aplikasi motor DC untuk elektrik propulsion BAB VIII APLIKASI MOTOR DC UNTUK ELEKTRIK PROPULSION
Pendahuluan Materi pada bab ini menjelaskan tentang aplikasi penggunaan motor DC untuk elektric propulsion dimana disini dibahas tentang karakteristik pembebanan yang harus dimiliki oleh motor DC untuk dapat menggerakkan kapal, peralatan-peralatan apa saja yang diperlukan untuk mendukung motor DC dapat berfungsi sebagai kapal. Selain itu juga menjelaskan tentang tipe-tipe kapal yang menggunakan sistem ini.
Motor DC sebagai Penggerak Kapal Motor listrik DC yang digunakan sebagai tenaga penggerak utama, biasanya digunakan pada kapal-kapal dengan kemampuan manuver yang tinggi, kapal khusus, kapal dengan daya tampung muatan yang besar, dan kapal yang menggunakan penggerak mula non-reversible. Perkembangan prime mover untuk penggerak utama di kapal mengalami perkembangan yang sangat pesat sejak ditemukannya uap oleh J. Watt, mesin diesel oleh Rudolf Diesel serta turbin gas oleh Brayton. Pada tahun-tahun awal berbagai penemuan mengenai ketiga prime mover hanya berkisar pada penyempurnaan sistem kerja. Dan pada dewasa ini berbagai perkembangan menjurus pada penggunaan emisi gas buang. Pada mesin diesel pengaturan putaran dan pembalikan putaran sangat dimungkinkan. Tetapi pada proses pembalikan putaran pada mesin diesel membutuhkan waktu yang relatif lebih lama jika ditinjau mulai dari putaran normal. Untuk turbin uap dan turbin gas pengaturan putaran mempunyai range yang sangat sempit dari putaran normal. Dan untuk membalikkan putaran pada kedua jenis prime mover tersebut sangatlah tidak mungkin. Berdasarkan pada fakta diatas maka para engineer mengembangkan sistem yang merupakan gabungan dari ketiga prime mover tersebut dengan motor listrik yang selanjutnya disebut dengan Electric Propulsion. Pada sistem electric propulsion, ketiga prime mover menggerakkan generator dan selanjutnya generator mensuplai listrik yang digunakan untuk memutar motor listrik. Jenis motor listrik yang digunakan disesuaikan dengan type atau fungsi kapal tersebut dalam eksplotasinya. Pada umumnya kapal yang mempunyai kegunaan khusus yang menggunakan motor DC dan untuk kapal niaga yang berorientasi profit pada umumnya menggunakan motor AC. Misalnya untuk kapal pemecah es (ice breaker) menggunakan motor DC dalam hal ini dikarenakan torsi yang diperlukan propeller sangat besar. Sebagai contoh kapal pemecah es “SHIRASE” yang berbobot mati (dead weight) 19.000 ton menggunakan 6 buah motor DC (3 propeller) yang digerakkan oleh 6 motor diesel (6x 3.680 Kw) dengan tegangan 715 V pada putaran 120/165 rpm (tachibana dkk, 1985).
Selain kapal type ice breaker, kapal yang menggunakan prime mover motor DC adalah kapal oceanographic (Agor 23, Maruta Jaya 900) dan cable ship (Global Link dan Sentinel) serta kapal keruk/dredger (Hurley). Sedangkan untuk kapal yang tidak memerlukan torsi yang besar dalam eksploitasinya menggunakan motor AC yakni pada type kapal-freight carriers, car carrier dan Yacths (Osbourne, 1944). Propulsi motor AC juga digunakan pada kapal type Cruiser (Crystal Harmony). Tetapi pada masalah-masalah tertentu misalnya kapal pariwisata dengan menggunakan sumber energi alternatif tenaga surya lebih simple jika menggunakan motor listrik DC sebagai penggerak (Hadi, 1998). Pada sistem electric propulsion baik dengan motor AC maupun DC perlu memperhatikan hal-hal yang berhubungan dengan motor listrik antara lain arus awal, metode pengaturan kecepatan, metode pembalikan putaran dan lain-lain. Sistem propulsi motor listrik mempunyai banyak keuntungan utama dibandingkan sistem propulsi lain. Keuntungan sistem ini adalah investasi awal yang tidak terlalu besar, menghemat tempat, lebih ringan dan sedikit kehilangan power pada sistem transmisi dibandingkan dengan sistem propulsi tipe lain. Hubungan elektrik antara generator dan motor propulsi lebih leluasa dalam penempatan peralatan dalam ruangan jika dibandingkan dengan sistem propulsi yang lain. Selain itu dapat menggunakan berbagai penggerak utama seperti diesel, turbin gas, turbin uap, dan hasil keluarannya dapat lebih mudah digabung dibandingkan dengan sistem mekanik. Untuk tipe penggerak mula tidak langsung, penggerak elektrik mempunyai keuntungan dapat membalikkan putaran propeller dengan relatif lebih mudah kontrolnya. Dalam beberapa kasus yang masih dalam tahap pengembangan, power yang dibutuhkan oleh propeller dengan menggunakan beberapa penggerak mula dengan tipe medium dan high speed, sistem penggerak elektrik mampu memecahkan persoalan ini tanpa menggunakan kopling mekanik. Dalam pengontrolan putaran propeller dan arah putaran, sistem elektrik propulsion mempunyai gambaran yang lebih atraktif, hal ini berkaitan dengan letak remote ataupun kontrolnya dapat dilakukan secara manual atau dengan bantuan propeller. Sistem penggerak elektrik dalam aplikasinya mempunyai kemudahan dalam hal kontrol, fleksibilitas rencana umum dan dapat menggunakan bermacam-macam penggerak mula untuk generatornya. Secara umum propulsi elektrik digunakan pada tipe-tipe kapal sebagai berikut : 1. Kapal dengan tingkat manuver tinggi. Pada kondisi ini perubahan kecepatan dan arah putaran propeller menjadi suatu hal yang sangat penting dalam operasi kapal. Untuk kapal-kapal ini digunakan motor DC, sebab motor DC dapat memberikan kontrol kecepatan dan arah putaran yang lebih bagus dibandingkan dengan pengerak yang lain. 1. Kapal dengan tujuan khusus. Yang tergolong dalam tipe ini misalnya kapal pemadam kebakaran, kapal keruk, kapal pengeboran, kapal untuk pengisi bahan bakar. Dalam operasinya kapal ini membutuhkan power yang besar untuk pompa dan kargo dibandingkan dengan power propulsi. Dengan menggunakan sistem electric propulsion dapat menghemat biaya dari total power yang terpasang. 1. Kapal dengan daya tampung penumpang yang besar.
Pada tipe ini semua kebutuhan listrik kapal untuk keperluan operasional, penumpang dan untuk power propulsinya dapat menggunakan beberapa diesel generator untuk menghemat rata-rata pemakaian bahan bakar. 1. Kapal-kapal berpenggerak mula non-riversible. Kapal ini umumnya menggunakan turbin gas, turbin uap dan diesel putaran tinggi yang dalam penggunaannya tidak mungkin membalikkan putarannya dengan cepat. Dengan menggunakan propulsi elektrik pengaturan dan pembalikan putaran dapat dilakukan dengan lebih mudah.
Sistem Perlengkapan untuk Electric Propulsion Motor DC Pada prinsipnya motor listrik dapat berfungsi sebagai motor maupun sebagai generator, dimana perbedaannya hanya terletak pada konversi dayanya. Generator merupakan suatu mesin listrik yang mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Sedangkan motor mengubah daya lsitrik menjadi daya mekanik. Maka dengan membalikkan generator searah, dimana sekarang tegangan Vt menjadi sumber dan tegangan jangkar Ea merupakan ggl lawan. Mesin arus searah ini akan berlaku sebagai motor. Oleh karena itu hubungan antara tegangan Vt dan Ea dapat dituliskan sebagai berikut : Ea = Vt – Ia.Ra
Penggunaan komponen-komponen semi konduktor daya seperti SCR (Silicone Controled Rectifier), GTO (Gate Turn of Thyristor) dan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) membawa banyak keuntungan khususnya dalam pengaturan yang halus (kontinyu), kerugian yang kecil dan pemeliharaan yang lebih sederhana. Pengaturan tegangan dapat berupa transformator dengan arus yang dipasang pada masukan penyearah maupun pada keluaran penyearah
Karakteristik Sistem Propulsi Motor Listrik DC Sistem pembangkit listrik DC biasanya terdiri darai beberapa generator putaran tinggi atau menengah yang dirangkai secara paralel. Pemilihan ukuran mesin berdasarkan pada tingkat operasi yang memungkinkan beberapa unit beroperasi tidak melebihi dari total daya yang dihasilkan. Untuk memperoleh daya yang optimal, generator biasanya dipilih generator pada dua putaran yang berbeda. Arus listrik yang dihasilkan generator dihubungkan dengan terminal utama melalui rangkaian penghubung. Rangkaian penghubung ini dimaksudkan untuk menghubungkan dan memutuskaan arus pada saat terjadi over load dan hubungan singkat. Sering kali sebuah sistem terminal rangkaian dibuat untuk memenuhi kebutuhan daya pada kapal yang diambil pada terminal yang sama melalui transformer atau motor generator. Karena unggul dalam ukuran, berat dan biaya, generator set 600 Volt lebih disenangi untuk sistem yang berukuran kecil dan sedang. Tetapi ketika generator rating melebihi 3300 kVA, seperti yang terjadi pada medium speed engine beban penuh atau
dapat diatasi oleh 600 Volt circuit breakers. Pada kasus tegangan tinggi (4160 V) semua sistem menggunakan transformer untuk menurunkan tegangan, biasanya hingga 600 V untuk mesin penggerak 500 Hp. Untuk motor 1000 Hp, jenis konverter yang sering digunakan adalah konverter 6 pulsa. Konverter 6 pulsa digunakan untuk mengatur bow thruster dan motor DC untuk propulsi utama. Pada kasus ini generator dirangkai secara paralel pada bus 600 V yang juga mensuplai tegangan 480 V dengan transformer step down. Setiap 3 konverter daya 6 pulsa dihubungkan secara langsung ke bus 600 V untuk mengurangi penambahan jarak dan berat dengan transformer. Motor dengan HP tinggi dan motor khusus disuplai dengan arus DC dari konverter 12 pulsa atau lebih. Pemilihan ini biasanya berdasarkan pada faktor ekonomi, dimana aliran 12 pulsa hanya cocok pada sistem yang besar sejak dibuat transformer 12 pulsa. Pemilihan tegangan untuk motor jangkar DC dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu : 1. Tegangan yang dihasilkan motor maksimum 1000 V. Batasan ini untuk mesin DC dioperasikan dengan memperhatikan akibat getaran, rawan basah dan manuvering yang semuanya diatur oleh IEEE Committe On Marine Transportation. 2. Untuk beban sistem dengan power konverter dihubungkan langsung ke bus tanpa menuju ke transformer. Tegangan DC yang dihasilkan menggunakan standar 600 V line to line, umumnya tegangan 750 V dengan perbandingan 1 : 1,25.
Jika transformator diletakkan diantara konverter dan sumber tegangan. Ratio tegangan transformer ditentukan dengan menambah atau mengurangi tegangan jangkar. Berdasarkan jumlah lilitan transformer, tegangan yang mungkin dihasilkan antara 750 V sampai 1000 V. Untuk transmisi dan daya lainnya, penurunan tegangan sebanding dengan arus yang dihasilkan dan peningkatan arus membutuhkan komutator yang besar dan kabel yang besar. Juga berhubungan dengan biaya, kebutuhan ruang dan berat sistem, sehingga kapasitas yang diberikan sangat kecil dibandingkan power konverter yang dihubungkan langsung ke terminal AC. Arus jangkar yang dialirkan oleh kabel DC adalah hasil data pabrik atau data perhitungan. Jika itu diperhitungkan untuk menghitung arus motor, SHP motor yang biasa digunakan adalah sekitar 50 HP. Arus jangkar yang dihitung dikonversi dalam Kw dan dibagi tegangan DC dan efisiensi motor. Sebagian besar dari efisiensi motor DC sekitar 92 % – 96 % dengan direct drive. Mesin kecepatan rendah memberikan efisiensi yang kecil dan putaran mesin 400 sampai 900 rpm. Untuk membalik arah putaran motor DC yang biasanya dilakukan pada propeller jenis Fixed Pitch, ada dua pendekatan yang mungkin digunakan. Pertama adalah membalik arah aliran arus pada medan motor. Metode yang kedua adalah merubah arah arus jangkarnya. Sistem penggerak elektrik DC sering kali dilengkapi dengan pengatur medan shunt yang menjaga motor beroperasi pada daya konstan. Secara mekanik digambarkan sebagai pengaturan ratio reduction gear sehingga memungkinkan mesin utama beroperasi dengan kecepatan putaran propeller yang berubah-ubah. Pada kapal-kapal besar daya torsi diperkirakan 70 % dari rpm putaran propeller.
Sistem DC telah digunakan secara luas pada instalasi. Kebanyakan sistem DC dipakai pada beberapa mesin diesel kecepatan tinggi bersama dengan generator AC yang dihubungkan ke terminal daya konverter statis dimana AC diubah menjadi DC dan menghasilkan daya untuk menjalankan motor DC guna memutar shaft propeller. Motor listrik dibuat dengan satu atau dua dinamo pada shaft, umumnya ditahan oleh dua bantalan. Didasarkan pada standar biaya yang minimum dan berat yang ringan, motor dengan satu dinamo lebih disukai. Perencanaan lain yang mungkin digunakan akibat terbatasnya ruangan dan berat pada sebuah motor kecepatan tinggi adalah menghubungkan shaft propeller dengan reduction gear. Motor DC yang menggunakan reduction gear sering kali dilengkapi sistem pelumasan gemuk untuk menghindari pergeseran bantalan. Pada pemakaian motor propulsi berukuran kecil selalu dilengkapi dengan thrust bearing yang dipasang pada bagian belakang motor tersebut. Bila motor memakai gear, thrust bearing biasa dipasang pada reduction gear. Untuk motor DC berukuran besar, thrust bearing dipasang pada bagian depan terpisah dari motor. Thrust bearing dan motor bearing memiliki minyak pelumas yang termasuk dalam sistem pelumasan. Motor propulsi DC yang lebih kecil biasanya ditempatkan terpisah dengan blower yang digerakkan oleh motor AC untuk mensirkulasi udara pada ruang mesin. Karena blower harus dioperasikan kapan saja maka kebutuhan starter motor AC kecil untuk blower dan dikontrol dari power konverter. Pada instalasi yang lebih besar dimana kehilangan kehilangan panas perlu dipertimbangkan pada jarak tertentu, motor dipasang dengan suatu sistem ventilasi, dimana blower digerakkan oleh motor AC yang mengalirkan udara untuk pendinginan.
Matching Electrical Propulsion Motor DC Untuk matching antara motor DC sebagai tenaga penggerak propeller terlebih dahulu kita harus mengetahui karakteristik dari masing-masing jenis motor DC. Karakteristik motor DC, kemudian dituangkan dalam bentuk grafik yang menyatakan hubungan antara power dan speed (rpm) dari motor-motor tersebut. Hubungan antara power dan putaran pada motor DC seri, shunt, dan perbandingan antara motor DC seri, shunt, compound pendek dan compound panjang dapat dilihat pada grafik dibawah ini.
Karakteristik Beban Untuk mendapatkan karakteristik beban tentunya kita harus mengetahui besar tahanan dari kapal tersebut. Tahanan kapal dapat dihitung dengan menggunakan rumus-rumus pendekatan yang telah ada misalnya dengan metode Holtrop, Harvald, Taylor, Lapkeller, dan lain-lain atau dengan menggunakan CFD. Setelah mengetahui besar tahanan kapal tersebut, kemudian kita menentukan power yang diperlukan dengan rumus pendekatan untuk mengatahui efisiensi dari propeller, serta mengetahui putaran (rpm) dari propeller dibandingkan dengan power yang disalurkan dengan menggunakan grafik hasil open water test.
Matching Electrical Drive
Pada tahap ini kita menggabungkan dua kontur grafik yang ada, yaitu grafik karakteristik penggerak mula yang dalam hal ini motor listrik DC dengan grafik karakteristik dari propeller yang digunakan. Dari hasil ploting grafik tersebut kita dapat mengetahui mengapa pada kapal-kapal pemecah es yang mempunyai kecepatan 2-5 knot dengan kemampuan memecahkan es secara kontinyu selalu menggunakan motor DC sebagai sumber penggerak utama untuk propellernya (Tachibana, 1985).
Reference: 1. Adji, Suryo Widodo; [1995]; “Evaluasi Teknis Sistem Propulsi Motor Sailing Boat Maruta Jaya 900”; Laporan Penelitian TSP-FTK ITS; Surabaya.
1. Berahim, Hamzah Ir.; [1991]; “Pengantar Teknik Tenaga Listrik”; Andi Offset; Yogyakarta.
1. Hadi, E. Sasmito; [1998]; “Penggunaan Energi Surya Sebagai Sumber Alternatif Penggerak Kapal”; skripsi FTP-UNPATTI; Ambon.
1. Tachibana, Y. dkk; [1985]; “Diesel Electric Propulsion System of Ice Breaker ‘SHIRASE’ “; Jurnal on Bulletin of The M.E.S.J. Vol. 13 No. 1; Jepang.
1. Zuhal; [1991]; “Dasar Tenaga Listrik”; Penerbit ITB; Bandung.
