IE3 Verim Sınıfındaki 5,5 kW Gücünde Asenkron Motorun IE4 Verim Sınıfına Yükseltilmesine Yönelik Tasarım İyileştirmeleri

Abstract

Asenkron motorlar endüstride en çok kullanılan elektrik motor türüdür. Bu sebeple enerji verimliliği asenkron motorlarda oldukça önemli noktadadır. Regülasyonlar neticesinde yüksek verimli asenkron motorların kullanımı zorunlu hale getirilmiştir, bu çalışmada IE3 verim sınıfına sahip asenkron motora aşamalar halinde verim arttırma metotları uygulanarak IE4 verim sınıfına erişmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda referans olarak seçilen motor 5,5 kW gücünde, 4 kutuplu, 50 Hz, 1500 devir IE3 verim sınıfındaki motordur. Bu çalışma, temel olarak iki aşamada yürütülmüştür. Öncelikle referans motorun laboratuvar testleri ve Motor-Cad yazılımında benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Analizler için hem analitik hem sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır. Analitik sonuçlar ile standartlara uygun laboratuvar ortamında gerçekleştirilen testlerin birbirleriyle tutarlı olduğu gösterilmiştir. İkinci aşamada ise IE3 motorda verim arttırma metotları temel alınarak gerçekleştirilen tasarımlar ile motorun IE4 verim sınıfına erişmesi hedeflenmiştir. Bunun için öncelikle teorik olarak asenkron motorun tasarım parametreleri, parametrelerin motorun verimliliğine etkileri, denklemleri ifade edilmiştir. Ardından 5,5 kW gücündeki IE3 verim sınıfına sahip asenkron motorun stator olukları genişletilmiştir akabinde statordaki iletken çapı arttırılmıştır bu sayede iletkenin direncinin azalması sağlanarak stator bakır kayıplarının azalması hedeflenmiştir. Sonraki aşamada manyetik akı yoğunluğunun azalarak demir ve bakır kayıplarını azaltabilmek için motorun paket boyu uzatılmış olup sarım sayısı azaltılmıştır. Üçüncü aşamada laminasyon sacı değiştirilerek demir kayıplarının azalması sağlanmıştır ve dördüncü aşamada motor %91,62 verim ile IE4 verim sınıfına ulaşmıştır. Son olarak ise IE4 verim sınıfına sahip motorun rotor olukları genişletilerek rotor iletken kayıplarının azalması hedeflenmiştir ve asenkron motorun verimi %91,75’e yükselmiştir. Tüm aşamalar Motor-Cad programında benzetimi gerçekleştirilerek tüm tasarımlarımların karşılaştırmalı analizi gerçekleştirilmiştir.

Keywords

• Asenkron Motor
• Verimlilik sınıfları
• Enerji verimliliği
• Motor Tasarımı

Design Improvements for Upgrading an IE3 Efficiency Class 5.5 kW Induction Motor to IE4 Efficiency Class

Abstract

Induction motors are the most widely used motor type in the industry thus energy efficiency becomes important topic. In order to reduce the energy consumption, the efficiency classes have been defined. In this study, it is aimed to reach IE4 efficiency class by applying efficiency increase methods step by step to the motor in IE3 efficiency class. In this context, the motor has chosen as a reference 5.5 kW, 4-pole, 50 Hz, 1500 rpm IE3 motor. The thesis has been basically prepared in two stages. Initially the motor has been tested in laboratory then the motor has been simulated. Analytical and finite element methods have been used in analyses. Both results have shown that the analytical results and the tests in the laboratory accordance with the standards are consistent with each other. Then in design process, the stator slots have been widened and to increase conductivity the diameter of the conductor has been increased, so that the resistance has been reduced to decrease copper losses. In next step, to reduce magnetic flux density, length of the motor has been extended and turns have been reduced. Then, the electrical steel has changed to reduce the iron losses, and in fourth stage, the motor reached IE4 efficiency class with 91.62% efficiency. Finally, in order to reduce rotor conductor losses, rotor slots of IE4 motor have been widened then efficiency of the motor has reached 91.75%. All stages have been simulated in Motor-Cad, and a comparative analysis of all five designs have been carried out.

Keywords

• Induction motor
• Efficiency classes
• Energy efficiency
• Motor Design

References

1. Acar, Ç., Soygenç, O. C., & Ergene, L. T. (2018). Endüstriyel Uygulamalarda Kullanılan Asenkron Motorlarda IE2 Verim Sınıfından IE4 Verim Sınıfına Geçiş Amaçlı Bir Çalışma. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(3), 59–65. https://dergipark.org.tr/tr/pub/fumbd/issue/39229/461952
2. Boglietti, A., Cavagnino, A., & Vaschetto, S. (2011). Induction motor EU standards for efficiency evaluation: The scenario after IEC 60034-2-1. IECON 2011 - 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2786–2791. https://doi.org/10.1109/IECON.2011.6119753 Carbonieri, M., & Bianchi, N. (2020). Induction motor rotor losses analysis methods using finite element. 2020 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 187–192. https://doi.org/10.1109/ICIT45562.2020.9067209
3. Das, S., & Sozer, Y. (2019). Design and analysis of an axial flux doubly fed induction generator for wind turbine applications. 2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2019, 442–447. https://doi.org/10.1109/ECCE.2019.8913146
4. Dianati, B., Kahourzade, S., & Mahmoudi, A. (2019, October 1). Analytical design of axial-flux induction motors. 2019 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 2019 - Proceedings. https://doi.org/10.1109/VPPC46532.2019.8952172
5. Enstitüsü, T. S. (2012). TS EN 60034-30, Döner elektrik makinaları - Bölüm 30: Tek hız kademeli, üç fazlı kafesli endüksiyon motorlarının verimlilik sınıfları (IE kodu).
6. Enstitüsü, T. S. (2014). TS EN 60034-30-1, Döner elektrik makineleri - Bölüm 30-1: Şebeke tarafından beslenen a.a motorlar için verimlilik sınıfları (IE kodu).
7. GAMAK. (2021). Teknik Katalog. https://www.gamak.com/Uploads/Document/TR-Katalog.pdf?v-637545068740000000 Gürdal, O. (2015). Elektrik Makinalarının Tasarımı. Bursa Orhangazi Üniversitesi Yayınları. https://www.researchgate.net/publication/335700632_Elektrik_Makinalarinin_Tasarimi
8. IEC-Governments & International Organizations, Examples by industry sector: Electric motors-measuring efficiency. (n.d.). Retrieved March 18, 2020, from https://www.iec.ch/perspectives/government/sectors/electric_motors.htm

9. IEEE. (2018). IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and Generators. IEEE Std 112-2017 (Revision of IEEE Std 112-2004), 1–115. https://doi.org/10.1029/2010gb003772
10. Keskin Arabul, F., Senol, I., & Oner, Y. (2020). Performance Analysis of Axial-Flux Induction Motor with Skewed Rotor. Energies, 13(19), 4991. https://doi.org/10.3390/EN13194991
11. Kobelev, A., Rozanov, D., & Makarov, L. (2020, October 4). Performance Analysis of Traction Induction Motors of Various Designs for Low-Floor Light Rail Vehicles. 2020 11th International Conference on Electrical Power Drive Systems, ICEPDS 2020 - Proceedings. https://doi.org/10.1109/ICEPDS47235.2020.9249357
12. Koca, Y. B., & Ünsal, A. (2017). Asenkron Motor Arızalarının Değerlendirilmesi. Teknik Bilimler Dergisi, 7(2), 37–46. https://dergipark.org.tr/tr/pub/tbed/issue/30206/300598
13. Kondo, M., Miyabe, M., Ebizuka, R., & Hanaoka, K. (2016). Design and Efficiency Evaluation of a High-Efficiency Induction Motor for Railway Traction. Electrical Engineering in Japan, 194(2), 15–23. https://doi.org/10.1002/EEJ.22771
14. Rodger, D., Coles, P. C., Allen, N., Lai, H. C., Leonard, P. J., & Roberts, P. (1997). 3D finite element model of a disc induction machine. IEE Conference Publication, 444, 148–149. https://doi.org/10.1049/cp:19971056
15. Rodriguez Gallego, A. (2014). Design and Optimization of an IE44-pole 7.5 kW Induction Motor [Royal Institute of Technology]. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-160702
16. Sadali, Y., Kondo, K., Aiso, K., Fujimoto, K., Makishima, S., Nakashima, Y., & Yamaguchi, T. (2021). Identifying the Optimal Induction Motor Design for Increased Power Density in Commuter Railway Use through Loss Analysis. Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition - Asia, ECCE Asia 2021, 1187–1192. https://doi.org/10.1109/ECCE-ASIA49820.2021.9479178
17. Sathyan, S., Aydin, U., & Belahcen, A. (2020). Acoustic Noise Computation of Electrical Motors Using the Boundary Element Method. Energies 2020, Vol. 13, Page 245, 13(1), 245. https://doi.org/10.3390/EN13010245
18. Valtonen, M., Parviainen, A., & Pyrhönen, J. (2006). Electromagnetic field analysis of 3D structure of axial-flux solid-rotor induction motor. International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2006. SPEEDAM 2006, 2006, 174–178. https://doi.org/10.1109/SPEEDAM.2006.1649766