Dunia Kereta - Sistem Propulsi KRL

Setelah sebelumnya dibahas tentang sistem propulsi pada KRDH, sistem propulsipada KRDE, dan juga VVVF dan SIV sekarang kita akan belajar bersama tentang sistem propulsi pada Kereta Rel Listrik (KRL). Sistem propulsi pada KRL mirip dengan KRDE karena keduanya sama – sama memakai motor traksi sebagai penggerak. Perbedaan keduanya terletak pada sumber energinya, KRDE memperoleh sumber energi listrik dari mesin diesel yang memutar alternator kemudian menghasilkan listrik, sedangkan pada KRL listrik diperoleh dari Listrik Aliran Atas (LAA) atau overhead line yakni kabel yang berada diatas rel KRL. Sumber listrik KRL bisa juga dialirkan dibawah melalui rel ketiga (3^rd rail) yakni rel khusus mengantarkan aliran listrik. Pada pembahasan selanjutnya kita akan pakai istilah LAA. Lebih jelas tentang LAA dan 3^rd rail akan dibahas pada artikel selanjutnya.

Berdasarkan arus listrik di LAA dan jenis motor traksi yang dipakai, KRL dibedakan menjadi:

1.  LAA listrik DC, motor traksi DC
2. LAA listrik DC, motor traksi AC
3.  LAA listrik AC, motor traksi DC
4. LAA listrik AC, motor traksi AC

Gambar. LAA[1] dan 3^rd rail [2]

LAA listrik DC

Berikut adalah skema sistem propulsi KRL dengan LAA listrik DC dan motor traksi DC. Dapat dilihat pada gambar bahwa aliran arus listrik mengalir mulai dari LAA, masuk ke pantograph setelah pantograph ada CB(Circuit Breaker) yang berfungsi memutus aliran arus listrik apabila terjadi kesalahan/ kerusakan, setelah itu listrik masuk ke DC-DC converter (Chopper). DC-DC Converter disini berfungsi untuk mengatur besarnya tegangan output yang masuk ke motor karena DC-DC converter memiliki input DC yang konstan sedangkan output DC nya bervariasi. Tegangan yang bervariasi diperlukan untuk mengatur kecepatan motor DC. Berbeda dengan motor AC yang dalam pengaturan kecepatannya memerlukan variasi tegangan dan frekuensi, pada motor DC cukup tegangan yang diatur. Jika ingin kecepatan rendah diberi tegangan rendah dan jika ingin kecepatan tinggi maka tegangan yang diberikan juga tinggi. Demikian kenapa control kecepatan motor DC lebih mudah dari motor AC.

Sedangkan untuk auxiliary load diambilkan dari DC – AC Converter yang nama lainya adalah inverter dan seperti dijelaskan sebelumnya disini dipakai statis inverter atau sering disebut Static Inverter (SIV). Selanjutnya arus listrik mengalir balik ke stasiun pensuplai listrik melalui axle brush kemudian menuju rel. Sistem ini, stasiun pensuplai – overhead line – kereta – rel, membentuk rangkaian tertutup sehingga arus listrik bisa mengalir.

Gambar. Skema propulsi KRL: LAA listrik DC, motor DC

Gambar. Pantograph [3]

Selanjutnya untuk LAA listrik DC dan motor traksi AC. Tidak jauh berbeda dari sebelumnya, hanya saja komponen DC – DC Converter diganti dengan DC – AC Converter (inverter) agar menghasilkan listrik AC. Seperti dijelaskan pada artikel sistem propulsi pada KRDE,  pengaturan kecepatan motor AC memerlukan variasi voltage dan variasi frekuensi, untuk itu inverter yang dipakai untuk motor traksi disini adalah jenis VVVF. Pada gambar dibawah terdapat dua motor traksi AC 3 phase dengan 1 VVVF apakah ini bisa? VVVF dapat mensuplai beberapa motor traksi dengan catatan jumlah total daya listrik motor traksi yang ada tidak melebihi daya listrik VVVF. Misalnya untuk VVVF 800 kW maka mampu untuk menggerakkan motor traksi 200 kW sebanyak 4 buah. Hal penting disini, antar motor traksi harus disusun parallel agar tegangan yang diperoleh sama, ingat pengaturan kecepatanya perlu salah satunya variasi tegangan.

Untuk beban auxiliary sama dengan sebelumnya, hanya saja disini lebih diperjelas dengan adanya tambahan travo yang bisa untuk menaikkan/menurunkan tegangan (tergantung jenis travonya). Dan ada tambahan rectifier untuk charging baterai. Beterai ini diperlukan untuk supplai ketika kondisi emergency.

Gambar. Skema propulsi KRL: LAA listrik DC, motor AC [2]

LAA listrik AC

Pada sistem ini, LAA memakai listrik AC dan motor traksi DC. Arus listrik mengalir melalui LAA, melewati CB kemudian menuju transformer. Transformer diperlukan karena biasanya LAA memakai listrik tegangan tinggi agar losses (rugi - rugi) yang dihasilkan kecil ketika distribusi. Biasanya memakai 25 kVA. Listrik masuk travo kemudian diturunkan tegangannya. Setelah itu listrik masuk ke AC-DC Converter (rectifier), dari rectifier listrik AC diubah menjadi DC. Setelah itu listrik DC akan masuk ke DC – AC Motor Converter (VVVF) yang selanjutnya mensuplai motor traksi dan masuk DC -  AC Auxiliary Converter (SIV) yang selanjutnya mensuplai beban auxiliary. Aliran arusnya sama, yakni selanjutnya listrik kembali ke gardu pensuplai melalui rel. Sedangkan pada sistem LAA listrik AC yang memakai motor DC hampir sama. Perbedaanya hanya DC – AC Motor Converter diganti menjadi DC- DC Converter.

Gambar. Skema propulsi KRL: LAA listrik AC, motor AC [2]

Ref:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Overhead_line

[2] http://www.railway-technical.com

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Pantograph_(transport)

Read More

Dunia Kereta - VVVF dan SIV

VVVF dan SIV, kedua komponen ini akan sering kita sebut jika membahas kereta bertransmisi elektris atau yang memakai penggerak motor listrik baik itu dengan power yang berasal dari diesel (KRDE) ataupun power yang berasal dari listrik (KRL). Setelah sebelumnya dibahas tentang sistem propulsi KRDE yang sudah menyinggung tentang VVVF dan SIV, maka sebelum lanjut ke pembahasan sistem propulsi Kereta Rel Listrik (KRL) sebaiknya kita pelajari dulu apa itu VVVF dan SIV sehingga pembahasan selanjutnya lebih jelas.

VVVF merupakan kependekan dari Variable Voltage Variable Frequency sedangkan SIV adalah Static Inverter. Pada dasarnya VVVF dan SIV sama – sama termasuk golongan inverter, hanya saja VVVF untuk output yang variable sedangkan SIV untuk output yang lebih stabil atau disebut static. Istilah VVVF sendiri, dalam dunia perkeretaapian, lebih banyak dipakai untuk produk yang berasal dari Jepang, sedangkan produk barat (eropa atau amerika) VVVF disebut MCM (Motor Control Module). Demikian pula SIV, juga merupakan istilah yang banyak dipakai di produk Jepang, sedang di barat SIV disebut ACM (Auxiliary Control Module). Dari nama lain VVVF yakni MCM jelas pula bahwa VVVF dipakai untuk control motor traksi, sedangkan SIV atau ACM untuk supply auxiliary.

Gambar. Skematik Inverter dan SIV sama, hanya sistem kontrolnya yang berbeda [1]

VVVF yang merupakan variable inverter memiliki output yang berupa tegangan dan frekuensi yang variable. Tegangan dan frekuensi variable diperlukan untuk mengatur kecepatan motor traksi. Biasanya dalam data motor traksi akan ada spesifikasi tegangan, frekuensi, dan juga kecepatan. Misalnya 380 V, 50 Hz, dan 3000 rpm, artinya jika kita memberi supply listrik 380 V, frek 50 Hz maka motor traksi akan memiliki kecepatan 3000 rpm. Sedangkan untuk aplikasi kereta api, tidak mungkin motor disetting dengan kecepatan 3000 rpm sepanjang waktu. Pasti ada saat berhenti, kecepatan rendah, kecepatan tinggi, akselerasi dan deselerasi. Untuk itu maka dipakai VVVF yang dapat memvariasikan frekuensi supply ke motor traksi yakni 0 Hz -  frekuensi tertentu sesuai desain. Lebih jelas lihat pembahasan motor control.

Gambar. VVVF dan SIV di kereta [2]

Gambar. VVVF dan komponen penyusunya [2]

Sedangkan SIV yang dipakai untuk beban auxiliary memiliki frekuensi yang stabil yakni 50 Hz, di Indonesia. Beban auxiliary ini misal lampu, AC, power socket, dan lainya. Apa yang terjadi jika SIV dipakai untuk motor traksi? Seperti dijelaskan sebelumnya, maka motor traksi tidak akan bisa diatur kecepatannya, dan motor akan langsung berputar pada frekuensi keluaran SIV yang konstan tadi. Namun sebaliknya, VVVF dapat dipakai untuk SIV, karena VVVF mampu menghasilkan output frekuensi yang variable, maka jika output VVVF disetting konstan di nilai 50 Hz, misalnya, maka ia akan berfungsi sebagai SIV. SIV bisa saja diubah menjadi VVVF tetapi dengan setting yang lebih sulit karena harus mengubah program dari output yang statis menjadi dinamis. Selain itu biasanya komponen SIV memiliki rating yang lebih rendah dari VVVF karena sifat bebannya yang lebih stabil. Sehingga VVVF pasti memiliki harga yang lebih mahal dari SIV.

Ref:

[1] http://www.mpoweruk.com/motorcontrols.htm

[2] http://dawonsys.com

Read More

Dunia Kereta - Sistem Propulsi KRDE

Libur lebaran tahun 2016 telah usai, mari mulai beraktivitas kembali, salah satunya untuk belajar kembali tentang kerata api. Melihat dari mudik tahun ini, kemacetan semakin parah terjadi, salah satu angkutan darat yang terbebas dari macet dan banyak diminati adalah kereta api. Untuk itu, semoga kita terus semangat belajar tentang kereta api untuk membangun negeri ini.

Peda kesempatan kali ini akan kita pelajari bersama sistem propulsi pada KRDE (Kereta Rel Diesel Elektrik) setelah sebelumnya kita mambahas sistem propulsi pada KRDH. Seperti sebelumnya dibahas, bahwa antara KRDH dan KRDE memiliki sumber power yang sama yaitu mesin diesel, tetapi keduanya memiliki sistem transmisi yang berbeda. Seperti namanya, KRDH memiliki sistem transmisi hidrolik sedangkan KRDE memiliki sistem transmisi elektris.

Berikut adalah skema sederhana sistem propulsi pada KRDE:

Gambar. Skema Propulsi KRDE

Seperti dapat dilihat pada gambar diatas, ciri utama kereta bertrasmisi elektris adalah power diubah manjadi daya listrik untuk seterusnya dipakai menggerakkan motor listrik. Pertama daya dari mekanik dari mesin diesel dipakai untuk menggerakkan alternator (generator) sehingga menghasilkan listrik AC (alternating current) 3 phase. Coupling antara sharf diesel dengan alternator biasanya berupa coupling mekanik.

Listrik AC 3 phase ini kemudian masuk ke rectifier untuk diubah menjadi listrik DC (Direct Current). Listrik DC output rectifier ini kemudian masuk ke VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) dan SIV (Static Inverter). VVVF menghasilkan listrik AC 3 phase untuk supply motor traksi sedangkan SIV menghasilkan listrik AC 3 phase untuk supply auxiliary sistem seperti AC, lighting dan lainnya. Kenapa supply motor traksi dan auxiliary harus dibedakan dengan VVVF dan SIV? Karena keduanya memiliki karakteristik yang berbeda, salahsatunya adalah energy yang diserap motor traksi lebih besar dan lebih bervariasi. Lebih jelas tentang perbedaan antara VVVF dan SIV. Mulai dari alternator sampai dengan motor listrik, energi ditrasmisi dalam bentuk listrik sehingga lebih praktis, inilah kelebihan utama sistem transmisi elektris.

Untuk jenis KRDE komponen – komponen seperti tersebut diatas biasanya diletakkan di bawah lantai (underframe) agar jumlah muatan penumpang tetap banyak. Untuk itu perlu desain khusus dari mesin diesel, alternator, rectifier maupun VVVF dan SIV nya. Sedangkan motor traksi biasanya diletakkan pada bogie.

Gambar. Power pack (diesel engine + alternator) [1]

Gambar. VVVF Thosiba [2]

Gambar. Motor Traksi [3]

Mungkin ada yang bertanya, output dari alternator adalah listrik AC dan motor yang digunakan juga motor listrik AC, kenapa harus memakai rectifier dan VVVF? Hal ini berkaitan dengan sistem control kecepatan motor traksi. Saat ini motor traksi yang banyak digunakan untuk KRDE di Indonesia adalah motor induksi (diluar negeri mulai banyak memakai motor Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)), yang mana untuk mengatur kecepatanya memerlukan komponen VVVF. Sedangkan komponen VVVF sendiri memiliki inputan listrik DC sehingga dipakailah rectifier juga. Apakah ada motor listrik DC yang dipakai untuk motor traksi? Ada. Dulu sebelum ditemukan metode control motor listrik AC, motor listrik DC banyak dipakai sebagai motor traksi. Motor listrik DC mulai ditinggalkan karena salah satunya perawatanya yang lebih mahal dibanding motor listrik AC. Jika menggunakan motor listrik DC maka skema sistem propulsi KRDE diatas dari output rectifier dapat langsung dihubungkan ke motor listrik DC.

Gambar. Contoh KRDE produksi PT INKA: KA Batara Kresna - Solo [4]

Ref:

[1] http://www.mtu-report.com/Rail/Railcars/Diesel-goes-electric

[2]http://www.toshiba.co.jp/sis/railwaysystem/en/products/rollingstock/dc.htm

[3]http://cs.trains.com/trn/f/111/t/195517.aspx

[4]http://www.mediaindonesia.com/news/read/1334/ka-batara-kresna-dioperasikan-lagi/2015-03-12

Read More