Penurunan Rating Tegangan pada Belitan Motor Induksi 3 Fasa dengan Metode Rewinding untuk Aplikasi Kendaraan Listrik Muhammad Qahhar 2209 100 104
Dosen Pembimbing: Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D. Dimas Anton Asfani, ST., MT., Ph.D. 1
Latar Belakang
Baterai
Motor Penggerak
2
Motor Penggerak •
EFISIENSI 1. 2. 3. 4.
PENGEMBANGAN
PMBM IM SRM DCM
KEANDALAN
1. IM
1. IM
2. DCM
2. DCM
3. PMBM
3. PMBM
4. SRM
DC MOTOR (DCM)
KERAPATAN DAYA
4. SRM PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MOTOR (PMBM)
FAKTOR BIAYA
1. PMBM
1. IM
2. IM
2. DCM
3. SRM
3. SRM
4. DCM
4. PMBM
SWITCHED RELUCTANCE MOTOR (SRM)
3
INDUCTION MOTOR (IM)
P U I
L
4
Motor Induksi
TOPIK UTAMA Perbandingan Karakteristik
Penurunan Rating Tegangan
5
Batasan Masalah • Pengukuran nilai parameter menggunakan peralatan laboratorium Konversi Energi Teknik Elektro ITS • Rewinding dilakukan dengan bantuan teknisi ahli • Simulasi dan analisis menggunakan perangkat lunak
6
Parameter Motor Induksi 3 Fasa Awal Parameter Manufacturer Rated Voltage Output Power Rated Current Power Factor Rated Speed Rated Frequency Number of Poles Insulation Class (Is) Index Protection (IP) Type Parameter Type Output Power Rated Speed Rated Frequency Efficiency Power Factor Rotor Inertia
Nilai Alliance-Motori 220/380 V 1 HP 3.6/2.1 A 0.76 1390 rpm 50 Hz 4 F 55 A-Y3A-80M2-4 B3 Nilai A-Y3A-80M2-4 B3 1 HP 1390 rpm 50 Hz 73 % 0,76 0,0021 kg.m2 7
Penambahan Mounting, Terminal, dan Coupling Gear
8
Penentuan Rangkaian ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Tes DC
Tes no-load
Tes blocked-rotor
9
Tes DC IDC (A)
𝑅1 =
𝑉𝐷𝐶 𝐼𝐷𝐶
0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 1,05 1,2 1,35 1,5 1,65 1,8 1,95 2,1
nilai rata-rata R1 sebesar 19,96415 Ω.
VDC (V) 0 2,8 5,7 8,5 11,5 14,4 17,4 20,6 23,6 26,7 30,1 34,5 38,1 42,6 46,6
R1 (Ω) 0 18,666667 19 18,888889 19,166667 19,2 19,333333 19,619048 19,666667 19,777778 20,066667 20,909091 21,166667 21,846154 22,190476
10
Tes no-load VLN (V)
cos φ 0 20 30 35 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0 0,55 0,56 0,83 0,8 0,59 0,4 0,29 0,19 0,14 0,1 0,09 0,07 0,04 0,03
IL (A) 0 0,52 0,78 0,38 0,31 0,28 0,3 0,37 0,44 0,52 0,61 0,72 0,84 1,05 1,27
11
Tes blocked-rotor
VLN cos φ IL
83,5 0,59 2,1
12
Penentuan Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Awal (1)
•
tes DC:
R1 = 19,96415 Ω •
tes No-load: IL = 1,05 A Vϕ,nl = 220 V
𝑍𝑒𝑞.𝑛𝑙 = 209,52 Ω ≈ 𝑋1 + 𝑋𝑀 Rugi tembaga stator yaitu 𝑃𝑆𝐶𝐿 = 3. 𝐼1 2 . 𝑅1 = 3. 1,05 𝐴 2 . 19,96 Ω = 66,03 𝑊 Rugi no-load yaitu 𝑃𝑛𝑙 = 3 . 𝑉∅ . 𝐼𝐿 . 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 3 . 220 . 1,05 . 0,07 = 48,51 𝑊
13
•
Penentuan Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Awal (2) tes blocked-rotor: 𝑉∅ 83,5 = = 39,76 Ω 𝐼𝐿 2,1 dan sudut impedansi (θ) yaitu 𝑍𝐿𝑅 =
𝜃 = cos −1 𝑃𝐹 = cos −1 0,59 = 53,84°
maka, RLR = 39,76 . cos (53,84°) = 23,46 Ω = R1+R2.
R1 = 19,96415 Ω R2 = 3,49585 Ω 𝑋𝐿𝑅 = 39,76 . 𝑠𝑖𝑛 (53,84°) = 32,104 𝛺
untuk motor induksi kelas A, maka reaktansinya dibagi sama rata antara rotor dan stator
𝑿𝑴 = 𝑍𝑛𝑙
𝑿𝟏 = 𝑿𝟐 = 𝟏𝟔, 𝟎𝟓𝟐 𝜴 − 𝑋1 = 209,52 − 16,052 = 𝟏𝟗𝟑, 𝟒𝟕𝟐 𝜴 14
Rangkaian Ekivalen Total Motor Induksi 3 Fasa Awal
15
Nilai Ekivalen Thevenin Motor Induksi 3 Fasa Awal • 𝑉𝑇𝐻 ≈ 𝑉∅
𝑋𝑀 𝑋1 +𝑋𝑀
= 𝑉∅
𝑋𝑀 𝑅1 2 +(𝑋1 +𝑋𝑀 )2
𝑉𝑇𝐻 = 202,229 𝑉 • 𝑅𝑇𝐻 ≈ 𝑅1 • 𝑋𝑇𝐻 ≈ 𝑋1
2 𝑋𝑀 𝑋1 +𝑋𝑀
𝑅𝑇𝐻 ≈ 17,0223 𝛺 𝑋𝑇𝐻 ≈ 16,052 𝛺
16
Slip dan Torsi Motor Induksi 3 Fasa 𝑅
• 𝑆𝑚𝑎𝑥 =
2
𝑅𝑇𝐻 2 +(𝑋𝑇𝐻 +𝑋2 )2
𝑺𝒎𝒂𝒙 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟖 = 𝟏𝟎, 𝟖% 3𝑉𝑇𝐻 2
• 𝜏𝑚𝑎𝑥 =
2𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝑇𝐻 2 + 𝑋𝑇𝐻 +𝑋2 2
𝝉𝒎𝒂𝒙 = 𝟕, 𝟑𝟐 𝑵. 𝒎 •
𝜏𝑖𝑛𝑑 =
3𝑉𝑇𝐻 2 .𝑅2 𝑠 𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻 +𝑅2 𝑠 2 + 𝑋𝑇𝐻 +𝑋2 2
𝝉𝒊𝒏𝒅 = 𝟕, 𝟏𝟑 𝑵. 𝒎
• 𝜏𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 =
3𝑉𝑇𝐻 2 .𝑅2 𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻 +𝑅2 2 + 𝑋𝑇𝐻 +𝑋2 2
𝝉𝒔𝒕𝒂𝒓𝒕 = 𝟏, 𝟖𝟖 𝑵. 𝒎
17
Konstruksi Motor Induksi 3 Fasa Awal Parameter Tegangan Fasa Rating
Nilai 220 V
Arus Rating Jumlah kutub (P) Jumlah slot stator (G)
2,1 A 4 24
Diameter inti stator (D) Panjang inti stator (L) Diameter konduktor Jumlah belitan per kutub per fasa
10,64 cm 6,8 cm 0,55 mm 125
Jumlah belitan pada sebagian kutub sebesar 128 belitan
18
Penghitungan Belitan secara Teoritis •
𝜏𝑝 =
𝜋.𝐷 𝑃
=
𝜋 .0,1064 𝑚 4
= 𝟎, 𝟎𝟖𝟑𝟔 𝒎
• motor dengan diameter inti stator 0,15 meter digunakan Bav = 0,35 Wb/m2 ɸ = 𝐵𝑎𝑣 . 𝐿. 𝜏𝑝 = 0,35 . 0,068 . 0,0836 = 𝟏, 𝟗𝟗 𝐱 𝟏𝟎−𝟑 𝐖𝐛 • •
• •
𝐺 24 = =𝟐 𝑃 .𝑀 4 .3 180° 𝑘𝑝 = 𝑠𝑖𝑛 =𝟏 2 360° 360° 𝛾= = = 𝟏𝟓° 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒏 𝐺 24 𝑠𝑖𝑛(2 .(15°/2)) 𝑘𝑑 = = 𝟎, 𝟗𝟗𝟏𝟒 2 .𝑠𝑖𝑛(15°/2)
𝑛=𝑞=
• 𝑇𝑝ℎ =
56 4,44 .50 .1,99 x 10−3 .0,9914 .1
= 𝟏𝟐𝟖 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧/fasa 19
Penentuan Ukuran Konduktor (1) • •
𝑆𝐴 = 3𝑉𝐴 𝐼𝐴 = 𝑆𝐵 = 3𝑉𝐵 𝐼𝐵 𝑉𝐴 = 220 𝑉 ; 𝑉𝐵 = 56 𝑉, maka
220 𝐼𝐵 = 𝐼 56 𝐴
𝐼𝐵 =
= 𝟖, 𝟐𝟓 𝑨
𝛼𝐴 =
𝐼𝐴 𝛿
•
220 𝛼𝐵 = 𝛼𝐴 56 ∝𝐴 = 𝜋 . 𝑟 2 = 𝜋 . 0,2752 = 0,23768 𝑚𝑚2
•
𝛼𝐵 =
220 56
•
𝐷𝐵 = 2.
•
𝐷𝐵 = 2.
, 𝛼𝐵 =
𝐼𝐵 , 𝛿
220 . 2,1 56
maka
.0,23768 𝑚𝑚2 = 0,933743 𝑚𝑚2 𝛼𝐵 𝜋
0,933743 = 1,09 𝑚𝑚 ≈ 𝟏, 𝟏 𝒎𝒎 𝜋 20
Penentuan Ukuran Konduktor (2) •
diameter konduktor paralel 4 adalah 0,933743 𝑚𝑚2 𝛼𝐵 = 4 = 0,233436 𝑚𝑚2 𝐷𝐵 = 2.
0,233436 𝜋 = 0,545 𝑚𝑚 ≈ 𝟎, 𝟓𝟓 𝒎𝒎
21
Penentuan Jumlah Belitan • 3 . 𝑇𝐴 . 𝐼𝐴 = 3 . 𝑇𝐵 . 𝐼𝐵 • 𝑇𝐵 =
2,1 𝑇𝐴 8,25
2,1 𝑇𝐵 = . 125 = 𝟑𝟐 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧 8,25 • 𝑍𝐵 = 2 . 32 = 𝟔𝟒 𝐤𝐨𝐧𝐝𝐮𝐤𝐭𝐨𝐫
22
Konstruksi Motor Induksi 3 Fasa Baru Parameter Tegangan Fasa Rating
Nilai 56 V
Arus Rating Jumlah kutub (P) Jumlah slot stator (G) Diameter inti stator (D) Panjang inti stator (L) Diameter konduktor
8,25 A 4 24 10,64 cm 6,8 cm 4 x 0,55 mm
Jumlah belitan per fasa per 32 kutub (TB) Jumlah Konduktor per fasa per 64 kutub (ZB) 23
Rangkaian Ekivalen Total Motor Induksi 3 Fasa Baru
24
Parameter Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Baru Parameter
Nilai
R1
1,0297 Ω
X2 R2
1,02 Ω 0,4973 Ω
X2 XM VTH
1,02 Ω 12,3771 Ω 51,584 V
RTH XTH Smax τmax
0,879 Ω 1,02 Ω 22,39 % 8,19 N.m
τind
5,47 N.m
τstart
4,17 N.m 25
Perbandingan Parameter Rangkaian Ekivalen Motor Sebelum dan Sesudah Rewinding Parameter
Nilai
Parameter
Nilai
R1
19,96415 Ω
R1
1,0297 Ω
X2 R2
16,052 Ω 3,49585 Ω
X2 R2
1,02 Ω 0,4973 Ω
X2 XM
16,052 Ω 193,472 Ω
VTH RTH
202,229 V 17,0223 Ω
X2 XM VTH
1,02 Ω 12,3771 Ω 51,584 V
XTH Smax τmax
16,052 Ω 10,8 % 7,32 N.m
RTH XTH Smax τmax
0,879 Ω 1,02 Ω 22,39 % 8,19 N.m
τind
7,13 N.m
τind
5,47 N.m
τstart
1,88 N.m
τstart
4,17 N.m 26
Perbandingan Karakteristik Torsi Induksi (motor awal dan baru) 8,19 N.m 7,32 N.m
4,17 N.m
1,88 N.m
27
Perbandingan Karakteristik Power Converted (motor awal dan baru)
28
Perbandingan Karakteristik Efisiensi (motor awal dan baru)
29
Tes Pembebanan Motor Induksi 3 Fasa Baru Brake control Ampere meter rheostat Cos phi meter
3 phase Voltage Source Magnetic powder brake Rpm meter
Tacho generator
Motor induksi 30
Hasil Tes Pembebanan Riil VLN (V) 56 55 55 54 54 54 53 52
•
IL (A) 4,35 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
cos φ 0,23 0,6 0,68 0,74 0,79 0,81 0,83 0,84
nm (rpm) 1440 1400 1375 1360 1340 1320 1300 1280
wm (rad/s) 150,72 146,53 143,92 142,35 140,25 138,16 136,07 133,97
Pin (W) 168,08 495 617,1 719,28 831,87 918,54 989,77 1048,3
Pout * (W) 62,43 389,35 511,45 613,63 726,22 812,89 884,12 942,67
Τload * (N.m) 0,414211 3,378071 4,287898 5,053016 5,931196 6,648379 7,274192 7,824841
Pout dan Τload yang tercatat disini tidak terukur secara spesifik
31
Karakteristik Torsi Induksi vs Kecepatan (simulasi & riil)
32
Karakteristik Power Output vs Kecepatan (simulasi & riil)
33
Perbandingan karakteristik dan biaya motor induksi 3 fasa tegangan rendah Motor Induksi 3 Fasa Tegangan Rendah A B Electro Vehicle Europe Manufacturer Alliance-Motori Rated Voltage 56 V 48 V Rated battery voltage 72 VDC 48 VDC Rated power (1h) 0,75 kW 4 kW Peak Power (60 s) 1 kW 6 kW Peak torque (60 s) 8,2 N.m 30 N.m Rated current (1 h) 8,25 A 120 A Rated frequency 50 Hz 100 Hz Rated speed 1270 rpm 2900 rpm Weight 5 kg 21 kg IP protection class IP 55 IP 66 € 500.00 / Estimated Total Cost Rp 1.300.000,Rp 6.300.000,Parameter
34
Kesimpulan •
•
•
Rewinding menyebabkan penambahan slip pada motor induksi 3 fasa baru tanpa mengubah karakteristik daya dan efisiensi yang dihasilkan oleh motor Torsi maksimum pada motor induksi 3 fasa sesudah rewinding lebih besar menjadi 8,2 N.m dari nilai torsi motor induksi 3 fasa awal sebesar 7,3 N.m. Motor induksi 3 fasa baru (sesudah rewinding) memiliki keuntungan biaya yang jauh lebih rendah, lebih aman terhadap bahaya tegangan tinggi serta mengurangi dimensi baterai yang digunakan pada kendaraan listrik
35
Terima kasih
36
