Optimalisasi Kontrol Motor Industri: Retrofit Inverter untuk Penghematan Energi
Sebagai inti dari produksi industri, sistem otomasi listrik secara langsung mempengaruhi biaya produksi keseluruhan dan dampak lingkungan. Operasi kecepatan konstan tradisional sering menyebabkan pemborosan energi saat merespons permintaan beban yang bervariasi dan membuat kontrol proses yang tepat sulit dicapai. Teknologi pengaturan kecepatan frekuensi variabel, sebagai metode kontrol motor yang canggih, menawarkan solusi yang menjanjikan untuk masalah-masalah ini. Studi ini mengambil sistem otomasi listrik di sebuah pembangkit listrik sebagai contoh untuk menjelajahi skema retrofit berdasarkan teknologi kontrol kecepatan inverter dan efek hemat energinya, dengan tujuan memberikan referensi untuk peningkatan efisiensi energi dalam skenario industri yang serupa.
1 Status Saat Ini dan Persyaratan Retrofit Aplikasi Inverter dalam Otomasi Listrik
1.1 Peralatan yang Ada
Sistem otomasi listrik di pembangkit listrik terutama terdiri dari tiga bagian: sistem distribusi daya, unit penggerak motor, dan sistem kontrol. Sistem distribusi daya mencakup peralatan switchgear tegangan tinggi 10 kV, transformator, dan switchgear tegangan rendah 400 V, yang disusun dalam struktur pohon untuk distribusi daya. Motor drive sebagian besar adalah motor asinkron yang dikontrol dengan metode starting langsung atau star-delta reduced-voltage. Beban pompa merupakan proporsi terbesar dari peralatan di lapangan, termasuk pompa air sirkulasi, pompa pendingin, dan pompa umpan. Perangkat-perangkat ini beroperasi pada kecepatan konstan, dengan aliran diatur melalui katup, yang menghasilkan konsumsi energi yang tinggi. Arsitektur sistem yang ada relatif terdesentralisasi, dengan manajemen terpusat sebagian. Sistem pemantauan tingkat atas berkomunikasi dengan sistem kontrol lapangan melalui Ethernet industri untuk memungkinkan tampilan data terpusat dan operasi jarak jauh. Namun, sistem kontrol saat ini kurang memiliki algoritma kontrol canggih untuk pengaturan kecepatan frekuensi variabel, yang mengakibatkan kekurangan dalam manajemen energi dan optimasi proses.
1.2 Persyaratan Retrofit
Berdasarkan status peralatan saat ini, persyaratan retrofit untuk sistem otomasi listrik terutama fokus pada peningkatan efisiensi energi dan optimasi kontrol. Diperlukan untuk memperkenalkan teknologi kontrol kecepatan berbasis inverter untuk memungkinkan operasi efisien pompa dan kipas dengan menyesuaikan kecepatan motor sesuai dengan permintaan beban.
Sementara itu, dengan memanfaatkan stasiun pompa dan fasilitas produksi yang ada, diperlukan untuk membangun platform pemantauan cerdas yang sesuai dengan persyaratan perlindungan siber Level 2. Berpusat pada komputasi awan dan terintegrasi dengan teknologi IoT, platform ini akan memungkinkan integrasi tanpa hambatan antara manajemen perusahaan dan kontrol lapangan. Arsitektur sistem mengadopsi struktur tiga tingkat "platform pusat + subsistem terdistribusi + terminal seluler," memastikan pengumpulan data real-time, pemrosesan efisien, dan penyimpanan aman.
Platform pusat, dibangun pada kluster server performa tinggi, menerapkan algoritma analisis data canggih untuk memberikan dukungan keputusan yang akurat. Subsistem terdistribusi mencakup modul untuk pemantauan kondisi peralatan, pengawasan video, dan pengumpulan parameter lingkungan, secara komprehensif mencakup semua aspek operasi produksi. Terminal seluler, melalui aplikasi khusus, memungkinkan pemantauan jarak jauh dan notifikasi instan.
2 Dasar Teori Efek Hemat Energi
Analisis efek hemat energi dari teknologi kontrol kecepatan inverter dalam studi ini terutama didasarkan pada hukum affinitas untuk kipas dan pompa serta prinsip konversi energi dari pengaturan kecepatan frekuensi variabel. Berdasarkan status operasional peralatan pabrik, sejumlah besar pompa dan kipas beroperasi pada kecepatan konstan dengan aliran diatur oleh katup, menghasilkan kerugian energi yang signifikan. Sebaliknya, kontrol kecepatan frekuensi variabel menyesuaikan kecepatan motor sesuai dengan permintaan beban, sehingga mencapai penghematan energi. Hukum affinitas untuk kipas dan pompa dibentuk berdasarkan hubungan antara laju aliran, head, dan daya, dengan rumus perhitungan relevan sebagai berikut:
di mana Q adalah laju aliran (m³/h); n adalah kecepatan rotasi (r/min); H adalah head (m); P adalah daya (kW), dengan P1 mewakili daya nominal dan P2 daya pada kecepatan yang berkurang. Rumus konversi energi untuk pengaturan kecepatan frekuensi variabel adalah:
Berdasarkan hubungan teoretis di atas, ketika permintaan aliran sistem berkurang, motor secara otomatis mengurangi kecepatan melalui kontrol frekuensi, secara signifikan menurunkan konsumsi daya dan mencapai penghematan energi. Ini memberikan dasar teoretis untuk desain retrofit dan evaluasi hemat energi selanjutnya.
3 Skema Retrofit Teknologi Pengaturan Kecepatan Inverter
3.1 Peningkatan Sistem Distribusi Daya
Untuk secara efektif menerapkan teknologi pengaturan kecepatan inverter, studi ini meningkatkan sistem distribusi daya yang ada. Untuk sistem tegangan tinggi, switchgear 10 kV ditingkatkan dengan menginstal pemutus vakum pintar dengan arus nominal tidak kurang dari 1.250 A dan kapasitas pemutusan pendek sirkuit nominal 31,5 kA. Relai pelindung berbasis mikroprosesor diintegrasikan, menyediakan perlindungan multifungsi termasuk overcurrent, pendek sirkuit, dan ground fault, dengan waktu respons kurang dari 20 ms. Sistem pemantauan kualitas daya listrik juga diperkenalkan, menggunakan sensor presisi tinggi kelas A untuk memantau parameter seperti konten harmonisa, fluktuasi tegangan, dan ketidakseimbangan tiga fase secara real time, memastikan stabilitas sistem.
Untuk sistem tegangan rendah, sistem 400 V menjadi fokus peningkatan. Rangkaian feeder inverter khusus ditambahkan ke sistem yang ada menggunakan kabinet feeder mandiri yang dilengkapi dengan pemutus sirkuit cetak-cetak pintar. Arus nominal dipilih antara 400 A hingga 630 A berdasarkan kebutuhan beban, dengan unit trip elektronik untuk perlindungan overload dan pendek sirkuit yang tepat. Setiap rangkaian inverter dilengkapi dengan saklar isolasi yang sesuai dengan arus nominal pemutus sirkuit dan termasuk fitur putus yang terlihat untuk memudahkan pemeliharaan peralatan.
Untuk mitigasi harmonisa, filter daya aktif (APF) dipasang di sisi input inverter, dengan spesifikasi khusus seperti yang tercantum dalam Tabel 1.
Untuk optimalisasi sistem grounding, studi ini mengadopsi metode kabel TN-S, memisahkan garis netral (N) dari garis tanah pelindung (PE) mulai dari kabinet distribusi. Garis PE utama menggunakan konduktor tembaga dengan luas penampang tidak kurang dari 95 mm² untuk memastikan resistansi tanah kurang dari 1 Ω. Batang bonding potensial sama ditambahkan di lokasi peralatan kritis seperti inverter dan motor, menggunakan konduktor tembaga dengan luas penampang lebih dari 16 mm². Ini secara efektif menekan gangguan mode umum dan meningkatkan kinerja EMC sistem [21].
3.2 Pemilihan dan Optimalisasi Parameter Peralatan Inverter
Pemilihan inverter didasarkan pada pencocokan yang tepat dari karakteristik beban dan persyaratan proses. Untuk beban pompa, inverter kontrol vektor dipilih, dengan daya nominalnya secara ketat sesuai dengan motor, dan kapasitas overload 150%/1 menit. Studi ini memilih inverter seri ABB ACS880, yang dilengkapi dengan teknologi DTC (Direct Torque Control), dengan waktu respons torsi kurang dari 5 ms dan akurasi pengaturan kecepatan ±0,01%. Mengingat lingkungan lapangan, inverter tertutup dengan rating perlindungan IP54 digunakan, dilengkapi dengan sistem pendingin udara paksa, memastikan aliran udara pendingin tidak kurang dari 1 m³/(min·kW).
Untuk optimalisasi parameter, fokusnya adalah pada penyesuaian parameter kontrol PID dan pemanfaatan algoritma tuning otomatis yang terbangun dalam inverter. Melalui pengujian respons step, gain proporsional optimal Kp, gain integral Ki, dan gain derivatif Kd dihitung secara otomatis. Rumus perhitungan output pengontrol PID u(t) adalah:
Algoritma tuning otomatis yang terbangun dalam inverter digunakan untuk menghitung secara otomatis gain proporsional optimal Kp (rentang: 0,1–100), waktu integral Ti (rentang: 0,1–3600 s), dan waktu derivatif Td (rentang: 0–10 s) melalui pengujian respons step. Waktu percepatan diatur antara 10–30 s dan waktu perlambatan antara 15–45 s untuk secara efektif mencegah efek water hammer. Pembatasan torsi diaktifkan dengan pengaturan 120% dari torsi nominal motor untuk mencegah overload. Untuk beban kipas, mode hemat energi inverter diaktifkan: dalam kondisi beban ringan (tingkat beban < 50%), tegangan output secara otomatis dikurangi, dengan pengurangan maksimum hingga 20%. Sementara itu, kurva V/F dioptimalkan dengan meningkatkan output tegangan di rentang kecepatan rendah (0–10 Hz) untuk memastikan torsi awal yang cukup.
Fungsi tidur-bangun dikonfigurasikan: ketika frekuensi operasi tetap di bawah 10 Hz selama 60 s, inverter memasuki mode tidur; ia bangun secara otomatis ketika tekanan sistem turun 5%, lebih lanjut meningkatkan efisiensi sistem. Dalam pengaturan inverter dasar, frekuensi carrier diatur ke 4 kHz. Berdasarkan kebutuhan aktual pembangkit listrik, ambang batas perlindungan overvoltage dan undervoltage diatur masing-masing ke 418 V dan 304 V. Selain itu, parameter nominal motor dan pengaturan operasi multi-kecepatan dikonfigurasikan seperti yang terperinci dalam Tabel 2.
Rumus perhitungan untuk pembatasan arus dan optimasi arus minimum masing-masing adalah sebagai berikut:
di mana Ilim adalah batas arus maksimum; In adalah arus nominal motor; Ismin adalah arus stator minimum; Idopt adalah arus eksitasi optimal; dan Iq adalah komponen arus torsi. Dengan mengintegrasikan strategi pembatasan arus dan optimasi arus minimum, kontrol halus operasi motor dicapai. Pengaturan perlindungan overvoltage dan undervoltage memastikan motor beroperasi dalam rentang yang aman. Perlindungan stall dan tindakan pembatasan arus secara efektif mencegah overload. Selain itu, metode kontrol ini mendukung komunikasi melalui protokol Modbus-RTU, memungkinkan pemantauan jarak jauh dan penyesuaian parameter, sehingga secara signifikan meningkatkan tingkat kecerdasan sistem.
3.3 Peningkatan dan Integrasi Sistem Kontrol
Peningkatan sistem kontrol menggunakan PLC Siemens S7-1500 series, khususnya model CPU 1517-3 PN/DP, yang memiliki kecepatan operasi bit 2 ns dan kecepatan operasi kata 40 ns. PLC dilengkapi dengan 1,6 GB memori kerja dan 32 MB memori beban, mendukung protokol komunikasi termasuk PROFINET, PROFIBUS, dan OPC UA. Sistem mengadopsi arsitektur terdistribusi dengan modul I/O jarak jauh seri ET 200SP, mencapai siklus komunikasi 250 μs melalui PROFINET.
Arsitektur perangkat lunak didasarkan pada lingkungan pengembangan terintegrasi TIA Portal V16. Program PLC mencakup blok fungsi (FBs) untuk komunikasi inverter, kontrol PID, Kontrol Prediktif Model (MPC), pra-pemrosesan pengumpulan data, dan manajemen alarm. Kerangka sistem detail ditunjukkan dalam Gambar 1.
4 Analisis Efek Hemat Energi
Manfaat hemat energi dari teknologi pengaturan kecepatan inverter terutama tercermin dalam pengurangan konsumsi daya dan peningkatan efisiensi sistem. Dengan membandingkan data konsumsi energi sebelum dan setelah retrofit, kinerja hemat energi dapat dievaluasi secara kuantitatif. Data sistem pasca-retrofit dalam studi ini dikumpulkan menggunakan metode berikut:
Sistem Meteran Energi: Meter pintar dipasang pada jalur pasokan daya peralatan listrik utama untuk mengumpulkan data konsumsi listrik sebelum dan setelah retrofit. Model meter adalah Schneider PM5560, dengan kelas akurasi 0,2S dan interval sampling 15 menit.
Fungsi Terbangun Inverter: Fungsi pemantauan energi terbangun dalam inverter ABB ACS880 digunakan untuk merekam waktu operasi, daya output, dan konsumsi energi. Data dikirim ke ruang kontrol pusat melalui protokol Modbus-RTU.
Sistem SCADA: Sistem pengumpulan dan penyimpanan data real-time dibangun menggunakan platform Siemens WinCC V7.5. Parameter kunci seperti kecepatan motor, tingkat beban, tegangan/output arus, dan faktor daya dipantau dengan siklus sampling 1 detik.
Pengujian Lapangan: Fluke 435 II power quality analyzer digunakan untuk melakukan pengukuran spot di bawah berbagai kondisi beban, menangkap data daya instan, harmonisa, dan faktor daya.
Berdasarkan data yang diukur, rata-rata tingkat beban tahunan dihitung. Dengan membandingkan konsumsi energi sebelum dan setelah retrofit, tingkat penghematan daya di bawah kondisi beban yang berbeda ditentukan, seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 3.
