APLIKASI MOTOR DC SEBAGAI PENGGERAK CONTAINER CRANE SERTA ANALISIS FAKTOR DAYA PADA SAAT CONTAINER CRANE BEKERJA DI TERMINAL PETI KEMAS SEMARANG Oleh : Aditya Bakti ( L2F62 ) -Abstrak- Berbagai macam barang di seluruh penjuru dunia dipindahkan dari satu tempat ketempat lain melaui laut. Dalam proses perpindahan ini, dibutuhkan peran pelabuhan untuk mengaturnya. Terminal Peti Kemas Semarang (TPKS) merupakan salah satu pelabuhan penting di Indonesia yang berlokasi di Semarang. Dalam proses pemindahan dan penyimpanan peti kemas, terdapat berbagai macam peralatan yang saling menunjang, diantaranya Container Crane (CC) yang berfungsi untuk memindahkan peti kemas dari kapal ke truk container maupun sebaliknya. Untuk menggerakkan CC diperlukan motor-motor DC berdaya besar untuk mengangkat dan memindahkan peti kemas. CC merupakan beban listrik terbesar yang ada di TPKS. Selain motor DC, di dalam CC juga terdapat peralatan utama lainnya, diantaranya converter yang berfungsi untuk mengatur putaran motor DC agar sesuai dengan kebutuhan, serta transformator yang berfungsi untuk menyuplai semua kebutuhan listrik yang ada di dalam CC. CC memiliki karakteristik kerja yang dinamis, dengan perubahan arus serta power factor yang drastis. Hal ini disebabkan oleh pengaturan motor DC menggunakan converter yang merupakan penyearah tiga fasa terkontrol penuh. Kata kunci: container crane, motor dc, power factor I.PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Transportasi melalui laut memegang peranan penting dalam sistem perdagangan dunia saat ini. Berbagai macam barang di seluruh penjuru dunia dipindahkan dari satu tempat ketempat lain melaui laut. Perpindahan barang dalam proses impor dan ekspor ini juga perlu dikendalikan. Di sinilah pelabuhan memegang peranan yang sangat penting. Di bawah manajemen PT. Pelabuhan Indonesia III (Pelindo III), Terminal Peti Kemas Semarang (TPKS) setiap bulannya membongkar muat puluhan ribu peti kemas. Oleh karena itu dibutuhkan berbagai macam peralatan yang digunakan untuk menunjang proses ini, diantaranya container crane (CC), Rubber Tyre Gantry Crane (RTG), top loader, side loader, truk container, dan forklift. Di TPKS terdapat 5 buah Container Crane yang bertugas memindahan peti kemas yang berbobot puluhan ton dari truk ke kapal dan sebaliknya. Container crane ini menggunakan beberapa motor listrik berdaya besar sebagai penggeraknya, sehingga menjadi peralatan pengkonsumsi daya listrik terbesar di TPKS. Pada kerja praktek ini dipelajari prinsip kerja CC secara umum, bagian-bagian penting yaitu transformator, motor DC, dan converter, serta permasalahan yang timbul dalam pengoperasian CC. 1.2. Maksud dan Tujuan Tujuan dari penulisan makalah seminar Kerja Praktek ini adalah: 1. Mengetahui secara umum bagaimana sistem bongkar muat peti kemas di Terminal Peti Kemas Semarang (TPKS). 2. Mempelajari motor motor DC yang merupakan penggerak utama Container Crane di TPKS 3. Menganalisa faktor daya saat Container Crane bekerja di TPKS 1.3. Pembatasan Masalah Dalam penyusunan laporan Kerja Praktek ini, pembahasan dibatasi pada penjelasan prinsip kerja motor DC dalam mekanisme CC, serta analisa faktor daya saat pengoperasian CC di PT. Pelabuhan Indonesia III, Terminal Peti Kemas Semarang (TPKS). II. DASAR TEORI Pada gambar 2.1 dapat dilihat bagan sistem kelistrikan di dalam CC. Sebelum kita mempelajari CC, perlu kita pahami dulu prinsip kerja trafo, motor DC dan penyerah 3Ф jembatan terkontrol penuh. Aditya bakti (L2F62) Page 1 of 6
MAIN TRANSFORMER 3V/4V 8KVA CABLE REEL POWER INCOMING AC 3,3 KV AUX TRANSFORMER 3V/4V 2KVA B : gaya magnet antar kutub (Wb/m 2 ) I : besar arus pada penghantar (A) L : panjang penghantar (m) θ : sudut antara penghantar dan medan magnet U S HOIST M MOTOR HOIST 4 KW GANTRY M M M M M M M M MOTOR GANTRY 8 X 15 KW BOOM M MOTOR BOOM 9 KW TROLLEY M MOTOR TROLLEY 9 KW AUX POWER Gambar 2.1 Bagan sistem kelistrikan container crane 2.1. Transformator Transformator adalah peralatan yang berfungsi mengkonversi arus atau tegangan bolak-balik dari nilai tertentu menjadi nilai yang lain. Transformator bekerja berdasarkan hukum ampere dan hukum faraday. Jika pada salah satu sisi kumparan pada transformator dialiri arus bolak-balik, maka timbul garis gaya magnet yang berubah-ubah sehingga pada kumparan terjadi induksi. 2.2. Motor Arus Searah Motor listrik arus searah adalah sebuah peralatan listrik yang berfungsi mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanik. Sebagai masukan pada motor ini adalah energi listrik arus searah dan keluarannya adalah energi mekanis putar, yang merupakan kebalikan dari generator. Konstruksi motor arus searah sama dengan generator arus searah. Oleh karena itu, mesin listrik ini dapat berfungsi sebagai motor maupun generator. Prinsip dasar motor listrik arus searah adalah jika kumparan jangkar yang dialiri listrik dan kumparan medan diberi penguatan, maka akan timbul gaya lorenz pada tiap-tiap sisi kumparan jangkar tersebut. Gaya lorenz mempunyai arah seperti ditunjukkan oleh kaidah tangan kiri, yaitu bila ibu jari, jari telunjuk, dan jari tengah saling tegak lurus maka: Ibu jari : arah gaya. Jari telunjuk : arah medan Jari tengah : arah tegangan/arus. Besarnya gaya lorenz yang timbul sebesar: F = B I L sinθ (2.4) dimana : F : gaya lorenz yang dialami penghantar (N) (a) (b) (a) medan magnet di sekitar penghantar (b) gaya lorenz Gambar 2.2 Prinsip kerja motor arus searah Kecepatan motor DC dapat diperoleh dari persamaan: Vt I a Ra N = K (2.5) Φ Dengan K merupakan konstanta mesin, maka dari persamaan di atas, kecepatan motor arus searah dapat diatur dengan tiga cara, yaitu : Mengatur Φ (fluks) pada kutub utama motor, yaitu dengan cara mengubah nilai tegangan pada lilitan medan V f. Memberi tahanan tambahan (R s ) secara seri dengan lilitan jangkar R a. Mengatur tegangan terminal V t pada lilitan jangkar. 2.3. Penyearah Tiga Fasa Jembatan Terkontrol Penuh. Penyearah tiga fasa jembatan (threephase brige rectifier) biasa digunakan pada aplikasi daya tinggi. Tegangan keluaran dapat diatur dengan mengatur sudut fasa pemicuan thyristor. Konverter tiga fasa menyediakan tegangan keluaran rata-rata yang lebih tinggi dan frekuensi ripple pada tegangan keluarannya lebih tinggi dibandingkan dengan konverter satu fasa. Dengan demikian, kebutuhan untuk menghaluskan gelombang arus beban dan tegangan beban menjadi lebih sederhana. Karena alasan ini, konverter tiga fasa lebih sering digunakan pada daya tinggi. Aditya bakti (L2F62) Page 2 of 6
Gambar 2.3 Rangkaian Penyearah jembatan penuh 3 fasa III. CONTAINER CRANE 3.1. Baian-bagian CC Bagian-bagian utama dari container crane yaitu: 1. Machinary house Machinary house merupakan tempat pemasangan motor-motor listrik utama yang menggerakkan container crane dan semua peralatan peralatan penunjang lainnya termasuk transformator, converter, dan PLC. 2. Boom Boom berfungsi untuk memperpanjang jangkauan container crane ke arah laut. Pada saat container crane tidak beroperasi boom akan bergerak ke atas. 3. Trolley Trolley berfungsi untuk mengangkat spreader ke arah atas maupun bawah serta ke depan dan ke belakang. 4. Spreader Spreader berfungsi untuk mengangkat peti kemas dari truk ke kapal maupun sebaliknya. Bagian ini disebut spreader karena ukurannya dapat menyesuaikan dengan panjang peti kemas yang akan diangkat. 5. Operator Cab s Merupakan kabin tempat operator CC bekerja. Kabin ini bergerak bersama trolley sehingga operator dapat melihat posisi spreader terhadap peti kemas. 3.1. Transformator Untuk menyuplai seluruh kebutuhan energi listrik container crane, terdapat 2 buah trafo yang berfungsi menurunkan tegangan dari 3,3 KV ke 4 V. Trafo yang digunakan adalah trafo tipe kering yang merupakan salah satu produk dari SIEMENS, yaitu trafo GEAFOL. Trafo yang digunakan masingmasing memiliki daya 8 kva dan 2 kva. 3.2. Motor Arus Searah Untuk dapat memindahkan peti kemas, spreader dapat bergerak maju mundur serta turun naik. Oleh karena itu terdapat beberapa motor DC SIEMENS yang bekerja sama untuk menggerakkan spreader, yaitu: 1. Motor boom hoist atau motor boom, Tipe motor 1GG6186-ZD4-7ZV3-Z. Dengan daya 9 kw, motor ini berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan lengan boom. Bekerja secara kontinyu selama 4-5 menit saat boom diturunkan atau dinaikkan. Dengan tegangan jangkar 485 V, motor ini mampu menarik arus 2 A secara kontinyu atau 4A selama 6 detik. Dengan rating tegangan medan 31 V dan arus medan 7,4 A, motor ini dapat berputar dengan rating kecepatan 175 rpm. Berat total 46 Kg dipasang di machinary house. 2. Motor main hoist atau motor hoist, Tipe motor 1GG7552-5ZD4-7MV1-Z.Dengan daya 4 kw, motor ini berfungsi untuk menggerakkan spreader kearah depan dan belakang. Bekerja secara kontinyu selama operasi bongkar muat. Merupakan motor terbesar di CC. Dengan tegangan jangkar 52 V, motor ini mampu menarik arus 825 A secara kontinyu atau 165A selama 6 detik. Dengan rating tegangan medan 31 V dan arus medan 12,5 A, motor ini dapat berputar dengan rating kecepatan 175 rpm. Berat total 26 Kg, dipasang di machinary house. 3. Motor trolley traverse atau motor trolley, Tipe motor 1GG6186-ZD4-7ZV3-Z. Dengan daya 9 kw, motor ini berfungsi untuk menggerakkan spreader ke atas dan ke bawah. Bekerja secara kontinyu selama selama operasi bongkar muat. Dengan tegangan jangkar 485 V motor ini mampu menarik arus 2 A secara kontinyu atau 4A selama 6 detik. Dengan rating tegangan medan 31 V dan arus medan 7,4 A, motor ini dapat berputar dengan rating kecepatan 175 rpm. Berat total 46 Kg dipasang di machinary house. 4. Motor gantry travel atau motor gantry, Tipe motor GNFZ 18M/3. Berbeda dengan motor lain yang berjumlah 1 buah pada tiap CC, motor ini pada tiap CC berjumlah 8 buah dengan daya masingmasing 15 kw, berfungsi untuk menggerakkan seluruh container crane ke samping kanan dan kiri. Dengan tegangan jangkar 25 V motor ini mampu menarik arus 7,5 A secara kontinyu selama 3 menit. Dengan rating tegangan medan 15 V dan arus medan 3,39 A, motor ini dapat berputar dengan rating kecepatan 175 Aditya bakti (L2F62) Page 3 of 6
daya reaktif (kva rpm. Motor ini dipasang di kaki-kaki container crane. 3.4. Converter Untuk pengaturan motor-motor DC diatas, digunakan converter yang juga merupakan produk dari SIEMENS yaitu SIMOREG DC MASTER. Semua converter yang digunakan merupakan penyearah 3Ф terkontrol penuh dan dapat beroperasi untuk 4 Quadrant. IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengamatan Pada saat melaksanakan kegiatan Kerja Praktek di TPKS, dilakukan pengamatan terhadap konsumsi daya listrik saat CC dioperasikan. Pengamatan dilakukan pada relai sepam 2 di dalam substation bagian incoming PLN 2KV. Pengamatan dan pengambilan data dilaksanakan pada keadaan 3 CC beroperasi dan 5 CC beroperasi. Besaran yang diamati antara lain faktor daya dan daya reaktif total. Terdapat perbedaan yang mencolok pada saat tidak ada CC beroperasi, 3 CC beroperasi dan 5 CC beroperasi. Dari pengamatan terlihat: 1. Pada saat CC tidak ada yang beroperasi faktor daya stabil dan selalu mendekati 1. 2. Pada saat CC 3,4, dan 5 beroperasi faktor daya berfluktuasi antara,15 induktif hingga,78 kapasitif dalam hitungan detik. 3. Pada saat CC 3,4,5,6 dan beroperasi 7 faktor daya berfluktuasi antara,17 induktif hingga,14 kapasitif dalam hitungan detik. Akibat perubahan faktor daya tersebut, daya reaktif yang diserap juga berubah-ubah. Hal ini dapat dilihat pada grafik berikut ini: 1.9.8.7.6.5.4.3.2.1 5 1 15 2 25 3 waktu (detik) Gambar 4.1 Grafik daya reaktif (kvar) terhadap waktu (detik) saat tidak ada CC beroperasi daya reaktif (kvar) daya reaktif (kvar) 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3-2 -4-6 14 12 1-4 -6 waktu (detik) Gambar 4.2 Grafik daya reaktif (kvar) terhadap waktu (detik) saat CC 3,4, dan 5 beroperasi 8 6 4 2-2 5 1 15 2 25 3 waktu (detik) Gambar 4.3 Grafik daya reaktif (kvar) terhadap waktu (detik) saat CC 3,4,5,6,dan 7 beroperasi 4.2. Pembahasan Dari hasil pengamatan di atas terlihat jelas bahwa perubahan faktor daya terhadap waktu disebabkan oleh pengoperasian CC. Untuk mengetahui penyebabnya, mari kita amati masing-masing komponen CC lebih dalam. Seperti yang telah kita bahas pada bab sebelumnya, komponen utama di dalam CC yaitu trafo GEAFOL, converter SIMOREG DC MASTER dan motor DC SIEMENS. Trafo merupakan komponen statis. Trafo berfungsi untuk merubah tegangan, dan besarnya arus yang melaluinya tergantung pada beban. Oleh karena itu trafo tidak menyebabkan perubahan faktor daya yang dinamis. Sedangkan karakteristik motor DC, untuk aplikasi pada CC, energi listrik yang digunakan sesuai dengan beban yang diangkat, dan kecepatan putaran motor. Pada kondisi starting dan berbeban, motor DC menarik arus Aditya bakti (L2F62) Page 4 of 6
yang sangat besar, namun faktor dayanya tergantung dari converter yang digunakan. Converter SIMOREG yang digunakan untuk pengaturan putaran motor DC merupakan penyearah tiga fasa terkontrol penuh. Untuk mengatur putaran motor, dilakukan dengan merubah besarnya arus jangkar. Perubahan arus jangkar merupakan akibat dari perubahan tegangan keluaran SIMOREG. Untuk mengatur besar kecilnya tegangan keluaran ini, dengan mengatur besarnya sudut pemicuan pada thyristor. bahwa pada saat sudut pemicuan besar, maka faktor daya paling kecil. Jadi, perubahan arus, daya reaktif, dan faktor daya yang drastis disebabkan oleh kombinasi pengoperasian motor DC SIEMENS dan converter SIMOREG DC MASTER. Langkah-langkah yang telah dilakukan untuk mengatasi masalah ini antara lain: 1. Memasang Power factor corrector (PFC) secara terpusat di masing-masing CC. Di setiap container crane terdapat 1 buah PFC yang dipasang setelah outgoing main transformer. Power factor corector (PFC) yang digunakan adalah AC42LX yang merupakan produk dari SEOHO ELECTRIC. PFC ini memiliki rating 3 Ф 6 Hz, 55 V dengan arus 9A. Namun sayangnya hal ini belum memberikan dampak yang signifikan terhadap perbaikan faktor daya, karena pada masing-masing CC terdapat 4 buah converter yang bekerja secara simultan, dan tidak dapat ditangani oleh satu PFC. 2. Memasang automatic power factor regulator secara terpusat di power house. Automatic power factor regulator yang digunakan adalah seri QC12E yang merupakan produk dari Fuji Electric. Automatic power factor regulator dipasang pada cubicle 3,3 KV. Power factor regulator mengatur 6 buah kapasitor yang masing-masing berkapasitas 1 kvar. Kendala yang dihadapi dalam pengoperasian power factor regulator ini adalah capasitor bank membutuhkan waktu pengosongan muatan terlebih dahulu sebelum dihubungkan kembali ke sistem. Berdasarkan instruksi manual power factor regulator, jika pengosongan kapasitor menggunakan discharging resistor, maka waktu tunda yang disarankan adalah 3 detik (5 menit) hingga 6 detik (1 menit). Jika pengosongan kapasitor menggunakan discharging coil, maka tegangan sisa kapasitor dapat turun hingga 5V atau kurang dalam waktu 5 detik. Inilah waktu tunda maksimal pengoperasian power factor regulator. Oleh karena itu power factor regulator ini tidak dapat digunakan untuk mengatasi perubahan faktor daya yang sangat dinamis akibat pengoperasian converter. Karena penggunaan power factor regulator di power house tidak dapat mengikuti perubahan faktor daya, maka kapasitor bank di TPKS saat ini dioperasikan secara manual. Dari data yang diperoleh, konsumsi daya pada setiap penambahan kapasitor dicatat sehingga diperoleh data sebagai berikut : No JumlahKapasito r Daya reaktif selama 5 Menit (kvarh) 1. 11.15 2. 1 (1 kvar) 1.81 3. 2 (2 kvar) 1.32 4. 3 (3 kvar) 14.91 5. 4 (4 kvar) 16.58 6. 5 (5 kvar) 27.5 7. 6 (6 kvar) 28.36 8. 7 (7 kvar) 43.38 9. 8 (8 kvar) 43.62 Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa dengan penambahan kapasitor bank maka konsumsi daya reaktifnya akan turun, kemudian dengan semakin bertambahnya jumlah kapasitor maka konsumsi daya reaktifnya justru akan semakin naik. Titik optimal dicapai pada saat kapasitor yang digunakan berjumlah 2 buah. Maka agar daya reaktif total yang dipakai selama satu bulan paling rendah, kapasitor yang digunakan adalah2 buah. V. PENUTUP Aditya bakti (L2F62) Page 5 of 6
5.1. Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dari pelaksanaan Kerja Praktek yang dilaksanakan di TPKS adalah: 1. Faktor daya pada sisi sumber berubahubah disebabkan oleh karakteristik converter SIMOREG yang merupakan penyearah tiga fasa terkontrol penuh. 2. Pemasangan Power Factor Corector (PFC) secara terpusat pada setiap container crane dapat memperbaiki faktor daya, jika respon PFC dapat mengimbangi fluktuasi perubahan faktor daya yang terjadi.. 3. Pemasangan capasitor bank secara terpusat pada power house dapat memperbaiki faktor daya jika respon automatic power factor regulator dapat mengimbangi fluktuasi perubahan daya reaktif yang terjadi. Pada aplikasi di lapangan, respon automatic power factor regulator terlalu lama, hal ini disebabkan karena capasitor bank membutuhkan waktu pengosongan muatan terlebih dahulu sebelum dihubungkan kembali ke sistem. 4. Pengoperasian kapasitor secara manual dapat dilakukan untuk mengurangi daya reaktif yang terjadi. Untuk pengoperasian 3 buah CC ( 3,4, dan 5 ), konsumsi daya reaktif paling sedikit pada saat kapasitor yang digunakan berjumlah 2 buah. 5.2. Saran Beberapa saran yang bisa diberikan untuk memperbaiki sistem yang ada di Terminal Peti Kemas Semarang adalah: 1. Mengadakan studi lebih lanjut tentang pengaruh penggunaan converter SIMOREG terhadap sistem kelistrikan di Terminal Peti Kemas Semarang. 2. Untuk perancangan container crane kedepan, sebaiknya DC drive yang digunakan berdasarkan DC/DC converter agar faktor daya bisa lebih baik. VII. DAFTAR PUSTAKA Wildi, Theodore, Electrical Machines, Drives, and Power Sstems 3rd, Prentice-Hall International, Inc. New Jersey, 1997. -------, Power Factor Controller Automatic Power Factor Regulators QC6E and QC12E, Fuji Electric FA component & System Co.Ltd. -------, DA 12 DC Motors Sizes 16 to 63 31.5 kw to 161 kw, Siemens AG, 28 -------, DA 12 T DC Motors Engineering information for Catalog DA 12, Siemens AG, 28 -------, Crane Monitoring and Management System User s Manual, Ishikawajima- Harima Heavy Industries, co, Ltd. BIODATA Aditya Bakti (L2F62), lahir di Magelang tanggal 29 oktober 1988, dan menempuh pendidikan di SDN Karang rejo Semarang, SLTP N 5 Semarang, SMA N 3 Semarang dan Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro angkatan 26 Konsentrasi Arus kuat. Telah melaksanakan kerja praktek di TPKS.. Semarang, Oktober 21 Mengetahui, Dosen Pembimbing Ir. Agung Warsito, DHET NIP 19586171987312 Aditya bakti (L2F62) Page 6 of 6