Analisa Penghematan Energi Pompa Air dengan Variable Speed Drive Control.

I Putu Oka Sutrisna

Universitas Udayana

Email : arsantagraha@gmail.com

Abstrak

Energi merupakan kebutuhan yang mendasar dari kehidupan manusia modern. Pola  konsumsi energi yang boros mengakibatkan semakin cepat berkurangnya cadangan energi fosil. Untuk itu diperlukan upaya penghematan energi dengan tetap memperhitungkan kwantitas hasil yang ingin dicapai. Konfigurasi Direct Online pada aplikasi Pompa air menimbulkan banyknya rugi-rugi daya listrik. Variable Speed Drive adalah perangkat yang dikembangkan  dalam upaya penghematan energi listrik yang digunakan sebagai fungsi control Pompa air. Dalam penelitian ini disajikan potensi penghematan energi pada aplikasi pompa air dengan control Variable Speed Drive yang dibandingkan dengan konfigurasi Direct Online.

Kata Kunci : Variable Speed Drive, Pompa Air, Direct Online, Daya Listrik.

1.Pendahuluan

Semakin meningkatnya kebutuhan manusia mengakibatkan semakin besarnya kebutuhan akan energy. Ilmu pengetahuan juga semakin berkembang untuk mendapatkan sumber-sumber energi baru. Tidak hanya upaya pencarian energi baru, namun upaya penghematan energy juga gencar dilakukan guna menjamin ketersediaan energy di masa yang akan datang.

Sumber energi listrik yang saat ini digunakan sebagian besar bersumber dari energy fosil dan hanya sebagian kecil dari energy terbarukan. Seperti kita ketahui sumber energi fosil ini persediaannya terbatas yang diperkirakan tersedia untuk 70 tahun kedepan. Oleh karena ketersediaan energy fosil terbatas dan membutuhkan biaya yang relatif mahal maka kita dituntut untuk dapat melakukan upaya penghematan.

Air adalah kebutuhan manusia yang paling primer. Agar air dapat menjangkau tempat yang lebih tinggi diperlukan system pemompaan. Ada banyak penelitian yang telah dilakukan untuk mendapatkan pompa dengan efisiansi tinggi, mulai dari penelitian mekanis maupun elektris.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik arus Rump-up dengan configurasi DOL dan VSD dan untuk mengetahui seberapa besar efisiansi daya dari konfigurasi VSD berbanding DOL dengan metode perbandingan dari beberapa penelitian dan mengambil nilai rata-ratanya.

2.        Kajian Pustaka

Penggerak kecepatan bervariasi/ Variable Speed Drive (VSD) juga dikenal dengan inverters yang dapat mengubah kecepatan motor dengan mengatur frekwensi keluaran yang dipasok ke motor. Jadi dengan memainkan perubahan frekuensi yang masuk pada motor, maka kecepatan akan berubah yang mengakibatkan konsumsi daya listrik juga akan berubah. Karena itu inverter disebut juga Variable Frequency Drive.

­­­            Gambar 1, adalah skema sederhana dari Variable Speed Drive, dengan blok penyusun terdisi dari : block rectifier, blok filter, block inverter dan blok microprocessor. Secara umum cara kerja variable speed drive adalah sebagai berikut : 

1.     Arus Listrik  yang masuk dari grid dengan frekwensi 50 Hz dialirkan ke block rectifier/ penyearah tegangan , dan diteruskan ke block filter  untuk memperbaiki bentuk tegangan DC . Jadi dari AC diubah kedalam bentuk DC.

2.     Tegangan DC kemudian diumpankan ke block inverter untuk dijadikan AC kembali yang dikontrol dari block microprocessor dengan frekuensi sesuai kebutuhan. Jadi dari DC ke AC yang komponen utamanya adalah Semiconduktor aktif seperti IGBT. Dengan menggunakan frekuensi carrier (bisa sampai 20 kHz), tegangan DC dicacah dan dimodulasi sehingga keluar tegangan dan frekuensi yang diinginkan [1].

Pengendalian kecepatan pompa merupakan cara yang paling efisien dalam mengendalikan aliran, sebab jika kecepatan pompa berkurang maka pemakaian daya juga berkurang. Karakteristik kecepatan terhadap daya pada aplikasi motor listrik ketika system mendeteksi tidak adanya aliran  dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 2. Karakteristik Konsumsi Daya  terhadap Flow Rate.

Gambar 2 merupakan karakteristik konsumsi Daya motor listrik terhadap Flow rate. Dengan adanya sleep mode pada variable speed drive maka akan dapat menurunkan konsumsi daya.

Saat Rump-up VSD dapat mengatur kecepatan pompa berada dibawah kecepatan maksimun dengan menaikan frekwensi secara bertahap, yang artinya akselerasi pompa terhadap waktu dapat diatur untuk menghindari konsumsi Daya yang terbuang.

Gambar 3. Rump-up dan Rump-down.

Gambar 3. Menunjukan karakteristik frekwensi saat rump-up dan rump-down kecepatan motor diatur bertahap terhadap waktu, untuk mengindari lompatan konsumsi daya sesaat [2].

Dengan hukum afinitas maka performa pompa sentrifugal dapat ditentukan, termasuk persyaratan beban secara teoritis dan potensi penghematan energi.

Gambar 4. Hubungan antara speed dengan flow.

Jika penurunan kecepatan 50%, maka  aliran juga akan menurun sebesar 50%, seperti yang ditunjukan dengan Gambar 4.

Gambar 5. Hubungan antara Speed dengan Pressure.

Daya dorong bervariasi sebagai kwadrat kecepatan. Jika kecepatan menurun sebesar 50%, tekanan akan menurun hingga 25% seperti ditampilkan dalam gambar 5.

Gambar 6. Hubungan antara Speed dengan Power consumption.

Jika kecepatan menurun sebesar 50%, konsumsi daya menurun ke 12,5% (Grafik C). Potensi penghematan energi tersedia sebagai persyaratan aliran berkurang [3].

Gambar 7. Arus Starting (DOL)

Dengan configurasi Direct Online (DOL), kecepatan pompa tidak dapat diatur saat Rum-up, sehingga kecenderungan  adanya lonjakan konsumsi daya awal yang tidak menghasilkan aliran air. Penggunaan Variabel Speed Drive untuk mengkontrol kecepatan saat Rump-up adalah salah satu cara untuk mendapatkan aliran air namun tidak terjadinya lonjakan arus awal, sehingga konsumsi daya listrik akan lebih efisien.

Gambar 8. Konsumsi arus berbanding waktu.

            Gambar 8, menunjukan konsumsi arus berbanding waktu. Tidak hanya saat Rump-up, namun saat Rump-Down kecepatan pompa juga dapat diatur. Dengan system akselerasi dan deselerasi yang ada maka tidak hanya berdampak pada penghematan Daya listrik, namun juga sangat bermanfaat untuk mengurangi dampak buruk dari terhentinya system secara tiba-tiba [4].

Gambar 9. Konfigurasi Star-Delta.

Star-Delta digunakan dalam upaya untuk mengurangi konsumsi arus awal seasat dan untuk mengurangi gannguan pada pengguna listrik lain. Star-Delta Starter adalah salah satu cara untuk mengurangi biaya dengan cara elektromekanis dengan menurunkan Tegangan Start. Pengurangan tegangan pada masing-masing kumparan adalah 230V, sehingga mengurangi torsi awal. Besar tegangan pada setiap gulungan, ketika  konfigurasi delta adalah 400V [5].

Gambar 10. Arus Starting Star-Delta.

Untuk motor dengan daya besar dan beban berat, maka beberapa aplikasi menggunakan sistem Star-Delta. Untuk putaran awal digunakan star  dan selanjutnya di ubah ke susunan delta. Sistem star-delta merupakan generasi pertama Soft Starter yang berfungsi untuk mengurangi lonjakaran arus awal yang besar, selain juga berfungsi untuk mengurangi hentakan mekanis. Soft starter dengan konfigurasi Star-Delta dilakukan dengan batuan timer untuk mengatur waktu perpindahan susunan dari Star (Y) ke Delta (Δ).

3.     Metodelogi Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode mengumpulkan data (synthesize) dan membandingkan data (compare) beberapa penelitian yang kemudian diambil sebuah kesimpulan yang sesuai.

4.     Hasil dan Pembahasan

Dari beberapa literature yang telah di-review, didapat berbagai macam metode penghematan energi pompa. Penghematan energi secara mekanis dilakukan dengan melakukan inovasi pada impeller, Housing pump serta pengaturan presisi antara keduanya. Sedangkan untuk mendapatkan penghematan energi dari sisi Kontrol elektris adalah dengan sistem Star-Delta dan variable speed drive.

Deangan Star-Delta didapatkan potensi penghematan Arus (Current) pada saat Rump-Up sebesar +  66 %. Sedangkan saat pompa sudah beroperasi normal, konsumsi daya akan sama. Star-Delta lebih mengakomodir kondisi saat Rump-Up sehingga dapat disebut soft start. Sedangkan saat Rump-Down, konfigurasi Star-Delta tidak memberikan benefit apapun.

Variable Speed Drive adalah sistem dengan potensi penghematan enegi paling besar, dikarenakan Frekwensi, Arus dan Tegangan saat Rump-Up bisa disesuaikan terhadap waktu.

Gambar 11. Arus DOL berbanding VSD.

Ditunjukan pada gambar 11, Area Penghematan energi, saat Pompa Rump-up. Dengan setting waktu yang sama dari titik nol sampai motor steady state, didapatkan potensi penghematan arus listrik sebesar 87%. Variable speed drive juga hanya memberikan penghematan arus listrik saat Rump-up, sedangkan dalam kondisi steady state konsumsi arus listriknya sama dengan Direct Online dan Star-Delta dengan syarat frekwensi kerja yang disetting sama.

Selain penghematan energi saat Rump-Up, frekwensi VSD juga dapat disetting untuk mendapatkan respon berhenti dengan lembut, sehingga memperpanjang usia pakai peralatan dengan mengurangi water hummer effect.

5.     Kesimpulan

Dari penelitian yang dilakukan terhadap analisa penghematan energi pompa air dengan menggunakan metode mengumpulkan data (synthesize) dan membandingkan data (compare) beberapa penelitian yang kemudian diambil sebuah kesimpulan, maka :

1.     Terjadi lonjakan konsumsi arus saar Start-Up dengan konfigurasi Direct Online sebesar 4 sampai 6 kali Arus motor  saat steady state.

2.     Dengan konfigurasi Star-Delta dapat menghemat arus Start-up sebesar 66%, sedangkan konsumsi arus saat motor steady state sama, dibandingkan dengan direct online.

3.     VSD memberikan penghematan energi sebesar 87% saat Rump-Up, sedangkan saat Pompa Steady state konsumsi arusnya sama.

4.     Saat Rump-Down, penurunan frekwensi VSD secara bertahap juga dapat dilakukan, sehingga menghilangkan water Hummer effect dan mengakibatkan umur peralatan menjadi lebih lama.

6.     Daftar Pustaka

[1]    Iwan A, Harun H. Analisis Penghematan Energi Motor Listrik di PT X, Reka Elkomika, 2013; 1: 281-294.

[2]    Danfoss Vlt 2800, MG.27.E3.02-VLT, 2013;83.

[3]    Eaton Corporation, Variable Frequency Drive: energy saving for pumping applications, IA04008002E, 2012.

[4].   Galih P, Mochammad F. Analisis Perbandingan Metode Starting Motor (Direct Online dengan Variable Frequency Drive), Makalah Seminar Kerja Praktek, Universitas Diponegoro, 2014.

[5]    L. Nagarajan, Star delta Starter Using Soft Switch For Low Power Three Phase Induction Motors, Aust. J. Basic & Appl. Sci,2015, 9(21): 175-178.

[6]    Molla S, Tahia F. Energy Efficiency Opportunities and Savings Potential for Electric Motor and Its Impact on GHG Emissions Reduction, International Journal of Electrical and Computer Enginering, 2013; 3(4): 533-542.

[7]    Ankur P, Rakesh J. Energy Conservation Using Variable Frequency Drive in Pumping Application, International Journal of Engineering Development and Research, 2014: 121-125.

[8]    Rajendrakumar P, Nilesh S. Energy Conservation Opportunity with a Variable Frequency Drive in Boiler Feed Pump, International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, 2015, 4(2):181-187.

[9]    Priyank D, Kashyap M. Energy Conservation in Centrifugal pump with variable frequency drive including SCADA, PLC and HMI, International Journal of innovative research in science, Engineering and Technology, 2013, 2: 1461-1468.

[10]  Netha J, Mohandas R. Energy Saving Mechanism Using Variable Frequency Drive, International Journal of Technology and Advanced Engineering, 2013, 3(3):784-780.

[11]  Aldi H, Dedet C. Penghematan Energi pada Kompresor Menggunakan variable speed drive, Jurnal Teknik Pomits, 2013, 1(1): 1-5.