Kendali Motor Listrik Dengan Thyristor
advertisement
Sugen AK, Aplikasi SCR pada Pengontrolan Motor Listrik APLIKASI SILICON CONTROL yangREACTIFIRED dikehendaki dan (SCR) juga dari segi keamanan listrik LISTRIK itu sendiri. PADA PENGONTROLANmotor MOTOR Selanjutnya menurut Oman Sumantri, pengontrolan motor listrik diantaranya meliputi Sugeng A. Karim Jurusan Pendidikan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Makassar Abstrak Penggunaan komponen elektronika khususnya SCR sebagai pengendali/pengontrol motor listrik memiliki beberapa keuntungan diantaranya : tidak ada kontak yang aus karena terbakar, tidak akan menimbulkan bunga api karena tidak ada pelepasan kontak, sedikit sekali menggunakan peralatan tambahan dan penggunaan daya yang sangat kecil. Oleh karena itu penggunaan komponen elektronika seperti thyristor sangat efisien dan efektif dalam sistem kontrol motor listrik. Thyristor atau SCR (Silicon Control Reactifired) mempunyai karakteristik yang hampir sama dengan transistor, karena thyristor dapat dipandang sebagai dua buah transistor. Thyristor dapat mengendalikan motor listrik karena thyristor dapat difungsikan sebagai sakelar statik. Hal ini dilakukan dengan mengatur arus yang melalui terminal gate. Apabila kuat arus dalam rangkaian lebih besar dari harga holding current (arus genggam=arus yang mempertahankan kerja thyristor) maka thyristor akan tetap dalam kondisi tertutup (kondisi on). Sebaliknya jika arus dalam rangkaian menurun hingga besarnya dibawah harga holding current maka thyristor akan membuka (kondisi off). Karakteristik kerja thyristor inilah yang selanjutnya digunakan dalam mengatur kerja motor listrik, baik itu motor DC, motor AC dan motor universal. Kata kunci : Thyristor, Kendali, Motor listrik Perkembangan teknologi di bidang kontrol atau kendali motor listrik telah mencapai perkembangan yang sangat pesat. Dimulai dengan kontrol yang sangat sederhana dengan starter tangan lalu dikembangkan sistem kontrol dengan menggunakan sakelar megnet dan relay, dan selanjutnya disusul dengan perkembagan sistem kontrol dengan piranti elektronika. Perkembangan sistem kontrol dengan piranti elektronika juga telah mencapai perkembangan yang sangat maju. Dimulai dengan komponen-komponen seperti transistor, photo resistor, diac, triac, SCR rangkaian digital, microprosessor dan servo system. Kini sistem kontrol dapat dilaksanakan secara otomatis dan memungkinkan mengontrol mesin-mesin yang sangat kompleks yang disertai dengan efisiensi dan efektifitas yang sangat tinggi dengan menggunakan sistem kontrol yang terpogram atau lebih dikenal dengan PLC (programmable logic control, (Oman Sumantri,1993) Menurut Oman Sumantri (1993), pengontrolan diartikan sebagai pengaturan, pelayanan atau pengawasan terhadap bekerjanya motor listrik yang dipergunakan untuk menggerakkan mesin-mesin yang selanjutnya dapat melakukan proses pekerjaan sesuai dengan kegiatan menjalankan, menghentikan, mengerem, membalikkan putaran, mengatur kecepatan, mengatur waktu kerja, proteksi motor listrik dan perlengkapannya dan lain-lain. Proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan satu sistem pengontrolan yang merupakan kombinasi dari beberapa proses pengontrolan. Melihat karakteristik dari beberapa komponen elektronika, maka dapat dikembangkan sutu sistem kontrol yang dapat digunakan untuk mengontrol kerja motor listrik. Komponen elektronika tersebut hanya berfungsi sebagai alat kendali terhadap bekerjanya relay yang dihubungkan dengan motor. SUSUNAN PHYSIS DIODA EMPAT LAPIS Untuk mengenal thyristor, terlebih dahulu akan dikemukakan susunan physis dioda empat lapis. Komponen ini terdiri atas empat lapisan bahan sehingga mempunyai 3 pertemuan (junction). Lapisan pertama bahan P, lapisan kedua bahan N, lapisan ketiga bahan P dan lapisan keempat bahan N. Bahan bagian luar P disebut anoda (A) dan bahan bagian luar lainnya disebut MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 1, Juni 2010 katoda (K), (Wasito, 2004). Susunan physis dioda 4 lapis ditunjukkan oleh gambar berikut : Anoda P J1 terus mengalir dan tidak tergantung lagi pada tegangan dengan syarat arus yang mengalir tersebut masih cukup besar. Garis lengkung 4 menunjukkan bahwa arus akan terputus bila arus beban R turun menjadi kecil sekali atau kurang dari holding current. U N J2 3 P J3 2 N 4 Katoda I Gambar 1. Susunan physis dioda 4 lapis Untuk lebih memahami sifat dan kerja dari thyristor, terlebih dahulu akan dijelaskan rangkaian PNPN junction dengan sumber tegangan DC. A R J1 + J2 Pot J3 K - Gambar 2. Rangakain PNPN junction dengan sumber tegangan DC Apabila anoda negatif terhadap katoda, maka junction J1 dan J3 adalah reverse bias dan hanya mengalirkan arus yang sangat kecil. Jika anoda diberi tegangan positif maka J1 dan J3 akan forward bias yang berarti dapat mengalirkan arus listrik (conduct). Walaupun junction J2 dalam keadaan reverse bias dan tahanannya sangat tinggi, tetapi pada waktu forward bias tahanan J2 adalah sangat kecil. Menghantarnya J1dan J3 menyebabkan semua tegangan pada junction J2 hilang sehingga tegangan baterai perlu dinaikkan, agar arus mampu melewati J2. Arus ini akan naik seperti keadaan reverse bias dari dioda. Perhatikan karakteristik PNPN junction pada Gambar 3. Jika tegangan baterai terus dinaikkan lagi, maka J2 akan mencapai breakdown sehingga arus mengalir dari J1 ke J2 dan J3 sesuai dengan besar kecilnya beban R. Breakdown dari J2 diperlihatkan dengan garis lengkung 3 seperi terlihat pada gambar di atas. Setelah J2 breakdown, arus akan 1 Gambar 3. Karakteristik PNPN junction Dari uraian ini maka junction J2 yang berada di tengah jelas menghalangi mengalirnya arus. Apabila tegangan dari junction J2 ini dapat dikurangi maka dioda empat lapis dapat mengalirkan arus yang besar. Untuk mencapai maksud ini caranya dengan jalan memotong lapisan kedua dan ketiga dari dioda empat lapis sehingga sangat mirip dengan tiga lapisan transistor PNP dan tiga lapisan transisitor NPN, (Wasito, 2004). Perhatikan gambar 5. Apabila diberi tegangan positif pada lapisan P dan tegangan negatif pada lapisan N pada tegangan reverse antara lapisan N dan P akan berkurang. Dengan menghubungkan sebuah kawat ke lapisan P yang berada diantara dua lapisan N, akan didapat tambahan satu terminal keluar yang dinamakan gate (G). Ditambahkannya satu terminal gate pada dioda empat lapis maka lahirlah suatu suatu komponen elektronik yang disebut thyristor atau lebih dikenal lagi dengan nama SCR (Silicin Control Reactifired). Komponen-komponen elektronika lainnya yang termasuk pada komponen thyristor adalah diac dan triac. Konstruksi SCR SCR biasa (Silicon Control Reactifired)disebut Thyristor yang mempunyai arti penyearah yang dikemudi dengan bahan dasar silikon, (Oman Sumantri, 1993). Thyristor dapat digunakan sebagai pengatur daya dan saklar biasa yang mempunyai kelebihan atau keuntungan apabila dibandingkan dengan alat-alat mekanika biasa. A P G N N N N P transistor yang jenisnya berbeda tetapi karakteristiknya sama. Perhatikan gambar 5, sedangkan gambar 6.a menunjukkan SCR dipandang sebagai dua buah transistor dan gambar 6.b memperlihatkan simbol thyristor. Apabila kaki gate dibuat lebih positif terhadap katoda, maka akan mengalir arus yang kecil antara basis dan emitor transistor 1. K Gambar 4. Susunan physis dioda 4 lapis ditinjausebagai 2 transistor Menurut Wasito (2004), kelebihan thyristor adalah: - Tidak ada kontak-kontak yang aus karena terbakar Tidak akan menimbulkan bunga api Sedikit sekali membutuhkan komponenkomponen tambahan Thyristor juga dapat dipakai untuk mengatur daya yang sangat besar, walaupun thyristor itu sendiri hanya memerlukan daya yang kecil. Berdasarkan kerja dioda empat lapis seperti telah dijelaskan di atas, maka susunan physis thyristor hampur sama dengan susunan physis dioda empat lapis PNPN, hanya thyristor mempunya tiga buah elektroda yaitu anoda, katoda dan gate, elektroda yang ketiga ini berfungsi sebagai kemudi atau pengontrol. Perhatikan gambar 6. Thyristor akan menghantarkan arus atau conduct apabila anoda dan gate relatif positif terhadap katoda. Thyristor akan tetap menghantar apabila arus beban yang mengalir tetap berada di atas holding current. Holding current (arus pengungsi/arus genggam) adalah arus yang selalu mempertahankan kerja dari thyristor sehingga apabila arus beban turun ke bawah holding current maka thyristor akan off. Thyristor mempunyai tahanan yang sangat tinggi pada waktu off dan tahanan yang sangat rendah pada waktu on sehingga drop tegangannya mendekati nol. Prinsip Kerja SCR Menurut Oman Sumantri (1993), untuk memahami kerja dari thyristor maka thyristor tersebut harus dipandang sebagai dua buah Gambar 5. Susunan physis thyristor Arus basis ini akan menyebabkan mengalirnya arus I2 yang melewati kaki kolektor transisitor 1 sehingga arus I2 ini juga adalah arus basis transistor 2. Karena pada transistor 2 terdapat arus basis, maka akan mengalir arus I3 atau arus kolektor transistor 2 tersebut akan mengalir masuk ke basis transistor 1, akibatnya kaki basis transistor 1 akan mendapatkan arus basis yang lebih besar lagi. Kejadian ini akan menaikkan hantaran transistor 1 dan transistor 2, sehingga akan terjadi umpan balik. (a) (b) Gambar 6. (a). Thyristor dipandang sebagai dua transistor, dan (b). Simbol Thyristor Karena pada transistor 2 terdapat arus basis, maka akan mengalir arus I3 atau arus kolektor transistor 2 tersebut akan mengalir masuk ke basis transistor 1, akibatnya kaki basis transistor 1 akan mendapatkan arus basis yang lebih besar lagi. Kejadian ini akan menaikkan hantaran transistor 1 dan transistor 2, sehingga akan terjadi umpan MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 1, Juni 2010 balik. Walaupun arus gate yang digunakan penyulutan pertama ditiadakan, tetapi thyristor tersebut akan tetap menghantarkan arus dari anoda ke katoda. Cara untuk menghentikannya adalah dengan jalan meniadakan tegangan anoda, atau arus anoda dikecilkan sehingga kurang dari arus genggam SCR tersebut. Gambar 7. Konstruksi SCR Karakteristik Thyristor Thyristor atau SCR akan tetap dalam kondisi tertutup, atau menghantar selama kuat arus di dalam sirkuit lebih besar dari harga holding current (Ih), dan apabila arus di dalam sirkuit menurun hingga besarnya di bawah harga Ih maka thyristor tersebut akan membuka atau off. Demikian pula kalau tegangan anatara anoda dan katoda turun, hingga tidak dapat mempertahankan kuat arus sebesar harga Ih, maka thyristor itu akan membuka atau off. Gambar di bawah ini menunjukkan karakteristik maju dan karakteristik mundur thyristor. (K) dilakukan dengan mengatur arus gate (I g). Apabila arus gate (Ig) harganya di bawah arus holding current (Ih) maka kontak antara anoda dan katoda dari thyristor belum dapat melakukan penutupan atau kontaknya masih tetap membuka. Dalam kondisi demikian maka tidak akan terjadi pengaliran arus dari anoda ke katoda (Ia-k) atau dengan kata lain thyristor tidak menghantarkan arus atau belum conduct sehingga motor DC belum berputar. Jika harga Ig lebih besar dari harga Ih, maka antara anoda dan katoda dari thyristor akan terjadi penutupan sehingga menjadi conduct, mengakibatkan motor berputar (Oman Sumantri, 1993). Disamping digunakan sebagai sakelar DC, thyristor juga digunakan sebagai pengatur daya yang diberikan pada beban. Pengaturan daya yang diberikan pada motor dilakukan dengan mengatur besar kecilnya arus gate (Ig), sehingga putaran motor DC kecepatannya dapat diatur. Perhatikan gambar 8, disini rangkaian motor DC dikontrol oleh sumber tegangan DC gelombang penuh dengan menggunakan thyristor. Apabila digunakan osiloskop untuk melihat bentuk tegangan thyristor akan tampak seperti pada gambar 9. Pada gambar tersebut diperlihatkan bentuk arus beban, arus gate dan bentuka arus sumber yang diberikan pada thyristor. Ima H Reverse blocking current V Forward blocking current Gambar 8. Karakteristik thyristor APLIKASI THYRISTOR SEBAGAI PENGONTROL MOTOR DC Seperti diketahui bahwa thyristor merupakan sakelar DC yang penutupan dan pembukaan kontak antara anoda (A) dan katoda Gambar 9. Rangkaian motor DC dikontrol oleh tegangan DC gelombang penuh dengan thyristor Berdasarkan gambar 9 dapat dilihat bahwa dengan tegangan DC gelombang penuh tanpa filter, maka SCR masih mengalami off maka arus pada setiap setengah gelombang turun ke bawah holding current (Ih). Karena itu untuk setengah gelombang berikutnya SCR tetap membutuhkan pentrigeran lagi atau triger tidak dapat dilepas. Dengan dipasangnya kapasitor C paralel dengan R2 sebesar 7 K pada rangkaian gate, akan meyebabkan timbulnya pergeseran fase sehingga pada setengah gelombang pertama akan terjadi penundaaan waktu dalam pentrigeran. Kalau Rnya makin besar maka waktu yang diperlukan mengisi C semakin cepat. Jika R-nya kecil maka waktu pengisian C makin lama dan bila pengisian C makin lama maka waktu untuk pentrigeran juga semakin lama. Apabila rangkaian penyearah gelombang penuh terdapat dalam gambar 8 dipasang suatu filter C sebesar 40 F maka arus thyristor atau arus beban tidak akan pernah turun ke bawah holding current. Perhatikan gambar 10. Karena arus tidak turun ke bawah holding current (Ih), maka sekali ditriger thyristor itu akan conduct meskipun trigernya dilepas. Begitu pula kecepatan putaran motor sudah tidak dapat diatur lagi. SCR dapat kembali off bila bebannya diturunkan terus sehingga arus beban turun ke bawah holding current atau sumber tegangannya di-off-kan dahulu. APLIKASI SCR SEBAGAI PENGONTROL MOTOR AC Apabila SCR digunakan untuk mengontrol sumber AC, selain dapat mengatur daya listrik yang diberikan kepada beban juga berfungsi sebagai penyearah. Motor AC dalam rangaian ini tentu saja dapat dikontrol dengan thyristor, karena motor AC tersebut dirancang untuk dapat dioperasikan pada tegangan AC dan tegangan DC. Jenis motor seperti ini disebut motor universal. Gambar 10. Rangkaian motor universal dikontrol dengan thyristor menggunakan tegangan AC Motor AC dalam rangkaian ini tentu saja dapat dikontrol dengan SCR, karena motor AC tersebut dirancang untuk dapat dioperasikan pada tegangan AC dan tegangan DC. Jenis motor seperti ini disebut motor universal. Dalam prakteknya untuk lebih aman maka R untuk tegangan gate harus dibuat tetap agar tegangan maksimum antara gate dengan katoda tidak dilampaui. Besarnya tegangan gate maksimum (Ug maks) dapat dihitung dengan rumus : U g maks = Us R2 R1 + R 2 Selanjutnya bentuk arus beban dan arus gate dengan menggunakan R dan C dapat dilihat pada gambar 12. Dengan menggunakan tahanan R2 sebagai penentu tegangan gate maksimum, maka daya yang dapat seluruhnya diserahkan kepada beban. Jika dalam gambar 12.a tahanan R2 diganti dengan kapasitor C sebagai penentu tegangan gate, maka daya listrik tidak dapat diserahkan seluruhnya kepada motor karena adanya penundaan waktu pentrigeran untuk setiap setengah periode seperti ditunjukkan pada gambar12.b. Dengan demikian maka penggunaan sistem arus gate yang berbeda akan menyebabkan kecepatan putaran motor yang berbeda pula. SIMPULAN Thyristor atau SCR yang yang dapat digunakan sebagai sakelar statis dapat diaplikasikan sebagai alat kontrol kerja motor listrik. Penggunaannya sebagai alat kontrol dilakukan hanya dengan mengatur arus gate. Dengan mempertahankan arusnya tetap dapat berada di bawah holding current membuat thyristor tidak dapat menghantarkan arus (kondisi off) dan sebaliknya dengan mempertahankan arusnya di atas holding current membuat thyristor akan tetap dapat menghantarkan arus (kondisi off). Thyristor dapat digunakan untuk mengontrol motor DC atau AC. Thyristor mempunyai keuntungan sebagai alat kontrol dibandingkan dengan sakelar magnet karena dengan thyristor akan didapatkan sistem kontrol yang memiliki efektifitas dan efesiensi yang sangat tinggi. DAFTAR PUSTAKA Boylestad, R and Nashelsky, L. 1992. Electronic Device and Circuit Theory. Fifth Edition. New Jersey: Prentice-Hall, Inc. Elektuur. 1993. 302 Rangkaian Elektronika (Alih bahasa: P. Pratomo). Jakarta: PT. Elex Media Komputindo. MEDIA ELEKTRIK, Volume 5, Nomor 1, Juni 2010 Somantri, Oman. 1993. Sistem Pengontrolan Motor di Industri. Cet-1. Jakarta: Pusat Perbukuan Depdikbud, Jakarta Rashid, H, M,. 1993. Power Electronics: Circuits, Devices, and Aplications, Second Editin. New Jersey: Prentice-Hall, Inc. Wasito S. 2004. Vademekum Elektronika. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama.
