SCR atau PWM? Memilih Penggerak untuk Motor DC Sikat

Motor DC bersikat masih umum digunakan pada mesin penggulung, ekstruder, konveyor, bangku uji, kerekan, dan mesin produksi lama. Torsinya mengikuti arus jangkar, sedangkan kecepatannya dipengaruhi oleh tegangan jangkar yang diterapkan dan fluks medan. Hubungan ini membuat motor mudah dipahami, tetapi bukan berarti setiap pengendali dapat saling dipertukarkan.

Dua pendekatan elektronik yang umum adalah konversi berbasis penyearah silikon terkontrol (SCR) yang dikomutasi oleh jaringan listrik dan pensaklaran transistor dengan modulasi lebar pulsa (PWM). Keduanya dapat mengatur tegangan jangkar rata-rata. Namun, keduanya berbeda dalam hal riak arus, perilaku pada kecepatan rendah, dampak terhadap masukan, opsi regenerasi, kebisingan elektromagnetik, dan risiko retrofit.

Pemilihan penggerak harus mempertimbangkan spesifikasi jangkar, desain medan, umpan balik, siklus kerja, pembalikan arah, dan seluruh jalur energi saat berhenti.

Mulailah dari rangkaian motor

Motor magnet permanen tidak memiliki catu daya medan terpisah. Motor shunt atau motor dengan eksitasi terpisah menggunakan kumparan medan yang arusnya membentuk fluks. Motor seri berperilaku berbeda lagi dan jarang dapat langsung digunakan dengan penggerak DC umum. Sebelum memilih perangkat keras, identifikasi jenis motor, tegangan dan arus jangkar, tegangan dan arus medan, kecepatan dasar, kecepatan maksimum yang diizinkan, kondisi isolasi, dan metode pendinginan.

Di bawah kecepatan dasar, penggerak biasanya mengendalikan tegangan jangkar sambil mempertahankan medan terukur. Di atas kecepatan dasar, beberapa sistem mengurangi arus medan agar kecepatan lebih tinggi dapat dicapai dengan torsi yang tersedia lebih rendah. Pelemahan medan memerlukan perlindungan terhadap putaran berlebih dan batas mekanis yang telah diverifikasi. Hilangnya medan pada motor dengan eksitasi terpisah dapat menyebabkan putaran berlebih yang berbahaya, sehingga deteksi kehilangan medan merupakan persyaratan fungsional, bukan alarm opsional.

Bagaimana penggerak SCR mengendalikan tegangan jangkar

SCR mulai menghantarkan setelah menerima pulsa gerbang dan biasanya tetap aktif hingga arus turun di bawah nilai penahannya. Pada konverter yang disuplai AC, pengendali menunda sudut pemicuan dalam setiap siklus jaringan listrik. Perubahan sudut tersebut mengubah tegangan DC rata-rata yang disalurkan ke jangkar.

Jembatan satu kuadran mendukung operasi motor dalam satu arah. Pembalikan arah dan operasi regeneratif memerlukan topologi yang sesuai, seperti konverter ganda, serta kendali yang mencegah arus sirkulasi yang tidak diinginkan. Susunan yang tepat penting karena pembalikan menggunakan kontaktor tidak setara dengan kendali elektronik empat kuadran.

Konversi SCR telah terbukti dan mudah diservis. Keterbatasannya berasal dari komutasi pada frekuensi jaringan. Arus jangkar mengandung riak frekuensi rendah, terutama pada beban ringan atau kecepatan rendah. Riak tersebut dapat menimbulkan denyutan torsi dan kebisingan yang terdengar. Pemicu yang ditunda juga mengurangi faktor daya perpindahan dan mendistorsi arus masukan. Catu tiga fase umumnya menghasilkan keluaran yang lebih halus daripada jembatan satu fase, tetapi tetap perlu dilakukan evaluasi harmonisa dan kondisi jaringan.

Bagaimana PWM mengubah persoalan kendali

Penggerak PWM dengan cepat mengalihkan transistor antara bus DC dan jangkar. Perubahan siklus kerja mengubah tegangan jangkar rata-rata. Induktansi motor menghaluskan sebagian besar arus di antara pulsa, sehingga memungkinkan kendali arus yang lebih presisi dan torsi kecepatan rendah yang lebih halus dibandingkan banyak konverter frekuensi jaringan.

Regulator arus merupakan loop kendali bagian dalam karena arus jangkar merepresentasikan torsi. Regulator kecepatan di luarnya membandingkan kecepatan yang diperintahkan dan yang terukur, lalu meminta arus yang diperlukan untuk mengoreksi galat. Pembatas arus melindungi motor dan konverter selama akselerasi, kemacetan, atau perubahan beban yang cepat. Penalaan harus mempertahankan pemisahan antara loop arus yang cepat dan loop kecepatan yang lebih lambat.

Siklus kerja mengendalikan tegangan jangkar rata-rata; umpan balik arus mengatur torsi dan membatasi tekanan listrik.

Regenerasi dan pengereman harus ditelusuri sebagai energi

Beban yang berputar menyimpan energi kinetik. Beban yang menggerakkan motor juga dapat menggerakkan motor secara mekanis. Selama perlambatan, energi tersebut harus dialirkan ke suatu tempat. Pengendali nonregeneratif dapat menggunakan pengereman dinamis dengan menghubungkan jangkar ke resistor setelah daya penggerak dilepas. Pengendali regeneratif mengembalikan energi ke catu AC atau bus DC bersama jika topologinya memungkinkan.

Label empat kuadran harus diperiksa berdasarkan aplikasi yang sebenarnya. Mesin mungkin memerlukan operasi motor maju, pengereman maju, operasi motor mundur, dan pengereman mundur, tetapi belum tentu memerlukan regenerasi ke jaringan listrik pada setiap kuadran. Hitung daya pengereman puncak, energi pulsa, laju pengulangan, dan panas rata-rata. Verifikasi resistansi resistor, kapasitas kerja kontaktor, rating pencacah, dan perlindungan suhu berlebih.

Umpan balik menentukan kinerja pada kecepatan rendah

Umpan balik tegangan jangkar dapat memberikan pengaturan kecepatan yang ekonomis, tetapi harus memperkirakan tegangan yang hilang pada resistansi jangkar. Perkiraan tersebut menjadi kurang akurat pada torsi tinggi dan kecepatan rendah. Tacho generator atau enkoder mengukur kecepatan secara lebih langsung dan meningkatkan pengaturan saat beban berubah. Polaritas umpan balik harus diuji pada perintah rendah sebelum loop diaktifkan; polaritas yang salah akan menggerakkan regulator ke arah yang keliru.

Untuk sistem penegang, kecepatan saja mungkin bukan variabel yang dikendalikan. Perhitungan diameter, batas torsi, posisi dancer, atau umpan balik sel beban dapat menjadi faktor utama dalam desain. Mengganti penggerak lama tanpa memahami loop luar tersebut dapat membuat mesin tidak stabil meskipun motor berputar dengan benar.

Risiko retrofit lebih luas daripada yang tercantum pada pelat nama

Retrofit dari SCR ke PWM mengubah lingkungan listrik. Pensaklaran frekuensi tinggi meningkatkan emisi terkonduksi dan terpancar serta dapat mengalirkan arus melalui kapasitansi kabel. Tinjau perutean kabel jangkar dan umpan balik, terminasi pelindung, bonding kabinet, pemisahan daya kendali, dan pembumian. Jangan merutekan kabel enkoder atau tacho meter di samping konduktor motor yang disaklarkan.

Periksa sikat, permukaan komutator, bantalan, isolasi medan, dan ventilasi sebelum commissioning. Regulator yang lebih cepat dapat mengungkap kelonggaran mekanis, roda gigi yang aus, atau komutator yang lemah yang sebelumnya masih dapat ditoleransi oleh sistem lama yang lebih lambat. Catat riak arus, galat kecepatan, percikan pada sikat, suhu motor, dan getaran pada beban yang mewakili kondisi kerja.

Opsi penggerak dapat ditinjau di Penggerak & Kendali Gerak, sedangkan pengurutan mesin dan permissive tetap berada dalam Sistem PLC & PAC.

Kerangka pemilihan praktis

Bandingkan arus jangkar kontinu dan puncak, kebutuhan medan, rentang kecepatan, kehalusan torsi, jenis umpan balik, frekuensi pembalikan arah, energi pengereman, regenerasi ke jaringan listrik, kondisi selungkup, harmonisa masukan, kompatibilitas elektromagnetik, diagnostik, dan keterampilan servis yang tersedia. Pertahankan pula perilaku penghentian aman dan interlock mesin yang sudah ada.

PWM biasanya merupakan pilihan yang lebih kuat untuk desain tegangan rendah baru yang memerlukan kendali kecepatan rendah yang halus dan diagnostik modern. Namun, sistem SCR yang masih berfungsi dapat tetap menjadi keputusan pemeliharaan yang lebih baik jika kinerjanya memadai dan dukungan suku cadangnya masih tersedia. Retrofit yang tepat adalah yang memperbaiki keterbatasan terukur tanpa menimbulkan risiko baru pada motor, umpan balik, pembumian, atau sistem pengereman.