Eko Hadi Nur Effendy
Universitas Gunadarma, Jakarta
Email : yaa.fendy.lah@gmail.com
Astraksi: Paper ini berkaitan dengan mengenai proses pengereman regeneratif untuk mobil listrik yang bermotor arus searah. Salah satu dari banyak upaya menghemat energi listrik pada kendaraan adalah untuk mengembalikan energi pengereman kembali ke baterai. Torsi pengereman harus disesuaikan seperlunya. Downslide misalnya di jalan, kendaraan mengerem hanya untuk mengurangi kecepatan. Tourque pengereman dapat disesuaikan dengan bervariasi dari siklus dari helikopter. Ketika mempelajari lebih lanjut, ditemukan bahwa tidak semua energi pengereman dapat dikembalikan ke baterai.
Kata Kunci : Penghematan Energi, DC Motor Control, Pengeraman Regeneratif
1. Pendahuluan
Mobil listrik mengandalkan energi terbatas yang disimpan pada baterai sebagai energi penggeraknya. Karena itu akan sangat bermanfaat bila energi yang biasanya terbuang pada pengereman dapat dikembalikan untuk mengisi baterai. Pengereman pada mobil listrik diperlukan untuk berhenti, memperlambat laju mobil ataupun untuk mempertahankan kecepatan pada jalan yang menurun. Jadi jika terpaksa sering dilakukan pengereman, bateraipun sering diisi kembali.
Pengereman pada motor listrik dapat dilaksanakan secara mekanik atau secara elektrik. Pengereman secara elektrik dapat dilaksanakan dengan tiga cara yaitu secara dinamis, plugging dan regeneratif.
Pengereman secara dinamis, membuat motor listrik seolah-olah berfungsi sebagai generator. Gaya gerak listrik yang ditimbulkan pada belitan jangkar dibebani dengan resistor. Jadi energi pengereman terbuang sebagai panas pada resistor tersebut.
Pada saat pengereman secara plugging dilakukan pembalikan polaritas tegangan pada jangkar atau pada penguat medan. Karena dengan cara ini motor cepat berhenti berputar, malah cenderung berbalik arah.
Pada pengereman secara regeneratif, energi kinetik motor dan beban dikembalikan ke sumber sebagai energi listrik untuk mengisi baterai. Gaya gerak listrik yang timbul pada belitan jangkar dibebani dengan tegangan sumber yaitu baterai. Namun tegangan sumber dapat lebih tinggi dari gaya gerak listrik tersebut sehingga diperlukan suatu rangkaian pemenggal untuk menaikkan tegangan.
Motor yang dipakai untuk mobil listrik harus dapat diatur untuk bekerja baik dalam arah maju maupun arah mundur, dan kedua arah dapat dilakukan pengereman. Torsi pengereman regeneratif dapat diatur. Tetapi pengereman regeneratif tidak dapat bekerja pada putaran rendah dan tentu tidak dapat dipakai untuk mengunci motor agar tetap dalam keadaan diam. Jadi pada mobil listrik, tetap diperlukan pengereman dengan cara lain.
Pembahasan mengenai pengaturan torsi pengereman regeneratif menjadi menarik karena ada harapan untuk dapat mengembalikan energi pengereman yang biasanya terbuang sebagai panas, untuk dikembalikan ke baterai. Kita tidak selalu bermaksud mengerem dengan torsi maksimum, sehingga perlu pengaturan torsi pengereman. Kita juga perlu memahami karakter pengereman regeneratif agar tidak menumpukan harapan yang berlebihan pada cara pengereman ini.
2. Dasar Teori
2.1. Motor Arus Searah
2.1.1. Persamaan Gaya Gerak Listrik
Persamaan gaya gerak listrik memberikan nilai tegangan yang timbul pada belitan jangkar mesin arus searah. Persamaan ini diturunkan dari Hukum Faraday bahwa: “emf = total fluks magnet yang dipotong tiap satuan waktu”.
dengan:
Vo = gaya gerak listrik
φ = fluks tiap kutub (Weber)
p = jumlah kutub
n = kecepatan putar rotor (rpm)
Z = jumlah konduktor jangkar
a = jumlah lintasan paralel
ω = kecepatan sudut rotor (rad/s)
If = kuat arus medan
Kv = konstanta tegangan (V/A-rad/s)
2.1.2. Persamaan Torsi
Tenaga mekanis yang dibangkitkan oleh jangkar yang berputar pada kecepatan ωm rad/s adalah Te ωm dengan Te adalah torsi (elektromagnetik). Torsi ini ditimbulkan pada saat arus jangkar adalah ia pada tegangan (induksi) jangkar e, tenaga jangkar adalah e ia. Jadi Te ωm = e ia , menjadi :5)
Te = ka ia
Ini disebut persamaan torsi. Bila fluks magnet medan belum jenuh, maka:
Te = Kt If ia.
3)
2.1.3. Persamaan Kecepatan
Jangkar suatu motor arus searah beserta sumber tegangan dan pemenggal dapat direpresentasikan sebagai Gambar-1.
Dalam keadaan tunak
Vt = V0 + Ia Ra
4)
Diperoleh: ω = (Vt – Ia Ra)/ Kv If
5)
Ini disebut persamaan kecepatan.
2.2. Pengereman Regeneratif
Bagan rangkaian pemenggal yang bekerja sebagai pengerem regeneratif dipaparkan pada Gambar-1. Vo adalah gaya gerak listrik yang dibangkitkan oleh mesin arus searah, sedangkan Vt adalah tegangan sumber bagi motor sekaligus merupakan baterai yang diisi. Ra dan La masing-masing adalah hambatan dan induktansi jangkar.
Gambar 1 : Bagan Pengerem Regeneratif
Prinsip kerja rangkaian ini adalah sebagai berikut:
Ketika saklar pemenggal dihidupkan, maka arus mengalir dari jangkar, melewati saklar dan kembali ke jangkar. Ketika saklar pemenggal dimatikan, maka energi yang tersimpan pada induktor jangkar akan mengalir melewati dioda, baterai dengan tegangan Vt dan kembali ke jangkar.
Analogi rangkaian sistem pengereman regeneratif dari Gambar-1 dapat dibagi menjadi dua mode. Mode-1 ketika saklar on dan mode-2 ketika saklar off seperti ditunjukkan pada Gambar-2.a dan b. Sedangkan Gambar-3 menunjukkan arus jangkar yang kontinyu dan yang tidak kontinyu.
Gambar-2. Rangkaian ekivalen untuk a) saklar on; b). Saklar off.
dengan:
Vo = gaya gerak listrik
La = induktansi jangkar
Ra = resistansi jangkar
Vt = tegangan baterai
i1 = kuat arus jangkar ketika pemenggal on (arus tidak melewati baterai)
i2 = kuat arus jangkar ketika pemenggal off (arus melewati baterai)
Gambar 3 : Arus Jangkar. a). Arus Kontinyu; b). Arus Terputus.
dengan:
I1o =kuat arus jangkar saat pemenggal mulai on
I2o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai off
ton = lama waktu pemenggal on
toff = lama waktu pemenggal off
td = lama waktu dimana i2 tidak nol
Tp = perioda pemenggal, Tp = ton + toff
Besar arus i1 dan besar arus i2 masing-masing dapat ditentukan dengan persamaan:
dengan τa = La / Ra konstanta waktu jangkar motor.
Dari Gambar-3 dapat dinyatakan jika ton + td > Tp maka arus jangkar akan kontinyu, tidak pernah mencapai nol, tidak terputus, sebaliknya jika ton + td <>maka arus jangkar terputus.
Untuk arus jangkar terputus, besaran arus i2 awal yaitu I2o diperoleh dengan menghitung i1 dengan memasukkan I1o = 0 dan t = ton pada persamaan 6). Karena i2 = 0 pada t = td maka persamaan 6) dan 7) memberikan:
dimana A = Vo / Vt
9)
10)
Ternyata untuk ton/τa >> 1, td tidak tergantung pada ton. Persamaan 9) dan 10) ditunjukkan secara grafik pada Gambar-4. Dengan mendefinisikan ζ = Tp/toff dan ρ = Tp/τa., maka persamaan 10) dapat ditulis:
Perhatikan bahwa ζ = Tp/toff , jadi 
off cycle. Persamaan 11) memberikan batas-batas kapan arus jangkar menjadi kontinyu atau terputus.
Batas tersebut untuk ρ kecil adalah:
Gambar 4 : Hubungan Antara ton dan td1)
2.3. Torsi Pengereman Regeneratif
Tenaga pengereman adalah:
14)
Tenaga regeneratif adalah:
15)
Arus jangkar rata-rata adalah:
16)
Dengan memakai besaran arus ini, maka torsi pengereman dapat dinyatakan dengan:
Perhatikan bahwa hanya sebagian saja dari torsi ini yang ditimbulkan oleh tenaga regenerasi, yaitu sebesar:
Jika dijadikan variabel bebas maka diperoleh:
1. (off cycle) dapat dipakai sebagai pengatur torsi pengereman. Torsi turun dengan kenaikan . Nilai adalah 0 sampai 1.
2. Jika = 0 (saklar on terus), maka torsi pengereman menjadi maksimum, tetapi tidak ada energi yang dikembalikan ke sumber. Semua energi pengereman akan didisipasikan menjadi panas pada jangkar.
3. Jika = 1 (saklar off terus), maka hampir semua energi regenerative dikembalikan ke sumber. Tetapi saklar tidak dapat dibuka terus karena tidak akan terjadi arus menuju Vt.
4. Torsi pengereman dapat lebih besar dengan kenaikan A, sedangkan A = Vo/Vt. Jadi torsi pengereman dapat lebih besar pada kecepatan putar yang lebih tinggi
2.4. Batas Kecepatan Putar Untuk Pengereman
Agar sistim pengereman regeneratif dengan pemenggal ini tetap stabil, maka tegangan yang dihasilkan harus berada dalam batas-batas tertentu, sehingga kecepatan motor juga harus dalam batas-batas tertentu. 2)
0 ≤ (Vo – Ra Ia) ≤ Vt
19)
Jadi:
20)
21)
Dibawah kecepatan minimum, torsi pengereman menjadi nol. Sedangkan di atas kecepatan maksimum, sistem tidak stabil karena adanya kenaikan arus terus menerus menuju sumber.
3. Rangkaian Pengendali Pemenggal
Rangkaian saklar transistor pemenggal dipaparkan pada Gambar-5 yang dikendalikan dengan modulator lebar pulsa.4) Komponen utama rangkaian adalah transistor daya yang dioperasikan sebagai saklar, empat buah penguat operasi dalam satu emping. Komponen utama rangkaian adalah transistor Q1 yaitu TIP31 dan penguat operasi LM3900.6)
Gambar 5 : Rangkaian Pengendali Pemenggal
3.1. Komponen utama rangkaian
Komponen utama rangkaian adalam penguat operasi LM3900 dan transistor. Pemilihan transistor terutama ditentukan oleh arus maksimum yang akan dilaluinya. Berikut ini ditunjukkan data transistor masing-masing TIP31A: 3)
Data transistor XP43:
Pol: N; VCB max = 80V; VCE max = 60V;
IC max = 60A; TJ max = 200C; PTOT = 300WC;
FR min = 2M; HFE = 50/150 HFE bias = 10A;
Gambar 6 : Karakteristik transistor tipikal.
3.2 Saklar Transistor
Suatu karakteristor transistor tipikal ditunjukkan pada Gambar- 6. Transistor yang bekerja sebagai saklar dioperasikan pada daerah jenuh, pada VCE mendekati nol. Jika tegangan basis transistor negatif maksimum, maka transistor menyumbat dan berlaku sebagai saklar terbuka. Jika tegangan basis transistor positip maksimum, maka tegangan kolektor emitor kecil dan transistorpun jenuh dan berlaku sebagai saklar yang menutup.
3.3 Prinsip Kerja Rangkaian
A1 adalah penguat operasi yang bekerja sebagai osilator. Frekwensi osilasi ditentukan oleh konstanta waktu RC 30K dan 0,005mF, dan perbandingan resistor 1.5M dengan 2M itu. A2 adalah penguat operasi yang bekerja sebagai pembangkit tegangan gigigergaji. Sedangkan A3 bekerja sebagai variable comparator dengan tegangan referensi negatip.Tegangan referensi dapat diubah-ubah melalui brake control, pengatur torsi pengereman. Keluaran A3 sudah berupa gelombang segi empat dengan lebar pulsa yang sudah diatur. A4 adalah penguat. Transistor TIP31 adalah saklar pemenggal yang duty cyclenya dikendalikan. Minimum brake adjust berguna untukmempertahankan waktu off minimum agar pengereman regeneratif masih bekerja. Sebaliknya maximum brake adjust untuk membatasi arus jangkar pada pengereman.
4. Pembahasan
Gaya gerak listrik yang dihasilkan oleh motor diusahakan untuk dapat mengisi kembali baterai dengan cara menaikkan tegangan tersebut dengan rangkaian pemenggal, yaitu rangkaian yang memutus
dan menyambungkan kembali arus jangkar yang terbangkitkan. Ketika pemenggal on, maka arus jangkar langsung kembali ke jangkar tanpa mengisi baterai dan menghasilkan torsi pengereman yang maksimum. Ketika pemenggal off, energi yang tersimpan pada induktansi rangkaian mengalir dengan tegangan yang bertambah, dan jika tegangan ini lebih besar dari tegangan baterai, maka ia akan mengisi baterai.
Torsi pengereman akan maksimum jika diusahakan arus jangkar yang dibangkitkan juga maksimum yaitu ketika pemenggal on terus, tetapi arus ini tidak mengisi baterai. Tenaga pengisian akan
maksimum jika off cycle dibuat panjang tetapi berakibat berkurangnya torsi untuk pengereman.
Jadi panjangnya waktu off cycle dapat dihubungkan dengan pedal rem sedemikian rupa sehingga torsi pengereman sesuai dengan kebutuhan. Lamanya waktu off cycle ini dikendalikan oleh rangkaian pengatur lebar pulsa dengan transistor daya sebagai penguat akhir.
4. Kesimpulan
1. Torsi pengereman dapat diatur dengan mengubah off-cycle yaitu perbandingan antara waktu mati dengan perioda pemenggal.
2. Torsi pengereman menjadi maksimum jika off-cycle=0 (saklar on terus), Tetapi tidak ada energi yang dikembalikan ke baterai. Semua energi pengereman akan didisipasikan menjadi panas pada jangkar.
3. Energi regeneratif maksimum jika off-cycle=1 (saklar off terus), Tetapi saklar tidak dapat dibuka terus karena tidak akan terjadi arus menuju baterai.
4. Torsi pengereman dapat lebih besar pada kecepatan putar lebih tinggi.
5. Sistem pengereman regeneratif mobil listrik hanya dapat bekerja pada batas-batas kecepatan putar motor tertentu.
6. Daftar Pustaka
1. Rashid, Muhammad H. Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications 2nd edition. New Jersey: Prentice Hall, 1993.
2. Data dan Persamaan Transistor (Tower’s International Transistor Selector). Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1999.
3. Yudistira, HA, dan R. Dwi Noor. Ensiklopedia Rangkaian Elektronika 2.Jakarta: PT. Elex Media Komputindo, 1998.
4. Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid 1, terjemahan oleh Edi Laksono, Penerbit Erlangga, 1995.
