverter. Inverter traksi tidak memerlukan penyearah karena baterai sudah memberi arus searah. Inverter adalah alat yang terus mengubah daya arus searah kembali menjadi arus bolak-balik. Aplikasi penggerak inverter banyak diperlukan dalam industri, dan IGBT dibangun dari gerbang, kolektor, dan emitor. Inverter traksi tiga fasa memakai enam saklar daya, IGBT atau MOSFET silikon karbida, dalam tiga lengan. MOSFET dapat menyakelar beban daya ketika digerakkan dari tingkat logika digital.

Tautan DC (DC link) adalah kapasitor besar di sisi masukan inverter yang menyediakan arus pulsa saklar dan menstabilkan tegangan. Bila kontaktor baterai langsung ditutup ke kapasitor kosong, arus lonjakan sangat besar dapat mengelas kontak kontaktor. Karena itu sistem tegangan tinggi memakai prapengisian (precharge): kapasitor diisi lebih dulu melalui resistor, lalu kontaktor utama ditutup ketika tegangan kapasitor hampir sama dengan tegangan baterai. Waktu prapengisian mengikuti tetapan waktu RC:

Kapasitor tautan DC menyimpan energi $\tfrac{1}{2} C V^2$ dan tetap bertegangan setelah kontaktor dibuka sampai dikosongkan rangkaian pengosong. Hal ini menjadi bagian dari keselamatan tegangan tinggi di Bab 9 tentang keselamatan tegangan tinggi kendaraan.

PWM dan kendali torsi

Inverter membentuk tegangan bolak-balik dengan modulasi lebar pulsa (PWM) (pulse width modulation): setiap lengan menyakelar tegangan tautan DC dengan cepat, beberapa kilohertz sampai puluhan kilohertz, dan perbandingan waktu nyala dalam setiap periode menentukan tegangan rata-rata lengan itu:

dengan $D$ siklus kerja antara 0 dan 1. Dengan mengubah $D$ secara sinus pada ketiga lengan, arus motor menjadi hampir sinus karena induktansi belitan meratakannya. Frekuensi pensaklaran yang tinggi membuat suara lebih halus tetapi menambah rugi pensaklaran; bunyi mendenging pelan dari kendaraan listrik saat berangkat adalah suara pensaklaran ini.

Kendaraan listrik tidak meminta putaran tertentu, tetapi torsi. Pedal gas dibaca pengendali kendaraan sebagai permintaan torsi, lalu dibatasi oleh keadaan baterai, suhu motor dan inverter, cengkeraman ban, dan mode berkendara, seperti diringkas di Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi. Inverter menghitung arus fasa yang diperlukan dan mengatur PWM sampai arus terukur sama dengan arus yang diminta, dengan kendali berorientasi medan (field-oriented control) yang memisahkan arus pembentuk torsi dan arus pembentuk medan. Untuk itu inverter memerlukan sensor arus fasa dan sensor posisi rotor, biasanya resolver atau enkoder. Gangguan sensor posisi atau sensor arus membuat inverter mematikan penggerak atau masuk mode terbatas.

Pengereman regeneratif dan batasnya

Ketika pedal gas dilepas atau rem diinjak, inverter membalik arah torsi sehingga motor bekerja sebagai generator dan mengembalikan energi ke baterai, seperti di Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi dan Bab 55 · Kelistrikan & Kendali tentang pengereman motor. Daya regeneratif dibatasi oleh hal berikut:

1. Penerimaan baterai: baterai yang penuh atau dingin tidak dapat menerima arus pengisian besar, seperti di Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian. Itulah sebab perlambatan lemah di pagi hari pada kasus pembuka.
2. Batas motor dan inverter: arus dan suhu yang sama dengan saat mempercepat.
3. Kecepatan rendah: pada kecepatan sangat rendah daya yang tersedia kecil, sehingga kendaraan dihentikan oleh rem gesek.
4. Kestabilan: regenerasi hanya pada roda penggerak; di jalan licin, sistem kendali stabilitas membatasinya agar roda tidak tergelincir.

Bagian pengereman yang tidak dapat diambil regenerasi diberikan rem gesek. Pada kendaraan dengan pencampuran pengereman (brake blending), pengendali membagi perlambatan antara keduanya sehingga rasa pedal tetap sama. Rem gesek yang jarang bekerja dapat berkarat dan macet, seperti di Bab 6 tentang rem dan sasis, sehingga tetap diperiksa. Energi regeneratif tidak pernah mengembalikan seluruh energi gerak, karena rugi rantai dihitung dua kali, saat mempercepat dan saat mengerem.

Rugi, panas, dan pendinginan

Rugi motor terdiri atas rugi tembaga di belitan yang naik dengan kuadrat arus, rugi besi di inti, rugi gesekan, dan rugi tambahan. Rugi stator terdiri atas rugi histeresis, arus pusar, inti, dan tembaga pada kumparan stator, dan rugi besi stator praktis tetap. Inverter menambah rugi konduksi dan rugi pensaklaran. Seluruh rugi menjadi panas:

Motor dan inverter mobil biasanya didinginkan cairan campuran air dan glikol yang dipompa melalui jaket motor, pelat dingin inverter, dan radiator, sering bersama pengisi di dalam kendaraan dan kadang baterai. Kalor yang dibawa cairan mengikuti $\dot{Q} = \dot{m}\,c_p\,\Delta T$, seperti perpindahan panas di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif. Kekurangan cairan, pompa lemah, radiator tersumbat, atau kipas mati membuat pengendali menurunkan daya. Motor forklift biasanya didinginkan udara, sehingga debu linen yang menempel di sirip motor dan pengendali menurunkan pendinginannya.

Pemeriksaan yang aman

Pemeriksaan dari luar tanpa membuka bagian tegangan tinggi; ikuti manual pabrik:

1. Cairan pendingin penggerak: ketinggian dan warna di tangki ekspansi saat dingin, kebocoran di bawah kendaraan, dan kebersihan radiator.
2. Bunyi dan getaran: dengung atau gemuruh yang berubah dengan kecepatan dapat menunjuk bantalan motor atau roda gigi reduksi, seperti di Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor.
3. Minyak reduksi: diganti atau diperiksa menurut jadwal pabrik.
4. Kebersihan forklift dan troli: sirip motor dan pengendali bebas debu linen, kabel tidak terjepit, dan sikat motor DC diperiksa.
5. Catatan: peringatan suhu, penurunan daya, dan kode galat dicatat bersama waktu, suhu udara, beban, dan rute, untuk diagnosis di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: gaya dorong di roda. Motor memberi torsi 250 N·m sampai putaran dasar 4.000 rpm. Torsi 250 N·m dengan reduksi 9,7, efisiensi reduksi 0,97, dan jari-jari roda 0,33 m memberi gaya dorong $250 \times 9{,}7 \times 0{,}97/0{,}33 = 7.130$ N. Pada 4.000 rpm, roda berputar $4.000/9{,}7 = 412$ rpm, sehingga kecepatan kendaraan $412 \times 2\pi \times 0{,}33/60 = 14{,}2$ m/s, sekitar 51 km/jam.

Contoh 2: GGL lawan saat diderek. Motor magnet permanen dengan tetapan GGL lawan 0,045 V/rpm dipasang pada baterai 360 V. Pada 12.000 rpm, GGL lawannya $0{,}045 \times 12.000 = 540$ V, jauh di atas tegangan baterai. Bila mobil diderek cepat dengan roda penggerak di jalan dan inverter mati, tegangan ini tidak dikendalikan.

Contoh 3: siklus kerja PWM. Pada tautan DC 48 V, lengan inverter yang menyala 62,5 persen dari setiap periode memberi tegangan rata-rata $0{,}625 \times 48 = 30$ V. Pada frekuensi pensaklaran 10 kHz, satu periode 100 $\mu$s, sehingga saklar menyala 62,5 $\mu$s dan padam 37,5 $\mu$s.

Contoh 4: prapengisian tautan DC. Kapasitor 1.000 $\mu$F diisi dari baterai 400 V melalui resistor 100 $\Omega$. Tetapan waktunya $100 \times 0{,}001 = 0{,}1$ s, dan kapasitor hampir penuh setelah sekitar $5\tau = 0{,}5$ s. Tanpa resistor, dengan resistans rangkaian hanya 0,05 $\Omega$, arus awalnya $400/0{,}05 = 8.000$ A. Energi tersimpan pada 400 V $0{,}5 \times 0{,}001 \times 400^2 = 80$ J.

Contoh 5: daya regeneratif dan baterai penuh. Mobil boks 3.000 kg pada 13,9 m/s, yaitu 50 km/jam, diperlambat 1,5 m/s². Gaya pengereman $3.000 \times 1{,}5 = 4.500$ N dan daya di awal pengereman $4.500 \times 13{,}9 = 62.600$ W, sekitar 63 kW. Bila baterai yang penuh hanya menerima 10 kW, sekitar 53 kW harus diberikan rem gesek. Energi gerak awal $0{,}5 \times 3.000 \times 13{,}9^2 = 290.000$ J, sekitar 0,081 kWh, dan dengan efisiensi kembali 0,85 paling banyak sekitar 0,068 kWh yang kembali ke baterai.

Contoh 6: aliran cairan pendingin. Motor memberi 100 kW dengan efisiensi 94 persen. Ruginya $100 \times (1/0{,}94 - 1) = 6{,}4$ kW. Untuk kenaikan suhu cairan 5 K dengan kalor jenis 3,6 kJ/kgK, aliran yang diperlukan $6{,}4/(3{,}6 \times 5) = 0{,}36$ kg/s, sekitar 20 L/menit. Bila radiator tersumbat dan cairan masuk 10 K lebih panas, motor mencapai batas suhunya lebih cepat dan dayanya diturunkan.

Kondisi berhenti

Hentikan kendaraan dengan aman, matikan, dan serahkan kepada petugas yang berwenang bila:

1. Panel menunjukkan galat penggerak, galat isolasi, atau peringatan sistem tegangan tinggi yang belum ditangani menurut prosedur.
2. Tercium bau terbakar, terlihat asap, atau terdengar bunyi gerinda atau ketukan keras dari motor atau reduksi.
3. Cairan pendingin bocor deras atau peringatan suhu penggerak muncul berulang walaupun beban ringan.
4. Kendaraan perlu diderek; ikuti cara menderek yang diizinkan manual, biasanya dengan semua roda di atas truk derek.
5. Kabel atau konektor tegangan tinggi berwarna oranye terlihat rusak, terjepit, atau terbuka.
6. Pekerjaan menuntut membuka inverter atau motor, mengukur pada konduktor tegangan tinggi, atau mengganti komponen; pekerjaan itu hanya dikerjakan orang yang berwenang menurut manual pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 tentang baterai, motor traksi, dan keselamatan tegangan tinggi memberi gambaran motor traksi dan regenerasi. Dasar motornya ada di Bab 40 · Kelistrikan & Kendali tentang motor induksi tiga fasa, Bab 45 · Kelistrikan & Kendali tentang motor DC, motor universal, dan motor BLDC, Bab 55 · Kelistrikan & Kendali tentang pengereman motor, dan Bab 44 · Kelistrikan & Kendali tentang kerusakan dan uji motor; dasar inverter industri ada di Bab 67 · Kelistrikan & Kendali sampai Bab 69 · Kelistrikan & Kendali tentang VFD. Di rak ini, Bab 5 tentang transmisi dan penggerak, Bab 6 tentang rem dan sasis, dan Bab 7 tentang baterai traksi dan pengisian membahas bagian lain rantai penggerak. Efisiensi mesin bakar ada di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam, dan perpindahan panas di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif. Bab 9, bab berikutnya di rak ini, membahas keselamatan tegangan tinggi kendaraan, termasuk tautan DC yang tetap bertegangan.

Latihan dan pembahasan