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


Aybeniz Y. Y. , Bekiroğlu K. N. , Keskin Arabul F. , Obdan A. H. , Arabul A. Y.

Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, no.35, pp.133-141, 2022 (Refereed Journals of Other Institutions)

  • Publication Type: Article / Article
  • Publication Date: 2022
  • Doi Number: 10.31590/ejosat.1064601
  • Title of Journal : Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi
  • Page Numbers: pp.133-141

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.

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.