10
2.2 Karakteristik EAF
Sumber tegangan rendah berkisar beberapa ratus volt diperoleh dari transformator tanur model OLTC dengan busbar pada sisi sekundernya yang dihubungkan ke
elektroda memakai kabel berpendingin air. Gambar 2.4 [3] memperlihatkan tipikal level daya dan tahapan perioda peleburan untuk 1 siklus peleburan. Tampak bahwa
setelah perioda mengebor melebur pada permulaan operasi, tanur akan diisi dengan besi tua berikutnya dan perioda mengebor melebur diulangi hingga proses refining.
Beban EAF dapat berubah dari suatu rangkaian terbuka 3 fasa menjadi rangkaian hubung singkat 3 fasa. Pada kondisi operasi normal, fluktuasi tegangan yang tidak
beraturan selalu terjadi sebagai konsekuensi dari perubahan panjang busur listrik. Fluktuasi tegangan yang berulang pada sistem tenaga perlu diatasi agar tidak
memberikan dampak negatif kepada konsumen lain. Perioda mengebor melebur adalah penyebab utama fluktuasi tegangan dan
flicker yang dikarakterisasikan oleh besarnya perubahan daya aktif dan daya reaktif yang disebabkan variasi stokastik pada panjang busur listrik akibat permukaan besi
tua yang tidak teratur. Perioda refining dikarakterisasikan oleh arus peleburan yang relatif stabil.
Secara praktis, faktor daya peleburan dijaga berkisar 0.7 ÷0.8 untuk mendapatkan
kestabilan pengoperasian, dalam arti bahwa daya reaktif berkisar sama dengan daya aktif [2], [5]. Konsumsi daya reaktif ini menyebabkan jatuh tegangan pada PCC
selama pengoperasian EAF dan transformator tanur akan bekerja pada tegangan
Universitas Sumatera Utara
11
nominal yang lebih rendah sehingga konversi daya peleburan juga menjadi lebih rendah. Harmonisa pada EAF disebabkan oleh karakteristik tegangan-arus yang
sangat non-linear dari busur listrik pada setiap siklus daya, sedangkan fluktuasi tegangan disebabkan oleh perubahan panjang busur listrik selama peleburan [1].
Tabel 2.1 memperlihatkan tipikal harmonisa tegangan pada pengoperasian EAF untuk perioda melebur dan refining [6].
Gambar 2.4 Tipikal level daya dan tahapan perioda untuk 1 siklus peleburan
Tabel 2.1 Tipikal tegangan harmonik pada perioda melebur dan refining
Harmonik ke: Perioda Melebur
Perioda Refining
2 5.0 2.0
3 20.0 10.0
4 3.0 2.0
5 10.0 10.0
6 1.5 1.5
7 6.0 6.0
8 1.0 1.0
9 3.0 3.0
11 2.0 2.0 13 1.0 1.0
Universitas Sumatera Utara
12
Analisa harmonisa dan flicker EAF pada sistem tenaga [1], [7] merumuskan karakteristik tegangan-arus melalui persamaan:
a at
a
I D
C l
V V
+ +
=
2.1 di mana:
a
V
= tegangan busur listrik
a
I
= arus busur listrik
l
= panjang busur listrik
l V
at
= nilai ambang di mana tegangan mulai berubah bila arus meningkat D
C, = konstanta yang nilainya menyatakan perbedaan di antara bagian
peningkatan dan penurunan arus pada karakteristik tegangan-arus Dengan referensi panjang busur listrik yang memberikan
V l
V
at
200 =
, nilai konstanta C dan D adalah:
KA D
KW C
dt dI
KA D
KW C
dt dI
a a
5 ,
39 ,
5 ,
190 ,
= =
⇒ =
= ⇒
Gambar 2.5 [1] memperlihatkan karakteristik tegangan-arus dari EAF yang diperoleh dari model persamaan 2.1 mempergunakan program TACS Transient
Analysis Control System yang merupakan bagian dari program EMTP Electromagnetic Transient Program dengan nilai konstanta C dan D yang diberikan.
Pada kondisi panjang busur listrik l tidak berubah terhadap waktu
l l
=
,
Universitas Sumatera Utara
13
karakteristik tegangan-arus tidak tergantung kepada waktu dan pengoperasian EAF tidak akan menimbulkan flicker, tetapi hanya akan menimbulkan harmonisa karena
sifat non-linear pada karakteristik tegangan-arus.
Gambar 2.5 Karakteristik tegangan–arus V-I dari EAF
Perubahan panjang busur listrik l sebagai penyebab flicker diberikan oleh persamaan:
a a
a a
I KV
I V
=
2.2 di mana
a
V
adalah tegangan busur listrik dengan referensi panjang busur listrik pada contoh ini referensi panjang busur listrik adalah
cm l
5 .
39 =
. Persamaan 2.1 dapat dituliskan menjadi persamaan lainnya yaitu:
a at
a a
I D
C l
V I
V +
+ =
2.3
Universitas Sumatera Utara
14
Hubungan antara tegangan ambang
at
V
dengan panjang busur listrik l adalah:
Bl A
l V
at
+ =
2.4 di mana:
V A
40 ≈
adalah konstanta yang memperhitungkan penjumlahan jatuh tegangan anoda dan katoda
cm V
B 10
≈ adalah jatuh tegangan per unit panjang busur listrik
l adalah panjang busur listrik dalam cm, bervariasi pada rentang yang lebar tergantung kepada nilai tegangan ambang untuk tegangan sekunder
transformator tanur sebesar 600V, tegangan ambang
at
V
adalah
V V
V
at
240 40
≤ ≤
[7] Parameter K pada persamaan 2.2 dapat dievaluasi melalui rasio antara tegangan
ambang pada panjang busur aktual
l V
at
terhadap tegangan ambang pada panjang busur referensi
l V
at
yaitu:
Bl A
Bl A
l V
l V
K
at at
+ +
= =
2.5 Perubahan arus EAF yang cepat pada proses peleburan erat kaitannya dengan
variasi panjang busur listrik yang tergantung kepada komposisi besi tua, pemakaian oksigen, gaya elektrodinamis dan posisi dari elektroda grafit. Panjang busur listrik
dengan variasi waktu diberikan oleh persamaan:
t r
l t
l −
=
2.6
Universitas Sumatera Utara
15
di mana:
l
adalah referensi panjang busur listrik 39.5cm t
r adalah sinyal derau putih white noise signal pada rentang frekuensi 5
÷
20Hz di mana fluktuasi tegangan menghasilkan flicker dengan amplitudo
bervariasi hingga maksimum deviasi panjang busur listrik 30.1cm dari referensi panjang 39.5cm.
Resistansi busur listrik variasi waktu time varying resistance
t R
f
dapat dihitung dari pembagian tegangan busur listrik yang dievaluasi
t V
a
dengan arus busur listrik
t I
a
yang dituliskan oleh persamaan:
t I
t V
t R
a a
f
=
2.7 di mana:
a
V
= tegangan busur listrik
a
I
= arus busur listrik Gambar 2.6 [8] adalah aktual karakteristik dan model linear tegangan-arus dari
EAF di mana tegangan busur pengapian
ig
v
dan tegangan busur pemadaman
ex
v
ditentukan oleh panjang busur listrik selama pengoperasian EAF yaitu: 1
Perioda pertama, jalur OA, tegangan busur listrik mulai menyala dari tegangan pemadaman -v
ex
dan mencapai tegangan nyala
ig
v
. Saat tegangan busur listrik mencapai tegangan nyala
ig
v
, rangkaian ekivalen bertindak
Universitas Sumatera Utara
16
sebagai rangkaian terbuka dan arus busur listrik naik dari 0 menuju
1
i . 2
Perioda kedua, jalur AB, adalah permulaan proses peleburan di mana busur listrik terjadi dan tegangan jatuh secara eksponensial dari
ig
v
ke
ex
v
yang menaikkan konduktivitas dari busur listrik. Arus busur mengalami
peningkatan dari
1
i menjadi
2
i . 3
Perioda ketiga, jalur BO, tegangan busur listrik mulai jatuh dan busur listrik mulai padam.
Gambar 2.6 Aktual karakteristik dan model linear tegangan-arus dari EAF untuk 1 siklus daya
Pada Gambar 2.6 jalur OA adalah perioda di mana arus lebih rendah mengalir
pada siklus peleburan. Jalur AB adalah perioda di mana bagian aktif dari siklus peleburan dengan lebih banyak arus melalui elektroda grafit dan panjang busur listrik
berubah sehingga menimbulkan flicker yang lebih banyak. Model dinamis EAF diperlukan untuk menganalisa flicker yang ditimbulkan oleh pengoperasian EAF.
Universitas Sumatera Utara
17
Untuk itu kemiringan dari kurva tegangan-arus pada Gambar 2.6 dirubah ke fungsi sinusoidal dan resistansi busur listrik variasi waktu diberikan oleh persamaan:
sin t
m l
R t
R
f f
f
ω
+ =
2.8 di mana:
f
R
adalah tahanan konstan dari EAF saat busur padam dan EAF dalam kondisi sebagai rangkaian terbuka
f
ω
adalah frekuensi flicker m adalah koefisien modulasi
Dengan demikian model beban dinamis dikaitkan terhadap efek tegangan ambang
Bl A
l V
at
+ =
dapat dipertimbangkan sebagai:
sin 1
t m
V t
V
f at
at
ω
+ =
2.9 Busur listrik direpresentasikan sebagai sebuah variabel resistor pada rangkaian
ekivalen satu fasa EAF dengan sistem sumbernya seperti pada Gambar 2.7 [3]. Walaupun model ini adalah penyederhanaan dari EAF sebenarnya dan menyatakan
pengoperasian EAF dalam beban seimbang, perhitungan pengoperasian EAF cukup akurat dengan rata-rata kuantitas seperti diperlihatkan pada hasil pengukuran. Titik 1
pada Gambar 2.7 adalah terminal primer transformator tanur dan merupakan titik untuk melakukan pengukuran. Reaktansi
2 1
X X
X +
=
adalah meliputi reaktansi hubung singkat dari jaringan sumber ditambah reaktansi transformator tanur, busbar
tembaga, kabel fleksibel berpendingin air dan elektroda grafit.
Universitas Sumatera Utara
18
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen satu fasa EAF untuk memperkirakan karakteristik EAF
Pengaturan pada rangkaian Gambar 2.7 adalah:
1 Pergerakan vertikal elektroda grafit untuk mengatur panjang busur listrik
2 Pengaturan tegangan dengan merubah perubah tap transformator tanur untuk
mengatur tegangan
U
Daya yang diberikan kepada beban sebagaimana
f
R
bervariasi, dibatasi oleh nilai maksimum satu fasa yaitu:
X E
P
ph
2
2 1
max
= 2.10
Nilai
f
R
pada kondisi daya maksimum adalah:
X R
P
=
max
2.11 Arus pada kondisi daya maksimum adalah:
X E
I
P
2
max
= 2.12
Universitas Sumatera Utara
19
Tegangan busur listrik adalah sama dengan jatuh tegangan pada X, keduanya adalah sama dengan
2 E
2.13 Pengukuran pada titik 1 di lapangan diperlukan untuk mendapatkan nilai reaktansi
2 1
, X X
dan SCVD Short Circuit Voltage Depression. SCVD adalah rasio depresi
tegangan hubung singkat yang menyatakan pengaruh flicker yang ditimbulkan pada pengoperasian EAF di mana nilai 0.02
÷
0.025 berada dalam acceptable zone, 0.03
÷
0.035 berada dalam borderline zone, dan di atas 0.035 adalah objectionable [9]. Perumusan SCVD diberikan oleh persamaan 2.14 dan Gambar 2.8 [9], [10] adalah
grafik SCVD sebagai fungsi dari daya MW
max
nominal EAF. SCVD =
FaultPCC AF
MaxRatingE
MVA xMW
2 2.14
Gambar 2.8 SCVD sebagai fungsi dari daya MW
max
nominal EAF
Universitas Sumatera Utara
20
Bila ketiga buah elektroda dicelup ke dalam cairan besi, beban akan menjadi 3 fasa hubung singkat yang ekivalen dengan menjadikan
=
f
R
seperti pada Gambar 2.7. Pada kondisi ini tegangan dan arus tiga fasa diukur pada titik 1. Pengujian
hubung singkat ini adalah sangat diperlukan untuk memperkirakan karakteristik pengoperasian EAF dan akan diperoleh:
1 Reaktansi hubung singkat dari jaringan sumber adalah:
Ω −
=
cc cc
I U
U X
1
2.15 2
Reaktansi transformator tanur, busbar tembaga, kabel fleksibel berpendingin air dan elektroda grafit adalah:
Ω =
cc cc
I U
X
2
2.16 3
Kapasitas hubung singkat steelwork busbar pada tegangan nominal U
L
adalah: MVA
X U
S
L sc
1 2
= 2.17
4 Kapasitas hubung singkat EAF adalah:
MVA U
U U
S S
cc sc
scf
− =
2.18 Dengan parameter yang diperoleh dan berdasarkan rangkaian ekivalen satu fasa
EAF pada Gambar 2.7, dapat digambarkan karakteristik pengoperasian EAF yaitu daya aktif faktor daya sebagai fungsi dari daya kompleks. Gambar 2.9 adalah plot
Universitas Sumatera Utara
21
hasil perhitungan teoritis karakteristik EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW yang diperoleh dari persamaan 2.10 sd 2.18 dan dibandingkan dengan hasil pengukuran lapangan
pada Gambar 2.10 [3] .
Gambar 2.9 Karakteristik pengoperasian EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW
Gambar 2.10 Karakteristik pengoperasian EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW secara teoritis dan hasil pengukuran di lapangan
Universitas Sumatera Utara
22
2.3 Fluktuasi Tegangan dan Flicker
Kategori