TUGAS PROTEKSI SISTEM DAYA LISTRIK

   Proteksi Peralatan Elektronika Dengan Menggunakan Relai Tegangan

                                                                     Abstrak

Salah satu alat proteksi yang sangat dibutuhkan untuk mengamankan peralatan listrik ialah rele tegangan.  Rele ini berfungsi untuk memantau tegangan dan akan memberikan sinyal melalui kontakkontak keluarannya, jika tegangan yang dipantau lebih besar dari nilai maksimum atau lebih kecil dari nilai minimum yang diperkenankan.  Rele ini umumnya bekerja secara elektronik dan rangkaian yang digunakan sangatlah sederhana, sehingga mudah untuk dipahami.  Tulisan ini mencoba membahas suatu rangkaian rele tegangan yang sangat sederhana.

1.   Pendahuluan

Salah satu hal yang harus dihindari pada pengoperasian peralatan listrik ialah kelebihan tegangan (overvoltage)  ataupun  kekurangan tegangan (undervoltage). Kelebihan tegangan hampir dapat dipastikan akan merusak setiap peralatan  listrik.Hal  ini  umumnya  akan menyebabkan timbulnya panasyang belebihan sehingga   dapat   menyebabkan   terbakarnya peralatan   listriktersebut.Sebaliknya, kekurangan  tegangan  belum  tentu  merusak peralatan listrik.  Pada beberapa peralatan listrik seperti lampu pijar ataupun peralatan lain yang bersifat resistip, kekurangan tegangan tidak akan membahayakan peralatan tersebut.  Tetapi bagi beberapa peralatan lain seperti motor induksi, kekurangan tegangan dapat menyebabkan faktor  daya (cos-ϕ) yang terlalu rendah.  Hal ini akan  menyebabkan  arus  peralatan  tersebut  terlalu besar,   sehingga   menimbulkan   panas   yang berlebihan dan pada akhirnya akan   merusak peralatan tersebut.   Untuk menghindari hal-hal yang tidak diinginkan ini maka suatu panel  distribusi tegangan rendah umumnya dilengkapi dengan  rele  tegangan  yang  berfungsi  untuk  memantau tegangan busbar.  Jika nilai tegangan ini keluar dari batas-batas aman maka rele ini akan membuka pemutus CB utama sehingga catuan daya ke panel tersebut akan diputus. Selain rele tegangan panel ini juga dilengkapi dengan beberapa peralatan proteksi lain, seperti rele arus lebih (OCR), monitor fasa (RCP) dan lain sebagainya.  Tulisan ini hanya membahas tentang rele tegangan.

2.   Prinsip Kerja Dasar

Rele    tegangan    elektronik    umumnya mendeteksi  besarnya  tegangan melalui  trafo tegangan atau yang lebih dikenal sebagai PT (potensial transformer). PT berfungsi untuk menurunkan tegangan yang masuk ke rele dan sekaligus   mengisolasi   rele   dari   tegangan rangkaian yang diukur.  Masukan PT umumnya adalah 110V atau 220V sedangkan keluarannya adalah  tegangan  yang  berkisar  antara 12V hingga 24V, tergantung dari rangkaian yang digunakan.Tegangan   keluaran   PT   ini selanjutnya dibandingkan dengan dua tegangan acuan, sebut saja V_A untuk tegangan acuan atas dan V_B untuk tegangan acuan bawah.  Jika tegangan keluaran PT lebih besar dari V_A maka rele   keluaran   pertama   akan   diaktipkan. Sebaliknya  jika  tegangan  keluaran  PT  lebih kecil dari V_B maka rele keluaran kedua yang
akan diaktipkanUntuk memudahkan proses perbandingan maka   besaran   yang   dibandingkan   adalah tegangan searah. Untuk itu maka tegangan keluaran  PT  harus terlebih  dahulu  diubah menjadi tegangan searah.  Besarnya tegangan searah                 yang           dihasilkan        selanjutnya dibandingkan  dengan  tegangan acuan  yang dapat diatur.Agar dapat mengabaikan kelebihan atau kekurangan tegangan yang berlangsung sesaat (transient),   maka   rele   tegangan   biasanya dilengkapi dengan rangkaian tunda (delay) yang dapat menunda kerja kontak keluaran.  Lamanya tundaan waktu dapat diatur, umumnya berkisar

antara 0 hingga 10 detik.

3.   Rangkaian Rele Tegangan

Seperti telah disebutkan sebelumnya, rele tegangan lebih ini mendeteksi tegangan melalui suatu PT.  Agar sesuai dengan alat-alat ukur lain yang  terpasang  pada  panel  generator  maka tegangan masukan nominal dari rele tegangan umumnya adalah 110V atau 220V.  Karena rele ini hanya membutuhkan daya yang kecil maka PT yang digunakan adalah PT yang berdaya sangat  rendah,  umumnya  berkisar  antara 2 sampai 5VA. Untuk   menghemat   biaya pembuatan  maka  seringkali  PT  yang  sama digunakan  juga  sebagai  sumber  daya  bagi rangkaian elektronik yang digunakan.  Untuk itu digunakan PT dengan dua buah belitan sekunderyang  terpisah.         Rancangan    yang  dibahas menggunakan  dua  buah  trafo  yang  terpisah. Dengan  demikian  diharapkan  agar  tegangan yang    dipantau    tidak    dipengaruhi    oleh pembebanan dari catudaya rangkaian elektronik.

3.1.  Rangkaian masukan

        Tegangan  masukan diturunkan sekaligus diisolasi oleh trafo T1 dan disearahkan oleh dioda D1 dan D2, seperti yang diperlihatkan pada gambar-1.

 Gambar 1. Rangkaian masukan

Selanjutnya tegangan ini ditapis oleh kapasitor C1   untuk   menghilangkan   kerut  (ripple). Besarnya tegangan jepit dari C1 adalah :

adalah tegangan sekunder dari trafo T1.  Sebelum diteruskan ke rangkaian pembanding, tegangan ini disesuaikan oleh tahanan R1 dan R2   yang   membentuk   rangkaian pembagi tegangan  reisitip. Besarnya  tegangan  yang diterima pembanding adalah :

3.2.  Rangkaian Pembanding Tegangan

Sebagai pembanding tegangan digunakan opamp  yang  mempunyai  faktor  penguatan
tegangan loop terbuka (A_V) yang mendekati tak terhingga.  Oleh karena itu jika tegangan pada
masukan tak-membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan  pada  masukan  membaliknya  maka
keluaran  pembanding  akan  jenuh  tinggi  dan bernilai mendekati nilai V_CC (tegangan catuan).
Sebaliknya   jika   tegangan   pada   masukan membalik sedikit lebih tinggi dari tegangan pada
masukan   tak-membaliknya   maka   keluaran pembanding akan jenuh rendah sehingga tega-
ngannya  mendekati  nol.        Rangkaian  dari pembanding  tegangan  ini  diperlihatkan  pada gambar-2.

Penguat A1 membandingkan tegangan V_S yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya

(non-inverting input) dengan tegangan acuan V_A yang dihubungkan ke masukan membaliknya

(inverting input).  Tegangan acuan V_A adalah ambang     tegangan      maksimum       yang
diperkenankan.Tegangan   ini   diperoleh   dari   kontak   geser (wiper) potensiometer VR1.  Jika V_S > V_A maka keluaran  A1  akan  jenuh  positip  sehingga tegangan keluaran A1 akan mendekati tegangan catu, yaitu 12V_DC.   Sebaliknya jika V_S < V_A maka keluaran A1 akan jenuh negatip sehingga tegangan keluarannya akan mendekati nol.

Penguat A2 membandingkan tegangan V_S yang dihubungkan ke masukan membaliknya
dengan tegangan acuan V_B yang dihubungkan ke masukan tak membaliknya.  Tegangan acuan
V_B adalah ambang tegangan minimum yang diperkenankan.   Tegangan ini diperoleh dari
kontak geser potensiometer VR2.  Jika V_S < V_B maka keluaran A1 akan jenuh positip sehingga
tegangan keluaran A2 akan mendekati tegangan catu.   Sebaliknya jika V_S > V_B maka keluaran
A2  akan  jenuh  negatip  sehingga  tegangan keluarannya akan mendekati nol.  Oleh karena
itu agar tegangan keluaran dari penguat A1 dan A2 mendekati nol maka besarnya tegangan V_S
haruslah :

V_B < V_S < V_A

Nilai  tahanan  R3,  R4,  VR1  dan  VR2 ditentukan   sedemikian   rupa   agar   kisar pengaturan V_A memungkinkan kisar tegangan masukan dari 220V hingga 240V dan kisar pengaturan V_A memungkinkan kisar tegangan masukan dari 200V hingga 220V.

3.3.  Rangkaian Tunda

Agar dapat mengabaikan kenaikan atau penurunan   tegangan   yang   berlaku   sesaat (transien), maka rele tegangan ini dilengkapi dengan  rangkaian  tunda.    Untuk  itu  maka
keluaran  dari  rangkaian  pembanding  selain diteruskan   ke   rangkaian   penggerak   rele
keluaran,   juga   dilewatkan   melalui   suatu rangkaian tunda, seperti yang diperlihatkan pada gambar 3

          Rangkaian tunda ini terdiri dari VR3, C2 dan N1.  Jika bernilai tinggi, keluaran penguat A1 dan   A2   masing-masing   akan   meng-enable gerbang N2 dan N3.  Selain itu, kedua keluaran ini  juga akan mengisi kapasitor C2 melalui dioda D3 dan D4 dan VR3.Kapasitor C2 ini berfungsi untuk menunda pengaktipan (enable)  gerbang-gerbang N2 dan N3 melalui gerbang N1.  Ketiga gerbang ini adalah  gerbang  AND  dari  keluarga  CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Tujuan   penggunaan   CMOS   adalah   untuk mendapatkan  nilai  hambatan  masukan  yang
mendekati tak terhingga agar tidak membebani kapasitor C2.  Lamanya tundaan waktu adalah sama  dengan  waktu  yang  dibutuhkan  untuk mengisi kapasitor C2 agar tegangan jepitnya mencapai tegangan ambang (treshold) logika tinggi  dari  gerbang  N1.    Lamanya  tundaan waktu dapat dinyatakan sebagai :

t_D ≅ 0,7.VR3.C2 detik

Dengan  mengatur  nilai  VR3  maka  tundaan waktu ini dapat disesuaikan dengan kebutuhan.

3.4.  Rangkaian Penggerak Rele Keluaran

Rele tegangan yang dibahas mempunyai dua buah rele keluaran.  Satu untuk menyatakan tegangan  lebih  dan  satu  untuk  menyatakan tegangan  kurang.             Masing-masing  rele  ini  digerakkan oleh suatu transistor bipolar, seperti yang diperlihatkan pada gambar-4.

 

                                

 Jika  keluaran  A1  bernilai  tinggi  pada  akhir  tundaan waktu ini maka keluaran gerbang N2
akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q1.  Besarnya arus basis ini
adalah :

dimana  V_OH : Tegangan keluaran logika tinggi

                            N2V_BE : Tegangan basis-emiter Q1

Hal  ini  akan  menyebabkan  Q1  menghantar sehingga pada kolektornya akan mengalir arus sebesar :

I_C = h_FE.I_B

dimana h_FE adalah faktor penguatan arus searah dari transistor yang digunakan.   Arus kolektor ini akan menyebabkan rele RL1 bekerja.

Sebaliknya jika keluaran A2 yang bernilai tinggi  pada  akhir  tundaan  waktu  ini  maka keluaran gerbang N3 yang akan tinggi sehingga memberikan arus basis pada transistor Q2.  Hal ini akan menyebabkan Q2 menghantar sehingga rele RL2 yang akan bekerja.

Dengan demikian maka akan tersedia satu kontak untuk tegangan lebih dan satu kontak untuk tegangan kurang.   Untuk mendapatkan sinyal yang menyatakan keduanya maka untuk rele-rele RL1 dan RL2 dapat digunakan rele dengan  dua  kontak,  dimana  kedua  kontak tersebut   dihubungkan   paralel   atau   seri, tergantung pada kebutuhan.

3.5.  Rangkaian Catu Daya

Opamp umumnya membutuhkan catudaya ganda  yang  berkisar  antara ±6V_DC  hingga ±18V_DC atau catudaya tunggal yang berkisar antara +12V_DC hingga +36V_DC.  Gerbang CMOS
membutuhkan catudaya tunggal yang berkisar antara +3V_DC hingga +15V_DC.   Rele arus searah
tersedia untuk tegangan-tegangan 6, 12, 24, 110, dan 220V_DC.    Agar  dapat  mencatu  seluruh
komponen yang digunakan pada rangkaian maka catuan yang dipilih adalah +12V_DC.   Untuk itu
maka rele keluaran yang digunakan adalah rele dengan  kumparan 12V_DC.    Tegangan  catuan
sebesar +12V_DC dapat diperoleh dari catudaya yang   diperlihatkan   pada   gambar-7.           Pada catudaya ini, tegangan jala-jala diturunkan oleh trafo tegangan T2 ke nilai yang sesuai.  Trafo ini sekaligus berfungsi untuk mengisolasi rangkaian dari tegangan jala-jala.  Selanjutnya tegangansekunder dari T2 disearahkan oleh pasangan dioda D7 dan D8 yang membentuk penyearah  gelombang  penuh,  untuk  selanjutnya  ditapis oleh kapasitor C3 untuk menghilangkan kerut.  Tegangan yang dihasilkan masih dipengaruhi  oleh  pembebanan.Oleh  karena  itu  untuk menstabilkan tegangan ini digunakan regulator seri berupa suatu rangkaian terpadu atau IC.

 IC regulator ini akan mempertahankan tegangan keluarannya  sebesar +12V_DC  untuk  tegangan

masukan  yang  berkisar  dari +14V_DC  hingga +35V_DC.

Daya yang hilang atau disipasi daya pada regulator adalah :

P_D ≅ (V_IN - 12V).I_L Watt

dimana   P_D  : disipasi daya

      V_IN : tegangan masukan regulator

       I_L   : arus beban

Disipasi  daya  ini  akan  diubah  menjadi panas.  Agar regulator tidak menjadi terlalu
panas maka panas ini harus dibuang dengan menggunakan pendingin atau heatsink.  Agar
daya yang hilang tidak terlalu banyak maka V_IN harus dibuat serendah mungkin, namun dapat
mengantisipasi turun naiknya V_IN   disebabkan oleh perubahan arus beban dan turun naiknya tegangan jala-jala.

Keluaran dari regulator ini ditapis lebih lanjut oleh kapasitor C6 untuk menghiangkan kerut  sehingga pada keluaran regulator akan diperoleh tegangan searah sebesar +12V_DC yang benar-benar stabil dan bebas kerut.

Kapasitor  C4  dan  C5  berfungsi  untuk menjamin agar IC regulator tidak berosilasi, sesuai  dengan  yang  dianjurkan  oleh  pabrik pembuatnya.

4.  Kesimpulan

Dari pembahasan diatas dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain ialah:

1.  Rele   arus   lebih   dapat   dibuat   dengan menggunakan  rangkaian  elektronik  yang sederhana.

2.Besarnya arus nominal dapat diatur dengan menggunakan  CT  dengan  perbandingan yang sesuai.