1.1
Latar Belakang
Pada era 1800 dan 1900, kereta uap menjadi salah
satu alat transportasi yag sangat populer di berbagai belahan dunia. Kereta uap
pertama kali digunakan sebagai alat angkutan umum pada tahun 1825 di jalur yang
menghubungkan kota Stockholm dan Darlington di Inggris. Begitu pula dengan
perkembangan kereta uap di Indonesia pertama kali yang bertujuan untuk
melebarkan invasi Belanda di Pulau Jawa. Dan sebagai mode
transportasi kereta pada saat ini semakin berkembang sampai dibuatnya kereta
rel listrik (KRL) yang kerja mesin dari kereta tersebut berbeda, kereta uap
untuk berjalan menggerakkan roda dengan potongan kayu yang dibakar di kepala
lokomotif sedangkan KRL digerakkan dengan aliran listrik.
1.2
Mesin Kereta Uap (Lokomotif)
Sejarah
mesin uap yang mulai berkembang sejak awal abad 17 dan mencapai jaman
kemasannya pada pada medio pertama abad 19, dimana pada saat itu prime mover
untuk industri maupun transportasi (kapal laut dan kereta api) mengandalkan mesin uap. Era
mesin uap telah berlalu, tapi turbin uap masih banyak dipakai karena hampir 80%
pembangkit tenaga listrik didunia ini menggunakan turbin uap. Jadi masih ada sedikit
kaitannya untuk mengetahui mesin uap. Mesin uap (steam engines) masuk dalam
kategori pesawat kalor, yaitu peralatan yang digunakan untuk merubah tenaga
termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. Ada
dua jenis pesawat kalor yaitu motor pembakaran dalam (Internal Combustion
Engines/ICE) dan motor pembakaran luar (External
Combustion Engines/ECE).
Pada pesawat kalor jenis ICE, proses
pembakaran bahan bakar untuk mengasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam
peralatan itu sendiri, sedangkan
pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis adapun proses pembakaran dilakukan diluar
peralatan tersebut. Contoh
dari pesawat kalor jenis ICE adalah motor bensin dan motor disel yang sangat
populer sebagai prime mover baik untuk otomotif maupun untuk industri. Pada
motor bensin dan motor disel proses pembakaran bahan bakar (bensin/solar)
dilakukan didalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil
pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan didalam pesawat itu sendiri
melalui gerakan kian kemari dari piston menjadi gerakan putaran dari crank
shaft. Contoh
dari pesawat kalor jenis ECE adalah mesin uap dan turbin uap. Pada peralatan
ini, mesin uap hanya merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis
berupa gerakan kian kemari dari piston dan selanjutnya diubah menjadi gerakan
putaran dari crank shaft; sedangkan turbine uap merubah tenaga potensial dari
uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as
turbin. Adapun proses pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin uap dan
turbin uap, yaitu didalam ketel uap (boiler). Didalam ketel uap (boiler) tenaga
termis hasil pembakaran bahan bakar digunakan untuk memanaskan air sehingga
berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, untuk selanjutnya uap
dengan temperatur dan tekanan tinggi tersebut dialirkan ke-mesin uap atau
turbin uap untuk diubah menjadi tenaga mekanis. Didalam cylinder mesin
uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross
head yang berada diluar cylinder. Cross head dihubungkan oleh connecting rod
dengan crank shaft (tidak tampak pada gambar), sehingga apabila piston bergerak
kian kemari maka crank shaft dapat berputar. Slide valve yang
mempunyai valve rod digerakkan oleh crank shaft melalui eksentrik, sehingga
slide valve dapat bergerak kian kemari sambil membuka dan menutup dua buah
lubang uap yang berhubungan dengan cylinder. Valve box dimana slide valve
berada mempunyai dua saluran, saluran pemasukan yang dihubungkan dengan boiler
untuk menyalurkan uap dengan tekanan tinggi (warna merah), dan saluran
pembuangan yang dihubungkan dengan cerobong untuk membuang uap bekas (warna
biru).
Pada
waktu piston mencapai posisi paling kiri, maka slide valve akan membuka lubang
uap cylinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder
pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston kekanan, sementara itu lubang
uap sebelah kanan dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas
dapat terbuang keluar melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang
uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun
piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap. Pada waktu piston
mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder
bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian
kanan piston dan mendorong piston kekiri, sementara itu lubang uap sebelah kiri
dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang melalui
cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh
slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan
karena ekpansi dari uap. Karena
cross head dengan crank shaft dihubungkan oleh connecting rod, maka gerakan
kian kemari dari piston tersebut akan diubah menjadi gerakan putaran dari crank
shaft. Demikian selama ada pasokan uap dari boiler maka mesin uap akan merubah
menjadi tenaga mekanis dengan gerakan putaran dari crank shaft. Lokomotif uap biasanya
mempunyai 2 buah mesin uap yang dipasang dikanan dan kiri lokomotif, gerakan
putaran yang dihasilkan oleh kedua buah mesin uap tersebut langsung digunakan
untuk memutarkan roda lokomatif sehingga mampu menarik seluruh rangkaian kereta
api.
1.3 Mesin Kereta Rel Listrik (KRL)
Sumber
DC yang umum dipakai
biasanya 1500 Volt, sedangkan untuk kereta super cepat bisa memakai sumber AC
hingga 25 kV ato 25.000 volt. Untuk menyalurkan ke kereta yang berjalan
digunakan piranti bernama pantograf. Tipe pantograf ada yang diamond-shaped
atau single-arm, kedua tipe ini memiliki fungsi sama untuk mengalirkan listrik
dari sumber diatas ke konverter kemudian diteruskan ke motor sehingga KRL berjalan. Pantograf harus bisa
kontak secara kontinyu dengan konduktor sumber tanpa cepat aus disamping pantograf
harus aerodinamis karena dipakai di kecepatan yang relatif tinggi
terus-menerus.
Pada
awal perkembangan KRL, motor dc dominan digunakan karena mudah pengaturannya.
Cara klasik pengaturan KRL motor DC adalah dengan membatasi tegangan yang masuk
ke motor DC dengan menggunakan rheostat sehingga kecepatan motor DC dapat
diatur. Efisiensi yang rendah akibat rheostat dan berkembangnya teknologi
saklar statis (Thyristor) mengakibatkan cara ini sudah tidak lagi dipakai.
Sekarang ini untuk mengatur tegangan DC pada KRL motor DCdigunakan konverter
DC-DC atau sering disebut Chopper DC (Gambar 2). Dengan konverter dc-dc
pengaturan tegangan lebih mudah dan efisiensi lebih baik. Penggunaan konverter
DC-DC dimulai pada KRL generasi tahun 1970. Pada motor DC, komutator, sikat dan
cincin belah merupakan sesuatu yang harus ada, sayangnya banyak kejadian ground
fault yang terjadi ketika komutator kontak dengan sikat pada kecepatan putar
yang tinggi. Hal ini termasuk salah satu yang mendasari penggunaan motor ac
pada KRL. Selain sistem DC, ada juga sistem AC, karena semakin berkembangnya teknologi saklar statis
untuk rangkaian elektronika daya mengakibatkan KRL generasi selanjutnya lebih
memanfaatkan motor AC daripada motor DC. Untuk menggerakkan motor AC pada KRL
ditunjukkan pada Gambar 3. Apabila sumber yang digunakan berupa sumber DC maka
pengaturan kecepatan menggunakan inverter VVVF (variable voltage, variable
frequency) untuk mendapatkan tegangan AC tiga fasa yang bisa diubah-ubah
tegangan sekaligus frekuensinya sehingga kecepatan motor AC dapat berubah-ubah.
Pada kasus sumber yang dipakai adalah sumber AC satu fasa, diperlukan tambahan
penyearah untuk mengubah sumber AC menjadi AC, kemudian baru diubah lagi
menjadi tegangan tiga fasa menggunakan VVVF. Pada
umumnya sumber AC yang dipakai merupakan sumber satu fasa sedangkan motor AC
yang digunakan adalah motor tiga fasa, sampai saat ini konversi satu fasa ke
tiga fasa langsung belum bisa.
Penggunaan motor AC pun terbagi menjadi dua
macam, ada KRL yang menggunakan mesin AC asinkron dan ada juga yang menggunakan
mesin AC sinkron. Contoh terkenal dari KRL yang menggunakan mesin AC sinkron
adalah TGV di Perancis. Alasan penggunaan motor AC sinkron pada TGV adalah pada
saat generasi TGV pertama rilis, dengan menggunakan mesin AC sinkron, komutasi
dan pemadaman thyristor dapat dilakukan secara natural. Hal ini akan
menghilangkan rangkaian tambahan untuk memadamkan thyristor (yang harus ada
apabila motor yang dipakai adalah motor ac asinkron). Alasan lain adalah adanya
peraturan berat maksimum dari boogie pada TGV. Teknologi KRL sekarang lebih
banyak yang memanfaatkan mesin ac asinkron sebagai motor traksinya. Terdapat dua jenis KRL, terpusat (locomotive-hauled) atau terdistribusi
(electric multiple unit/EMU). Kereta cepat di Eropa kebanyakan menganut sistem
terpusat dengan hanya 1 gerbong yang memiliki sistem penggerak, seperti
lokomotif pada kereta konvensional. Keuntungan dari sistem ini adalah biaya
produksi yang lebih rendah karena hanya 1 gerbong saja yang berisi peralatan, disamping
itu getaran dan kebisingan yang lebih rendah bagi para penumpang. Konsumsi daya Sebagai gambaran, TGV keluaran tahun 2005 menggunakan
sistem ac 25 kV dapat mencapai kecepatan maksimum hingga 320 km/j, rating daya
mencapai 9.6 MW. Shinkansen N700 16 gerbong keluaran 2007 (ac 25 kV) dapat
mencapai kecepatan maksimum hingga 300 km/j dengan rating daya 17 MW (56 buah
motor 305 kW). Untuk KRL ringan seperti
di jaringan Jabodetabek, Seri-7000 (10 gerbong) bekas dari Jepang misalnya
menggunakan 24 motor masing-masing 165 kW sehingga total mencapai 3,9 MW pada
1500 V DC.Sumber: industri.bisnis.com
id.wikipedia.org/wiki/Lokomotif
Tidak ada komentar:
Posting Komentar