STUDI PEMODELAN DAN PENGENDALIAN ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) DI PT. BARATA INDONESIA (Persero) Mochamad Muslim Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Sukolilo Surabaya Abstrak : Kebutuhan akan penggunaan logam baja saat ini mengalami perkembangan seiring dengan pertumbuhan pada berbagai bidang industri. Dengan demikian diperlukan proses pembuatan ataupun peleburan yang mengasilkan logam sesuai dengan keperluan aplikasi dalam pemakaiannya, dalam hal kekuatan, kekerasan, kekuatan lelah, ketahanan korosi dan sebagainya, sehingga dalam pemakaiannya akan memberikan hasil yang paling optimal. Namun pada proses tersebut biasanya masih membutuhkan pengendalian daya yang cukup besar, sehingga proses ini dirasa kurang efisien. Pengefisienan daya ini dapat diatasi dengan memodelkan dan mengendalikan Electric Arc Furnace (EAF). EAF merupakan inti dari proses peleburan logam baja yang dikenal dengan mini-mills. Maka dalam tugas akhir ini dibuat simulasi pemodelan dan pengendalian pada EAF menggunakan software Matlab, dimana pengontrolnya menggunakan sistem Open-Loop dan Close- Loop sehingga didapatkan suatu pemodelan dan pengendalian EAF yang dinamis dengan pengambilan sampel di PT. Barata Indonesia (Persero) Gresik. Memodelkan dan mengendalikan EAF dengan sistem Close- Loop arus yang dihasilkan dan daya listrik yang dikonsumsi lebih efisien 69.82% dibandingkan dengan sistem Open- Loop. 1. PENDAHULUAN Masalah kualitas daya listrik pada sistem kelistrikan industri merupakan hal yang penting untuk diketahui. Sebab pada sebuah industri khususnya industri peleburan besi baja, masalah kualitas daya listrik ini memegang peranan penting dalam menentukan keberadaan industri atau pabrik tersebut. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kualitas daya listrik, antara lain: ketidakseimbangan tegangan, gangguan tegangan, faktor daya dan hamonisa. Di industry peleburan baja, kerlip cahaya (light flicker) menjadi suatu masalah yang signifikan sebab di pabrik peleburan baja terdapat tanur busur listrik yang merupakan salah satu sumber beban fluktuatif Electric Arc Furnace (EAF) atau juga disebut tanur busur listrik adalah bagian utama dari sebuah pabrik peleburan baja dalam melakukan peleburan baja. EAF atau tanur busur listrik biasanya terdiri tiga buah batang elektroda besar yang biasanya terbuat dari graphite. Untuk melakukan peleburan besi dan baja, dilakukan pembenturan electric arc (busur listrik) antara elektroda dengan baja yang ada dalam sebuah wadah besar. Dengan arus yang sedemikian besar sudah pasti sebuah EAF akan menyerap daya yang besar pula, sehingga proses ini dirasa kurang efisien. Hal ini pasti akan sangat berpengaruh terhadap kestabilan sistem berupa kerlip cahaya (light fliker). Oleh karena itu memodelkan dan mengendalikan EAF bertujuan untuk mendapatkan pengendalian daya yang dibutuhkan menjadi se-efisien mungkin, tetapi tetap memberikan hasil yang optimal. 2. KUALITAS DAYA LISTRIK 2.1 PENGERTIAN KUALITAS DAYA LISTRIK Kualitas daya listrik memiliki beberapa definisi, tergantung dari sisi pengamatnya. Bagi pelanggan, kualitas daya listrik mereka definisikan sebagai keandalan sistem tenaga listrik atau energi listrik yang menyatakan 99,9% sistem kelistrikan tersebut dapat diandalkan. Sedangkan bagi para produsen peralatan listrik, mereka mendefinisikan kualitas daya listrik sebagai karakteristik suplai tenaga listrik dimana dapat menyuplai beban yang mereka hasilkan sehingga berfungsi dengan baik. Secara umum, kualitas daya listrik dapat diartikan sebagai segala macam permasalahan yang berhubungan dengan tegangan, arus, maupun frekuensi yang dapat menyebabkan kegagalan sistem maupun kesalahan operasional hingga sisi pelanggan. Kualitas daya listrik pada kenyataannya berhubungan dengan gangguan tegangan (voltage disturbance), harmonisa (harmonics), faktor daya (power factor) dan kompensasi daya reaktif (reactive power compensation). 2.2 GANGGUAN TEGANGAN (VOLTAGE DISTURBANCES) Gangguan tegangan berpengaruh langsung pada suplai daya listrik, oleh karena itu masalah gangguan tegangan ini harus segera diatasi.gangguan tegangan antara lain disebabkan oleh beban-beban yang menyebababkan aliran arus menjadi sangat cepat sehingga memungkinkan terjadinya variasi tegangan. IEEE Recomended Practices Std 1159, mengelompokkan gangguan tegangan sebagai berikut: Transient, Short-duration Variation, Long-duration 1
Variation, Voltage Fluctuation (Flicker), Voltage Deviation, Voltage Imbalance (Asymetry). 3. FAKTOR DAYA Ada dua definisi umum untuk faktor daya. Definisi pertama menyatakan faktor daya sebagai cosinus dari sudut beda fasa antara arus dan tegangan dimana arus tertinggal atau mendahului tegangan. Definisi yang lebih umum digunakan adalah ratio antara daya aktif dan daya total. Faktor daya bervariasi antara 0 sampai dengan 1, tapi biasanya dinyatakan dalam persen (%).Untuk gelombang yang tak sinusoidal, misalnya terdapat harmonisa, maka faktor daya berbanding lurus dengan bentuk gelombang fundamentalnya. Faktor daya bisa mendahului (leading) dan bisa terbelakang (lagging). Umumnya pada suatu plant (industri) hanya faktor daya beban yang diperhitungkan. Faktor daya mendahului bila beban menghasilkan daya reaktif (VAR), jika arah daya aktif dan daya reaktif sama maka faktor daya pada titik referensi maka faktor dayanya terbelakang. Untuk memperbaiki faktor daya, pembangkit daya reaktif yang dapat digunakan yaitu generator sinkron, kondensor sinkron, kapasitor seri, kapasitor shunt. Dari keempat komponen daya reaktif diatas ternyata yang memenuhi daya reaktif dengan daya relatif besar untuk memenuhi segi teknis dan ekonomis adalah kondensor sinkron dan kapasitor shunt. 4. ELECTRIC ARC FURNACE (EAF) 4.1 Electric Arc Furnace (EAF) EAF dikenal pula secara luas sebagai electric smelting and melting furnace. Ini merupakan peralatan untuk peleburan dan pelelehan dari besi dan baja dengan daya listrik yang tinggi. Tanur Busur Listrik biasanya dioperasikan pada tingkat daya dengan range sebesar 30 sampai 60 MW, dan seringkali, perubahan beban dinamis dari tanur dapat menyebabkan dampak yang signifikan pada peralatan pembangkitan, stabilitas transient dari sistem tenaga dan kualitas daya pada beban-beban lain yang terinterkoneksi. Ketidakstabilan beban tanur yang disebabkan baik oleh kelakuan arc (busur) listrik dan juga dari gangguan pengoperasian tanur didiskusikan dari prosesnya dan dari pandangan secara kelistrikannya. Hasilnya adalah interaksi antara gangguan dan pembangkitan dan peralatan suplay daya dari tanur. Sebagian besar dari tanur peleburan listrik mempunyai wadah pencairan untuk logam dalam tungku, yang mendasari lapisan kerak (yang relatif) resistif diatas bahan campuran yang tidak leleh ditambahkan. Ada empat jenis khusus dari operasi peleburan, berdasarkan karakteristik dari mekanisme konversi tenaga ke panas dan memindahkan panas yang dihasilkan ke tanur pemanas: Immersed Electrode (elektroda yang dibenamkan) Open Arc (busur terbuka) Shielded Arc (busur terlindungi) Submerged Arc (busur terendam) Dalam prakteknya, keempat metoda ini dibedakan posisi operasional dari ujung-ujung elektroda tergantung pada rendaman cairan dan keadaan dan kedalaman dari bagian tidak-cair yang menutupi sekeliling elektrodaelektroda. Keistimewaan ini, bersama dengan parameterparameter listrik rangkaian sekunder khusus untuk tanur 40 50 MW. Gangguan pada sistem tenaga merupakan hasil dari pembusuran, ketidakstabilan juga merupakan hasil dari gangguan pengoperasian normal itu sendiri seperti ramping (lereng) daya dan ketidakseimbangan daya. Menghidupkan dan mematikan rata-rata ramp (lereng) daya secara normal dipengaruhi oleh suatu nilai dimana pembangkitan bisa diregulasikan untuk bisa memenuhi kebutuhan beban. Operasi tidak seimbang (unbalanced) berkaitan dengan kerusakan elektroda dan terbakarnya elektroda, atau juga penyesuaian keluaran temperatur yang dipengaruhi oleh supply daya dan kemampuan negatif sequence dari penggerak beban. 4.2 Operasi Pembusuran (Arcing Operation) Resistansi mulai naik dengan lebih cepat ketika ujung elektroda mendekati permukaan cairan bijih, tujuan utamanya adalah untuk mengurangi daerah kontak antara titik ujung dengan rendaman cairan bijih. Pembusuranmikro antara elektroda dan cairan bijih dimulai sebelum ujung elektroda lepas dari permukaan cairan bijih. Kondisi ini secara umum disebut Brush Arcing (Busur Sikat). Keadaan operasi tetap di daerah ini merupakan keadaan yang tidak diinginkan ketika keadaan ini kehilangan sifat stabil dari mode immersed (pembenaman)-nya, tidak memberikan resistansi tambahan yang diperlukan untuk tingkat tegangan tinggi dan mendapat ketidakstabilan yang diperoleh dari pengukuran ujung elektroda variabel dan pergerakan gelombang dari permukaan cairan bijih. Ketika elektroda naik keatas zona busur sikat, ratarata resistansi meningkat dengan posisi elektroda diasumsikan memiliki kecuraman yang lebih curam, merefleksikan permulaan kondisi pembusuran sabil. Energi dilepaskan dalam busur tegangan tinggi dipindah baik secara langsung ke beban dalam kasus operasi shielded arc (busur terlindungi) maupun juga kombinasi perpindahan lansung pada mode open arc (busur terbuka). Selama transfer energi busur ke beban tidak tergantung pada sirkulasi kembali dari cairan bijih panas (yang merupakan penyebab utama erosi dinding samping tanur), akan lebih banyak daya yang dapat digunakan dibanding dengan kemungkinan pada peleburan dengan cara immersed-electrode. Dan selama peleburan dengan cara shielded-arc menghasilkan gas buang dengan kondisi sedang dibanding dengan cara open-arc, maka cara ini sudah seharusnya dipakai. Resistansi busur akan meningkat sebanding dengan panjang busur, tetapi tidak secara invariant. Dalam prakteknya, jatuh tegangan yang melintasi busur, meningkat 2
secara proposional terhadap panjang busur melebihi jarak yang cukup lebar dari tingkat arus. Secara khusus, gradien tegangan busur adalah sebesar 15 volt per cm panjang busur, baik pada mode open-arc maupun shielded-arc. Selama rata-rata resistansi berubah dengan posisi elektroda yang masih jauh lebih curam pada saat pembusuran bila dibanding dengan menggunakan cara operasi immersedelectrode, parameter-parameter listrik dari tanur masih akan lebih sensitif untuk mode pembusuran. 5. SIMULASI 5.1 Metodologi Simulasi Simulasi untuk memodelkan dan mengendalikan Electric Arc Furnace (EAF), dalam usaha efisiensi penggunan daya pada saat proses peleburan baja,akan dikerjakan sesuai dengan metode seperti pada gambar 3. 5.2 Distribusi Tenaga Listrik EAF Di PT. Barata Indonesia (Persero) Sistem distribusi EAF pada PT. Barata Indonesia (Persero) berasal dari sumber tenaga listrik utama yang diperoleh dari PLN sebesar 70 kv yang kemudian masuk melalui transformator step down 3 MVA menjadi 6 kv. Pada transformator utama tersebut tegangan didistribusikan ke transformator step down 2 MVA 3 fasa dengan 6 tap tegangan, yaitu 81 V, 92 V, 104 V, 140 V, 160 V, 180 V. Penggunaan node-node ini akan menentukan besarnya arus pada setiap elektroda dengan respon dari tegangan. 2 0 1 3 Gambar 2 Model Kelistrikan EAF mulai Mengumpulkan data dari PT. Barata Indonesia Mengolah data dengan M-file pada Matlab Membuat Simulasi Sistem Close-Loop dengan Simulink matlab Membuat Simulasi Sistem Close-Loop dengan Simulink matlab Gambar 1 Single Line Diagram Arc Furnace Feeder 5.3 Perhitungan Arus EAF Dengan menggunakan Hukum Kirchoff (Kirchoff Current Law (KCL).) Sampel data yang ada pada PT. Barata Indonesia (Persero) disederhanakan dalam suatu rangkaian sistem kelistrikan untuk memudahkan simulasi dan analisanya. Gambar 2 menunjukan terdapat 4 node, diamana untuk setiap elektroda merupakan node, yaitu node 1, node,dan node 3. Sedangkan untuk node yang keempat adalah ground ( ). Evaluasi hasil simulasi Simulink Matlab Selesai Gambar 3 Flowchart Metode Simulasi 5.4 Persamaan Node Berdasarkan Gambar 2 persamaan arus dapat diperoleh dengan menerapkan hukum Kirchoff pada masing-masing node. 3
0 Nilai-nilai dari variabel yang akan digunakan dalam pengolahan data adalah sebagai berikut: Tabel 1 Nilai Variabel [7] Variabel Range Nilai Nilai Yang Digunakan, 81 V 92 V 104 V 140 V 160 V 180 V 140 V,, 1-100 S/m 20 S/m 5-25 S 10 S G 0 S 0.1 S input berupa tegangan yang diberikan oleh tap tegangan dari transformator, dan yang terakhir adalah input berupa konduktansi (G). Pada sisi output terdapat 6 output, yaitu arus yang dihasilkan oleh setiap elektroda (I1, I2, dan I3) dan daya yang dikonsumsi oleh setiap elektroda (P1, P2, dan P3). Perbedaan dengan Open-Loop adalah terletak pada output, dimana pada output arus di umpan balik ke inputan untuk dikontrol oleh PID controller. Gambar 4 Blok Diagram Simulink Close-Loop Dimana: I = Arus (A) V = Tegangan (Volt) G = Konduktansi (S) Gs = Konduktansi dalam Slag (S) C = Koefisien konduktansi (S/m) 5.5 Simulasi Open-Loop Pada sistem ini EAF dimodelkan dan dikendalikan secara terbuka, yang mana tidak ada sinyal umpan balik (feedback) yang diberikan sisi output ke sisi input. Pada gambar 4 dapat dilihat terdapat 7 input, yaitu 3 input berupa posisi dari setiap elektroda (x1, x2, x3), 3 input berupa tegangan yang diberikan oleh tap tegangan dari transformator, dan yang terakhir adalah input berupa konduktansi (G). Pada sisi output terdapat 6 output, yaitu arus yang dihasilkan oleh setiap elektroda (I1, I2, dan I3) dan daya yang dikonsumsi oleh setiap elektroda (P1, P2, dan P3). Pengolahan data dilakukan di M-File pada matlab sebagai fungsi Matlab Function. 5.6 Simulasi Close-Loop Pada sistem ini EAF dimodelkan dan dikendalikan secara tertutup, yang mana pada sisi output terdapat sinyal umpan balik (feedback) yang diberikan kembali ke sisi input. Gambar 5 dapat dilihat terdapat 7 input, yaitu 3 input berupa posisi dari setiap elektroda (x1, x2, x3), 3 Gambar 5 Blok Diagram Simulink Close-Loop 6. HASIL SIMULASI 6.1 Simulasi Open-Loop Pada simulasi ini digunakan tap tegangan 140 V. (katoda) yang dialiri arus listrik digerakkan mendekati bahan lebur (anoda). Permukaan bahan lebur ini dilapisi oleh slag (seperti batu kapur) yang berfungsi untuk melindungi bahan lebur agar tidak terkontaminasi dengan 4
udara di sekitar tungku sehingga temperaturnya akan tetap terjaga. Pergerakkan elektroda ini tidak dikendalikkan oleh pengontrol sehingga pada simulasi ini diasumsikan elektroda dan bahan lebur langsung bersentuhan. Besarnya arus yang dihasilkan pada saat awal bersentuhan yaitu sebesar ± 13.93 ka selama 6 detik, dengan konsumsi daya listrik sebesar ± 1.93 MW. Layaknya seperti hubung singkat yang menimbulkan busur api, maka terjadilah proses panas pada permukaan sentuh. Dimana pada kondisi ini bahan lebur mulai dihancurkan dengan proses panas tersebut. Kemudian arus turun menjadi sebesar ± 13.82 ka, dikarenakan bahan lebur yang bersentuhan dengan elektroda mulai mencair. Dengan demikian arus yang dihasilkan akan mulai stabil, dengan konsumsi daya listrik sebesar ± 1.95 MW. Bentuk magnitudo arus dan daya listrik seperti terlihat pada gambar 6 dan 7. udara di sekitar tungku sehingga temperaturnya akan tetap terjaga. Pergerakkan elektroda ini dikendalikkan oleh pengontrol yang menerima sinyal umpan balik (feedback) dari output arus elektroda. Saat elektroda mulai didekatkan dengan bahan lebur antara 15-10 cm, akan muncul busur api dan arus yang dihasilkan elektroda yaitu sebesar ± 19 A dengan konsumsi daya listrik ± 2660 Watt. Arus tersebut akan dipakai sebagai informasi masukan ke sistem kontrol untuk menggerakkan elektroda. Semakin dekat jarak antara elektroda dengan bahan lebur, maka arus yang dihasilkan semakin besar pula. Sehingga akan mempercepat proses mencairnya bahan lebur. Pada saat elektroda bersentuhan dengan bahan lebur terjadi kenaikkan arus yang signifikan. Setelah bahan lebur tersebut mulai mencair, arus yang dihasilkan juga mulai stabil yaitu sebesar ± 9.28 A, dengan konsumsi daya listrik sebesar ± 1.2 MW. Bentuk magnitudo arus dan daya listrik seperti yang terlihat pada gambar 8 dan 9. Arus Gambar 6 Bentuk Magnitudo Arus Open-Loop Arus Gambar 8 Bentuk Magnitudo Arus Close-Loop Daya Gambar 7 Bentuk Magnitudo Daya Open-Loop 6.2 Simulasi Close-Loop Pada simulasi ini digunakan tap tegangan 140 V. (katoda) yang dialiri arus listrik digerakkan mendekati bahan lebur (anoda). Permukaan bahan lebur ini dilapisi oleh slag (seperti batu kapur) yang berfungsi untuk melindungi bahan lebur agar tidak terkontaminasi dengan Daya Gambar 9 Bentuk Magnitudo Daya Close-Loop 6.3 Analisa Simulasi Open-Loop dan Close-Loop Dari hasil simulasi Open-Loop dan Close-Loop dapat diketahui bahwa memodelkan dan mengendalikan EAF dapat mempengaruhi besarnya arus yang dihasilkan 5
dan besarnya daya listrik yang dikonsumsi selama proses peleburan. Pada simulasi Open-Loop dilakukan tanpa adanya pengontrol. Dan proses awal peleburan diasumsikan elektroda dengan bahan lebu lansung bersentuhan. Sehingga akan menimbulkan busur api dan terjadi proses panas pada permukaan sentuh..selama bersentuhan, arus yang dihasilkan sangat besar secara terus menerus, hal ini menyebabkan arus dapat mengalir melalui udara yang terionisai antara elektroda dengan bahan. Sehingga arus yang dihasilkan tidak terkendali. Dengan demikian daya listrik yang dikonsumsi juga cukup besar. Besarnya arus yang dihasilkan selama simulasi ini yaitu ± 13.82 ka dan daya listrik yang dikonsumsi sebesar ± 1.93 MW sampai bahan lebur tersebut mencair. Pada simulasi Close-Loop dilakukan dengan dikendalikan pengontrol yang menerima sinyal umpan balik dari output arus elektroda. Arus yang dihasilkan tersebut akan memberikan informasi ke sistem pengontrol untuk menggerakkan elektroda turun mendekati bahan lebur. Sehingga pergerakkan elektroda dapat diatur dan arus yang dihasilkan dapat dikendalikan sesuai dengan jarak antara elektroda dengan bahan lebur. Sampai akhirnya elektroda bersentuhan dengan bahan lebur dan arus yang dihasilkan akan mulai stabil. Dikarenakan bahan lebur sudah mencair. Sehingga daya listrik yang dikonsumsi juga akan dapat dikendalikan sesuai dengan arus yang dihasilkan. Besarnya arus yang dihasilkan selama simulasi ini yaitu ± 8.14 ka dan daya listrik yang dikonsumsi sebesar 1.13 MW. Dengan demikian pada simulasi Close-Loop arus yang dihasilkan dan daya listrik yang dikonsumsi lebih efisien dibandingkan dengan simulasi Open-Loop yaitu sebesar 69.82 %. 7. KESIMPULAN Berdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Studi tentang pemodelan dan pengendalian EAF di PT. Barata Indonesia (Persero) dengan simulasi Close-Loop dan Open-Loop menggunakan Simulink Matlab dapat mempengaruhi besarnya arus yang dihasilkan dan besarnya konsumsi daya selama proses peleburan. 2. Memodelkan dan mengendalikan EAF dengan simulasi Close-Loop ternyata lebih baik. Karena arus yang dihasilkan dan daya listrik yang dikonsumsi lebih efisien dari pada dengan simulasi Open-Loop yaitu sebesar 69.82%. DAFTAR PUSTAKA [1] Dugan RC, Mark F. 1996. Electrical Power System Quality, McGranagan.,H. Wayne Beaty Mc.Graw-Hill. [2] B. Boulet, V. G. Wong, Control of High-Power Non- Ferrous Smelting Furnaces, IEEE Canadian Review, summer 1997. [3] G. dosa, A. Kepes, T. Ma and P. Fantin, Computer Control of High-Powetr Electric Furnace. Challenges in Process IntensitificationSymposium, 35 th Conference of Metallurgist of Metallurgical Society of CIM,Montreal, Quebec, August 24-29, 1996. [4]Kazibwe Wilson E., Ph.D,. Sendaula Musoke H, Ph.D. 1993. Electric Power Quality Control Techniques, Van Nostrand Reinhold. [5] Ma T., Bendzsak G. J., dan Perkins M., Power System Design For High-Power Electric Smelting And Melting Furnaces, International Symposium on Non-Ferrous Pyrometallurgy, Agustus 23 27, 1992. [6] Penangsang, O. Analisa Sistem Tenaga Listrik, Jurusan Teknik Elektro FTI ITS, Surabaya. [7] B, Benoit., L, Gino and A, Mark., Modeling and Control of an Electric Arc Furnace (EAF), Procceding of American Control Converence, Denver Colorado, June 4-6 2003. RIWAYAT HIDUP Mochamad Muslim dilahirkan di kota Surabaya, 2 Juli 1983. Penulis memulai jenjang pendidikannya di TK Perwaka, dan SDN Kertajaya VIII/214 hingga lulus tahun 1996. Setelah itu Penulis melanjutkan studinya di SLTP Negeri 12 Surabaya. Tahun 1999, Penulis diterima sebagai murid SMA Negeri 3 Surabaya hingga lulus tahun 2002. Pada tahun 2003 penulis masuk ke Jurusan D3 Otomasi Sistem Instrumentasi Universitas Airlangga hingga lulus tahun 2006, kemudian Penulis melanjutkan studi Program Sarjana di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya lewat program Lintas Jalur dengan NRP. 2207100616 dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. 6