-. J/mih Jlmu Pqefahuan dm Jeb/~ol#ngi
, .>-,-
6,
-
- 7
?W*r-m.-
.+7t+-mgFwm
gut& Vol. VII, Nomor 2, Maret 2005
Diterbitkan Oleh
pc-rffn-
, z-
.
-.--
SA INSTE K I.'oI. VII. Nommor 2 Mu)-e f 2004
KAJI EKSPERIMENTAL PENGATURAN KECEPATAN PUTAR TURBIN AIR MENGGUNAKAN AKTUATOR DUA ARAH PENAMPANG SERAGAM Waskito *)
ABSTRACT The aim of the research is to find out the response ofthe velocip angular control at the water turbint~that used double rod end cylinder. The testing used closed loop system and equipment manufacturing and done in the Lab of the Technical Machine Department on the Technical Faculty Padang State University. Collecting of the data is on the overload and underload condition and conduct with the breaking belt system. The data recorded are the distance of the moving governor sleev on Jive seconds interval time for each condition. The measurement is conducted for seven times and the overload there isn't overshoot that mean 6> I and the steady state condition is reached at 48Ih second. While on the underload there is one overshoot that meun 0 < 6< I and steady state condition is reached at 57Ih second. However, at generally the system indicates the stabilify oh the control. Key Words : velocity angular control, overload, underload, double rod end cylinder
Sistem pembangkit energi listrik menggunakan turbi n air sangat efektif diterapkan di daerah yang belum mendapat pelayanan listrik PLN, tetapi mempunyai sumber air yang cukup potensial untuk dikonversikan energinya. Ukuran dan jenis turbin air dapat disesuaikan dengan karakteristik potensial air yang ada. Voltase listrik yang konstan sangat penting untuk ketahanan dan keawetan bagi alat-alat listrik. Padahal pemakaian daya listrik oleh konsumen sering tidak konstan yang mengakibatkan perubahan beban pada generator sehingga mengganggu putaran turbin walaupun debit air
* ) Dosen Jzrrzrsan Teknik Mesin F1 T Universitas hiegeri Padang
Waskito L
yang jatuh pada turbin konstan. Akibatnya voltase yang di hasi l kan generator akan berkurang atau bertambah. Pengaturan kecepatan putar secara otomatis pada sistem turbin air yang digunakan untuk pembangkit tenaga listrik sangat penting dilakukan agar diperoleh keluaran energi listrik dengan voltase yanag konstan. Penelitian ini bertujuan untuk melihat respons sistem pengendali governorservohidraulik dengan menggunakan aktuator kerja dua arah diameter seragam. Jika sistem pengaturan yang diuj i ini menunjukkan performansi yang baik, dapat dijadikan salah satu alternatif dari sistem pengaturan yang sudah ada. Apalagi teknologi yang digunakan pada sistem yang di uj i kan ini menggunakan teknologi tepat guna. Sehingga relatif mudah dalam mengoperasikan, merawat dan gerbaikannya. Agar putaran turbin tetap konst-an, diperlukan pengendali yang dapat mengatur putaran sehingga voltase yang keluar dari turbin konstan. Pada penelitian yang sudah dilakukan oleh Dadang (1999) dengan menggunakan aktuator dua arah penampang berbeda, respons sistem antara kelebihan beban dengan kekurangan beban, cukup berbeda. Padahal akan lebih baik j i ka respon sistem pada kondisi yang berbeda selalu sama. Sistem pengaturan kecepatan putas menggunakan governor termasuk dalam penggolongan sistem kontrol lup tertutup. Pada sistem ini, keluaran sistem mernpunyai pengaruh langsung pada aksi pengontroian (Ogata, 1993) karena menerapkan umpan bal ik untuk memperkecil kesalahan sistem. Secara sederhana sistem kontrol Iup tertutup digambarkan dengan blok diagram seperti pada gambar 1. Gangguan
-q
Masukan
1-
Penrtur
1
Keluaran
Plant atau I Proses
Gambar I Sistem Kontrol Lup Tertutup Dari gambar 1 dapat dinyatakan bahwa, sistem kontrol lup tertutup adalah sistem yang bekerja secara otomatis. Alat ukur selalu membaca hasil keluaran. Apabila kel uaran belum sesuai dengan yang di inginkan, alat ukur memberi sinyal kepada pengatur, dan pengatur memberikan aksi
terhadap masukan lalu diproses lagi, dan seterusnya sampai keluaran memenuhi kriteria yang diinginkan. Selanj utnya Ogata ( 1993) mengatakan, sistem yang mempunyai komponen penyimpan energi tidak dapat merespon secara seketika dan akan menunj ukkan respon transien j i ka di kenai masukan tangga atau gangguan. Respon transien sistem kontrol, praktis sering menunj ukkan osilasi teredam sebelum mencapai keadaan tunak (~teadystate). Umumnya respon transien suatu sistem dinyatakan dalam bentuk masukan tangga satuan. Apabila respon terhadap masukan tangga satuan diketahui, maka secara matematis dapat dihitung respon terhadap setiap masukan. Karakteristik respon transien dapat dinyatakan melalui parameter sebagai berikut: 1) waktu tunda (td), 2) waktu naik (tr), 3) waktu puncak (tp), 4) lewatan maksimun (Mp), dan 4) waktu penetapan (ts). Bentuk kurva respon tergantung dari faktor peredaman sistem. Gambar 2 menunjukkan kurva respon pada beban impulsa satuan untuk berbagai faktor pe-redaman t;. Jika O<{
1, respon tidak memiliki lewatan. -
-
-
-
- -- - - - .-
- .---- -
-
- - .-
.-
.---.
-
1
Kurva Respon lmpulsa Satuan
I
I
I
I
I I
15
i
I
Waktu (t) ~.
. ~. . . ~ -. . ~ . .-
-
Gambar 2. Kurva Respon Impulsa Satuan pada Berbagai Faktor Peredaman Respon masukan impulsa dapat dinyatakan sebagai turunan dari respon masukan tangga. Perbandingan respon dengan masukan tangga dan masukan satuan impulsa sebagaimana,dinyatakan oleh Benjamin (1992) digambarkan pada Gambar 3.
.,/'
Respon dengan Zero
Gambar 3. Respon Masukai~Tangga dan Impulsa Secara diagramatis, pengendal i governor-servohidrauli k dapat digambarkan seperti pada gambar 4.
Y V / y S & I y S &Turbin I~
Air dari
Gambar 4. Pengendali Governor Servohidraulik Aksi pengaturan seperti pada gambar 4 dapat dijelaskan sebagai beri kut : Dengan berputamya poros turbin, maka governor j uga akan berputar. Pada putaran 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 selongsong akan berubah pula. Padahal selongsong dihubungkan ke aktuator hidraulik, akibatnya aktuator akan
bergerak. Pergerakan aktuator yang dihubungkan dengan katup pengatur debit air di ti~rbin~nengakibatlian katup akan diatur (membesarknn atau inengecilkan saluran) sampai putaran kembal i normal ke putaran yang telah di tentukan. Ditinjau dari konstruksi pengendalinya, maka terdapat dua bagian utama, yaitu: I ) governor, dan 2) aktuator hidraulik. I . Governor Konstruksi governor yang akan digunakan adalah tipe Hartnel dan dapat digambarkan secara diagramatis pada gambar 5.
Gambar 5. Skematis Governor Sebagaimana dij elaskan Raven (1 987), dengan berputarnya governor, maka terdapat gaya efek berupa gaya inertia (sentrifugal) yang besarnya:
'
dimana : m adalah massa bandul, R adalah posisi bandul terhadap sumbu simetris putar, besarnya R = Ri + r, dengan Ri adalah posisi normal dan r adalah perubahan posisi bandul, sedangkan o adalah kecepatan sudut governor. Padalial, antara kecepatan sudut dengan putaran dapat dinyatakan dengan hubungan : o = C, . No dimana : C, adalah konstanta sedangkan N , adalah putaran governor. Sehingga pe;sarnaan I dapat ditulis : Fc= cg2. m.R. No2 ....................................................... (2) Dari geometris yang diperlihatkan pada ga~nbar 5 diperoleh hubungan: -.
Waskito
(a.Fs)/2 = b. Fc Dengan demi kian: Fs= C f . Cr . R . No2 ....................................................... (3 Dimana: C f = 2 . C, 2 . m dan C,= b/a Melalui analisis teknik linearisasi diperoleh: Fs=C1. r + C2.no ......................................................... (4) dimana : f, adalah bearnya perubahan gaya inertia putaran governor.
Padahal berdasarkan prinsip keseimbangan, fs adalah gaya perlawanan pegas yang besarnya: Fs = k . x Sehingga diperoleh hubungan : k.x = Cl.r + Cz.n, Dari geometris pada gambar 5 terlihat bahwa : r = (bla) . x = C,.x Selanjutnya dengan mensubstitusikan harga r diperoleh persamaan: /r
dimana : k adalah konstanta pegas dan x adalah defleksi pegas sekaligus perubahan posisi selongsong. 2. Aktuator Hidraulik Konstruksi aktuator hidraulik dapat digambarkan seperti gambar 6 berikut:
Oli bertekanan rendah
Gambar 6 Ske~natikAktuator
Bila katup pengatur arah pada sistetn hidraulik pada posisi x = 0. saluran masukfkeluar ke aktuator tertutup, sehingga tidak ada gerakan yang dihasilkan. Apabila x > 0 sebagaimana ditunj ukkan. Aktuator akan bergerak ke kiri, sebaliknya pada x < 0 aktuator akan bergerak ke kanan. Gerakan aktuator ke kiri atau ke kanan itu sebenarnya diakibatkan oleh perubahan putaran governor. Tekanan hidraulik akan mengembalikan posisi aktuator pada keadaan normal (normali) close). Dengan mengganggap aliran yang melewati saluran orifis pada katup pengatur arah adalah proporsional terhadap perpindahan x, maka :
dan
Prinsip kontinuitas aliran menghasilkan:
dimana : p adalah densiti oli dan A adalah luas piston.
YI -A2 dan p1= p ~ maka , :Y2 A, Akibatnya, j ika Al = AZ,maka yl = y2 dan AI # A2, maka yl # y ~ . Pada penelitian ini, Al = A2, sehingga dengan menggunakan prinsip keseimbangan yang terjadi pada aktuator, Karena q
= qz,
Dirnana m adalah massa piston dan batang, F adalah gaya yang timbul pada batang aktuator. Selanjutnya keseimbangan tersebut akan menghasi 1kan:
Dirnana : I adalah momen inertia massa lengan pengendali, dan Fa adalah gaya karena tekanan air. Dengan y = I . 8, dan R I = R,, penyelesaian secara simultan dari persamaan 6 , 7, 8, dan 9 menghasilkan :
Waskito
Karena persamaan 6 dan 7 adalah non linear, thik operasi harus dipili h dan pergeseran harus diambil relatif kecil. Jika y, maka :
=
konstan dan tidak ada beban pada batang aktuator, yaitu F
=
0,
#
0,
sehingga I
Jika y, maka :
=
konstan dan terdapat beban pada batang aktuator, yaitu F
Dengan mensubstitusikan persamaan 5 dan 12 diperoleh :
dari persamaan 13 dapat disimpulkan bahwa ruas.kanan persamaan adalah konstanta, sehingga respon n, yang positif atau negatif akan menghasilkan respons yang sama. Jika aktuator yang digunakan mempunyai diameter yang berbeda A, ;t A2 respons sistem tidak sama. Hal ini telah dibuktikan melalui penelitian yang dilakukan oleh Dadang (1999)
METODE PENELITIAN Penel itian ini dilaksanakan pada Laboratorium Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang dengan mengikuti diagram alir seperti pada Gambar 7.
C
Pembuatan double rod end cylinder Peralatan
Pengukuran dan Pengujian
I I
Kondisi Beban Berkurang
Analisis Hasil + l 1 I Peng~jian I I Kondisi Beban Rerlebih II I
Kesimpulan.
I
Gambar 7. Diagram Alir Penelitian Turbin Air dibuat dalam bentuk model Cross-Flow. Energi potensial air diperoleh dari air yang dipompa melalui reservoar yang disiapkan, sehingga air terus bersirkulasi. Katup pengatur debit air pada turbin dihubungkan dengan tuas aktuator. Hal ini dimaksudkan agar katup dapat diatur pembukaannya oleh gerakan aktuator. Gambar 8 menunjukkan jenis turbin air yang digunakan.
Gambar 8 Turbin Air
'mmmWaskito
Sistem pembebanan yang dialami poros turbin disimulasikan dengan menerapkan sistem pengereman menggunakan sabuk yang dapat diatur pene kananny a. Putaran poros turbin y ang menjadi objek pengukuran, diukur dengan menggunakan tachometer. Governor yang dibuat adalah tipe Hartnel yang dihubungkan dengan poros turbin dengan menggunakan trasmisi roda gigi tirus 90" . Apabila poros turbin berputar, maka governor juga berputar. Akibat putaran tersebut, lengan governor akan mengembang jika putaran bertambal~dari set putaran normal atau mengecil jika putaran berkurang dari set putaran normal. Perubahan radius lengan tersebut mengakibatlcan selongsong akan bergerak naik atau turun dan gaya penyeimbang pada selongsong ini dilakukan oleh pegas yang dipasang pada sistem selongsong tcrsebut. Sedangkan bagian selongsong dihubungkan dengan tuas yang dihubungkan dengan katup pengatur aliran oli. Gambar 9 menunjukkan governor yang dipakai pada penelitian ini .
L
Gambar 9. Governor Bagian uijung aktuator dihubungkan dengan bagian katup pengatur debit air pada turbin. Aktuator ini berfungsi mengatur pembukaan katup tersebut agar putaran poros turbin tetap pada yang diinginkan. Aktuator mempunyai dua sisi penampang (kiri dan kanan) yang mendapat tekanan minyak yang berasal dari power pack. Kedua sisi tekan aktuator mempunyai luas yang sama dengan maksud agar mempunyai respon yang sama dalam sistem pengendalian katup pengatur debit air pada turbin. Gambar 10 menunj ukkan aktuator yang dipakai.
Gambar 10. Aktuator Dua Arah dengan Penampang Seragam Gerakan aktuator y ang dihasi l kan dari tekanan minyak, diatur oleh katup pengatur arah yang dipasang antara power package dan aktuator. Apabila putaran poros turbin masih berada pada pi~tarannormal yang diinginkan, posisi katup berada pada keadaan normally close, artinya tidak ada oli yang mengalir dari saluran keluarnya. Akibatnya aktuator tidak bergerak. Namun apabila putaran poros turbin berputar tidak pada putaran yang diinginkan (berlebih atau berkurang), mengakibatkan putaran governor juga berubah, posisi lengan dan selongsong j uga akan berubah. Akibatnya posisi katup akan bergeser dan mengalirkan oli ke aktuator. Aktuator yang mendapat tekanan dari oli akan menggerakkan katup pengatur debit air sehingga diperoleh debit yang menghasilkan putaran yang diinginkan. Demikian seterusnya proses pengendalian itu berlangsung secara otomatis. Gambar 1 1 menunj ukkan peralatan secara keseluruhan.
Gambar 1 1. Peralatan Uji Secara Lengkap
Waskito
Data yang diperoleh dari peng~~jian adalah putaran poros yang diukur dengan tachometer, naik turunnya selongsong atau pegas diukur dengan penggar is, dan lamanya waktu yang di perlukan untuk kembal i kepada putaran normal diukur dengan menggunakan stop watch.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran di lakukan sebanyak tuj uh kal i, masing-masing pada kondisi beban berkurang dan beban bertambah. Data peguj ian pada kondisi beban berkurang disajikan pada Tabel I dan grafiknya dituangkan pada gambar 12. Tabel 1 Perpindahan Selongsong Terhadap Waktu pada Kondisi Beban Berkurang No.
POSlSl SELONGSONG SETIAP 5 DETlK
-
Uji
0
5
10
15
35
30
25
20
45
40
50
55
60
65
1
45
59.4
59.4
56
45
33
27
29
37
39
41
43
44,5
43
2
455
59
57
37
39
34
34
34
34
33
33
33
33
43
6
40
59,4
59,4
59.4
59
57
47
43
43
43,s
43.5
43
45
45
7
45.5
59.4
59.4
59,4
59
39
26
25
31
48
43
47
52
47
43.7
59,3
59
53.6
46,6
36,s
30,7
31.9
36.7
41,5
42.1
43,l
44,3
44.7
Rata-
rata
~
G R A F I K
0
. 0
5
....
.
-
-
.
.
. - ..
-
. ... . . . ..
R E S P O N G O V E R N O R P A D A B E B A N B E R K U R A N G
1 0
1 5
2 0
2 5 W
3 0 A K T U
3 5
4 0
A 5
S A A T
5 0
5 5
6 0
( D E T I K )
Gambar 12. Respon Gover~orpada Kondisi Beban Berkurang
6 5
Penarr.~bahanposisi selongsong berarti putaran poros bertalnbah. Kelebihan p~itarandar-i putaran normal terjadi selarna 22 detik .Pada detik ke-22, putaran poros kembali ~nencapai putaran normalnya. Hal ini ditandai dari posisi selongsong kembzli ke posisi semula. Dari detik ke-22 sampai dengan detik ke-30, putaran poros semakin berkurang dari putaran normal. Tetapi dari detik ke-30 sampai detik ke 57, sistem berusaha kembali lie putaran normal. Dari detik ke-57 sampai seterusnya, sistem telah berada pada putaran norrnalnya. Lewatan maksimum (over shoot) dalam harga positip, berarti putaran bertambah, terjadi pada detik ke-5. Lewatan kedua terjadi pada detik ke-30, setelah itu sistem kembali pada putaran normalnya. Waktu yang di per1ukan untuk sistem kembali ke putaran normalnya adalah 57 detik. Data pegujian pada kondisi beban bertambah disajikan pada Tabel 2 dan grafiknya dituangkan pada gambar 14. Dari gambar 14 dapat dilihat bahwa ketika beban bertambah, terjadi perubahan posisi selongsong. Pengurangan posisi selongsong berarti putaran poros berkurang. Berbeda dengan kasus beban berkurang, pada beban bertambah tidak terjadi fluktuasi perpindahan selongsong governor. Pada detik ke-5 terjadi perpindahan maksimum dalam arah negatif yang berarti putaran poros berkurang. Dan selanjutnya sampai detik ke-48, putaran masih di bawah putaran normal. Setelah itu putaran poros kembali pada putaran normalnya. Sehingga dapat dikatakan bahwa waktu yang diperlukan untuk sistem kembali ke putaran normalnya adalah 57 detik. Tabel 2. Perpindahan Selongsong Terhadap Waktu pada Kondisi Beban Bertambah POSlSl SELONGSONG SETIAP 5 DETlK
7 katarata
44
43,71
27 28.86
28
29.29
29 30.57
30 34,29
30 34-71
30 36.29
35 38,14
35 38,86
36 42,57
43 45
44 15,57
. GRAFIK RESPON GOVERNOR PADA SAAT BEBAN BERTAMBAH
0
1
0
5
10
15
20
25
30
40
35
45
50
55
WAKTU (DETIK) -
-
-
Gambar 13. Respon Governor pada Kondisi Beban Bertambah Jika ditinjau dari respon pada kedua kondisi pembebanan yang dilakukan ternyata terdapat perbedaan respon pada kedua kondisi tersebut. Pada kondisi beban berkurang, terjadi satu kali lewatan sebelum sistem kembali pada putaran norrnalnya. Hal ini berarti pada kondisi ini sistem memiliki faktor peredaman (0 < & < 1). ~ementarapada kondisi beban bertambah, tidak terjadi lewatan sampai sistem kembali ke putaran norrnalnya. Hal ini berarti pada kondisi ini sistem memiliki faktor peredaman (& > 1). Namun dari kedua kondisi tersebut, sistem pengaturan kecepatan terlihat stabil
SIMPULAN DAN SARAN Dari pengujian dan analisisnya dapat disimpi~lkansebagai berikut: 1. Terdapat perbedaan respon pengaturan kecepatan putaran pada sistem turbin air antara kondisi beban bertambah dan kondisi beban berkurang. Pada kondisi beban bertambah, tidak terjadi lewatan sementara pada kondisi beban berkurang, terjadi lewatan. 2. Waktu yang diperlukan untuk kembali ke putaran normal lebih cepat pada saat kondisi beban bertambah dibanding pada kondisi beban berkurang. 3. Siste~npengaturan kecepatan menunjukkan fenornena stabil. 4. Hasil temuan ini menunjukkan terjadi perbedaan antara kajian teoritis dengan kenyataan sebenarnya. Oleh karena itu harus dilakukan
pengkajian ulang terhadap penerapan teori yang digunakan. Sangat dimungliinkan pengaruh gangguan, rnassa inertia, dan penyederliaan sistem memberi pengaruh terhadap perbedaan respon pada kedua kondisi pembebanan tersebut. Untuk penelii-ian selanjutnya, disarankan agar kaj ian teori sebai knya ~nemasukkanfaktor-faktor yang dieliminir pada penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA Dadang, (1999), Eksgerimen Rancang Bangun Sistem Mekanik pada Governor Hidraulik dengan Mekanisme Bandul Jenis Hartnel untuk Turbin Air (Tugas Akhir), FT UNP Padang, Padang. Frankllin, et al, (1986), Feedback Control o f Dynamic Systems, Addison-Wesley Publishing Company, Massachusets. Ogata, et al. (1993). Teknik Kontrol Otomatis (Sistem Pengaturan) J jlid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta. Raven, Prancis. (1987), Automatic Control Engineering, McGraw-Hill, New York.
