Penurunan Rating Tegangan pada Belitan Motor Induksi 3 Fasa dengan Metode Rewinding untuk Aplikasi Kendaraan Listrik

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

^.

Latar Belakang

Motor Penggerak

Baterai

Motor Penggerak

• EFISIENSI

1. PMBM 2. IM 3. SRM 4. DCM

 PENGEMBANGAN

1. IM 2. DCM 3. PMBM 4. SRM

 KEANDALAN 1. IM

2. DCM 3. PMBM 4. SRM

 KERAPATAN DAYA 1. PMBM

2. IM 3. SRM 4. DCM

 FAKTOR BIAYA 1. IM

2. DCM 3. SRM 4. PMBM

DC MOTOR (DCM) PERMANENT MAGNET BRUSHLESS MOTOR (PMBM)

P U I L

TOPIK UTAMA

Motor Induksi

Penurunan Rating Tegangan Perbandingan

Karakteristik

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

Parameter Motor Induksi 3 Fasa Awal

Parameter Nilai

Manufacturer Alliance-Motori

Rated Voltage 220/380 V

Output Power 1 HP

Rated Current 3.6/2.1 A

Power Factor 0.76

Rated Speed 1390 rpm

Rated Frequency 50 Hz

Number of Poles 4

Insulation Class (Is) F

Index Protection (IP) 55

Type A-Y3A-80M2-4 B3

Parameter Nilai

Type A-Y3A-80M2-4 B3

Output Power 1 HP

Rated Speed 1390 rpm

Rated Frequency 50 Hz

Efficiency 73 %

Penambahan Mounting,

Terminal, dan Coupling Gear

Penentuan Rangkaian ekivalen Motor Induksi 3 Fasa

Tes DC

Tes no-load

Tes blocked-rotor

Tes DC

I_DC (A) V_DC (V) R₁ (Ω)

0 0 0

0,15 2,8 18,666667

0,3 5,7 19

0,45 8,5 18,888889

0,6 11,5 19,166667

0,75 14,4 19,2

0,9 17,4 19,333333

1,05 20,6 19,619048

1,2 23,6 19,666667

1,35 26,7 19,777778

1,5 30,1 20,066667

1,65 34,5 20,909091

1,8 38,1 21,166667

1,95 42,6 21,846154

2,1 46,6 22,190476

nilai rata-rata R₁ sebesar 19,96415 Ω.

𝑅₁ = 𝑉_𝐷𝐶 𝐼_𝐷𝐶

Tes no-load

V_LN (V) cos φ I_L (A)

0 0 0

20 0,55 0,52 30 0,56 0,78 35 0,83 0,38 40 0,8 0,31 60 0,59 0,28

80 0,4 0,3

100 0,29 0,37 120 0,19 0,44 140 0,14 0,52 160 0,1 0,61 180 0,09 0,72 200 0,07 0,84 220 0,04 1,05 240 0,03 1,27

Tes blocked-rotor

V_LN 83,5

cos φ 0,59

I_L 2,1

Penentuan Rangkaian

Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Awal (1)

• tes DC:

R

₁

= 19,96415 Ω

• tes No-load:

I_L = 1,05 A V_ϕ,nl = 220 V

𝑍_{𝑒𝑞.𝑛𝑙} = 209,52 Ω ≈ 𝑋₁ + 𝑋_𝑀 Rugi tembaga stator yaitu

𝑃_𝑆𝐶𝐿 = 3. 𝐼₁². 𝑅₁ = 3. 1,05 𝐴 ². 19,96 Ω = 66,03 𝑊 Rugi no-load yaitu

𝑃_𝑛𝑙 = 3 . 𝑉_∅. 𝐼_𝐿. 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 3 . 220 . 1,05 . 0,07 = 48,51 𝑊

Penentuan Rangkaian

Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Awal (2)

• tes

blocked-rotor

:

𝑍_𝐿𝑅 = 𝑉_∅

𝐼_𝐿 = 83,5

2,1 = 39,76 Ω dan sudut impedansi (θ) yaitu

𝜃 = cos

⁻¹

𝑃𝐹 = cos

⁻¹

0,59 = 53,84°

maka, R_LR = 39,76 . cos (53,84°) = 23,46 Ω = R₁+R₂.

R

₁

= 19,96415 Ω R

₂

= 3,49585 Ω

𝑋

𝐿𝑅

= 39,76 . 𝑠𝑖𝑛 (53,84°) = 32,104 𝛺

untuk motor induksi kelas A, maka reaktansinya dibagi sama rata antara rotor dan stator

𝑿

_𝟏

= 𝑿

_𝟐

= 𝟏𝟔, 𝟎𝟓𝟐 𝜴

𝑿

_𝑴

= 𝑍

_𝑛𝑙

− 𝑋

₁

= 209,52 − 16,052 = 𝟏𝟗𝟑, 𝟒𝟕𝟐 𝜴

14

Rangkaian Ekivalen Total

Motor Induksi 3 Fasa Awal

Nilai Ekivalen Thevenin Motor Induksi 3 Fasa Awal

• 𝑉

𝑇𝐻

≈ 𝑉

_∅ ^𝑋𝑀

𝑋₁+𝑋_𝑀

= 𝑉

_∅ ^𝑋𝑀

𝑅₁²+(𝑋₁+𝑋_𝑀)²

𝑉

_𝑇𝐻

= 202,229 𝑉

• 𝑅

𝑇𝐻

≈ 𝑅

_{1 𝑋} ^𝑋𝑀

1+𝑋_𝑀 2

𝑅

_𝑇𝐻

≈ 17,0223 𝛺

• 𝑋

𝑇𝐻

≈ 𝑋

₁

𝑋

_𝑇𝐻

≈ 16,052 𝛺

Slip dan Torsi Motor Induksi 3 Fasa

• 𝑆

_𝑚𝑎𝑥

=

^𝑅2

𝑅_𝑇𝐻²+(𝑋_𝑇𝐻+𝑋₂)²

𝑺

_𝒎𝒂𝒙

= 𝟎, 𝟏𝟎𝟖 = 𝟏𝟎, 𝟖%

• 𝜏

𝑚𝑎𝑥

=

^{3𝑉𝑇𝐻2}

2𝜔_{𝑠𝑦𝑛𝑐} 𝑅_𝑇𝐻+ 𝑅_𝑇𝐻²+ 𝑋_𝑇𝐻+𝑋₂ ²

𝝉

_𝒎𝒂𝒙

= 𝟕, 𝟑𝟐 𝑵. 𝒎

• 𝜏

𝑖𝑛𝑑

=

_𝜔 ^{3𝑉𝑇𝐻2 .𝑅2 𝑠}

𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅_𝑇𝐻+𝑅₂ 𝑠 ²+ 𝑋_𝑇𝐻+𝑋₂ ²

𝝉

_𝒊𝒏𝒅

= 𝟕, 𝟏𝟑 𝑵. 𝒎

• 𝜏

_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡}

=

^{3𝑉𝑇𝐻2}₂^.𝑅2 ₂

Konstruksi Motor Induksi 3 Fasa Awal

Parameter Nilai

Tegangan Fasa Rating 220 V

Arus Rating 2,1 A

Jumlah kutub (P) 4 Jumlah slot stator (G) 24

Diameter inti stator (D) 10,64 cm Panjang inti stator (L) 6,8 cm Diameter konduktor 0,55 mm Jumlah belitan per kutub

per fasa

125

Jumlah belitan pada sebagian kutub sebesar 128 belitan

Penghitungan Belitan secara Teoritis

• 𝜏_𝑝 = ^𝜋.𝐷

𝑃 = 𝜋 .0,1064 𝑚

4 = 𝟎, 𝟎𝟖𝟑𝟔 𝒎

• motor dengan diameter inti stator 0,15 meter digunakan B _av = 0,35 Wb/m ²

ɸ = 𝐵_𝑎𝑣. 𝐿. 𝜏_𝑝 = 0,35 . 0,068 . 0,0836 = 𝟏, 𝟗𝟗 𝐱 𝟏𝟎^−𝟑 𝐖𝐛

• 𝑛 = 𝑞 = _{𝑃 .𝑀}^𝐺 = ²⁴

4 .3 = 𝟐

• 𝑘_𝑝 = 𝑠𝑖𝑛 ^180°₂ = 𝟏

• 𝛾 = ^360°_𝐺 = ^360°

24 = 𝟏𝟓° 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒏

• 𝑘𝑑 = 𝑠𝑖𝑛(2 .(15°/2))

2 .𝑠𝑖𝑛(15°/2) = 𝟎, 𝟗𝟗𝟏𝟒

• 𝑇

_𝑝ℎ

=

4,44 .50 .1,99 x 10^{56 −3} .0,9914 .1

= 𝟏𝟐𝟖 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧/fasa

= 32 belitan/fasa/kutub

19

Penentuan Ukuran Konduktor (1)

• 𝑆𝐴 = 3𝑉_𝐴𝐼_𝐴 = 𝑆_𝐵 = 3𝑉_𝐵𝐼_𝐵

• 𝑉_𝐴 = 220 𝑉 ; 𝑉_𝐵 = 56 𝑉, maka 𝐼_𝐵 = 220

56 𝐼_𝐴

𝐼_𝐵 = ²²⁰₅₆ . 2,1 = 𝟖, 𝟐𝟓 𝑨

• 𝛼𝐴 = ^𝐼_𝛿^𝐴 , 𝛼_𝐵 = ^𝐼_𝛿^𝐵, maka

𝛼_𝐵 = 220 56 𝛼_𝐴

• ∝𝐴= 𝜋 . 𝑟² = 𝜋 . 0,275² = 0,23768 𝑚𝑚²

• 𝛼𝐵 = ²²⁰

56 .0,23768 𝑚𝑚² = 0,933743 𝑚𝑚²

• 𝐷𝐵 = 2. ^𝛼_𝜋^𝐵

𝐷_𝐵 = 2. 0,933743

𝜋 = 1,09 𝑚𝑚 ≈ 𝟏, 𝟏 𝒎𝒎

20

Penentuan Ukuran Konduktor (2)

• diameter konduktor paralel 4 adalah 𝛼_𝐵 = 0,933743 𝑚𝑚²

= 0,233436 𝑚𝑚4 ²

𝐷_𝐵 = 2. 0,233436 𝜋

= 0,545 𝑚𝑚

≈ 𝟎, 𝟓𝟓 𝒎𝒎

Penentuan Jumlah Belitan

• 3 . 𝑇 _𝐴 . 𝐼 _𝐴 = 3 . 𝑇 _𝐵 . 𝐼 _𝐵

• 𝑇 _𝐵 = _8,25 ^2,1 𝑇 _𝐴 𝑇 _𝐵 = 2,1

8,25 . 125 = 𝟑𝟐 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧

• 𝑍 _𝐵 = 2 . 32 = 𝟔𝟒 𝐤𝐨𝐧𝐝𝐮𝐤𝐭𝐨𝐫

Konstruksi Motor Induksi 3 Fasa Baru

Parameter Nilai

Tegangan Fasa Rating 56 V

Arus Rating 8,25 A

Jumlah kutub (P) 4

Jumlah slot stator (G) 24

Diameter inti stator (D) 10,64 cm Panjang inti stator (L) 6,8 cm

Diameter konduktor 4 x 0,55 mm Jumlah belitan per fasa per

kutub (T_B)

32

Jumlah Konduktor per fasa per kutub (Z )

64

Rangkaian Ekivalen Total Motor

Induksi 3 Fasa Baru

Parameter Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Baru

Parameter Nilai

R₁ 1,0297 Ω

X₂ 1,02 Ω

R₂ 0,4973 Ω

X₂ 1,02 Ω

X_M 12,3771 Ω

V_TH 51,584 V

R_TH 0,879 Ω

X_TH 1,02 Ω

S_max 22,39 %

τ_max 8,19 N.m

Perbandingan Parameter Rangkaian Ekivalen Motor

Sebelum dan Sesudah Rewinding

Parameter Nilai

R₁ 19,96415 Ω

X₂ 16,052 Ω

R₂ 3,49585 Ω

X₂ 16,052 Ω

X_M 193,472 Ω

V_TH 202,229 V

R_TH 17,0223 Ω

X_TH 16,052 Ω

S_max 10,8 % τ_max 7,32 N.m τ_ind 7,13 N.m

τ_start 1,88 N.m

Parameter Nilai

R₁ 1,0297 Ω

X₂ 1,02 Ω

R₂ 0,4973 Ω

X₂ 1,02 Ω

X_M 12,3771 Ω

V_TH 51,584 V

R_TH 0,879 Ω

X_TH 1,02 Ω

S_max 22,39 %

τ_max 8,19 N.m

τ_ind 5,47 N.m

τ_start 4,17 N.m

Perbandingan Karakteristik Torsi Induksi (motor awal dan baru)

8,19 N.m

7,32 N.m 4,17 N.m

1,88 N.m

Perbandingan Karakteristik Power

Converted (motor awal dan baru)

Perbandingan Karakteristik

Efisiensi (motor awal dan baru)

Tes Pembebanan Motor Induksi 3 Fasa Baru

3 phase Voltage Source

Magnetic powder brake Cos phi meter

Brake control rheostat Ampere meter

Rpm meter

Tacho generator Motor induksi

Hasil Tes Pembebanan Riil

• P_out dan Τ_load yang tercatat disini tidak terukur secara spesifik

V_LN (V)

I_L

(A) cos φ n_m (rpm)

w_m (rad/s)

P_in (W)

P_out * (W)

Τ_load * (N.m) 56 4,35 0,23 1440 150,72 168,08 62,43 0,414211 55 5 0,6 1400 146,53 495 389,35 3,378071 55 5,5 0,68 1375 143,92 617,1 511,45 4,287898 54 6 0,74 1360 142,35 719,28 613,63 5,053016 54 6,5 0,79 1340 140,25 831,87 726,22 5,931196 54 7 0,81 1320 138,16 918,54 812,89 6,648379 53 7,5 0,83 1300 136,07 989,77 884,12 7,274192 52 8 0,84 1280 133,97 1048,3 942,67 7,824841

Karakteristik Torsi Induksi vs

Kecepatan (simulasi & riil)

Karakteristik Power Output vs

Kecepatan (simulasi & riil)

Perbandingan karakteristik dan biaya motor induksi 3 fasa tegangan rendah

Parameter Motor Induksi 3 Fasa Tegangan Rendah

A B

Manufacturer Alliance-Motori Electro Vehicle Europe

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

Estimated Total Cost Rp 1.300.000,- € 500.00 / Rp 6.300.000,-

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

Terima kasih