penghematan energi pada kompresor menggunakan...

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5

1

Efisiensi (%)

Head (m)

Abstrak— Kompresor yang digunakan pada eksperimen ini

merupakan kompresor tipe reciprocating dengan daya ¼ Hp.

Kompresor ini digerakkan dengan motor induksi tiga fasa

dengan konfigurasi wye dan dengan daya output sebesar 1 Hp

dan rating tegangan 380 V. Variable Speed Drive (VSD) pada

eksperimen ini digunakan untuk men-drive motor induksi tiga

fasa dengan berbagai kecepatan. Eksperimen ini bertujuan

untuk meneliti seberapa besar penghematan energi yang dapat

dilakukan dengan menggunakan VSD. Metode yang digunakan

untuk melihat seberapa besar penghematan yang didapat

adalah dengan cara membandingkan langsung antara

kompresor yang menggunakan VSD dan yang tidak

menggunakan VSD. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa

kompresor yang di drive dengan menggunakan VSD dapat

menghemat energi hingga 7.44%. Penggunaan VSD ini juga

berakibat THD dari arus di bagian input menjadi tinggi yaitu

228%.

Kata Kunci— kompresor, motor induksi 3 phasa,

penghematan energi, variable speed drive (VSD).

I. PENDAHULUAN

ADA saat ini penggunaan kompresor semakin luas, tidak

hanya untuk menambah tekanan udara di dalam ban saja,

kompresor juga digunakan untuk proses pengereman di

berbagai jenis kendaraan besar misalnya pada kereta dan

truk peti kemas, kompresor juga dapat digunakan untuk

pemberi gaya pada nail gun untuk menembakan paku, dan

juga untuk sistem pendingin. Kompresor menggunakan

motor listrik sebagai alat atau komponen pengkonversian

listrik menjadi energi kinetik. Energi kinetik yang dihasilkan

digunakan untuk mengkompres dan menambah tekanan

udara dan kemudian udara tersebut disimpan dalam suatu

media. Kelebihan utama dari kompresor adalah kompresor

tidak membutuhkan motor yang besar atau sistem yang

kompleks. Kompresor hanya membutuhkan sebuah motor

sebagai komponen utama untuk bekerja, hal ini

menyebabkan kompresor merupakan sebuah peralatan yang

sederhana dan kokoh[1].

Salah satu kelemahan dari penggunaan kompresor

terletak pada motornya. Motor kompresor biasanya memiliki

dua mode kecepatan, berhenti atau diam dan kecepatan

penuh. Motor kompresor selalu bekerja pada kecepatan

penuh meskipun kompresor tidak dibebani dengan beban

penuh. Hal tersebut menyebabkan pemborosan energi, untuk

mengatasi hal tersebut, digunakan Variable Speed Drive

(VSD), dengan menggunakan VSD kecepatan motor dapat

diatur untuk mengikuti torsi beban, sehingga dapat terjadi

penghematan energi.

Sejauh ini, VSD adalah penggerak motor dan

penghemat energi yang paling efektif untuk mesin mekanik

di dunia industri. VSD modern harganya terjangkau, dapat

diandalkan, fleksibel, dan memberikan penghematan energi

listrik yang signifikan yang tentunya mengurangi biaya

listrik. Kebanyakan motor di desain untuk beroperasi pada

kecepatan yang konstan dan memberikan output yang

konstan. VSD dapat meningkatkan produktifitas dan

penghematan energi di pompa, exhaust fan, kompresor, dan

beberapa peralatan lainnya [1]. Akan tetapi dibutuhkan suatu

eksperimen untuk mengetahui secara pasti tentang seberapa

besar energi yang dapat dihemat dengan menggunakan VSD.

Dengan melakukan eksperimen dapat diketahui secara pasti

seberapa besar daya atau energi yang dapat dihemat.

II. PEMAKAIAN DAYA PADA MESIN SENTRIFUGAL

Motor listrik pada kompresor atau pompa sentrifugal dengan

kecepatan konstan hanya memiliki dua tipe operasi, yaitu

operasi saat kecepatan penuh dan diam atau berhenti.

Kompresor atau pompa dengan motor yang memiliki

kecepatan konstan selalu bekerja dengan kecepatan penuh

tanpa menghiraukan seberapa besar torsi beban yang

diberikan oleh kompresor kepada motor. Gambar 1

menunjukkan kurva karakteristik dari tipikal mesin

sentrifugal, kurva karaktersitik tersebut merupakan kurva

Flow (debit) vs Pressure (tekanan), axis dari kurva tersebut

merupakan Flow dan ordinatnya merupakan Pressure, jika

suatu pompa dengan spesifikasi sebagai berikut :

Rated Flow = 10.6 m3min-1

Head = 62 m

Rated Speed = 1480 min-1

Gambar 1. Kurva karakteristik dari mesin sentrifugal tipikal (pompa, fan,

dan kompresor) [3]

Penghematan Energi pada Kompresor Menggunakan

Variable Speed Drive (VSD)

Aldi Huda Irawan, Dedet Candra Riawan1)

, dan Teguh Yuwono2)

Teknik Elektro, Fakultas Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: [email protected]

P


2

1480 rpm

He

ad

(m

)

Kurva Beban

(tanpa Throttle)

Kurva Beban

(dengan Throttle)

1480 rpm

1210 rpm

960 rpm

Kurva Beban

He

ad

(m

)

Gambar 2. Kurva karaktersitik mesin sentrifugal pada kecepatan

berbeda[3]

Gambar 3. Kurva karakteristik dari mesin beroperasi dengan kecepatan

maksimum dengan kurva sistem yang di improvisasi [3]

Dari kurva tersebut dapat diketahui bahwa efisiensi dari

kompresor adalah 79% sehingga daya yang dibutuhkan

poros dapat dicari melalui persamaan berikut.

Daya di poros (kW)= (head (m)×percepatan gravitasi (〖N

kg〗^(-1) )×debit (〖m s〗^(-1) ))/efisiensi

= (62 x 9.81 x (10.6/60))/0.79

= 129.461 kW

Dari gambar 2 dapat diketahui bahwa pada kecepatan

maksimum, kurva sistem berpotongan dengan kurva

karakteristik pada debit 10.6 m3min-1, angka ini merupakan

100 % debit.

Jika debit dikurangi menjadi 9.2 m3min-1, atau

pengurangan debit sekitar 10%, maka kecepatan motor pada

titik kerja ini dengan melihat kurva karaktersitik adalah 1210

rpm. Pengurangan kecepatan motor dapat dilakukan jika

menggunakan Variable Speed Drive.

Dengan pengurangan kecepatan sebesar 18% efisiensi dari

mesin akan berkurang hingga 3% [3], gambar 2.8

menunjukan bahwa efisiensi dari mesin saat debitnya

bernilai 9.2 m3min-1 adalah 84%. Efisiensi dari mesin

dengan pengurangan kecepatan dapat diasumsikan sebesar

0.84 x 0.97 = 0.81 %

Daya yang dibutuhkan poros adalah



= (50 x 9.81 x (9.2/60))/0.81

= 92.85 kW

Jika tidak menggunakan Variable Speed Drive tetapi

menggunakan mechanical throttle, maka kurva sistem akan

menjadi seperti di gambar 3. Dan titik kerja untuk mesin ini

menjadi :

Head = 45 m

Flow = 9.2 m3min-1

Efisiensi = 84 %

Maka, daya yang dibutuhkan poros adalah :



= (70 x 9.81 x (9.2/60))/0.84

= 125.35 kW

Penghematan energi yang dapat dilakukan dengan

menggunakan Variable Speed Drive dalam kasus ini pada

titik kerja tersebut adalah (125.35 – 92.85) kW = 32.5 kW =

25.9 %.

Karakteristik kompresor serupa pada pompa dan

penghematan yang dapat diaplikasikan di pompa juga dapat

diaplikasikan di kompresor [3]. Contoh kasus sederhana ini

membuktikan bahwa Variable Speed Drive dapat

menghemat energi jauh lebih banyak untuk sistem yang

membutuhkan debit dan head atau tekanan yang berbeda-

beda. Jika kita mengasumsikan mesin tersebut bekerja

selama 10 jam perhari dan selama 250 hari setahun, maka

energi yang dapat dihemat dengan menggunakan Variable

Speed Drive adalah sebesar 81.25 MW h. Banyak mesin

sentrifugal baik kompresor maupun pompa yang dibiarkan

bekerja secara terus menerus tanpa menggunakan suatu

metode untuk mengatur kecepatan penggeraknya, sehingga

pengaplikasian dari Variable Speed Drive dapat membawa

ke penghematan biaya yang tinggi.

III. URAIAN PENELITIAN

A. Penentuan Kurva Karakteristik Kompresor

Kompresor yang digunakan dalam penelitian ini adalah

kompresor tipe reciprocating bermerk unoair dengan data

yang nameplate seperti yang ditunjukkan pada tabel 1

Kurva karakteristik kompresor yang dicari adalah

dengan kecepatan yang berbeda-beda, untuk mengatur

kecepatan pada motor digunakan VSD (Variable Speed

Drive), padaVSD diberikan input frekuensi 50 Hz, 40 Hz,

dan 25 Hz. Kurva karakteristik kompresor dapat diketahui

dengan cara sebagai berikut :

1. Motor penggerak kompresor dinyalakan pada

kecepatan tertentu, kemudian kompresor dijalankan

hingga mencapai tekanan maksimal yang bisa dicapai

kompresor pada kecepatan tersebut.

2. Setelah mencapai tekanan maksimal dan kondisi

kompresor tetap aktif, katup keluar atau valve dibuka

sampai batas tertentu, tekanan yang terbaca di

preassure gauge akan terus menurun hingga mencapai

kondisi steady state, setelah mencapai kondisi steady

state, debit udara dan tekanan kemudian dicatat.

3. Setelah data tersebut dicatat, katup kembali ditutup dan

kemudian ditunggu hingga tekanan kembali mencapai

tekanan maksimal, setelah mencapai tekanan maksimal

yang dapat dicapai oleh kompresor, katup kembali


3

dibuka tetapi dengan batas yang berbeda dari

sebelumnya, dan kemudian di catat data yang

diperoleh. Langkah ini terus menerus diulang hingga

data yang diperoleh dapat di bentuk menjadi sebuah

kurva debit udara (flow) vs tekanan (preassure).

Data pada tabel 2 merupakan data yang di dapat dari

percobaan mencari kurva karakteristik kompresor. Gambar 4

menunjukkan kurva karakteristik kompresor. Tekanan

maksimal yang dapat ditampung oleh tangki kompresor

adalah 7 bar, dan pada kompresor terdapat sistem pengaman

sederhana untuk mencegah tekanan dalam tangki melebihi 7

bar, sehingga meskipun kompresor dapat mencapai tekanan

lebih dari 7 bar, sistem pengaman akan bekerja dan

mengakibatkan tekanan di dalam tangki tidak melebihi dari 7

bar. Sistem pengaman inilah yang menyebabkan tekanan

maksimal dari kompresor dengan kecepatan 1469 rpm dan

1185 rpm sama.

B. Pengujian Penghematan Energi

Gambar 5 merupakan rangkaian dan peralatan yang

digunakan pada uji coba. Energi yang di konsumsi oleh

sistem di ukur dengan menggunakan power quality meter

fluke 434. Kompresor dijalankan untuk mencapai tekanan 4

bar dari tekanan relatif 0 bar di preassure gauge dalam

berbagai kecepatan, pertama-tama yang di uji adalah

kompresor yang langsung mendapatkan tegangan dari jala-

jala dengan frekuensi 50 Hz, kemudian setelah mendapatkan

jumlah energi yang di konsumsi, percobaan berlanjut ke

kompresor yang di drive dengan VSD dan di atur frekuensi

di VSD tersebut, frekuensi yang di uji adalah 50 Hz, 40 Hz,

dan 25Hz.

Perhitungan energi yang dikonsumsi harus dibagi lima

karena kabel yang melewati clamp arus digulung sebanyak

lima kali dengan tujuan untuk meningkatkan keakuratan

sensing arus melalui clamp di power quality meter.

Dari hasil pengukuran menggunakan power quality meter,

didapat data-data yang terlihat di gambar 6,7,8 dan 9

mengenai konsumsi daya pada kompresor dengan kecepatan

yang berbeda. Hasil energi yang di konsumsi dibagi lima

karena kabel yang melewati clamp arus digulung sebanyak

lima kali. Terlihat bahwa energi yang dikonsumsi oleh

kompresor ketika menggunakan VSD sebagai driver pada

frekuensi 50 Hz lebih besar jika dibandingkan energi yang di

konsumsi oleh kompresor dengan di drive langsung dari jala

– jala. Hal tersebut dikarenakan adanya rugi – rugi di

inverter jika menggunakan VSD sehingga daya yang di

konsumsi lebih besar. Sedangkan pada kompresor yang di

drive dengan VSD pada frekuensi 40 Hz, energi yang

dikonsumsi untuk mencapai tekanan 4 bar pada tangki lebih

hemat dibandingkan tanpa menggunakan driver pada

kompresor.

Tabel 1.

Nameplate kompresor

PREASSURE 7 kg/cm2

POWER ¼ HP

CAP 2.1 CFM

TANK CAP 40 L

SPEED 1000 RPM

Tabel 2

Data karakteristik kompresor

Derajat Terbukanya Debit Udara

Valve (m3 / menit) 50Hz (1469rpm) 40Hz(1185rpm) 25Hz (738rpm)

0 0 7 7 6

10 0.016 7 7 6

20 0.02 7 7 6

30 0.037 7 6.6 6

35 0.039 6.9 5.6 5.2

40 0.056 5.8 4.4 3.8

45 0.072 4 3.3 2.2

50 0.098 3 2.2 0.9

60 0.114 0.9 0.2 0.06

70 0.144 0.2 0.05 0

80 0.166 0 0 0

90 0.166 0 0 0

Tekanan (bar)

Gambar 4. Kurva karakteristik kompresor

Gambar 5. Rangkaian dan peralatan yang digunakan pada percobaan


4

Gambar 6. Energi yang dikonsumsi oleh kompresor yang di drive langsung

dari jala - jala

Gambar 7. Energi yang dikonsumsi oleh kompresor yang di drive VSD

pada frekuensi 50 Hz





Gambar 10. Trend dari daya input pada kompresor

Gambar 11. Besar THD arus yang terukur di bagian input sistem

pada kompresor yang di drive dengan menggunakan VSD pada

frekuensi 50 Hz

Gambar 12. Besar harmonisa arus ke 3 sampai ke 17 pada bagian

input sistem

C. Harmonisa

Pada VSD atau Variable Speed Drive terdapat

komponen atau bagian yang menghasilkan harmonisa,

bagian tersebut berupa beban yang tidak linier. Harmonisa

arus terjadi pada bagian input sistem, bukan pada bagian

input ke motor. Tegangan dan arus yang dimaksud disini

adalah tegangan dan arus yang masuk ke dalam plant, bukan

tegangan dan arus yang masuk ke dalam motor. Untuk

mengetahui besar harmonisa digunakan alat yang sama untuk

mengetahui besar energi yang dikonsumsi, yaitu power

quality meter fluke 434.

Gambar 11, 12 dan 13 merupakan data yang didapat

dari pengukuran, dari data tersebut terlihat bahwa harmonisa

yang timbul akibat menggunakan VSD sangat besar.

THD yang tercapai melebihi 100%. Harmonisa yang

tinggi dapat mengakibatkan efek antara lain timbulnya arus

di kabel netral dan meningkatnya suhu pada trafo.

Harmonisa yang tinggi merupakan hal yang perlu

diperhatikan dalam penggunaan VSD sebagai driver

kompresor, untuk mengurangi THD, dapat digunakan filter

untuk harmonisa orde tertentu agar harmonisa pada orde

tersebut hilang. Penggunaan VSD pada kompresor juga

dapat memperpanjang lifetime dari kompresor karena motor

yang di drive dengan VSD dapat menggunakan metode soft

starting sehingga bagian mekanik dari peralatan tidak

diberikan stress atau tekanan pada saat start.

IV. ANALISA PENGHEMATAN

Daya input ke plant ketika diturunkan kecepatannya

lebih rendah, sesuai dengan kurva hubungan antara daya dan

kecepatan [2]. Kurva tersebut juga ditunjang dengan hasil

trend dari konsumsi energi yang didapat melalui alat ukur.


5

Gambar 13. Bentuk arus dan tegangan input fasa R ke sistem pada

kompresor yang di drive dengan menggunakan VSD pada frekuensi 50 Hz.

Pada gambar tersebut terlihat bahwa daya yang di

konsumsi oleh kompresor ketika di set frekuensi 50 Hz pada

VSD, daya inputnya paling besar (pada grafik merupakan

yang paling atas),ketika frekuensinya diturunkan menjadi 40

Hz, daya inputnya semakin menurun dan dayanya semakin

menurun jika kecepatannya menurun. Akan tetapi, pada

kompresor dengan VSD yang di set pada frekuensi 25 Hz,

energi yang di konsumsi lebih besar dibandingkan dengan

kompresor yang di drive langsung. Penggunaan daya pada

frekuensi 25 Hz lebih besar dikarenakan meskipun daya

input ke kompresor ketika kecepatannya di turunkan lebih

kecil daripada dengan daya input dengan kecepatan penuh,

kompresor tetap membutuhkan waktu untuk mengisi tangki

hingga mencapai 4 bar.

Semakin rendah kecepatan motor penggerak kompresor

berarti besar debit udara yang masuk ke tangki semakin

berkurang, dan tentunya membutuhkan waktu yang lebih

lama untuk mencapai 4 bar, sehingga daya yang di konsumsi

menjadi lebih besar.

Tabel 3 merupakan data energi yang di konsumsi

kompresor pada tiap kondisi (setelah di bagi 5).

Dari tabel 3 dapat dilihat bahwa penghematan dengan

menggunakan VSD dapat dilakukan jika menggunakan

frekuensi 40 Hz, terlihat bahwa energi yang dikonsumsi

lebih hemat 1.4 Wh atau sekitar 7.44 %. Energi yang

dikonsumsi ketika menggunakan VSD pada frekuensi 50 Hz

lebih besar dibandingkan dengan kompresor yang di driver

langsung dari jala-jala karena rugi-rugi pada VSD.

V. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan pada

tugas akhir ini, dapat ditarik kesimpulan bahwa penggunaan

Variable Speed Drive (VSD) pada kompresor ¼ Hp dapat

menghemat energi hingga 7.44% jika menggunakan

frekuensi 40Hz dan pada tekanan sistem sebesar 4 bar dan

dibandingkan dengan kompresor yang di drive langsung.

Akan tetapi daya yang dikonsumsi akan menjadi lebih besar

jika menggunakan VSD dengan frekuensi 25Hz dan pada

tekanan sistem yang sama. Hal tersebut menyatakan bahwa

meskipun daya yang digunakan untuk kecepatan yang rendah

lebih rendah, bukan berarti energi yang dikonsumsi pada

kecepatan yang rendah lebih hemat.

Penggunaan VSD juga dapat mengakibatkan timbulnya

harmonisa yang tinggi pada sistem. Hal tersebut patut

diperhitungkan jika ingin menggunakan VSD untuk

menghemat konsumsi energi pada kompresor

DAFTAR PUSTAKA

[1] Saidur R., Mekhilef S., Ali M., Mohammed H., “Applications of

variable speed drive (VSD) in electrical motors energy savings”,

Renewable and Sustainable Energy Reviews 2012;16;543-550.

[2] Saidur R, Rahim N, Hasanuzzaman M. “A review on compressed-air

energy use and energy savings”, Renewable and Sustainable Energy

Reviews 2009;14;1135-1153.

[3] Drury Bill, “The Control Techniques Drives and Controls

Handbook”, The Institution of Electrical Engineers, July 2001

[4] Gutzwiller R.A., Gerh art R.J., Hickok H.N., “A 10,000 hp a.c.

adjustable frequency compressor drive-The economics of its

application”, IEEE Transactions on Industry Applications., vol. 1A-

20, no.1, January/February 1984

[5] Hickok H.N., “Adjustable Speed-A Tool for Saving Energy Losses in

Pumps, Fans, Blowers, and Compressors”, IEEE Transactions on

Industry Applications., vol. 1A-20, no.1, January/February 1985

[6] N. Brown Royce, “Compressors: Selection And Sizing”, Elsevier,

2005

[7] Stephen J. Chapman, “Electric Machinery Fundamentals”, McGraw-

Hill Companies, 2005

Tabel 3

Energi yang di konsumsi kompresor pada tiap kondisi

Kondisi Penyalaan Kompresor P (Wh) Q (VARh) S (VAh)

50 Hz 18.8 42.6 46.6

50 Hz VSD 19 45 48.8

40 Hz VSD 17.4 42.6 46

25 Hz VSD 27.6 67 72.4

penghematan energi pada kompresor menggunakan...

Documents