Ilmu Kereta - Mengenal sistem propulsi pada Kereta Api

Selamat malam netizen, kembali kita bertemu lagi di blog ini. Malam ini saya akan kembali membahas soalan teknis Ilmu Kereta. Kali ini saya akan membahas mengenai sistem propulsi atau sistem penggerak yang sekarang umum di gunakan pada Kereta Api. Pengen tahu seperti apa sih sistem propulsi pada kereta api itu ?? yuk kita bahas..

Sebagai salah satu dari jenis kendaraan yang dapat bergerak sendiri, Kereta Api juga mempunyai sistem penggerak atau yang dikenal dengan sistem propulsi yang akan menggerakkan roda-roda kereta sehingga Kereta api bisa berjalan. Sistem propulsi ini bisa terdapat pada lokomotif atau Kereta Multiple Unit seperti KRD / KRL. Sistem Propulsi juga mengalamai perkembangan yaitu pada awal mulanya dengan menggunakan mesin uap hingga kemudian berkembang menjadi mesin konverter elektrik yang canggih dan modern seperti yang banyak dipakai sekarang ini. Pada bahasan ini akan di jabarkan sistem propulsi modern yang saat ini umum atau masih di gunakan. Untuk mesin uap sudah dibahas pada bahasan sebelum ini yaitu pada Lokomotif Uap. kali ini kita akan membahas mengenai Sistem propulsi Elektrik, Diesel Elektrik dan Diesel Hidrolik.

1. Sistem Propulsi Elektrik
Sistem Propulsi Elektrik pada umumnya dipakai pada KRL dimana sumber tenaganya diperoleh langsung dari kabel Catenary atau LAA ( Listrik Aliran Atas ) melalui perantara Pantograph. Pada sistem ini, terjadi perubahan bentuk energi yaitu dari energi listrik menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menggerakkan roda kereta. Tegangan listrik sebagai sumber daya utama akan digunakan untuk memutar motor listrik melalui perantara konverter atau komponen pengubah level tegangan lain. Komponen utama pada Propulsi Elektrik adalah Motor listrik atau Motor Traksi dan Drive System. Dalam perkembangannya, tegangan yang digunakan dapat berupa tegangan searah ( DC ) atau bolak-balik ( AC ) begitu pula dengan Motor Listriknya.
 
a. Motor Listrik ( Motor Traksi )
Pada Kereta Api, Motor listrik disebut juga dengan Motor Traksi, karena pada motor listrik inilah tertumpu tenaga traksi untuk menggerakkan kereta. Motor Traksi yang di gunakan pada Kereta Api ada beberapa macam yaitu mulai dari Motor DC, Motor AC hingga yang paling modern adalah Motor Linier yang dipakai pada kereta Maglev. Motor DC tipe seri sebenernya merupakan motor listrik yang paling cocok dipergunakan sebagai motor traksi dikarenakan karakteristik torsi start yang tinggi. Namun dikarenakan perlunya perawatan yg intensif, maka motor traksi bergeser menggunakan motor AC yang lebih mudah perawatannya dan lebih mudah juga dalam pengendaliannya.

Gambar 1. Motor Traksi
( sumber : http://www.yonge.chinacnr.com/yonge/english/uploadfile/200992317474476520.jpg )

b. Drive Control System ( Converter )
Untuk bisa menggerakkan sekaligus mengendalikan putaran motor traksi maka diperlukan komponen yang disebut Drive Control. Drive Control untuk motor DC dan Motor AC berbeda. Untuk Drive Control motor DC yang umum adalah menggunakan resistor control dan DC Chopper atau Converter DC to DC. Pada Resistor Control, resistansi yang akan diatur sehingga terjadi perubahan tegangan motor DC yang terhubung seri dengan resistor. Selain bisa dikendalikan secara step-less, Resistor Control juga bisa dibagi dalam beberapa step yang masing-masing dikendalikan oleh kontak relay powering atau Nocthing Relay. Sementara untuk DC Chopper, digunakan mekanisme Switching tegangan DC yang akan menghasilkan tegangan output DC yang berubah-ubah tegangannya sehingga bisa dihasilkan kecepatan putar motor DC yang berbeda.

Gambar 2. Sistem Drive Control motor DC dengan Resistor

Gambar 3. Sistem Drive Control motor DC dengan DC-DC Converter / DC Chopper

Sementara Drive Control untuk motor AC menggunakan Converter DC ke AC yang disebut sebagai Inverter. Pada Inverter, tegangan input berupa tegangan DC akan diubah menjadi tegangan AC melalui proses switching. Tegangan AC yang dihasilkan akan memiliki frekuensi dan tegangan yang bisa berubah sehingga dapat menghasilkan putaran motor yang berubah pula sehingga pada umumnya Inverter yang digunakan untuk drive motor disebut sebagai VVVF Inverter ( Variable Voltage Variable Frequency Inverter ).

 

Gambar 4. Sistem Drive Motor AC dengan VVVF Inverter

Apabila sumber tenaga utama yang didapat dari kawat catenary adalah tegangan AC, maka harus ditambahkan terlebih dahulu Rectifier atau penyearah tegangan yang akan merubah tegangan AC menjadi tegangan DC sehingga bisa digunakan sebagai input Inverter. Dan apabila tegangan AC catenary terlalu tinggi maka diperlukan lagi komponen penurun tegangan yang biasa disebut sebagai Step Dwon Transformer agar tegangan yang masuk ke rectifier tidak terlalu tinggi.

 

Gambar 5. Sistem Drive motor DC dengan sumber Catenary AC

 Gambar 6. Sistem Drive motor AC dengan Sumber Catenary AC

c. Pantograph
Agar bisa mendapatkan aliran arus listrik dari catenary atau kawat Listrik Aliran Atas ( LAA ), maka di gunakan komponen yang disebut pantograph atau Current Collector. Pada pantograph terdapat kontak dengan kawat LAA yang menggunakan bahan karbon sehingga di sebut sebagai carbon strip. Carbon strip akan terus menerus bergesekan dengan kawat LAA dengan tetap meneruskan arus listrik dari kawat menuju sistem kelistrikan kereta. Pantograph ini dapat dinaik-turunkan baik dengan tenaga pegas maupun udara tekan. Saat bekerja, pantograph pada posisi Naik ( Rise ) dan apabila Kereta dalam kondisi OFF dapat diturunkan dan kemudian dilakukan perawatan yaitu melakukan penggantian carbon strip jika memang sudah tipis.

Gambar 7. Pantograph pada KRL

2. Sistem Propulsi Diesel Elektrik
Sistem Propulsi Diesel Elektrik pada dasarnya merupakan pengembangan dari Sistem Propulsi Elektrik yaitu dengan menambahkan Mesin Diesel dan Generator/Aternator sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Setelah itu daya listrik akan diteruskan ke Converter dan Motor Listrik. Jadi pada dasarnya Propulsi Diesel Elektrik adalah hampir sama dengan Propulsi ELektrik namun catu dayanya berbeda yaitu tidak melalui catenary dan Pantograph melainkan Mesin Diesel dan Generator / Alternator. Sistem Propulsi ini dipakai oleh Lokomotif maupun KRD.
a. Sistem Transmisi daya DC-DC
Sistem DC-DC adalah Sistem Propulsinya menggunakan Generator DC dan Motor DC. Dikarenakan sumber daya yang digunakan adalah tegangan DC maka di gunakan DC to DC Converter atau DC Chopper untuk menggerakkan motor traksinya. Sistem ini masih dipakai pada beberapa lokomotif generasi lama yaitu GE Dash 8, GE Dash 7. Di Indonesia juga masih terdapat lokomotif dengan sistem ini yaitu seri CC201 ( GE U18C ) dan CC203 ( GE U20C ) yang masih beroperasi hingga sekarang. Sistem ini memiliki daya yang tidak terlampau tinggi yaitu dibawah 3000 HP.

Gambar 8. Diesel Elektrik dengan Sistem Transmisi DC-DC

Gambar 9. Lokomotif seri CC201 ( GE U18C ) dengan sistem DC-DC

b. Sistem transmisi daya AC-DC
Semenjak berkembangnya Silicon Rectifier berkapasitas tinggi pada era tahun 1960-an, maka Generator DC mulai diganti dengan Alternator AC sehingga muncullah sistem AC-DC dimana motor traksinya tetap menggunakan motor DC. Keuntungan dari penggunaan Alternator adalah naiknya kehandalan lokomotif, daya yang lebih tinggi serta turunnya biaya perawatan generator karena tidak adanya komutator dan sikat pada Alternator AC. Tegangan yang terbangkit dari Alternator akan disearahkan oleh Rectifier dan kemudian akan diteruskan ke DC to DC Converter untuk menggerakkan Motor Traksi. Alternator AC menghasilkan lokomotif dengan daya yang lebih besar dari pada lokomotif dengan generator DC yaitu dapat menghasilkan daya hingga 3000HP keatas. Lokomotif dengan sistem ini diantaranya adalah GE seri Dash 9 sedangkan di indonesia adalah lokomotif seri CC204 ( GE C18mmi,GE C20EMP ) dan  CC202 ( EMD G26 series )

Gambar 10. Diesel Elektrik dengan Sistem Transmisi AC-DC

Gambar 11. Lokomotif CC202 ( EMD G26 series ) dengan sistem AC-DC

c. Sistem transmisi daya AC-AC
Pada akhir 1980-an, VVVF Inverter mulai dikembangkan dan digunakan sebagai Drive motor AC. Oleh karena itu motor traksi yang semula adalah motor DC mulai digantikan dengan motor AC. Motor AC lebih mudah dikendalikan melalui VVVF Inverter dan juga lebih ringan dalam perawatan karena sudah tidak ada lagi komutator dan brush. Sistem ini menghasilkan drive sistem yang lebih efisien dan handal. Lokomotif terbaru GE dan juga EMD ( sekarang Progress Rail ) rata-rata sudah menggunakan sistem AC-AC yaitu seri GE ES44AC, GE ET44AC, EMD SD70, EMD SD80 dsb. Sementara di Indonesia, lokomotif yang sudah menggunakan sistem AC-AC adalah seri CC205 ( EMD GT38ACe ). Selain lokomotif, sistem AC-AC juga sudah banyak digunakan pada Kereta Rel Diesel Elektrik ( KRDE ) diantaranya di Indonesia yaitu pada C-KRDE Prameks dan KRDE Surokerto.

Gambar 12. Diesel Elektrik dengan Sistem Transmisi AC-AC

 

 Gambar 13. Lokomotif CC205 ( EMD GT38ACe ) dengan sistem AC-AC

Gambar 14. KRDE AC ex BN-Holec dengan sistem AC-AC

3. Sistem Propulsi Diesel Hidrolik
Sistem Propulsi Diesel Hidrolik merupakan sistem transmisi yang menggunakan torque converter dengan fluida sebagai medianya yang dikombinasikan dengan gear dan mechanical drive untuk menyalurkan daya dari Mesin Diesel menuju roda. Torque Converter pada dasarnya adalah suatu tipe kopling fluida yang digunakan untuk mentransfer daya putar dari suatu prime mover seperti mesin diesel atau motor listrik menuju suatu beban gerak yang berputar.

Gambar 15. Diagram sederhana Torque Converter

( sumber : http://www.railmotorsociety.org.au/images/htc_page_00.gif )

a. Hydrokinetic Transmission ( atau Hydrodynamic Transmission / Transmisi Hidrodinamik )
Hydrokinetic Transmission merupakan tipe Transmisi Hidrolik yang digunakan sebagai traksi penggerak kereta api. Hydrokinetic Transmission menggunakan suatu torque converter. Suatu Torque Converter terdiri dari 3 komponen utama, 2 diantaranya berputar dan satu mempunyai suatu mekanisme kunci yang mencegah putaran balik dan menambah torsi output dengan mengarahkan kembali aliran oli pada output RPM Rendah. Ketiga komponen tersebut tersimpan rapat didalam suatu housing yang terisi oli.
Mesin Diesel akan memutar poros input Torque Converter. Apabila Tourque Converter mendapat sinyal enable traction, maka terjadi filling atau pengisian fluida oli didalam Torque converter sehingga poros ouput akan berputar dan menggerakan cardan shaft atau gear box yang terhubung dengan roda. Hydrokinetic atau Hidrodinamik banyak diaplikasikan pada Lokomotif maupun Kereta Rel Diesel.

 Gambar 16. Transmisi Hidrodinamik Voith DIWA

( sumber : http://www.voith.com/en/DIWA.5_schnitt_e.png )

b. Hydrostatic Transmission
Hydrostatic Transmission / Transmisi Hidrostatik adalah sistem drive hidrolik yang menggunakan Hydrostatic Hydraulic Drive System. Hydrostatic mengarah pada transfer energi dari aliran dan tekanan, bukan pada energi kinetik dari aliran fluida. . Hydraulic Drive Sistem terdiri dari pompa hidrolik yang digerakkan oleh Motor Listrik atau Mesin Diesel ; Katup, Filter, Pipa dsb sebagai pengarah dan kontrol sistem ) dan aktuator seperti motor hidrolik atau silinder hidrolik untuk menggerakkan mesin/alat.
Transmisi Hidrostatik pada dasarnya digunakan terbatas untuk lokomotif langsir yang kecil atau digunakan untuk keperluan non traksi seperti menggerakkan kipas radiator atau Alternator auxillary.

Lokomotif di Indonesia yang menggunakan Propulsi Diesel Hidrolik ( Transmisi Hidrodinamik ) adalah Lokomotif seri BB30x dan D30x yaitu Pabrikan Krupp - Jerman ( kelas D300, D301, BB301 dan BB304 ), Henschell - Jerman ( kelas BB302, BB303 dan BB306 ). Saat ini Pabrikan yang masih aktif memproduksi lokomotif Diesel Hidrolik adalah Vossloh - Jerman dan Juga PT.INKA Madiun yang memproduksi lokomotif CC300

Gambar 17. Lokomotif Diesel Hidrolik produksi Vossloh

Gambar 18. Lokomotif Diesel Hidrolik seri CC300 produksi PT. INKA

Sementara itu untuk KRD yang menggunakan sistem transmisi ini adalah KRD MCW ex Nipon Sharyou yang telah di repowering dan juga KRDI produksi PT. INKA Indonesia.

Sumber : https://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_locomotive, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_drive_system, https://en.wikipedia.org/wiki/Torque_converter