SISTEM PENGENDALI MOTOR-MOTOR LISTRIK DENGAN SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

Transkripsi

1 SISTEM PENGENDALI MOTOR-MOTOR LISTRIK DENGAN SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) Sapto Haryoko Dosen Jurusan Pendidikan Teknik Elektronika FT Universitas Negeri Makassar Abstrak Perkembangan semikonduktor (solid state) yang sangat pesat akhir-akhir ini memungkinkan penggunaan dioda dan thyristor atau Silikon Controlled Rectifier (SCR) lebih luas dalam bidang tenaga listrik, khususnya dalam pengaturan motor listrik. Prinsipnya bahwa dengan pengaturan arus gate pada kaki Thyristor atau SCR, maka akan diperoleh arus yang mengalir pada kaki anoda- katoda yang besarnya berubah-ubah. Kata Kunci : SCR, pengaturan motor listrik Thyristor atau SCR merupakan komponen elektronika yang terdiri dari bahan semi- konduktor yang dapat mengalirkan arus positip baik dari sumber arus searah maupun dari sumber arus bolak balik. Penggunaan Thyristor atau SCR sangat luas karena dapat mengendalikan arus listrik yang cukup besar dan dipergunakan langsung untuk jaringan arus tukar (AC). Penggunaan pada saat sekarang ini adalah untuk switching daya listrik yang besar dan mengendalikan pengaturan beban putaran motor listrik. Pengendali motor listrik dengan mempergunakan Thyristor atau SCR membawa beberapa keuntungan, seperti pengaturan yang halus (kontinyu), kerugian daya yang kecil, dan pemeliharaan yang lebih sederhana. Dengan semakin pesatnya perkembangan teknologi bahan semi-konduktor, seperti dibidang elektronika daya (power elektronics), mikroelektronik dan komputer, maka peralatan pengendalian motor listrik cenderung beralih ke penggunaan untaian elektronika (elektronic circuit) baik digital ataupun analog dan teknologi pembuatan komponen elektronika sudah semakin canggih sehingga dapat dihasilkan peralatan dengan kemampuan yang besar dan bentuk yang lebih kecil. Hal tersebut memberikan peluang keandalan sistem kendali yang lebih besar dan lebih praktis dalam pemakaiannya. Seiring dengan perkembangan peralatan bantu dalam sistem pengendali-an motor-motor listrik di industri tidak terlepas peranan peralatan elektromekanik dan elektromagnetik. Seperti penggunaan panel-panel secara elektromekanis dan panel-panel elektromagnetik. Peralatan bantu tersebut merupakan suatu pengendali terhadap kerja dari motor-motor listrik tersebut, sehingga hasil dan mutu kerja memiliki tingkat ketelitian yang tinggi. Hal inilah yang menyebabkan dalam industri menggunakan sistem pengendali. Di Indonesia, pengendalian motor listrik sudah dikenal orang lebih dari setengah abad yang lalu. Pengendalian ini sebagian besar bertujuan mengatur kecepatan motor sesuai dengan kebutuhan beban, mengurangi arus penyusutan (starting) dan mengatur pengereman. Cara-cara pengendalian ini pada masa lalu masih banyak menggunakan peralatan mekanis, elektromekanis atau elektro-magnetik. Peralatan tersebut sebagian masih banyak di jumpai di beberapa industri sekarang ini. 61

2 Sistem pengendalian ini sangat penting digunakan dalam membantu proses kerja di industri, karena dengan kendali yang baik akan dapat mengendali-kan atau mengatur suatu besaran dalam batas-batas tertentu operasinya. Di samping itu dapat memperbaiki penampilan, kualitas atau ketelitian sistem atau proses. Sistem pengendali juga dapat dirancang untuk dapat melakukan tugas-tugasnya dengan cepat, efisien, dan teliti dibandingkan dengan pengendalian oleh manusia (secara manual). Selain itu, pengendali dapat dirancang untuk menjalankan proses-proses yang sulit dilakukan oleh manusia. Suatu sistem kendali dapat digambarkan secara garis besar dan umum dengan diagram blok dimana proses adalah suatu sistem dinamik yang dikendalikan dan sifat-sifat fisis dan matematisnya yang penting telah diketahui. Pengendalian harus mempunyai kemampuan dasar untuk (1) mengukur, mengolah, dan mengumpan balikan output proses, (2) mengevaluasi untuk menentukan adanya penyimpangan dan pengambilan keputusan untuk memperbaikinya, dan (3) melakukan tindakan perbaikan. Perkembangan di bidang komputer baik perangkat lunak maupun perangkat kerasnya memberikan kemungkinan yang lebih luas dalam mempelajari cara pengendalian motor listrik secara simulatif. Dengan simulasi, tujuan pengendalian motor listrikpun berkembang, tidak sekedar mengatur kecepatan motor tetapi termasuk juga peningkatan efisiensi, penghematan energi, dan perbaikan faktor daya (power factor). Algoritma pengendaliannyapun juga mengalami banyak perkembangan karena banyaknya variasi untaian elektronika yang mungkin dapat dibuat. Stabilitas sistem yang dikontrol dapat dipelajari dengan mudah sebelum diterapkan dalam praktek. Thyristor atau SCR merupakan komponen elektronika yang terdiri dari bahan semikonduktor yang dapat mengalirkan arus positip baik dari sumber arus searah maupun dari sumber arus bolak balik. Penggunaan Thyristor atau SCR sangat luas karena dapat mengendalikan arus listrik yang cukup besar dan dipergunakan langsung untuk jaringan arus tukar (AC). Penggunaan pada saat sekarang ini adalah untuk switching daya listrik yang besar dan mengendalikan pengaturan beban putaran motor listrik. Pengaturan alat pemanas listrik, pengaturan lampu penerangan, relay dan alat-alat alarm yang sangat peka maupun telah difungsikan untuk lampu lalu lintas. Keuntungan yang didapatkan jauh lebih banyak bila dibandingkan menggunakan sistem pengontrolan secara manual, tingkat akurasinya tinggi dan daya produksi bertambah setiap putaran/detiknya. Untuk itu perlu ditelaah tentang pentingnya penggunaan SCR dalam mengendalikan putaran motor, daya dan torsi sehingga dapat digunakan sebagi rujukan awal dalam penggunaannya. Sistem Pengendali Sejak Perang Dunia ke II, teknologi sistem pengendali (Automatic Control system Engineering) sangat berperan di dalam memacu perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Sistem kendali di rancang untuk mengendalikan sistem dinamik, sehingga karakteristik kerja sistem ini sesuai dengan persyaratan yang telah ditentukan. Prinsip dasar sistem pengendali adalah mengendalikan sistem kendali (yang dikendalikan), sehingga karakteristik kerja sistem pengendali sesuai dengan persyaratan yang ditentukan. Sistem pengendali melibatkan berbagai bidang keahlian, antara lain matematika, fisika, teknik elektro, teknik elektronika, teknik mesin dan teknik kimia. Hal ini karena sistem pengendali ini dapat bersifat sistem mekanik, elektrik, elektronik, kimia, thermik, fluidik, sosial ekonomi dan lain-lain. Perkembangan sistem pengendali sangat pesat, seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan 62

3 teknologi. Sistem pengendali ini berkembang terutama perkembangan metoda analisis dan perancangan, metoda sintesis dan realisasi, metoda komputasi, teknik pengolahan sinyal, komponen elektronika dan komputer. Proses adalah suatu sistem dinamik yang dikendalikan dan sifat-sifat fisis dan matematisnya yang sangat penting telah diketahui. Menurut Widodo (1992) pengendali harus mempunyai kemampuan dasar untuk: (a) mengukur, mengolah dan mengumpan balikan output (feedback), (b) mengevaluasi untuk menentukan adanya penyimpanan dan pengambilan keputusan untuk memperbaikinya (error detector), dan (c) melakukan tindakan perbaikan (actuator). Selanjutnya dikatakan bahwa ada tiga kelompok sitem pengendali yaitu: (1) sistem alamiah, termasuk sistem pengendali bilogis, (2) sistem buatan manusia, sistem pengendali fisis, misalnya rangkaian elektris, mekanis dan lain-lain, dan (3) sistem alamiah dan buatan manusia. Sistem Pengendali Motor-Motor Listrik dengan SCR Pada industri banyak peralatan yang menggunakan motor listrik untuk menggerakkan peralatan produksi, baik motor listrik arus searah (DC) maupun motor listrik arus bolak balik (AC) demi kelancaran proses produksi. Jenis motor listrik DC yang digunakan meliputi: motor DC seri, motor DC penguatan terpisah dan motor DC penguatan sendiri, yang masih dapat dibedakan lagi sesuai dengan cara menghubungkan kumparan medannya. Demikian juga untuk motor AC mulai dari jenis motor induksinya, phasa dan jenis lainnya. Pengontrolan motor-motor listrik adalah istilah yang luas. Fungsi dasar dari semua pengontrolan adalah mengendalikan atau mengontrol kerja dari sebuah motor listrik. Oleh sebab itu alat-alat pengontrol dipilih dan dipasang. Banyak faktor yang harus diperhatikan untuk menjamin fungsi dari pengontrolan. Adapun faktor-faktor tersebut, adalah: Permulaan berputar (starting); Pemberhentian (stoping); Membalikan arah putaran (reversing); Pada saat berjalan (running); Pengontrolan kecepatan (speed control); Pemeliharaan starting. Motor dapat juga dikontrol dengan tangan (manual control), dengan menggunakan alat pengontrolan jarak jauh dan otomatis. Sistem pengendali motor-motor listrik dengan menggunakan komponen elektronika sangat praktis, di samping alatnya yang kecil dan biayanya lebih mudah namun memiliki tingkat ketelitian dan kualitas yang sangat besar. Sumber tegangan dari sistem pengendali menggunakan tegangan dari PLN secara langsung atau tegangan arus searah. sedang arus yang mengalir pada setiap rangkaian listrik berbeda-beda mengikuti besar kecilnya beban listrik dari rangkaian tersebut. Besarnya arus yang mengalir pada beban listrik dapat diubah nilainya dengan mengatur tegangan keluaran transformator atau dengan menem-patkan sebuah resistor variabel pada rangkaian keluaran. Sistem pengendali motor listrik dengan menggunakan thyristor atau SCR sebagai pengendali kecepatan putar listrik searah maupun motor listrik arus bolak balik. Dalam rangkaian tersebut tegangan AC digunakan sebagai tegangan anodakatoda pada Thyristor atau SCR. Sedang sumber tegangan searah DC dan beban resistor variabel di pasang seri dengan kaki gate SCR yang dalam hal ini sebagai terminal pengendali yang berfungsi untuk mengatur arus gate Thyristor atau SCR. Apabila tegangan dan arus pengendali pada kaki gate melebihi tegangan dadal pem- bangkit (Trigger Breakdown Voltage) Vb, maka arus akan mengalir lewat gate Thyristor atau SCR dalam keadaan hidup (on). Dengan terhubungnya kaki anoda-katoda tersebut, maka beban listrik akan dialiri arus listrik sehingga motor berputar. Jumlah putaran motor dapat sebanding dengan kenaikan dan penurunan arus gate Thyristor atau SCR. 63

4 SCR dapat digunakan untuk mengontrol kecepatan putar, torsi dan daya dengan mengatur arus yang mengalir pada gatenya. Arus yang mengalir melalui tahanan murni selama SCR menghantar dapat dihitung dengan persamaan: IL = Vm Sin wt - VH RL Gambar 1. Rangkaian Pengendali dengan SCR Secara umum Thyristor atau SCR mempunyai ciri-ciri atau sifat: 1. Thyristor atau SCR tidak akan bekerja, bila getarnya tidak disulut atau diberi arus positip dari sumber tegangan. 2. Kerja Thyristor atau SCR dengan mengatur sudut penyelikannya atau arus gatenya. 3. Thyristor atau SCR dapat bekerja sebagai saklar atau penyearah. 4. Thyristor atau SCR akan mati bila tegangan anoda-katoda dilepas. Adapun prinsip kerja Thyristor atau SCR tampak pada Gambar 1. Dalam rangkaian tersebut tegangan AC digunakan sebagai tegangan anodakatoda pada Thyristor atau SCR. Sedang sumber tegangan searah DC dan beban resistor variabel di pasang seri dengan kaki gate SCR yang dalam hal ini sebagai terminal pengendali yang berfungsi untuk mengatur arus gate Thyristor atau SCR. Apabila tegangan dan arus pengendali pada kaki gate melebihi tegangan dadal pembangkit (Trigger Breakdown Voltage) Vb, maka arus akan mengalir lewat gate Thyristor atau SCR dalam keadaan hidup (on). Dengan terhubungnya kaki anoda-katoda tersebut, maka beban listrik akan dialiri arus listrik sehingga motor berputar. Jumlah putaran motor dapat sebanding dengan kenaikan dan penurunan arus gate Thyristor atau SCR. Dengan demikian Thyristor atau Dengan Vm = Harga maksimun dari tegangan VH = Penurunan Tegangan RL = Tahanan motor atau beban motor Bentuk arus beban terlihat pada Gambar 2. Arus kelihatannya naik dengan cepat pada saat bersesuai dengan sudut, kemudian mengikuti perubahan dalam bentuk sinus, sampai tegangan Vi berada dibawah VH pada fasa 0. Arus akan tetap nol sampai fasa dicapai lagi dalam siklus yang berikutnya. Arus rata-rata yang terbaca pada ampere meter arus searah adalah: x-a x-a 1 Vm æ VHö Idc= a = ç a - a p ò ILd p ò Sin d 2 2 RL è Vmø a Setelah diintegralkan diperoleh sebagai berikut: Vm æ VH ö Idc = çcosj+ Cosjq- ( p - jq- j) RLè Vm ø Dengan t dan 0 adalah sudut yang terkecil yang didefenisikan oleh hubungan: a VH = Vm Sin j 0 Apabila perbandingan VH dan VM sangat kecil maka j 0 dapat diambil sama dengan nol dan Idc menjadi: 64

5 Vm Idc = Cos RL ( 1+ j) VH Vdc = Vm ( p - -m) ( Cos m Cos ) m + 0 m 0 Apabila Vm jauh lebih besar dari VH, maka: Vm Vdc = - Cos ( 1 + m ) Gambar 2. Bentuk Gelombang Arus Beban IL Analisa ini menunjukkan bahwa rata-rata arus searah dapat dikendalikan dengan mengubah posisi saat tegangan pengendali gate Thyristor atau SCR melebihi tegangan VB. Arus maksimun diperoleh jika Thyristor atau SCR dinyalakan dari permulaan setiap siklus dan minimun terjadi, bila tidak terjadi penghantar atau dengan menambah dan menurunkan tegangan gate Thyristor atau SCR. Tegangan lintas Thyristor atau SCR seperti pada Gambar 3, yaitu tegangan yang ditetapkan Vi lintas Thyristor atau SCR sampai mulai menghantar, etelah tegangan dadal menurunkan SCR tetap sama dengan VH. Apabila tegangan dipasang turun dan berada dibawah VH, maka tegangan Thyristor atau SCR akan sama dengan tegangan yang digunakan. Tegangan searah (Vdc) pada Thyristor atau SCR besarnya sebagai berikut: Adanya tanda negatif berarti katoda lebih positip dari anoda, untuk sebagian besar waktu dalam satu periode. Perlu diperhatikan bahwa tegangan arus searah (DC) pada beban adalah negatif dari tegangan Thyristor atau SCR. Hal ini diakibatkan dari sifat bahwa jumlah tegangan DC mengikuti suatu rangkaian sama dengan nol. Gambar 3. Bentuk gelombang arus dan tegangan anoda SCR. Idc = 1 ò 0 v da Setelah diintegralkan menghasilkan Gambar 4. Blok Diagram Pengendali dengan Thyristor atau SCR 65

6 Sistem yang dikendalikan dalam Gambar 4 adalah putaran, daya dan torsi listrik sebagai suatu sistem yang dikendalikan oleh Thyristor atau SCR. Proses yang digunakan untuk melihat arus Thyristor atau SCR terhadap rangkaian motor listrik. Teknik Pengendali ini menggunakan pendekatan proporsional, dengan alasan pendekatan ini dapat mengatur besarnya arus pengendali, sinyal penggerak (keluaran alat penggerak) yang dimodifikasi untuk menghasilkan tanggapan sistem yang dibutuhkan. Pendekatan ini merupakan bagian dari proses. Dengan menggunakan pendekatan ini diharapkan dapat: 1. Memperoleh penguatan yang tinggi pada frekuensi yang sangat rendah (kondisi mantap) untuk mengurangi error sistem 2. Memperoleh penguatan yang tinggi pada frekuensi yang tinggi (dapat mengikuti perubahan masukan ketika laju perubahan pada keadaan transient amat tinggi/cepat menyakinkan) 3. Pada frekuensi tengah (selama bagian terakhir tanggapan transient dan sebelum kondisi mantap tercapai) penguatan sebaiknya cukup rendah untuk menyakinkan bahwa tanggapan tidak overshoot berlebihan dan tiap kecenderungan untuk berisolasi dapat diredam dengan cepat. Sistem pengendali motor-motor listrik dengan menggunakan Thyristor atau SCR ini akan tampak bahwa perubahan arus gate sangat mempengaruhi besarnya putaran, daya dan tersi motor. Secara teoritis dapat dikatakan bahwa semakin besar arus gate, semakin besar pula gaya yang dihasilkan untuk memutar motor. Demikian pula pengaruh arus gate terhadap daya motor, semakin besar arus gate, maka semakin besar pula arus yang mengalir pada kaki anoda katoda. Karena arus semakin besar, sesuai dengan P = VI Cos q dan bebannya tetap, berarti faktor dayanya juga tetap, maka semakin besar arus gate semakin besar pula dayanya. Besarnya torsi motor adalah berbanding yerbalik antara daya motor dengan putaran motor. Atas dasar hal tersebut, untuk beban yang sama jika arus gatenya naik, maka semakin besar arus gate akan semakin rendah torsi motor. Dengan demikian adanya sistem pengendali ini akan memberikan keluaran sesuai dengan yang diinginkan. KESIMPULAN Sistem pengendalian pada motor-motor listrik dapat dilakukan secara manual, semi manual, maupun elektrik. Cara-cara yang digunakan ini akan memudahkan seseorang dalam mengamati hasil dari proses kerja. Sistem pengendali merupakan hubungan timbal balik antar komponen-komponen yang berbentuk konfigurasi sistem yang memberikan suatu hasil yang dikehendaki. Sistem ini akan mempertahankan hubungan yang dilakukan sebelumnya antara perubah yang satu dengan yang lainnya. Dalam pengendaliannya dapat mempergunakan berbagai macam komponen elektronika, diantaranya dengan menggunakan komponen Thyristor atau SCR. Pengendali motor listrik dengan mempergunakan Thyristor atau SCR akan mempergunakan daya, putaran dan torsi yang berubah-ubah sesuai dengan respon yang diberikan. Semakin besar arus gate, maka semakin tinggi pula arus putaran motor, semakin besar arus gate, maka semakin besar pula daya motor, dan semakin besar arus gate, maka semakin rendah torsi motor. Pengendali motor listrik dengan mempergunakan Thyristor atau SCR membawa beberapa keuntungan, seperti pengaturan yang halus (kontinyu), kerugian daya yang kecil, dan pemeliharaan yang lebih sederhana. 66

7 DAFTAR PUSTAKA Hadi, Pramono Sistem kendali dalam teknik ketenagaan listrik. Makalah Seminar Sehari: Peranan sistem kendali dalam era industrialisasi di Jurusan Teknik Elektro UGM, 29 Januari Jacom Milman Elektronika terpadu: Rangkaian dan sistem analog digital. Jakarta: Erlangga. Leksono, Edi Teknik kontrol otomatik (Sistem pengaturan: Alih bahasa) jilid 1. Jakarta: Airlangga Teknik kontrol otomatik (Sistem pengaturan: Alih bahasa) jilid 2. Jakarta: Airlangga. Richard Sistem pengaturan. Jakarta: Erlangga. Schaum'S Feedback and control system. New York: MCGrow-Hill Book Company. Wolfgang Cara kerja thiristor (terjemahan Anwir dan Arie). Jakarta: Desa Putera. Zbar, Paul Basic electronic a text lab manual New York: MC. Grow-Hill Book Company Zuhal Dasar Tenaga Listrik: Bandung, Penerbit ITB. 67