MAKALAH SEMINAR KERJA PRAKTEK PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI 3 FASA DENGAN STATIC SCHERBIUS DRIVE PADA SUSPENTION PREHEATER FAN PLANT 9 Gafur Nugroho¹, Bambang Winardi² Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH Tembalang, Semarang Abstrak: Pada proses pembuatan semen, terdapat tiga reaksi penting yaitu dehidrasi, kalsinasi, dan molekulerisasi. Dua di antara proses tersebut berada pada suspention preheter, maka di sini sangatlah penting peran dari Fan yang ada pada suspention preheater tersebut (SP Fan) yaitu berfungsi untuk menarik gas panas yang dimanfaatkan untuk proses kalsinasi dan material untuk masuk ke dalam cyclone pada suspention preheater. Dalam proses penarikan gas panas dan material ini motor yang di gunakan adalah motor induksi 3 fasa. Laporan Kerja Praktek ini membahas mengenai pengaturan putaran motor induksi 3 fasa dengan system static scherbius drive. Kata kunci : Suspention preheater, static scherbius drive, motor induksi 3 fasa
I.
PENDAHULUAN
Latar Belakang PT. Indocement, Tbk. merupakan perusahaan yang bergerak dalam bidang industri semen. Semen yang dihasilkan di PT. Indocement, Tbk. merupakan semen PCC, dan PT. Indocement, Tbk. adalah satu-satunya industry semen yang memproduksi semen putih di Indonesia. Pada proses pembuatan semen, terdapat tiga reaksi penting yaitu dehidrasi, kalsinasi, dan molekulerisasi. Dua di antara proses tersebut berada pada suspention preheter, maka di sini sangatlah penting peran dari Fan yang ada pada suspention preheater tersebut (SP Fan) yaitu berfungsi untuk menarik gas panas yang dimanfaatkan untuk proses kalsinasi dan material untuk masuk ke dalam cyclone pada suspention preheater. Dalam proses penarikan gas panas dan material ini motor yang di gunakan adalah motor induksi 3 fasa. Tujuan Makalah kerja praktek ini bertujuan untuk mengetahui prinsip pengaturan kecepatan motor Induksi 3 fasa menggunakan static scherbius drive secara umum pada suspention preheater di PT. Indocement, Tbk Plant 9, Cirebon. Batasan Masalah Dalam laporan kerja praktek ini membahas hal-hal yang bersifat umum tentang penggunaan static scherbius drive untuk pengaturan kecepatan putaran motor induksi 3fasa pada suspention preheter fan di palnt 9 PT. Indocement, Tbk. Cirebon.
¹Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Undip ²Dosen Jurusan Teknik Elektro Undip
II. DASAR TEORI Langkah-langkah Proses Pembuatan Semen Secara garis besar proses pembuatan semen di PT. Indocement Tunggal Prakarsa dibagi dalam beberapa tahap : 1. Penambangan dan Penyediaan Bahan Baku (Unit Mining) Bahan baku utama yang digunakan dalam proses pembuatan semen adalah batu kapur (lime stone), sedangkan tanah liat (clay), pasir silica, pasir besi dan gypsum sebagai bahan aditif. 2. Pengeringan dan Penggilingan Bahan Baku (Unit Raw Mill) Tahapan ini terdiri dari : a. Pengeringan bahan aditif Bahan aditif dari masing-masing storage diambil untuk kemudian diumpankan ke dalam rotary dryer untuk dikeringkan. Media pemanasnya adalah gas panas yang berasal dari Reinforced Suspention Preheater (RSP). Proses pengeringan berlangsung hingga didapatkan kondisi material memiliki kandungan air kurang lebih 1%. b. Penggilingan bahan baku High lime, low lime, aditif dan pasir besi diumpankan ke dalam alat penggiling (raw mill). Di dalam alat ini, material digiling dengan menggunakan bola-bola baja dengan ukuran tertentu sambil diputar. Proses ini menggunakan gas panas dari stabilizer yang diambil dari RSP sehingga dalam proses ini berlangsung pula proses pengeringan.
1
c. Pencampuran bahan baku Raw meal di homogenisasi dengan proses aerasi di dalam Homogenizing Silo (HS). 3. Pembakaran Raw Meal dan Pendinginan Clinker (Unit Burning) Proses pembakaran raw meal dalam pembuatan semen merupakan tahap yang paling penting karena pada tahap inilah terbentuk mineral-mineral yang diperlukan dalam semen. Proses pembakaran di preheater (proses prekalsinasi) dan proses pembakaran di kiln menjadi klinker. Klinker yang keluar dari kiln dan masuk ke dalam cooler sudah terbentuk padatan dan bersuhu kurang lebih 1000 – 1200C. Klinker yang masih panas ini perlu didinginkan karena : a. klinker yang panas sulit diangkut b. klinker panas mempunyai pengaruh negatif pada proses penggilingan c. udara panas hasil pendinginan klinker dapat dimanfaatkan, sehingga dapat menurunkan biaya produksi d. pendinginan yang tepat akan meningkatkan kualitas semen
(packing) dengan menggunakan air sliding Conveyor dan Bucket Elevator. Dari bucket elevator, semen dilewatkan ke vibrating screen untuk memisahkan material asing yang terdapat didalam semen. Lalu semen dimasukkan ke dalam feed bin dan dikeluarkan melalui mesin pengepakan. Dari mesin pengepakan, semen yang sudah dikemas diangkut dengan belt conveyor menuju ke dua buah bag loader untuk dimuat ke atas truk dan siap untuk dipasarkan. Motor Induksi 3 Fasa Prinsip Kerja Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah listrik 3 phasa. Motor induksi sering juga disebut motor tidak serempak atau motor asinkron. Prinsip kerja motor induksi lihat Gambar 2
Gambar 2 Prinsip kerja motor induksi
Gambar 1 Alur produksi
4. Penggilingan Akhir (Unit finish Mill) Proses penggilingan klinker bertujuan untuk mencampur dan menggiling klinker dengan gypsum sampai tingkat kehalusan tertentu sehingga terbentuk produk semen. Material digiling di dalam cement mill. Material yang keluar dari cement mill dibawa oleh ATC (Air Truck Conveyor) kemudian dipusingkan kedalam Air Separator. Dalam air separator terjadi dua gaya yaitu gaya sentrifugal dan gravitasi sehingga produk yang halus masuk ke siklon dan produk yang masih kasar masuk kembali ke cement mill sebagai tailing. 5. Pengantongan Semen (Unit Packing) Semen disimpan dalam cement silo. Semen dari silo dibawa ke bagian pengepakan
Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator menjadikan kutub S (south = selatan), garisgaris gaya magnet mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya adalah N (north = utara) untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan saling tarik-menarik dengan kutub S. Berikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar 120°, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada belitan stator timbul medan magnet putar. Buktinya kompas akan memutar lagi menjadi 240°. Kejadian berlangsung silih berganti membentuk medan magnet putar sehingga kompas berputar dalam satu putaran penuh, proses ini berlangsung terus menerus. Dalam motor induksi kompas digantikan oleh rotor sangkar yang akan berputar pada porosnya. Karena ada perbedaan putaran antara medan putar stator dengan putaran rotor, maka disebut motor induksi tidak serempak atau motor asinkron. Konstruksi Konstruksi motor induksi secara detail terdiri atas dua bagian, yaitu: bagian stator dan
2
bagian rotor (Gambar 3). Stator adalah bagian motor yang diam terdiri: badan motor, inti stator, belitan stator, bearing, dan terminal box. Bagian rotor adalah bagian motor yang berputar, terdiri atas rotor sangkar, dan poros rotor. Konstruksi motor induksi tidak ada bagian rotor yang bersentuhan dengan bagian stator, karena dalam motor induksi tidak ada komutator dan sikat arang.
4. Saat sudut 360°. posisi ini sama dengan saat sudut 0°, di mana kutub S dan N kembali keposisi awal sekali. Dari keempat kondisi di atas saat sudut 0°, 120°, 240°, dan 360°, dapat dijelaskan terbentuknya medan putar pada stator, medan magnet putar stator akan memotong belitan rotor. Kecepatan medan putar stator ini sering disebut kecepatan sinkron, tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya,
di mana, ns : kecepatan sinkron (sator) f : frekuensi p : jumlah kutub Gambar 3 Konstruksi Motor Induksi
Kecepatan dan Slip Motor Induksi 3 Fasa Tampak stator dengan dua kutub, dapat diterangkan dengan empat kondisi.
Gambar 4 Bentuk gelombang sinusoida dan timbulnya medan putar pada stator motor induksi
1. Saat sudut 0o, arus I1 bernilai positif sedangkan arus I2 dan arus I3 bernilai negatif, dalam hal ini belitan V2, U1 dan W2 bertanda silang (arus masuk), dan belitan V1, U2 dan W1 bertanda titik (arus keluar). Terbentuk fluks magnet pada garis horizontal sudut 0o kutub S (South = selatan) dan kutub N (North = utara). 2. Saat sudut 120o, arus I2 bernilai positif, sedangkan arus I1 dan arus I3 bernilai negatif, dalam hal ini belitan W2, V1, dan U2 bertanda silang (arus masuk), dan belitan W1, V2, dan U1 bertanda titik (arus keluar). Garis fluks magnet kutub S dan N bergeser 120o dari posisi awal. 3. Saat sudut 240o, arus I3 bernilai positif, sedangkan arus I1 dan arus I2 bernilai negatif, dalam hal ini belitan U2, W1 dan V2 bertanda silang (arus masuk), dan belitan U1, W2 dan V1 bertanda titik (arus keluar). Garis fluks magnet kutub S dan N bergeser 120o dari posisi kedua.
Rotor ditempatkan di dalam rongga stator, sehingga garis medan magnet putar stator akan memotong belitan rotor. Rotor motor induksi adalah beberapa batang penghantar yang ujungujungnya dihubungsingkatkan menyerupai sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar, kejadian ini mengakibatkan pada rotor timbul induksi elektromagnetis. Medan magnet putar dari stator saling berinteraksi dengan medan magnet rotor, terjadilah torsi putar yang berakibat rotor berputar. Besarnya slip yang terjadi pada motor induksi adalah, di mana, s : slip ns : kecepatan stator nr : kecepatan rotor Rugi-Rugi Motor Induksi Motor induksi memiliki rugi-rugi yang terjadi karena dalam motor induksi terdapat komponen tahanan tembaga dari belitan stator dan komponen induktor belitan stator. Pada motor induksi terdapat rugirugi tembaga, rugi inti, dan rugi karena gesekan dan hambatan angin.
Gambar 5 Rugi-rugi daya motor induksi
3
Besarnya rugi tembaga sebanding dengan kuadrat arus dan hambatannya, semakin makin besar arus beban maka rugi tembaga makin besar juga. Atau jika dituliskan dalam persamaan adalah sebagai berikut: Daya input motor sebesar P1, daya yang diubah menjadi daya output sebesar P2. Maka besarnya rugi-rugi motor adalah P1-P2. Untuk menghitung efisiensi dari motor, menggunakan persamaan berikut, Ƞ = 100% di mana Ƞ : efisiensi motor P1 : daya input motor P2 : daya output motor
Static Scherbius Drive Dalam static scherbius drive seperti yang ditunjukkan pada gambar 7, daya slip pada rangkaian rotor di searahkan menjadi DC menggunakan penyearah dioda atau penyearah tak terkontrol dan kemudian diubah kembali menjadi AC dengan menggunakan inverter. Daya yang telah di ubah menjadi AC dengan frekuensi 50 Hz ini, kemudian dikembalikan ke jala-jala melalui transformator terlebih dahulu. Mesin atau motor selalu bekerja dengan kecepatan subsynchronous dengan sisa fluks airgap yang konstan. Ini berarti kecepatan motor dapat dikontrol pada kecepatan , tapi motor tidak dapat beroperasi dengan kecepatan melebihi . 3ⱷ, 50 Hz supply
III. Static Scherbius Drive Starting Motor Pada system pengaturan kecepatan motor SP (Suspension Preheater) Fan dengan satic scherbius drive di PT. Indocement, Tbk. ini, untuk starting atau pengasutannya menggunkan pengasutan tipe resistor luar atau tahanan luar, yang dihubungkan dengan rotor melalui slip ring. Resistor pada stator di pasang secara bertingkat.
Gambar 7 Static scherbius drive
Gambar 6 pengasutan motor induksi tipe resistor bertingkat
Resistor pada rotor dipasang secara bertingkat, dimana resistor yang terhubung bernilai maksimum pada awal starting dijalankan, yang kemudian berkurang sedikit demi sedikit dan akhirnya semua resistor terlepas dari rotor. Pengasutan dengan cara menambahkan resistor atau tahanan luar pada rotor motor induksi ini hanya dapat dilakukan pada motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor induction motor).
Dalam sistem ini juga tidak dimungkinkan untuk bisa berputar balik, dan pengereman regenerative. Kecepatan motor dikontrol dengan cara mengatur firing angle atau sudut pemicuan α dari inverter. Besarnya torsi motor proporsional atau berbanding lurus dengan arus yang melewati DC link Id. Jika kecepatan menurun dari kecepatan sinkronnya, tegangan DC link Vd akan meningkat, tapi pada saat steady state besar Vd sama dengan V1. Oleh karena itu, jika V1 meningkat dengan cara menurunkan firing angle dari inverter, kecepatan motor akan meningkat pula. Oleh karena semakin besar firing angle inverter akan mengurangi faktor daya saluran, maka digunakan transformator step up atau trafo penaik tegangan. Transformator penaik tegangan ini dapat memperbaiki faktor daya saluran dengan cara membatasi range pengaturan firing angle. Selain untuk memperbaiki faktor daya, transformator penaik tegangan ini juga berfungsi untuk mengurangi power ratings dari converter.
4
Pada sistem static scherbius drive ini, selain memiliki faktor daya saluran yang rendah, juga menimbulkan arus harmonisa. Harmonisa ini di pantulkan ke rotor oleh transformator. Arus harmonisa juga di hasilkan dari inverter. Akibatnya, rugi-rugi akan meningkat dan akan menghasilkan harmonic torque (torsi harmonisa). Sistem close loop satu kuadran dari pengaturan kecepatan motor induksi dengan static scherbius drive ditunjukkan oleh gambar 6. Sebagian rangkaian static scherbius drive ini mempunyai karakteristik seperti rangkaian penguat DC, oleh karena itu system pengontrolannya juga sama seperti pengontrolan penyearah satu fasa dari DC driver. Dengan fluks airgap yang konstan, besarnya torsi proporsional atau berbanding lurus dengan arus yang melalui DC link Id. Arus Id dikontrol di dalam loop menjadi feedback seperti ditunjukkan pada gambar 8 sama halnya seperti arus Id, kecepatan motor ωr juga dikontrol dalam loop yang ditunjukkan pada gambar 8. Kontrol Kecepatan dengan Tacho Feedback Tachometer digunakan agar pengukuran putaran lebih akurat bila dibandingkan dengan EMF. Pengukuran kecepatan aktual yang tejadi kemudian dibandingkan kecepatan referensi sebagai input speed controller. Speed kontroller akan mengatur penambahan atau pengurangan tegangan rotor dengan cara menurunkan atau menaikan firing angle α untuk mempertahankan kecepatan konstan dengan variasi pembebanan. Sebagai contoh: beban tiba-tiba meningkat dan motor melambat, mengurangi feedback kecepatan. Speed controller akan menghasilkan sinyal lebih tinggi ke current controller yang akan meningkatkan tegangan rotor sehingga memberikan tambahan torka ke motor dan akan mengimbangi kenaikan beban. Kecepatan motor akan meningkat sampai setara dengan kecepatan referensi setpoint. Saat motor berputar lebih cepat dari yang diinginkan, tegangan rotor akan dikurangi dengan cara menaikkan firing angle α. 3ⱷ, 50 Hz supply
Karakteristik Kontrol Kecepatan dengan Static Scherbius Drive
Gambar 9 static scherbius drive
Tegangan output penyearah tak terkontrol Vr(dc) diperoleh dengan persamaan,
di mana Vr adalah tegangan rotor. Hubungan antara tegangan rotor, tegangan suplai Vs dan slip ditunjukkan oleh persamaan berikut,
dari persamaan (1) dan (2) diperoleh persamaan berikut,
Pada gambar 9 terlihat bahwa suplai 3 fasa dihubungkan dengan saluran commutated inverter, sehingga diperoleh persamaan output,
Vs di sini adalah tegangan suplai rms satu fasa, ketika line commutated converter berfungsi sebagai inverter (α > 90o), maka kemudian outputnya akan sama dengan dan opposite dari tegangan output penyearah, dari persamaan (5), maka akan diperoleh hubungan antara persamaan (3) dan (4), yang menghasilkan persamaan berikut,
Gambar 8 Kontrol Kecepatan dengan Tacho Feedback
5
Persamaan di atas menunjukkan bahwa besarnya slip dapat dikontrol dengan mengubah firing angle α dari line commutated converter. Oleh karena itu, besarnya daya slip dan kecepatan motor juga dapat dikontrol dengan cara mengubah firing angle α. Gambar 5.22 menunjukan karakteristik torsi dan kecepatan dari motor induksi yang dikontrol dengan sistem static scherbius drive ini.
sehingga sistem ini memiliki efisiensi yang tinggi. 4. Sistem static scherbius drive memiliki faktor daya yang rendah dikarenakan daya reaktif masukanya merupakan hasil penjumlahan dari daya reaktif motor dan daya reaktif inverter. 5. Untuk mengatasi masalah rendahnya faktor daya dari static scherbius drive dapat dilakukan dengan memperkecil range pengubahan firing angle dari inverter, dan juga dengan menghubungkan kapasitor. Saran
Gambar 10 karakteristik torsi-kecepatan sistem static scherbius drive
Keuntungan dan Kerugian Keuntungan Efisiensi dari keseluruhan sistem tinggi, karena dayanya akan menjadi feed back atau dikembalikan ke jala-jala. Pengontrolan kecepatan yang sederhana, hanya dengan mengatur besarnya firing angle dari line commutated converter. Kerugian Memiliki faktor daya yang rendah dikarenakan daya reaktif dari motor dan inverter. Menimbulkan arus harmonisa. Range pengaturan kecepatan yang tidak terlalu besar atau terbatas. IV.
Beberapa hal yang dapat diperhatikan diantaranya adalah : 1. Perlu adanya pemahaman yang mendasar baik teori maupun praktek dalam melakukan perawatan dan perbaikanpada suspension preheater fan, hal ini dimaksudkan untuk mempermudah pelacakan kesalahan atau kerusakan yang ada. 2. Penguasaan teknik perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) mutlak diperlukan dan tidak bisa dipisahkan satu sama lain. 3. Perlu adanya tenaga khusus yang mempunyai tugas sebagai pembimbing kerja praktek.
PENUTUP
Kesimpulan Dari pembahasan di atas dapat disimpulkan bahwa : 1. Bahan yangdigunakan untuk pembuatan semen adalah limestone, clay, pasir sillika, pasir besi, dan gypsum dengan komposisi tertentu. Bahan-bahan ini harus memenuhi standar yang ditetapkan oleh unit laboratorium. 2. Suspension Preheater adalah salah satu peralatan dalam proses pembuatan semen, dan termasuk dalam proses kalsinasi. 3. Pada pengontrolan kecepatan motor dengan menggunakan static scherbius drive, daya slip akan dikembalikan ke jala-jala
6
DAFTAR PUSTAKA [1]
Duda, W. H., 1985, “Cement Data Book”, International Process Engineering in The Cement Industry, 3th edition, Bauverlag GmBH, Wiesbaden and Berun. [2] Bose, Bimal K., 2006, “Power Electronics and Motor Drives”, Academic Press is an imprint of Elsevier, USA. [3] Boldea, Ion and Syed A. Nasar, 2002, “The Induction Machine Handbook”, CRC Press LLC Boca Raton, London, New York, Washington D.C. [4] Wildi, Theodore ,1989, “Electrical Machenes Drives and Power System”. Prentice Hall. [5] Sumardjati, P.,Sofian Yahya, dan Ali Mashar, 2008, “Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik”, jilid 3, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah , Departemen Pendidikan Nasional .
BIOGRAFI Gafur Nugroho (L2F006042) Dilahirkan di Cirebon, 16 Juni 1988, menempuh pendidikan di SDN Pegagan 1, SLTPN 1 Palimanan, SMAN 1 Palimanan, dan saat ini sedang melanjutkan studi S1 di jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang angkatan 2006 dengan konsentrasi Teknik Energi Listrik.
Mengetahui dan Mengesahkan, Pembimbing
Ir. Bambang Winardi NIP. 196106161993031002 Tanggal : April 2010
7
