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