Optimasi Energi pada Motor Induksi 3 Fasa dalam Memproduksi Kebutuhan Air (Studi Kasus di PDAM Karang Pilang Surabaya)

Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016

ISSN: 2548-1509

Optimasi Energi pada Motor Induksi 3 Fasa dalam Memproduksi Kebutuhan Air (Studi Kasus di PDAM Karang Pilang Surabaya) Galih Anindita1*, Edy Setiawan2, Achmad Syahid3 1

Prodi Teknik K3, Jurusan Teknik Permesinan Kapal, PPNS, Surabaya 60111 Jurusan Teknik Kelistrikan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya 60111 3 Jurusan Teknik Kelistrikan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya 60111 *[email protected] 2

Abstrak Pemenuhan kebutuhan air oleh PDAM selalu diimbangi dengan biaya operasional. Air dikumpulkan, disimpan, diolah dan didistribusikan dengan menggunakan pompa. Penggunaan motor sebagai penggerak pompa tanpa adanya kontrol akan menyebabkan pembengkakan biaya operasional produksi. Penggunaan kecepatan variabel pada motor induksi 3 fasa sebagai penggerak pompa air dalam produksi kebutuhan kapasitas air, akan lebih menghemat penggunaan daya listrik. Sebagai solusi alternatif maka dengan ini penulis mengajukan penelitian dengan judul “Optimasi Energi pada Motor Induksi 3 Fasa dalam Memproduksi Kebutuhan Air (Studi Kasus di PDAM Karang Pilang Surabaya)”. Solusi ini diharapkan perusahaan dapat memprediksi antara kebutuhan kapasitas air, putaran dengan kecepatan variabel pada motor induksi dan konsumsi daya yang digunakan, dengan solusi alternatif ini perusahaan juga dapat memprediksi antara pengeluaran dan pemasukan selama pengelolahan dalam memenuhi kebutuhan air. Dari hasil penelitian dan analisa hitungan yang sudah dilakukan didapatkan bahwa kebutuhan Kapasitas rata-rata Aliran air yang dibutuhkan setiap harinya antara 400 lt/det s/d 450 lt/det, pengaturan kecepatan motor pada Variable speed Drive diatur pada frekuensi antara 40 Hz s/d 45 Hz sehingga penghematan yang didapat dari biaya operasional yang dikeluarkan setiap bulannya sebesar antara 212.290.560,s/d 382.279.680,Kata kunci: Optimasi Energi, Slip Motor, Variable Speed Control, Frekuensi Inverting PENDAHULUAN Motor induksi 3 fasa adalah jenis motor yang banyak digunakan di industri pada umumnya. Adapun kelebihan motor induksi adalah konstruksi kokoh, harga murah dan perawatan yang mudah. Umumnya motor induksi digunakan untuk memutar beban dengan kecepatan konstan. Apabila terjadi perubahan beban, akan terjadi perubahan kecepatan, untuk itu kecepatan harus dikendalikan dengan mengatur frekuensi. Pemenuhan kebutuhan air selalu diimbangi dengan biaya operasional. Air dikumpulkan, disimpan, diolah dan didistribusikan dengan menggunakan pompa. Penggunaan motor sebagai penggerak pompa tanpa adanya kontrol akan menyebabkan membengkaknya biaya operasional produksi. Penggunaan kecepatan variabel pada motor induksi tiga fasa sebagai penggerak pompa air dalam produksi kebutuhan kapasitas air, akan lebih menghemat penggunaan daya listrik. Untuk itu dilakukan penelitian “Optimasi Energi pada Motor Induksi 3 Fase dalam Memproduksi Kebutuhan Air dengan Studi Kasus di PDAM Karang Pilang Surabaya”. METODOLOGI Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah mathematical analysis dan adapun langkah-langkah digunakan dalam penelitian ini adalah: 1.

2. 3.

4.

Analisa kebutuhan Peneliti melakukan analisa awal dan melihat adanya kebutuhan untuk dilakukannya suatu kajian. Dari analisa awal, yang dilakukan di PDAM Karang pilang Surabaya seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya, peneliti menemukan suatu kebutuhan bagaimana supaya bisa menekan biaya operasional dalam pengelolahan kebutuhan air. Studi literatur Mempelajari teori – teori dasar dan peralatan yang berhubungan dalam pengelolahan air oleh PDAM. Studi lapangan dan Pengumpulan data Melakukan secara langsung dan wawancara mengenai peralatan dalam pengelolahan air, terutama mengenai motor penggerak pompa, pengunaan daya, kapasitas air yang dihasilkan dan biaya operasional ataupun halhal lain Analisa Optimasi 87

5. 6.

Secara garis besar analisa optimasi disini adalah bagaimana malakukan optimasi penggunaan daya dengan melakukan analisa pada kapasitas rata-rata aliran air pada pompa, frekuensi variabel yang diberikan pada VSD dan daya operasional motor penggerak pompa. Pengolahan Data Melakukan pengolahan data yang didapat baik saat pengukuran dilapangan maupun dari literatur. Kesimpulan Kesimpulan dilakukan setelah mendapatkan hasil penelitian dan sudah dilakukan pembahasan. Selanjutnya peneliti dapat memberikan saran-saran untuk penelitian selanjutnya sebagai tindak lanjut dari kesimpulan yang didapat. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Kapasitas aliran air Q rata-rata. Berdasarkan data-data besarnya kapasitas aliran air setiap hari setiap jam selama seminggu, dari 6 (enam) unit pompa air yang ada dioperasikan 4 (empat) unit pompa air yaitu pompa air 1, 3, 4, 6, sedangkan 2 (dua) unit pompa air lainnya sebagai cadangan yaitu pompa air 2, dan pompa air 5, maka dapat dihitung besarnya kapasitas aliran air rata-rata dari 4 (empat) unit pompa air yang beroperasi per jam per hari dengan rumus seperti berikut:

Qrata 

Q1  Q2  ..........  Qn n

dimana: Qrata :Kapasitas aliran air rata-rata per jam (liter/detik) Q1,Q2,...., :Kapasitas aliran air pada jam 1,2,3,................,n (liter/detik)

Kapasitas Aliran Air Qrata (Liter / Detik)

Dari data didapat, Kapasitas aliran air Qrata (Liter/detik) dari 4 pompa yang beroperasi setiap hari setiap jam selama seminggu, ditunjukkan pada gambar di bawah:

Waktu (Jam) Gambar 1. KapasitasAliran Air Qrata (Liter/det) Berdasar data diatas dapat diketahui Kapasitas rata – rata Aliran air setiap harinya (Qrata (Liter/detik)) sebesar 1758,6 lt/det untuk 4 pompa bekerja. Setiap pompa Kapasitas rata – rata Aliran yang dibutuhkan sebesar 439,7 lt/det. Sedangkan untuk besar kuat arus listrik rata-rata setiap jam dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:

Irata  Dimana : Irata I1,I2,....,In

I1  I2  ..........  In n

: Kuat arus listrik rata-rata per jam (Amp) :Kuat arus listrik pada jam 1,2,3,................,n (Amp)

Dari data diperoleh besarnya aliran Arus Listrik rata-rata per jam per hari untuk setiap unit pompa yang beroperasi, sebagai berikut: Tabel 1. Besarnya Kuat arus listrik rata-rata (Ampere)

88

Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016

ISSN: 2548-1509

3.2 Konsumsi Daya Motor Induksi Tiga Fasa Penggerak Pompa Air. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa dari 6 (enam) unit pompa air yang ada, dioperasikan 4 (empat) unit, sehingga besarnya konsumsi daya listrik maksimum adalah: Pmak

= 4 x 400 kW = 1.600 kW.

Besarnya biaya konsumsi daya berdasarkan Tarif Dasar listrik untuk keperluan industri yang ditetapkan oleh Perusahaan Listrik Negara (PLN) adalah Rp. 680,- per kWh dihitung pada waktu diluar beban puncak, sehingga besarnya biaya konsumsi daya maksimum yang harus dibayar dapat dihitung seperti berikut ini: Biaya maksimum per jam Biaya maksimum per hari Biaya maksimum per bulan

= 4 x 400 kW x 1 jam x Rp. 680,= Rp. 1.088.000,= 4 x 400 kW x 1 jam x Rp. 680,- x 24 = Rp.26.112.000,= 4 x 400 kW x 1 jam x Rp. 680,- x 24 x 30 = Rp.783.360.000,-

3.3 VSD (Variable Speed Drive) Prinsip kerja VSD (Variable Speed Drive) adalah mengubah input motor (listrik AC) menjadi DC dan kemudian dijadikan AC lagi dengan frekuensi yang dikehendaki sehingga motor dapat dikontrol sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. Fungsi VSD (Variable Speed Drive) adalah untuk mengubah kecepatan motor AC dengan cara mengubah Frekuensi Outputnya. Analisa Perhitungan Kecepatan Motor Penggerak Pompa nr (rpm) , Qx (Kapasitas aliran air operasional pompa (Lt/det)), Px(Daya motor operasional (KW)) Dengan persamaan : 𝑃 = √3 . 𝑉 . 𝐼 . cos 𝜑 Rugi daya motor dapat dihitung: cos 𝜑 = cos 𝜑 =

𝑃 √3 . 𝑉 . 𝐼 400.000 (1.73) . 6000 . (43.38) 89

400.000

cos 𝜑 =

450284,4 cos 𝜑 = 0,89

Dimana : 𝑃 = daya 𝑉 = tegangan 𝐼 = arus cos 𝜑 = rugi daya

(watt) (volt) (ampere)

Dengan persamaan:

𝑛𝑠 =

120 . 𝐹 𝑃

kecepatan sinkron motor;

120 . 50

𝑛𝑠 = 6 𝑛𝑠 = 1000

𝑟𝑝𝑚 Kecepatan sinkron motor adalah 1000

𝑟𝑝𝑚

Dengan persamaan: 𝑛𝑠 − 𝑛𝑟

𝑠=

𝑛𝑠

Maka slip motor;

𝑠=

1000 − 994 1000 6

𝑠= 1000 𝑠 = 0.006 𝑠 = 0.006 × 100 % 𝑠 = 0.6 % Pengaturan frekuensi dengan inverter/VSD (Variable Speed Drive) dan menghasilkan kecepatan motor sebagai berikut ;  Pada pengaturan frekuensi 45 Hz

𝑛𝑠 =



120 . 𝑓 𝑃 120 . 45

𝑛𝑠 = 6 𝑛𝑠 = 900 𝑟𝑝𝑚 Jika nilai 𝑛𝑠 = 900 𝑟𝑝𝑚 maka, nilai 𝑛𝑟 adalah; 𝑛𝑟 = 𝑛𝑠 − (𝑠 . 𝑛𝑠 ) 𝑛𝑟 = 900 − ( 0.006 × 900) 𝑛𝑟 = 900 − 5 𝑛𝑟 = 895 𝑟𝑝𝑚

Jika frekuensi diatur sebesar 45 Hz maka, kecepatan motor tersebut adalah 895 rpm. Secara keseluruhan dari hasil perhitungan didapatkan hubungan antara Frekuensiinv (Finv) dan Kecepatan motor (𝑛𝑟 ) dengan slip motor (s) =0.6% seperti yang ditunjukkan pada tabel dibawah. Tabel 2. Hubungan antara Finv dengan 𝑛𝑟

90

Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016

ISSN: 2548-1509

Berdasar data Kecepatan motor (𝑛𝑟 ) (yang merupakan putaran operasional motor pompa) maka dapat dihitung kapasitas aliran air operasional(Lt/det). Kapasitas aliran air operasional dapat dirumuskan sbb:

𝑄𝑥 =

𝑛𝑥 𝑛

x Q

Dimana : Qx = Kapasitas aliran air operasional pompa (Lt/det) Q = Kapasitas aliran air nominal pompa (Lt/det) nx = Putaran operasional pompa (rpm) n = Putaran nominal pompa (rpm) Untuk daya motor operasional dapat dihitung sesuai dengan pengaturan Frekuensi inv (Finv)(Hz). Daya motor operasional dapat dirumuskan:

𝑃𝑥 = (

𝐹𝑖𝑛𝑣 3 𝐹𝑠

)

x P

Dimana : Px = Daya motor operasional (KW) P = Daya motor nominal (KW) Finv = Frekuensi inverter (Hz) Fs = Frekuensi Nominal (Hz)

Dari hasil perhitungan didapatkan hubungan antara Frekuensiinv (Finv) , Qx (Kapasitas aliran air operasional pompa (Lt/det)) , dan P x(Daya motor operasional (KW)) yang ditabelkan seperti yang terlihat pada tabel di bawah ini. Tabel 3. Hubungan antara Finv , 𝑄𝑥 , dan Px

91

Tabel 4. Hubungan antara Finv , 𝑄𝑥 , dan Px dalam (%)

Presentase (%)

Grafik Pengaruh Perubahan Frekuensi Inverter Terhadap Kapasitas Rata-rata Aliran Air dan Daya Operasional Motor Kapasitas Rata-rata Aliran Air Daya Operasional Motor Frekuensi (Hz) Gambar 2. Grafik Pengaruh Perubahan Frekuensi Inverter Terhadap Kapasitas Rata-rata Aliran Air dan Daya Operasional Motor Dalam Presentase% Berdasarkan data analisa sebelumnya didapatkan bahwa kebutuhan kapasitas rata – rata aliran air yang dibutuhkan setiap harinya adalah 439.6 lt/dt untuk setiap pompa, dan berdasar Tabel diatas kebutuhan tersebut berada antara 400 lt/det atau 80% s/d 450 lt/det atau 90% , artinya pengaturan kecepatan motor dengan menggunakan Variable Speed Drive diatur pada frekuensi antara 40 Hz s/d 45 Hz sehingga daya yang dibutuhkan untuk setiap pompanya bekerja adalah sebesar antara 204,8 KW atau 51.2% s/d 291,6 KW atau 72.9%. Besarnya biaya konsumsi daya berdasarkan Tarif Dasar listrik untuk keperluan industri yang ditetapkan oleh Perusahaan Listrik Negara (PLN) adalah Rp. 680,- per kWh dihitung pada waktu diluar beban puncak, sehingga besarnya biaya konsumsi daya maksimum yang harus dibayar setelah menggunakan pengaturan frekuensi pada Variable Speed Drive untuk pengaturan kecepatan motor, dapat dihitung seperti berikut ini: Jika frekuensi pada VSD diatur pada nilai 45 Hz, daya yang dibutuhkan untuk setiap pompa bekerja adalah 291,6 KW atau 72.9%. (Dalam penerapannya ada 6 pompa, 4 bekerja dan 2 cadangan). Biaya maksimum per jam Biaya maksimum per hari

= 4 x 291,6 kW x 1 jam x Rp. 680,= 4 x 291,6 kW x 1 jam x Rp. 680,- x 24 92

= Rp. 793.152,= Rp.19.035.648,-

Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016

ISSN: 2548-1509

Biaya maksimum per bulan = 4 x 291,6 kW x 1jam x Rp. 680,- x24x 30 = Rp.571.069.440,Tabel 4.Penghemata biaya operasional pompa sebelum penggunaan VSD dan sesudah penggunaan VSD

KESIMPULAN 4.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil kajian data, pengolahan data dan analisa pengujian Optimasi Energi pada Motor Induksi 3 Fasa dalam Memproduksi Kebutuhan Air (Studi Kasus di PDAM Karang Pilang Surabaya), dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. 2.

3.

Kebutuhan kapasitas rata – rata aliran air yang dibutuhkan setiap harinya adalah 439.6 lt/dt untuk setiap pompa. Kebutuhan tersebut berada antara 400 lt/det s/d 450 lt/det , artinya pengaturan kecepatan motor dengan menggunakan Variable Speed Drive diatur pada frekuensi antara 40 Hz s/d 45 Hz sehingga daya yang dibutuhkan untuk setiap pompanya bekerja adalah sebesar antara 204,8 KW s/d 291,6 KW. Penghematan yang didapat dengan pengaturan kecepatan motor menggunakan Variable Speed Drive pada 4 pompa yang bekerja adalah antara 212.290.560,- s/d 382.279.680,-. UCAPAN TERIMA KASIH

Tidak lupa kami juga mengucapkan banyak terima kasih kepada KemenRistek Dikti, Pusat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (P3M) Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, PDAM Karangpilang Surabaya dan pihak-pihak terkait lainnya yang tidak bisa kami sebutkan disini yang telah membantu terlaksananya penelitian ini. Semoga hasil penelitian yang kami tuangkan didalam publikasi ini bermanfaat baik bagi industri maupun pendidikan. DAFTAR PUSTAKA Claus B. Rasmussen, Ewen Ritchie, Antero Arkkio., 1997, “Variable Speed Induction Motor Drive for Household Refrigerator Compressors”, 9220 Aalborg East, Denmark, 02150 Espoo, Finland., IEEE Catalog Number: 97TH8280 Harun, Nadjamuddin., 2011, ”Optimasi Sistem Tenaga Listrik Metode Fuzzy Logic”, Buku Ajar, Universitas Hasanuddin, Makasar Syahid, Achmad., 2011, “Optimasi Konsumsi Daya Multi Motor Induksi 3 Fasa Penggerak Pompa Air Menggunakan Algoritma Genetika”, Seminar nasional Pasca Sarjana, ITS Setiawan, Edy., 2013, ” Rancang Bangun Kebutuhan Jam dalam Optimasi Produksi dengan Sistem Inferens Fuzzy Metode Tsukamoto”, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya Syarif H, Achmad., Setiawan, Edy., 2014, ”Analisa Trouble Shooting Filling Mesin Produk Cair di PT. Petro Kimia Kayaku” Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya

93

94