AHMAD AFIF FAHMI 2209100130

Dosen Pembimbing: Prof. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng., Ph.D Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D.

SISTEM PENGEREMAN ELEKTRIS BRUSHLESS DC MOTOR MENGGUNAKAN BIDIRECTIONAL INVERTER UNTUK APLIKASI KENDARAAN LISTRIK

Mobil Listrik

Inverter

Pengereman Elektris Motor BLDC

2

back

Latar Belakang

• Energi banyak terbuang saat menggunakan pengereman mekanis

• Memanfaatkan energi regeneratif saat dilakukan pengereman elektris

• Mengubah urutan switching VSI berdasarkan sinyal sensor hall motor BLDC

• Daya tahan baterai meningkat

3

back

Batasan Masalah

• Pengaturan kecepatan motor BLDC dilakukan dengan referensi 200 rpm sampai 1200 rpm.

• Pengaruh penggunaan kapasitas Ampere Hour baterai dianalisis dari state of charge (SOC) baterai.

• Mode regeneratif motor yang dibahas hanya pengereman elektris saja.

4

back

Tujuan

Untuk mengetahui karakteristik kinerja bidirectional voltage source inverter serta pengaruh penggunaanya terhadap kapasitas Ampere Hour (Ah) baterai.

5

back

Ilustrasi Kerja Sistem

A

B

Kece

pata

n

Waktu

C

1200 rpm

0 rpm

A = Kondisi Akselerasi

Mode Akselerasi Mode Regeneratif

B = Pengereman Elektris C = Motor Berhenti

6

back

Konfigurasi Sistem

INVERTER3 FASA

BLDCMOTOR

BEBAN

PWM

Mode Selection

Current Controller

Driver Controller

Decoder

- +

HaHbHc

Brake Command

Brake Reference

Acceleration Reference

C

BateraiLithium

Kecepatan Aktual

Drive Cycle

Sistem Controlled PWM

Inverter + Decoder

7

back

Rangkaian Ekuivalen Inverter Beserta Motor BLDC

Vbatt

ea

ea

ea

Ra

Rb

Rc

La

Lb

Lc

S1

S2

S3

S4

S5

S6

D1 D3 D5

D2 D4 D6

a

b

c

C

Switch Atas

Switch Bawah

8

back

Perancangan Decoder

INVERTER3 FASA

PWM

Mode Selection

Current Controller

DecoderHaHbHc

Brake Command

Brake Reference

Acceleration

C

Braking Command

Input Decoder : • Sinyal sensor hall • Braking Command (SB) • Sinyal PWM Decoder berupa rangkaian logika yang disusun berdasarkan kombinasi-kombinasi komutasi

9

back

Urutan Switching Inverter Mode Akselerasi

Armature current

Back EMF

Phase a

Phase b

Phase c

Ha

Hb

Hc

S1

S3

S5

S2

S4

S6

I II III IV V VI

Switching signals

Commutation signals

0° 30° 90° 150° 210° 270° 330° 30°

State Kombinasi H(a,b,c)

S1 & S2 S3 & S4 S5 & S6

I 101 S1 S4 -

II 100 S1 - S6

III 110 - S3 S6

IV 010 S2 S3 -

V 011 S2 - S5

VI 001 - S4 S5

Braking Command (SB) = 0

10

back

Fase Komutasi I (101)

Aliran Arus (Mode Akselerasi)

a b

ibatt iin

Vbatt C

S1

S2

S3

S4ioff

ion D3

D4D2

D1

iabeab

S1

t

ON ON ONOFF OFF

(a)

S S4ioff 4

iabeab

S1

S4

Iin

Iab

t

t

t

t

ON

ON

ON ONOFF OFF

(a)

(b)

Saat switch S1 dan S4 ON (konduksi)

Saat switch S1 OFF sedangkan S4 ON (freewheeling)

11

back

Urutan Switching Inverter Mode Regeneratif

Phase a

Phase b

Phase c

Ha

Hb

Hc

S1

S3

S5

S2

S4

S6

Armature current

Back EMF

Switching signals

Commutation signals

I II III IV V VI

0° 30° 90° 150° 210° 270° 330° 30°

State Kombinasi H(a,b,c)

S1 & S2 S3 & S4 S5 & S6

I 101 S2 S3 -

II 100 S2 - S5

III 110 - S4 S5

IV 010 S1 S4 -

V 011 S1 - S6

VI 001 - S3 S6

Braking Command (SB) = 1

12

back

Fase Komutasi I (101)

Aliran Arus (Mode Regeneratif)

a b

ibatt iin

VbattC

S1

S2

S3

S4ion

ioff D3

D4D2

D1

iabeab

S3

t

ON ON ONOFF OFF

(a)

S S4ion4

iabeab

S3

S2

Iin

Iab

t

t

t

t

ON

ON

ON ONOFF OFF

ON ONOFF OFF

(a)

(b)

Saat switch S2 dan S3 ON

Saat switch S2 dan S3 OFF

13

Va back

Sistem Controlled PWM

Saat SB = 0, Sinyal referensi akselerasi lebih diutamakan MUX

Saat SB = 1, Sinyal referensi pengereman lebih diutamakan MUX

14

back

Pengaturan Kecepatan

• Sistem ini menggunakan dua macam referensi sebagai umpan balik yaitu kecepatan aktual motor dan arus output baterai.

• Output mux (mode selector) akan menjadi referensi komparator untuk menghasilkan sinyal PWM yang diinginkan.

15

back

Simulasi Sistem

Simulasi sistem dengan kecepatan bervariasi

Simulasi sistem dengan torsi bervariasi

Simulasi sistem dengan torsi pengereman bervariasi

Simulasi kemampuan regeneratif sistem

16

back

17

Simulasi Sistem dengan Kecepatan Bervariasi

back

Simulasi Sistem dengan Kecepatan Bervariasi

18

back

Parameter Simulasi Kecepatan Referensi (rpm)

1200 1000 800 400 200

Kecepatan steady state (rpm) 1201 1000 799 398 199

Kesalahan (%) 0.083 0 0.125 0.5 0.5

Waktu steady state (detik) 1,3 1,5 3 4 4,7

Osilasi respon (rmp) ± 0,4 ± 0,2 ± 0,3 ± 0,1 ± 0,2

Arus Baterai (A) 60 50,6 44 23 14

Analisis Respon Kecepatan Motor BLDC

Simulasi Sistem dengan Kecepatan Bervariasi (2)

19

back

20

Simulasi Sistem dengan Torsi Bervariasi

back

Simulasi Sistem dengan Torsi Bervariasi

Sempat Terjadi Penurunan Kecepatan

3,6 detik

AB

21

back

22

Simulasi Sistem dengan Torsi Pengereman Bervariasi

back

Simulasi Sistem dengan Torsi Pengereman Bervariasi

Mode Akselerasi Mode Regeneratif

23

back

Arus Phasa “a”

I II III IV V VI

Am

pere

Saat Mode Akselerasi

24

back

Arus Phasa “a”

Saat Mode Regeneratif

I II III IV V VI

Ampe

re25

back

Parameter Simulasi Sinyal Referensi Pengereman (volt)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Durasi pengereman (detik) 1,4 1,1 0,89 0,64 0,51

Torsi rata-rata sampai tepat berhenti (Nm)

3,3 14 36 75 157

Torsi rata-rata setelah berhenti (Nm)

1 2,8 8,5 16 22

Respon Kecepatan Motor dengan Variasi Torsi Pengereman

Simulasi Sistem dengan Torsi Pengereman Bervariasi (2)

26

back

Efek bila referensi pengereman terlalu besar

Simulasi Sistem dengan Torsi Pengereman Bervariasi (3)

Motor berputar balik

Saat referensi pengereman 0,6 volt, torsi yang terbangkit mencapai - 74 Nm Saat referensi pengereman 0,7 volt, torsi yang terbangkit mencapai - 105 Nm

27

back

28

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem

back

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem

PWM bernilai 1 (∆ton) terjadi pengereman plugging dengan memberikan arus ke motor (bernilai positif)

PWM bernilai 0 (∆toff) terjadi pengereman regeneratif sehingga arus mengalir menuju baterai (bernilai negatif)

29

back

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem (2)

Aliran daya negatif saat referensi pengereman 0,3 volt

30

Mode Akselerasi Mode Regeneratif back

Kenaikkan SOC

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem (3)

Mode Akselerasi Mode Regeneratif

31

Minus 0,087 Ah Plus 0,00304 Ah

back

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem (4)

Hasil Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem

Parameter Simulasi

Sinyal Referensi Pengereman (volt DC) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Kenaikkan SOC (%) 4,12e-4 14,3e-4 20,25e-4 18,4e-4 7,08e-4

Kenaikkan SOC (Ah) 6,2e-4 2,14e-3 3,04e-3 2,77e-3 1,06e-3

Pulsa regeneratif terbesar (Ampere)

56 170 292 416 528

Semakin besar referensi maka pulsa arus regeneratif semakin besar namun periode (∆toff) justru semakin pendek sehingga kenaikkan SOC justru semakin kecil saat referensi semakin diperbesar.

Terbesar

32

back

Simulasi Kemampuan Regeneratif Sistem (5)

• Semakin besar sinyal referensi maka torsi pengereman dan arus regeneratif yang dihasilkan juga semakin besar

• Untuk melindungi sistem dari torsi pengereman yang terlalu besar dan arus regeneratif yang melebihi rating arus charging baterai maka sinyal referensi perlu dibatasi lebih kecil atau sama dengan 0,3 volt.

33

back

Kesimpulan

1. Metode regenerasi berbasis back EMF motor BLDC ini memberikan peningkatan performa pengereman motor yang lebih baik dibandingkan penggunaan pengereman mekanik.

2. Pengaturan arus regeneratif dan torsi pengereman sistem dilakukan dengan mengubah nilai sinyal referensi pengereman ( 0 < ref ≤ 0,3 volt ).

3. Penambahan Ah baterai tidak linier terhadap kenaikkan nilai referensi pengereman dimana nilai penambahan terbesar mencapai 0,00304 Ah.

34

back

TERIMA KASIH

36

TUGAS SEMINAR

back

Tugas Seminar

Tunjukkan berapa daya yang dibutuhkan untuk pengereman plugging dan daya yang dikembalikan saat pengereman regeneratif ? Jawab :

37

back

Porsi Daya Saat Sinyal Referensi Pengereman 0,3 Volt

38

PReg = 2331 watt

- PPlug = 361 watt

= 1970 watt

* Daya rata-rata

1970 Ws

back

PReg 645 % lebih besar dari PPlug

Arus Saat Referensi 0,3 Volt

39

back

40

PReg = 1475 watt

- PPlug = 103 watt

= 1345 watt

* Daya rata-rata

1345 Ws

back

Porsi Daya Saat Sinyal Referensi Pengereman 0,2 Volt

PReg 1432 % lebih besar dari PPlug

41

back

Arus Saat Referensi 0,2 Volt