penurunan rating tegangan pada belitan motor induksi 3...

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

2

Motor Penggerak

Baterai

Motor Penggerak

• EFISIENSI

1. PMBM

2. IM

3. SRM

4. DCM

3

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)

INDUCTION MOTOR (IM) SWITCHED RELUCTANCE MOTOR (SRM)

PU

IL

4

5

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

6

Parameter Motor Induksi 3 Fasa Awal

7

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 %

Power Factor 0,76

Rotor Inertia 0,0021 kg.m2

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) VDC (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

10 nilai rata-rata R1 sebesar 19,96415 Ω.

𝑅1 =𝑉𝐷𝐶𝐼𝐷𝐶

Tes no-load

11

VLN (V) cos φ IL (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

12

VLN 83,5

cos φ 0,59

IL 2,1

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. 𝐼12. 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:

𝑍𝐿𝑅 =𝑉∅𝐼𝐿

= 83,5

2,1= 39,76 Ω

dan sudut impedansi (θ) yaitu

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

𝑿𝟏 = 𝑿𝟐 = 𝟏𝟔, 𝟎𝟓𝟐 𝜴 𝑿𝑴 = 𝑍𝑛𝑙 − 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

𝑅12+(𝑋1+𝑋𝑀)2

𝑉𝑇𝐻 = 202,229 𝑉

• 𝑅𝑇𝐻 ≈ 𝑅1 𝑋𝑀

𝑋1+𝑋𝑀

2

𝑅𝑇𝐻 ≈ 17,0223 𝛺

• 𝑋𝑇𝐻 ≈ 𝑋1

𝑋𝑇𝐻 ≈ 16,052 𝛺

16

Slip dan Torsi Motor Induksi 3 Fasa

• 𝑆𝑚𝑎𝑥 =𝑅2

𝑅𝑇𝐻2+(𝑋𝑇𝐻+𝑋2)

2

𝑺𝒎𝒂𝒙 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟖 = 𝟏𝟎, 𝟖%

• 𝜏𝑚𝑎𝑥 =3𝑉𝑇𝐻

2

2𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻+ 𝑅𝑇𝐻2+ 𝑋𝑇𝐻+𝑋2

2

𝝉𝒎𝒂𝒙 = 𝟕, 𝟑𝟐 𝑵.𝒎

• 𝜏𝑖𝑛𝑑 =3𝑉𝑇𝐻

2 .𝑅2 𝑠

𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻+𝑅2 𝑠 2+ 𝑋𝑇𝐻+𝑋22

𝝉𝒊𝒏𝒅 = 𝟕, 𝟏𝟑 𝑵.𝒎

• 𝜏𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 3𝑉𝑇𝐻

2.𝑅2

𝜔𝑠𝑦𝑛𝑐 𝑅𝑇𝐻+𝑅22+ 𝑋𝑇𝐻+𝑋2

2

𝝉𝒔𝒕𝒂𝒓𝒕 = 𝟏, 𝟖𝟖 𝑵.𝒎 17

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

18

Jumlah belitan pada sebagian kutub sebesar 128 belitan

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

• 𝑛 = 𝑞 =𝐺

𝑃 .𝑀=

24

4 .3= 𝟐

• 𝑘𝑝 = 𝑠𝑖𝑛180°

2= 𝟏

• 𝛾 =360°

𝐺=

360°

24= 𝟏𝟓° 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒏

• 𝑘𝑑 =𝑠𝑖𝑛(2 .(15°/2))

2 .𝑠𝑖𝑛(15°/2)= 𝟎, 𝟗𝟗𝟏𝟒

• 𝑇𝑝ℎ =56

4,44 .50 .1,99 x 10−3 .0,9914 .1 = 𝟏𝟐𝟖 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧/fasa

= 32 belitan/fasa/kutub

19

Penentuan Ukuran Konduktor (1)

• 𝑆𝐴 = 3𝑉𝐴𝐼𝐴 = 𝑆𝐵 = 3𝑉𝐵𝐼𝐵 • 𝑉𝐴 = 220 𝑉 ; 𝑉𝐵 = 56 𝑉, maka

𝐼𝐵 = 220

56 𝐼𝐴

𝐼𝐵 = 220

56. 2,1 = 𝟖, 𝟐𝟓 𝑨

• 𝛼𝐴 = 𝐼𝐴

𝛿 , 𝛼𝐵 =

𝐼𝐵

𝛿, maka

𝛼𝐵 = 220

56 𝛼𝐴

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

• 𝛼𝐵 = 220

56 .0,23768 𝑚𝑚2 = 0,933743 𝑚𝑚2

• 𝐷𝐵 = 2.𝛼𝐵

𝜋

𝐷𝐵 = 2.0,933743

𝜋= 1,09 𝑚𝑚 ≈ 𝟏, 𝟏 𝒎𝒎

20

Penentuan Ukuran Konduktor (2)

• diameter konduktor paralel 4 adalah

𝛼𝐵 =0,933743 𝑚𝑚2

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

8,25𝑇𝐴

𝑇𝐵 =2,1

8,25. 125 = 𝟑𝟐 𝐛𝐞𝐥𝐢𝐭𝐚𝐧

• 𝑍𝐵 = 2 . 32 = 𝟔𝟒 𝐤𝐨𝐧𝐝𝐮𝐤𝐭𝐨𝐫

22

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 (TB)

32

Jumlah Konduktor per fasa per kutub (ZB)

64

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 1,02 Ω

R2 0,4973 Ω

X2 1,02 Ω

XM 12,3771 Ω

VTH 51,584 V

RTH 0,879 Ω

XTH 1,02 Ω

Smax 22,39 %

τmax 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

R1 19,96415 Ω

X2 16,052 Ω

R2 3,49585 Ω

X2 16,052 Ω

XM 193,472 Ω

VTH 202,229 V

RTH 17,0223 Ω

XTH 16,052 Ω

Smax 10,8 %

τmax 7,32 N.m

τind 7,13 N.m

τstart 1,88 N.m 26

Parameter Nilai

R1 1,0297 Ω

X2 1,02 Ω

R2 0,4973 Ω

X2 1,02 Ω

XM 12,3771 Ω

VTH 51,584 V

RTH 0,879 Ω

XTH 1,02 Ω

Smax 22,39 %

τmax 8,19 N.m

τind 5,47 N.m

τstart 4,17 N.m

Perbandingan Karakteristik Torsi Induksi (motor awal dan baru)

27

8,19 N.m

7,32 N.m

4,17 N.m

1,88 N.m

Perbandingan Karakteristik Power Converted (motor awal dan baru)

28

Perbandingan Karakteristik Efisiensi (motor awal dan baru)

29

Tes Pembebanan Motor Induksi 3 Fasa Baru

30

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

• Pout dan Τload yang tercatat disini tidak terukur secara spesifik

31

VLN

(V)

IL

(A) cos φ

nm

(rpm)

wm

(rad/s)

Pin

(W)

Pout *

(W)

Τload *

(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)

32

Karakteristik Power Output vs Kecepatan (simulasi & riil)

33

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,-

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