Microchip Technology: Mengoptimalkan Kontrol Motor untuk Efisiensi Energi

Hitekno.com - Microchip ology menjelaskan bagaimana mengoptimalkan kontrol motor untuk efisiensi energi. Di dunia modern ini, motor ada di mana-mana, menggerakkan berbagai hal mulai dari peralatan rumah tangga hingga mesin industri.

Pentingnya mengoptimalkan kontrol motor untuk efisiensi energi tidak bisa dianggap remeh, mengingat motor menyumbang sebagian besar konsumsi energi global.

Microchip ology membahas struktur motor, penggunaan Variable Frequency Drive (VFD), serta berbagai solusi untuk aplikasi kontrol motor, termasuk dukungan hardware dan algoritma canggih.

Baca Juga: Microchip Technology: Layar Sentuh OLED Akan Mengubah Interface dan Pengalaman Berkendara?

Prevalensi Motor

Motor merupakan bagian tidak terpisahkan dari kehidupan kita sehari-hari. Kita bisa menemukannya di berbagai peralatan rumah tangga seperti mesin cuci, pengering, mesin pencuci piring, dan pompa kolam renang.

Dalam dunia otomotif, motor juga memainkan peran penting – kini mobil modern memiliki sekitar 40 hingga 100 motor, tergantung pada model dan tingkat trim.

Baca Juga: Microchip: Penting Mengetahui Bahaya dan Langkah Penanggulangan Pusat Data

Lingkungan industri sangat bergantung pada motor, khususnya dalam robotika dan otomatisasi pabrik.

Konsumsi dan Efisiensi Energi

Menurut Energy Information Administration, sekitar 50% konsumsi energi global disebabkan oleh motor.

Baca Juga: Microchip Luncurkan MPLAB Machine Learning Development Suite, Memudahkan Integrasi ML ke MCU dan MPU

Dalam aplikasi industri, angka ini dapat melebihi 80%. Misalnya, di Amerika Serikat, total konsumsi energi pada tahun 2022 adalah 4,07 triliun kilowatt-jam, atau setara dengan konsumsi harian sebesar 11,2 miliar kilowatt-jam.

Meningkatkan efisiensi motor hanya sebesar 1% dapat menghemat 56 juta kilowatt-jam energi setiap harinya.

Tren Utama dalam Efisiensi Motor

Baca Juga: CEO Microchip Technology Ungkap Pencapaian dan Kesiapan Menghadapi 2023

Motor Hemat Energi

Salah satu tren utama dalam efisiensi motor adalah peralihan dari motor tradisional, seperti motor induksi AC, ke jenis yang lebih efisien seperti motor Brushless DC (BLDC), Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), dan motor Interior Permanent Magnet (IPM).

Jenis motor ini menawarkan efisiensi yang lebih tinggi dan performa yang lebih baik. Selain itu, kemajuan dalam penggunaan material, seperti penggunaan logam amorf dan magnet tanah jarang, telah semakin meningkatkan efisiensi motor.

Kemajuan Struktur dan Material Motor

Dalam bidang teknologi motor, kemajuan dalam bahan dan desain telah meningkatkan efisiensi dan performa motor secara signifikan selama seabad terakhir. Memahami komponen utama motor dan peningkatan yang dilakukan dapat memberikan wawasan berharga tentang kemajuan ini.

Sebuah motor biasanya terdiri dari suatu end bell, rotor, bearing, dan stator dengan lilitan kawat. Selama bertahun-tahun, bahan-bahan yang digunakan dalam komponen ini telah berkembang.

Misalnya, peralihan dari aluminium ke tembaga pada koil rotor dan stator telah meningkatkan konduktivitas dan efisiensi. Selain itu, kemajuan dalam toleransi manufaktur telah mengurangi kebisingan dan semakin meningkatkan efisiensi.

Salah satu tren penting dalam teknologi motor adalah penggunaan bahan amorf pada rotor dan stator. Secara tradisional, baja silikon digunakan, namun material ini memiliki arus eddy dan kerugian histeresis yang tinggi.

Kini, baja silikon mulai digantikan oleh material amorf seperti kaca metalik, yang memiliki kerugian lebih rendah dan dengan demikian efisiensi lebih tinggi. Di bidang motor magnet permanen, telah terjadi peningkatan yang signifikan juga.

Magnet yang lebih kuat, seperti yang terbuat dari bahan tanah jarang seperti neodymium, besi, dan boron, memberikan torsi dan efisiensi yang lebih besar.

Akan tetapi, dikarenakan masalah keberlanjutan, alternatif seperti aluminium, nikel, kromium, dan magnet berbasis ferit sedang dieksplorasi karena sifatnya yang baik pada berbagai suhu dan medan magnet yang kuat.

Transisi dari journal bearing ke ball bearing telah berperan penting dalam mengurangi gesekan dan meningkatkan toleransi, sehingga meningkatkan efisiensi motor.

Selama seabad terakhir, ukuran motor telah menjadi jauh lebih kecil sambil mempertahankan output daya yang sama.

Sebagai contoh, motor listrik squirrel-cage rotor tiga fase dengan daya 5 tenaga kuda (horsepower) saat ini memiliki ukuran jauh lebih kecil dan bobotnya hanya sekitar 20% dari motor dengan daya serupa pada tahun 1910.

Pengurangan ukuran ini dapat disebabkan oleh penggunaan bahan yang lebih ringan dan lebih efisien, serta kemajuan dalam isolasi termal dan listrik.

Motor yang lebih ringan sangat bermanfaat untuk aplikasi otomotif, di mana pengurangan berat dapat meningkatkan efisiensi dan kemampuan untuk mengintegrasikan motor ke dalam ruang yang lebih kompak.

Dampak dari kemajuan teknologi ini sangat besar, yang menghasilkan sistem motor yang lebih efisien yang dapat memberikan performa dan penghematan energi yang lebih baik.

Peningkatan berkelanjutan dalam material dan desain motor telah menghasilkan kemajuan signifikan dalam efisiensi dan performa.

Mulai dari penggunaan material amorf dan magnet yang lebih kuat hingga evolusi bantalan dan penyusutan ukuran motor, berbagai inovasi ini mendorong masa depan teknologi motor.

Seiring dengan terus dieksplorasinya material dan desain baru, potensi untuk mencapai efisiensi dan kinerja yang lebih tinggi dalam sistem motor tetap sangat menjanjikan.

Penggunaan Variable Frequency Drives (VFD)

Variable Frequency Drives (VFD) semakin popular digunakan untuk mengontrol kecepatan motor dan meningkatkan efisiensi. VFD bekerja dengan menyesuaikan kecepatan motor sesuai dengan kebutuhan beban, sehingga mengurangi konsumsi energi.

Selain itu, peralihan dari Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) ke teknologi Silicon Carbide (SiC) dalam VFD juga telah berkontribusi pada efisiensi yang lebih tinggi dan peralihan yang lebih cepat.

Variable Frequency Drive (VFD) dan Dampaknya

Variable Frequency Drives (VFD) telah merevolusi kontrol motor dengan memungkinkan kontrol yang tepat atas kecepatan dan torsi motor. Teknologi ini mengoptimalkan performa motor dan secara signifikan meningkatkan efisiensi sistem.

Suatu VFD menyesuaikan frekuensi dan tegangan yang disuplai ke motor, sehingga motor dapat beroperasi pada titik paling efisien untuk suatu beban tertentu.

Sebagai contoh, sistem motor tradisional sering kali beroperasi pada daya penuh, dengan pengaturan laju aliran yang dikontrol oleh katup pengatur, yang menyebabkan kehilangan energi yang besar.

Sebaliknya, VFD tidak memerlukan throttling dengan menyesuaikan kecepatan motor agar sesuai dengan laju aliran yang dibutuhkan, sehingga mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.

Penelitian telah menunjukkan bahwa beralih ke suatu VFD dapat meningkatkan efisiensi sistem motor lebih dari dua kali lipat, dari sekitar 31% menjadi 72%.

Solusi dari Microchip ology

Microchip ology menawarkan beberapa solusi komprehensif untuk aplikasi kontrol motor, termasuk dukungan hardware dan algoritma tingkat lanjut.

Portofolionya mencakup mikrokontroler, gate driver, elektronika daya (power electronics), dan sensor, yang semuanya dirancang untuk mengoptimalkan performa motor.

Dukungan Hardware

Microchip ology menyediakan dukungan hardware yang lengkap untuk membantu mempercepat proses desain dan pengembangan sistem kontrol motor, sekaligus mengoptimalkan performa dan efisiensi. Untuk variable frequency drive (VFD), Microchip menawarkan konverter dan inverter AC-DC yang menggunakan MOSFET Silicon Carbide (SiC) dengan efisiensi tinggi dan gate driver canggih untuk pengalihan yang presisi.

Inverter ini, yang dikontrol oleh Digital Signal Controller (DSC) dsPIC, mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) dengan frekuensi variabel guna pengoperasian motor yang efisien.

Sensor terintegrasi memberikan umpan balik secara real-time pada arus, tegangan, dan suhu, yang meningkatkan keandalan sistem.

Microchip ology juga menyediakan papan evaluasi dan pengembangan, desain referensi, pustaka software, dan alat pengembangan untuk mendukung desain dan implementasi algoritma kontrol motor yang canggih.

Algoritma Kontrol Tingkat Lanjut

Algoritma merupakan elemen penting dalam mengoptimalkan sistem kontrol motor. Metode-metode tradisional, seperti kontrol V/F untuk motor induksi AC, tergolong hemat biaya dan mudah digunakan, namun efisiensinya belum tentu optimal.

Algoritma yang lebih canggih, seperti komutasi enam langkah untuk motor BLDC dan PMSM, menyediakan kontrol torsi yang lebih baik dan dapat berbasis sensor atau tanpa sensor.

Algoritma yang paling efisien adalah field-oriented control (FOC), yang menawarkan efisiensi tinggi, Tingkat kebisingan rendah, serta performa torsi dan kecepatan yang sangat baik. FOC dapat diimplementasikan dengan atau tanpa sensor, bergantung pada jenis motor dan kebutuhan aplikasi.

Solusi kontrol motor dari Microchip menggabungkan algoritma canggih, seperti FOC, Maximum Torque per Ampere (MTPA), dan pelemahan medan untuk memaksimalkan efisiensi dan performa.

Algoritma ini didukung oleh alat seperti MPLAB motorBench Development Suite, yang memfasilitasi penerapan dan penyetelan algoritma kontrol.

Selain itu, Microchip menawarkan kemampuan machine learning untuk predictive maintenance, untuk memastikan motor beroperasi optimal dan mengurangi risiko kerusakan mendadak.

Algoritma kontrol Zero-Speed/Maximum-Torque (ZS/MT) adalah varian baru dari algoritma FOC tanpa sensor yang memungkinkan penerapan teknik kontrol tanpa sensor dalam aplikasi kontrol motor torsi kecepatan tinggi atau kecepatan rendah.

ZS/MT tidak memerlukan sensor efek Hall dengan menggunakan metode Initial Position Detection (IPD) yang andal berdasarkan High-Frequency Injection (HFI) untuk menentukan posisi rotor yang tepat pada kecepatan nol dan pada kecepatan rendah, sehingga ideal untuk aplikasi seperti mesin bor, pembuka pintu garasi, starter otomotif, dan e-bike.

Integrasi dengan IoT dan AI/ML

Integrasi teknologi Internet of Things (IoT) dan Artificial Intelligence (AI) telah merevolusi sistem kontrol motor.

Sensor berperan penting dalam sistem ini, karena berfungsi untuk mendeteksi parameter seperti arus, torsi, dan posisi rotor.

Sensor-sensor ini memasukkan data ke dalam mikrokontroler yang mampu memproses informasi tersebut.

Dengan integrasi algoritma machine learning, sistem ini dapat melakukan predictive maintenance dengan menganalisis data sensor untuk memprediksi potensi kerusakan motor atau kebutuhan perawatan motor.

Kemampuan ini sangat bermanfaat dalam lingkungan industri, di mana kerusakan motor yang tidak terduga dapat menyebabkan waktu henti yang signifikan dan kerugian finansial.

Predictive maintenance ini memastikan bahwa motor beroperasi pada efisiensi dan performa puncak, mengurangi kemungkinan kerusakan yang tidak terduga.

Predictive Maintenance

Predicitve maintenance menggunakan sensor-sensor dan algoritma machine learning untuk memantau kesehatan motor dan mengidentifikasi potensi masalah sebelum berakibat pada kegagalan.

Dengan terus menganalisis parameter seperti arus, torsi, dan getaran, predicitve maintenance memastikan pengoperasian motor yang efisien dan meminimalkan waktu henti.

Pendekatan ini sangat menguntungkan dalam lingkungan industri di mana kegagalan motor yang tidak terduga dapat menyebabkan kerugian produksi yang substansial.

Aplikasi demonstrasi dari Microchip menampilkan predictive maintenance untuk motor menggunakan MPLAB Machine Learning Development Suite bersama dengan dsPIC LVMC Motor Control Board.

Sistem ini menggunakan suatu model klasifikasi untuk menentukan status operasional motor, mengidentifikasi apakah motor berfungsi normal atau mengalami anomali seperti beban yang tidak seimbang atau bearing yang rusak dengan memantau arus Iq motor.

Mengoptimalkan kontrol motor untuk efisiensi energi sangat penting untuk mengurangi konsumsi energi global dan meningkatkan performa berbagai aplikasi.

Dengan beralih ke motor yang efisien, memanfaatkan VFD, menerapkan algoritma kontrol lanjutan, dan mengintegrasikan teknologi IoT dan AI, penghematan energi yang signifikan dapat dicapai.

Microchip ology menyediakan rangkaian solusi komprehensif untuk mendukung upaya ini, menyediakan hardware, software, dan keahlian yang dibutuhkan untuk mengembangkan sistem kontrol motor yang efisien.

Seiring meningkatnya permintaan akan solusi hemat energi, kemajuan dalam teknologi kontrol motor akan berperan penting dalam memenuhi kebutuhan ini.