TUGAS AKHIR
APLIKASI INVERTER SJ 200 PADA POMPA BOOSTER YANG DIKONTROL DENGAN PLC DI PT. GRAMEDIA PALMERAH JAKARTA
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Guna Menyelesaikan Pendidikan Program Strata Satu Fakultas Teknologi Industri
Disusun Oleh : Nama : Suprayitno NIM : 4140412 – 011 Jurusan : Teknik Elektro
TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009 1
LEMBAR PENGESAHAN
Diajukan guna melengkapi syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Strata 1 Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Tenaga Listrik Universitas Mercu Buana
Telah diperiksa dan disetujui
Koordinator Tugas Akhir
Dosen Pembimbing
( Yudhi Gunardi ST, MSc )
( Dr. Hamzah Hillal, MSc )
Mengetahui Ketua Jurusan Teknik Elektro
( Yudhi Gunardi ST, MSc )
2
LEMBAR PERNYATAAN
Judul Tugas Akhir : Aplikasi Inverter SJ 200 Pada Pompa Booster Yang Dikontrol Dengan PLC di PT. Gramedia Palmerah Jakarta. Nama
: Suprayitno
Nim
: 4140412-011
Fakultas / Jurusan
: Teknologi Industri / TTL
Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan tugas akhir yang telah saya buat merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya, apabila terjadi di kemudian hari, penulis mempertanggung jawabkan sekaligus menerima sangsi berdasarkan tata tertib yang berlaku di Universitas Mercu Buana. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dalam keadaan sadar dan tidak ada yang memaksa.
Penulis
Suprayitno
3
ABSTRAK
Penghematan energi listrik pada saat sekarang gencar dilakukan oleh pemerintah khususnya PLN sebagai satu-satunya instansi penyedia listrik untuk masyarakat dan industri sebagai pengguna energi listrik. Sosialisasi metode pengaturan pemakaian tenaga listrik perlu dilakukan oleh pemerintah antara lain pemakaian lampu hemat energi, penggantian refrigerant alternatif pada AC, perbaikan sistem pada motor dan penggunaan tenaga listrik pada luar beban puncak. Berkaitan dengan hal tersebut pengusaha pun tidak terlepas dengan upaya yang dilakukan untuk penghematan tersebut. Pengelola gedung perlu berupaya untuk
melakukan efisiensi energi pada
beberapa instalasi khususnya yang menggunakan rangkaian motor-motor yang mengkonsumsi daya cukup besar. Salah satu penerapan motor-motor tersebut adalah pada sistem pompa booster dengan penambahan inverter yang dikontrol dengan programmable logic controllers (PLC). Inverter merupakan alat yang dapat mengatur kecepatan putaran motor menyesuaikan dengan beban aktual sehingga konsumsi daya listrik motor tersebut dapat ditekan sehingga dapat mengurangi biaya operasional tagihan listrik. Dampak penghematan energi dengan menggunakan sistem inverter telah dianalisis pada tugas akhir ini, dengan objek kajian adalah PT. Gramedia Palmerah Jakarta.
4
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT, atas rahmat dan hidayahnya serta salam dan shalawat kepada Nabi Muhammad SAW akhirnya penulis dapat menyelesaikan
penulisan Tugas akhir dengan judul “APLIKASI
INVERTER SJ 200 PADA POMPA BOOSTER YANG DIKONTROL DENGAN PLC DI PT. GRAMEDIA PALMERAH JAKARTA” . Penulisan tugas akhir ini, sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
Sarjana Strata Satu pada Fakultas Teknik Industri jurusan Teknik
Elektro Universitas Mercu Buana. Dengan bimbingan, petunjuk saran serta bantuan dari berbagai pihak tugas akhir ini dapat diselesaikan,untuk itu perkenankanlah pada kesempatan ini penulis untuk menyampaikan rasa terima kasih yang tak terhingga kepada: 1. Bapak Ir. Yudhi Gunardi, MT, selaku Ketua Jurusan Tehnik Elektro dan Koordinator Tugas Akhir, Jurusan Tehnik Elektro Program Kelas Karyawan, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercu Buana. 2. Bapak Dr. Hamzah Hillal, MSc, selaku Pembimbing Tugas Akhir, Jurusan Tehnik Elektro Program Kelas Karyawan, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercu Buana. 3. Bapak/Ibu dosen dan karyawan di Jurusan Tehnik Elektro Program Kelas Karyawan, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Mercu Buana. 4. Semua Pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu penulis selama kerja praktek dan penyusunan laporan ini.
i 5
Penulis menyadari bahwa karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulisan ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan guna penyempurnaan akhirnya, Penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan merupakan bahan perbandingan bagi para pembaca khususnya teman-teman jurusan Teknik Elektro Universitas Mercu Buana Jakarta.
Jakarta, Mei 2009
Penulis
ii6
DAFTAR ISI
Hal HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERNYATAAN ABSTRAK KATA PENGANTAR
i
DAFTAR ISI
iii
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR KURVA
ix
BAB I
: PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ........................................................................
1
1.2 Tujuan Penulisan .....................................................................
1
1.3 Batasan Masalah ....................................................................
2
1.4 Metode Penelitian ...................................................................
2
1.5 Sistematika Penulisan ............................................................
2
BAB II : MOTOR INDUKSI, INVERTER DAN PLC 2.1 Motor Induksi ..........................................................................
3
2.1.1 Motor Induksi Rotor Sangkar ......................................
3
2.1.2 Prinsip Kerja Induksi .................................................
4
2.1.3 Rugi-Rugi Daya Pada Motor ......................................
5
2.2 Inverter ....................................................................................
7
2.2.1 Komponen Utama Inverter ...........................................
9
2.2.1.1 Dioda ...............................................................
9
iii 7
2.2.1.2 Transistor .........................................................
11
2.2.1.3 IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) .........
13
2.2.1.4 Rangkaian Penyearah (Rectifier) .....................
16
2.2.1.5 Rangkaian Filter ..............................................
17
2.3 Program Logic Controllers (PLC) ..........................................
19
2.3.1 Keunggulan dan Kekurangan PLC ...............................
20
2.3.2 Komponen-Komponen PLC .........................................
23
2.3.3 Input Analog .................................................................
26
2.3.4 Output Analog ...............................................................
27
BAB III : PERBANDINGAN INVERTER SJ 200 DENGAN DIRECT ON LINE DAN SISTEM OPERASI INVERTER SJ 200 YANG DI KONTROL DENGAN PLC NAIS FPO C32T 3.1 Umum .....................................................................................
28
3.2 Gambaran Umum Mengenai Sistem Instalasi Pompa Booster
28
3.3 Instalasi Dengan Menggunakan Sistem Direction On Line ....
29
3.4 Sistem Instalasi Dengan Menggunakan Inverter SJ 200 (Hitachi) .................... ..............................................................
32
3.4.1 Prinsip Kerja Inverter ...................................................
32
3.5 Perbandingan Pada Saat Pengukuran Sistem DOL Dengan Sistem Inverter ........................................................................
37
3.6 Operational Sistem ..................................................................
38
3.7 Komponen Yang Memberi Input Ke PLC ..............................
39
3.8 Setting Program ......................................................................
42
3.9 Sistem Operasional .................................................................
43
3.10 Material Yang Digunakan Untuk Menjalankan Sistem ..........
44
3.11 Penyelesaian Masalah .............................................................
45
8 iv
BAB IV : PENGUKURAN DAN ANALISA 4.1 Pengukuran Dengan Sistem Direct On Line ...........................
46
4.2 Pengukuran Dengan Inverter ..................................................
47
4.3 Analisa ................................................................................. ..
49
4.4 Biaya Tagihan Listrik Per Bulan .............................................
49
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan .............................................................................
51
5.2 Saran ......................................................................................
51
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
v9
DAFTAR GAMBAR
Hal Gambar 2.1 Perbandingan daya pada hubungan bintang dan segitiga ...........
4
Gambar 2.2a Blok diagram inverter ................................................................
8
Gambar 2.2b Power diagram inverter ..............................................................
8
Gambar 2.3 Simbol dioda .............................................................................
9
Gambar 2.4 Karakteristik dioda .....................................................................
10
Gambar 2.5a Rangkaian dioda dengan tegangan maju.....................................
10
Gambar 2.5b Rangkaian dioda dengan tegangan ballik ...................................
10
Gambar 2.6 Simbol transistor .........................................................................
11
Gambar 2.7 Karakteristik transistor ...............................................................
12
Gambar 2.8 Rangkaian transistor ..................................................................
12
Gambar 2.9 Pulsa picu (trigger) dan tegangan output Vce .............................
13
Gambar 2.10 IGBT .................................... ......................................................
13
Gambar 2.11 Rangkaian penyearah fasa tiga gelombang penuh .....................
17
Gambar 2.12 Bentuk gelombang .....................................................................
17
Gambar 2.13 Rangkaian penyearah dengan filter induktor .............................
18
Gambar 2.14 Bentuk gelombang penyearah dengan filter induktor ................
18
Gambar 2.15 Rangkaian penyearah dengan filter kapasitor ............................
18
Gambar 2.16 Bentuk gelombang penyearah dengan dilter kapasitor ...............
19
Gambar 2.17 Diagram konseptual aplikasi PLC .............................................
20
Gambar 2.18 Contoh PLC produksi Matsushita ..............................................
20
Gambar 2.19 Elemen-elemen dasar PLC .........................................................
23
vi10
Gambar 3.1 Instalasi motor pompa ................................................................
29
Gambar 3.2 Instalasi direct on line ................................................................
30
Gambar 3.3 MCB type NC4 ..........................................................................
31
Gambar 3.4 Kontaktor type LC1-PO9M7 .....................................................
31
Gambar 3.5 Tombol star-stop type Hanyoung D25 .......................................
31
Gambar 3.6 Instalasi menggunakan inverter .................................................
33
Gambar 3.7 Inverter SJ 200 (Hitachi) ............................................................
35
Gambar 3.8 Pressure Transducer ...................................................................
35
Gambar 3.9 PlC-Nais, FPO C32T + ADC .....................................................
36
Gambar 3.10 Circuit breaker type NC 4 ..........................................................
36
Gambar 3.11 Gambar proportional operasi .....................................................
40
Gambar 3.12 Gambar derivative operasi .........................................................
40
Gambar 4.1
: Kurva hasil Pngukuran sistem DOL ........................................... 40
Gambar 4.2
: Kurva Hasil Pengukuran sistem VSD ......................................... 42
vii 11
DAFTAR TABEL
Hal Tabel 3.1 Kontrol masukkan ..........................................................................
38
Tabel 3.2 Kontrol keluaran .............................................................................
39
Tabel 4.1 Pengukuran dengan perubahan frekuensi di flow air .....................
46
Tabel 4.2 Pengukuran dengan sistem iverter SJ 200 ......................................
48
Tabel 4.3 Perbandingan sistem DOL dengan inverter ....................................
49
Tabel 4.4 Perbandingan perhitungan daya .....................................................
50
viii 12
DAFTAR KURVA
Hal Kurva 4.1 Kurva hasil pengukuran sistem DOL .............................................
47
Kurva 4.2 Kurva hasil pengukuran sistem inverter .........................................
48
ix 13
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG Dengan semakin mahalnya biaya energi listrik belakangan ini dan kompetisi pada dunia usaha yang semakin ketat, semua badan usaha dituntut untuk semakin efisien dalam melaksanakan proses produksi dan operasionalnya, sehingga semakin dicari metode–metode baru yang bisa digunakan untuk menghemat penggunaan energi. Penggunaan inverter diindikasikan dapat menghemat energi khususnya pada pemakaian motor-motor pompa, fan pada AHU dengan cara mengatur kecepatan putaran dari motor, sehingga input power dapat dikurangi untuk menyesuaikan dengan kebutuhan dari beban yang dilayani. Walaupun inverter merupakan alat yang berperanan penting dalam industri, namun harganya tidak murah, tetapi jika dilihat dari jangka panjang maka dapat menguntungkan karena pemakaian energi berkurang dan berdampak pada turunnya biaya operasional. Bertitik tolak dari permasalahan di atas, maka pada kesempatan ini akan dibuktikan kebenaran atau teori tersebut melalui serangkaian penelitian pada sistem instalasi pompa booster di PT. Gramedia Palmerah Jakarta yang menggunakan inverter dan dikontrol dengan programmable logic controllers (PLC)
1.2 TUJUAN PENULISAN Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengkaji penerapan inverter pada instalasi pompa booster di PT. Gramedia Palmerah Jakarta yang di kontrol dengan programmable logic controllers (PLC), sebagai salah satu cara untuk menghemat energi. 1
1.3 BATASAN MASALAH Penulisan tugas akhir ini difokuskan kepada studi penelitian dan pembuktian penghematan energi pada instalasi pompa booster dengan menggunakan inverter dan di kontrol dengan programmable logic controllers (PLC) di PT. Gramedia Palmerah Jakarta.
1.4 METODE PENELITIAN Dalam penulisan tugas akhir ini dilakukan proses pengumpulan data dan menganalisis permasalahan dengan beberapa metode yaitu: a. Studi pustaka, dengan mempelajari teori dasar yang mencakup prinsip kerja dari motor induksi rotor sangkar, prinsip kerja dari inverter dan PLC. b. Observasi, dengan melakukan pengukuran terhadap instalasi pompa booster dengan mengambil data kondisi-kondisi yang
terjadi di lingkungan PT.
Gramedia Palmerah Jakarta. c. Analisis data yang diperoleh dari hasil observasi.
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Penulisan Tugas akhir ini ditulis secara sistematika dalam 5 bab. Bab dua memuat teori–teori mengenai motor induksi, inverter dan programmable logic controllers (PLC) serta menjelaskan dasar dasar teori yang berhubungan dengan motor induksi rotor sangkar pada pemakaian pompa booster. Bab tiga mencakup, perbandingan sistem inverter dan direct on line (DOL) dan sistem operasi penggunaan inverter yang dikontrol dengan PLC. Bab empat memuat hasil pengukuran dan analisa secara keseluruhan. Bab lima merupakan kesimpulan dan saran dari keseluruhan tugas akhir.
2
BAB II KOMPONEN UTAMA DALAM SISTEM POMPA BOOSTER
2.1 MOTOR INDUKSI Fungsi utama motor induksi fasa tiga pada sistem ini adalah sebagai alat penggerak kopel. Kopel dihubungkan dengan perangkat pompa booster, atau secara singkat fungsi motor pada sistem ini adalah sebagai penggerak pompa booster. Disebut motor induksi, karena dalam hal penerimaan tegangan dan arus listrik pada rotor dilakukan dengan prinsip induksi listrik, sehingga tidak ada sambungan langsung antara bagian rotor dengan sumber tegangan listrik. Motor induksi banyak digunakan di industri karena motor listrik dapat dikontruksi sesuai kebutuhan-kebutuhan dan karakteristik-karakteristik penggerakan, diantaranya bisa dibuat dalam berbagai ukuran tenaga, mempunyai batas-batas kecepatan yang luas, bisa dikendalikan secara manual atau otomatis, sederhana, ekonomis dan handal. Catu daya untuk motor induksi menggunakan arus bolak-balik sebagai catu daya listriknya. Arus bolak-balik dapat berupa arus bolak-balik fasa satu untuk mesin-mesin dengan daya kecil atau arus bolak-balik fasa tiga untuk mesin-mesin dengan daya besar. Motor induksi yang digunakan pada sistem pompa booster menggunakan rotor sangkar tupai. 2.1.1 Motor Induksi Rotor Sangkar [5] Motor induksi ini mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun mirip sangkar tupai. Lilitan rotornya merupakan bahan alumunium yang dicor pada celah dan kemudian dihubung singkatkan bersama oleh cincin alumunium cor pada setiap ujung rotornya. Dengan rotor
3
sangkar, konstruksi motor menjadi sederhana, murah dan handal. Tetapi tidak mungkin untuk ditambahi dengan tahanan luar seperti pada rotor lilit. Cara yang paling sederhana untuk menjalankan motor rotor sangkar tupai ini, ialah dengan menghubungkan langsung dengan sumber dengan menggunakan saklar fasa tiga. Cara ini hanya diizinkan pada motor-motor sangkar tupai dengan daya di bawah 3 HP (sekitar 2 kW). Motor-motor dengan daya lebih besar dari 3 HP tidak boleh langsung dihubungkan dengan sumber. Untuk motor-motor dengan daya 2 sampai 4 kW (3 sampai 5,5 HP) kita memakai saklar bintang segitiga. Untuk itu kumparan stator mula-mula dihubungkan bintang dan sesudah itu dihubungkan segitiga. Seperti pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Perbandingan daya pada hubungan bintang dan segitiga Dalam dunia industri pada pemakaian motor, motor induksi rotor sangkar lebih banyak digunakan daripada motor induksi rotor lilit. Hal ini tak lepas dari harga dan biayanya lebih murah serta keunggulan fisiknya.
2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi Ada beberapa prinsip kerja motor induksi: a. Apabila sumber tegangan fasa tiga dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan magnit putar dengan kecepatan n s =
4
120 . f P
(2.1)
b. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor c. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi. d. Karena batang konduktor pada rotor merupakan rangkaian tertutup, maka GGL tersebut akan menyebabkan terjadinya aliran arus listrik (I) e. Adanya arus (I) pada batang konduktor yang berada di dalam medan magnit akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. f. Bila kopel gaya mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar pada stator. g. Seperti telah dijelaskan, GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan magnit putar stator. Artinya agar GGL induksi tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan putar rotor (nr). h. Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip i. Bila nr = ns, GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel. j. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak atau asinkron. 2.1.3
Rugi-Rugi Daya Pada Motor
Motor induksi dapat dikatakan mengambil konsep transformator, artinya daya masukan adalah berupa tegangan dan arus. Untuk transformator, daya keluaran berupa arus listrik pada belitan sekunder. Tetapi pada motor induksi belitan sekunder terletak pada rotor, daya keluaran bukan berbentuk arus listrik. Mesin induksi mempunyai daya masukan berupa arus listrik dan daya keluaran berbentuk mekanis (putaran).
5
Daya masukan pada motor induksi adalah Pin yaitu berupa fasa satu atau fasa tiga untuk tegangan dan arus listrik. Karena daya masukan ada hubungan antara tegangan dan arus maka didapatkan: Pin =
3.VT .I L . cos θ
(2.2)
dimana: VT
= Tegangan motor (volt)
IL
= Arus motor induksi (amper)
Cos Ө
= Faktor daya
Motor induksi mempunyai banyak rugi-rugi yang antara lain karena berbagai faktor. Kerugian pertama yang bisa diketahui yaitu rugi arus dan resistansi pada belitan stator yang dinamakan PSCL (stator copper loss). PSCL atau rugi-rugi daya pada tembaga stator, dipengaruhi oleh kualitas bahan tembaga, dan diekspresikan dengan persamaan: 2
PSCL = 3 . I1 . R1
(2.3)
Pcore adalah rugi-rugi besi, yang dipengaruhi oleh histerisis dan arus pada stator, dengan persamaan: Pcore = 3
EI 2 RC
(2.4)
PAG adalah daya celah udara. Daya ini adalah daya masukan yang dipengaruhi oleh rugi-rugi PSCL dan Pcore. Dari kedua rugi-rugi ini didapatkan: PAG = Pin – PSCL – Pcore
(2.5)
dimana: 2
PAG = 3 . I 2 .
R2 s
(2.6)
Setelah daya ditransfer melalui rotor, terdapat rugi-rugi arus dan resistansi yang terdapat pada rotor yang dinamakan PRCL (rotor copper loss). Rugi ini terdapat pada bagian rotor, dengan persamaan: 2
PRCL = 3. I2 . R2 6
(2.7)
Terdapat juga rugi-rugi yang lain seperti rugi gesekan dan angin, PF&W (friction and windage). Rugi ini terdapat di antara celah stator dan rotor. Terdapat pula rugi bocor pada sambungan dengan poros, Pstray. Kemudian Pmisc yaitu rugi-rugi yang lain yang dapat menghambat putaran motor. Dari semua rugi-rugi ini maka dapat ditemukan rugi-rugi total:
P Rugi-rugi total = PSCL + PRCL + Pcore + PF&W + Pstray + Pmisc
(2.8)
Setelah diketahui semua rugi-rugi, maka daya keluaran dapat dicari:
Pout = Pin – P Rugi-rugi total
(2.9)
Dapat ditentukan pula kualitas dari motor induksi atau disebut juga dengan effisiensi: η=
Pout Pin
(2.10)
x 100 %
Semakin tinggi nilai effisiensi maka semakin bagus kualitas dari motor induksi tersebut. Rugi daya pada besi tidak selalu ada, hal ini tergantung pada kualitas bahan tersebut. Selama motor induksi beroperasi pada kecepatan normal yaitu kecepatan sinkron, gerakan relatif dari medan magnet pada permukaan rotor menjadi lambat, tetapi rugi besi ini masih lebih kecil dari yang dialami rugi besi pada stator. Rugirugi yang terbesar terletak pada sirkit stator, semua kerugian menyatu pada diagram.
2.2 INVERTER Inverter berfungsi untuk mengubah listrik DC menjadi listrik AC. Inverter yang digunakan untuk motor AC biasanya merupakan fasa tiga yang akan merubah listrik DC menjadi listrik AC fasa tiga. Inverter mempunyai 3 blok utama dalam sistemnya, yaitu: rectifier, filter dan inverter. Tiga bagian utama ini biasa disebut juga AC drive. Dan tiga blok utama ini diperjelas dengan power diagram pada gambar 2.2a dan 2.2b. 7
Gambar 2.2a Blok diagram inverter
Gambar 2.2b Power diagram inverter Keterangan power diagram pada gambar 2.2b: a. Rangkaian filter yang dimaksud adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengurangi faktor ripple yang terjadi pada suatu rangkaian penyearah. b. Inverter adalah rangkaian yang mengubah tegangan searah (dc) menjadi tegangan bolak balik (ac). Semua motor elektrik memerlukan suatu sistem kendali. Kendali itu mungkin sederhana seperti tombol ON/OFF yang hanya berfungsi menghidupkan atau mematikan arus. Atau operasi yang lebih lengkap sedemikian rumit sehingga suatu komputer digunakan sebagai sistem kendali, seperti suatu aplikasi pabrik perakitan 8
mobil. Kedua-duanya menghidupkan atau mematikan arus motor elektrik pabrik perakitan yang dilengkapi dengan kendali start dan stop sistem kontrol. Tetapi perbedaan sistem kontrol keduanya adalah bagaimana menyediakan sistem pengaturan. Sebagai tambahan terhadap start/stop kendali, suatu motor sistem kendali dapat juga menyediakan beban terlalu berat pada motor. Perlindungan seperti halnya kecepatan motor dan peraturan tenaga putaran. 2.2.1 Komponen Utama Inverter Pada sistem tenaga listrik, terdapat penggunaan komponen-komponen elektronika yang umumnya dipakai dalam rangkaian pengaturan motor-motor listrik. Komponen-komponen elektronika yang dipakai pada sistem tenaga listrik ini, pada prinsipnya harus mampu menghasilkan daya yang besar atau mampu menahan disipasi daya yang besar. Ada beberapa jenis komponen yang umum dipakai, diantaranya yaitu : dioda, transistor, IGBT (insulated gate bipolar transistor), rectifier dan filter. 2.2.1.1 Dioda [1] Dioda adalah suatu bahan semikonduktor (silicon), yang didesain sedemikian rupa sehingga mampu menghasilkan arus pada satu arah saja. Simbol dioda dapat dilihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Simbol Dioda Dioda-dioda semikonduktor banyak ditemukan dalam berbagai aplikasi bidang elektronika dan elektrik. Dioda secara luas juga dipakai rangkaian elektronika daya (power electronics) untuk mengkonversi daya elektrik. Beberapa rangkaian ini
9
sering dipakai fungsinya sebagai penyearah, hal ini diperkenalkan dioda untuk konversi ac ke dc. Konverter ac-dc secara umum dikenal dengan penyearah (rectifiers), dan dioda penyearah menyediakan tegangan keluaran dc yang pasti.
Ada tiga tipe dioda daya yaitu : serbaguna, kecepatan tinggi, dan schotty. Dioda daya serbaguna tersedia hingga rating 3000 volt, 3500 amper, dan rating dari dioda pemulihan cepat dapat mencapai 3000 volt, 1000 amper. Suatu dioda mempunyai dua terminal yaitu katoda dan anoda. Karakteristik tegangan versus arus bagi dioda ini dapat dilihat pada gambar 2.4. Apabila dioda diberi tegangan maju seperti pada gambar 2.5a. maka dengan tegangan yang kecil saja (umumnya kira-kira 0,6 volt) akan mengalir arus maju. Dengan kenaikan tegangan yang sedikit saja sudah didapat arus yang besar.
Gambar 2.4 Karakteristik dioda
Gambar 2.5a Rangkaian dioda dengan tegangan maju
Gambar 2.5b Rangkaian dioda dengan tegangan balik 10
Sebaliknya apabila dioda diberi tegangan balik (gambar 2.5b), maka untuk tegangan yang masih dibawah Vr (lihat karakteristik dioda) arus tidak akan mengalir. Tetapi untuk tegangan diatas Vr akan mengalir arus balik yang besar. Pada umumnya disini dioda sudah tidak mampu menahan disipasi daya yang sangat besar ini (karena Vr besar dan arus baliknya juga besar). Tegangan Vr ini disebut sebagai tegangan tembus (peak inverse voltage). 2.2.1.2 Transistor Pada
tahun
1951,
William
Schockley
menemukan
transistor,
komponen
semikonduktor yang dapat menguatkan sinyal eketronik seperti sinyal radio dan televisi. Transistor telah banyak menghasilkan penemuan alat semikonduktor lain termasuk rangkaian terpadu (IC), suatu komponen kecil yang mengandung ribuan transistor miniatur. Karena IC-lah, komputer modern dan keajaiban elektronik lainnya dapat terjadi. Bipolar transistor menggunakan elektron bebas dan lubang sekaligus. Kata bipolar adalah singkatan dari ”dua polaritas”. Simbol untuk transistor dapat dilihat pada gambar 2.6.
(a)NPN
(b)PNP
Gambar 2.6 Simbol transistor Karakteristik transistor dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.7. Salah satu cara pemberian tegangan kerja dari transistor adalah untuk jenis npn, tegangan Vcc-nya positif, sedangkan untuk jenis pnp tegangannya negatif.
11
Gambar 2.7 Karakteristik transistor Arus Ib (misalnya Ib1) yang diberikan dengan mengatur Vb akan memberikan titik kerja pada transistor. Pada saat ini transistor akan menghasilkan arus collector (Ic) sebesar Ic1 dan tegangan Vce sebesar Vce1. Titik Q (titik kerja transistor) dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut : Persamaan garis beban = Y = Vce = Vcc – Ic x RL Jadi untuk Ic = 0, maka Vce = Vcc dan untuk Vce = 0 diperoleh Ic = Vcc/RL Apabila harga-harga untuk Ic dan Vce sudah diperoleh maka dengan menggunakan karakteristik transistor, akan diperoleh titik Q. Pemakaian transistor sistem tenaga masih sering digunakan. Pada umumnya transistor pada pemakaiannya disini berfungsi sebagai switching (kontak on-off). Adapun kerja transistor yang berfungsi sebagai switching ini, selalu berada pada daerah jenuh (saturasi) dan daerah cutt off (bagian yang diarsir pada gambar 2.8).
Gambar 2.8 Rangkaian transistor Agar transistor bekerja pada daerah jenuh dan daerah cut off-nya, dapat dilakukan dengan mengatur tegangan Vb dan rangkaian pada basisnya (tahanan Rb) 12
dan juga tahanan bebannya (RL). Untuk mendapatkan on-off yang bergantian dengan periode tertentu, dapat dilakukan dengan memberikan tegangan Vb yang berupa pulsa, seperti pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Pulsa picu ( trigger) dan tegangan output Vce Bentuk output Vce yang terjadi (gambar 2.9) apabila dijelaskan adalah sebagai berikut: a. Pada kondisi Vb = 0, harga Ic = 0 dan berdasarkan persamaan loop : -Vcc + IcR1 + Vce = 0, dihasilkan Vce = +Vcc b. Pada kondisi Vb = V1, harga Vce = 0 dan Ic = I saturasi (Isat) Untuk mendapatkan arus Ic (Isat) yang cukup besar pada rangkaian switching ini, umumnya RL didesain sedemikian rupa sehingga RL mempunyai tahan yang kecil. 2.2.1.3 IGBT (Insuladed Gate Bipolar Transistor) IGBT (insulated gate bipolar transistor) adalah piranti semikonduktor yang setara dengan gabungan sebuah transistor bipolar (BJT) dan sebuah transistor efek medan MOSFET.
Gambar 2.10 IGBT 13
Input dari IGBT adalah terminal gate dari MOSFET, sedang terminal source dari MOSFET terhubung ke terminal Basis dari BJT. Dengan demikian, arus drain keluar dan dari MOSFET akan menjadi arus basis dari BJT. Karena besarnya tahanan masuk dari MOSFET, maka terminal input IGBT hanya akan menarik arus yang kecil dari sumber. Di pihak lain, arus drain sebagai arus keluaran dari MOSFET akan cukup besar untuk membuat BJT mencapai keadaan saturasi. Dengan gabungan sifat kedua elemen tersebut, IGBT mempunyai perilaku yang cukup ideal sebagai sebuah sakelar elektronik. Di satu pihak IGBT tidak terlalu membebani sumber, di pihak lain mampu menghasilkan arus yang besar bagi beban listrik yang dikendalikannya. Komponen utama di dalam aplikasi elektronika daya (power electronics) dewasa ini adalah sakelar zat padat (solid-state switches) yang diwujudkan dengan peralatan semikonduktor seperti transistor bipolar (BJT), transistor efek medan (MOSFET), maupun thyristor. Sebuah sakelar ideal di dalam aplikasi elektronika daya akan mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: a. Pada saat keadaan tidak menghantar (OFF), sakelar mempunyai tahanan yang besar sekali, mendekati nilai tak berhingga. Dengan kata lain, nilai arus bocor struktur sakelar sangat kecil b. Sebaliknya, pada saat keadaan menghantar (ON), sakelar mempunyai tahanan menghantar (R_on) yang sekecil mungkin. Ini akan membuat nilai tegangan jatuh (voltage drop) keadaan menghantar juga sekecil mungkin, demikian pula dengan besarnya daya lesapan (power dissipation) yang terjadi, dan kecepatan pensakelaran (switching speed) yang tinggi. •
Sifat nomor (a) umumnya dapat dipenuhi dengan baik oleh semua jenis peralatan semikonduktor yang disebutkan di atas, karena peralatan semikonduktor komersial pada umumnya mempunyai nilai arus bocor yang sangat kecil. 14
•
Untuk sifat nomor (b), BJT lebih unggul dari MOSFET, karena tegangan jatuh pada terminal kolektor-emitter, VCE pada keadaan menghantar (ON) dapat dibuat sekecil mungkin dengan membuat transitor BJT berada dalam keadaan jenuh (saturasi). Sejak tahun 1980-an telah muncul jenis divais baru sebagai komponen sakelar
untuk aplikasi elektronika daya yang disebut sebagai insulated gate bipolar transistor (IGBT). Sesuai dengan yang tercermin dari namanya, divais baru ini
merupakan divais yang menggabungkan struktur dan sifat-sifat dari kedua jenis transistor tersebut di atas, BJT dan MOSFET. Dengan kata lain, IGBT mempunyai sifat kerja yang menggabungkan keunggulan sifat-sifat kedua jenis transistor tersebut. Terminal gate dari IGBT, sebagai terminal kendali juga mempunyai struktur bahan penyekat (insulator) sebagaimana pada MOSFET. Dengan demikian, terminal masukan IGBT mempunyai nilai impedansi yang sangat tinggi, sehingga tidak membebani rangkaian pengendalinya yang umumnya terdiri dari rangkaian logika. Ini akan menyederhanakan rancangan rangkaian pengendali (controller) dan penggerak (driver) dari IGBT. Disamping itu, kecepatan pensakelaran IGBT juga lebih tinggi dibandingkan divais BJT, meskipun lebih rendah dari divais MOSFET yang setara. Di lain pihak, terminal keluaran IGBT mempunyai sifat yang menyerupai terminal keluaran (kolektor-emitter) BJT. Dengan kata lain, pada saat keadaan menghantar, nilai tahanan menghantar (R_on) dari IGBT sangat kecil, menyerupai R_on pada BJT. Dengan demikian bila tegangan jatuh serta lesapan dayanya pada saat keadaan menghantar juga kecil. Dengan sifat-sifat seperti ini, IGBT akan sesuai untuk dioperasikan pada arus yang besar, hingga ratusan amper, tanpa terjadi kerugian daya yang cukup berarti. IGBT sesuai untuk aplikasi pada perangkat Inverter maupun kendali motor listrik (drive). 15
2.2.1.4 Rangkaian Penyearah (Rectifier) Rangkaian penyearah adalah suatu rangkaian yang mengubah tegangan bolak-balik (ac) menjadi tegangan searah (dc). Terdapat beberapa jenis rangkaian penyearah, yang masing-masing jenis memberikan hasil yang berbeda-beda terhadap bentuk tegangan dc yang keluar. Perbandingan antara tegangan dc yang keluar terhadap tegangan ac yang ikut serta pada hasil outputnya, dinamakan faktor ripple (riak). Notasi untuk faktor ripple yang diberikan disini adalah r. Besarnya faktor ripple dapat dihitung dengan rumus : r =
komponen ac x 100% komponen dc
(2.11)
Komponen dc-nya adalah harga rata-rata tegangan dc pada output-nya. Ini dapat dihitung dengan rumus : Vdc =
1 T
∫
(2.12)
Vo t dt
Komponen ac adalah harga rms dari tgangan ac yang keluar. Komponen ac ini tercampur dengan komponen dc-nya. Untuk menghitung faktor ripple ini, digunakan suatu rumus pendekatan yaitu :
⎛V r = ⎜⎜ rms ⎝ Vdc
2
⎞ ⎟ − 1 x 100 % ⎟ ⎠
(2.13)
Dimana Vrms ini merupakan harga rumus total dari tegangan output-nya. Dan ini dapat dihitung dengan rumus : V rms =
1 T
∫ V t dt
(2.14)
o
Penyearah fasa tiga gelombang penuh Rangkaian penyearah fasa tiga gelombang penuh fasa tiga ini dapat dilihat pada gambar 2.11.
16
(a)
(b)
Gambar 2.11 Rangkaian penyearah fasa tiga gelombang penuh Bentuk tegangan keluarannya pada penyearah ini, faktor ripple-nya adalah 4,2 % dan untuk frekuensi dasar 50 Hz, frekuensi harmonis yang terasa dan ikut keluar pada keluarannya adalah 300 Hz.
(a)
(b)
Gambar 2.12 Bentuk gelombang 2.2.1.5 Rangkaian Filter Rangkaian filter yang dimaksud adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengurangi faktor ripple yang terjadi pada suatu rangkaian penyearah. Umumnya komponen yang dipakai adalah :
• Kapasitor yang dihubungkan secara paralel pada terminal output penyearah • Induktor yang dihubungkan secara seri pada penyearah
17
Contoh pemakaian induktor L pada rangkaian penyearah setengah gelombang dapat dilihat pada gambar 2.13.
Gambar 2.13 Rangkaian penyearah dengan filter induktor
Gambar 2.14 Bentuk gelombang penyearah dengan filter induktor Sedangkan bentuk gelombang yang terjadi pada keluarannya. Pada saat 0 < t < T/2, terjadi penyimpangan energi elektromagnetik pada induktor, sebesar: E =
∫
(2.15)
P (t) dt
Kemudian pada saat T/2 < t < T, dioda cut off dan terjadi pembuangan muatan dari induktor L. Berdasarkan sifat induktor yang menyatakan bahwa tegangan pada induktor tidak dapat berubah dengan tiba-tiba dan berdasarkan persamaan V0(t) = Vs(t) – VL(t), maka diperoleh bentuk tegangan seperti terlihat pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Rangkaian penyearah dengan filter kapasitor
18
Gambar 2.16 Bentuk gelombang penyearah dengan filter kapasitor Pada keadaan 0 < t < T/2, dioda konduksi dan kapasitor akan terisi muatan. Pada T/2 < t < T, dioda off dan kapasitor akan membuang (discharge). Berdasarkan sifat kapasitor yang menyatakan bahwa tegangan pada kapasitor tersebut tidak dapat berubah dengan tiba-tiba, dan berdasarkan persamaan V0(t) = Vc(t), maka diperoleh bentuk tegangan.
2.3
PROGRAM LOGIC CONTROLLERS (PLC) [2]
Program pogic controllers (PLC) adalah merupakan alat pengontrol digital yang dapat di program menggantikan relai, timer, counter, control pcb card, dan dirancang untuk beroperasi secara digital dengan menggunakan memori sebagai media penyimpanan instruksi–instruksi internal untuk dapat menjalankan fungsi– fungsi logika, seperti fungsi pencacah, fungsi urutan proses, fungsi pewaktu, fungsi aritmatika, dan fungsi lain dengan cara memprogramnya. Proses yang dikontrol ini dapat berupa regulasi variable secara kontinyu seperti pada sistem-sistem servo, atau hanya melibatkan kontrol dua keadaan (On/Off ) saja, tetapi dilakukan secara berulang-ulang seperti umum dijumpai pada mesin pengeboran, sistem konveyor, dan lain sebagainya. Gambar 2.17 berikut memperlihatkan konsep pengontrolan yang dilakukan oleh sebuah PLC. 19
Proses / Mesin
PLC
Gambar 2.17 Diagram konseptual aplikasi PLC
Gambar 2.18 Contoh PLC produksi Matsushita Program–program dibuat kemudian dimasukkan (download) dalam PLC melalui programmer/monitor, untuk pembuatan program dapat digunakan computer sehingga dapat mempercepat hasil pekerjaan. Fungsi lain pada PLC dapat digunakan untuk memonitor jalannya proses pengendalian yang sedang berlangsung, sehingga dapat dengan mudah dikenali urutan kerja (work sequence). Kemampuan tersebut hampir tidak mungkin dapat dilakukan dengan menggunakan pengontrol konvensional yang berupa panel control dengan relai sebagai komponen utama. Sekarang telah banyak beredar berbagai macam merk dan tipe PLC antara lain Festo, Omron, Hyundai, Mitsubishi, Matshusita, dan masih banyak lagi. 2.3.1 Keunggulan Dan Kekurangan PLC Sebagai salah satu alat control yang dapat diprogram, PLC mempunyai banyak kelebihan dibandingkan dengan alat kontrol konvensional. Perbedaan dan kelebihan PLC dibandingkan dengan sistem konvensional, dapat dilihat pada tabel 2.1. 20
Tabel 2.1 Sifat sistem PLC dan sistem konvensional No. a. b. c. d. e. f. g.
Sistem PLC Sistem wirring relatif sedikit Spare partnya mudah didapat Sistem maintenance lebih mudah dan sederhana Pelacakan sistem, kesalahan sistem lebih sederhana Hanya memerlukan daya yang rendah Dokumentasi gambar sistem lebih sederhana dan mudah dimengerti Sistem dapat dimodifikasi lebih mudah dan sederhana
Sistem konvensional Sistem wirringnya lebih komplek Spare partnya relatif sulit didapat Maintenance membutuhkan waktu lebih lama Pelacakan kesalahan sistem yang terjadi sangat komplek Daya yang dibutuhkan relatif besar Dokumentasi gambar sistem lebih banyak Modifikasi sistem membutuhkan waktu yang banyak
Selain mempunyai perbedaan dengan sistem kontrol konvensional, secara spesifik PLC memiliki beberapa kelebihan di antaranya: a. Fleksibel dalam penggunaan, satu buah PLC dapat melayani lebih dari satu buah mesin atau output yang harus dikendalikan. b. Sistem deteksi dan koreksi lebih mudah, kesalahan dalam menginput program ke dalam sebuah PLC sebagai sebuah sistem kontrol dapat dengan mudah dan cepat dikoreksi untuk deprogram ulang dan dikoreksi dengan mudah melalui ladder diagramnya. c. Harga relatif murah, karena sifat PLC yang dapat dihubungkan dengan banyak peralatan input dan output untuk berbagai macam tujuan pengendalian maka PLC lebih murah harganya jika dibandingkan dengan alat kontrol konvensional. Hal ini terutama jika dibutuhkan pengembangan dalam suatu sistem pengendalian di industri. d. Proses pengamatan secara visual, program yang telah diinput melalui PLC dapat dimonitoring melalui layar monitor pada saat PLC sedang dioperasikan sehingga dapat dilakukan perubahan atau pengembangan program secara cepat dan sederhana.
21
e. Kecepatan dalam operasi, PLC dapat mengaktifkan beberapa fungsi logika hanya dalam waktu beberapa mill detik sehingga dapat bekerja atau beroperasi dengan lebih cepat. f. Implementasi proyek lebih cepat, lebih sederhana dan mudah dalam penggunaan serta mudah dalam melakukan modifikasi tanpa harus menambah biaya. g. Dokumentasi lebih mudah, program yang telah diinput melalui PLC dengan mudah dapat disimpan dan dicetak jika dibutuhkan dengan pencarian yang lebih cepat. Disamping PLC dapat memberikan banyak keuntungan sebagaimana dijelaskan di atas jika dibandingkan dengan sistem kendali konvensional, PLC juga masih memiliki beberapa kelemahan dan kekurangan dalam hal : a. Teknologinya baru sehingga dibutuhkan waktu untuk mengubah dan menggantikan sistem yang telah ada, dalam hal ini sistem yang masih bersifat konvensional. b. Penggunaan PLC tergantung pada lingkungan, karena PLC memiliki beberapa sifat yang peka terhadap lingkungan di sekitarnya dimana PLC diletakkan. Untuk proses seperti pada lingkungan panas yang tinggi, vibrasi yang tinggi penggunaannya kurang cocok, karena dapat merusak PLC.
22
Terminal jalur masukan
P.C Komputer
Komun ikasi
Jalur Tambahan
Pengaturan Masukan
memori
Catu Daya
CPU
Pengaturan Keluaran
Untuk pemrograman Terminal jalur keluaran
Gambar 2.19 Elemen–elemen dasar PLC 2.3.2 Komponen-komponen PLC Komponen–komponen PLC yang diperlukan untuk sistem kendali di antaranya berupa central controller unit (CCU) yang di sebut dengan istilah central processing
unit (CPU) yang terdiri dari processor, monitori, dan power supply serta bagian input/output (I/O) structure dan program device. Elemen–elemen dasar sebuah PLC ditunjukkan pada gambar 2.19. a. Power Supply Unit, energi yang digunakan untuk menghidupkan PLC dapat berupa sumber AC 120 volt atau 240 volt dan dapat juga ditentukan sumber arus DC 5 volt sampai dengan 30 volt. Selain menyediakan tegangan listrik, power supply juga dapat memonitor dan memberikan sinyal kepada CCU apabila terjadi suatu kesalahan. Dengan kata lain, power supply selain sebagai pemberi daya 23
berfungsi juga sebagai komponen sistem. Perlu diperhatikan bahwa kemampuan power supply jangan dihubungkan dengan sumber arus yang melebihi kapasitasnya karena akan mengakibatkan operasi PLC yang tidak stabil. Power supply yang baik idealnya dirancang untuk mengamankan terjadinya fluktuasi kondisi daya. Tetapi sebuah power supply belum tentu dapat mengkompensasi kondisi ketidakstabilan tegangan yang terjadi. Ketidakstabilan tegangan ini, biasanya disebabkan oleh:
•
Jauhnya lokasi sumber energi
•
Sistem sambungan yang tidak baik
•
Dekat dengan peralatan berat
Untuk mengatasi hal tersebut, diperlukan adanya suatu alat yang biasa dipakai seperti constant voltage transformer atau lebih dikenal dengan nama stabilizer. Untuk mengatasi masalah lain yang akan mempengaruhi jalannya program pada PLC, maka sebaliknya PLC dilengkapi atau dijauhkan dengan peralatan lain yang dapat menimbulkan efek elektromagnetik. b. Central processing unit (CPU), terdiri atas komponen-komponen:
• Prosesor, biasanya PLC menggunakan chip microprocessor sebagai intinya dan sekaligus merupakan otaknya dari PLC. Gerakkan actuator yang diperintah oleh inti ini dalam bentuk program yang diolah oleh microprocessor. Jenis microprocessor yang umum digunakan adalah : Z80, 6800, 8086, 6502, 68000, 80286, 80386 ataupun 80486 serta yang lainnya sampai generasi intel pentium.
• Memory, karakteristik terpenting dari PLC adalah kemudahan pemakai dalam menggantikan program dengan mudah dan cepat. Tujuan ini dapat dicapai dengan membuat karakteristik PLC dilengkapi dengan sistem memori. Sistem
24
memori ini dimaksud untuk menyimpan data–data urutan instruksi ataupun program yang dapat dieksekusi oleh prosesor sesuai dengan perintah yang telah diberikan dalam program. Sistem memori PLC terdiri dari dua virtual memori, meliputi:
• Executive memory, memory ini tersusun dari sekumpulan program–program permanen yang dianggap sebagai bagian dari PLC. Program permanen ini mengarahkan atau menjalankan aktifitas seluruh sistem, seperti eksekusi program, komunikasi peralatan dan lain–lain. Dengan kata lain executive
memory adalah bagian memori yang dapat menyimpan instruksi–instruksi software, seperti instruksi internal relay, blok transfer, instruksi matematik dan lain–lain. Daerah memori ini tidak dapat diakses oleh pemakai.
• Application memory, sistem ini berguna untuk menyimpan dan tempat menampung instruksi–insturksi program yang diinput oleh pemakai. Memori ini terdiri dari beberapa bagian yang memiliki fungsi dan penggunaan yang khusus. c. Jenis–jenis memori, secara singkat, di bawah ini dijelaskan fungsi dan perbedaan dari masing–masing jenis memori yang biasa digunakan dalam sebuah CPU PLC selain ROM dan RAM, di antaranya:
• Memori jenis PROM (programmable read only memory), dalam memori ini user hanya dapat menyimpan program satu kali saja.
• Memori jenis EPROM (erasable programmable read only memory), yaitu PROM yang dapat dihapus dengan cara menyinarinya menggunakan sinar ultra violet dalam waktu hanya beberapa menit. Memori jenis ini disebut juga memori UVROM.
25
• Memori jenis NOVRAM (nonvolatile random access memory), yaitu memori kombinasi antara EEPROM dan RAM. Ketika catu daya berkurang maka memori pada RAM dapat disimpan pada EEPROM sebelum hilang dan dapat dibaca kembali setelah catu dayanya kembali normal. Sinyal yang diolah CPU merupakan sinyal elektrik bertegangan rendah berkisar 5 volt DC. Sedangkan sinyal dari elemen kontrol dapat berupa arus DC atau arus AC yang bertegangan sampai dengan 240 volt. Sinyal input/output yang diterima oleh PLC terdiri dari dua macam sinyal yaitu sinyal digital (binary). Sinyal binary adalah sinyal yang memberi kondisi hidup “1” dan mati “0”. Sinyal ini merupakan sinyal yang paling umum digunakan dalam sistem PLC. Sedangkan sinyal analog adalah sinyal yang dapat berubah–ubah setiap saat, misalnya berupa arus atau keadaan tegangan listrik pada saat–saat tertentu. Untuk kebanyak PLC saat ini, penggunaan sinyal analog harus diterjemahkan terlebih dahulu menjadi sinyal binary menggunakan suatu modul input analog. 2.3.3 Input Analog Sebelum peralatan modul input dihubungkan dengan modul input analog, terlebih dahulu peralatan ini harus dihubungkan dengan sebuah transduser atau transmitter yang berfungsi sebagai pengubah sinyal analog yang berasal dari peralatan input ke dalam bentuk sinyal analog arus DC. Terjadinya perubahan sinyal ini akan membandingkan antara variable yang diukur dengan tegangan yang diterima oleh modul. Tegangan atau arus yang diterima oleh modul akan diubah ke dalam bentuk sinyal binary. Perubahan bentuk sinyal ini dilakukan oleh suatu alat yang dinamakan
analog to digital converter (A/D atau ADC). Besarnya sinyal tegangan yang masuk dibagi ke dalam beberapa bagian atau devisi yang dinamakan count atau hitungan sistem digital. Perubahan hitungan digital terkecil yang mampu dibentuk disebut dengan istilah resolusi. Contoh resolusi 26
ADC 12 bit, ini berarti sinyal inputnya dapat dibagi ke dalam 12 bit. Nilai ini didapatkan berdasarkan perhitungan 2 pangkat 12 atau dengan sistem bilangan decimal yang berkisar antara 0 sampai dengan angka 4095. 2.3.4 Output Analog Modul ini digunakan untuk mengontrol peralatan yang menerima sinyal tegangan/arus kontinyu (analog). Sebagaimana input analog, modul output analog dihubungkan dengan alat pengontrol melalui transduser atau transmitter. Transmitter ini yang berfungsi untuk memperbesar atau memperkecil serta mengubah sinyal output yang berupa binary ke dalam bentuk sinyal yang dapat diterima oleh peralatan output. Perbedaan antara modul input dengan modul output terletak pada jenis konverter yang digunakan. Kalau modul input menggunakan A/D konverter, sedangkan modul output menggunakan D/A converter atau DAC (digital to analog
converter). Besaran analog output yang dihasilkan akan sebanding dengan besaran numeric yang diterimanya. Jadi selain menghitung atau menangkap sinyal, DAC akan menghasilkan sinyal analog yang besarnya sebanding dengan arus/tegangan minimum dan maksimum.
27
BAB III PERBANDINGAN INVERTER SJ 200 DENGAN DIRECT ON LINE DAN SISTEM OPERASI INVERTER SJ 200 YANG DIKONTROL DENGAN PLC NAIS FPO C32T 3.1
UMUM
Pada bab ini dibahas bagaimana mempertahankan tekanan air pada pemipaan supaya tetap konstan, artinya tidak ada hentakkan tekanan air di dalam pipa pada saat pompa baru start. Karena pada sistem direct on line dan star delta selalu ada fluktuasi arus listrik yang besar, demikian juga adanya hentakkan tekanan air pada sistem pemipaan. Dengan menggunakan inverter dan programmable logic
controllers (PLC) pada sistem pompa booster ini, akan menghilangkan terutama kedua masalah tersebut. Karena inverter menggunakan frekuensi tegangan masuk untuk mengatur kecepatan motor, jadi dengan memainkan perubahan frekuensi maka tegangan masuk pada motor akan membuat kecepatan motor berubah-ubah. Dalam bab ini juga akan dibahas mengenai perbandingan penghematan energi pada pemakaian sistem pompa booster dengan menggunakan instalasi Inverter SJ 200 dan sistem pompa booster dengan instalasi direct on line (DOL).
3.2
GAMBARAN UMUM MENGENAI SISTEM INSTALASI POMPA BOOSTER
Instalasi sistem pompa booster yang biasa digunakan, yaitu dengan sistem direct on
line (DOL) dan sistem dengan inverter. Sistem instalasi direct on line (DOL), daya motor disediakan langsung oleh sumber listrik (PLN). Sedangkan sistem dengan inverter, daya motor disuplai dari inverter. 28
Untuk lebih jelasnya bisa dlihat pada gambar 3.1
a. Sistem Inverter
b. Sistem DOL Gambar 3.1 Instalasi motor pompa
3.3
INSTALASI DENGAN MENGGUNAKAN SISTEM DIRECT ON LINE
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, pada sistem direct on line (DOL) daya motor disediakan langsung oleh sumber listrik (PLN). Dalam hal ini kecepatan motor akan bekerja pada kecepatan nominal. Untuk instalasi DOL, kendala utama metode ini adalah adanya kejatuhan tegangan pada jaringan yang disebabkan oleh arus yang besar ketika start yaitu kurang lebih 3 kali arus beban penuh (3 x I bp). Instalasi direct on line (DOL) dapat dilihat pada gambar 3.2.
29
Kejatuhan magnitude tegangan tergantung pada rating mesin dan impedansi output jaringan supply. Bila suatu mesin besar akan diinstalasi, persetujuan harus diperoleh dari instansi yang berwenang sebelum start secara DOL dilakukan. Instalasi direct on line (DOL) dapat dilihat pada gambar 3.2.
MCB
Kontaktor
Motor Induksi
Pompa
Gambar 3.2 Instalasi direct on line Komponen utama yang digunakan pada instalasi DOL terdiri atas: a. Miniatur circuit breaker (MCB), berfungsi sebagai proteksi melindungi circuit dari gangguan beban lebih (overload), gangguan hubung pendek (short circuit) dan mengisolir gangguan dari circuit. MCB tipe NC4 seperti gambar pada 3.3 mempunyai spesifikasi arus pengenal 5 amper, 4 kutub.
30
Gambar 3.3 MCB type NC4 b. Kontaktor, berfungsi sebagai pemutus daya seperti pada gambar 3.4
Gambar 3.4 Kontaktor type LC1-D09M7 c. Tombol star-stop, berfungsi untuk menjalankan atau mematikan suatu instalasi. Tombol start-stop tipe Honyoung D25 pada gambar 3.5 mempunyai 2 tombol yang dilengkapi lampu indikasi led 220 Vac.
Gambar 3.5 Tombol star-stop type Honyoung D25
31
3.4
SISTEM INSTALASI DENGAN MENGGUNAKAN INVERTER SJ 200 (HITACHI)
Pada instalasi dengan menggunakan inverter, perubahan besar aliran air diatur dengan menggunakan pressure transduser. Saat aliran air maksimal (100%) diperlukan, maka pressure transduser secara otomatis memberi sinyal tekanan 100%. Untuk aliran air 80%, maka pressure transduser secara otomatis memberi sinyal tekanan 80%, demikian seterusnya. Perubahan besaran aliran air (flow) dilakukan dengan merubah kecepatan motor melalui inverter. Motor pompa akan bergerak dengan kecepatan variable (variable speed) tergantung pada kondisi tekanan air yang diterima oleh pressure transduser. Kondisi motor pompa akan ditunjukkan pada lampu indicator RUN yang berwarna hijau yang terdapat pada kontrol panel. Apabila terdapat motor pompa yang mengalami gangguan, maka motor pompa yang bersangkutan untuk sementara tidak dapat dihidupkan (baik dalam pengoperasian secara otomatis maupun manual) dan lampu indicator RUN akan berkedip-kedip. Untuk mengaktifkan motor pompa yang mengalami gangguan, maka selector switch motor pompa yang bersangkutan dipindahkan ke posisi MANUAL. 3.4.1 Prinsip Kerja Inverter Inverter bekerja berdasarkan prinsip-prinsip sebagai berikut: a. Tegangan yang masuk dari jala-jala 50Hz dialirkan ke board Rectifier/penyearah DC, dan ditampung ke bank capasitor. Jadi dari AC dijadikan DC. b. Tegangan DC kemudian diumpankan ke board inveter untuk dijadikan AC kembali dengan frekuensi sesuai kebutuhan. Jadi dari DC ke AC yang komponen utamanya adalah semiconduktor aktif IGBT. Dengan menggunakan frekuensi carrier (bisa sampai 20 kHz), tegangan DC dicacah dan dimodulasi sehingga keluar tegangan dan frekuensi yang diinginkan. 32
Instalasi dengan inverter dapat dilihat pada gambar 3.6 .
MCB
Presure tranducer
Inverter
Motor
Pompa
Gambar 3.6 Instalasi menggunakan inverter Jika beban motor memiliki inertia yang tinggi, maka perlu diperhatikan beberapa hal dalam akselerasi dan deselerasi. Untuk akselerasi/percepatan akan memerlukan torsi yang lebih, terutama pada saat start dari kondisi diam. Pada saat deselerasi/perlambatan, energi inertia beban harus di disipasi/dibuang. Untuk perlambatan dalam waktu singkat atau pengereman, maka energi akan dikembalikan kesumbernya. Motor dengan beban yang berat pada saat dilakukan pengereman akan berubah sifat menjadi ”generator”. Jadi energi yang kembali ini akan masuk ke dalam DC bus inverter dan terakumulasi di sana karena terhalang oleh rectifier.
33
Sebagai pegamanan, inverter akan trip jika level tegangan DC Bus melebihi batas yang ditoleransi. Untuk mengatasi tripnya inverter dalam kondisi ini diperlukan resistor brake. Resistor brake akan membuang tegangan yang lebih dalam bentuk panas. Besar kecil resistor brake sangat tergantung pada beban dan siklus kerja inverter. Parameter yang umum digunakan adalah: a. Display,
untuk mengatur parameter yang ditampilkan pada keypad display
b. Control, untuk menentukan jenis kontrol local/remote c. Speed control, untuk menentukan jenis control frekuensi reference d. Voltage, tegangan supply inverter e. Base freq, frekuensi tegangan supply f. Lower freq, frekuensi operasi terendah g. Upper freq, frekuensi operasi tertinggi h. Stop mode, stop bisa dengan braking, penurunan frekuensi dan dilepas seperti starter DOL/Y-D i. Aceleration, setting waktu percepatan j. Deceleration, setting waktu perlambatan k. Overload, setting pembatasan arus l. Lock, penguncian setting program Sedangkan komponen utama pada instalasi dengan penggunaan inverter terdiri atas: a. Inverter – HITACHI – SJ 200 – 2.2 KW b. Pressure Transducer – ENRESS House – Germany 0 MA – 20 MA c. PLC – Nais, FPO C 32 T + ADC set JIS d. Miniatur Circuit Breaker (MCB) Inverter yang digunakan pada sistem pompa booster seperti pada gambar 3.7
34
Gambar 3.7 Inverter SJ 200 (Hitachi) Pressure transducer adalah alat untuk mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk lain, yang merupakan elemen penting dalam sistem pengendali. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: a. Transduser input dapat dikatakan bahwa transduser ini akan mengubah energi non listrik menjadi energi listrik. b. Transduser Output adalah kebalikkannya, mengubah energi listrik ke bentuk energi non listrik.Tipe yang digunakan dalam sistem pompa booster seperti pada gambar 3.8
Gambar 3.8 Pressure transducer PLC – Nais, FPO C 32 T, merupakan suatu alat pengontrol digital yang dapat deprogram untuk menggantikan relay, timer, control PCB dan dirancang untuk beroperasi secara digital, dengan menggunakan memori sebagai media penyimpanan instruksi – instruksi internal untuk dapat menjalankan fungís-fungsi logika, seperti
35
fungsi pencacah, fungsi urutan proses, fungsi pewaktu, fungsi aritmatika, dan fungsi lain dengan cara memprogramnya. Proses yang dikontrol ini dapat berupa regulasi variable secara kontinyu seperti pada sistem-sistem servo, atau hanya melibatkan kontrol dua keadaan On/Off saja, tetapi dilakukan secara berulang-ulang, seperti pada gambar 3.9
Gambar 3.9 PLC-Nais, FPO C 32 T + ADC
Miniatur circuit breaker (MCB), berfungsi sebagai proteksi melindungi circuit dari gangguan beban lebih (overload), gangguan hubung pendek (short circuit) dan mengisolir gangguan seperti gambar 3.10
Gambar 3.10 Circuit breaker type NC 4 Keuntungan/kelebihan inverter adalah: a. Untuk mendapatkan start & stop terkendali, sehalus mungkin serta terproteksi dan mencapai kecepatan nominal yang konstan pada aplikasi dengan torsi awal/start. b. Kemampuan merubah kecepatan, memberikan torsi yang besar pada motor serta 36
fungsi lainnya. c. Pada fan menjamin proteksi termal. d. Mempunyai fungsi saving energi / penghematan daya. Spesifikasi Teknis inverter SJ Hitachi adalah: a. Tegangan suplai : 200-380 V untuk satu dan tiga phasa b. Waktu percepatan dan perlambatan : 0.01 …3600 detik c. Rentang frekuensi keluaran : 0.5...400 Hz d. Keakurasian frekuensi : Digital ± 0.01 Hz dan Analog ± 0.2 % (25 ± 0) e. Teknologi kontrol : line-to-line wine wave pulse-width modulation (PWN) control f. Tegangan motor : maksimum sama dengan tegangan suplai g. Akselerasi dan deselerasi : 0,5 ...... 999,9 detik h. Masukan dan keluaran : dua masukan analog (0-10 Vdcdan 4-20 mA)
3.5 PERBANDINGAN PADA
SAAT
PENGUKURAN
SISTEM DOL
DENGAN SISTEM INVERTER Tahapan pengukuran dilakukan
dengan 1 unit sistem pompa booster yang
menggunakan sistem DOL dan 1 unit sistem pompa booster dengan sistem inverter dengan konsumsi daya yang sama yaitu 2,2 kW, 3 fasa 380 volt. Pengukuran dilakukan untuk mengetahui secara jelas perbandingan yang ada terhadap instalasi kedua sistem, dimana operasional di PT. Gramedia Palmerah Jakarta Barat pada pukul 08.00 WIB sampai dengan 20.00 WIB. Pemberlakuan tarif PLN adalah sebagai berikut: Waktu
Golongan Tarif 37
Rp/kWh
Pkl. 08.00 wib – pkl. 17.00 wib LWBP
III-B
Rp. 452,- / kWh
Pkl. 17.00 wib – pkl. 20.00 wib WBP
III-B
Rp. 904,- / kWh
Konsumsi daya kontinyu dari 1 unit pompa dengan daya 2,2 kW, 3 fasa 380 volt dengan cos Ø 0,85.
3.6
OPERASIONAL SISTEM
Rancangan sistem ini terdiri atas sistem kontrol masukan dan sistem kontrol keluaran yaitu: a. Sistem kontrol masukan, terdiri atas 13 masukan digital ke PLC (programmable
logic controllers) dan masukan analog 0-20 MA, dan masukan analog ke ADC. Kontrol masukan-masukan tersebut sudah mempunyai alamat masing-masing untuk di pasang pada terminal-terminal PLC, dan untuk lebih jelasnya tentang alamat masukan pada PLC serta fungsi pada masing-masing alamat tersebut yang berhubungan dengan rancangan, dapat dilihat pada tabel 3.1. Tegangan masukan diambil dari tegangan sebesar 24 Volt pada PLC. Tabel 3.1 Kontrol masukan No. Alamat 1. X0 2. X1 3. X2 4. X3 5. X4 6. X5 7. X6 8. X7 9. X8 10. X9 11. XA 12. XB 13. XC b. Sistem kontrol keluaran,
Fungsi yang dikerjakan Dari WLC Dari tombol emergency Dari switch auto-off-manual P1 Dari PB ON P1 Dari PB off P1 Dari switch auto-off-manual - P2 Dari PB ON P2 Dari PB Off P2 Dari inverter 1 jika Fault Dari inverter 2 jika Fault Dari High Press Switch Dari Relay No. 9 No Flow 1 Dari Relay No. 10 No Flow 2 dimana terdapat 8 digital dari PLC dan 2 dari analog
0-10 Volt AC dari ADC. Sistem kontrol keluaran menggunakan lampu 24 Volt 38
DC sebagai indikator dari sistem kontrol pompa. Setiap komponen keluaran dipasang pada PLC, sesuai fungsinya pada alamat-alamat yang terdapat pada PLC. Untuk catu daya keluaran digunakan tegangan 24 volt AC yang diperoleh lengsung dari keluaran PLC. Alamat keluaran dapat dilihat pada tabel 3.2. Tabel 3.2 Kontrol keluaran No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
3.7
Alamat Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
Fungsi yang dikerjakan Relay No. 1 : INV-A FORWARD Relay No. 2 : INV-B FORWARD Relay No. 3 : P1 RUN Relay No. 4 : P2 RUN Relay No. 5 : INV. A ALARM Relay No. 6 : INV.B ALARM Relay No. 7 : LOW LEVEL Relay No. 8 : HIGH PRESSURE Relay No. 9 dan 10 diinput dari Flow Switch
KOMPONEN YANG MEMBERI INPUT KE PLC
Bila power sudah masuk ke inverter dan inverter sudah diposisikan external reference mode, maka siap menjalankan perintah PLC, sesuai dengan programnya, beberapa komponen yang bertugas memberi input ke PLC: a. Pressure transducer, pada sistem ini memakai sensor (pressure transduser).
Pressure transduser dipasang di pipa header dan berfungsi untuk mengukur tekanan air. Sensor ini memberikan sinyal ke PLC dengan nilai analog 0-20 mA. Dengan analog digital converter (ADC) nilai 0-20 mA akan di konversi menjadi nilai digital 0-9999. Pada sistem ini, merek yang dipakai endress houser. Nilai tersebut oleh Instruksi high speed counter akan disimpan dalam data register R 9010 yang nantinya akan digunakan untuk proses PID (proportional integeral
derivative). PID sendiri adalah matematika model yang berguna untuk proses control. Tipe PID itu ada dua macam yaitu:
• Reverse operation • Forward operation 39
Pada sistem ini yang akan digunakan adalah PID reverse operation, artinya jika pengukuran berkurang, keluaran akan bertambah atau jika tekanan turun putaran motor pada pompa akan bertambah. Sistem PID dijalankan sebagai berikut:
•
Proportional operation, membangkitkan keluaran yang proportional dengan masukkannya seperti dapat dilihat pada gambar 3.11
Off Set
KP Out Put MV
(Keep Performance)
Signal PV
3.11 Gambar proportional operasi
•
Integral operation, bertambah jika integral time (TC) berkurang.
•
Derivative operation, bertambah jika derivative time (TD) bertambah. Jadi PID operation adalah kombinasi dari proportional, integral dan derivative
operation, seperti dapat dilihat pada gambar 3.12.
+ Seting Signal SV
Off Set
Integral Operation
Output
KP
Measurement Signal
Derivative Operation
3.12 Gambar derivative operasi b. Water level control, sensor yang diletakan pada bak penampungan air. Sistem ini bekerja atau tidaknya ditentukan oleh salah satunya dengan sensor ini yaitu water
40
level kontrol. Sensor ini bekerja berdasarkan pada tinggi rendahnya air permukaan. Jika air berada pada level bawah (WLC), maka pompa akan mati dengan sendirinya. Ada 3 buah electroda yang harus dimasukan ke bak penampungan air yaitu Elektrode 1, Elektrode 2, dan Elektrode 3. Tipe WLC yang digunakan pada sistem ini adalah tipe Omron GIF GAP, dan bekerja pada masukan tegangan 220 Volt AC – keluarkan 8 Volt DC. E1 dipasang paling atas → ON E2 dipasang ditengah → OFF E3 dipasang dibawah → Compon Sistem akan berhenti sebelum air yang ada di bak penampungan habis atau kering, tujuannya supaya pompa tidak rusak akibat pengoperasian tanpa beban. Pengoperasian tanpa beban mengakibatkan pemanasan pada gulung stator motor, dan bisa merusak bagian pompa antara lain: mekanikal seal dan impeler. c. Flow switch, sensor untuk menditeksi aliran air pada discharge pompa. Jika pompa beroperasi atau bekerja, tapi tidak menghisap air selama 30 detik sampai 60 detik maka pompa akan mati. d. Pressure switch, sensor untuk tekanan air pada pipa. Jika terjadi tekanan tinggi (high pressure), maka sistem akan mati. Hal ini dapat terjadi jika pressure
tranducer terjadi masalah seperti kemasukan kotoran atau memang rusak. Adapun ON-OFF pompa akan dikontrol oleh pressure tranducer bukan pressure
switch. e. 2 set auto-off-manual, berfungsi untuk memilih operasi secara automatis atau manual, yaitu:
•
Push Button on 2 push button off
41
•
Emergency stop, berfungsi untuk mematikan sistem bila terjadi kerusakan atau ganguan yang diindikasikan oleh lampu alarm.
f. Potensio meter, berfungsi untuk mengatur kecepatan motor pompa pada saat dijalankan secara manual.
3.8
SETTING PROGRAM
Langkah-langkah untuk memprogram sistem pada PLC adalah sebagai berikut: a. Program NIS FP WINGR pada MS Windows dibuka b. Program file IBBS-65 FIP-2.2 dibuka. Program ini sudah OK yang telah dibuat oleh programmer PT. Indobara Bahana c. Kabel data RS 212 dari PC/Note Book ke PLC, dipasang setelah ON LINE d. Data register untuk setting dicari R 9010 179
┤├ [FO MV, K 3690, DT0]
2 Pump Stop
┤├ [FO MV, K 3000, DT1]
1 Pump Start
[FO MV, K 2800, DT2]
2 Pump Start
┤├ [FO MV, K 3650, DT1]
1 Pump Stop
[FO MV, K 3200, DT2]
1 Pump Start
R 54 185 1 Pump R54 196 1 Pump
Untuk kedua pompa switch Auto – Off – Manual harus pada posisi auto Jika tekanan ke header pompa booster 0 kg/cm2 maka K = 0. Jika tekanan 3.6 kg/cm2 K = 3690 R 54 ┤├ D1 Pompa I jalan
DT0 Pompa I Off 42
DT2 Pompa II jalan
DT1 pompa I Off DT0 Pompa II Off
R54 ┤├ berarti salah satu switch Auto-off-manu pada posisi Off Jadi, jika A-OFF-M untuk kedua pompa pada posisi AUTO, maka operasionalnya pada tekanan 3 kg/cm2. Pompa 1 (satu) maka jika tekanan pada pipa air turun lagi sampai 2.8 kg/cm2, dan pompa 2 (dua) akan mulai untuk membantu pompa 1 (satu). Jika tekanan naik sampai 3 kg/cm2, maka pompa 1 (P1) akan mati/stop, jika tekanan naik lagi sampai 3.6 kg/cm2 P2 stop. Tapi bila kapasitas saat di handle hanya satu pompa, maka pompa start-stop secara bergantian
3.9 SISTEM OPERASIONAL Untuk pemasangan inverter, sebaiknya juga dipasang unit pengaman hubung singkat seperti semiconductor fuse atau bisa juga breaker. Ini seperti pada pemasangan soft starter hanya saja tanpa contactor bypass. Pengontrolan start, stop, jogging dan lain-lain, bisa dilakukan dengan dua cara yaitu via local dan remote. Local maksudnya adalah dengan menekan tombol pada keypad di inverternya. Sedangkan remote dengan menghubungkan terminal di board control dengan tombol external seperti push botton atau switch. Masing-masing option
tersebut
mempunyai
kelemahan
dan
keunggulan
sendiri-sendiri.
Frekuensi dikontrol dengan berbagai macam cara yaitu: melalui keypad (local) dengan external potensiometer, input 0-10 VDC, 4-20 mA atau dengan preset memori. Semua itu bisa dilakukan dengan mengisi parameter program yang sesuai, adapun sistem operasinalnya seperti tersebut dibawah ini: a. Manual, tombol ON (PBI) ditekan untuk menjalankan sistem putar potensio tekanan untuk mengatur kecepatan putaran. Tekan PB2 untuk mematikan sistem
43
b. Automatic, selektor switch diarahkan ke posisi auto, maka motor akan bekerja secara automatis. Sensor untuk kecepatan putar motor dikontrol oleh
pressure tranducer.
3.10 MATERIAL YANG DIGUNAKAN UNTUK MENJALANKAN SISTEM Material yang digunakan untuk menjalankan sistem dapat dilihat pada tabel 3.3. Tabel 3.3 Tabel material No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.
23. 24. 25.
Material yang digunakan Kabel sistem NYAF 1.5 mm2 Kabel power NYAF 4 mm2 Kabel sistem NYY HY 2 x 2.5 mm2 Panel 70 cm x 12 cm x 35 cm Pressure tank 240 liter well mate Canada Lamp 220 VAC, untuk indicator RST Lamp 220 VAC, untuk indicator RUN, P1, RUN P2, FAULT INV-1, FAULT INV-2, NO FLOW P1, NO FLOW P2, HIGH PRESS Potensio meter 2.2 KΩ 3 kaki Resistor keramik 2.2 KΩ 2 kaki Stop kontak, untuk power PC/note book Inverter – HITACHI – SJ 200 – 2.2 KW – JIS in 3 phase 380 -400 VAC-put 380-400 VAC Power suply in 220 V – out 24 DC – Taiwan PLC-Nais, FPO C 32 T + ADC 2 set JIS Pompa ebara 65x50 FS 4 JA 2.2 KW, 50 HZ 380 V, 2P, 3000 RPM, 5 Amp, JIS/Taiwan Relay HJ 2-24 DC NAIS JIS Pressure transducer – ENRESS Houser – Germany 0 MA – 20 MA; 1 set pressure switch saginomiya 0-6 kg/cm2 JIS Flow switch i inc Honey Well JIS Auto-off-MANU-SS 25-Hawjoung-Korea Push button ON-PB 25 – Hawjoung-Korea Emergency stop-ES-25 – Hawjoung – Korea Main MCB 32 A, 3 P, 4.5 KA MG MCB 16 A, 3 P,4.5 KA untuk motor MG; 1 Set MCB sistem 6A, 1P, 4.5 KA MG; 3 Set MCB RST, 2A,1P,4.5KA MG Amper meter 0-2.5 A 72.72 CESA Korea Volt meter 0 – 500 V 72.72 CESA Korea Selector volt – CAMSCO 44
Jumlah 100 mtr 20 mtr 20 mtr 1 box 1 bh 3 bh 7 bh
2 2 1 2
bh bh bh set
1 set 1 set 2 set 10 set 1 set 1 2 2 1 1 2
set set set set set set
3 set 1 set 1 set
3.11 PENYELESAIAN MASALAH Beberapa masalah yang mungkin terjadi pada saat pengoperasian antara lain: a. Bila PLC tidak aktif walaupun tegangan sumber 380 VAC sudah disuplai:
•
Tegangan 24 VDC yang disuplai ke terminal PLC diperiksa
•
Keluaran dari catu daya 24 VDC diperiksa
•
Jika bagian masukan dari catu daya terdapat tegangan 220 VAC, ini menunjukkan bahwa catu daya mengalami kerusakan.
b. Bila motor pompa tidak bisa hidup:
•
Tegangan 380 VAC yang disuplai ke terminal motor pompa diperiksa
•
Kontaktor motor pompa diperiksa (direkomendasikan untuk melihat gambar elektrik yang terlampir)
•
Relay penggerak untuk koil dari kontaktor motor pompa diperiksa
•
Bagian keluaran dari PLC yang menggerakkan koil relay diperiksa
c. Jika tekanan air dalam keadaan tinggi, tetapi motor pompa tidak dapat mati:
•
Pressure switch diperiksa
•
Pressure transducer diperiksa
d. Jika tidak terdapat aliran air, tetapi motor pompa tidak dapat mati:
•
Flow switch diperiksa
45
BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISA Pada bab ini dibahas mengenai hasil pengukuran dan analisa. Pengukuran dilakukan pada dua sistem yaitu instalasi direct on line (DOL) dan instalasi menggunakan inverter SJ 200 (Hitachi) dengan sistem kontrol programmable logic controllers (PLC). Analisa dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran pada dua sistem, dengan objek kajian dilakukan pada PT. Gramedia Palmerah Jakarta.
4.1 PENGUKURAN DENGAN SISTEM DIRECT ON LINE Pengukuran yang dilakukan dengan sistem direct on line pada instalasi motor sistem pompa booster menggunakan peralatan: flow meter, tang amper. Langkah pengukuran dijalankan agar sistem dapat bekerja dengan baik tanpa ada gangguan. Urutan pengukuran : a. Instalasi daya 2,2 kW, fasa tiga 380 Volt b. Arus nominal : 3,76 Amper c. Posisi potensio meter diatur pada pembukaan 100%, 85%, 70%, 55%, 40%. Arus pengasutan/starting yang di dapat dari hasil pengukuran adalah 12,9 Amper. Hasil pengukuran sistem DOL dapat dilihat pada tabel 4.1. Tabel 4.1 Pengukuran dengan perubahan frekuensi dan aliran air Flow (%)
Arus (Amp)
Daya (Watt)
100% 85% 70%
3,78 3,76 3,70
2.114 2.103 2.069
55% 40%
3,56 3,36
1.991 1.879
46
Hasil yang didapat dalam percobaan pengaturan aliran air dan pengaturan frekuensi dapat dilihat pada kurva 4.1. Daya (Watt) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
50
60
70
80
90
100
Aliran air Gambar 4.1 Kurva hasil pengukuran sistem DOL 4.2 PENGUKURAN DENGAN INVERTER Pengukuran dilakukan dengan sumber daya fasa tiga dengan 380 Volt. Sumber daya ini terlebih dahulu masuk ke inverter, dan daya motor disupply dari inverter SJ 200. Langkah pengukuran dijalankan agar sistem dapat bekerja dengan baik tanpa ada gangguan. Urutan Pengukuran
•
Instalasi daya motor 2,2 kW
•
Fasa tiga 380 Volt
•
Kapasitas 250 ltr /menit
•
Head 25 mtr
47
•
Arus 4.5 Amp
•
Atur frekuensi inverter pada 20 Hz, 27.5 Hz, 35 Hz, 45 Hz dan 50 Hz
•
Atur kecepatan Inverter pada 100%, 85%, 70%, 55%, 40%.
•
Hasil pengukuran dapat dibaca pada amper meter (digital clamp meter 266) Arus pengasutan/starting yang didapat dari hasil pengukuran adalah 0,44
amper. Hasil pengukuran sistem inverter SJ 200 dapat dilihat pada tabel 4.2. Tabel 4.2 Pengukuran dengan sistem inverter SJ 200 Aliran Air (%) Frekwensi (Hz)
Kecepatan Putaran Motor (RPM)
Arus (Amp)
Daya (Watt)
100%
50
2.950
2,4
1.342
85% 70%
45 35
2.850 2.105
1,9 1,10
1.062 615
55% 40%
27,5 20
1.650 1.195
0,57 0,44
318 246
Hasil yang didapat dalam pengukuran dengan instalasi inverter dalam kurva seperti dapat dilihat pada kurva 4.2. Daya (Watt) 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
50
60
70
80
90
100
Aliran Air Gambar 4.2 Kurva hasil pengukuran sistem inverter
48
4.3 ANALISA Tabel 4.3 Perbandingan sistem DOL dengan inverter Aliran Air (%) 100 85
Daya DOL (Watt) 2.114 2.103
Daya dengan Inverter (Watt) 1.342 1.062
Perbedaan (%) 36,5 49,5
2.069 1.991 1.879
615 318 246
70,2 84,02 86,9
70 55 40
Setelah dilakukan pengukuran diantara dua sistem dengan melakukan pengaturan aliran air, maka dapat diketahui perbedaan pemakaian daya diantara dua sistem (tabel 4.3). Motor pompa booster dengan sistem DOL membawa perubahan tetapi tidak berarti. Dan pada motor pompa booster dengan sistem inverter membawa perubahan yang berarti. Sebagai contoh diambil pada aliran air 85 % : a. Sistem direct on line (DOL) dengan pengaturan aliran air. Untuk aliran air 85% membutuhkan daya 2.103 Watt sebanding dengan 99 % daya nominal. b. Sedangkan dengan menggunakan sistem inverter, untuk aliran air 85 % membutuhkan daya 1.062 Watt sebanding dengan 50 % daya nominal. Dari sini terlihat bahwa terdapat perbedaan daya sampai 49 % antara sistem pengaturan aliran dengan damper dan sistem dengan inverter SJ 200. Perbedaan ini berpotensi mendapatkan penghematan daya. 4.4. BIAYA TAGIHAN LISTRIK PER BULAN Operasional PT. Gramedia di Palmerah Jakarta adalah mulai pukul 08.00 WiIB s/d pukul 20.00 WIB. a. Jam 08.00 s/d 17.00 = 9 Jam (LWBP) Rp.452 /kWh. b. Jam 17.00 s/d 20.00 = 3 Jam (WBP) Rp.904 /kWh.
49
Setelah jumlah pompa dan kapasitasnya diketahui yaitu total daya khusus untuk sistem pompa booster adalah 8.8 kW. Biaya yang harus dikeluarkan oleh pengelola gedung dengan adanya perbandingan pada instalasi kedua sistem dapat dihitung sebagai berikut: a. Instalasi dengan system DOL :
•
Pada kondisi LWBP ( luar waktu beban puncak) 9 Jam x 30 hari x ( 9.9 % dari daya 8.8 kW) x Rp. 452 = Rp. 1.063.212,-
•
Pada kondisi WBP (waktu beban puncak) 3 Jam x 30 hari x ( 99% dari daya 8.8 kW) x Rp. 904 = Rp. 708.808,Biaya Beban Rp. 28.400,- (per kVA/bulan) x 8.8 kW / 0,8 = Rp. 294.023,-
•
Total biaya = Rp. 2.066.043,-
b. Instalasi dengan sistem inverter :
•
Pada kondisi LWBP
9 Jam x 30 hari x ( 50 % dari daya 8.8 kW) x Rp. 452 = Rp. 536.976,-
•
Pada kondisi WBP 3 Jam x 30 hari x ( 50 % dari daya 8.8 kW) x Rp. 904 = Rp. 357.964,Biaya Beban Rp. 28.400,- (per kVA/bulan) x 8.8 kW / 0,8 = Rp. 294.023,-
•
Total biaya = Rp. 1.188.963,Sehingga biaya yang dapat dihemat antara kedua sistem tersebut : Rp. 877.080,- per Bulan. Hasil perhitungan diatas ditabelkan seperti dapat dilihat pada tabel 4.4. Tabel 4.4 Perbandingan perhitungan biaya Rincian Waktu luar beban puncak Waktu beban puncak Biaya beban Total Selisih biaya penghematan
DOL 1.063.212,708.808,294.023,2.066.043,-
50
Inverter SJ 200 536.976,357.964,294.023,1.188.963,877.080,-
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
KESIMPULAN
Dari
hasil
pembahasan
dan
pengukuran
terhadap
instalasi
dengan
menggunakan inverter yang dikontrol dengan programmable logic controllers (PLC) dan instalasi dengan menggunakan sistem direct on line (DOL), maka dapat diambil kesimpulan bahwa : a.
Pemakaian inverter dapat menurunkan arus pengasutan yang tinggi : o Pada sistem DOL arus pengasutan sebesar 12,9 Amper atau 291% dari arus nominal. o Dengan menggunakan inverter arus pengasutan sebesar 0,44
Amper
atau 11,69 % dari arus nominal b.
Dengan
menggunakan
inverter,
pada
flow
yang
sama
didapat
penghematan daya sampai 49 % dibandingkan dengan DOL.
5.2
SARAN
a. Meskipun inverter sudah terpasang pada
instalasi sistem pompa booster
sebagai salah satu cara penghematan energi listrik, tetapi alangkah baiknya bila juga terpasang pada instalasi lain seperti pada AC, fan, lift, escalator dan lain sebagainya. b. Pada saat perencanaan pembangunan suatu gedung agar hal tersebut dapat dijadikan pertimbangan untuk biaya operasional yang akan ditanggung oleh pengelola gedung.
51
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Husodo, B., ”Elektronika Daya”, UMB, Jakarta, 2006.
[2]
Iwan, S., ”Programmable Logic Control (PLC) dan Teknik Rencana Sistem Kontrol”, Andi,Yogyakarta, 2006.
[3]
Katalog., ”Hitachi Inverter”, Japan, 2004.
[4]
Katalog., ”Programmable Controller FPO”, Jerman, 2003.
[5]
Sujono., ”Mesin-mesin Elektrik III”, UMB, Jakarta, 2008.
52
