Transducer Tekanan Relatif dan Aplikasinya pada VSD untuk Motor Pompa

Transducer Tekanan Relatif dan Aplikasinya

pada VSD untuk Motor Pompa

Oleh Firman Sasongko

Pengaturan tekanan pada tangki air yang bersirkulasi secara terus-menerus dapat dilakukan dengan pengaturan pipa buang seperti terlihat pada Gambar 1. Motor pada pompa dioperasikan secara penuh sesuai dengan kapasitasnya sementara tekanan air pada tangki dapat diatur dengan membuang sebagian air yang akan masuk ke tangki sirkulasi. Hal ini berakibat adanya air yang dibuang secara sengaja untuk menjaga tekanan air yang kita inginkan. Dalam perspektif penggunaan motor pompa sebagai sumber tenaga yang melakukan proses sirkulasi tersebut, maka pembuangan air kembali ke bak utama merupakan suatu pemborosan listrik.

Kelemahan lainnya dari sistem ini adalah dibutuhkannya operator yang harus selalu sigap untuk mengatur keran pembuangan ketika terjadi perubahan tekanan pada tangki akibat pembukaan atau penutupan keran-keran air pada kamar-kamar tamu hotel. Penjagaan tekanan air yang kurang akurat karena penggunaan tenaga manusia dalam pengaturan pipa buang secara manual dapat mengakibatkan tekanan air pada masing-masing kamar akan berubah-ubah tergantung berapa banyak keran air yang dibuka. Hal ini tentunya tidak diharapkan oleh pengurus hotel demi kepuasan tamunya.

skema-penggunaan-motor-pompa-sebagai-pengatur-sirkulasi-air-pada-ruangan-ruangan

Hal diatas dapat diatasi dengan penggunaan sensor tekanan aktif pada tangki sirkulasi. Yaitu sensor tekanan yang akan mengirimkan statusnya ke tenaga penggerak utama (yang dalam hal ini adalah motor pompa) sehingga motor pompa hanya bekerja sesuai dengan kebutuhan. Ketika tekanan dalam tangki sirkulasi melebihi batas nilai yang diinginkan, maka motor pompa dapat bekerja pada kecepatan dan atau tegangan yang lebih kecil dan sebaliknya ketika tekanan dalam tangki sirkulasi lebih kecil dari nilai yang diinginkan, maka motor harus dioperasikan dengan kecepatan dan atau tegangan yang lebih besar. Dengan pengaturan motor ini, penggunaan listrik akan jauh lebih hemat karena motor hanya dioperasikan sesuai kebutuhannya saja.

Dalam aplikasinya, pengaturan kecepatan dan tegangan kerja motor pompa tidak bisa dilakukan secara langsung tanpa bantuan perangkat luar. Salah satu pengaturan motor pompa adalah dengan menggunakan VSD (Variable Speed Drive) atau juga disebut sebagai VVVF (Variable Voltage Variable Frequancy). VSD merupakan perangkat elektronika daya yang akan mengkonversikan tegangan serta frekuensi kerja pada sumber energi listrik menjadi tegangan serta frekuensi kerja sesuai dengan kebutuhan. Dengan menggunakan VSD yang terinterkoneksi dengan sensor tekanan, maka pengaturan tekanan tangki sirkulasi dapat dilakukan secara otomatis sehingga operator tidak harus selalu siaga di tempat. Selain itu, tekanan yang diatur secara otomatis dapat bereaksi secara cepat terhadap perubahan yang terjadi akibat pembukaan atau penutupan keran-keran air pada kamar-kamar tamu, sehingga tekanan air pada keran-keran dapat dijaga konstan setiap saatnya berapapun keran yang dibuka. Skema penggunaan VSD dan sensor tekanan untuk aplikasi sirkulasi air dapat dilihat pada Gambar 2.

skema-penggunaan-sensor-tekanan-dan-vsd-pada-pompa-motor-pada-gambar-1

A. Sensor Tekanan

Sensor/transducer tekanan pada umumnya menggunakan strain gauge sebagai sensornya. Strain gauge dapat mengubah sinyal tekanan menjadi sinyal listrik. Pada kenyataannya, perubahan tekanan ini akan membuat strain gauge memberikan nilai resistansi yang berbeda ketika terjadi perubahan luas penampangnya. Selanjutnya, hambatan yang berubah-ubah ini dapat kita konversikan menjadi bentuk tegangan atau arus yang berubah-ubah dengan menggunakan tambahan rangkaian.

Umumnya, pada keadaan normal/setimbang, nilai resistansi strain gauge sebesar 120 ohm. Perubahan yang terjadi hanya mencapai + 3 ohm. Untuk mendeteksi perubahan ini, dapat digunakan jembatan Wheatstone seperti terlihat pada Gambar 5 dibawah. Penambahan rangkaian penguat dengan menggunakan Op Amp dan atau Instrumentation Amplifier juga dapat digunakan untuk memperbaiki kinerja sensor ini sehingga memungkinkan untuk memperoleh gain yang besar.

penampang-sensor-strain-gauge

prinsip-kerja-strain-gauge
penggunaan-jembatan-wheatstone-pada-sensor-tekanan-strain-gauge

Dengan memberikan nilai resistansi tertentu pada R3 dan R1 = R2 pada gambar diatas, maka dapat diperoleh tegangan V = 0 yang merepresentasikan strain gauge dalam keadaan normal/setimbang. Bila terjadi perubahan nilai resistansi pada strain gauge, maka jembatan Wheatstone tidak lagi seimbang sehingga tegangan V tidak lagi sama dengan 0. Nilai tegangan V ini masih dalam skala mV yang mengakibatkan tegangan ini terlalu kecil untuk diproses kemudian sesuai kebutuhan. Oleh karena itu, dibutuhkan rangkaian penguat.

Salah satu sensor tekanan untuk pengukuran tekanan relatif pada air maupun gas adalah JUMO MIDAS dengan berbagai tipenya. Penulis menggunakan sensor ini pada aplikasi pengaturan VSD untuk motor pompa di hotel Bumi Sawungggaling ITB Bandung. Sensor yang digunakan menggunakan strain gauge dengan film yang tebal serta menggunakan keramik aluminium-oxide (Al2O3) sebagai material dasarnya. Tipe sensor yang digunakan adalah 401001/000-458-405-XXX-20-XXX-61/000 yang menggunakan arus 4 – 20 mA sebagai keluarannya dengan maksimum tekanan adalah 6 bar. Bentuk sensor yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 6. Keluaran arus adalah linier terhadap tekanan yang diberikan, sehingga pada tekanan maksimum sebesar 6 bar, arus yang dihasilkan adalah sebesar 20 mA.

sensor-tekanan-jumo-midas

Untuk menggunakan sensor dengan tipe keluaran arus 4 – 20 mA, maka interkoneksinya adalah secara 2 kawat seperti terlihat pada Gambar 7 dan Gambar 8 dan juga dapat secara 3 kawat seperti terlihat pada Gambar 9 dan Gambar 10.

interkoneksi-sensor-power-supply-dan-rangkaian-yang-digunakan-dengan-2-kawat

interkoneksi-sensor-dengan-menggunakan-terminal-box-yang-terhubung-secara-2-kawatgambar9gambar10

B. Variable Speed Drive

Pada dasarnya, sebuah VSD merupakan perangkat inverter (konverter DC-AC) yang dapat mengatur tegangan keluaran serta frekuensi kerjanya. Umumnya input tegangannya berupa tegangan AC, sehingga dibutuhkan komponen penyearah sehingga dihasilkan tegangan DC sebelum dikonversikan menjadi tegangan AC kembali pada keluarannya. Skema sebuah VSD satu fasa dapat dilihat pada Gambar 11.

gambar-11

Penulis menggunakan sebuah VSD keluaran Toshiba, yaitu TOSVERTTM VS-S11 yang bekerja pada tiga fasa dengan daya hingga 5.5 kW. Pengaturan frekuensi dan tegangan kerja dapat dilakukan secara manual maupun otomatis. Pengaturan secara manual dilakukan dengan proses trimming knop yang tersedia pada VSD-nya, sementara pengaturan secara otomatis dapat dilakukan dengan memberikan input tegangan 0 – 10 V atau arus 4 – 20 mA. Dalam aplikasi pada pengaturan motor pompa di Bumi Sawunggaling penulis menggunakan pengaturan otomatis dengan input tegangan berupa 0 – 10 V. VSD yang digunakan ini dapat diatur frekuensi serta tegangan kerja maksimum yang akan digunakan. Hubungan antara tegangan control terhadap frekuensi dan tegangan kerjanya adalah linier.

(Detail mengenai prinsip kerja sebuah inverter dan penyearah tidak disertakan dalam tulisan ini)

gambar-12


C. Konverter Sinyal Kontrol

Perlu diperhatikan bahwa dalam sistem yang digunakan pada Gambar 2 diatas dibutuhkan penambahan daya motor ketika tekanan lebih kecil dari nilai setimbangnya dan sebaliknya dibutuhkan pengurangan daya motor ketika tekanan lebih besar dari nilai setimbangnya. Oleh karena itu dibutuhkan konverter sinyal dari sensor tekanan menjadi sinyal input pada VSD. Ketika tekanan naik, maka arus keluaran dari sensor akan menjadi lebih besar, sementara motor haruslah bekerja pada daya yang lebih rendah untuk mengurangi tekanan tersebut, oleh karena itu, konverter sinyal akan mengubah logika arus besar menjadi tegangan kecil dan arus kecil menjadi tegangan besar, dengan batas arus keluaran sensor antara 4 – 20 mA dan batas tegangan untuk input VSD antara 0 – 10 V. Logika yang sama juga berlaku ketika tekanan berkurang.

Grafik arus keluaran sensor tekanan terhadap tegangan control VSD setelah menggunakan konverter sinyal dapat dilihat pada Gambar 13. Grafik dari konverter sinyal yang dibutuhkan adalah sesuai dengan keinginan kita, sehingga pengaturan tekanan kondisi setimbang dapat kita ubah sewaktu-waktu. Hal ini dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan pada konverter sinyal sehingga grafiknya dapat kita ubah-ubah seperti terlihat pada gambar dimana garis grafik putus-putus menggambarkan kondisi pengaturan yang berbeda-beda.

gambar13

D. Kesimpulan

Dengan menggunakan sistem kendali tertutup, kita dapat mengatur tekanan dalam tangki sirkulasi tetap. Ketika penggunaan keran-keran sangat sedikit, motor dapat bekerja dengan daya yang lebih rendah, sementara ketika banyak keran yang dibuka oleh tamu hotel, maka motor akan bekerja dengan daya yang lebih besar. Dengan menggunakan sistem ini, kita dapat melakukan penghematan listrik karena daya yang digunakan adalah benar-benar sesuai kebutuhan.

Dari data logger pada sistem motor pompa tercatat bahwa sebelum menggunakan sensor tekanan dan VSD, daya yang digunakan memiliki rata-rata 3.5 kW, sementara setelah menggunakan sistem tertutup dengan sensor tekanan dan VSD tercatat bahwa daya rata-rata yang digunakan adalah 700 W. Kita lihat bahwa kita dapat melakukan penghematan sebesar kurang lebih 80%.

About these ads

About konversi

This blog is a blog made by the students of the Laboratory Of Electric Energy Conversion, ITB. This blog shall be the place for us to write our researches and projects. Feel free to read any of the contents of this.
This entry was posted in Application. Bookmark the permalink.

18 Responses to Transducer Tekanan Relatif dan Aplikasinya pada VSD untuk Motor Pompa

  1. hadyan says:

    hebat enk..
    tambah ilmu tentang aplikasi Elda..

    Terimakasih.

  2. Sonong says:

    Saya mengucapkan terimah kasih atas informasinya tentang VSD pada motor

  3. eduward kawi says:

    mohon dapat diberikan pencerahan mengenai beberapa vendor vsd yang handal dengan harga kompetitif, sehubungan kami pernah memakai merk tertentu ternyata umurnya tidak panjang. daya yang kami kehendaki ada variasi : 18,5 KW,37KW,90KW dan 110 KW untuk elektromotor centrifugal pump untuk minyak ringan
    thanks

  4. P. A. Dahono says:

    Buatan Jepang, Eropa, dan Korea umumnya bisa diandalkan. Kalau sampai cepet rusak mungkin ada yang salah dalam operasi atau pemasangannya.

  5. EDO says:

    Tksh mas firman sasongko atas tulisannya. bagus sekali.

    Sy pribadi lbih menyukai yg aplikatif spt ini ketimbang yg terlalu teoritis. Yg terlalu teoritis meskipun terkesan bagus, matematis, high-class, canggih tapi seringkali tak ada aplikasinya di indonesia. Spt pintar tapi tak membumi, hidup di menara gading.

    Walopun kedua jenis tulisan2 tsb sama2 positif utk pendidikan.

  6. Antok says:

    memang seharusnya semua pompa menggunakan VSD dan systemnya close loop yaitu VSD didrive menggunakan pressure transducer, pemasangan VSD selain Saving energy juga site effectnya bisa menstabilkan tekanan dan menhindarkan dari water hammer.

    Silahkan lihat situs kami http://www.powtran.web.id atau email info@powtran.web.id kami specialist dalam hal VSD

    Salam,

    Antok

  7. dahono says:

    Antok, nggak semua pompa bagus kalau dipasang VSD. Ada yang kalau dipasang malah bikin mahal sistemnya dan nggak membuat energinya jadi hemat.

  8. Zivion Silalahi says:

    Saya setuju dengan pendapat Pak Dahono.
    Setahu saya untuk pompa dengan beban (yaitu: debit fluida) yang besar, penerapan VSD untuk mengatur takanan belum bisa dilakukan. Sebagai contoh untuk pembangkit listrik tenaga uap, terdapat sebuah pompa yang merupakan bagian penting dari siklus Rankine, yaitu Boiler Feed Pump (BFP). Daya kerja dari pompa ini mencapai orde MW. Untuk mengatur tekanan fluida kerja, torsi pompa ini dikontrol oleh sebuah sistem kopling minyak. Artinya gear antara motor dan pompa tidak terkopling secara langsung, melainkan ‘dihubungkan’ oleh minyak bertekanan. Nah, untuk mengatur torsi pompa tersebut, tekanan minyak pada kopling diubah-ubah sedemikian rupa sehingga tekanan fluida kerja menjadi konstan. Jadi pada dasarnya putaran motor pada pompa tersebut adalah konstan. Saya pernah berdiskusi dengan seorang teman, mengapa teknologi VSD tidak diterapkan saja pada sistem ini? Sampai sekarang saya belum tahu jawabannya. :-)
    Ada yang bisa membantu?

  9. pekik says:

    Fluid coupling adalah salah satu bentuk VSD model lama. Dengan mengatur pressure dari fluida maka slip bisa diatur. Kelemahan cara ini adalah lossesnya yang tinggi. Untungnya adalah harganya yang murah dibanding VSD modern. Pada saat ini, sudah banyak boiler feed pump yang menggunakan VSD modern. Jadi kenapa beberapa pembangkit masih menggunakan coupling fluid, itu lebih karena masalah harga. Bukan pada teknologinya. Sekarang kita bisa mengendalikan VSD untuk mendapatkan constant pressure maupun constant flow. Sama seperti power supply yang bisa dikendalikan dalam mode constant voltage atau constant current.
    Walaupun harga VSD mahal, dalam banyak kasus sering sekali didapat waktu pay back yang sangat pendek.

  10. JS says:

    Pak Pekik,

    Apakah sejauh ini ada pengembangan single phase variable speed drive dengan square wave ?

  11. pekik says:

    Untuk single-phase setahuku nggak ada karena harmonisanya jauh lebih besar dibanding tiga-fasa

  12. Zivion Silalahi says:

    Thanks Pak Pekik buat penjelasannya…

  13. JS says:

    Nah kalau harga motornya sendiri considered murah-meriah dan designed run to fail, apakah kira-kira motor masih bisa distart&run pada frekuensi 25-30Hz, dengan constant V/f dan starting capacitor existing … mengingat ini aplikasi domestik terbanyak. Daripada kasihan itu motor kalau kebanyakan start-stop dalam hitungan detik. Sambungan-sambungan pipa PVC juga lebih cepat fatigue dengan impact-impact berulang.
    Daripada memperbaiki PVC joint, kan lebih mudah dan murah mengganti motor 100Watt.

  14. pekik says:

    Aku pernah coba bisa kok start pada frekuensi 25 Hz. Mendingan kapasitornya dilepas dan disuplai oleh lengan ketiga inverter (untuk daya kecil mendingan beli modul inverter 3-fasa). Kalau mau efisien inverter dioperasikan dalam mode quasi square-wave.

  15. JS says:

    Nggak jadi severely unbalanced Pak Pekik ?
    BTW barangkali ada yang tahu berapa harga inverter kecil 0.5hp 1ph to 3ph sekarang ya.

  16. pekik says:

    yang namanya inverter 1 fasa, input 1 fasa tapi output tetap 3-fasa. kalau unbalanced sih udh pasti tapi lebih baik dibanding hanya dipakai 1 winding

  17. dani says:

    untuk pemasangan motor pompa submersible 25kw (start-delta). pemasangan VSD yang benar gimana, pak? sebelum contactor ato sesudah contactor utama? kemudian sensor tekanan apakah bisa diatur atau tetap? {misal: saya ingin tekanan 2,5 bar). mohon penjelasannya. terima kasih

  18. dahono says:

    Pasangnya sebelum kontaktor utama. Tentu saja pressure bisa diatur

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s