Aplikasi Variable Frequency Drive (VFD)
1. Kontrol Kecepatan Motor
Motor Induksi AC (Alternating Current) adalah mesin dengan kecepatan konstan, dengan variasi kecepatan dari tanpa beban ke beban penuh berkisar 2 – 5%, merepresentasikan ―slip‖ dari motor tersebut.
Kecepatan dari mesin tersebut ditentukan oleh frekuensi (f) suplai daya dan jumlah kutub (P) magnet pada statornya.
Ditentukan melalui persamaan :
Ns = (120.f)/P
Slip (s) = [(Ns - Nr)/Ns] x 100%
Dimana : Ns = kecepatan sinkron (RPM)
Nr = kecepatan rotor (RPM)
f = frequensi jala-jala (Hz)
P = Jumlah Kutub (poles)
Sebagian besar aplikasinya motor dengan kecepatan tetap (fixed) lebih banyak digunakan. Pada aplikasi atau sistem seperti ini, elemen kontrol seperti damper dan valve digunakan untuk meregulasi aliran (flow) dan tekanan (pressure). Peralatan ini biasanya menyebabkan operasi yang tidak efisien serta pemborosan energi karena aksi pembukaan dan penutupan tersebut.
Bagaimanapun, sering sangat dibutuhkan sebuah motor yang dapat beroperasi pada dua atau lebih kecepatan, atau malahan pada operasi full variable speed. Elemen kontrol konvensional dapat diganti dengan menerapkan operasi variable speed menggunakan suatu VFD.
Banyak sekali penghematan energi yang dapat dicapai pada berbagai aplikasi dengan memvariasikan kecepatan motor dan beban yang dikendalikan dengan menerapkan VFD yang tersedia secara komersial. Penghematan termasuk dari segi capital cost dan biaya perawatan berkaitan dengan elemen kontrol ini.
Tabel berikut ini menunjukkan contoh-contoh beban dan kemungkinan penghematan energinya.
Tabel 15-1. Tipe beban, aplikasi dan penghematan energi
| Tipe Beban | Aplikasi | Pertimbangan tentang Energi |
| Beban torsi bervariasi: · Daya bervariasi pada nilai pangkat tiga dari kecepatan. · Torsi bervariasi pada nilai pangkat dua dari kecepatan. | · Fan sentrifugal · Pompa sentrifugal · Blower · Sistem HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) | Pada kecepatan rendah terjadi penghematan energi yang signifikan sebagai akibat penurunan daya motor yang sebanding dengan pangkat tiga penurunan kecepatan. |
| Beban torsi tetap: · Torsi tetap pada kecepatan motor yang bervariasi. · Daya bervariasi secara langsung dengan kecepatan. | · Mixer · Conveyor · Kompresor · Printing Presses | Pada kecepatan rendah terjadi penghematan energi yang berbanding lurus dengan penurunan kecepatan. |
| Beban daya tetap: · Membangkitkan daya yang sama pada setiap kecepatan. · Perubahan torsi berbanding terbalik dengan perubahan kecepatan. | · Peralatan-peralatan mesin · Mesin bubut · Mesin-mesin penggilingan · Punch presses | Tidak ada penghematan energi pada penurunan kecepatan; akan tetapi, penghematan energi dapat dicapai dengan mengoptimasi kecepatan pemotongan dan permesinan untuk produk yang sedang diproduksi |
2. Karakteristik Beban yang dikendalikan dan Kebutuhan Daya
Perilaku dari torsi dan daya (horsepower) beserta kecepatan (RPM) menentukan kebutuhan dari sistem motor-drive.
Horsepower = RPM * Torsi (ft-lb) / 5250
1 horsepower (HP) = 746 Watts = 0.746 kWatts
maka:
Daya (kW) = RPM * Torsi (Nm) / 9550
Persamaan torsi diatas menyiratkan bahwa torsi berbanding lurus dengan nilai daya dan berbanding terbalik dengan kecepatan (RPM).
Kita dapat mengkategorikan aplikasi-aplikasi drive berdasarkan kebutuhan torsi operasionalnya:
· Torsi beban tetap
· Daya beban tetap
· Torsi beban bervariasi (variable torque loads) dimana torsi adalah jumlah gaya yang dibutuhkan beban untuk berotasi pada porosnya.
· Efisiensi motor listrik dan drives
Torsi beban tetap
Torsi beban tetap meskipun terjadi perubahan kecepatan. Dengan demikian daya yang dibutuhkan adalah berbanding lurus dengan perubahan kecepatan putaran motor. Contoh-contoh tipikal aplikasi untuk torsi tetap adalah:
· Conveyor
· Extruder
· Mixer
· Positive displacement pump and compressor.
Gambar 1. Torsi beban tetap
Beberapa keuntungan aplikasi VFD dengan torsi tetap adalah pengendalian kecepatan dan starting serta stopping dengan percepatan / perlambatan secara presisi. Jenis kisaran kecepatan untuk beban torsi tetap adalah 10:1. Aplikasi ini umumnya menyebabkan penghematan energi sedang pada kecepatan rendah.
Daya (horsepower) beban tetap
Gambar 2. Daya beban tetap
Jenis kedua dari karakteristik beban adalah daya tetap. Pada aplikasi ini kebutuhan torsi bervariasi secara berlawanan dengan kecepatan (torsi tinggi maka kecepatan rendah, begitupun sebaliknya). Ketika torsi bertambah maka kecepatan harus menurun untuk mendapatkan beban daya tetap. Hubungannya dapat dituliskan sebagai berikut:
Daya = kecepatan * torsi * tetapan
Contoh-contoh untuk tipe beban ini adalah pada mesin bubut atau pengeboron dan mesin penggilingan dimana dibutuhkan pemotongan berat pada kecepatan rendah dan pemotongan cepat ringan pada kecepatan tinggi. Aplikasi ini tidak menawarkan penghematan energi pada penurunan kecepatan.
Beban torsi bervariasi
Gambar 3. Beban torsi bervariasi
Tipe ketiga dari karakteristik beban adalah beban torsi bervariasi. Contohnya Centrifugal fans, blowers dan pompa. Penggunaan VFD dengan beban torsi bervariasi memberikan penghematan energi yang signifikan.
Pada aplikasi ini:
· Torsi bervariasi secara lansung dengan kuadrat kecepatan.
· Daya bervariasi secara langsung dengan pangkat tiga kecepatan.
Ini berarti pada kecepatan setengah (½), daya yang dibutuhkan adalah sekitar seperdelapan (1/8) dari nilai maksimum. Sebuah VFD mereduksi total energi yang masuk ke sistem jika tidak dibutuhkan.
Efisiensi motor listrik dan pengendali
Efisiensi dari motor listrik AC pada beban penuh berkisar pada nilai 80% untuk motor-motor kecil ke nilai lebih dari 95% untuk motor berdaya lebih dari 100 HP. Efisiensi sebuah motor listrik menurun signifikan seiring dengan penurunan beban dibawah 40%. Maka disarankan bahwa motor yang digunakan dapat beroperasi pada beban penuh dengan nilai daya 75% dari nilai daya motor. Gambar 4. mununjukkan tipikal kurva efisiensi motor vs. pembebanan.
Gambar 4. Tipikal efisiensi dari motor induksi standar 10 HP
efisiensi vs. Beban
Efisiensi motor listrik dan sistem drive adalah rasio dari daya output mekanik dengan input daya dan umumnya direpresentasikan dalam persentase.
Efisiensi sistem motor = (Output(mekanik)/Input(electrical)) * 100%
Sebuah VFD sangat efisien. Tipikal efisiensinya 97% atau lebih untuk beban penuh. Efisiensinya turun saat beban juga menurun. Secara khusus, VFD diatas 10 HP memiliki efisiensi lebih dari 90% untuk beban lebih besar dari 25% beban penuh.
Tabel 15-2. Efisiensi VFD
Tabel berikut menunjukkan efisiensi VFD pada beban yang bervariasi. Efisiensi sistem lebih rendah daripada efisiensi produk motor dan VFD karena efisiensi motor bervariasi dengan beban dan karena adanya efek harmonik pada motor.
Sayangya, hampir tidak mungkin untuk mengetahui akan berapakah nilai efisiensi motor/drive, tetapi karena daya input ke sebuah sistem torsi bervariasi (variable torque) menurun sesuai dengan kecepatan, sehingga perkiraan dari efisiensi sistem adalah hal yang dapat dilakukan. Ketika menghitung konsumsi energi dari sebuah sistem motor drive, tetapkan efisiensi sistem pada range 80 – 90 % untuk motor 10 HP atau lebih dan beban 25% atau lebih.
Pada umumnya, area efisiensi yang rendah berkorespondensi untuk motor ukuran kecil serta beban kecil dan area efisiensi tinggi berkorespondesi untuk motor ukuran besar serta beban besar.
3. Pemilihan VFD
Berikut adalah langkah-langkah pemilihan VFD:
· Menetapkan spesifikasi awal untuk aplikasi drive
Untuk memilih kombinasi motor dan VFD yang tepat, informasi berikut sebaiknya tersedia:
a. Tegangan (Volt) dan frekuensi (Hz) sumber listrik.
b. Torsi start (Newton meters).
c. Torsi beban (Newton meters) dan hubungannya dengan kecepatan.
d. Rentang kecepatan (rev/min).
e. Nilai percepatan yang dibutuhkan.
f. Momen inersia motor dan beban (kgm^2).
· Pemilihan jumlah pole (kutub) motor
Pemilihan jumlah pole ini berkaitan dengan pemilihan kecepatan putaran motor yang akan digunakan.
· Menentukan nilai daya (power) motor
Nilai daya motor dihitung berdasarkan persamaan berikut
Power = (Torsi (Nm) * kecepatan(rev/min)) / 9550 kW
*torsi disini adalah torsi mekanik, dan kecepatan adalah kecepatan putaran.
· Langkah berikutnya adalah memilih VFD yang sesuai dengan spesifikasi kebutuhan.
Dalam pemilihannya faktor-faktor berikut patut dipertimbangkan:
a. Tegangan dan frekuensi suplai listrik.
b. Nilai arus listrik motor.
c. Duty type (Variable torque atau constant torque).
VFD yang dipilih memiliki nilai arus listrik yang lebih tinggi dengan nilai arus listrik motor.
