A Review On Energy Efficiency of Induction Motor PDF [PDF]

Citation preview

PT Sigmatech Tatakarsa



Technical Report: report-4



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Penulis: Nanang Rohadi



February 8, 2018



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Contents 1 Pendahuluan



4



2 IEC 60034-30-1 Standar efisiensi untuk motors AC tegangan rendah 7 2.1 Klas efisiensi berdasarkan IEC 60034-30-1:2014 . . . . . . . . . . . . 7 2.2 IEC 60034-2-1:2014, Metoda perhitungan rugi-rugi dan efisiensi . . . 8 2.3 Motor apa saja yang tercakup dalam standar IEC/EN 60034-30-1:2014 9 2.4 Kompatibilitas IEC 60034-30-1 dengan standar efisiensi lain . . . . . 10 3 Studi Keandalan (Reliability) dan Lifetime Motor berdasarkan Klas Efisiensi 12 4 Seleksi dan Pengoperasian Motor 21 4.1 Service Factor, Duty Cycle, and Oversizing . . . . . . . . . . . . . . . 21 5 Kesimpulan



24



1



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



List of Figures 1 2 3 4 5 6 7 8 9



10



11 12 13 14 15



16 17 18



19 20



Tipe komponen penggerak motor listrik . . . . . . . . . . . . . . . . Perkiraan pangsa pasar motor LV global tahun 2018 [7] . . . . . . . Algoritma untuk metoda pengujian efisiensi [7] . . . . . . . . . . . . Klas efisiensi untuk 4-pole, 50 Hz motor induksi [ABB] . . . . . . . Tingkat ambang motor kelas efisiensi [ABB] . . . . . . . . . . . . . Kompatibiliats standar efisiensi [ABB] . . . . . . . . . . . . . . . . Usia motor dalam populasi 4142 unit motor [17] . . . . . . . . . . . Motor MTBF fungsi dari bearing dan winding . . . . . . . . . . . . Kenaikan temperatur pada kumparan stator untuk klas efisiensi yang berbeda pada motor dengan 7.5 kW, 4-pole: (kiri) pergerakan suhu terhadap waktu pada beban penuh mulai pada suhu dingin; (kanan) suhu seimbang pada percobaan beban 100%, 75%, 50%, . . . . . . Estimasi penguatan pada SCIM untuk klas efisiensi yang berbeda: (kiri) lifetime gain untuk isolasi kumparan pada temp.ruang konstan dan pada rugi-rugi nominal; (tengah) margin temperatur untuk rugi-rugi dan lifetime yang konstan; (kanan) kenaikan loses tambahan (tambahan rugi-rugi nominal) untuk temperatur ruang dan lifetime konstan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Estimasi harapan kenaikan temperatur motor relatif (ref. IE2) . (b) Estimasi harapan output power motor relatif (ref. IE2) . . . . (c) Estimasi harapan lifetime motor relatif (ref. IE2) . . . . . . . . Daftar harga motor[20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Percobaan pada 7.5 kW, 4-pool rugi-rugi total pada beban penuh dan tanpa beban dengan dan tanpa VSD, two level VSI (voltage source inverter), 4-kHz), berdasarkan IEC 60043-2-4 . . . . . . . . . . . . . Kurva percobaan kemampuan speed-torque untuk motor 7.5 kW, 4pole, berpendingin kipas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estimasi pengaruh SF terhadap IE3 motor . . . . . . . . . . . . . . Estimasi perubahan kecepatan (%) ketika merubah klas efisiensi IE2 dari motor induksi ke IE3 dan IE4, untuk motor 4-pole, 50 Hz (asumsi torsi beban konstan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Momen indersia SCIMs pada klas efisiensi yang berbeda . . . . . . Hubungan antara kenaikan rating daya dan rating efisiensi untuk SCIM,4-pole,50Hz untuk masing-masing klas efisiensi . . . . . . . .



2



. . . . . . . .



5 6 9 11 11 12 13 15



. 16



. . . . .



17 18 18 19 19



. 20 . 21 . 22



. 23 . 23 . 24



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



List of Tables 1 2



Tingkat faktor yang mempengaruhi keputusan pembelian [7] . . . . . 7 Data kegagalan SCIM dari berbagai sumber[19] . . . . . . . . . . . . 14



3



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Abstract Motor listrik dan penggeraknya adalah peralatan listrik yang sangat diperlukan dalam industri. Terbukti bahwa sekitar 30%-40% dari total energi global yang dibangkitkan dikonsumsi oleh industri dengan 70% diantaranya di konsumsi oleh motor listrik sebagai peralatan listrik utamanya (mayoritas). Pada saat ini isu efisiensi untuk motor listrik adalah hal yang sangat penting, karena bukan hanya untuk menghemat biaya penggunaan tenaga listrik terhadap kerja motor tetapi juga bermaksud untuk mengurangi emisi gas rumah kaca (emission of greengouse gases). Oleh karena itu, sejumlah negara (seperti: Eropa, Amerika) telah mulai memperhatikan faktor efisiensi terhadap kerja motor (tidak terkecuali dengan Indonesia) yaitu dengan mulai menetapkan standarisasi efisiensi pada aplikasi motor yang digunakan. Saat ini tidak ada metoda tunggal yang digunakan untuk menetapkan standar efisiensi terhadap kerja motor, semua masih dalam tahap pengembangan. Kebijakan peraturan diseluruh dunia sedang diadopsi untuk mempercepat transformasi pasar motor menuju kelas efisiensi Premimium (IE3) dan Super Premium (IE4). Berkaitan dengan penerapan efisiensi motor, isu lain yang juga perlu diperhatikan dalam lingkup industri modern, diantaranya: keandalan motor (reliability), proteksi, perawatan, daya reaktif, kecepatan operasi, torsi awal, dan torsi kecepatan. Pada laporan ini hanya akan dibahas tentang internasional standar efisiensi motor induksi berdasarkan standar International Electrotechnical Commission (IEC) yaitu IEC 60034-30-1 yaitu standar internasional tentang klas efisiensi pada motor induksi dan juga studi tentang keandalan pada pengoperasian dari motor dengan efisisensi tinggi, harapan hidup motor (lifetime) terhadap klas efisiensi yang digunakan, juga dibahas tentang bagaimana pindah klas efisiensi yang lebih tinggi sehingga dapat menghindari untuk berinvestasi ke kelas motor dengan daya yang lebih besar (oversizing).



1



Pendahuluan



Sesuai fungsinya, motor listrik digunakan untuk mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik dan merupakan jantung dari power drive system (PDS) dalam sistem penggerak motor listrik (motor driven systems, MDSs), seperti ditunjukan pada Gambar 1. PDS dapat atau tidak dilengkapi konverter atau variable-speed drive (VSD). Jika MDS tidak memiliki VSD, maka kerja motor akan langsung disuplai energi listrik langsung melalui stop kontak dan selanjutnya akan beroperasi dengan kecepatan tetap. MDSs dapat mengkonsumsi energi listrik hampir sekitar 50% [8]dari total energi yang dibangkitkan, yaitu untuk mengendalikan segala macam aplikasi akhir (jenis



4



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 1: Tipe komponen penggerak motor listrik beban), seperti: pompa, kipas angin, kompresor, ban berjalan, penghancur, penggiling, mixer, mesin sentrifugal, pengepres, elevator, penggiling, pengepakan peralatan, proses industri, dan seterusnya. Lebih dari 90% motor listrik yang terinstal adalah berupa motor induksi tiga fasa (squirrel-cage induction motors, SCIMs). Di industri, SCIMs terkonversi menjadi tenaga mekanik lebih dari 2/3 dari masukan energi listrik [1]-[6]. Gambar 2 menyajian perkiraan pangsa pasar motor listrik tegangan rendah (LV) pada tahun 2018 . Saat ini SCIMs sudah tersedia untuk kelas IE4, selanjutnya fokus pembahasan pada laporan ini adalah tentang klas efisiensi untuk SCIMs. Faktor utama yang mempengaruhi keputusan pembelian motor listrik adalah perbedaan pada OEM (Original Equipment Manufacturers), distributor dan pengguna akhir (end user )(seperti yang ditunjukkan pada Tabel I). Dari tabel I dapat dikatakan bahwa perhatian utama pengguna akhir adalah tentang kualitas produk (product quality)dan kehandalan (reliability), efisiensi energi, dan stok (ketersediaan). Faktor pertama dan ketiga berhubungan langsung terhadap (downtime) dari proses industri, misalnya karena terjadi kegagalan motor. Kualitas layanan dan waktu tunggu mungkin juga terkait dengan motor pengganti dan ketersediaan suku cadang motor, serta layanan perbaikan motor. Keandalan dan efisiensi motor ,oleh karena itu, keduanya sangat penting bagi pengguna akhir. Dalam kontek aplikasi motor induksi, ada sejumlah standarisasi dalam menentukan minimum efficiency performance standards (MEPS). Untuk cakupan yang lebih luas (global), problem utama terhadap penerapan MEPS adalah tidak adanya sinkronisasi (keseragaman) mengenai penilaian terhadap pengukuran standar efisiensi minimum. Dimana perbedaannya adalah dari tingkat efisiensi dan standar motor acuan sebagai cara untuk implementasinya. Berikut adalah sejumlah standar/regulasi yang digunakan untuk menentukan motor efisiensi, yaitu: NEMA & EPAct, NRCan, CEMEP, CPANT, AS/NZS, IEC 60034-2, IEEE 112, CSA 390, etc [9, 10, 11] dan yang lainnya masih dalam persiapan. Masing-masing standar menawarkan metoda yang berbeda untuk menentukan kinerja motor listrik, dan hasilnya berbeda. Bebeapa publikasi internasional menyajikan nilai efisiensi yang berbeda, hal ini menyebabkan



5



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 2: Perkiraan pangsa pasar motor LV global tahun 2018 [7] hambatan bagi pembeli/pedagang untuk membandingkan nilai karakteristik efisiensi tersebut. Standar nilai efisiensi masih terus dikembangkan dan belum berlaku secara global dalam penentuan efisiensi dari motor induksi. Dalam kontek tantangan yand dihadapi pada sektor industri terutama dalam pemanfaatan motor induksi, adalah tanggung jawab pemerintah/organisasi untuk memiliki informasi dan regulasi tentang penerapan faktor efisiensi dan berusahan meningkatkan signifikansi motor induksi dengan efisiensi yang lebih tinggi. Pada laporan ini (untuk penggunaan motor di Indonesia) pembahasan akan difokuskan pada standar efisiensi dengan mengacu pada International Electrotechnical Commission (IEC), yaitu IEC 60034-30-1. Dimana kode ”IE” dinyatakan sebagai ”International Efficiency” dan standar dinyatakan dalam 5 tingkat dari IE, yaitu IE1 sampai IE5 (standar limit efisiensi) [12]. Berdasarkan regulasi yang terbaru yaitu EC 640/2009 dan telah diamandemen pada 2014, dinyatakan bahwa efisiensi motor tidak boleh kurang dari IE3 dan berlaku pada 1 january 2017. Minimum efisiensi IE3 harus diaplikasikan untuk rating daya motor dari 0.75 sampi 375 kW, atau efisiensi IE2 dengan dilengkapi inverter [13]. Dimana sebagai upaya global untuk mengurangi konsumsi energi listrik dan emisi CO2, maka pasar motor listrik saat ini bergerak menuju kelas efisiensi Premium / IE3 dan Super Premium / IE4, terutama di negara-negara berkembang



6



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Table 1: Tingkat faktor yang mempengaruhi keputusan pembelian [7] Key Factors Kualitas produk & Keandalan Harga Kualitas pelayanan Reputasi Merek Efisiensi energi Aturan pemeritnah Stok Legend: – – low; – medium low; 0 medium; +medium high; ++ high



2



OEM Distributor End-user 0 + ++ ++ 0 0 + – ++ 0 ++ + –– 0 + – 0 0 + ++ +



IEC 60034-30-1 Standar efisiensi untuk motors AC tegangan rendah



Standar IEC/EN 60034-30-1 pada klas efisiensi untuk operasi motor AC telah dipublikasikan oleh IEC pada 6 maret 2014. Standar IEC ini berkaitan dengan harmonisasi secara global terhadap klas efisiensi energi untuk motor listrik. Dibandingkan dengan IEC/EN 60034-30:2008, standar baru ini secara signifikan memperluas jangkauan produk yang tercakup dengan masuknya motor 8 pole dan memperkenalkan klas efisiensi baru yaitu IE4 untuk kinerja motor listrik. Semua konstruksi teknis dari motor dikover sepanjang motor tersebut berada pada rating untuk pengoperasian langsung. Dimana standar sebelumnya hanya untuk motor 3 phase, standar baru juga meliputi motor 1 phase termasuk juga motor magnet permanen. Pentingnya menentukan kelas efisiensi energi motor secara signifikan didasarkan pada aplikasi yang telah ditentukan, pengguna dan kondisi pasar dan manajemen energi audit. Dimana motor klas efisiensi yang lebih tinggi memiliki keunggulan ekstra dibandingkan dengan klas efisiensi yang lebih rendah; yaitu mempunyai efisiensi pengoperasian terhadap beban dan faktor daya yang lebih baik, dan keduanya akan memberikan efisiensi rata-rata yang lebih baik [14]



2.1



Klas efisiensi berdasarkan IEC 60034-30-1:2014



Versi terbaru dari metode ini adalah efisiensi dihitung bergantung pada ”penjumlahan rugi-rugi” terpisah untuk motor induksi tiga fasa. Untuk menghitung komponen rugi-rugi: rugi-rugi besi, rugi-rugi windage dan gesekan, rugi-rugi tembaga



7



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



stator dan rotor, dan estimasi kerugian beban tambahan diperhitungkan [12]. Dalam IEC 60034-30-1, klas efisiensi didefinisikan untuk motor induksi adalah : • IE1 (Standard Efficiency) • IE2 (High Efficiency) • IE3 (Premium Efficiency) • IE4 (Super Premium Efficiency) • IE5 (Limit Efficiency)



2.2



IEC 60034-2-1:2014, Metoda perhitungan rugi-rugi dan efisiensi



Pada metoda ini, testing dikelompokan dalam 3 kategori: a) pengukuran langsung; b) back-to-back test; dan c)penentuan rugi-rugi aktual pada mesin dalam kondisi tertentu [12, 15]. Metoda yang digunakan untuk pengujian dilakukan dengan memperhatikan faktor ketidak pastian (uncertainty) [12]. Metoda ini dikenal dengan nama metoda ”summation of separate losses, additional-load loss determined by the method of residual loss” yang diaplikasikan untuk semua motor tiga fasa dengan rating daya output sampai 2mW [12]. Metoda ini mengevaluasi efisiensi melalui penjumlahan sejumlah komponen rugi-rugi, yaitu: rugi besi, rugi angin dan gesekan, rugi tembaga pada stator dan rotor, dan rugi-rugi tambahan pada beban [16]. Pada dasarnya, penentuan efisiensi tergantung pada hasil pengujian berikut: P1 dan P2 (W) yaitu hail pengukuran daya masukan dan keluaran pada masing-masing titik beban dan penjumlahan dari total rugi-rugi PT , Pf e adalah rugi-rugi besi, Pf w (W) adalah rugi-rugi gesekan dan angin, Pc (W) adalah konstanta rugi-rugi, PLL rugi-rugi tambahan dari beban, dan Psθ dan Prθ adalah asing-masing rugi-rugi pada stator dan rotor [12]. Perhitungan konstanta rugi-rugi tergantung pada luaran dari pengujian tanpa beban. Pembagian rugi-rugi kumparan tanpa beban terhadap daya masukan tanpa beban yang diberikan menghasilkan konstanta rugi-rugi yaitu penjumlahan dari rugi-rugi pada gesekan dan rugi-rugi besi. Perhitungan dari variabel rugi-rugi yang mengoreksi rugi-rugi pada rotor dan stator harus diatur oleh kurva pengujian keluaran berbeban. Akhirnya perhitungan rugi-rugi beban tambahan menggunakan sisa kerugian yang berasal dari semua keluaran pengujian dalam analisa regresi kuadrat dari torsi beban. Perhitungan setiap kerugian mengandung beberapa kondisi khusus, terutama kerugian variabel yang dirinci dalam klausa standar. Secara keseluruhan, IEC 60034-2-1:2014 mendefinisikan persamaan efeisiensi dalam



8



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 3: Algoritma untuk metoda pengujian efisiensi [7] (1) yang ditentukan oleh penjumlahan total kerugian pada (2) adalah diberikan sbb. [12]: PT = Pf e + Pf w + Pf θ + Prθ + PLL (1) η=



2.3



P1,θ + PT P1,θ



(2)



Motor apa saja yang tercakup dalam standar IEC/EN 60034-30-1:2014



Standar baru dapat mencakup skop produk yang lebih luas. Rentang daya telah diperluas untuk mencakup motor dari daya 120 W sampai 1000 kW. Semua konstruksi teknik dari motor listrik adalah dicakup sepanjang motor berada dalam rentang untuk beroperasi secara langsung. Cakupan untuk standar baru meliputi: • Motor dengan kecepatan tunggal ( satu dan tiga fase ), frekuensi 50, 60 Hz;



9



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



• Jumlah kutub: 2,4,6 dan 8; • Cakupan keluaran dari 0,12 kW sampai 1000 kW; • Tegangan terukur diatas 50 V sampai 1 kV; • Motor dapat beroperasi terus menerus pada rating dayanya dengan kenaikan suhu berada dalam klas temperatur isolasi yang ditentukan; • Motor, ditandai dengan suhu ruang (ambient) dalam kisaran temperatur −20 o C sampai +60 o C; • Motor ditandai dengan ketinggian sampai 4000 m diatas permukaan laut IEC/EN 60034-30-1 tidak diterapkan untuk motor sbb: • Motor kecepatan tungggal dengan 10 pole atau lebih atau motor dengan multi kecepatan; • Motor yang benar-benar terintegrasi dalam mesin (misal: pompa, kipas angin atau kompresor) yang tidak dapat diuji secara terpisah dari mesin; • Motor pengereman (brake motor ), bila rem tidak bisa dibongkar atau disuplai dari sumber yang berbeda Gambar 4 adalah lebih detil tentang kurva efisiensi terhadap daya motor 4 pole dan frekuensi 50 Hz untuk masing-masing klas efisiensi berdasarkan IEC 60034-30-1. Klas efisiensi E5 dipertimbangkan untuk revisi kedepan, dengan tujuan selanjutnya untuk mengurangi kerugian sekitar 20% relatif terhadap IE4. Tingkat efisiensi motor berdasarkan IEC 60034-30-1 didasarkan pada metoda pengujian dengan memperhatikan faktor ketidak pastian sistem minimum berdasarkan pada IEC 60034-2-1:2014. Gambar 4 adalah tabel klas efisiensi yang didefinisikan dalam IEC/EN 60034-30-1:2014 dan IEC 60034-2-1:2014 untuk motor dengan 2,4,6 dan 8 kutub (pole) dengan daya antara 0.12 dan 1000 kW dengan frekuensi 50 Hz. Dokumentasi pabrikan harus menunjukkan bagaimana nilai efisiensi ditentukan. Nilai efisiensi hanya bisa dibandingkan jika mereka menggunkan metoda pengujian yang sama, misal metoda pengujian berdasar IEC 60034-2-1. Nilai efisiensi terendah bersamaan dengan kode IE (IE-code) ditampilkan pada rating plat motor.



2.4



Kompatibilitas IEC 60034-30-1 dengan standar efisiensi lain



Ketidak sinkoran berbagai standar efisiensi untuk motor masih terjadi. IEC standar melakukan penyelarasan global (masih berlangsung) terhadap sejumlah standar



10



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 4: Klas efisiensi untuk 4-pole, 50 Hz motor induksi [ABB]



Figure 5: Tingkat ambang motor kelas efisiensi [ABB]



11



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 6: Kompatibiliats standar efisiensi [ABB] efisiensi yang saat ini berbeda, sehingga membuat perbandingan menjadi lebih mudah. Gambar 6 adalah gambar tabel yang menunjukkan perbandingan kasar antara IEC 60034-30-1 dengan skema MEPS. IEC haya mendefinisikan persyaratan untuk klas efisiensi dan bertujuan untuk menciptakan dasar secara internasional, tidak menentukan motor mana harus diberikan tingkat efisiensi. Hal ini masih membiarkan (menghormati) aturan masing-masing negara. Masing-masing negara disarankan untuk menerapkan tingkat efisiensi minimum yang kompetibel sebagai cara untuk meyakinan tersedianya motor yang paling efisien bagi pengguna.



3



Studi Keandalan (Reliability) dan Lifetime Motor berdasarkan Klas Efisiensi



Pada bagian ini fokus pembahasan adalah pada dua komponen utama motor, yaitu: bearing dan winding. Diasumsikan bahwa motor squirrel-cage induction motors (SCIMs) tiga fase memiliki lifetime keseluruhan dalam rentang 12-20 tahun, dan motor tersebut dapat di ”rewinding” dua sampai empat kali selama perioda tersebut (untuk negara berkembang), tergantung pada kondisi operasi dan rating dayanya [1, 2]. Pada kondisi nyata, sebuah studi telah menyatakan bahwa dalam industri modern, mungkin ada sejumlah motor besar dalam usia tua masih dapat beroperasi



12



A Review on Energy Efficiency of Induction Motor



Nanang Rohadi



Figure 7: Usia motor dalam populasi 4142 unit motor [17] melebihi batas lifetime-nya (lebih dari 20 tahun), seperti ditunjukkan pada gambar 7. Setelah melebihi batas siklus hidupnya, maka motor biasanya dikirim ketempat barang rongsokan untuk didaur ulang. Statistik menunjukkan bahwa ”downtime” tahunan sekitar 0.5% – 4% diharapkan pada motor listrik [18]. Frekuensi kerusakan motor berbeda-beda tergantung pada kondisi spesifik operasinya. Sebagian besar kerusakan terjadi karena beban lebih (overload). Kegagalan pada isolasi lilitan stator, sehingga menyebabkan gangguan hubung singkat ke tanah (phase to ground fault), yang bisa diakibatkan karena kelebihan tegangan (over voltage) atau karena kontaminasi, misal: kelembaban minyak, lemak, debu, atau bahan kimia liannya [18]. Oleh karena itu pemilihan motor yang benar untuk setiap aplikasi, pemasangan yang benar, perawatan rutin, dan peralatan proteksi motor yang memadai merupakan poin penting untuk memperhitungan operasi motor bebas dari gangguan. Aturan umum yang berlaku dinegara maju, SCIM dengan daya kecil (