MOTOR INDUKSI

MOTOR INDUKSI 

Motor induksi merupakan motor arus bolak balik (ac) yang paling luas penggunaannya. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relative antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. 

Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns = 120f/2p). Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus; dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator. 

Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi , bila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. Dikenal dua tipe motor induksi yaitu motor induksi dengan rotor belitan dan rotor sangkar. 

  

Gambar motor induksi. 

Medan Putar 

Sebelum kita membahas bagaimana rotating magnetic field (medan putar) menyebabkan sebuah motor berputar, marilah kita tinjau bagaimana medan putar ini dihasilkan. Gambar berikut menunjukkan sebuah stator tiga fasa dengan suplai arus bolak balik tiga fasa pula. 

Belitan stator terhubung wye (Y). Dua belitan pada masing-masing fasa dililitkan dalam arah yang sama. Sepanjang waktu, medan magnet yang dihasilkan oleh setiap fasa akan tergantung kepada arus yang mengalir melalui fasa tersebut. Jika arus listrik yang melalui fasa tersebut adalah nol (zero), maka medan magnet yang dihasilkan akan nol pula. Jika arus mengalir dengan harga maksimum, maka medan magnet berada pada harga maksimum pula. Karena arus yang mengalir pada system tiga fasa mempunyai perbedaan 120o, maka medan magnet yang dihasilkan juga akan mempunyai perbedaan sudut sebesar 120o pula. 

Ketiga medan magnet yang dihasilkan akan membentuk satu medan, yang akan beraksi terhadap rotor. Untuk motor induksi, sebuah medan magnet diinduksikan kepada rotor sesuai dengan polaritas medan magnet pada stator. Karenanya, begitu medan magnet stator berputar, maka rotor juga berputar agar bersesuaian dengan medan magnet stator. 

Gambar belitan stator tiga fasa. 

Pada sepanjang waktu, medan magnet dari masing-masing fasa bergabung untuk menghasilkan medan magnet yang posisinya bergeser hingga beberapa derajat. Pada akhir satu siklus arus bolak balik, medan magnet tersebut telah bergeser hingga 360o, atau satu putaran. Dan karena rotor juga mempunyai medan magnet berlawanan arah yang diinduksikan kepadanya, rotor juga akan berputar hingga satu putaran. Penjelasan mengenai ini dapat dilihat pada gambar selanjutnya. 

Putaran medan magnet dijelaskan pada gambar di bawah dengan “menghentikan” medan tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan interval 60o pada gelombang sinus yang mewakili arus yang mengalir pada tiga fasa A,B, dan C. Jika arus mengalir dalam suatu fasa adalah positif, medan magnet akan menimbulkan kutub utara pada kutub stator yang ditandai dengan A’, B’, dan C’. 

Gambar putaran motor induksi dan medan putar. 

Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya. Pada saat yang sama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga negative maksimumnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk secara vertical dengan arah ke bawah, dengan kekuatan medan maksimum terjadi sepanjang fasa C, antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang dihasilkan sepanjang fasa A dan B, dengan kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan B menjadi kutub-kutub selatan. 

Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 60 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga harga negative maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yang berlawanan dan berada pada separuh harga maksimum positifnya. Begitu pula arus pada fasa C telah turun hingga separuh dari harga maksimum positifnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara) dan A (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul sepanjang fasa B dan C, dengan kutub-kutub B dan C menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub B’ dan C’ menjadi kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet pada stator motor secara fisik telah berputar sebanyak 60o. 

Pada posisi T3, gelombang sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dari posisi sebelumnya hingga total rotasi pada posisi ini sebesar 120 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah naik hingga mencapai harga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun hingga separuh dari harga negative maksimumnya, sementara arus pada fasa C telah berbalik arah dan berada pada separuh harga negative maksimumnya pula. Medan magnet yang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan kekuatan medan maksimum sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah sepanjang fasa A dan C, dengan kutub-kutub A’ dan C’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan C menjadi kutub-kutub selatan. Sehingga terlihat di sini bahwa medan magnet pada stator telah berputar 60o lagi dengan total putaran sebesar 120o. 

Pada posisi T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajat listrik dari titik T1 sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah indentik dengan posisi T1 kecuali bahwa polaritasnya telah berbalik. Karena fasa C kembali pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada harga maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C akan memiliki kekuatan medan maksimum. Meskipun demikian, dengan arus yang mengalir dalam arah yang berlawanan pada fasa C, medan magnet yang timbul mempunyai arah ke atas antara kutub C’ (utara) dan C (selatan). Terlihat bahwa medan magnet sekarang telah berotasi secara fisik sebanyak 180o dari posisi awalnya. 

Pada posisi T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yang menghasilkan medan magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali, medan magnet secara fisik telah berputar 60o dari titik sebelumnya sehingga total rotasi sebanyak 240o. Pada titik T6, fasa B berada pada harga maksimum negative yang menghasilkan medan magnet ke arah bawah sebelah kanan. Medan magnet pun telah berotasi sebesar 60o dari titik T5 sehingga total rotas adalah 300o. 

Akhirnya, pada titik T7, arus kembali ke polaritas dan nilai yang sama seperti pada Posisi T1. Karenanya, medan magnet yang dihasilkan pada posisi ini akan identik dengan pada posisi T1. Dari pembahasan ini, terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang sinus listrik (360o), medan magnet yang timbul pada stator sebuah motor juga berotasi satu putaran penuh (360o). Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa AC kepada tigfa belitan yang terpisah secara simetris sekitar stator, medan putar (rotating magnetic field) juga timbul. 

SLIP 

Jika arus bolak balik dikenakan pada belitan stator dari sebuah motor induksi, sebuah medan putar timbul. Medan putar ini memotong batang rotor dan menginduksikan arus kepada rotor. Arah aliran arus ini dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kiri untuk generator. 

Arus yang diinduksikan ini akan menghasilkan medan magnet di sekitar penghantar rotor, berlawanan polaritas dari medan stator, yang akan mengejar medan magnet pada stator. Karena medan pada stator terus menerus berputar, rotor tidak pernah dapat menyamakan posisi dengannya alias selalu tertinggal dan karenanya akan terus mengikuti putaran medan pada stator sebagaimana ditunjukkan pada gambar di bawah ini. 

Gambar Induction Motor 

Dari penjelasan di atas, terlihat bahwa rotor pada motor induksi tidak pernah dapat berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan putar. Jika kecepatan rotor sama dengan keceparan medan putar stator, maka tidak ada gerak relatif antara keduanya, dan tidak akan ada induksi EMF kepada rotor. Tanpa induksi EMF ini, tidak akan ada interaksi medan yang diperlukan untuk menimbulkan gerak. Rotor, karenanya ahrus berputar dengan kecepatan yang lebih rendah dari kecepatan medan putar stator jika gerak relatif tersebut harus ada antara keduanya. 

Persentase perbedaan antara kecepatan rotor dan kecepatan medan putar disebut dengan slip. Semakin kecil slip, semakin dekat pula kecepatan rotor dengan kecepatan medan putar. Persen slip dapat dicari menggunakan Equation (12-1). 

dimana 

NS= kecepatan sinkron (rpm) NR= kecepatan rotor (rpm) 

Kecepatan medan putar atau kecepatan sinkron dari suatu motor dapat dicari dengan menggunakan Equation (12-2). 

dimana 

Contoh: Sebuah motor induksi dua kutub, 60 Hz, mempunyai kecepatan pada beban penuh sebesar 3554 rpm. Berapakah persentase slip pada beban penuh? 

Solusi: 

Torque 

Torque motor induksi AC tergantug kepada kekuatan medan rotor dan stator yang saling berinteraksi dan hubungan fasa antara keduanya. Torque dapat dihitung dengan Equation (12-3). 

dimana 

Selama operasi normal, K, , dan cos adalah konstan, sehingga torque berbanding lurus dengan arus rotor. Arus rotor meningkat dengan proporsi yang sama dengan slip. Perubahan torque terhadap slip menunjukkan bahwa begitu slip naik dari nol hingga –10%, torque naik secara linier. Begitu torque dan slip naik melebihi torque beban penuh, maka torque akan mencapai harga maksimum sekitar 25% slip. Torque maksimum disebut breakdown torque motor. Jika beban dinaikkan melebihi titik ini, motor akan stall dan segera berhenti. Umumnya, breakdown torque bervariasi dari 200 hingga 300% torque beban penuh. Torque awal (starting torque) adalah nilai torque pada 100% slip dan normalny 150 hingga 200% torque beban penuh. Seiring dengan pertambahan kecepatan dari rotor, torque akan naik hingga breakdown torque dan turun mencapai nilai yang diperlukan untuk menarik beban motor pada kecepatan konstan, biasanya antara 0 – 10%. Gambar berikut menunjukkan karakteristik Torque terhadap slip. 

Motor Satu Fasa 

Jika dua belitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkan sejauh 90 derajat listrik dan terhubung secara parallel ke sumber satu fasa, medan yang dihasilkan akan tampak berputar. Ini disebut dengan pemisahan fasa (phase splitting). 

Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitan starting untuk penyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebih tinggi dan reaktansi yang lebih rendah dari belitan utama. Jika tegangan yang sama VT dikenakan pada belitan starting dan utama, arus pada belitan utama (IM) tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS). Sudut antara kedua belitan mempunyai beda fasa yang cukup untuk menimbulkan medan putar untuk menghasilkan torque awal (starting torque). Ketika motor mencapai 70 hingga 80% dari kecepatan sinkron, saklar sentrifugal pada sumbu motor membuka dan melepaskan belitan starting. Motor satu fasa biasanya digunakan untuk aplikasi kecil seperti peralatan rumah tangga (contoh mesin pompa). 

Motor Sinkron 

Motor sinkron serupa dengan motor induksi pada mana keduanya mempunyai belitan stator yang menghasilkan medan putar. Tidak seperti motor induksi, motor sinkron dieksitasi oleh sebuah sumber tegangan dc di luar mesin dan karenanya membutuhkan slip ring dan sikat (brush) untuk memberikan arus kepada rotor. Pada motor sinkron, rotor terkunci dengan medan putar dan berputar dengan kecepatan sinkron. Jika motor sinkron dibebani ke titik dimana rotor ditarik keluar dari keserempakannya dengan medan putar, maka tidak ada torque yang dihasilkan, dan motor akan berhenti. Motor sinkron bukanlah self-starting motor karena torque hanya akan muncul ketika motor bekerja pada kecepatan sinkron; karenanya motor memerlukan peralatan untuk membawanya kepada kecepatan sinkron. 

Motor sinkron menggunakan rotor belitan. Jenis ini mempunyai kumparan yang ditempatkan pada slot rotor. Slip ring dan sikat digunakan untuk mensuplai arus kepada rotor.

APLIKASI JARINGAN SYARAF TIRUAN PADA PENGENDALIAN FREKUENSI TURBIN UAP

APLIKASI JARINGAN SYARAF TIRUAN PADA PENGENDALIAN 

FREKUENSI TURBIN UAP 

Pembahasan

Kehidupan modern menuntut segala lapisan baik individu maupun kelompok untuk memenuhi kebutuhan energi. Salah satu sumber energi yang yang banyak dimanfaatkan dalam kehidupan seharihari adalah listrik. Pada sistem tenaga listrik permintaan beban sering berubah-ubah besarnya. Hal ini menimbulkan perubahan parameter dari sistem. Salah satu parameter yang terpengaruh dengan adanya perubahan beban adalah parameter frekuensi. 

Perubahan frekuensi ini jika tidak segera ditanggulangi dapat mengakibatkan kerusakan pada peralatan-peralatan listrik yang peka terhadap perubahan frekuensi. Untuk mempertahankan frekuensi tetap konstan (50 Hz) diperlukan suatu sistem pengendalian yang mengatur putaran turbin agar tetap steady dengan jalan memperbesar atau memperkecil aliran steam yang masuk ke turbin sehingga diperoleh putaran kecepatan turbin yang konstan. Bertitik tolak dari latar belakang tersebut di atas, maka perlu dirumuskan bagaimana mengendalikan perubahan frekuensi yang ditimbulkan oleh naik turunnya beban yang mengakibatkan menurunnya kualitas tenaga listrik dan kerusakan pada peralatanperalatan pembangkit listrik. Dalam penelitian ini akan dilakukan perancangan system pengendalian turbin uap, di mana perancangan akan dilakukan pada Condensing Turbine, atau Turbin Kondensasi dengan satu siklus, di mana uap jenuh yang keluar dari turbin dikondensasikan dalam kondensor untuk selanjutnya akan dilakukan proses boiling di dalam boiler. 

Dalam melakukan perancangan sistem pengendalian, adanya vibrasi yang terjadi pada turbin diabaikan, sedangkan untuk pendekatan pada sistem, plant yang dimodelkan diasumsikan dalam kondisi ideal. 

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah merancang sistem pengendalian frekuensi pada turbin uap dengan menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan. Diharapkan hasil dari penelitian ini akan memberikan masukan pada industri yang menggunakan turbin uap dalam proses pembangkit listrik untuk keperluan proses maupun industri pembangkit listrik atau power plant, sehingga daya listrik yang dikeluarkan akan stabil. 

Karayaka, et. al, (2001) telah melakukan penelitian yang menghasilkan sebuah metode baru untuk mengestimasi dan memodelkan parameter rotorbody suatu turbin generator besar dari data gangguan online. Untuk setiap set data gangguan diperoleh dari kondisi operasi yang berbeda, dan parameter rotor body dari generator diestimasi menggunakan Output Error Method (OEM). Estimator berbasis Artificial Neural Network (JST) kemudian digunakan untuk memodelkan ke-nonlinier-an dalam mengestimasi parameter berdasar pada kondisi operasi generator. 

Turbin adalah mesin penggerak, di mana energy fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Bagian turbin yang berputar dinamai rotor atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamai stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak di dalam rumah turbin dan memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar bebannya (generator listrik). Di dalam turbin fluida kerja mengalami proses ekspansi yaitu proses penurunan tekanan, dan mengalir secara kontinu. 

Proses tenaga uap (Gambar 1) 

dimulai dari pompa pengisi ketel, (1) di sini air pengisi ketel yang kebanyakan dari air kondensat yang hangat dipompa masuk ke dalam ketel (2) dengan adanya pembakaran di dalam ketel, maka air akan mendidih. Kondisi uap yang dihasilkan pada umumnya berkisar antara 15 kg/cm2 dan 125o C untuk unit daya rendah, sampai 325 kg/cm2 dan 650o C untuk unit daya tinggi. Di dalam pemanas lanjut (3), suatu sistem pipa yang tersendiri terpisah dari ruang air yang terdapat di dalam ketel, uap kering dengan kondisi x=1 terus dipanaskan. Dengan demikian, temperatur uap naik melebihi temperatur didihnya. Uap panas lanjut ini dimasukkan ke turbin uap (4) sebagai uap baru (uap masuk). Dan uap ini mempunyai entalpi h1 (dapat dilihat pada diagram h-s). Di dalam turbin, uap tersebut akan berekspansi sesuai dengan perencanaan kondisi uap keluarnya (uap bekas). Dengan demikian akan terdapat suatu panas jatuh, selisih entalpi adalah h1-h2 

Uap bekas meninggalkan turbin, setelah sebagian tenaganya digunakan untuk bekerja di dalam saluran sudu-sudu, dan daya usaha uap itu oleh turbin diteruskan ke generator. Uap bekas turbin uap dengan entalpi h2 kebanyakan sudah tidak bisa dimanfaatkan 

lagi, uap bekas ini dimasukkan ke kondensator (5) dan di dalam kondensator uap mengalami pendinginan dan tekanan kerendahan (kurang dari 1 atm) sehingga uap mengembun menjadi air. Air kondensat yang keluar dari kondensator bisa dipakai untuk berproses lagi dengan dijadikan air pengisi ketel. Air kondensat yang keluar dari kondensor (5) dipompa memakai pompa kondensat (6) dimasukkan ke dalam reservoar air pengisi ketel dan dari sini dipompa memakai pompa air pengisi ketel (1) dimasukkan ke dalam ketel lagi, dengan demikian proses siklus (Clausius-Rankine-Proses) kembali diulang lagi. 

- Siklus Rankine 

Siklus ideal dari suatu sistem turbin uap sederhana adalah siklus Rankine. Siklus Rankine dapat digambarkan pada diagram T vs S seperti terlihat pada Gambar 2. 

S (entropi) 

Daerah di bawah garis lengkung k-K-k’ pada diagram T – S merupakan daerah campuran fasa cair dan uap. Uap di dalam daerah tersebut biasanya juga dinamakan basah. Garis k – K dinamai garis cair (jenuh), di mana pada dan sebelah garis kiri tersebut air ada dalam fasa cair. Sedangkan garis k – K’ dinamai garis uap jenuh, di mana pada dan sebelah kanan garis tersebut air ada dalam fasa uap (gas). 

Uap di dalam daerah tersebut terakhir biasanya dinamai uap kering. Titik K dinamai titik kritis, di mana temperatur dan tekanan pada titik tersebut berturut-turut dinamai temperatur kritis dan tekanan kritis. Pada titik kritis keadaan cair jenuh dan uap jenuh adalah identik. Untuk air tekanan kritisnya Pc= 218, 3 atm (= 3206,2 psia) dan temperature kritisnya Tc = 374,2 o C ( = 705,4 o F). Pada tekanan lebih tinggi dari Pc tidak dapat diketahui dengan pasti bilamana dan di mana terjadi perubahan dari fasa cair ke fasa uap. Tetapi dalam hal tersebut biasanya dikatakan bahwa air ada dalam fasa cair apabila temperaturnya di bawah Tc dan ada dalam fasa uap apabila temperaturnya lebih tinggi daripada Tc . 

Siklus Rankine terdiri dari beberapa proses sebagai berikut: 

1 ke 2 Proses pemompaan isentropis, di dalam pompa. 

2 ke 2’ ke 3 Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada tekanan konstan di dalam ketel. 

3 ke 4 Proses ekspansi isentropik di dalam turbin atau mesin uap lainnya. 

4 ke 1 Proses pengeluaran kalor atau pengembunan pada tekanan konstan, di dalam kondensator. 

Kondisi uap yang keluar dari turbin (titik 4’) ada di dalam daerah campuran cair-uap (uap basah). Namun demikian hendaknya diusahakan agar kadar airnya tidak terlampau tinggi. 

Hal ini perlu diperhatikan karena apabila kadar air dari uap di dalam tingkat tekanan rendah dari turbin melampaui ± 12 persen, maka selain efisiensi turbin berkurang juga 

menyebabkan erosi pada sudu. Salah satu usaha untuk menaikkan efisiensi turbin adalah dengan jalan menaikkan tekanan uap dan pemanasan ulang. Dengan pemanasan ulang bukan saja dapat diperoleh efisiensi yang lebih baik, tetapi juga merupakan usaha untuk menghindari terjadinya uap keluar turbin dengan kadar air yang terlampau tinggi. 

Jaringan Syaraf Tiruan (Fausett dan Laurent, 1994) 

Arificial Neural Network (ANN) atau jaringan syaraf tiruan merupakan sebuah bentuk system pengolahan informasi yang diinspirasikan dari jaringan syaraf biologis, sehingga dalam membuat konfigurasi dan algoritma jaringan syaraf tiruan, para peneliti biasanya berpikir tentang organisasi otak manusia. 

Para perancang algoritma harus mempelajari dulu bagaimana sel syaraf manusia bekerja atau bagaimana struktur otak menghasilkan fungsi-fungsi yang berguna antara lain tentang fungsi belajar, kemampuan pengorganisasian diri, memori asosiatif dan sebagainya. 

Antara tujuh hingga ratusan kelas Neuron yang berbeda telah ditemukan pada manusia. Jaringan itu ada yang berukuran sangat kecil (microscopic) tetapi ada yang sepanjang 3 meter seperti yang ada di lengan manusia. Setiap neuron tersusun atas 4 bagian 

penting dalam melakukan fungsinya yaitu: Denrit merupakan bagian paling ujung yang berfungsi sebagai penerima masukan sinyal, soma bagian setelah Denrit ber-fungsi sebagai pengumpul sinyal masukan untuk dilakukan pemilihan proses aktif, akson untuk merubah dari hasil soma menjadi sebuah sinyal keluaran dan sinapsis adalah bagian yang mentransmisikan sinyal keluaran tersebut ke sel syaraf lainnya. Hubungan dari 4 komponen di atas digambarkan pada Gambar 3. 

Gambar 3 Sebuah Sel Syaraf Dengan Komponen Penyusunnya (Fausett, 1994) 

Proses yang dilakukan oleh setiap neuron adalah akibat adanya perubahan keadaan hubungan antar neuron yang tersusun dari interkoneksi secara ekstrim dengan jumlah yang sangat besar dari setiap proses sederhana. Interaksi dengan neuron lainnya adalah dengan pertukaran sinyal. Transmisi sinyal listrik dari suatu neuron ke neuron lain dipengaruhi oleh neurotransmitter, suatu senyawa kimiawi yang dilepaskan dari neuron pertama dan diterima oleh neuron berikutnya. Hubungan ini dikenal dengan sinapsis. 

Suatu sistem syaraf tiruan atau jaringan syaraf tiruan adalah suatu struktur pemrosesan informasi yang pararel yang terdistribusi dalam bentuk graph terarah dengan definisi dan aturan sebagai berikut: 

Simpul dari graph disebut sebagai elemen pemroses (processing element) atau satuan pemroses (processing unit) atau satuan (unit) saja. 

Sambungan pada graph disebut hubungan (connection). Setiap hubungan berfungsi sebagai sebuah jalur konduksi satu arah yang melewatkan sinyal tanpa penundaan. 

Setiap elemen pemroses dapat menerima banyak hubungan ke dalam yang disebut hubungan masukan 

Setiap elemen pemroses dapat mempunyai banyak hubungan keluar, tetapi sinyal-sinyal dalam hubungan tersebut harus sama. Sebagai akibatnya, setiap elemen pemroses mempunyai sebuah hubungan keluar tunggal yang bercabang menjadi banyak hubungan keluar yang masingmasing membawa salinan (copy) dari sinyal yang dibawa oleh hubungan keluar tunggal tadi. 

Satuan pemroses dapat mempunyai memori local (lokal memory). 

Setiap satuan pemroses mempunyai sebuah fungsi transfer yang dapat menggunakan dan mengubah isi memori lokal, memakai sinyal masukan dan memproduksi sinyal keluaran dari elemen pemroses tersebut. Dengan kata lain, masukan dari fungsi transfer yang diperbolehkan adalah nilai yang tersimpan pada memori local dan sinyal masukan elemen pemroses pada waktu perhitungan fungsi transfer dilakukan. Keluaran fungsi tranfer yang diperbolehkan adalah nilai yang akan disimpan dalam memori setempat dan sinyal keluaran dari satuan pemroses. 

Sinyal masukan dari luar sistem saraf tiruan yang menuju sistem tersebut datang dari hubunganhubungan yang berasal dari dunia luar sistem. Sinyal keluaran dari sistem ke dunia luar system merupakan hubungan-hubungan yang meninggalkan sistem. Penjelasan diatas dapat digambarkan padaGambar 4. 

Gambar 4 Diagram Blok Fungsional Sel Syaraf (Fausett, 1994) 

Struktur JST dibagi menjadi 2 fase yaitu: 

Fase Maju (feedforward) yaitu jika arus informasi menjalar maju dan tidak member umpan balik keluaran JST ke input Jaringan. 

Fase mundur (backforward) yaitu jika melibatkan umpan balik keluaran Jaringan ke input jaringan serta tidak hanya merespon input tetapi juga merespon keluaran jaringan yang diumpankan ke input jaringan 

Ciri utama dari JST adalah kemampuannya dalam belajar. Belajar pada JST dapat diartikan sebagai sebagai proses penyesuaian parameter yang dimilikinya (bobot-bobot interkoneksi). Suatu keluaran yang diinginkan tergantung pada harga bobot-bobot interkoneksi yang dimiliki tiap-tiap sel. 

Proses belajar dapat dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu belajar dengan pengawasan (Supervised Learning) dan belajar tanpa pengawasan (Unsupervised Learning). Proses belajar dengan pengawasan memerlukan keluaran yang diinginkan sebagai dasar pengubahan bobot. Sedangkan proses belajar tanpa pengawasan, JST akan mengubah bobot-bobot dengan sendirinya, sebagai tanggapan atas masukan anpa keluaran acuan. 

Pada dasarnya back propagation terdiri tiga atau lebih lapisan (multilayer). Arsitektur multilayer untuk jaringan back propagation ditunjukkan dalam Gambar 5. Pada gambar tersebut jaringan memiliki satu hidden layer (unit z). Unit lapisan bawah adalah 

lapisan input (input layer) yang merupakan satusatunya unit dalam jaringan yang menerima input dari luar. Lapisan tengah adalah hiden layer yang menghubungkan input dengan output layer. Hidden layer ini dapat berjumlah satu atau lebih lapisan. 

Sedangkan lapisan atas adalah output layer. Unit output (unit y) dan unit hidden memiliki bias. Bias pada unit output yk dinotasikan dengan wok dan bias pada unit hidden zj dinotasikan sebagai voj. Biasbias ini berperilaku sama seperti bobot-bobot pada koneksi dengan output selalu 1. Lapisan paling atas adalah lapisan output (output layer). Pada Gambar 5 hanya digambarkan arah fase feedforward. Arah fase belajar pada back propagation adalah sinyal yang dikirim dengan arah kebalikannya. 

Gambar 5 Arsitektur Multilayer Jaringan Back Propagation (Fausett, 1994) 

Dalam back propagation, fungsi aktivasi yang paling sering digunakan adalah fungsi binary sigmoid dan fungsi bipolar sigmoid. Fungsi binary sigmoid memiliki range (0,1) dan didefinisikan sebagai 

f x = + f x − f x 

Fungsi aktifasi lain yang sering digunakan adalah fungsi bipolar sigmoid yang memiliki range (-1, 1) 

Algoritma Belajar Jaringan Back Propagation 

Jaringan Back Propagation menggunakan kaidah belajar supervised learning karena dalam berlangsungnya proses belajar digunakan output acuan. Jaringan yang dilatih berisi pola xi dan pola keluaran yk. Hasil pada output layer merupakan tanggapan jaringan terhadap informasi yang masuk. 

Jika antara output jaringan dengan output yang diinginkan masih terdapat perbedaan, maka bobot koneksi akan dipropagasi balik hingga perbedaan output jaringan dengan output acuan menjadi seminimal mungkin. 

Pada Gambar 5, input vektor x = (x1……xi……xn) dimasukkan dalam input layer jaringan. Unit input mendistribusikan nilainya pada unit-unit hidden layer, sehingga masukan pada hidden layer yang ke-j adalah: inj oj i ij z = v + Σ x v − (5) 

Keterangan: 

vij   = bobot antara unit input ke-I dengan unit hidden ke-j 

voj  = bobot awal bias net masukan pada hidden layer ini (z_in j) dikalikan dengan fungsi aktifasi f untuk 

         mendapatkan output 

METODE 

Deskripsi Proses 

Secara umum proses produksi listrik di PLTU digambarkan pada Gambar 6. Uap air yang berasal dari boiler akan akan melewati control valve. Control valve membuka dan menutup sesuai dengan beban pada generator. Steam melewati Control valve selanjutnya digunakan untuk memutar turbin yang dikopel dengan generator. Setelah melewati turbin, uap, air akan dikondensasikan di kondenser dan air hasil kondensasi akan dipompakan ke dalam boiler dan dipanaskan kembali. Hal ini berlangsung secara terus menerus. 

Gambar 6 Proses Produksi Listrik di PLTU (Nagrath, 1989) 

Perancangan Pengendali JST Perancangan JST plant 

Perancangan JST plant dilakukan dengan urutan sebagai berikut: 

Mengumpulkan data-data input dan output dari plant Dari data tersebut kita lakukan perancangan JST plant dengan melakukan pelatihan untuk mendapatkan nilai bobot dan bias tertentu 

Pemilihan ukuran JST plant dengan menentukan jumlah layer, jumlah node tiap layer dan fungsi aktivasi tiap node. 

Ukuran JST yang mendekati plant adalah: 

1 input layer yang terdiri dari 2 node. 

1 hidden layer yang terdiri dari 66 node dengan fungsi aktivasi sigmoid. 

1 output layer yang terdiri dari 1 node dengan fungsi fungsi sigmoid 

Berikut ini adalah skema dari struktur JST plant. 

Gambar 7 Skema Struktur JST Plant 

Pelatihan JST plant 

Setelah struktur JST plant didapat, maka dilakukan proses pendidentifikasian plant atau lebih dikenal dengan pelatihan plant JST yang bertujuan mencari nilai bobot dan bias yang sesuai dengan plant sesungguhnya. Nilai bobot dan bias ini dipengaruhi oleh nilai momentum dan learning rate yang diubah-ubah sampai mendapat nilai bobot dan bias yang paling sesuai dengan plant. 

Perancangan JST kontroller 

Setelah mendapatkan model JST plant dilakukan perancangan JST kontroller dengan direct adaptive control. Pada JST kontroller terdapat error yang merupakan selisih antara output JST plant dan real plant. Error inilah yang akan dikurangi dengan mengubah nilai bobot dan biasnya. Mengubah nilai bobot dan bias dilakukan dengan pelatihan baik secara offline maupun secara online. 

Perancangan JST kontroller terdiri dari: 

Penentuan ukuran JST kontroller dengan menentukan input layer, hidden layer dan output layer. 

Ukuran JST kontroller yang paling sesuai adalah: 

1 input layer yang terdiri dari 1 node. 

1 hidden layer yang terdiri dari 45 node dengan fungsi aktivasi sigmoid. 

1 output layer yang terdiri dari 2 node dengan fungsi aktivasi sigmoid. 

Gambar 8 menunjukkan skema JST controller input-output. 

Jika pada pelatihan JST plant input-nya adalah laju aliran steam dan temperature dan targetnya adalah frekuensi. Sedangkan pada pelatihan offline adalah kebalikannya. 

Pelatihan online JST kontroller 

Tahap terakhir dari perancangan ini adalah pelatihan online JST kontroller dengan menggunakan nilai bobot dan bias awal yang berasal dari pelatihan offline. Struktur JST pada pelatihan online ini adalah gabungan struktur JST plant dan JST kontroller. 

Pada saat pelatihan online, dimulai tahap pemakaian kontroller JST pada plant, yang sebelumnya masih tahap pembelajaran. Dalam tahap ini, hanya me-load bobot dan bias hasil dari tahap pembelajaran Identifikasi JST Plant dan pembelajaran Offline. Hasil dari pelatihan online ini adalah nilai bobot dan bias akhir yang digunakan pada tracking setpoint atau perubahan setpoint. Dari sinilah kita akan mengetahui performansi system pengendalian frekuensi berbasis JST yang telah dirancang. 

KESIMPULAN 

Telah dilakukan perancangan sistem pengendalian frekuensi pada turbin uap dengan menggunakan aplikasi jaringan syaraf tiruan, dengan spesifikasi: 

Konfigurasi atau struktur plant yang optimum adalah 2 node lapisan input, 66 node hidden layer dan 1 node lapisan output. Error yang didapatkan adalah 4,9992 x 10-7 selama 829 epoch/ iterasi untuk parameter pelatihan learning rate 0,1 dan momentum 0,9. 

Konfigurasi kontroller offline JST yang optimum adalah 1 node lapisan input, 45 hidden layer dan 2 node output layer. Error yang didapatkan adalah 0,000899759 selama 463 epoch/iterasi untuk parameter pelatihan learning rate 0,5 dan momentum 0,9. 

Pelatihan online dengan menggunakan data JST dengan parameter learning rate 0,9 dan momentum 0,9. Error yang didapat adalah 0,000899902

Emisi Gas Buang

Emisi Gas Buang 

Emisi gas buang didefinisikan sebagai zat/unsur dari pembakaran di dalam ruang bakar yang dilepas ke udara yang ditimbulkan oleh kendaraan bermotor. Pembakaran di ruang bakar yang tidak sempurna menyebabkan emisi yang bersifat polutan, seperti HC, CO, NOx, Pb Sox, dan lainnya. 

a. Carbon Monoksida (CO) 

Karbon dan Oksigen dapat bergabung membentuk senyawa karbon monoksida (CO) sebagai hasil pembakaran yang tidak sempurna dan karbon dioksida (CO2) sebagai hasil pembakaran sempurna. Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Tidak seperti senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen darah yaitu hemoglobin. 

Pada konsentrasi normal, karbon monoksida di udara bebas tidak berpengaruh besar terhadap property maupun mahluk hidup. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, karbon monoksida dapat secara serius mempengaruhi metabolisme pernapasan manusia. Karbon monoksida mempunyai afinitas terhadap hemoglobin dalam darah (COHb) yang lebih tinggi daripada oksigen; dengan demikian mengurangi kemampuan darah untuk membawa oksigen. Kekurangan oksigen dalam aliran darah dan jaringan tubuh akan menurunkan kinerja tubuh dan pada akhirnya dapat menimbulkan kerusakan pada organ-organ tubuh. Gejala yang umumnya timbul akibat pemaparan terhadap karbon monoksida dalam konsentrasi tinggi untuk waktu yang lama adalah gangguan sistem saraf, lambatnya refleks dan penurunan kemampuan penglihatan. 

b. Nitrogen Oksida (NOx) 

Senyawa nitrogen oksida yang sering menjadi pokok pembahasan dalam masalah polusi udara adalah NO dan NO2. Kedua senyawa ini terbuang langsung ke udara bebas dari hasil pembakaran bahan bakar. NO2 yang mudah larut dalam air dapat membentuk asam nitrit atau asam nitrat menurut reaksi: 

2 NO2 + H2O ---- HNO3 + HNO2 (asam nitrat dan asam nitrit) 

3 NO3 + HO ---- 2 HNO3 + NO (asam nitrat dan nitrogen oksida) 

Asam nitrat dan asam nitrit akan jatuh bersama dengan hujan dan bergabung dengan ammonia (NH3) di atmosfer dan membentuk ammonium nitrat (NH4NO3) yang merupakan sari makanan bagi tumbuhan. Dengan kemampuan yang tinggi untuk menyerap sinar ultraviolet, NO2 memainkan peranan penting dalam pembentukan kontaminan ozon (O3). Tidak seperti gas polutan lainnya yang mempunyai daya destruktif tinggi terhadap kesehatan manusia, NO merupakan gas inert dan ‘hanya’ bersifat racun. Sama halnya dengan CO, NO mempunyai afinitas yang tinggi terhadap oksigen dibandingkan dengan hemoglobin dalam darah. Dengan demikian pemaparan terhadap NO dapat mengurangi kemampuan darah membawa oksigen sehingga tubuh kekurangan oksigen dan mengganggu fungsi metabolisme. Namun NO2 dapat menimbulkan iritasi terhadap paru-paru. Pada tumbuhan, NO tidak bersifat merusak namun NO2 menimbulkan sedikit kerusakan pada tumbuhan. Polutan sekunder dari NOx seperti PAN dan O3 justru mempunyai daya perusak yang lebih tinggi pada tumbuhan. Konsentrasi NO2 yang tinggi pada udara bebas dapat memudarkan warna tekstil, memberi warna kuning pada tekstil berwarna putih, dan mengoksidasi logam. 

c. Hidrokarbon (HC) 

Pembakaran tak sempurna pada kendaraan juga menghasilkan gas buang yang mengandung hidrokarbon, termasuk di dalamnya senyawa alifatik dan aromatik yang terdapat dalam bahan bakar. Senyawa alifatik terdapat dalam beberapa macam gugus yaitu alkana, alkena, alkuna. 

Alkena atau olefin merupakan senyawa tak jenuh dan sangat aktif di atmosfer terhadap reaksi fotokimia. Oleh karena itu penelitian terhadap polutan alkena menjadi sangat penting, terlebih lagi dengan munculnya polutan sekunder yang berasal dari reaksi fotokimia alkena, seperti peroksiasetil nitrat (PAN) dan ozon (O3). Salah satu senyawa alkena yang cukup banyak terdapat pada gas buang kendaraan adalah etilen. Penelitian menunjukkan bahwa etilen dapat mengganggu pertumbuhan tomat dan lada, juga merusak struktur dari anggrek. Alkuna, meskipun lebih reaktif dari alkena namun jarang ditemukan di udara bebas dan tidak menjadi masalah utama dalam pencemaran udara akibat gas buang kendaraan. 

d. Pengendalian Emisi Gas Buang 

Sistem-sistem untuk pengendalian emisi gas buang adalah sebagai berikut. 

1. Sistem injeksi udara 

Tujuannya adalah untuk mendorong oksidasi setiap residu hidrokarbon atau karbon monoksida. Instalasi tipikalnya terdiri dari sebuah kompresor yang digerakkan mesin yang mengirimkan udara yang telah tersaring pada tekanan rendah ke setiap port katup pembuangan. Cara kerjanya berlangsung dengan menggunakan rangkaian pipa dan tabung yang terhubung ke sebuah peralatan (manifold), dan selanjutnya terhubung dengan kompresor udara melalui pipa suplai. Oksigen dalam udara itu terkirim sehingga bergabung dengan gas-gas pembakaran yang tidak terbakar untuk memicu pembakaran yang lebih sempurna dan polusi udara yang lebih rendah. Sebuah katup pemeriksa dipasang pada jalan masuk ke peralatan distribusi, sehingga bila tekanan gas pembuangan melebihi udara yang dikirimkan, ia akan menutup dan menghalangi gas-gas buangan mengalir kembali ke kompresor. Katup anti ledakan juga dipasang pada sistem tersebut. Metode kontrol ini berhasil tetapi mahal untuk mengadakannya, selain itu konsumsi bahan bakarnya boros karena harus menggunakan campuran udara dan bahan bakar yang lebih banyak dari biasanya serta memerlukan daya yang lebih besar untuk menggerakkan kompresor. 

2. Sistem resirkulasi gas buangan (EGR) 

Metode yang efektif untuk mengurangi emisi oksida-oksida nitrogen adalah mencairkan campuran udara dan bahan bakar yang masuk dengan gas buangan yang relatif diam, yang keluar dari peralatan buangan dan dialirkan ke peralatan penyerap. Tujuan dari resirkulasi sekitar 15 persen gas buangan dengan cara ini adalah untuk mengurangi pembentukan awal dari oksida nitrit, oksida utama dari emisi buangan nitrogen, dengan menurunkan kecepatan api dan suhu puncak yang dicapai dalam ruang-ruang pembakaran mesin. Dalam praktiknya, ternyata penting untuk memodifikasi sistem tersebut agar resirkulasi gas buangan dapat dihilangkan di bawah suhu operasi normal untuk meningkatkan respons mesin dan juga selama waktu idle untuk menghindari operasi yang kasar, dan mengurangi operasi dalam full-throttle untuk mendapatkan kinerja mesin maksimum. Untuk memenuhi persyaratan-persyaratan ini, dipasang sebuah katup pengukur aliran yang biasa disebut katup EGR pada sistem itu dan dibuat agar peka terhadap depresi peralatan penyerap dan suhu pendingin. Jika digunakan sendiri, sistem ini pada akhirnya tidak mampu mencapai level emisi NOx rendah yang dituntut oleh undang-undang Amerika. 

3. Sistem reaktor termal 

Metode lain untuk membatasi jumlah hidrokarbon yang tidak terbakar dan gas-gas karbon monoksida yang dikeluarkan dari mesin adalah menggantikan manifold pembuangan konvensional dengan reaktor termal yang tertutup rapat dan berkapasitas lebih besar yang berperan sebagai ruang pembakaran sekunder. Jadi ia memungkinkan terjadinya pembakaran lanjutan terhadap gas-gas buangan dengan meningkatkan efek-efek dari suhu dan waktu dalam perjalanan mereka dari mesin ke sistem pembuangan. Untuk membantu oksidasi lanjutan dari hidrokarbon dan karbon monoksida yang masih ada dalam aliran pembuangan, sebuah kompresor penginjeksi udara yang digerakkan oleh mesin kadang-kadang digunakan untuk memaksa udara bersih masuk ke dalam reaktor termal; cara lainnya, mesin adalah mesin dijalankan dengan campuran yang sangat rendah. Ketika menggunakan cara ini, reaktor-reaktor termal dapat dibagi ke dalam reaktor termal besar dan kecil. Suhu internal dari reaktor termal bisa mencapai 10000C dan karena itu perlu dibuat dari material yang mahal, juga menimbulkan macam-macam masalah akibat suhu underbonnet yang sangat tinggi. 

4. Konverter Katalitis 

Konstruksi sebuah konverter katalitis mirip dengan tampilan eksternal sebuah silencer (peredam) biasa, tetapi di dalamnya sistem katalitis terdiri dari keramik atau elemen sarang lebah metalik yang lebih kuat. Elemen ini dikenal dengan nama berbeda-beda ‘substrat’ atau ‘monolit’ dan area permukaannya yang sangat besar semakin bertambah oleh penggunaan washcoat bertekstur kasar, sebelum dilapisi dengan lapisan katalis halus 40-50 mikron. Lapisan katalis halus biasanya adalah campuran logam-logam mulia (tidak mudah berkarat) dengan platinum, atau palladium, yang digunakan untuk mengakselerasi oksidasi hidrokarbon dan karbon monoksida untuk mengurangi oksida-oksida nitrogen. Substrat keramik ditopang sarung berisi baja nirkarat, yang tidak hanya melindungi elemen itu terhadap vibrasi sistem pembakaran tetapi juga mengakomodasi karakteristik ekspansi dan kontraksi termalnya yang cepat. Substrat dan medium penopangnya selanjutnya ditutup di dalam casing yang terbuat dari baja nirkarat. Sebaliknya, substrat metalik dapat dilas pada casing baja nirkarat agar lebih tahan lama. Casing itu sendiri dibentuk dengan ujung-ujung kerucut yang berhubungan dengan perpipaan sistem pembuangan dan tujuannya adalah untuk membantu aliran gas melalui konverter. 

Gambar Catalytic Converter 

Dari sistem pengendalian emisi gas buang yang paling efektif adalah Catalytic Converter karena merupakan penyempurna dari sistem-sistem dalam pengendalian emisi gas buang. Dengan lapisan katalis halus yang berupa campuran logam-logam mulia (tidak mudah berkarat) yaitu platinum, atau palladium, yang berguna untuk mengakselerasi oksidasi hidrokarbon, karbon monoksida dan rhodium untuk mengurangi oksida-oksida nitrogen. Untuk mengontrol emisi hidrokarbon dan karbon monoksida dan biasanya digabung dengan injeksi udara dari kompresor yang digerakkan mesin, hal itu bertujuan untuk menyediakan oksigen dalam jumlah yang cukup guna menyempurnakan pembakaran campuran udara-bahan bakar yang banyak mengandung stoikiometri. Selain itu konverter katalitis ditempatkan pada jarak yang dekat dengan manifold pembuangan karena penambahan panas akan mempercepat rekasi kimia, sehingga kurang efektif untuk bekerja sebelum suhunya mencapai sekitar 2500C.

Teknologi Kawasaki Untuk Mengurangi Emisi Gas Buang

Teknologi Kawasaki Untuk Mengurangi Emisi Gas Buang 

Kawasaki mencatat gas buang Ninja sebagai berikut: 0,49 gram/km karbon monoksida (CO), 0,55 gram/km hidrokarbon(HC), dan 0,016 gram/km nitrogen oksida (NOx). Teknologi yang digunakan kawasaki yaitu Super KIPS (Kawasaki Integrated Powervalve System), , HSAS (high performance secondary air system), converter katalis, super electrofussion cylinder, serta memakai karburator. 

a. Super KIPS 

Super KIPS (Kawasaki Integrated Powervalve System) adalah suatu mekanisme klep yang mengontrol gas buang pada exhaust port. Super KIPS berfungsi membuka pada putaran/rpm tinggi yang berfungsi terutama untuk menghasilkan tenaga ( power ) yang maksimal. Dengan adanya klep tersebut, pada waktu putaran mesin rendah, campuran sisa pembakaran termasuk didalamnya unsur HC, yang pada mesin 2-tak biasa akan terbuang, dapat dicegah untuk keluar sehingga kadar HC yang dihasilkan menjadi rendah dalam sisa gas buangnya. 

Bagian terpenting dari Super KIPS adalah adanya klep (valve) yang difungsikan pada lubang pembuangan. Katup/klep ini berfungsi karena mekanisme tertentu di dalam mesin. Katup ini berfungsi membuka pada kecepatan/RPM di atas 7000-8500. Katup ini akan berfungsi membuka pada RPM tinggi, agar pembuangan gas sisa pembakaran dapat berlangsung lebih sempurna. Sebaliknya katup ini akan berfungsi menutup pada RPM rendah untuk menghindarkan terbuangnya campuran bensin-udara yang baru masuk ke ruang bakar dan karter. 

Gambar Super KIPS 

b. HSAS 

HSAS (High Performance Secondary Air Sustem) yaitu suatu saluran udara bersih yang langsung disuntikkan ke ruangan (chamber) dimana gas buang dari ruang bakar bermuara. Pada akhir saluran udara ini ditempatkan mekanisme reed-valve, yang hanya membuka pada saat tekanan dalam chamber rendah (pada waktu putaran mesin rendah). Pada saat tekanan dalam chamber tinggi (pada waktu putaran mesin tinggi) reed valve tertutup. Pada waktu klep Super KIPS membuka (pada RPM tinggi) HSAS berfungsi menutup, sebaliknya pada waktu putaran mesin rendah klep Super KIPS menutup, HSAS berfungsi membuka, pada saat terbuka itulah udara segar masuk ke exhaust chamber. Kegunaan utama HSAS adalah mempercepat reaksi oksidasi dalam catalylic converter dengan cara menginduksi udara segar ke dalam campuran gas sisa pembakaran serta membentuk campuran gas yang padat oksigen. 

Gambar Perangkat dalam HSAS 

c. Catalytic Converter 

Catalytic Converter yang dikembangkan oleh Kawasaki juga disebut sebagai "two stage catalyst" yaitu ditambahkannya precatalytic converter yang tujuannya adalah meningkatkan temperatur gas buang pada saat memasuki Catalytic Converter utama agar didapat pemurnian yang lebih sempurna. Logam yang digunakan pada Catalytic Converter termasuk logam mulia yaitu Platinum dan Rhodium, yang mempunyai kemampuan yang sangat baik dalam memurnikan gas CO (Carbon Monoxide = Karbon Monoksida) serta HC (Hydro Carbon = Hidro Karbon). Setelah melewati Catalytic Converter, kedua gas beracun ini akan berubah bentuk menjadi gas Karbondioksida (CO2) dan air yang tidak beracun. 

Gambar Catalytic Converter 

d. Super Electrofusion Cylinder 

Super Electrofussion Cylinder tidak langsung berhubungan dengan gas NOx (Nitrogen Oxida) dan CO (Carbon Monoksida) ataupun HC (Hidro Carbon) tapi lebih ke arah kabut asap yang selalu menyelimuti bila motor 2 tak. Dalam Super Electrofussion Cylinder dimana silinder seakan memiliki pori-pori yang dapat menahan oli pelumas didalamnya sehingga penggunaan oli tidak berlebihan. Bagian dalam dari silinder tersebut terbuat melalui proses elektro-fusi dari logam tertentu, yaitu molybdenum dan High Carbon Steel. Kawat molybdenum dan kawat high carbon steel dengan diameter 1,4mm dimasukkan bergantian sepanjang silinder kemudian dialiri listrik sebesar 15.000 volt ("diledakkan"- untuk molybdenum 15.000 volt dan High Carbon Steel 13.000 volt) sehingga logam tersebut berubah bentuk menjadi partikel-partikel yang melebur ke permukaan silinder dan membentuk lapisan logam khusus yang sangat tipis di bagian dalam silinder tersebut (martensite = susunan besi dan karbon yang kuat). Proses tersebut diulang beberapa kali (Molybdenum 7 kali, High Carbon Steel 14 kali) sehingga terbentuk lapisan yang sangat kuat (ketebalannya kurang lebih 0,070 mm). Permukaan lapisan hasil peledakan ini bersifat dapat menyerap dan menahan oli pelumas (porous) dimana dalam celah-celah halus inilah oli akan tinggal di dalamnya sehingga terhindar adanya gesekan langsung antara dinding silinder dengan piston. Jadi disamping lapisan hasil elektro-fusi tersebut sangat kuat, lapisan itu menjamin pelumasan yang terus menerus bagi gesekan piston dengan dindingnya. Boleh dikatakan dengan sistem elektrofusi ini silinder tidak perlu di korter ( oversize ) disamping bahwa sistem ini menjamin pemakaian oli yang cukup, yang tentu juga mengurangi kemungkinan terbakarnya oli secara berlebihan yang menyebabkan knalpot mengeluarkan polusi berupa asap putih.

Gambar Super Electrofussion Cylinder

Prestasi Motor Bakar

Prestasi Motor Bakar

a. Volume Silinder

Volume silinder antara TMA dan TMB disebut volume langkah torak (V1). Sedangkan volume TMA dan kepala silinder (tutup silinder) disebut volume sisa (Vs). Volume total (V­­t) ialah isi ruang antara torak ketika berada di TMB sampai tutup silinder.

V1 = V1 + Vs ......................................................... (2.1)

Volume langkah mempunyai satuan yang tergantung pada satuan diameter silinder (D) dan panjang langkah torak (L) biasanya mempunyai satuan centimetercubic (cc) atau cubicinch (cu.in).

V1 = luas lingkaran x panjang langkah

V1 = r2 x L

V1 = x L

Dengan demikian besaran dan ukuran motor bakar menurut volume silinder tergantung dari banyaknya silinder yang digunakan dan besarnya volume silinder (Kiyaku & Murdhana, 1998).

b. Perbandingan kompresi

Hasil bagi volume total dengan volume sisa disebut sebagai perbandingan kompresi

.............................................. (2.2)

Dimana :

V1 = volume langkah torak

Vs = volume sisa

Jadi, bila suatu motor mempunyai volume total 56 cu.in dan volume sisa 7 cu.in, maka perbandingan kompresinya adalah ;

Hal diatas menunjukkan bahwa selama langkah kompresi, muatan yang ada di atas torak dimampatkan 8 kali lipat dari volume terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin tinggi tekanannya dan temperatur akhir kompresi. (Kiyaku & Murdhana, 1998).

c. Daya Mesin

Pada motor bakar, daya yang berguna adalah daya poros seperti telah dijelaskan di atas. Daya poros ditimbulkan oleh bahan bakar yang dibakar dalam silinder dan selanjutnya menggerakkan semua mekanisme. 

Unjuk kerja motor bakar pertama-tama tergantung dari daya yang ditimbulkan (Soenarto & Furuhama, 1995).

Gambar 2.13. Alat Tes Prestasi Motor Bakar

(Sumber : Soenarta & Furuhama, 1995)

Pada gambar (2.13) di atas menunjukkan peralatan yang dipergunakan untuk mengukur nilai yang berhubungan dengan keluaran motor pembakaran yang seimbang dengan hambatan atau beban pada kecepatan putaran konstan (n), kalau n berubah, maka motor pembakaran menghasilkan daya untuk mempercepat atau memperlambat bagian yang berputar. Motor pembakaran ini dihubungkan dengan dinamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor yang akan mengaduk air yang ada didalamnya. Hambatan ini akan menimbulkan torsi ( T ), sehingga nilai daya (P) dapat ditentukan sebagai berikut :

P (kW)…………………………………..(2.3)

Dimana :

n = putaran mesin (rpm)

T = torsi (N.m)

Torak yang didorong oleh gas membuat usaha. Baik tekanan maupun suhunya akan turun waktu gas berekspansi. Energi panas diubah menjadi usaha mekanis. Konsumsi energi panas ditunjukkan langsung oleh turunnya suhu. Kalau toraknya tidak mendapatkan hambatan dan tidak menghasilkan usaha gas tidak akan berubah meskipun tekanannya turun.

d. Tekanan Efektif rata-rata

Besar nilai Pi merupakan tekan efektif rata-rata indikator (indikator mean Effective pressure : IMEP )

Nilai Pi, dapat ditemukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut

..............................................................(2.4)

Dengan menggunakan nilai Pi dapat memudahkan perhitungan besar usaha indikator Wi pada tekanan konstan selama torak pada langkah ekspansi. Pada mesin 4 langkah besar nilai Pi terjadi setiap 2 putaran, sehingga besar nilai Ni indikator dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

Dengan satuan Si (m3,kPa dan rps)

Ni = Vi . Pi n/2 (kW)............................................(2.5)

Dimana ;

V1 = volume langkah (m3)

Pi = tekanan efektif rata-rata indikator (kPa)

N = putaran mesin (rpm)

Pada mesin 2 langkah besara nilai Pi dihasilkan pada tiap putaran, maka secara teoritis nilai Ni akan menjadi dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan persamaan 4, tetapi pada umumnya besar nilai Pi pada mesin 2 langkah lebih kecil dibanding dengan mesin 4 langkah. Nilai Ni disebut sebagai keluaran indikator yang menyatakan keluaran, disebabkan adanya tekanan pada torak.

Daya yang dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin disebut sebagai keluaran efektif (brake mean out put), nilai Ne dapat dirumuskan sebagai berikut :

Ne = V1 . N . BMEP .2 (kW)......................................(2.6)

Besar keluaran efektif dapat diukur menggunakan sebuah dinamometer. Nilai BMEP adalah merupakan tekanan efektif rata-rata (brake mean effective pressure ). Besar nilai Ne yan ditentukan oleh produk dari volume langkah V1, kecepatan putaran dan BMEP yang berhubungan dengan tekanan gas rata-rata merupakan keluaran suatu pembakaran yang bermanfaat. BMEP adalah besar nilai yang menunjukkan daya mesin setiap satuan volume silinder pada putaran tertentu dan tidak tergantung dari ukuran motor bakar (Soenarta & Furuhama, 1995).

Besar nilai BMEP dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut :

...............................................................(2.7)

Dimana :

P = daya (kW)

N = putaran mesin (rpm)

Vd = volume langkah total silinder

Z = 2 untuk mesin 4 langkah, 1 untuk mesin 2 langkah

e. Menentukan Efisiensi Energi

1. Efisiensi Thermis

Perbandingan antara energi yang dihasilkan dan energi yang dimasukkan pada proses pembakaran bahan bakar disebut efisiensi thermis rem (brake thermal efficiency) dan ditentukan sebagai berikut ;

..................................... (2.8)

Dimana :

H = nilai kalor untuk bahan bakar

SFC = konsumsi bahan bakar sfesifik

(sumber : Soenarto & Furuhama, 1995)

Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah nilai kalornya (Kiyaku & Murdhana, 1998).

Besar efisiensi thermis () bervariasi tergantung dari tipe motor dan cara pengoperasiannya. Angka ini akan naik sampai 84 % untuk motor diesel dengan putaran rendah, sedang pada motor diesel biasanya 34 – 50 %, motor otto 25 – 33%, pada motor dua langkah maka akan semakin turun lagi (Soenarta &Furuhama, 1995).

2. Konsumsi Bahan Bakar

Besar pemakaian bahan bakar spesific (SFC) ditentukan dalam g/PSh atau g/kWh dan umum digunakan daripada ηbt. Besar nilai SFC adalah kebalikan dari pada ηbt. Penggunaan bahan bakar dalam gram / jam Ne dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

........................................... (2.9)

Dimana :

SFC = konsumsi bahan bakar sfesifik (kg/kWh)

P = daya mesin (kW)

Sedangkan nilai mf dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

................................. (2.10)

Dimana :

b = volume 3 buret (cc)

t = waktu (detik)

ρbb = berat jenis bahan bakar (kg / 1)

mf = adalah penggunaan bahan bakar per jam pada kondisi tertentu

(Soenarta & Furuhama, 1995)

Nilai kalor mempunyai hubungan berat jenis pada umumnya semakin tinggi berat jenis maka semakin rendah kalornya. Pembakaran dapat berlangsung dengan sempurna, tetapi juga dapat tidak sempurna. Jika bahan bakar tidak mengandung bahan-bahan yang tidak dapat terbakar, maka pembakaran akan sempurna sehingga hasil pembakaran berupa gas pembakaran saja.

Panas yang keluar dari pembakaran didalam silinder, motor akan memanaskan gas pembakaran sedemikian tinggi, sehingga gas-gas itu memperoleh tekanan yang lebih tinggi pula. Tetapi bilamana bahan bakar tidak terbakar dengan sempurna, sebagian bahan bakar itu akan tersisa. Maka akan terjadi selain gas-gas pembakaran, juga sisa-sisa pembakaran yang lama, apabila dibiarkan lama kelamaan akan menjadi liat bahkan menjadi keras. Akibat yang demikian, maka panas yang terjadi tidak banyak, sehingga suhu dari gas pembakaran turun dan tekanan gas akan turun pula.

Jadi dapat disimpulkan bahwa pembakaran yang kurang sempurna dapat berakibat :

1. Kerugian panas dalam motor jadi besar, sehingga efisiensi motor menjadi turun. Usaha dari motor turun pula pada penggunaan bahan bakar yang tetap.
2. Sisa pembakaran terdapat pula pada lubang pembuangan antara katup dan dudukannya, terutama pada katup buang sehingga katup tidak dapat menutup dengan rapat.
3. Sisa pembakaran yang telah menjadi keras yang melekat antara torak dan dinding silinder menghalangi pelumasan, sehingga torak dan silinder mudah aus.

Bagian-bagian Motor

Bagian-bagian Motor 

a. Silinder 

Silinder adalah sebagai tempat pembakaran campuran bahan bakar dengan udara untuk mendapatkan tekanan dan temperatur yang tinggi. Akibat adanya tekanan tinggi dan gesekan-gesekan dinding torak dengan dinding silindernya, maka pembuatan silinder harus dikerjakan dengan halus, teliti dan baik. Bahan logam yang dipergunakan adalah bahan yang berkualitas baik sehingga tahan lama, tahan gesekan, serta tahan terhadap temperatur tinggi. Pada umumnya silinder dibuat dari baja tuang untuk mesin besar dan untuk mesin kecil terbuat dari bahan logam alumunium paduan. 

 

Gambar. 2.10. Blok silinder 

(Sumber : Yasswaki Kiyaku; DM Murdhana, 1999) 

b. Kepala silinder 

Pada umunya kepala silinder dibuat dari bahan alumunium paduan. Untuk menghindarkan kebocoran gas terutama pada langkah kompresi maka pemasangan packing dan pengencangan sekrup untuk merapatkan kepala silinder terhadap silindernya harus seteliti mungkin. 

c. Torak 

Torak atau piston terbuat dari bahan alumunium paduan yang mempunyai sifat : 

a. Ringan 

b. Penghantar panas yang baik 

c. Pemuaian kecil 

d. Tahan terhadap keausan akibat gesekan 

e. Kekuatan yang tinggi terutama pada temperatur tinggi 

Gambar. 2.11. Torak dan Pena Torak 

(Sumber : Croese; Anglin, 1994) 

d. Cincin Torak 

Cincin torak adalah cincin yang memisahkan dua bagian, yaitu torak dan silinder. Fungsi cincin torak adalah untuk mempertahankan kerapatan antara torak dan dinding silinder agar tidak ada kebocoran gas dari ruang bakar ke dalam bak mesin. Cincin torak juga berfungsi membantu pengontrolan lapisan minyak pelumas di dinding silinder. Cincin torak dibuat dari besi tuang atau baja campuran dan digunakan sebagai penekan arah radial ke dinding silinder untuk membentuk suatu sil / perapat antara silinder dan torak. 

Cincin torak tebagi dua jenis dasar : 

1. Cincin kompresi 

Cincin kompresi yang secara normal dipasang pada bagian atas terdiri dari dua cincin. Pada dasarnya cincin kompresi berfungsi untuk memisahkan (sil / perapat) agar mencegah gas dalam ruang pembakaran melewati bak mesin. 

2. Ring Pengontrol Oli 

Ring ini dipasang pada bagian bawah dan merupakan ring tunggal yang berfungsi untuk meratakan minyak pada dinding silinder dan mengalirkan kembali ke panci oli. Ring oli pada dasarnya terdiri dari tiga jenis,  yaitu : 

a. Ring oli besi tuang (Slotted cast iron oil ring) yang dibuat satu buah 

b. Ring oli bentuk segmen terdiri dari dua atau empat buah 

c. Satu ekspander atau pengembang yang dipasang dibelakang segmen berfungsi sebagai pendorong keluar
    pada dinding silinder 

e. Pena Torak 

Pena torak berfungsi sebagai pengikat torak terhadap batang penggerak. Selain itu, pena torak juga berfungsi sebagai pemindah tenaga torak ke batang penggerak agar gerak bolak-balik dari torak dapat diubah menjadi gerak berputar pada poros engkol. Pena torak terbuat dari bahan baja paduan yang bermutu tinggi agar tahan terhadap beban yang sangat besar 

f. Batang Penggerak 

Batang penggerak menghubungkan torak atau piston ke poros engkol. Batang penggerak memindahkan gaya torak dan memutar poros engkol. Ketika berhubungan dengan poros engkol, batang penggerak mengubah gerakan bolak-balik torak kedalam gerakan putaran dari poros engkol dan roda gigi, batang penggerak pada umumnya dibuat dari campuran baja. 

g. Poros Engkol 

Pada umumnya poros engkol dibuat dari bahan baja. Poros engkol berfungsi mengubah gerakan bolak-balik yang diterima dari torak menjadi gerakan berputar. Pada poros engkol biasanya terdapat counter weight yang berfungsi untuk membalance gaya-gaya yang tidak seimbang dari komponen poros engkol atau dari komponen mesin yang berputar pada poros engkol. Bagian poros engkol yang berfungsi sebagai poros disebut journal yang ditumpu oleh dua buah lempengan bantalan yang disebut bantalan utama (main bearing). Bantalan utama juga berfungsi sebagai penumpu dari poros engkol agar tidak mudah terpuntir dan berubah bentuk. 

Gambar 2.12. Poros Engkol dan bagian-bagiannya 

(Sumber : Crouse; Anglin, 1994) 

h. Roda Gaya atau Roda Penerus 

Berputarnya poros engkol secara terus menerus adalah akibat adanya tenaga gerak (energi kinetik) yang disimpan pada roda penerus sebagai kelebihan pada saat langkah kerja. Roda penerus atau disebut juga roda gila dalam pembuatannya harus dibalance dengan teliti agar putaran mesin rata tanpa getaran-getaran. 

i. Bak Mesin 

Bak mesin merupakan tempat penempatan poros engkol dan gigi transmisi. Bak mesin umumnya dibuat dari bahan logam alumunium paduan. Pada jenis motor 2 langkah pada bagian bak mesinnya terdapat saluran yang dihubungkan dengan karburator sebagai pemasukan bahan bakar. Pada motor 4 langkah bak mesin merupakan tempat minyak pelumas sekaligus juga sebagai pendingin minyak pelumas didalam sirkulasinya.