penghematan energi pada kompresor menggunakan variable speed drive

Upload: onoiokai

Post on 15-Feb-2018

241 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/23/2019 Penghematan Energi Pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive

    1/5

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

    Efisiensi (%)

    Head (m)

    AbstrakKompresor yang digunakan pada eksperimen ini

    merupakan kompresor tipe reciprocating dengan daya Hp.

    Kompresor ini digerakkan dengan motor induksi tiga fasa

    dengan konfigurasi wye dan dengan daya output sebesar 1 Hp

    dan rating tegangan 380 V. Var iable Speed Dr ive (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 digunakanuntuk 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,var iable speed dri ve (VSD).

    I.

    PENDAHULUANADA 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 kompresortidak 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 danpenghematan 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

  • 7/23/2019 Penghematan Energi Pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive

    2/5

    JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 2

    1480 rpm

    Head

    (m)

    Kurva Beban(tanpa Throttle)

    Kurva Beban

    (dengan Throttle)

    1480 rpm

    1210 rpm

    960 rpm

    Kurva Beban

    Head(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 1210rpm. 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

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

    kg^(-1) )debit (m s^(-1) ))/efisiensi

    = (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 :

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

    kg^(-1) )debit (m s^(-1) ))/efisiensi

    = (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 (125.3592.85) kW = 32.5 kW =

    25.9 %.

    Karakteristik kompresor serupa pada pompa danpenghematan 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 membawake penghematan biaya yang tinggi.

    III. URAIANPENELITIAN

    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 gaugeakan 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 dankemudian ditunggu hingga tekanan kembali mencapai

    tekanan maksimal, setelah mencapai tekanan maksimal

    yang dapat dicapai oleh kompresor, katup kembali

  • 7/23/2019 Penghematan Energi Pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive

    3/5

    JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 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 kompresoradalah 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 sebanyaklima kali dengan tujuan untuk meningkatkan keakuratan

    sensing arus melalui clamp dipower quality meter.

    Dari hasil pengukuran menggunakanpower 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.

    Tabel1.

    Nameplate kompresor

    PREASSURE 7 kg/cm2

    POWER 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

  • 7/23/2019 Penghematan Energi Pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive

    4/5

    JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 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 8. Energi yang dikonsumsi oleh kompresor yang di drive VSD

    pada frekuensi 40 Hz

    Gambar 9. Energi yang dikonsumsi oleh kompresor yang di drive VSD

    pada frekuensi 25 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 padafrekuensi 50 Hz

    Gambar 12. Besar harmonisa arus ke 3 sampai ke 17 pada bagianinput 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 untukmengetahui 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.

  • 7/23/2019 Penghematan Energi Pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive

    5/5

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

    DAFTARPUSTAKA

    [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 itsapplication, 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