Metode pengasutan motor: perbandingan arus, torsi, dan penerapan

Sebuah laundry memakai pompa transfer 15 kW untuk mengisi tangki atas, dan setiap pemadaman PLN semua beban pindah ke genset 80 kVA. Saat pompa mulai berputar dari genset, lampu meredup, kontaktor pengering bergetar, dan suara mesin genset memberat. Teknisi pertama berkata motor di atas 5 kW tidak boleh diasut langsung, lalu mengusulkan bintang-segitiga dengan relai waktu 3 detik. Teknisi kedua membuka buku lain yang menyebut asut langsung dipakai untuk motor 5 kW sampai 1 MW. Pemilik bertanya apakah genset harus diganti. Ketiganya membutuhkan angka yang sama: arus asut, susut tegangan pada genset, dan torsi yang tersisa bagi pompa.

Bab 52 merangkai asut langsung dan bintang-segitiga sebagai mesin keadaan, lengkap dengan kontaktor dan interlock-nya. Bab memilih motor untuk beban menghitung waktu asut dan panas rotor, bab proteksi motor menyetel relai beban lebih pada starter bintang-segitiga, dan bab relai waktu menentukan waktu bintang serta jeda peralihan. Yang tersisa adalah pemilihan: metode mana yang cocok untuk motor, beban, dan sumber tertentu, dan apa yang dibayar setiap metode dalam torsi, kejut transisi, dan peralatan.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada motor induksi tiga fasa rotor sangkar dan rotor belit 230/400 V, 50 Hz, yang diasut dari jaringan atau genset. Diagram rangkaian tidak digambar ulang. Soft starter dan penggerak frekuensi variabel (variable frequency drive, VFD) hanya menjadi pembanding. Batas daya asut langsung dari penyedia listrik tidak dikutip, karena tidak ditemukan dokumen resmi yang dapat diperiksa. Angka motor, genset, dan pompa pada contoh adalah ilustrasi. Pengukuran arus asut pada panel bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Empat akibat arus asut

Arus rotor terkunci $I_\text{l}$ beberapa kali arus pengenal (dari lembar data) dan bertahan hampir sepanjang akselerasi. Akibatnya ada empat: kontaktor dan pengaman harus menahan arus besar tanpa trip atau rusak; arus berfaktor daya rendah menimbulkan susut tegangan pada sumber yang dirasakan beban lain; susut itu menurunkan torsi menurut kuadrat tegangan; dan torsi asut serta lonjakan transisi menghentak kopling, sabuk, dan fluida.

Semua metode tegangan tereduksi memakai satu hubungan dasar: pada kecepatan tertentu, arus belitan sebanding dengan tegangan belitan dan torsi sebanding dengan kuadratnya. Bila tegangan belitan diturunkan menjadi $k$ kali tegangan pengenal,

$$I_\text{belitan} = k\,I_\text{belitan,DOL}, \qquad T = k^2\,T_\text{DOL}$$

dengan $k$ antara 0 dan 1, parameter motor dianggap tetap (saturasi dan efek kulit diabaikan), dan tegangan sinus setimbang. Metode berbeda dalam hubungan arus belitan dengan arus saluran, sehingga ukuran yang adil untuk membandingkannya adalah torsi untuk setiap ampere arus saluran.

Susut tegangan saat asut dihitung dari impedansi sumber

Susut tegangan ditentukan perbandingan impedansi motor saat asut dengan impedansi sumber, bukan daya motor saja. Motor yang diasut dimodelkan sebagai impedansi per fasa (ekuivalen bintang):

$$Z_\text{m} = \frac{U}{\sqrt{3}\,I_\text{asut}}\angle\varphi_\text{asut}$$

dengan $U$ tegangan antarfasa (V), $I_\text{asut}$ arus saluran saat asut (A), dan $\varphi_\text{asut}$ sudut impedansi saat asut. Sumber dimodelkan sebagai ggl di belakang impedansi $Z_\text{s}$. Perbandingan tegangan di PHB terhadap ggl sumber adalah

$$\frac{U_\text{PHB}}{U_0} = \frac{|Z_\text{m}|}{|Z_\text{m} + Z_\text{s}|}$$

Impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks. Untuk trafo, $X_\text{s} \approx u_\text{k}\,U^2/S_\text{T}$ dengan $u_\text{k}$ tegangan impedansi. Untuk genset, susut beberapa siklus pertama ditentukan reaktansi subtransien alternator $X''_\text{d}$, yang di lembar data dinyatakan dalam per unit terhadap impedansi dasar $U^2/S_\text{G}$. Kabel menambah impedansinya sendiri. Hasilnya adalah susut awal; bila pengatur tegangan otomatis (AVR) lambat, tegangan dapat turun lebih jauh menuju nilai yang ditentukan reaktansi transien $X'_\text{d}$, dan putaran mesin ikut turun karena lonjakan daya aktif. Data asut motor dari pabrikan genset tetap menjadi acuan akhir. Batas kVA dan kW genset dibahas di bab daya AC. Model ini menjelaskan mengapa motor 30 kW dari trafo 250 kVA dapat menimbulkan susut lebih kecil daripada motor 15 kW dari genset 80 kVA (latihan 3).

PUIL 2020 Bagian 2, 2.2.3.1, membatasi susut instalasi 4 % pada arus kebutuhan maksimum, tetapi menyatakan ketentuan itu tidak berlaku untuk start motor dan transien sejenis. Bagian 3, 33.1, menyebut arus start sebagai karakteristik yang harus dinilai dampaknya, dan 5100.5.7.4 menyatakan instansi berwenang dapat membatasi arus start motor tertentu. Untuk genset layanan darurat, 790.21.3.1.4 meminta keluaran generator cukup memikul beban dasar dan beban start motor tanpa fluktuasi tegangan berlebihan, tanpa menyebut angka, dan 790.21.3.2.3 menganjurkan turun tegangan saat beban penuh masuk tidak melebihi 25 % dan pulih ke dalam 5 % dalam 0,5 s; itu syarat kinerja genset darurat, bukan batas yang membuat beban lain aman.

Batas susut saat asut karena itu ditetapkan perancang dari akibatnya. Kontaktor yang diperintah menutup saat motor asut dapat gagal menarik bila tegangan di bawah 85 %, sedangkan kontaktor yang sudah menutup baru boleh lepas di suatu titik antara 75 % dan 20 % (koil AC). Getaran kontaktor pengering pada kasus pembuka karena itu menandakan susut yang dalam, di bawah 75 %. Kriteria 85 % dipakai contoh kerja supaya kontaktor yang menutup selama asut tetap menarik.

Asut langsung: kapan boleh

Asut langsung memberi arus saluran $I_\text{l}$ dan torsi rotor terkunci $T_\text{l}$ dengan rangkaian paling sederhana. Metode ini layak bila empat syarat terpenuhi bersama: susut tegangan yang dihitung dari impedansi sumber dapat diterima beban lain; pengaman membiarkan arus asut lewat tanpa trip (bab proteksi motor); beban dan transmisi tahan torsi rotor terkunci penuh; dan waktu asut serta panas rotor dalam batas pabrikan (bab memilih motor untuk beban).

Buku ajar kendali elektromekanik di korpus memberi dua batas yang saling bertentangan. Halaman PDF 123 menyatakan asut langsung hanya untuk motor kecil di bawah 5 kW, sedangkan halaman PDF 136 menyebut asut langsung biasa dipakai untuk motor 5 kW sampai 1 MW dengan waktu asut paling lama sekitar 10 detik. Buku ajar instalasi motor mengulang pola yang sama pada halaman PDF 161–163: batas 5 kW dan anjuran 0,5 sampai 1 MW dalam dua kalimat berurutan. Kedua angka salah bila dibaca sebagai aturan umum. Tidak ada batas kW untuk semua sumber, karena susut bergantung pada perbandingan kVA asut motor dengan kemampuan sumber, ditambah aturan penyedia listrik setempat. Batas 5 kW dapat terlalu longgar untuk genset kecil dan terlalu ketat untuk trafo besar.

Bintang-segitiga

Syarat motor dan kabel

Bintang-segitiga hanya untuk motor yang dirancang terhubung segitiga pada tegangan jaringan: pada jaringan 400 V, pelat nama harus menyebut 400 V Δ, biasanya motor 400/690 V. Motor 230/400 V bekerja bintang pada 400 V, dan tahap segitiga memberi belitannya $\sqrt{3}$ kali tegangan pengenal. Tegangan pelat nama dibahas di bab data motor lanjutan, dan IEC 60034-12 mengenal varian desain Y untuk motor yang diasut bintang-segitiga.

Starter bintang-segitiga membutuhkan enam konduktor dari starter ke motor. PUIL 2020 Bagian 2, 2.6.4.1 b), mengizinkan kabel ini lebih kecil daripada kabel sirkit, tetapi KHA-nya tidak boleh kurang dari $1/\sqrt{3}$, kira-kira 58 %, arus pengenal motor, karena setiap belitan hanya dialiri arus fasa. Setelan relai beban lebih pada jalur belitan mengikuti logika yang sama dan dibahas di bab proteksi motor. Starter elektromekanik bintang-segitiga dan autotrafo termasuk cakupan IEC 60947-4-1; edisi 2018-nya memuat lampiran berisi kurva arus dan torsi tipikal kedua metode itu.

Sepertiga arus dan sepertiga torsi

Pada hubungan segitiga, belitan mendapat tegangan $U$ dan arus salurannya $\sqrt{3}$ kali arus belitan. Pada hubungan bintang, belitan mendapat $U/\sqrt{3}$, dan arus saluran sama dengan arus belitan. Dengan impedansi belitan $Z_\text{b}$ yang sama pada kecepatan yang sama,

$$\frac{I_\text{saluran,Y}}{I_\text{saluran,}\Delta} = \frac{U/(\sqrt{3}\,Z_\text{b})}{\sqrt{3}\,U/Z_\text{b}} = \frac{1}{3}, \qquad \frac{T_\text{Y}}{T_\Delta} = \left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)^2 = \frac{1}{3}$$

Arus saluran dan torsi sama-sama sepertiga, sehingga torsi per ampere saluran sama dengan asut langsung. Angka buku ajar instalasi motor, torsi bintang 0,5 $T_\text{N}$ dan arus 1,8–2,6 $I_\text{N}$, adalah sepertiga dari 1,5 $T_\text{N}$ dan 5,4–7,8 $I_\text{N}$. Sepertiga torsi cukup untuk pompa sentrifugal dan kipas yang torsinya kecil pada kecepatan rendah, tetapi berisiko untuk beban torsi tetap yang berat.

Peralihan terlalu cepat

Pada tahap bintang, motor berakselerasi sampai torsi bintangnya sama dengan torsi beban, dan peralihan semestinya terjadi di sekitar kecepatan itu. Setelah peralihan, arus mengikuti kurva segitiga pada kecepatan saat itu. Dengan kurva ilustrasi di bab motor induksi tiga fasa, peralihan pada 90 % kecepatan sinkron menghasilkan sekitar 3,3 kali arus pengenal, sedangkan pada 50 % menghasilkan 6,4 kali, atau 91 % arus asut langsung. Relai waktu yang terlalu pendek membuat starter bekerja hampir seperti asut langsung dengan satu hentakan tambahan. Batas bawah waktu bintang dan jeda peralihan ditetapkan di bab relai waktu.

Transisi terbuka dan lonjakan transisi

Starter tiga kontaktor adalah starter transisi terbuka: kontaktor bintang membuka, lalu setelah jeda singkat kontaktor segitiga menutup. Selama jeda, motor terputus tetapi rotornya masih berputar dan membawa fluks, yang membangkitkan tegangan stator berfrekuensi sesuai kecepatan rotor; motor sesaat menjadi generator yang tidak sinkron dengan jaringan. Saat kontaktor segitiga menutup, beda tegangan antara jaringan dan tegangan bangkitan itu mendorong arus lonjakan yang besarnya bergantung pada sudut fasa keduanya pada saat penutupan.

Batas atasnya dapat diperkirakan. Tegangan bangkitan belitan sesaat setelah kontaktor bintang membuka paling besar mendekati tegangan belitan bintang $U/\sqrt{3}$, lalu meluruh. Bila penutupan terjadi saat tegangan itu berlawanan fasa dengan tegangan segitiga $U$, beda tegangannya mencapai $U(1 + 1/\sqrt{3}) \approx 1{,}58\,U$, sehingga komponen simetris lonjakan dapat mencapai sekitar 1,58 kali arus asut langsung, ditambah komponen searah sementara. Karena tegangan belitan segitiga bergeser 30° dari tegangan belitan bintang, beda tegangan tidak pernah nol: dengan jeda puluhan milidetik, lonjakan terkecil pun berorde setengah arus asut langsung. Batas 1,58 kali adalah perkiraan kasar editor yang mengabaikan peluruhan fluks selama jeda dan beda impedansi transien motor. Relai waktu biasa tidak mengendalikan sudut itu, sehingga perancang mengandaikan keadaan terburuk. Buku ajar kendali elektromekanik menyebut lonjakan hingga 2.000 % selama sekitar 200 ms disertai torsi kejut yang merusak transmisi, dan satu uraian teknis sekunder menyatakan lonjakan itu dapat melampaui arus dan torsi asut langsung. Angka 2.000 % hanya orde besaran. Jeda yang panjang memperburuk lonjakan karena motor melambat, sedangkan jeda nol dapat membuat kontaktor bintang dan segitiga terhubung bersamaan. Pada sumber lemah, lonjakan ini dapat menjatuhkan tegangan lebih dalam daripada asut langsung selama beberapa siklus dan membuat pengaman magnetik trip secara acak.

Transisi tertutup

Starter transisi tertutup menambah kontaktor keempat dan tiga resistor. Sebelum kontaktor bintang membuka, kontaktor keempat menyambung belitan ke hubungan segitiga melalui resistor, sehingga arus tetap mengalir dan fluks tetap terikat pada tegangan jaringan; kontaktor segitiga lalu menghubung-singkatkan resistor. Lonjakan transisi turun ke orde arus segitiga pada kecepatan peralihan. Harganya satu kontaktor, resistor berating waktu singkat, dan urutan yang lebih panjang.

Autotrafo

Starter autotrafo mencatu motor dari sadapan autotrafo tiga fasa, misalnya 50 %, 65 %, atau 80 %, seperti dicontohkan buku ajar instalasi motor. Dengan sadapan $k$, tegangan dan arus motor menjadi $k$ kali nilai asut langsung. Daya semu pada kedua sisi autotrafo hampir sama bila arus magnetisasinya diabaikan, sehingga arus saluran hanya $k$ kali arus motor:

$$I_\text{saluran} = k^2\,I_\text{l}, \qquad T = k^2\,T_\text{l}$$

Torsi per ampere saluran sama dengan asut langsung, seperti bintang-segitiga, tetapi $k$ dapat dipilih: sadapan 65 % memberi sekitar 42 % arus dan torsi asut langsung. Buku ajar kendali elektromekanik menyebutnya torsi tertinggi per ampere saluran; itu benar dibanding resistor primer, reaktor, dan soft starter, tetapi setara dengan bintang-segitiga dan asut langsung.

Susunan Korndorfer memakai kontaktor titik bintang, suplai autotrafo, dan jalan. Titik bintang dibuka lebih dulu sehingga sebagian belitan autotrafo menjadi reaktor seri, lalu kontaktor jalan menutup dan autotrafo dilepas; motor tidak pernah terputus. PUIL 2020 5100.5.7.3.2 mensyaratkan penstart ototransformator mempunyai kedudukan buka, jalan, dan sekurang-kurangnya satu kedudukan start, dan tidak dapat berhenti pada kedudukan yang membuat proteksi arus lebih tidak bekerja. Autotrafo starter berating kerja singkat; jumlah asut per jam mengikuti data pabrikan. Bahaya autotrafo sebagai sumber tanpa separasi dibahas di bab transformator.

Resistor primer dan reaktor

Resistor primer dipasang seri pada setiap fasa stator, lalu dihubung-singkatkan kontaktor kedua setelah motor berakselerasi, sesuai urutan dua kontaktor pada buku ajar instalasi motor. Arus saluran sama dengan arus motor, sehingga tegangan motor $k$ kali memberi arus saluran $k\,I_\text{l}$ tetapi torsi $k^2\,T_\text{l}$. Pada arus saluran $0{,}42\,I_\text{l}$, sama dengan autotrafo 65 %, torsinya hanya $0{,}42^2 = 0{,}18$ kali torsi rotor terkunci.

Kelebihannya: tegangan motor naik bersama kecepatan tanpa pensaklaran, dan faktor daya saat asut membaik. Kekurangannya panas $3 I^2 R$, yang pada contoh kerja mencapai puluhan kilowatt selama beberapa detik. PUIL 2020 5100.11.1.1 sampai 5100.11.1.4 mengatur penempatan resistor dan reaktor: jauh dari kerusakan mekanis, berjarak sekurang-kurangnya 30 cm dari bahan mudah terbakar atau dipasang di landasan tak terbakar, dan elemennya dilindungi dari sentuhan. Reaktor primer lebih sedikit panasnya, tetapi faktor daya saat asut makin buruk, seperti dicatat buku ajar kendali elektromekanik.

Rotor belit dengan resistor rotor

Motor rotor belit membawa ujung belitan rotornya keluar melalui cincin geser, sehingga resistor luar dapat disisipkan di rangkaian rotor. Bab motor induksi tiga fasa menunjukkan bahwa slip torsi maksimum sebanding resistansi rotor, sedangkan besar torsi maksimum tidak bergantung padanya. Dengan menambah resistansi rotor luar yang dirujuk ke stator $R'_\text{ext}$ sampai

$$R'_2 + R'_\text{ext} = \sqrt{R_1^2 + (X_1 + X'_2)^2}$$

torsi maksimum dipindah ke slip 1: motor mulai berputar dengan torsi maksimumnya sambil menarik arus lebih kecil daripada saat rotor terhubung singkat (latihan 5). Resistor dikeluarkan bertahap, lalu cincin geser dihubung-singkatkan. Buku ajar kendali elektromekanik menulis bahwa tahanan maksimum berada pada rangkaian stator dan bahwa tahanan luar memvariasikan tegangan masuk motor; keduanya keliru, karena resistor berada di rangkaian rotor dan mengubah resistansi rotor, bukan tegangan stator. Energi slip dibuang di resistor luar, sehingga metode ini cocok untuk beban berinersia besar bertorsi asut tinggi. Harganya motor khusus, perawatan sikat, dan resistor besar. PUIL 2020 5100.5.1.1 i) mensyaratkan pelat nama motor rotor lilit mencantumkan tegangan kerja dan arus beban penuh sekunder, dan 5100.5.7.3.3 meminta reostat asut didesain sehingga lengan kontaknya tidak dapat berhenti pada segmen antara.

Soft starter dan VFD sebagai pembanding

Soft starter menurunkan tegangan motor dengan tiristor antiparalel yang sudut penyalaannya diatur, sehingga termasuk metode tegangan tereduksi dengan $T = k^2 T_\text{l}$. Tanpa trafo, arus saluran sama dengan arus motor, seperti resistor primer, tetapi $k$ berubah halus menurut batas arus tanpa langkah transisi. Dengan batas arus 3 kali arus pengenal pada motor yang arus rotor terkuncinya 7 kali, torsi saat diam sekitar $(3/7)^2 = 0{,}18$ kali torsi rotor terkunci. Standarnya IEC 60947-4-2:2020+AMD1:2024, dan prinsip, setelan, serta kontaktor bypass-nya dibahas pada bab soft starter.

VFD menaikkan frekuensi dan tegangan bersama, sehingga motor bekerja pada slip kecil dan torsi pengenal tersedia dengan arus sekitar arus pengenal. Hanya VFD yang memberi torsi penuh dengan arus asut rendah, dengan harga harmonisa dan syarat pemasangan yang dibahas pada bab VFD.

Tabel perbandingan

Perbandingan pada kecepatan nol, relatif terhadap asut langsung ($I_\text{l}$, $T_\text{l}$); $k$ perbandingan tegangan belitan terhadap tegangan pengenal.

Contoh kerja: memilih metode asut pompa 15 kW pada genset

Soal. Kembali ke pompa transfer di awal bab. Tentukan metode asut yang menjaga tegangan PHB genset tidak turun di bawah 85 % selama asut dan tetap mengasut pompa sampai kecepatan kerja.

Data ilustrasi motor. 15 kW, empat kutub, 1.455 rpm, 400 V Δ (400/690 V), $I_\text{N} = 28{,}5$ A. Bentuk kurva mengikuti tabel ilustrasi di bab motor induksi tiga fasa: $I_\text{l}/I_\text{N} = 7{,}0$ dan $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}3$. Faktor daya saat rotor terkunci diandaikan 0,35. Satu lembar data motor 15 kW empat kutub yang dicek editor mencantumkan 28,5 A, $I_\text{l}/I_\text{N}$ 7,1, dan $T_\text{l}/T_\text{N}$ 2,6; arus dan torsi ilustrasi sedikit di bawah nilai itu. Karena arus rotor terkunci motor nyata boleh melampaui nilai katalog dalam toleransi IEC 60034-1, susut pada contoh ini adalah perkiraan tengah, bukan batas atas.

Data asumsi genset. 80 kVA, 400 V, $X''_\text{d} = 0{,}15$ per unit, $X'_\text{d} = 0{,}25$ per unit. Ggl genset sebelum asut dianggap 400 V; impedansi kabel dan beban lain yang sudah jalan diabaikan, padahal keduanya menambah susut.

Data ilustrasi pompa. Torsi pompa sentrifugal sebanding kuadrat kecepatan, bernilai 0,9 $T_\text{N}$ pada kecepatan pengenal, dengan torsi lepas diam 0,1 $T_\text{N}$.

Langkah 1: impedansi motor saat asut. $I_\text{l} = 7{,}0 \times 28{,}5 = 199{,}5$ A, atau $\sqrt{3} \times 400 \times 199{,}5 = 138$ kVA, 1,7 kali kVA genset.

$$|Z_\text{m}| = \frac{400}{\sqrt{3} \times 199{,}5} = 1{,}158\ \Omega, \quad \varphi = \arccos 0{,}35 = 69{,}5^\circ, \quad Z_\text{m} = 0{,}405 + j\,1{,}084\ \Omega$$

Langkah 2: impedansi genset. Impedansi dasar $400^2/80\,000 = 2{,}0$ Ω, sehingga $X''_\text{d} = 0{,}30$ Ω dan $X'_\text{d} = 0{,}50$ Ω.

Langkah 3: asut langsung.

$$\frac{U_\text{PHB}}{U_0} = \frac{1{,}158}{|0{,}405 + j\,(1{,}084 + 0{,}30)|} = \frac{1{,}158}{1{,}443} = 0{,}803$$

Susut awal 19,7 %, dan dengan $X'_\text{d}$ sebesar 29,2 %. Kriteria 85 % gagal dalam kedua anggapan. Torsi asut $2{,}3 \times 0{,}803^2 = 1{,}48\ T_\text{N}$ masih cukup; masalahnya ada di sumber.

Langkah 4: tahap bintang. Impedansi terlihat dari saluran menjadi $3Z_\text{m}$, sehingga perbandingan tegangan 0,925 (susut 7,5 %), atau 0,880 (12,0 %) dengan $X'_\text{d}$. Torsi saat diam $(2{,}3/3) \times 0{,}925^2 = 0{,}66\ T_\text{N}$, jauh di atas torsi lepas 0,1 $T_\text{N}$. Dari tabel ilustrasi, torsi bintang pada 88 % kecepatan sinkron $2{,}8/3 = 0{,}93\ T_\text{N}$ melebihi torsi pompa $0{,}9 \times (88/97)^2 = 0{,}74\ T_\text{N}$, dan pada 94 % $1{,}8/3 = 0{,}60\ T_\text{N}$ di bawah torsi pompa 0,85 $T_\text{N}$. Interpolasi linear memberi kecepatan tunak bintang sekitar 90,6 % kecepatan sinkron.

Langkah 5: saat peralihan. Pada 90,6 %, arus segitiga dari tabel ilustrasi sekitar $3{,}0\ I_\text{N}$ atau 86 A; dengan faktor daya diandaikan 0,6, susutnya sekitar 8,4 % bila transisinya tertutup. Pada transisi terbuka, komponen simetris lonjakan dapat mencapai $1{,}58 \times 199{,}5 = 315$ A, lebih besar daripada arus asut langsung, sehingga selama beberapa siklus susutnya dapat melampaui langkah 3. Relai waktu 3 detik usulan teknisi pertama diuji menurut bab relai waktu.

Langkah 6: pembanding lain. Hasil semua metode dirangkum di bawah, dihitung dengan cara yang sama.

Resistor primer menyamai arus autotrafo 65 % pada tegangan penuh, $|Z_\text{m} + R| = 1{,}158/0{,}4225$, dan membuang sekitar 41 kW di awal asut. Susut soft starter dihitung dari arus yang ditahan tetap, $\Delta U/U \approx \sqrt{3}\,I X \sin\varphi/U$, dengan $X$ sama dengan $X''_\text{d}$ atau $X'_\text{d}$.

Tafsir dan keputusan. Asut langsung ditolak karena susutnya melampaui kriteria dengan reaktansi mana pun. Bintang-segitiga transisi terbuka juga ditolak, karena lonjakan transisinya dapat melampaui asut langsung. Dengan kedua anggapan, yang lolos adalah bintang-segitiga transisi tertutup, autotrafo 65 % (tipis pada $X'_\text{d}$), dan resistor primer yang panasnya besar. Soft starter dengan batas 3 $I_\text{N}$ lolos pada $X''_\text{d}$, tetapi arusnya ditahan selama seluruh akselerasi, sehingga bila AVR lambat susutnya 17,6 % dan gagal. Pilihan editor adalah soft starter dengan batas arus sekitar 2,5 $I_\text{N}$: tanpa langkah transisi dan cukup tiga konduktor apa pun sambungan belitannya. Batas arus menetapkan arus saluran, tetapi torsi pada arus itu, $(I/I_\text{p})^2\,T_\text{p}$ dengan $I_\text{p}$ dan $T_\text{p}$ nilai tegangan penuh pada kecepatan yang sama, tetap bergantung pada kurva motor. Dengan kurva ilustrasi, pompa membutuhkan paling sedikit 2,35 $I_\text{N}$ di sekitar 80 % kecepatan sinkron (selisih 0,69 lawan 0,61 $T_\text{N}$), sehingga 2,5 $I_\text{N}$ lolos tetapi tipis. Bila torsi maksimum motor 10 % di bawah kurva, kebutuhan menjadi sekitar 2,48 $I_\text{N}$; bila arus rotor terkunci 20 % di atas katalog tanpa kenaikan torsi, kebutuhan naik ke sekitar 2,8 $I_\text{N}$. Dari sisi genset, anggapan $X'_\text{d}$ hanya mengizinkan sekitar 73 A, atau 2,57 $I_\text{N}$. Keputusannya karena itu sekitar 2,5 $I_\text{N}$, dipastikan dengan kurva motor dan pompa yang sebenarnya serta rekaman arus dan kecepatan saat komisioning; waktu asut diperiksa menurut bab memilih motor untuk beban. Pompa pengisi tangki dengan tinggi statis besar membutuhkan torsi lebih kecil pada kecepatan menengah daripada model kuadrat, sehingga kebutuhannya lebih rendah; penyetelannya dibahas pada bab soft starter. Bintang-segitiga transisi tertutup menjadi alternatif elektromekanis bila motor memang 400 V Δ dan kabel enam inti sudah ada. Genset tidak perlu diganti; lonjakan daya aktif pada mesinnya dibahas pada bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; data motor, sumber, dan pengaman adalah angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Arus asut pada panel bertegangan hanya direkam personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: asut langsung pompa chiller dari trafo hotel. Pompa chiller 37 kW, 400 V, $I_\text{N} = 68$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7$, faktor daya asut 0,35, dicatu trafo 400 kVA dengan $u_\text{k} = 4$ % (reaktif murni) melalui kabel $0{,}020 + j\,0{,}008$ Ω per fasa (angka latihan). $I_\text{l} = 476$ A, $X_\text{s} = 0{,}04 \times 400^2/400\,000 = 0{,}016$ Ω, dan $|Z_\text{m}| = 400/(\sqrt{3} \times 476) = 0{,}4852$ Ω pada 69,5°, yaitu $0{,}1698 + j\,0{,}4545$ Ω.

$$\frac{U_\text{PHB}}{U_0} = \frac{0{,}4852}{|0{,}1898 + j\,0{,}4785|} = \frac{0{,}4852}{0{,}5148} = 0{,}943$$

Susutnya 5,7 %, sedangkan tanpa kabel hanya 3,0 %: kabel ikut menentukan. Kriteria 85 % terpenuhi, dan torsi asut tinggal $0{,}943^2 = 0{,}89$ kali torsi rotor terkunci. Asut langsung layak dari sisi sumber, selama tiga syarat lain di bagian asut langsung juga terpenuhi.

Contoh 2: memilih sadapan autotrafo kipas AHU. Kipas AHU rumah sakit 18,5 kW, $I_\text{N} = 35$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7$, $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}3$, diasut dari sumber yang menurut perancang hanya menerima arus saluran asut 3,5 $I_\text{N}$ (angka latihan). Syaratnya $k^2 \times 7 \le 3{,}5$, jadi $k \le 0{,}71$.

Sadapan 65 % dipilih. Torsi 0,97 $T_\text{N}$ jauh di atas kebutuhan kipas pada kecepatan rendah. Resistor primer dengan arus saluran yang sama hanya memberi $0{,}4225^2 \times 2{,}3 = 0{,}41\ T_\text{N}$.

Contoh 3: MCB yang trip acak pada bintang-segitiga. Pompa transfer laundry 11 kW, 400 V Δ, $I_\text{N} = 21$ A, $I_\text{l} = 7 \times 21 = 147$ A, diasut bintang-segitiga transisi terbuka. Ambang magnetik pengaman hulu pada batas bawah toleransinya 200 A (angka latihan). Tahap bintang menarik $147/3 = 49$ A, jauh di bawah ambang. Saat peralihan, komponen simetris lonjakan dapat mencapai $1{,}58 \times 147 = 232$ A ditambah komponen searah, melampaui 200 A, sedangkan lonjakan terkecil berorde $147/2 = 74$ A tidak. Karena sudut penutupan tidak dikendalikan relai waktu, pengaman kadang trip dan kadang tidak. Perbaikannya transisi tertutup atau soft starter. Enam konduktor ke motor tetap memerlukan KHA sekurang-kurangnya $21/\sqrt{3} = 12{,}1$ A.

Contoh 4: torsi per ampere soft starter. Pompa air bersih rumah sakit memakai motor latihan 1: 7,5 kW, $I_\text{l}/I_\text{N} = 6{,}5$, $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}4$. Torsi saat diam dengan batas arus $I_\text{b}$:

$$T = \left(\frac{I_\text{b}}{I_\text{l}}\right)^2 T_\text{l}: \qquad 3\,I_\text{N} \Rightarrow \left(\frac{3}{6{,}5}\right)^2 \times 2{,}4 = 0{,}51\ T_\text{N}, \qquad 2\,I_\text{N} \Rightarrow 0{,}23\ T_\text{N}$$

Bintang-segitiga pada motor yang sama menarik 2,17 $I_\text{N}$ dan memberi 0,80 $T_\text{N}$, sedangkan soft starter pada arus yang sama hanya memberi 0,27 $T_\text{N}$, sepertiganya. Keduanya melampaui torsi lepas diam pompa ilustrasi bab ini, 0,1 $T_\text{N}$, tetapi batas arus soft starter tetap diperiksa terhadap torsi pompa di kecepatan menengah, seperti pada contoh kerja.

Kondisi berhenti

Jangan mengasut motor lagi bila salah satu keadaan berikut ditemui.

1. Motor dengan pelat nama 230/400 V ditemukan tersambung ke starter bintang-segitiga pada jaringan 400 V: motor tidak dienergikan sampai sambungan atau metode asutnya diganti.
2. Interlock antara kontaktor bintang dan segitiga tidak ada, dijembatani, atau salah satu kontaktornya ditemukan dengan kontak utama menempel: mesin tidak dioperasikan, karena keduanya dapat membentuk hubung pendek antarfasa.
3. Starter autotrafo atau resistor berhenti pada kedudukan start, atau autotrafo, resistor, dan terminalnya menunjukkan bekas panas: asut ulang tidak dicoba sampai penyebabnya ditemukan dalam keadaan bebas tegangan yang terverifikasi menurut Bab 2 · Keselamatan.
4. Asut dari genset membuat kontaktor lain lepas atau putaran genset jatuh: asut berulang dihentikan, karena setiap percobaan menambah panas rotor dan belitan (bab memilih motor untuk beban).
5. Motor rotor belit terus bekerja dengan resistor rotor belum terhubung singkat, atau cincin gesernya terus memercik: motor dihentikan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Torsi asut langsung hanya 0,5–1,5 kali torsi pengenal." Dua buku ajar korpus menuliskannya, dan salah satunya menyebut torsi asut langsung terlalu kecil. Satu lembar data motor 15 kW empat kutub yang dicek editor mencantumkan 2,6 kali. Torsi rotor terkunci diambil dari lembar data, dan metode tegangan tereduksi selalu memberi torsi lebih kecil daripada asut langsung pada motor yang sama.

"Susut tegangan saat asut tidak boleh lebih dari 4 % menurut PUIL." PUIL 2020 2.2.3.1 sendiri mengecualikan start motor dari batas 4 %. Batas saat asut ditetapkan dari akibatnya pada beban lain, misalnya tegangan tarik kontaktor.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya kurva motor, waktu asut, tegangan pelat nama, hubungan bintang-segitiga, impedansi kompleks, daya semu genset, autotrafo, dan ambang kontaktor. Rangkaian ada di Bab 52, setelan relai di bab proteksi motor, dan waktu bintang di bab relai waktu. Rincian lanjutan dibahas pada bab soft starter, bab genset, sakelar alih, dan suplai cadangan, bab susut tegangan, serta bab VFD.

Latihan dan pembahasan

Angka dalam soal adalah data latihan.

1. Motor 7,5 kW, 400 V Δ, $I_\text{N} = 14{,}5$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 6{,}5$, $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}4$. Hitung arus saluran dan torsi saat diam untuk asut langsung, bintang-segitiga, autotrafo sadapan 80 %, dan resistor primer yang menghasilkan arus saluran sama dengan autotrafo itu.
2. Pelat nama motor tertulis "Δ 230 V / Y 400 V", dan jaringan 400 V. Pernyataan mana yang benar? (A) Bintang-segitiga boleh, arus asut sepertiga. (B) Bintang-segitiga tidak boleh, karena pada tahap segitiga belitan mendapat 400 V, $\sqrt{3}$ kali tegangan pengenalnya. (C) Bintang-segitiga boleh asal waktu bintang diperpanjang. (D) Bintang-segitiga boleh asal relai beban lebih disetel 0,58 $I_\text{N}$.
3. Trafo 250 kVA, 400 V, $u_\text{k} = 4$ % (anggap reaktif murni), mencatu motor 30 kW dengan $I_\text{N} = 55$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7$, dan faktor daya asut 0,3. Abaikan kabel. Hitung susut tegangan awal untuk asut langsung dan tahap bintang, lalu bandingkan dengan contoh kerja.
4. Starter bintang-segitiga kipas disetel sehingga peralihan terjadi pada 60 % kecepatan sinkron. Dengan tabel kurva ilustrasi bab motor induksi tiga fasa, perkirakan arus segitiga sesaat setelah peralihan dan bandingkan dengan asut langsung. Jelaskan bukti apa yang dikumpulkan untuk memastikannya.
5. Motor rotor belit mempunyai $R_1 = 0{,}2$ Ω, $X_1 + X'_2 = 1{,}2$ Ω, dan $R'_2 = 0{,}25$ Ω per fasa (dirujuk ke stator). Hitung slip torsi maksimum tanpa resistor luar, resistor luar dirujuk ke stator yang memindahkan torsi maksimum ke slip 1, serta perubahan arus dan torsi saat diam.
6. Sebuah pompa dengan starter bintang-segitiga tiga kontaktor kadang membuat MCB hulu trip tepat saat peralihan ke segitiga, kadang tidak. Jelaskan mengapa gejalanya acak, sebutkan dua perbaikan yang menyentuh penyebab, dan jelaskan mengapa mengganti MCB dengan arus pengenal lebih besar bukan jawaban.

Kunci jawaban beralasan

1. $I_\text{l} = 6{,}5 \times 14{,}5 = 94{,}3$ A dan $T_\text{l} = 2{,}4\ T_\text{N}$. Bintang-segitiga: 31,4 A (2,17 $I_\text{N}$) dan 0,80 $T_\text{N}$. Autotrafo 80 %: $0{,}64 \times 94{,}3 = 60{,}3$ A (4,16 $I_\text{N}$) dan $0{,}64 \times 2{,}4 = 1{,}54\ T_\text{N}$. Resistor primer dengan 60,3 A berarti $k = 0{,}64$ pada motor, sehingga torsinya $0{,}64^2 \times 2{,}4 = 0{,}98\ T_\text{N}$. Pada arus saluran yang sama, autotrafo memberi torsi $1/0{,}64 = 1{,}56$ kali resistor primer.
2. (B). Motor 230/400 V bekerja bintang pada 400 V. Tahap segitiga memberi belitan 400 V, sehingga fluks dan arusnya jauh melampaui rancangan. (A) melupakan syarat motor Δ pada tegangan jaringan; (C) dan (D) mengubah waktu atau setelan, bukan tegangan belitan. Motor ini diasut langsung terhubung bintang atau dengan soft starter/VFD.
3. Impedansi dasar $400^2/250\,000 = 0{,}64$ Ω, $X_\text{s} = 0{,}0256$ Ω. $I_\text{l} = 385$ A, $|Z_\text{m}| = 400/(\sqrt{3} \times 385) = 0{,}600$ Ω pada 72,5°. Asut langsung: perbandingan tegangan 0,961, susut 3,9 %; tahap bintang: 0,987, susut 1,3 %. Motor dua kali lebih besar daripada contoh kerja menghasilkan susut lima kali lebih kecil karena sumbernya jauh lebih kuat. Kabel dan impedansi jaringan hulu menambah susut, sehingga angka ini batas bawah.
4. Interpolasi antara 50 % (6,4 $I_\text{N}$) dan 80 % (5,2 $I_\text{N}$) memberi 6,0 $I_\text{N}$, atau 86 % arus asut langsung 7,0 $I_\text{N}$, ditambah lonjakan transisi terbuka; starter itu hampir tidak mengurangi arus. Buktinya adalah rekaman arus asut yang memperlihatkan apakah arus bintang sudah turun saat peralihan, diambil personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD. Waktu bintang lalu ditetapkan menurut bab relai waktu.
5. $s_\text{b} = 0{,}25/\sqrt{0{,}2^2 + 1{,}2^2} = 0{,}25/1{,}217 = 0{,}205$. Agar $s_\text{b} = 1$, $R'_2 + R'_\text{ext} = 1{,}217$ Ω, sehingga $R'_\text{ext} = 0{,}967$ Ω. Impedansi saat diam naik dari $\sqrt{0{,}45^2 + 1{,}2^2} = 1{,}282$ Ω menjadi $\sqrt{1{,}417^2 + 1{,}2^2} = 1{,}857$ Ω, sehingga arus turun menjadi 0,69 kali. Dari rumus torsi, torsi saat diam naik $1/0{,}431 = 2{,}3$ kali dan sama dengan torsi maksimum. Resistor rotor menurunkan arus dan menaikkan torsi sekaligus, sifat yang tidak dimiliki metode tegangan tereduksi.
6. Lonjakan transisi terbuka bergantung pada sudut fasa antara jaringan dan tegangan bangkitan motor saat kontaktor segitiga menutup, sampai sekitar 1,58 kali arus asut langsung ditambah komponen searah. Relai waktu tidak mengendalikan sudut itu, sehingga lonjakan kadang melewati ambang magnetik MCB. Perbaikannya: memastikan waktu bintang dan jeda peralihan benar (bab relai waktu), lalu beralih ke transisi tertutup atau soft starter. MCB yang lebih besar dapat melampaui KHA kabel dan koordinasi di bab proteksi motor, dan tidak mengurangi torsi kejut pada pompa.

Referensi