TUGAS AKHIR
STUDY PERBANDINGAN KONSUMSI ENERGI LISTRIK UNTUK MIXER DENGAN SISTEM KONTROL DIRECT ON LINE DAN DENGAN SISTEM KONTROL INVERTER DI PT DYSTAR COLOUR INDONESIA
DISUSUN OLEH : NAMA
: TEGUH SRIJONO
NIM
: 0140311-223
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
i
LEMBAR PERNYATAAN
Judul Tugas Akhir : Study Perbandingan Konsumsi Energi Listrik Untuk Mixer Dengan Sistem Kontrol Direct On Line dan Dengan Sistem Kontrol Inverter di PT DYSTAR COLOUR INDONESIA Nama
: Teguh Srijono
Nim
: 4140311-223
Fak / Jur
: Teknik / TTL
Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan tugas akhir yang telah saya buat merupakan hasil karya saya sendiri dan benar keaslianya. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dalam keadaan sadar dan tidak ada unsur paksaan..
Penulis
TEGUH SRIJONO
ii
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)
(Ir. Badaruddin,MT)
Mengetahui
Ketua Jurusan Teknik Elektro
( Ir. Budiyanto Husodo, MSc )
iii
ABSTRAKSI
Sistem control untuk pengendali mesin-mesin industi sangatlah variativ. Pemilihan system control yang sesuai dengan kebutuhan proses produksi akan memberikan nilai efisien yang tinggi terhadap fungsi alat atau mesin tersebut dan akan memberikan kontribusi positive terhadap penghematan biaya. Penulis akan mencoba menggambarkan mixer CA32 RA21 yang dikendalikan oleh system control Direct On Line dan mixer CA11 RA21 yang dikontrol dengan menggunakan inverter. Penulis juga melakukan pendataan dan pengukuran di lapangan dan menghitung pemakaian energi listrik kedua mixer tersebut. Dari hasil pengukuran dan penghitungan konsumsi energi listrik tersebut, penulis berharap bisa memberikan pertimbangan yang perlu dalam pengadaan mesin-mesin industri supaya didapat nilai efektive dan efisien yang tinggi.
iv
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahirobbilalamin, penulis ucapkan atas selesainya skripsi inidan selesainya penulis menempuh sidang sarjana. Selama penulisan skripsi ini,dan juga selama masa studi penulis telah banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak.Atas bantuan mereka semua, penulis mengucapkan terima kasih. Mereka antara lain adalah:
1. Bp.Ir. Badaruddin,MT. sebagai dosen pembimbing yang telah bersedia memberikan bantuan berupa dorongan moral,waktu,pikiran dan tenaga selama penulisan skripsi ini . 2. Seluruh staff akademik,tata usaha dan administrasi Uiversitas Mercubuana Jakarta. 3. Seluruh rekan-rekan mahasiswa yang telah menemani penulis selama masa. pendidikan. Semoga Allah SWT membalas perbuatan baik mereka. Amin. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat. Kritik dan saran selalu penulis terima untuk kemajuan di waktu yang akan datang.
(Penulis)
Teguh Srijono
v
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i HALAMAN PERNYATAAN ................................................................................ ii HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iii ABSTRAKSI ............................................................................................................ iv KATA PENGANTAR ............................................................................................. v DAFTAR ISI ........................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. ix DAFTAR TABEL ................................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ........................................................................................... 1 1.2 Tujuan ........................................................................................................ 1 1.3 Pembatasan Masalah .................................................................................. 2 1.4 Metode Penulisan ....................................................................................... 2 1.5 Sistematika Penulisan ................................................................................. 3
BAB II TEORI DASAR .......................................................................................... 5 2.1 Sistem Kontrol Direct Line/DOL ................................................................. 5 2.1.1. Sekering ............................................................................................. 5 2.1.2. Breaker ............................................................................................... 7 2.1.3. Kontaktor ............................................................................................ 7 2.1.4. Overload ............................................................................................ 8 2.1.5. Tombol Start dan Stop ........................................................................ 9
vi
2.2. Variabel Frekuensi Drive …………………………………………………...11 2.2.1. Rectifier .............................................................................................. 11 2.2.2. Soft Charger Circuit ........................................................................... 13 2.2.3. Intermediate Circuit ............................................................................ 15 2.2.4. Brake Circuit ...................................................................................... 16 2.2.5. Inverter Section .................................................................................. 17 2.2.6. Pulse Width Modulation ..................................................................... 20 2.2.7. Control dan Regulator ........................................................................ 21 2.2.8. Contoh AplikasiVFD .......................................................................... 22 2.2.8.1. Stop/Start ............................................................................. 23 2.2.8.2. Pengatur Kecepatan ............................................................. 24 2.2.8.3 Menjaga Kecepata Konstant ................................................ 24 2.2.8.4 Limits .................................................................................. 25 2.2.8.5. Ramping .............................................................................. 26 2.2.8.6. Forward/Reverse................................................................... 27 2.2.7. Saving Energy ....................................................................... 28 2.3. Motor Induksi .............................................................................................. 29 2.3.1. Stator................................................................................................... 30 2.3.2. Rotor ................................................................................................... 33
BAB III SISTEM KONRTROL MIXER ............................................................. 39 3.1 Sistem Kontrol Direct On Line..................................................................... 39 3.2 Sistem Kontrol Inverter ................................................................................ 44
vii
BAB IV ANALISA KONSUMSI ENERGI LISTRIK ....................................... 49 4.1. Analisa Energi ListrikSistem DOL .............................................................. 49 4.2. Analisa Energi Listrik Sistem Inverter ......................................................... 50 4.3. Analisa Selisih Energi Listrik ....................................................................... 51 4.4. Saving Energy .............................................................................................. 52
BAB V KESIMPULAN .......................................................................................... 53 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 54 LAMPIRAN ............................................................................................................. 55
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Sekering Power…………………………………………………………6 Gambar 2.2 Sekering Kontrol…………………………………………………………6 Gambar 2.3. Breaker………………………………………………………………….7 Gambar 2.4 Kontaktor………………………………………………………………..7 Gambar 2.5. Overload………………………………………………………………...9 Gambar 2.6. Wiring Diagram Control DOL………………………………………….10 Gambar 2.7 Variabel Frekuensi Drive…………………………………………….....11 Gambar 2.8 Wiring Diagram Rectifier ……………………………………………....12 Gambar 2.9 Rectifier……………………………………………………………........12 Gambar 2.10 Wiring Diagram Soft Charger Circuit………………………………....13 Gambar 2.11 Soft Charger Circuit…………………………………………………...14 Gambar 2.12 DC Wiring Diagram DC Link………………………………………..14 Gambar 2.13 DC Link…………………………………………………………….....15 Gambar 2.14 DC Link……………………………………………………………….16 Gambar 2.15 Wiring Diagram Brake Circuit………………………………………..16 Gambar 2.16 Wiring Diagram Inverter………………………………………………18 Gambar 2.17 Inverter Section…………………………………………………….......19 Gambar 2.18 Block IGBT…………………………………………………………….19 Gambar 2.19 PWM…………………………………………………………………..20 Gambar 2.20 PWM by Osiloskop……………………………………………………20 Gambar 2.21 Wiring Diagram Control Regulator…………………………………..21 Gambar 2.22 Kontrol dan Regulator………………………………………………….22
ix
Gambar 2.23 Start/Stop Fan C.T…………………………………………………......23 Gambar 2.24 Pengaturan Kecepatan………………………………………………….24 Gambar 2.25 VFD dengan Refferensi…………………………………………….....25 Gambar 2.26. Limits Kecepatan Motor………………………………………………25 Gambar 2.27 Ramping Pada Fan C.T…………………………………………….......26 Gambar 2.28 Perubahan Arah Putaran Motor……………………………………......27 Gambar 2.29. Saving Energy Dengan VFD……………………………………………28 Gambar 2.30 Motor Induksi…………...………………………………………………30 Gambar 2.31 Bagian Motor Listrik……………………………………………………31 Gambar 2.32. Medan Magnit………………………………………………………….32 Gambar 2.33. Medan Putar Pada Rotor……………………………………………….33 Gambar 2.34 Induksi Pada Rotor……………………………………………………...34 Gambar 2.35 Torsi Pada Motor……………………………………………………….35 Gambar 2.36 Rugi-Rugi Motor Listrik……………………………………………….37 Gambar 2.37 Eddy Current…………………………………………………………...37 Gambar 3.1 Wiring Diagram Power CA32 RA21…………………………………..39 Gambar 3.2 Wiring Diagram Control Mixer CA32 RA21………………………….40 Gambar 3.3 Modul DOL CA32 RA 21………………………………………………40 Gambar 3.4 Modul Kontrol DOL…………………………………………………......41 Gambar 3.5 Mixer CA32 RA21……………………………………………………….42 Gambar 3.6 Flowchart Sistem DOL…………………………………………………...42 Gambar 3.7. Panel Inverter………………………………………………………........45 Gambar 3.8 Flowchart Sistem Inverter……………………………………………….47 Gambar 3.9 Flowchart Proses Operasional…………………………………………..48
x
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Jumlah Kutub Motor……………………………………………………......31 Tabel 4.1. Konsumsi Energi Listrik………………………………………………….51
xi
LAMPIRAN
xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang
Hemat Energi dan penggunaan system control yang sesuai dengan kebutuhan proses produksi adalah factor yang memiliki peran penting dalam menunjang kelancaran operasional di bidang industri. Pemakaian energi listrik di setiap industri harus diatur sehingga energi listrik yang terpekai benar-benar efisien. Pemakaian energi listrik yang tidak tepat guna akan menambah biaya operasional produksi.
Berdasarkan hal tersebut di atas, maka penulis berusaha menyampaikan gambaran, pengukuran dan penghitungan pemakaian energi listrik untuk motor listrik yang dikontrol dengan dan tanpa menggunakan inverter. Penulis menganggap hal ini perlu sebagai bahan pertimbangan dalam melakukan pemilihan dan pengadaan mesinmesin untuk proses produksi yang menggunakan energi listrik.Tujuan dari ini semua adalah supaya penggunaan energi listrik efektif dan efisien.
1.2
Tujuan Penulisan tugas akhir ini bertujuan untuk membandingkan energi listrik yang
terpakai antara motor listrik tiga phase yang dioperasikan menggunakan system control Direct On Line/DOL (CA32 RA21), dengan mator listrik tiga phase yang dioperasikan menggunakan inverter (CA11 RA21)
1
1.3
Pembatasan Masalah Agar pembahasan tugas akhir ini menjadi lebih terarah, maka perlu adanya
pembatasan masalah. Penulisan tugas akhir ini difokuskan pada perhitungan berapa besar energi listrik yang bisa dihemat apabila motor listrik tiga phase dioperasikan dengan menggunakan inverter, dibandingkan dengan apabila motor listrik tersebut dioperasikan tanpa menggunakan inverter, tentunya dengan skala yang sama.
1.4
Metode Penulisan Metode yang digunakan penulis dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini
adalah sebagai berikut:
a.
Metode Kajian Pustaka Pada metode ini penulis mencari landasan teori sebagai sumber bahan penulisan tugas akhir berdasarkan data-data atau informasi dari internet dan buku-buku yang berhubungan dengan pokok pembahasan dari tugas akhir tersebut, baik berupa buku-buku literature, majalah maupun brosur produk.
. b.
Metode Pengukuran dan Perhitungan Pemakaian Energi Listrik Pada metode ini penulis melakukan pengukuran dan perhitungan pemakaian energi listrik untuk motor listrik tiga phase tanpa inverter dan motor listrik dengan daya yang sama tetapi menggunakan inverter, lalu membandingkan selisih pemakaian energi listriknya.
2
1.5
Sistematika Penulisan
Untuk mendapatkan gambaran yang umum tentang pokok pembahasan dalam laporan tugas akhir ini, maka penulis membagi pokok pembahasan dalam lima bab yang secara garis besarnya sebagai berikut:
Bab I
Pendahuluan Pada bab ini menjelaskan tentang keterangan umum mengenai penulisan tugas Akhir, yang terdiri dari Latar Belakang, Tujuan, Pembatasan Masalah, Metode Penulisan dan Sistematika Penulisan.
Bab II
Dasar Teori Pada bab ini membahas dasar-dasar teori yang menunjang dalam penulisan tugas akhir ini. Umumnya mengenai system control Direct On Line atau DOL Variabel Frekuensi Drive atau inverter dan motor listrik induksi tiga phase.
Bab II
Sistem Kontrol Mixer Penulis akan memaparkan sebuah motor tiga phase yang dikontrol dengan unit Control Direct On Line dan sebuah motor dengan ukuran yang sama tetapi dikontrol oleh sebuah inverter.
3
Bab IV
Analisa Konsumsi Energi Listrik Pada bab ini membahas berapa besar energi listrik yang dikonsumsi oleh masing-masing motor listrik yang dioperasikan dengan dan tanpa inverter, lalu menghitung berapa besar perbedaan pemakaian energi listrik antara kedua motor tersebut.
Bab V
Penutup Bab ini merupakan bab penutup yang berisi kesimpulan dan saran penulis
4
BAB II DASAR TEORI
Pemilihan suatu system control untuk mengendalikan suatu mesin harus disesuaikan dengan fungsi dan kebutuhan proses produksi. Hal ini untuk mendapatkan nilai efektiv dan efisien yang tinggi dari fungsi alat atau mesin tersebut . Dalam penyusunan tugas akhir ini penulis akan menyampaikan teori sederhana tentang system control Direct On Line atau DOL dan system control menggunakan inverter.
2.1 Sistem Kontrol Direct On Line (DOL) Sistem DOL adalah system control yang banyak diaplikasikan untuk mesinmesin industri karena memiliki kelebihan yaitu murah dan sederhana. Komponen utama dari system control DOL adalah sekering, MCB, kontaktor, overload, tombol start dan tombol stop.Sistem DOL adalah system paling dasar, sistm ini banyak diaplikasikan untuk system kendali pada mesin-mesin jenis mixer, fan, pompa, dan masih banyak lagi..
2.1.1 Sekering Sekering dalam control DOL ada dua macam yang berfungsi secara terpisah. Sekering tersebut berfungsi sebagai pengaman dari adanya gangguan arus lebih. Gangguan arus lebih yang sering terjadi pada system control DOL disebabkan oleh hubung singkat antar phase, hubung singkat phase dengan netral , hubung singkat antara phase dengan ground.
5
Sekering pertama adalah sekering utama yang akan melindungi sisi power,dan sekering yang kedua akan melindungi sisi control.Ukuran dari sekering utama ditentukan oleh ukuran motor yang digunakan.Ukuran sekering untuk sisi control yang biasa digunakan adalah 2 A.
Sekering, diaplikasikan untuk power Gambar 2.1 Sekering
Sekering dipakai untuk line kontrol Gambar 2.2 Sekering
6
2.1.2 Breaker Komponen ini dalam system control DOL berfungsi sebsgai pengaman dari bahaya arus lebih yang sering terjadi karena line power atau motor mengalami hubung singkat antar phase, phase dengan netral atau phase dengan ground.
Gambar 2.3 Breaker
2.1.3 Kontaktor Kontaktor dalam system control DOL berfungsi sebagai pemutus dan penyambung motor dengan sumber tegangan listrik tiga phase. Yang sangat perlu diperhatikan dalam pemilihan kontaktor adalah kapasitas ampere yang diijinkan melewati kontaktor tersebut. Pemilihan kontaktor yang tidak sesuai dengan arus beban akan menyebabkan kontaktor tersebut panas dan terbakar
7
Gambar 2.4 Kontaktor
2.1.4 Overload Overload adalah bagian utama dari system control DOL yang berfungsi melindungi dari adanya gangguan beban lebih. Gangguan beban lebih ini biasanya disebabkan oeh adanya gangguan yang sifatnya bukan karena kelistrikan, misalnya bearing macet, atau motor kelebihan beban. Pemilihan dan penyetelan overload harus tepat sesuai dengan besar arus nominal motor.
8
Gambar 2.5 Overload
2.1.5 Tombol Start dan Stop Tombol start dan tombol stop pada system control DOL berfungsi untuk pengoperasian mesin start dan stop secara manual.Talam penggunaannya untuk tombol start menggunakan tombol normaly open dan untuk tombol stop menngunakan tombol normaly close
9
Di bawah ini adalah contoh sebuah wiring system control DOL
Gambar 2.6 Contoh Wiring Diagram System Control DOL
10
2.2
Variable Frekuensi Drive
Varable Frekwensi Drive atau sering disebut Inverter adalah suatu peralatan elektronik yang dalam pemakaiannya berfungsi untuk mengatur kecepatan putaran motor listrik.
Gambar 2.7 Variable Frekuensi Drive
Variable Speed Drive terbentuk oleh beberapa bagian yaitu: • Rectifier • Intermediate Circuit [DC Link] • Inverter • Control Regulation
2.2.1. Rectifier Rectifier ini berfungsi mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC
11
Gambar 2.8 Wiring Diagram Rectifier
Gambar 2.9 Blok Rectifier
12
2.2.2 Soft Charger Circuit
Soft Charger Circuit [SCC] diperlukan pada Variable Frekuensi Driver yang berkapasitas 15 KW atau lebih..Bagian ini berfungsi menambah suplai ke kapasitor bank sebelum masuk ke bagian rectifier, membatasi arus start yang masuk ke kapasitor yang ada di bagian dalam DC Link.Tidak terpasangnya SCC akan menyababkan putusnya sekering saat starting.
Gambar 2.10 Wiring Diagram Soft Charger Circuit
13
Gambar 2.11 Soft Charger Circuit
2.2.3
Intermediate Circuit/ DC Link Ada dua buah komponen utama di bagian DC Link yaitu;kapasitor dan
coils.Kapasitor sebagai power up dan coils berfungsi menghilangkan nois harmonic.Saat kita melakukan pengecekan pada bagian ini kita harus berhati-hati, karena tegangan kerja 620 Vdc ,dan mampu memberikan arus sebesar 750 Ampere.
14
Gambar 2.12 Wiring Diagram Intermediate [ DC Link]
Kapasitor Bank sebagai penyimpan muatan listrik Gambar 2.13 DC Link
15
Coils atau DC Reaktor atau DC Chokes,berfungsi sebagai penghilang nois harmonic Gambar 2.14 DC Link
2.2.4
Brake Circuit
Variable Frekuensi Drive menggunakan IGBTs sebagai pengontrol Dynamic Braking. Saat tegangan input ke DC Bus terlalu besar, maka brake IGBT akan memberikan tegangan ke brake resistor. Dynamic Brake biasanya dipakai pada aplikasi konveyor, lift, centrifugal pump. Penambahan IGBT bertujuan untuk memberikan power feed back pada motor saat stopping atau perubahan arah putaran.
16
Diagram 2.15 Brake Circuit
2.2.5
Inverter Section
Inverter Section menerima tegangan DC dari intermediate Circuit, dan dengan bantuan bagian control, melalui IGBT tegangan DC diubah menjadi AC dan diteruskan ke terminal U, V, W pada motor tiga phase. Output dari IGBT ini berupa Pulsa Width Modulation.
17
Gambar 2.16 Wiring Diagram Inverter
18
Gambar 2.17 Inverter Section Current sensor memonitor berapa besar arus yang masuk ke lilitan motor.Selain current sensor, pada inverter terpasang pula grounded sensor, yang akan mengirim pesan ke monitor, serta alarm apabila terjadi grounded pada motor.
Gambar 2.18 Blok IGBT
19
2.2.6
Pulse Width Modulation [PWM]
PWM disebut juga Carrier Frekuensi,dibangkitkan oleh switching IGBT pada inverter. Frekuensi dari PWM adalah 3.5 KHz sampai 15 KHz.Tanpa pengaturan PWM motor beroperasi dengan kecepatan penuh, tetapi dengan pengaturan PWM motor bisa diatur kecepatan putarnya.
Gambar 2.19 Pulsa Width Modulation
Gambar 2.20 PWM by Osiloskop
20
2.2.7 Control dan Regulator
Bagian ini meliputi Monitoring,Perhitungan Numeric dan pengaturan Signal Output
Gambar 2.21 Wiring Diagram Control dan Regulator
21
Gambar 2.22 Blok Control dan Regulator Bagian Control dan Regulator terbentuk dari tiga bagian utama; Power Card, Control Card dan Gate Card
2.2.8
Contoh Aplikasi Variabel Frekuensi Drive
Sebagai alat control pengatur kecepatan motor,VFD sangatlah kompleks dalam fungsinya.Untuk mempermudah pengertian tentang fungsi VFD penulis akan mencoba memberikan contoh penggunaan VFD pada aplikasinya sebagai control pada fan cooling tower.
Fungsi VFD meliputi; • Start/stop • Pengatur kecepatan • Kecepatan yang konstan • Limits
22
• Ramping • Forward/Reverse • Save Energy
2.2.8.1 Start/ Stop
Start dan stop fan cooling tower dilakukan dari keypad secara manual dengan kecepatan yang sudah ditentukan
Gambar 2.23 Start/ Stop Fan Cooling Tower
23
2.2.8.2
Pengatur Kecepatan Operator melakukan pengaturan kecepatan sesuai dengan
kebutuhan yang diperlukan menggunakan keypad .Sebelumnya teknisi melakukan setting pada VFD yaitu nilai minimum frekuensi misalnya 10 Hz dan nilai maksimum frekuensi ,misalnya 50 Hz.
Gambar 2.24 Pengaturan Kecepatan
2.2.8.3
Menjaga Kecepatan Konstan Pada fungsi ini VFD mendapat
refferance input dari sensor
temperature.Refferance input ini adalah 4mA sampai dengan 20 mA VFD akan merespon dengan memberikan kompensasi arus dan torsi sesuai dengan refferance input.
24
Gambar 2.25
2.2.8.4
VFD dengan Refferance Input Sensor Temperatur
Limits Fungsi ini berfungsi melindungi VFD dan motor listrik. Limits
ini yaitu; current, torsi, speed, temperature, tegangan.
Gambar 2.26 Limits Kecepatan Motor
25
2.2.8.5
Ramping Fungsi Ramping ini berfungsi melindungi bagian
mekanis yang ditimbulkan saat kondisi start atau stop. Dimensi yang digunakan adalah detik [sec]. Contoh ; misalnya dalam aplikasi waktu antara start hingga steady state 60 sec. dan dari kondisi steady state hingga stop adalah 60 sec. Ramping dapat disesuaikan dengan kondisi operasional dari system mekanis
Gambar 2.27 Ramping pada Fan Cooling Tower
26
2.2.8.6
Forward/ Reverse
Fungsi ini berfungsi untuk merubah arah putaran motor.
Gmbar 2.28 Perubahan Arah Putaran Motor
27
2.2.7
Saving Energy VFD pada aplikasi Fan Cooling Tower ini akan mampu menghemat
penggunaan energi listrik karena kecepatan dari motor Fan Cooling Tower akan diatur sebagai kontributor terhadap system yang dibutuhkan. Berarti motor akan beroperasi tidak selalu dalam kondisi full speed.
Gambar 2.29 Saving Energi dengan VFD
28
2.3
Motor Induksi
Prinsip kerja motor induksi adalah sebagai berikut: 1. Apabila sumber tegangan tiga phase dipasang pada kumparan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120 f/p 2. Medan putar stator akan memotong batang konduktor pada rotor. 3. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar; E2s = 4,44 f2 N2 φm (untuk satu phase) E2s adalah ggl saat motor berputar. 4. Karena kumparan merupakan rangkaian tertutup, maka ggl (E) akan menghasilkan arus( I ). 5. Adangya arus( I ) di dalam medan magnet menimbulkan gaya F pada rotor. 6. Bila kopel awal yang dihasilkan oleh gaya F pada rotor cukup besar untuk mengangkat kopel beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
Prinsip dasar motor induksi tiga phase digambarkan seperti di bawah ini;bila konduktor bergerak memotong medan magnet (B), maka akan timbul induksi.jika konduktor merupakan rangkaian tertutup, maka pada konduktor akan ada arus (I) yang mengalir, maka saat konduktor bergerak akan timbul gaya (F)
29
Gambar 2.30 Prinsip Motor Induksi
2.3.1. Stator Stator adalah bagian motor induksi yang tidak bergerak. Terdiri dari lilitan tembaga, dan sangkar yang terbuat dari logam. Fungsi dari stator ini membangkitkan medan putar. Besar daya listrik yang dibutuhkan oleh stator vadalah: P = √3 x V x I x cos φ
(2.1)
P; Daya ( Watt ) , V; Tegangan ( Volt ) , I; Arus Listrik ( Ampere ), Cos ϕ; 0,9
30
1.stator housing 2.bearing,3.blok bearing,4.kipas,5.tutup kipas,.6.konektor/terminal motor,7.rongga stator,9.rotor,
Gambar 2.31 Bagian Motor Induki
Tabel 2.1
Pasang kutup, Jumlah kutup dan Putaran motor
31
• Medan Magnit
Medan mabnit yang dibangkitkan pada motor tiga phase memiliki perbedaan sudut phase 120 derajat. Gambar 2.32 Medan Magnit Motor Induksi Tiga Phase
• Kecepatan Motor
Motor induksi memiliki kecepatan constant
(2.2)
32
2.3.2 Rotor
Gambar 2.33 Medan Putar pada Rotor
(2.3) Gaya putar rotor ditentukan oleh; kerapatan flux (B), arus induksi (Iw), panjang batang penghantar (l).
33
Ketika rotor berada di dalam medan putar, rotor memiliki gaya putar penuh, kecepatan rotor tidak terjangkau oleh putaran medan, maka tidak ada arus induksi di dalam batang rotor (gbr.2.32 )
Gambar 2.34 Induksi pada Rotor
• Slip Berubah-ubahnya kecepatan motor induksi (nr), mengakibatkan berubahnya harga slip dari 100% pada saat start sampai 0% pada saat motor diam (nr=ns). Slip akan terjadi karena adanya perbedaan kecepatan antara kecepatan medan putar stator ( ns ) dan kecepatan medan putar rotor ( nr ). Slip dituliskan dengan persamaan:
S = ( ns – nr ) / ns x 100%
(2.4)
34
Gambar 2.35 Torsi Pada Motor
Hubungan antara torsi dan kecepatan motor memiliki sebuah karakteristik yang berbeda untuk masing-masing motor. Torsi sebuah motor adalah tenaga yang dihasilkan oleh putaran as rotor.
(2.5)
W; energi yang dikeluarkan motor, F; gaya motor, r; jari-jari pulley
Pada bentuk aplikasi pembebanan motor yang lain,
W=Fxd
(2.6)
W; energi yang dikeluarkan motor, F; gaya motor, d; jarak antara beban dengan motor
( 2.7)
W; energi yang dikeluarkan motor, P; daya motor, t; waktu (detik)
35
• Effisiensi dan Rugi-Rugi Motor Listrik
Effisiensi adalah perbandingan antara daya output dan daya input motor.
(2.8)
Gambar 2.36 Rugi-Rugi Motor Listrik
Ada empat rugi-rugi pada motor listrik, yaitu; - Rugi Tembaga; karana tahanan di gulungan stator dan rotor - Rugi Besi, ada dua macam yaitu Rugi Hysterisis dan Eddy Current. Rugi Hysterisis disebabkan karena magnetisasi di dalam motor listrik.Eddy Current menyebabkan medan magnet terinduksi oleh tegangan di dalam besi core dan kawat akibatnya timbul panas.
36
Gambar 2.37 Eddy Current
- Rugi Fan, terjadi karena adanya fan untuk pendinginan motor - Rugi-Rugi Gesekan/Friction, terjadi karena gesekan yang terjadi pada motor Listrik
• Medan Magnet Pada Motor Listrik Saat perbandingan antara tegangan dan frekuensi naik maka medan magnat akan naik pula, maka terjadi over magnetisasi. Saat perbandingan antara tegangan dan frekuensi turun, maka terjadi under magnetisasi, kejadian ini menyebabkan torsi lemah dan motor berhenti
37
BAB III SISTEM KONTROL MIXER
Dalam bidang industri, penggunaan energi listrik haruslah diatur sehingga efektif dan efisien. Perancangan dan pemilihan mesin-mesin industri yang digerakkan oleh motor listrik harus diperhitungkan secara cermat . Hal ini sangat penting karena akan berpengaruh terhadap pemakaian energi listrik.
Sebagai tugas akhir penulis akan mencoba menyampaikan gambaran berupa mixer yang digerakkan oleh motor listrik yang dikontrol oleh system control Direct On Line/DOL
(CA32 RA21) dan mixer yang dikontrol dengan menggunakan kontol
sebuah unit variable frekuensi drive atau sering disebut inverter (CA11 RA21)
3.1 Mixer Dengan Kontrol Konvensional/DOL Kontrol konvensional di sini adalah menggunakan system control Direct On Line, yaitu menggunakan tombol start dan stop secara manual untuk mengoperasikan mixer.CA32 RA21. System control seperti ini memiliki kekurangan yaitu: kecepatan motor tidak bisa diatur, sering terjadi kerusakan pada system mekanis, karena saat starting terjadi hentakan mekanis.
38
Sebuah contoh wiring system control DOL yang digunakan pada mixer CA32 RA21
Gambar 3.1 Wiring Diagram Power Mixer CA32 RA21
39
Gambar 3.2 Wiring Diagram Sistem Control DOL Mixer CA32 RA21
40
Gambar 3.3 Modul DOL CA32 RA21 Merk AEG
41
Gambar 3.4 Mixer CA32 RA21
POWER ON
YES MANUAL ON
YES
OVERLOAD TRIP/ALARM
YES MOTOR ON
Gambar 3.5 Flowchart Sistem DOL
42
3.2 Mixer Dengan Kontrol Inverter Sistem control dengan inverter ini digunakan pada mixer CA11 RA21 Beberapa keuntungan yang didapat apabila menggunakan inverter adalah;
+ Hemat energi listrik + Kecepatan motor bisa diatur + Memperbaiki proses control + Soft starting + Maintenance rendah
Dalam aplikasinya inverter harus disetting konfigurasinya untuk dapat berfungsi sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan. Parameter yang harus diprhatikan antara lain: + Bahasa Memilih bahasa mana yang mau kita gunakan dalam komunikasi pemrograman, misalnya ;bahasa inggris atau yang lain. + Local/ remot Memilih system pengoperasian menggunakan system local, yaitu start dan stop serta pengaturan dilakukan melalui keypad atau remote, yaitu tidak melalui keypad , biasanya memakai refferensi input 4 mA – 20 mA. + Motor Power Setting pada inverter harus sesuai dengan daya input motor, misalnya 15 KW + Motor Voltage Setting pada inverter harus disesuaikan dengan tegangan kerja motor, misalnya 400V.
43
+ Motor Fekuensi Setting pada inverter harus sesuai dengan frekuensi kerja motor, misalnya 50 Hz. + Motor Current Setting ampere pada inverter harus sesuai dengan ampere nominal motor. + Motor Speed Setting kecepatan pada inverter harus sesuai dengan kecepatan nominal motor + Output Frek.High Limit Setting max. output frek. Misalnya, 150 Hz + Max. Frekuensi Setting maksimal pada inverter harus dibatasi, misalnya 50 Hz. + Min. Frekuensi Setting minimal frekuensi, misalnya 0,00 Hz. + Ramp up time Setting berapa lama waktu yang diperlukan dari saat start sampai dengan steady state, misalnya 20 detik. + Ramp Down Time Setting berapa lama waktu yang diperlukan dari saat steady state sampai mesin stop pada saat mesin di stop
44
Gambar 3.6 Panel Inverter Mixer CA11 RA21
45
Gambar 3.7. Wiring Diagram Sistem Control Inverter Mixer CA11 RA21
46
POWER ON
YES INFERTER ON
YES TEMP. SAFE.
NO
OVER TEMP. TRIP/ALARM
YES I/LOAD SAFE
NO
OVER LOAD TRIP/ALARM
YES MOTOR SAFE
NO
GROUND FAULT TRIP/ALARM
YES MOTOR MIXER ON
Gambar 3.8 Flowchart Sistem Inverter
47
MANUAL OPERASI
YES COOLING WATER ON
NO
YES VALVE STEAM ON
NO
YES VALVE NITROGEN ON
NO
YES VALVE WATER ON
NO
YES VALVE PRODUCT ON
NO
YES MIXER ON
NO
OVER LOAD TRIP/ALARM
YES MIXING
YES CONTINUE PROCESS
Gambar 3.9 Flowchart Proses Operasional 48
BAB IV ANALISA KONSUMSI ENERGI LISTRIK
4.1 Analisa Konsumsi Energi Listrik Pada Mixer Direct On Line
Sebagai dasar penghitungan energi listrik, penulis mengambil data dari mesin produksi dengan nomor asset CA32 RA21 dengan cara melakukan pengukuran besarnya arus listrik di saat mesin sedang beroperasi normal dengan menggunakan alat ukur tang ampere
CA32 RA21 adalah sebuah reactor untuk proses produksi yang berkapasitas 15ton. Mesin ini adalah sebuah mixer yang digerakkan oleh motor listrik tiga phase15 KW dengan system control Direct On Line. Mesin tersebut beroperasi delapan jam setiap hari
Data survey dan pengukuran di lapangan yang dilakukan oleh penulis adalah seperti berikut;
Sebuah motor listrik,Daya input;I5 KW , tegangan 380 Volt , Ampere -Dari hasil pengukuran menggunakan tang ampere, arus listrik adalah 13,7 Ampere, untuk masing-masing phase adalah balance. -Daya Input Stator, persamaan (2.1), P = √3 x V x I x cos Q -Maka, Daya total adalah; 1,73 x 380 x 13,7 x 0,9 adalah = 8105,742 Watt -Dalam satu hari motor beroperasi selama 16 jam, maka energi listrik yang diperlukan adalah: 16 x 8105,742 Watt adalah = 129691,872 Watt atau 129,692 KWh.
49
-Dalam satu bulan energi listrik yang dibutuhkan adalah: 30 x 129,692 KWh, yaitu = 3890,76 KWh. -Dalam satu tahun energi listrik yang dibutuhkan adalah: 12 x 3890,76 KWh, yaitu = 46689,12 KWh. -1 KWh adalah Rp 650,00 -Dalam satu tahun biaya untuk membayar listrik yang diperlukan untuk operasional mixer dengan system control DOL adalah: Rp 650 x 46689,12 KWh, yaitu = Rp. 30.347.928
4.2 Analisa Konsumsi Energi Listrik Pada Sistem Kontrol Inverter
Untuk mendapatkan data sebagai pembanding, penulis melakukan pengukuran terhadap mixer dengan nomor inventaris CA11 RA21 yang dikontrol oleh inverter merk Danfoss VLT 2800, kapasitas 15 KW dalam kondisi beroperasi dengan beban yang sama.
Dari hasil pengukuran di lapangan yang penulis lakukan dengan menggunakan tang ampere pada kabel input ke inverter dalam kondisi operasi, besar arus listrik adalah 3,2 Ampere, balance antara phase R, S, dan T. -Daya sesuai persamaan (2.1) adalah, P = √3 x V x I x cos Q -Maka, Daya total adalah; 1,73 x 380 x 3,2 x 0,9 adalah = 1893,312 Watt -Dalam satu hari motor beroperasi selama 16 jam, maka energi listrik yang diperlukan adalah: 16 x 1893,312 Watt adalah = 30292,992 Watt atau 30,293 KWh.
50
-Dalam satu bulan energi listrik yang dibutuhkan adalah: 30 x 30,293 KWh, yaitu = 908,79 KWh. -Dalam satu tahun energi listrik yang dibutuhkan adalah: 12 x 908,79 KWh, yaitu = 10905,48 KWh.
-1 KWh adalah Rp 650,00 -Dalam satu tahun biaya untuk membayar listrik yang diperlukan untuk operasional mixer dengan system control menggunakan inverter adalah: Rp 650 x 10905,48 KWh, yaitu = Rp. 7.088.562
4.3 Analisa Selisih Konsumsi Energi Listrik Dari hasil pengukuran dan penghitungan kebutuhan energi listrik antara mixer CA32 RA21 yang dikontrol dengan system Direct On Line dan mixer CA11 RA21 yang dikontrol oleh sebuah inverter, ada perbedaan yang cukup signifikan dalam penggunaan energi listrik.
Tabel 4.1 Konsumsi Energi Listrik
DOL
JAM
INVERTER
SELISIH (DOL-INV)
OPERASI
P (KWH)
COST (Rp)
P (KWH)
COST (Rp)
P (KWH)
COST (Rp)
1 Hari
129,692
84.299,8
30,293
19.690,45
99,692
64.609,35
1 Bulan
3890,76
2.528.994
908,79
590.713,5
2981,97
1.938.280,5
1 Tahun
46689,12
30.347.928
10905,48
7.088.562
35783,64
23.259.366
51
4.4 Saving Energi
Dari hasil analisa konsumsi energi listrik dalam satu tahun, > Dengan system control Direct On Line adalah 46689,07792 KWh atau dalam rupiah adalah; Rp. 30.347.898,05
> Dengan system control dengan sebuah inverter adalah 10905,47712 KWh atau dalam rupiah adalah: Rp.7.088.560,128
+ Harga sebuah inverter kapasitas 15 KW adalah 12,5 juta [ Danfoss, VLT 5800 ,15 KW,Tahun 2006 ] + Biaya untuk tahun pertama; Rp 12.500.000+ Rp.7.088.560,128 Yaitu: Rp.19.588.560,13
Pada tahun pertama selisih biaya operasional adalah; Dengan system DOL Rp 30.347.898,05 Dengan Inverter
Rp 19.588.560,128 –
Selisih
Rp. 10.759.337,93
Saving Energy untuk tahun pertama adalah 35% Pada tahun berikutnya selisih biaya operasional adalah; Dengan system DOL Rp. 30.347.898,05 Dengan Inverter
Rp. 7.088.560,128 -
Selisih
Rp. 23.259.337,92
Saving energy tahun berikutnya adalah 76,6 %
52
BAB V KESIMPULAN
Dari hasil pengamatan, survey di lapangan, pengambilan data dilapangan yang penulis lakukan terhadap dua buah mixer yang berskala sama tapi dikendalikan oleh control yang berbeda di PT DYSTAR COLOUR INDONESIA , maka penulis dapat mengambil beberapa kesimpulan ;
1. Penggunaan inverter sebagai system control pada mixer untuk kepentingan proses produksi memiliki keuntungan ditinjau dari sisi ekonomis. 2. Dari hasil pengukuran dan pengambilan data yang penulis lakukan dilapangan, penggunaan inverter mampu menghemat biaya 35% pada tahun pertama, dan 76,6% pada tahun berikutnya, jika dibandingkan dengan system control Direct On Line/ DOL. 3. Inverter sebagai system control memberikan solusi yang lengkap untuk berbagai system keamanan terhadap kondisi over current, overload, over temperature, ground fault, dan mampu mengendalikan mesin secara halus saat starting dan stop mesin.
53
DAFTAR PUSTAKA
1. P. Thogersen, M. Tonnes,U. Jaeger,S.E.Nielsen ; “New High PerformanceVector Controlled AC- Drive with Automatic Energy Optimizer” . 6th European Conference on Power Electronics and Application; Sept.1995.
2. S. Anderson og K. Jorgensen ; “Vekselstromsmaskiner; -anlaeg” Polyteknisk forlag.1995.
3. P.F. Brosch; “ Frequenzumformer” Verlag moderne industrie.1989.
4. H.R. Schemeer ; “ EMV “ VDE – Verlag, 1996.
5. K. Jark og A.H. Axelsen ; “ Elektroteknik “ H. Hagerup.1966.
6. U. Krabbe; “Stromrettere”. Danmarks Tekniske Hojskole.1982.
7. R. Fisher ;” Elektrische Maschinen-Carl Hansen Verlag. 1986.
54
LAMPIRAN
55
