JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 1 Penghematan Energi pada Kompresor Menggunakan Variable Speed Drive (VSD) Aldi Huda Irawan, Dedet Candra Riawan 1), dan Teguh Yuwono 2) Teknik Elektro, Fakultas Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: dedet@ee.its.ac.id 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%. 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. Kata Kunci kompresor, motor induksi 3 phasa, penghematan energi, variable speed drive (VSD). P 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. 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 Efisiensi (%) Gambar 1. Kurva karakteristik dari mesin sentrifugal tipikal (pompa, fan, dan kompresor) [3]
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 2 1480 rpm 1210 rpm 960 rpm 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 % Gambar 2. Kurva karaktersitik mesin sentrifugal pada kecepatan berbeda[3] Maka, daya yang dibutuhkan poros adalah : = (70 x 9.81 x (9.2/60))/0.84 = 125.35 kw 1480 rpm (tanpa Throttle) (dengan Throttle) 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. = (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 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 berbedabeda. 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
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 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 jalajala 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. PREASSURE POWER CAP TANK CAP SPEED Derajat Terbukanya Debit Udara Tabel 1. Nameplate kompresor Tabel 2 Data karakteristik kompresor 7 kg/cm2 ¼ HP 2.1 CFM 40 L 1000 RPM Tekanan (bar) 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 Gambar 4. Kurva karakteristik kompresor Gambar 5. Rangkaian dan peralatan yang digunakan pada percobaan
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 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. 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 11. Besar THD arus yang terukur di bagian input sistem pada kompresor yang di drive dengan menggunakan VSD pada frekuensi 50 Hz Gambar 10. Trend dari daya input pada kompresor Gambar 12. Besar harmonisa arus ke 3 sampai ke 17 pada bagian input sistem
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 5 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 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 Energi yang di konsumsi kompresor pada tiap kondisi 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 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 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.