Laporan Penelitian
Pengaruh Jenis Aktuator terhadap Respon Sistem Pengatur Governor-Servohidraulik. pada Turbin . Air..: .
y.,8,-5.r
% . - - - ~ r - ~ . 7u . r 7 ? c + q ? ~ . . , 3; ,.< L,! : ,! I. :.!!.,<,,
-,.-.,,-c:
: ? -
:. , . .-
.
,
:.
. $'k~u : , ~ < N ( , ~ P L . ~ . I J.tfi\$ 1.. -----,-./-tT P P , , ~ - E ~ I N D A - P. FP' Pi/! . L!L?~J>:-Z:!
. ,.
19 h,;\,i~r :-1 .. Apt ~ E ~
.
.
.
.
.
.
C
I
J
Waskito
7
.. .
.
. .
. . .....
; I
-----.?a.
--
_ I ~ ~ L I I. . ~.- _A_~. I
- -i J * k j . j , ~ . , / (~k~ ,~/ 2 ~ .5. . ,... _. ...--.5 -,..~.-(... . - - .. - - .--,.- :. - --.-.----. .; . . ... .. I. \I, :.. 2.;,.;!-,; *
. q -!. r
O]eh:1,3 .,. ,." .L > .,,.
,.
5
.
.
/ , ,_
..
.,
'
1.
i
/
i
:.'!ic:2 .:A .=. ,.--- ..,. : ;! / - d .:. -. 7'
:',, 2.
;:
..
:
. ..,;.;...
. . .; .>
,B
.I,..:.
\
, + \
, . .,
,..
;
..,
.." :?
.;. >.,----'..-
.>
, ''.
-
..:(
!j-
_
'-D r.< ,, ~ ;!p- f l : , ----~.. ~ &n.?.~ .. ..: .-..z- --. -...-* rgjp:". ja; 5sa&,. 5 -
'L'\
7
~
,.& ";' .
Penelitian ini dibiayai oleh: Dana DIWDIKS U!liversitas Negeri Padang Tahun Anggaran 1999 Surat Perjanjian Pelaksanaau Penelitinn Nolllor : 2751/K12/KU/Rutill/l999 Tanzgal 9 Agiistus 1999
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI PADANG TAHUN 2005
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
Turbin air adalah suatu sistem peralatan yang mengubah energi potensial air menjadi energi rnekanik putaran. Dari energi mekanik putaran yang dihasilkan itu dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Salah satu kegunaan yang paling ,
banyak diterapkan adalah ineinbangkitkan energi listrik, yaitu dengan cara menghubungkan poros turbin ke generator listrik. Pada akhirnya energi listrik itu dimanfaatkan untuk keperluan manusia seperti penerangan, alat-alat elektronik,
..
perindustrian, dan sebag$nya. Sistem pembangkit energi listrik menggunakan turbiil air-generator sangat efektif diterapkan di daerah yang belum mendapat pelayanan listrik PLN, tetapi mempunyai sumber air yang cukup potensial untuk dikonversikan energinya. Daerah-daerah seperti itu cukup banyak d i Sumatera Barat terutama daerah yang topografinya terdapat dataran tinggi dan rendah. Dengan demikian peluang kontribusi turbin air-generator sebagai penghasil energi listrik untuk rnembantu inasyarakat Sumatera Barat sangat besar. .
-
-
Uliuran dan jenis turbin air dapat diatur sedenlikian rupa sesuai dengall karakteristik potensial air yang ada. Penenlpatan suatu jenis turbin yang tidak
sesuai dengan karakteristik potensial sumber air nlengakibatkan sistem menjadi tidak efisien.
B. Identifikasi Masalah Sejauh ini alat-alat Listrik seperti lampu, alat-alat rumah-tangga, dan alat-alat lainnya j.ang menggunak-an energi listrik, akan beroperasi normal apabila voltase listrik yang dikonsumsinya relatif konstan. Padahal sistem pembangkit listrik turbin air-generator sangat sensitif terhadap penlakaian daya ole11 konsumen. Pemakaian daya yang tidak konstan mengakibatkan perubahan beban pada generator sehingga mengganggu putaran turbin ~ralaupundebit air yang jatuh pada turbin konstan. Akibatnya voltase yang didasilkan generator akan berkurang atau bertambah. Hal seperti ini akan mengganggu peralatan yang memanfaatkan listrik.
C . Perurnusan M'asalah
.-
Untuk keamanan dan kenyamanan penlakai listrik, sebailulya voltase harus konstan. Kondisi seperti ini hanya dapat tercapai bila pada turbin air dipasang pengendali yang dapat mengatur putaran selingga voltase yang keluar dari turbin konstan. Pada penelitian yang sudah dilakukan (Dadang, 1999) respons antara kelebihan
putaran
dengan kekurangan
putasan
berbeda. Padahal
untuk
keseimbangan pembebanan mekanik terhadap komponen-ltomponen pengendali sebaiknya respons antara dua kondisi itu adalah sama.
Penelitian ini n~encgba nlenggunakan pengendali governor-servohidraulik ~ m t u kmengatur putaran poros turbin agar tetap konstan
pada putaran yang
ditentukan. Jellis aktuator yang aka11 digunakan adalah jellis aktuator kerja dua arah diameter seragam. De~lgan penlakaian aktuator jenis ini aka11 dilihat bagaimana respons pengendali ketika kelebihan d a d atau kekurangan putaran.
D. Asumsi-Asumsi Dalanl ~nelakukan peilelitian ini dan analisis akan banyak berhubungan dengan sistem mekanik dan hidraulik. Ole11 karena itu agar analisis dapat
-
dilakukan diperlukan asthsi-asumsi sebagai berikut:
3
Ballan baja dianggap homogen sehingga jilta ada dua kon~ponenyang bahan dan ukurannya sarna, maka beratnya akan sama pula. Jika komponen ini dipasang sebagai komponen yang sepasang dan penlasangan konsentris, maka geometrisnya simetris.
ifa at
fisik dan rnekanik ballan yang sudah
umum dan disediakan oleh produsen diterima sebagai nilai yang benar. 3
Pada sistem mekanik, benda tidak mengalami deformasi.
3
Pada sistem hidraulik, medium oli adalah zat yang tak lnampu mampat .. (incon~ressible)
BAB I1
THNJAUAN PUSTAKA
A. Sistem Kontrol Lup Tel-tutup (Closet1 Loop Colzti-01Systeltz) Sistem kontrol lup tertutup adalah sistenl kontrol yang keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan (Ogata, 1993). Pada sistem lup tertutup sistem menggunakan umpan balik untuk n~elnperkecil kesalahan sistem. ~ e c a r asederhana sistem kontrol lup tertutup digambarkan dengan blok diagram seperti pada gambar 2.1
1 Gangguan Masukan
-I-
7 Pengarur '
4
1
I
I
Alat Ukur
Plant atau Proses
I I
K ~liia ra~ LL"ALALAA u.
r
4
Gambar 2.1 Sistem Kontrol Lup Tertutup Dari gambar 2.1 dapat dinyatakan bahwa, sistem kontrol lup tertutup adalah sistenl yang bekerja secara otomatis. Alat ukur selalu membaca llasil keluaran. Apabila keluaran belum sesyai dengan ynng diingillkan, alat ultur memberi sinyal kepada pengatur, dan pengatus memberikan aksi terhadap illasukan lalu diproses lagi, dan seterusnya sampai keluaran memenuhi kriteria yang diingi~dcan.
Pada kenyataannya, kerumitan sistem kontrol lup tetutup tergantung dari sistem yang akan dikontrol. Semaltin rurllit sistem yang aIt:~ndilcontrol, nlalta alat ukur dan pengatur yang digunakan akan senlakin I-uinit pula, begitu pula sebaliknya. Berdasarkan cara kerjanya alat ukur dan pengatur dapat dikelompokkan atas dua kelompok, : 1) sisteill mekanik; dan 2) siste~nelektrik. Sistem lnekanik umumnya
menggunakan komponen relitif besar sehingga lnemerlukan ruang yailg relatif besar, tetapi relatih mudah dalam sistem peratwatannya. Sedangkan sistem elektrik, komponennya relatif kecil, sehingga memerlukan 1-uang relatif kecil, tetapi lebih sulit dalam perawatannya. Dengan perkembangan teknologi komputer, sistem elektrik lebih banyak dikembangkan, karena lebill praktis dan lebih akurat dalam aksi pengaturannya.
B. Respon Sistem
..
Ogata (1 993) mengatakan, sistem yang lnempunyai komponen penyiinpan energi
tidak dapat merespon secara seketika dan altan rnenunjukkan respon transien jika dikenai masukan tangga atau gangguan. Respon transien sistem kontrol, praktis -
sering lnenunjukkan osilasi teredam sebelum mencapai keadaan tunak (steady stare). Umulnnya respon transien suatu sistem dinyatakan dalanl bentuk masukan tangga satuan. Apabila respon tei-hadap
I I I ~ S I I ~ ~tangga II
satuan diketahui, maka secara
inatelnatis dapat dihitung respon terhadap setiap ~nasukan. Karakteristik respon transien dapat dinyatakan ~nelaluiparanleter sebagai berikut: 1) waktu tunda (td), 2) waktu naik (tr), 3) waktu puncnk (tp), 4) lewatan maksimun
5
'
(Mp), dan 4) waktu penetapan (ts). peredaman sistem. Gambar
Bentuk kunra respon tergantung dari faktor
2.2 nlenunjukkan kurva respon pada beban impulsa
satuan untuk berbagai faktor peredaman. Jika faktor perednman antara 0 s/d 1, respon sistem akan memiliki lewatan, tetapi jika faktor peredaman
> 1, respon tidak
nlemiliki lelvatan.
Kurva Respon lmpulsa Satuan I
!
-
Waktu (t)
Gambar 2.2 Kurva Respon Impulsa Satuan pada Berbagai faktor Peredaman
Respon masukan illlpulsa dapat dinyataka~isebagai turunan dari respon masukar~ tangga. Perbandingan respon dengan masukan tangga dan masulcan satuan impulsa sebagaimana dinyatakaxl oleh Belljamin (1992) digambarkan pada gambar 2.3.
/
Respon dengan Zero
Waktu ( t )
Galnbar 2.3 Respon Masukan Tangga dan Impulsa
C . Pengaturan pada Turbin Air Daya yang dihasilkan oleh turbin air sangat dipengaruhi oleh tigal hal, yaitu; 1) debit, 2) head air, dan 3) kondisi beban. Debit yang besar clan head yang tinggi
akan lnenghasilkan daya yang besar, sebaliknya debit yang kecil dan head rang rendall akan menghasilkan daya yang kecil. Selain itu daya yangkeluar dari turbin akan berbeda pula walaupun debit dan head tetrap, jika kondisi tuirbin dalam keadaan berbeban atau tidak berbeban. Sebab daya yang keluar dari turbin berbanding langsung dengcin putaran poros turbin. Pada saat beban besar, putaran poros turbin aka11berkurang dan akai~bel-tambah jika beban berberkurang. Ketika keadaan bebali besar, maka voltase yang dihasilkan akan berkurang pula, sebaliknya jika beban berkurang, voltasc altan naik akibat bertambahnya putaran. Bahkan pada kondisi turbin tiba-tiba tidak berbeban, akan dapat terjadi yufal-nl2 liar.dari turbin.
Dua jenis
keadaan
itu
tidak
diingillkan,
karena
dapat
nlelllbuat
ketidaknyamanan penlakai dan kerusakan konlponen-kompone elektronik yang menggunakan energi listrik dari sistem turbin tersebut. Keadaan yang diinginkan adalah putaran poros tuirbin harus tetap pada putaran yang telah ditentukan dalaln keadaan kondisi beban telap atau terjadi perubahai~beban. Untuk suatu sistem turbin, biasanya head selalu tetap, tetapi debit dapat berubah-ubah. Besar-kecilnya debit diatur oleh katup pengatur debit. Pengaturan katup, ini dapat dilakukan secara manual dan dapat juga dilakukan secara otomatis. Kedua cara itu sama-sama menggunakan prinsip umpan balik feedback sysrenl). Perbedaawya terletak pada pengendali, pada cara manual pengendalinya adalah manusia, sedangkan cara otomatis pengendalinya adalah sejenis peralatan (pada penelitian ini disebut governor-servohidraulik). Jika sistem turbin melayani konsumen yang peillakaim eliergi listriknya berubah-ubah, maka sistern otomatis merupakan pilihan yang efektif dan efisien. Karena setiap p'erubahan beban yang mengakibatkan perubahan putaran langsung ditanggapi ole11 pengendali yang selalu. siap me~lgelllbalikanputaran poros turbin ke putaran normalnya. Apabila pekerjaan itu dilakukan oleh manusia, tentu sangat merepotkan, karena harus harus ada orang yang selalu siap mengatur posisi katup. Secara diagramatis; pengendali governor-servol~idraulik dapat digambarlcan seperti pada ganlbar 2.4
-
Y
>
Turbin
Air dari
Gambar 2.4 Pengendali Governor Se~~~ohidraulik
Cara kerja pengendali governor servohidraulik seperti pada gambar 2.4 dapat dijelaskan sebagai berikut: Dengall berputarnya poros turbin, maka governor juga aka11 berputar. Pada pubran normal yang telah ditentukan (dapat di set up), posisi lengan bandul akan tetap pada jari-jari putarannya, begitu pula posisi aktuator akan diam. Jika terjadi perubahan putaran - akibat perubahan beban, posisi lengan bandul berubah. Karena -
governor ini dihubungkan oleh selongsong, maka posisi selongsollg akan berubah pula. Padahal selongsong dihubungkan ke aktuator hidraulik, akibatnya aktuator akan bergerak. Pergerakan aktuator pang dil~ubungkandengan katup pengatur debit air di turbin mengakibatknn katup akan diatur (membesarkan atau mengecilkan saluran) sampai putarnn ltembali ilorn~alke putaran yang telah di tentukan.
..
Ditinjau dari konstruksi pengendalinya, maka terdapat dua bagian utama, yaitu: 1) governor, dan 2) aktuator hidraulik. -
1. Governor Konstruksi governor yang akan digunakan adalah tipe Hartnel dan dapat digambarkan secara diagramatis pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Skematis Governor Sebagaimana dijelaskan Raven (1987), dengan berputarnya governor, maka terdapat gaya efek berupa gaya, inertia (sentrifuga1)'yang besarnya:
dimana : m adalah massa bandul, R adalah posisi bandul terhadap sumbu siinetris putar, besarnya R
=
Ri + r, dengan Ri adalah posisi normal dan r
adalah perubahan jrosisi bandul, sedangkan o) adalah ltecepatan sudut governor Padahal, antara ltecepatan sudut dengan putaran dapat dinyataltan dengan hubungan :
10
dimana : C,
adalnh konstanta sedangkan No adalah putaran goxzrnor
Sehingga persamaan 1 dapat ditulis :
Dari geonletris yang.diperlihatkan pada ganlbar 2.2 diperolell hubungan:
Dengan demikian:
.
Fs= Cf . Cr . R . No2 ..................................................... - - - a - 3
Dimana: Cf = 2
. c,' . m dan C,= bia
Melalui analisis teknik linearisasi diperoleli:
Fs=C1. r + C2. dimana :
..........................
-
f, adalah bearnya periibahan gaya inertia putaran goverrior.
Padahal berdasarkan prinsip keseinibangan, fs adalah gaya perlawana~ipegas yang besaimya: Fs=k.x Sehingga diperoleh hubungan: k.x
= Cl.r
+ Cz.n,
.
.
Dari geon~etrispadca gambar 2.2 terlihat bahwa :
Selanjutnya d e ~ l g ~ lmensubstitusikan a~l harga r diperoleh persamaan:
dimana : k adalah konstanta pegas dan s adala1-1 defleksi pegas sekaligus perubahan posisi selongsong.
2.Aktuator ~idrau1ik'Konstruksi aktuator hidraulik dapat digambarkan sepel-ti gambar 2.6 berikut: ("2
Oli bertekanan rendah
I
Oli bertekanan
Galnbar 2.6 Skematik Aktuator Bila katup pengatur arah pada sistek hidraulik pada posisi s
=
0, saluran
masuk/keluar ke aktuator tel-tutup, sehingga tidak ada gerakan yang dillasilkan. Apabila s > 0 sebagailnana ditulljukkan. Aktuator akan bergerak ke kiri, 12
sebaliknya pada s < 0 aktuator akan bergerak ke kanan. Gerakan aktuator k e kiri atau ke karlan,itu sebenarnya diakibatkan ole11 perilbal~an putar-211governor. Tekanan hidraulik akan mengembalikan posisi aktuator pada keadaan nonnal
(I7ol-mallyclose). .Densan lnengganggap alirarl yang melewati
saluran orifis pada katup
pengatur arah adalah proporsional terhadap perpindahan x: maka :
dan
Prinsip kontinuitas aliran rnenghasilkan:
dimana : p adalah densiti oli dan A adalah luas piston. Karena ql
= q2,
dan PI = p?, ~ n a k a:
Y1 - A2 Yz
A1
Akibatnya, jika A l = A2, lnaka y.1 = yl dan Al ;t Az, rnaka yl
#
yz,
L
Pada penelitian ini,
'-
A,
=
A2, sehingga dengzn menggunakan prinsip
keseimbangan yang terjadi pads a1;tuator:
Dirnana m adalah nlassa piston dail balang, F adalah gaya yang timbul pada batang aktuator. Selanjutnya Iteseimbnngan tersebut nkan menghasilkan:
Di~nana: 1,adalah llloi~neil inertia nlassa lengan penegndali, dan Fa adalah gaya karena tekanan air. Dengan y = 1 . 8, dan R I = R2, penyelesaian secara sinlultan dari persamaan 6, 7,
8, dan 9 menghasilkan :
Karena persamaan 6 dan 7 adalah non linear, titik operasi harus dipilih dan pergeseran hams diambil relatif kecil. Jika y ,
= konstan
dan tidak ada beban pada batang aktuator, yaitu F = 0, maka :
sehingga
Jika
y, = konstan dan terdapat beban pada batang aktuator, yaitu F
Dengan mensubstitusikan persaillaan 5 dan 12 diperoleh
#
0, nlaka :
BAB 111 &
-
TUJUAN DAN MANFAAT PKBEEkTIAN
A. Tujuan Penelitian Pengaturan kecepatan putar secarn otonlatis pada sistenl turbin air yang digunakan untuk pembangkit tenaga listrik sangat penting dilakukan. Sistem pengaturan ini sudah banyak yang diterapkan, baik secara mekanik maupun elektrik. Penelitian ini
bertujuan untuk melihat respons sistem pengendali
governor-servohidraulik dengan nlenggunakan aktuator kerja dua arah diameter seragam. Jika sistem pengaturan yang diuji ini menunjuklcan performansi yang baik, dapat dijadikan salah satu alter~latifdari sistempengaturan yang sudah ada. Apalagi teknologi yang digunakan pada sistem yang diujikan ini menggunakan teknologi tepat guna. Sehingga relatif mudah dalam mengoperasikan, merawat dan perbaikannya.
B. Rlanfaat Penelitian Manfaat yaiig dapat dipetik dari penelitian ini adalah: 1. Dapat rnenjadi suatu basis-data bagi bidang rancang bangun pengendali go\~e~nor-ser\~ohid~-ai~lili untuk 13i.ngaturan kecepatan putar l ~ h u s u s n ~pacla ~a
turbin air agar diperoleh voltase listrik yang konstan.
2. Diperolelu~ya suatu
telu~ologi baru untuk melakukan pengenlbangan
teknologi turbili air untuk pembangkit tenaga lixtrik.
3. Biaya pembuatan, perawatanj dan perbaikan sistem pengatur kecepatan putar turbin air dapat lebilrmurah.
BAB IV METODE RENELITIAX
Penelitian
ini merupakan
penelitian eksperinlen
dengan pelaksanaan
penelitian di Laboratoricm Jurusan teknik Mesin Fakultas Tehlik Universitas Negeri Padang. Pelaksananan penelitiail dilakukail mengikuti skema diagram alir seperti pada gambar 3. I .
I Pembuatan Peralatan I
, ,rr, Pengukuran dan
Kondisi Beban
Kondisi Beban Berlebih
Analisis Hasil Pengujian ,
Gan~bar3.1 Diagram Alir Penelitian
Seluruh k o ~ n p o n e ~pel-data11 i ynng mencakup turbin ail-, govei-nor, aktuator, dan sistem transmisinya dibuat pada Laboratorium tersebut. Sedangkan Po~t~el. Pncknge hidrau lik menggunakan po\ver package mili k l14illir7g A~fnclline.
A. Turbin Air
-
Turbin Air dibuat dala~nbentuk model CI-oss-Flolv. Energi potensial air diperoleh dari air yang dipompa nlelalui reservoar yang disiapkan, sehingga air terus bersirkulasi.Katup pengatur debit air padn turbin dihubungltan dengan t u x aktuator. Hal ini din~aksudkan agar katup dapat diatur pembukaann}.a oleh gerakan aktuator. Ganlbar 3.2 menunjultkan jenis turbin air yang digunakan.
Gambar 3.2 Turbin Air Sistem pembebanan yang dialami poros turbin disimulasikan dengan menggunakan sistem pengerenlan n~enggunakan sabuk yang dapat diatm penekanannya. Putaran poros turbin yang menjadi objek pengukuran, diukur C-
-
dengan menggunakan tachometer.
B. Go\rerr~or Governor yang dibuat adalah tipe Hartnel. Governor ini dihubungkan dengan poros turbin dengan mengg~~nakail trasmisi soda gigi tirus 90' . Apabils
19
poros turbin berputar, nlaka governor juga berputar. Akibat putaran tersebut, lensall governor akan berkembang jikn putaran bi.rtnmbah dasi set putara~lnorinal atau nlengecil jika putarau berkurang dari ,set putaran norlnal. Perubahan radius lengan tersebut n~engakibatkanselongsong akan bergerak naik atau turun dan gaya penyein~bangpada selongsong ini dilakukan oleh pegas yang dipasang pada sistenl selollgsong tersebut. Sedangkan bagian selongsong dihubungkan dengan tuas yang dihubungkan dengan katup pengatur aliran oli. Garnbar 3.3 menunjukkan governor yang dipakai pada penelitian ini.
.
Gambar 3.3 Governor
C . Aktuator Aktuator adalah alat yz11g ~jungnya dihubungkan dengan bagian katup pengatur debit air pada turbin. hktuator ini berfuxgsi mengatur pembul
oli yang berasal dari katup pengatur tekana~loli yang dihubungkan dengan po\ver pack. Kedua sisi tekan aktuator mempunyai luns yang sanla dengan maksud agar mempunyai respons yang sama dalam sisteln pengendalian katup pengatur debit air pada turbin. Gambar 3.4 menunjukkan aktuator yang dipakai.
Galnbar 3.4 Aktuator Dua Arah dengan Penampang Sama
D. Katup Pengatur Arall
-
-
Katup pengatur arah adalah alat yang berfi~ngsi mengatur arah gerakan aktuator. Apabila putaran poros turbin masih berada pada putaran normal yang close, artinya tidak ada oli diinginkan, posisi katup berada pada keadaan noi.1~7~~11~~
yang mengalir dari saluran keluarnya. Akibatnya aktuator tidak bergerak. Narnun apabila putaran poros turbin bcrputar tidak pada putaran yang diinginkan (berlebih atau berkurang), ~nengakibatkanputaran governor juga berubah. posisi lengan dan selongsong juga akan berubah. Akibatnya posisi ltatup akan bergeser dan mengalirkan oli ke aktuator,. Aktuator yang mendapat tckanan dari oli akan
-
21
menggerakkanL katup pengatur debit air sehingza diperoleh debit yang menghasilkan putaran yang diinginkan. Demikiau seterusnya proses pengendalian itu berlangsung secara otomatis. Galnbar 3.5 nlenunjultkan peralatan secara keseluruhan.
Gambar 3.5 Peralatan Uji Secara Lengkap Data yang diperoleh dari pengujian adalah putaran poros yang diukur dengan tacho meter, naik turunnya selongsong atau pegas diukur dengan penggaris, dan lamanya waktu yang diperlukan untuk kembali kepada putaran normal diukur dengan menggunakan stopL~~vatcl~. -
