DASAR SISTEM PROPULSI KERETA

DASAR SISTEM PROPULSI KERETA

GAMBAR DESAIN KELISTRIKAN KERETA API – 5AB

ERWIN AVIANTO 2023

PENDAHULUAN 1

SISTEM PROPULSI

[Simplex Turbulo]

[Toshiba]

• Propulsion is the action or

process of pushing or pulling to drive an object forward

• A propulsion system consists of a source of mechanical

power, and a propulsor (means of converting this power into propulsive force)

[Merriam Webster online dictionary, Wikipedia]

KONSUMSI ENERGI SEKTOR TRANSPORTASI

[MLIT Japan]

• Efisiensi energi di kereta :

 Running resistance kecil (gesekan roda dan rel kecil)

 Kemampuan untuk regenerative braking

TEKNOLOGI KERETA

Electrified Line

Catenary (Electric Car) Hybrid :

Catenary + Battery

Non-electrified Line

Onboard Diesel Engine (Diesel Car)

Hybrid :

Diesel Engine + Battery

Mix-electrified Line

Hybrid :

Catenary + Diesel Engine Hybrid :

Catenary + Battery

Railway Technology

• Suplai energi kontinyu sepanjang jalur (operasional kereta terbatas pada jalur elektrifikasi)

• Konsumsi energi paling efisien

• Ramah lingkungan

• High traffic density

• Operasional kereta tidak terbatas pada jalur elektrifikasi

• Konsumsi energi kurang efisien

• Memberikan dampak negatif terhadap lingkungan (BBM, emisi)

• Low traffic density

• Operasional kereta tidak

terbatas pada jalur elektrifikasi

• Konsumsi energi efisien

• Memberikan dampak negatif

terhadap lingkungan (BBM, emisi) untuk opsiHybrid denganDiesel Engine

• Mix between high and low traffic density

Hybrid :

Battery + Fuel Cell

PROFIL JALUR KERETA DI DUNIA

Year

Million km

[Railway Handbook 2015 by IEA and UIC]

Italy

Korea China

Africa North America

India Japan Russia

Germany

Europe

Year

Percentage of electrified railway tracks in some countries

Electrified line : 32%

Growth : ≈ 1%/year

 Jalur kereta non-elektrifikasi di dunia, termasuk di Indonesia, sangat panjang, karena :

 Biaya elektrifikasi sangat tinggi

 Tidak semua jalur ramai penumpang

Non-electrified 4,816 km (95.3%)

Electrified 285 km (4.7%)

Indonesia railway network

[Wikipedia, 2017]

SISTEM PROPULSI KERETA

M

Diesel Engine

Roda digerakkan oleh transmisi hidrolik

Lokomotif menarik rangkaian kereta penumpang Rangkaian kereta rel diesel elektrik (KRDE) Diesel Engine

Roda digerakkan oleh motor listrik

MC1 M1 T1 T2 M2 MC2

M M M M M M M

V V S S V V

V S M

MC : Motor Cabin car M : Motor car

T : Trailer car

: VVVF Inverter (pengatur daya traksi) : Motor listrik

: Static Inverter (penyuplai daya beban auxiliary)

[INKA]

[INKA]

[INKA]

DESAIN PERFORMANSI KERETA

[KAI]

• Performansi kereta harus didesain sesuai dengan batasan waktu perjalanan kereta

• Performansi kereta :

 Percepatan,

 Perlambatan,

 Kecepatan maksimum, dsb

Jadwal waktu perjalanan

kereta

^{Slip roda}karena adhesi Power motor dan sumber

ANALOGI PRINSIP KERJA SISTEM PROPULSI KERETA

T

r ^{T = F ∙ 𝑟}

T r F

Sumber energi :

• Sumber energi terbarukan atau tidak yang diolah oleh pembangkit listrik, engine, dsb Pengatur dan penerus daya :

• Inverter, motor listrik, transmisi, dsb

Sumber energi :

• Makanan yang diolah menjadi energi oleh tubuh

Pengatur dan penerus daya :

• Otak, kaki, pedal, gear, dsb

GAYA TRAKSI (TRACTIVE EFFORT)

Tractive Effort adalah gaya yang diberikan oleh sistem penggerak pada roda sehingga kereta dapat bergerak

m F

R

α = acceleration (m/s²) F = tractive effort (kN) R = train resistance (kN) m = train mass (ton)

R

(Hukum Newton II)

balancing speed

• titik temu F dan R untuk menentukan kecepatan desain kereta

running resistance (Rr), gradient resistance (Rg), curve resistance (Rc)

jenis

α = 𝐹 − 𝑅

𝑚

DIAGRAM PERFORMANSI TRAKSI, DAYA DAN ENERGI

Power naik

[Buhrkall, 2004]

Energi pengereman yang kembali ke

sumber (saving energy)

DIAGRAM DAYA, ENERGI DAN OPERASIONAL KERETA

consumed energy

return energy

(powering) (keep the speed and supply auxiliary load)

(deceleration)

[bfdpod.com]

Perintah masinis melalui master control

KONFIGURASI SISTEM PROPULSI 2

DISTRIBUTED VS CONCENTRATED TRACTION SYSTEM

[Sato, 2010]

Distributed Traction System

Keunggulan :

+ Effective use of regenerative brakes + Higher acceleration and deceleration

performance resulting from greater total load on powered axles

+ Effective use of space above the floor for passenger cabins

+ Reduction in maximum axle load Kekurangan (di masa lalu) :

- Noise in passenger cabins due to equipment under floor

- High initial cost

14M2T

2M8T

DIAGRAM ALIRAN DAYA SISTEM PROPULSI HIDROLIK

KRDI

Kereta dengan sistem propulsi hidrolik menggunakan

komponen yang lebih sedikit dibandingkan dengan sistem propulsi elektrik

CONTOH KERETA DENGAN SISTEM PROPULSI HIDROLIK

KRDI (Kereta Rel Diesel Indonesia)

[INKA] [Wikipedia]

KRD SUSI

(Kereta Rel Diesel Surabaya Sidoarjo)

DMU (Diesel Multiple Unit) tipe KiHa85 di Jepang

[Wikipedia]

Lokomotif Diesel Hidrolik tipe CC300

[INKA]

TIPE SUMBER DAYA SISTEM PROPULSI ELEKTRIK

Sumber Daya Jenis Motor Contoh Aplikasi

DC

(Generator atau LAA)

DC Lokomotif CC201, KRL Rheostatic AC

KRL ex Tokyo Metro, MRT Jakarta,

LRT Jabodebek

AC

(Generator atau LAA)

DC Lokomotif CC206, Shinkansen seri 0 AC

Lokomotif CC205, KRDE Prameks,

Shinkansen seri N700

LAA : Listrik Aliran Atas atau Catenary

DIAGRAM ALIRAN DAYA SISTEM PROPULSI ELEKTRIK

KRDE

Lokomotif yang berbasis

motor DC maupun motor AC mempunyai sistem yang mirip dengan KRDE

DIAGRAM ALIRAN DAYA SISTEM PROPULSI ELEKTRIK

LRT menggunakan Collective Shoe yang terhubung dengan third rail

KRL & LRT

DIAGRAM ALIRAN DAYA SISTEM PROPULSI ELEKTRIK

KERETA BATERAI

Kereta bertenaga baterai

mempunyai sistem yang lebih sederhana namun perlu

infrastruktur charging dan jarak tempuhnya terbatas

CONTOH KERETA DENGAN SISTEM PROPULSI ELEKTRIK

[KCI]

[INKA]

KRL KCI menggunakan pantograph DC dan motor DC/AC

KRDE Prameks menggunakan Engine dan motor AC

[JR-East]

Shinkansen menggunakan pantograph AC dan motor AC

Kereta bertenaga baterai dan motor AC

[JR-East]

DIAGRAM ALIRAN DAYA SISTEM PROPULSI HYBRID

[Furuta, 2010]

KRL

KRDE

KRDH

CONTOH KERETA DENGAN SISTEM PROPULSI HYBRID

[Ogawa, 2012]

Lokomotif Hybrid HD300 KRDE Hybrid KiHA E200

[Furuta, 2010]

TEKNOLOGI KOMPONEN SISTEM PROPULSI

3

TEKNOLOGI CURRENT COLLECTOR

Fungsi current collector adalah menyalurkan arus dari sumber ke beban motor traksi sesuai pengaturan VVVF Inverter

• Pantograph terhubung dengan overhead wire atau catenary

• Digunakan pada KRL

• Collective shoe terhubung dengan third rail

• Digunakan pada LRT

[JRTR]

[JRTR] [Kim, 2015]

• Transmisi daya melalui wireless coil

• Under dev.

TEKNOLOGI ENGINE, TRANSMISI DAN GENERATOR

Engine adalah sumber energi yang mana putarannya akan diubah menjadi gerak di roda oleh Transmisi atau menjadi listrik oleh Generator

• Putaran engine dikendalikan oleh Engine Control Module

• Tipe instalasi engine di kereta adalah on-floor dan under-floor

• Sistem transmisi berfungsi untuk mengatur torsi

keluaran engine ke roda

• Prinsip kerjanya sama dengan sistem transmisi mobil

• Generator mengubah energi gerak dari engine menjadi listrik sebagai inputan VVVF Inverter

• Tipe generator adalah generator AC dan generator DC

[Cummins]

ECM

[VEM]

[Voith]

TEKNOLOGI MOTOR TRAKSI

Fungsi motor traksi adalah menggerakkan kereta sesuai dengan pengaturan VVVF Inverter

~ 10 mm

• Pengaturan torsi dan

kecepatan mudah dilakukan

• Perlu sering mengganti brush dan commutator

[Railway Technical]

[Railway Technical] • Lebih susah mengendalikan

torsi dan kecepatan motor

• Tidak ada brush dan

commutator sehingga less maintenance

• Banyak digunakan saat ini

• Less moving parts

• Dimensi kereta bisa menjadi lebih kecil sehingga biasanya digunakan pada subway

Motor DC Motor AC

Induksi

Motor Linier

TEKNOLOGI POWER CONVERTER

Fungsi power converter secara umum adalah mengubah daya dari sumber (DC atau AC) ke beban (DC atau AC) menggunakan algoritma kendali tertentu

• Rectifier berfungsi

mengubah tegangan AC dari Generator menjadi tegangan DC-link untuk suplai VVVF Inverter, Static Inverter, dsb

Dioda

VVVF Inverter

IGBT / SiC MOSFET

• VVVF Inverter berfungsi

mengubah tegangan DC-link menjadi tegangan AC untuk mengendalikan performa Motor Traksi sesuai desain

Static Inverter

IGBT / SiC MOSFET

• Static Inverter berfungsi

mengubah tegangan DC-link menjadi tegangan AC

sebagai suplai peralatan auxiliary, seperti A/C, kompresor, lampu, dsb

TEKNOLOGI POWER SEMICONDUCTOR

[Kondo, 2010]

[Toshiba]

• Saat ini, trend teknologi Power Converter adalah menggunakan IGBT

• Beberapa manufaktur sudah menggunakan SiC-MOSFET yang lebih efisien

TEKNOLOGI CONTROLLER

Controller Static Inverter

Controller VVVF Inverter

Pemrograman Controller menggunakan bahasa C

Desain dan Programming Human Machine Interface untuk memudahkan analisis sistem yang sedang dijalankan

TERIMA KASIH