Pengereman motor

Sebuah washer-extractor lama di laundry kiloan membuka kunci pintunya 90 detik setelah tahap peras selesai, dan pemilik meminta teknisi mempercepatnya. Teknisi mengusulkan pengereman arus balik, modul injeksi DC, atau cukup memendekkan relai waktu pembuka pintu menjadi 20 detik "karena drum toh sudah pelan". Dua usul pertama mengubah laju pembuangan energi putar dan tempat panasnya; yang ketiga mengubah kapan orang boleh memasukkan tangan ke drum, tanpa bukti bahwa drum sudah diam.

Kasus itu memisahkan cara menghentikan motor dari syarat membuka akses ke bagian yang berputar. Bab metode pengasutan motor membahas cara memulai putaran; di sini energi yang sudah tersimpan di rotor dan beban harus dibuang. Bab tombol, lampu, dan stop darurat sudah menetapkan kategori stop dan menghitung waktu henti drum peras; drum yang sama dipakai untuk menjelaskan dari mana torsi pengereman datang, berapa panas yang ditanggung motor atau resistor, dan mengapa waktu henti pendek tidak menggantikan kunci pintu.

Batas pembahasan

Cakupannya motor induksi tiga fasa tegangan rendah dan motor DC berdaya kecil pada mesin laundry dan mesin industri ringan. Desain kampas rem, parameter VFD, penilaian risiko, dan tingkat kinerja (PL) kunci pintu hanya dirujuk ke bab lain. Angka dalam contoh adalah ilustrasi, bukan data produk. Bab ini bahan belajar, bukan instruksi kerja: pengukuran pada rangkaian bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Berhenti bebas dan energi yang harus dibuang

Motor yang dilepas dari suplai tidak langsung diam. Rotor, transmisi, drum, dan linen basah menyimpan energi kinetik yang hanya berkurang oleh torsi yang melawan putaran. Pada berhenti bebas (coasting), torsi itu hanya gesekan bantalan, sabuk, udara, dan air yang keluar dari linen; pengereman menambah torsi yang dapat dikendalikan. Hubungan dasarnya sama dengan yang dipakai pada bab stop darurat:

$$\omega = \frac{2\pi n}{60}, \qquad E_\text{k} = \tfrac{1}{2}J\omega^2, \qquad t_\text{henti} = \frac{J\,\omega}{T_\text{r} + T_\text{b}}, \qquad E_\text{b} = E_\text{k}\,\frac{T_\text{b}}{T_\text{r} + T_\text{b}}$$

dengan $n$ kecepatan (rpm), $\omega$ kecepatan sudut (rad/s), $J$ momen inersia semua bagian berputar dilihat dari poros yang sama (kg·m²), $T_\text{r}$ torsi hambat alami (N·m), $T_\text{b}$ torsi pengereman (N·m), dan $E_\text{b}$ bagian energi kinetik yang diserap perangkat rem (J). Asumsinya kedua torsi tetap selama melambat, sehingga perlambatan linear dan drum berputar $\tfrac{1}{2}\omega t_\text{henti}/(2\pi)$ putaran sebelum diam. Torsi nyata berubah dengan kecepatan, jadi hasilnya orde besaran yang dibuktikan dengan pengukuran. Inersia di poros motor sama dengan inersia di poros drum dibagi kuadrat perbandingan transmisi (Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika).

Drum peras pada bab stop darurat memiliki $J = 6{,}0$ kg·m² di poros drum pada 800 rpm dengan $T_\text{r} = 8$ N·m. Energinya 21,1 kJ, dan waktu berhenti bebasnya 62,8 s dengan sekitar 419 putaran. Energi yang sama harus dibuang oleh cara apa pun; pengereman hanya menentukan laju dan tempat energi itu menjadi panas: bantalan dan udara pada berhenti bebas, rotor, stator, atau resistor pada pengereman listrik, dan kampas pada rem mekanis. Energi kinetik sebagai energi tersimpan dibahas di Bab 1 · Keselamatan. Drum cuci pada bab relai waktu, mesin ilustrasi lain yang berputar 47 rpm, hanya menyimpan sekitar 0,26–0,41 kJ dan berhenti bebas dalam 2,76–3,54 s. Energi kinetik naik dengan kuadrat kecepatan, sedangkan pada torsi hambat tetap waktu henti naik sebanding kecepatan, sehingga beban pengereman ditentukan oleh tahap peras.

Rem mekanis elektromagnetik dan sifat gagal aman

Rem mekanis elektromagnetik menjepit piringan atau tromol pada poros dengan kampas gesek. Jenis yang dipakai untuk keselamatan adalah rem yang ditutup pegas dan dibuka listrik: selama koil dienergi, gaya magnet menarik jangkar melawan pegas; ketika koil kehilangan arus, pegas menekan kampas, sehingga rem gagal aman terhadap hilangnya suplai. PUIL 2020 Bagian 7-790, 790.14.2.6, meminta perlengkapan rem yang dilayani listrik pada derek dan lift bekerja dengan sendirinya bila voltasenya (istilah PUIL untuk tegangan) hilang. Ketentuan itu untuk instalasi derek dan lift; peralatan listrik di dalam mesin dikecualikan dari PUIL 2020 (Bagian 1, 11.3 k)) dan diatur IEC 60204-1:2016+AMD1:2021, yang memuat klausul tentang gawai proteksi rem mekanis (14.6, judul dari daftar isi pratinjau resmi; isinya tidak dibaca editor).

Rem yang ditutup oleh arus koil, sebaliknya, kehilangan fungsinya tepat saat listrik padam. Namun istilah gagal aman pada rem pegas perlu dibaca sempit. Rem pegas gagal aman terhadap putusnya suplai koil, tidak terhadap kampas aus, celah udara terlalu lebar, pegas lemah, tuas pelepas manual yang tertahan, atau kontak pengendali koil yang lengket. Semua kegagalan itu memperpanjang waktu henti tanpa tanda di panel. Rem juga membuang energi sebagai panas di kampas dengan batas kerja gesek per penghentian dan per jam dari pabrikan; pada drum peras, rem 25 N·m di poros motor menyerap sekitar 17,9 kJ setiap kali berhenti (Contoh kerja 1).

Waktu reaksi rem bergantung juga pada cara koil diputus. Koil DC rem biasanya disuplai lewat penyearah; pemutusan di sisi AC membiarkan arus koil meluruh lewat dioda sehingga rem menutup lebih lambat, sedangkan pemutusan di sisi DC lebih cepat tetapi menimbulkan tegangan induksi yang harus diredam (pengetahuan teknik umum; waktu dari data pabrikan). Koil rem disuplai sehingga rem tidak dapat tetap terbuka ketika motor sudah tidak bertenaga, misalnya dari sisi keluaran kontaktor motor. Cara ini hanya untuk motor asut langsung dan menambah waktu tutup karena tegangan sisa motor; pada motor ber-VFD koil rem dikendalikan kontaktor tersendiri menurut data penggerak, yang dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning.

Plugging dan sakelar kecepatan nol

Pengereman arus balik (plugging) membalik urutan fasa motor induksi selagi rotor masih berputar ke arah semula. Medan putar kini berlawanan dengan rotor, sehingga slip mulai dari sekitar 2 dan turun ke 1 saat rotor diam. Selama itu motor menarik arus setingkat arus asut atau lebih dan menghasilkan torsi yang melawan putaran, seperti terbaca dari rumus torsi-slip pada bab motor induksi untuk slip di atas 1. Buku ajar kendali di korpus memasangkannya dengan sakelar kecepatan nol (zero-speed switch), sakelar sentrifugal atau elektronik pada poros yang kontaknya berubah pada ambang tertentu, misalnya 10–100 rpm.

Energi rotor selama plugging dihitung seperti panas rotor asut pada bab memilih motor, dari daya rotor sama dengan slip dikali daya celah udara. Dengan torsi beban diabaikan, penghentian dari kecepatan $\omega_1$ ke nol memberi

$$E_\text{r,plug} = J\left(\omega_\text{s}\,\omega_1 + \tfrac{1}{2}\omega_1^2\right) \approx 3 \times \tfrac{1}{2}J\omega_\text{s}^2 \quad (\omega_1 \approx \omega_\text{s})$$

dengan $\omega_\text{s}$ kecepatan sudut sinkron dan $J$ inersia total, keduanya di poros motor. Sepertiga energi itu berasal dari energi kinetik beban dan dua pertiga dari jaringan. Asut dari diam membuang $\tfrac{1}{2}J\omega_\text{s}^2$, dan pembalikan penuh empat kali nilai itu, seperti dihitung pada bab relai waktu. Pada drum peras, plugging sampai diam membuang sekitar 65 kJ di batang rotor, hampir tiga kali panas asutnya (Contoh kerja 1). Kontaktor yang memutus arus plugging bekerja pada kategori AC-4.

Bahaya khas plugging adalah motor tidak berhenti di nol. Torsi balik tidak hilang ketika rotor diam; bila kontaktor arah balik tidak lepas tepat waktu, motor berakselerasi ke arah sebaliknya. IEC 60204-1 memuat klausul 9.3.5 tentang pengereman arus balik (judul dari daftar isi pratinjau resmi). Isi klausul itu, menurut pembacaan editor yang belum dicocokkan dengan teks Ed. 6.1 (keyakinan sedang), meminta langkah efektif agar motor tidak start ke arah sebaliknya pada akhir pengereman bila pembalikan itu berbahaya, tidak mengizinkan gawai yang bekerja semata-mata berdasarkan waktu untuk tujuan itu, dan meminta rangkaian kendali disusun sehingga putaran poros, misalnya oleh tangan, tidak menimbulkan keadaan berbahaya.

Rangkaian contoh di korpus memperlihatkan bahaya kalimat terakhir itu. Selain sekering, relai beban lebih, dan tombol STOP yang dilalui semua jalur, jalur koil kontaktor balik hanya melewati kontak sakelar kecepatan nol, yang menutup saat poros berputar ke depan, dan kontak NC kontaktor maju. Setelah motor diam, memutar drum dengan tangan ke depan di atas ambang sakelar menarik kontaktor balik, dan motor menyentak ke arah berlawanan. Rangkaian yang lebih baik mengizinkan kontaktor balik hanya setelah ada perintah stop: sebuah relai bantu diset oleh perintah stop saat motor berputar dan direset ketika kontak sakelar kecepatan nol membuka, sehingga putaran poros saja tidak dapat menarik kontaktor balik. Sakelar kecepatan nol tetap menjadi pengakhir pengereman; pembatas waktu hanya boleh menjadi cadangan tambahan, bukan satu-satunya gawai yang mencegah pembalikan.

Buku yang sama juga menjelaskan anti-plugging: sakelar kecepatan nol menahan perintah arah balik sampai kecepatan di bawah ambang, sehingga motor dibalik tanpa pengereman arus balik. Fungsinya setara dengan jeda pembalikan pada bab relai waktu, tetapi bekerja dari kecepatan yang diukur. Interlock maju-balik tetap diperlukan; logikanya dibahas pada bab logika kendali dasar.

Injeksi DC pada motor induksi

Pada injeksi DC, motor induksi dilepas dari suplai AC lalu dua terminal statornya dialiri arus searah yang membentuk medan diam. Rotor yang masih berputar memotong medan itu, sehingga di batang rotor terinduksi arus yang gayanya melawan putaran. Motor bekerja seperti motor induksi dengan kecepatan sinkron nol, sehingga dari kurva torsi-slip pada bab motor induksi torsi pengereman kecil pada kecepatan tinggi, memuncak pada kecepatan rendah, dan hilang saat rotor diam. Injeksi DC karena itu tidak menahan beban diam, tetapi juga tidak pernah memutar motor ke arah sebaliknya. Satu ringkasan panduan pabrikan (sekunder) menyebut arus DC sekitar 1,3 kali arus pengenal motor, dengan panas belitan diimbangi jeda setelah pengereman; nilai untuk perangkat tertentu diambil dari manualnya.

Panas di motor terdiri atas dua bagian. Seluruh daya mekanis pengereman $T_\text{b}\,\omega$ menjadi rugi di batang rotor, karena medan stator diam dan tidak ada daya yang diteruskan ke jaringan; energi rotor per penghentian sama dengan $E_\text{b}$ pada rumus di awal bab, sekitar satu kali energi kinetik, bukan tiga kali seperti plugging. Di stator, arus DC menimbulkan rugi tembaga

$$P_\text{st} = I_\text{DC}^2\,R_\text{LL}, \qquad E_\text{st} = P_\text{st}\,t_\text{inj}$$

dengan $I_\text{DC}$ arus DC (A), $R_\text{LL}$ resistansi antara dua terminal yang dialiri, diukur dingin (Ω), dan $t_\text{inj}$ lama injeksi (s). Rumus ini berlaku untuk hubungan bintang maupun segitiga karena $R_\text{LL}$ sudah mewakili jalur arus di dalam motor. Rumus itu memberi rugi total; pembagiannya di antara fasa tidak merata, sehingga titik panas lebih tinggi daripada yang diperkirakan dari total. Rugi sebanding kuadrat arus: menaikkan arus dari 1,3 ke 3 kali arus pengenal melipatgandakan rugi stator lebih dari lima kali.

Tiga hal rangkaian perlu diperhatikan. Kontaktor AC dan DC harus saling mengunci, sebab bila keduanya menutup bersamaan, penyearah terhubung langsung ke jaringan. Arus DC diberikan setelah jeda singkat sesudah suplai AC lepas, karena fluks sisa rotor masih membangkitkan tegangan di terminal (pengetahuan teknik umum; jeda dari manual perangkat). Relai beban lebih elektronik yang mengukur arus lewat trafo arus umumnya tidak membaca arus DC, sehingga pada motor yang sering direm termistor yang dibahas pada bab proteksi motor menjadi lebih relevan (keyakinan sedang, periksa manual relai).

Pengereman dinamis motor DC dan waktu paruh $T_0$

Pada motor DC, pengereman dinamis melepas jangkar dari sumber lalu menyambungnya ke resistor, sementara medan tetap dienergi. GGL lawan $E$ mendorong arus melalui resistor, dan torsinya melawan putaran. Karena $E$ sebanding kecepatan dan torsi sebanding arus, torsi pengereman ikut turun ketika motor melambat, sehingga kecepatan meluruh eksponensial. Buku ajar mesin listrik di korpus memberi rumus waktu paruh, yaitu waktu sampai kecepatan tinggal setengah:

$$T_0 = \frac{J\,n_1^2}{131{,}5\,P_1}$$

dengan $T_0$ waktu paruh (s), $J$ inersia total di poros motor (kg·m²), $n_1$ kecepatan saat pengereman mulai (rpm), dan $P_1$ daya awal yang dikirim mesin ke resistor (W). Dengan fluks tetap, $E = k\omega$ dan daya ke resistor $P = k^2\omega^2/R$, sehingga torsi pengereman $k^2\omega/R$ dan persamaan geraknya $J\,\mathrm{d}\omega/\mathrm{d}t = -k^2\omega/R$. Solusinya $\omega = \omega_1 e^{-t/\tau}$ dengan $\tau = JR/k^2 = J\omega_1^2/P_1$. Waktu paruh $T_0 = \tau\ln 2$, dan dengan $\omega_1 = \pi n_1/30$ konstantanya $(30/\pi)^2/\ln 2 = 131{,}56$.

Asumsinya: fluks medan tetap (penguatan terpisah, shunt dengan medan tetap tersuplai, atau magnet permanen), resistansi rangkaian jangkar tetap, serta induktansi jangkar dan gesekan diabaikan. Gesekan menambah torsi pengereman, jadi waktu nyata lebih pendek, seperti dicatat buku itu. Peluruhan eksponensial tidak pernah mencapai nol: pada $2T_0$ kecepatan tinggal 25 % dan pada $3T_0$ 12,5 %, lalu gesekan menyelesaikannya. Rumus ini tidak berlaku untuk motor seri, yang fluksnya turun bersama arus, dan tidak untuk resistor rem VFD, yang torsinya diatur penggerak.

Buku itu juga membandingkan pengereman dinamis dengan plugging motor DC pada arus awal yang sama. Pada plugging, tegangan sumber dan GGL lawan menjumlah, sehingga resistansi pembatas dibuat dua kali resistansi pengereman dinamis; torsinya tidak turun ke nol bersama kecepatan, dan motor berhenti tepat pada $2T_0$, ketika pengereman dinamis masih menyisakan 25 % kecepatan. Pada kecepatan nol arus plugging tinggal sekitar setengah nilai awal karena GGL lawan sudah nol, dan jangkar harus diputus saat itu dengan perangkat kecepatan nol.

Pengereman dinamis dan regeneratif pada VFD

VFD menghentikan motor dengan menurunkan frekuensi lebih cepat daripada perlambatan alami beban. Rotor berputar di atas kecepatan sinkron baru, slip menjadi negatif, dan motor menjadi generator. Pada VFD berpenyearah dioda, energi itu mengisi kapasitor rel DC sehingga tegangannya naik dan, tanpa jalur pembuangan, cepat mencapai batas proteksi, menurut satu panduan teknis pabrikan penggerak.

Jalur pembuangan yang lazim ada tiga. Pemotong rem (brake chopper) menyambungkan resistor ke rel DC ketika tegangannya melampaui ambang, sehingga energi menjadi panas; cara ini disebut pengereman dinamis pada VFD. Penyearah aktif mengembalikan energi ke jaringan; cara ini disebut pengereman regeneratif. Penggerak juga dapat menaikkan rugi di motor sendiri, misalnya dengan menaikkan fluks atau menyuntikkan DC pada akhir perlambatan, dengan batas panas motor. Pada drum peras, pengereman resistor dengan $T_\text{b} = 60$ N·m menghentikan drum dalam 7,4 s dan resistor menerima 18,6 kJ dengan puncak daya 5,0 kW di awal pengereman, seperti dihitung pada bab stop darurat.

Rinciannya dibahas pada bab VFD: parameter dan komisioning. Waktu perlambatan yang disetel adalah permintaan, bukan jaminan: bila resistor rusak, penggerak memperpanjang perlambatan dengan pengendali tegangan lebih atau trip tegangan lebih lalu drum berhenti bebas; keduanya membuat waktu henti jauh lebih panjang daripada setelan. Fungsi safe torque off (STO) menghilangkan torsi, bukan mengerem, sehingga motor berhenti bebas seperti pada kategori stop 0. Karena "pengereman dinamis" juga berarti jangkar ke resistor pada motor DC dan injeksi DC di sebagian buku, dokumen teknik menyebut metodenya secara eksplisit.

Waktu henti, kunci pintu, dan bukti kecepatan nol

Pengereman memperpendek waktu henti, tetapi tidak membuktikan bahwa drum sudah diam, dan setiap metode di atas dapat gagal tanpa tanda. Bila pintu dibuka menurut waktu henti dengan rem sehat, kegagalan rem menjadi paparan orang terhadap drum yang berputar. ISO 10472-2 mensyaratkan pintu drum mesin laundry industri terkunci selama drum berputar, seperti dibahas pada bab washer-extractor di rak Laundry.

Kunci pintu dengan pengunci (guard locking) diatur ISO 14119:2024 (edisi ketiga, menggantikan edisi 2013). Menurut satu ulasan sekunder, penguncian umumnya diperlukan bila waktu henti lebih lama daripada waktu orang menjangkau bahaya, dan untuk perlindungan orang dipilih pengunci yang terkunci oleh pegas dan hanya terbuka bila diberi daya (sekunder, teks standar tidak dibaca). Prinsipnya sama dengan rem pegas: keadaan tanpa energi adalah keadaan aman. Pembuka kunci baru diberi sinyal setelah kecepatan nol terbukti, misalnya oleh pemantau diam yang membaca pulsa sensor putaran atau tegangan sisa terminal motor, dan pada mesin cuci setelah air terbuang.

Pembukaan kunci berdasarkan waktu harus mencakup keadaan terburuk, yaitu berhenti bebas, bukan waktu henti dengan rem sehat; pada drum peras keadaan terburuk kategori 1 adalah 73 s, yaitu tunda pelepasan daya 10 s ditambah berhenti bebas 62,8 s. Pewaktu itu bagian dari fungsi keselamatan, sehingga relai waktu biasa tidak memenuhi syarat; fungsi keselamatan dinilai menurut ISO 13849-1:2023 dengan tingkat kinerja PL a sampai e (teks standar tidak dibaca). Bila pembukaan kunci mengandaikan pengereman berhasil, kendali pengereman ikut menjadi bagian fungsi itu. Waktu henti diukur saat komisioning dengan muatan ringan dan penuh, dicatat sebagai acuan, dan diukur ulang berkala oleh personel kompeten, karena kampas menipis dan sabuk mengendur. Pemantau diam dan relai keselamatan dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin.

Contoh kerja 1: energi kinetik drum dan pilihan metode pengereman

Soal. Drum peras dari bab stop darurat ($J = 6{,}0$ kg·m² di poros drum termasuk rotor yang dipantulkan, 800 rpm, $T_\text{r} = 8$ N·m) dipasang pada varian mesin tanpa VFD. Motornya motor induksi empat kutub 5,5 kW, 400 V, 11 A, 1.440 rpm, dengan resistansi antarterminal dingin $R_\text{LL} = 2{,}4$ Ω, dan perbandingan sabuk $i = 1{,}8$. Bandingkan waktu henti dan panas untuk berhenti bebas, rem pegas 25 N·m di poros motor, plugging, injeksi DC, dan VFD dengan resistor rem. Semua data adalah ilustrasi.

Langkah 1: energi dan berhenti bebas. $\omega_\text{d} = 2\pi \times 800/60 = 83{,}8$ rad/s dan $E_\text{k} = \tfrac{1}{2} \times 6{,}0 \times 83{,}8^2 = 21{,}1$ kJ. Berhenti bebas: $t = 6{,}0 \times 83{,}8/8 = 62{,}8$ s. Angka ini menjadi batas atas semua metode, karena setiap rem dapat gagal.

Langkah 2: pindah ke poros motor. Inersia di poros motor $J_\text{m} = 6{,}0/1{,}8^2 = 1{,}85$ kg·m², kecepatan motor $\omega_1 = 2\pi \times 1\,440/60 = 150{,}8$ rad/s, dan kecepatan sinkron $\omega_\text{s} = 157{,}1$ rad/s. Energi kinetik tetap 21,1 kJ di poros mana pun. Panas rotor asut langsung dari diam tanpa beban adalah $\tfrac{1}{2} \times 1{,}85 \times 157{,}1^2 = 22{,}8$ kJ, dipakai sebagai pembanding.

Langkah 3: rem pegas. Torsi 25 N·m di poros motor menjadi $25 \times 1{,}8 = 45$ N·m di poros drum, dengan rugi sabuk diabaikan.

$$t = \frac{6{,}0 \times 83{,}8}{45 + 8} = 9{,}5\ \text{s}, \qquad E_\text{b} = 21{,}1 \times \frac{45}{53} = 17{,}9\ \text{kJ}$$

Panas kampas ini dibandingkan dengan batas kerja gesek pabrikan.

Langkah 4: plugging. Dengan torsi beban diabaikan,

$$E_\text{r} = 1{,}85 \times \left(157{,}1 \times 150{,}8 + \tfrac{1}{2} \times 150{,}8^2\right) = 64{,}9\ \text{kJ}$$

atau 3,1 kali energi kinetik dan 2,8 kali panas asut, dengan 43,9 kJ di antaranya dari jaringan. Bila torsi rata-rata selama plugging diandaikan dua kali torsi pengenal ($T_\text{N} = 5\,500/150{,}8 = 36{,}5$ N·m), torsi di poros drum $2 \times 36{,}5 \times 1{,}8 = 131$ N·m dan $t = 6{,}0 \times 83{,}8/(131 + 8) = 3{,}6$ s, dengan arus setingkat arus asut. Andaian ini kasar karena kurva torsi pada slip 2 sampai 1 jarang diterbitkan.

Langkah 5: injeksi DC. Menurut satu ringkasan panduan (sekunder), arus sekitar $1{,}3 \times 11 = 14{,}3$ A; untuk menilai panas dibulatkan ke atas menjadi 15 A. Tegangan DC $15 \times 2{,}4 = 36{,}0$ V dan rugi stator total $15^2 \times 2{,}4 = 540$ W, di atas rugi tembaga stator total pada beban pengenal bila resistansi fasa bintang setaranya 1,2 Ω ($3 \times 11^2 \times 1{,}2 = 436$ W). Rugi itu tidak terbagi rata: pada hubungan bintang dua fasa menanggung masing-masing 1,9 kali rugi pengenalnya dan fasa ketiga dingin, sedangkan pada hubungan segitiga satu fasa membawa dua pertiga arus DC dan menanggung sekitar 2,5 kali rugi pengenalnya. Torsi pengereman rata-rata diandaikan 20 N·m di poros motor, atau 36 N·m di poros drum; nilai nyata ditetapkan dari waktu henti terukur.

$$t = \frac{6{,}0 \times 83{,}8}{36 + 8} = 11{,}4\ \text{s}, \qquad E_\text{rotor} = 21{,}1 \times \frac{36}{44} = 17{,}2\ \text{kJ}, \qquad E_\text{st} = 540 \times 11{,}4 = 6{,}2\ \text{kJ}$$

Total panas di motor sekitar 23,4 kJ, setara dengan panas rotor satu kali asut langsung; asut sendiri masih menambah rugi stator.

Langkah 6: VFD dan ringkasan. Dari bab stop darurat, resistor rem memberi 7,4 s dan menerima 18,6 kJ di luar motor.

Langkah 7: keputusan. Plugging paling cepat tetapi memanaskan rotor hampir tiga kali asut, membebani kontaktor pada AC-4, dan berisiko membalik, sehingga tidak dipilih untuk drum yang berhenti beberapa kali setiap siklus. Injeksi DC membebani motor kurang dari satu asut langsung dan tidak dapat membalik putaran; cocok untuk mesin tanpa VFD bila 11 s dapat diterima dan motor diberi jeda panas. VFD dengan resistor memindahkan panas ke luar motor. Apa pun pilihannya, pintu tetap menunggu kecepatan nol yang terbukti atau waktu keadaan terburuk 62,8 s ditambah tunda kendali; usul memendekkan relai waktu menjadi 20 detik ditolak.

Contoh kerja 2: waktu paruh pengereman dinamis motor DC

Soal. Motor DC penguatan terpisah menggerakkan rol berinersia total $J = 0{,}8$ kg·m² di poros motor pada 1.500 rpm. Jangkar dengan GGL 200 V disambung ke resistansi total rangkaian jangkar 10 Ω, sehingga arus awal 20 A, sekitar dua kali arus pengenal jangkar, batas yang dianjurkan buku ajar. Hitung waktu paruh, waktu sampai kecepatan 10 %, dan waktu henti bila plugging dengan arus awal yang sama dipakai. Data adalah ilustrasi.

Langkah 1: daya awal. $P_1 = 200 \times 20 = 4\,000$ W. Energi kinetik $\tfrac{1}{2} \times 0{,}8 \times 157{,}1^2 = 9{,}87$ kJ.

Langkah 2: waktu paruh.

$$T_0 = \frac{0{,}8 \times 1\,500^2}{131{,}56 \times 4\,000} = 3{,}42\ \text{s}, \qquad \tau = \frac{T_0}{\ln 2} = 4{,}93\ \text{s}$$

Langkah 3: sampai 10 %. $t = \tau \ln 10 = 4{,}93 \times 2{,}303 = 11{,}4$ s. Waktu ini batas atas karena gesekan diabaikan.

Langkah 4: plugging pembanding. Resistansi pembatas 20 Ω dengan sumber 200 V memberi arus awal $(200 + 200)/20 = 20$ A. Motor berhenti pada $2T_0 = 6{,}84$ s dengan arus $200/20 = 10$ A, sedangkan pengereman dinamis pada saat itu masih menyisakan 375 rpm. Bila jangkar tidak diputus saat diam, motor berbalik arah.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Waktu henti dan arus diukur personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: rem pegas yang mulai aus. Drum peras Contoh kerja 1, kini di laundry sebuah hotel, mempunyai waktu henti acuan 9,5 s dengan rem pegas 25 N·m. Pada pemeriksaan berkala, waktu henti terukur pada muatan yang sama menjadi 14,0 s (angka latihan). Dari rumus waktu henti, torsi rem di poros drum tinggal

$$T_\text{b} = \frac{J\,\omega}{t_\text{henti}} - T_\text{r} = \frac{6{,}0 \times 83{,}8}{14{,}0} - 8 = 27{,}9\ \text{N}\cdot\text{m}$$

atau $27{,}9/1{,}8 = 15{,}5$ N·m di poros motor, sekitar 62 % torsi rem semula. Keadaan ini termasuk kondisi berhenti butir 2: mesin tidak dipakai sampai kampas, celah udara, dan pegas diperiksa, dan pintu tetap menunggu kecepatan nol yang terbukti.

Contoh 2: waktu buka pintu ekstraktor laundry rumah sakit. Ekstraktor laundry sebuah rumah sakit mempunyai $J = 4{,}0$ kg·m² di poros drum pada 1.000 rpm, torsi hambat 6 N·m, dan tunda pelepasan daya kategori 1 selama 10 s (angka latihan). Ada usul membuka pintu 30 s setelah perintah stop, karena rem biasanya menghentikan drum dalam 12 s.

$$\omega = 104{,}7\ \text{rad/s}, \qquad E_\text{k} = 21{,}9\ \text{kJ}, \qquad t_\text{bebas} = \frac{4{,}0 \times 104{,}7}{6} = 69{,}8\ \text{s}$$

Bila rem gagal, drum berhenti bebas setelah sekitar 580 putaran, dan keadaan terburuknya $10 + 69{,}8 \approx 80$ s. Usul 30 s ditolak. Pilihannya pewaktu yang menjadi bagian fungsi keselamatan dengan waktu sekurangnya 80 s, atau lebih baik pemantau diam yang membuktikan kecepatan nol, yang dinilai pada bab keselamatan fungsional mesin.

Contoh 3: injeksi DC pada ekstraktor kecil laundry hotel. Motor empat kutub 3 kW, 400 V, 6,6 A, dengan $R_\text{LL} = 4{,}0$ Ω, menggerakkan beban berinersia 0,6 kg·m² di poros motor pada 1.440 rpm, dan injeksi berlangsung 8 s (angka latihan). Arus menurut ringkasan sekunder $1{,}3 \times 6{,}6 = 8{,}6$ A dibulatkan ke atas menjadi 9 A, seperti Contoh kerja 1.

$$P_\text{st} = 9^2 \times 4{,}0 = 324\ \text{W}, \qquad E_\text{st} = 324 \times 8 = 2{,}6\ \text{kJ}, \qquad E_\text{k} = \tfrac{1}{2} \times 0{,}6 \times 150{,}8^2 = 6{,}8\ \text{kJ}$$

Dengan torsi hambat diabaikan, rotor menerima sekitar $E_\text{k}$, sehingga motor memanas sekitar 9,4 kJ per penghentian, 1,27 kali panas asut dari diam ($\tfrac{1}{2} \times 0{,}6 \times 157{,}1^2 = 7{,}4$ kJ). Jumlah penghentian per jam karena itu dihitung bersama jumlah asut, dan karena relai beban lebih bertrafo arus umumnya tidak membaca arus DC, termistor menjadi pelindung yang lebih relevan.

Kondisi berhenti

Mesin tidak dioperasikan, atau pekerjaan dihentikan, bila:

1. Pintu atau pelindung bagian berputar dapat dibuka sebelum kecepatan nol terbukti, atau pembukaannya hanya bergantung pada waktu henti yang mengandaikan rem bekerja. Pengereman tidak boleh menjadi satu-satunya pengaman akses ke bagian berputar.
2. Waktu henti terukur melebihi nilai acuan komisioning, atau berbeda jelas antara dua pengukuran pada muatan sama; penyebabnya dicari sebelum mesin dipakai lagi.
3. Motor berbalik arah atau menyentak setelah plugging, atau berputar ketika poros diputar tangan saat mesin berhenti.
4. Rem pegas tidak menutup ketika suplai koil dilepas, tuas pelepas manual tertahan pada posisi terbuka, atau rem arus dipasang menggantikan rem pegas tanpa penilaian ulang.
5. Kontaktor AC dan DC pada rangkaian injeksi DC dapat menutup bersamaan, atau motor yang sering direm tidak memiliki perlindungan panas yang membaca pemanasan akibat arus DC.
6. Penggerak trip tegangan lebih saat berhenti, atau resistor rem berubah warna, retak, atau terputus.
7. Pekerjaan di dalam drum atau pada rem direncanakan hanya dengan stop darurat atau kunci pintu, tanpa isolasi energi, penguncian, dan verifikasi diam serta bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Rem yang lebih kuat berarti pintu boleh dibuka lebih cepat." Rem memperpendek waktu henti ketika bekerja. Pintu mengikuti bukti kecepatan nol atau waktu keadaan terburuk, karena rem yang gagal tidak memberi tanda sebelumnya.

"Injeksi DC dapat menahan drum diam." Torsi injeksi DC nol saat rotor diam. Penahanan posisi memerlukan rem mekanis.

"STO adalah pengereman darurat." STO menghilangkan torsi, dan motor berhenti bebas. Pengereman terkendali sebelum STO adalah fungsi terpisah.

"Kontaktor plugging cukup dilepas relai waktu yang disetel sama dengan waktu henti." Waktu henti berubah dengan muatan, tegangan sabuk, dan keausan, sehingga relai waktu dapat melepas terlalu lambat dan motor berbalik. Pengakhir pengereman adalah sakelar kecepatan nol.

"Rumus waktu paruh di buku memakai satuan kg × m dan konstanta perkalian." Satuan inersia adalah kg·m², dan konstanta 131,5 adalah $(30/\pi)^2/\ln 2$, bukan perkalian (yang memberi 63,2). Arus plugging motor DC pada kecepatan nol sekitar setengah arus awal, seperti dikoreksi pada bab motor DC.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika, Bab 1 · Keselamatan, dan Bab 2 · Keselamatan; bab motor induksi, bab memilih motor, dan bab motor DC; serta bab komponen kendali, bab proteksi motor, bab relai waktu, dan bab stop darurat. Bab 52 merangkai pembalik putaran dasar, bab metode pengasutan motor membahas awal putaran, dan bab logika kendali dasar membahas interlock. Bab rangkaian kendali lanjutan memakai sakelar kecepatan nol dari bab ini untuk jeda pembalikan berbasis bukti, uji waktu henti pada bab uji pra-energi dan komisioning, pengereman VFD pada bab VFD: parameter dan komisioning, dan kunci pintu pada bab keselamatan fungsional mesin. Mesinnya dijelaskan pada bab washer-extractor di rak Laundry.

Latihan dan pembahasan

Tuliskan rumus, satuan, dan asumsi. Angka dalam soal adalah data latihan.

1. Drum sebuah mesin cuci memiliki $J = 5{,}0$ kg·m², berputar 900 rpm, dengan torsi hambat 6 N·m. Hitung energi kinetik, waktu henti bila rem mekanis memberi 30 N·m di poros drum, energi yang diserap kampas, dan jumlah putaran sampai diam.
2. Motor DC magnet permanen dengan $J = 0{,}3$ kg·m² direm dinamis dari 1.200 rpm; GGL awal 180 V dan resistansi total rangkaian jangkar 9 Ω. Hitung waktu paruh dan waktu sampai kecepatan 25 %, lalu jelaskan mengapa waktu nyata lebih pendek.
3. Pada drum peras Contoh kerja 1 dengan plugging, perlambatan di poros motor sekitar 41,8 rad/s² dan waktu lepas kontaktor 50 ms. Sakelar kecepatan nol dapat disetel 10, 30, atau 50 rpm di poros motor. Pilih setelan dan jelaskan akibat setelan terlalu rendah.
4. Untuk memperpendek waktu henti, arus injeksi DC motor Contoh kerja 1 dinaikkan dari 15 A menjadi 33 A. Motor dilindungi relai beban lebih elektronik bertrafo arus. Hitung rugi stator baru dan jelaskan dua akibatnya.
5. Pilih rancangan pembuka kunci pintu yang benar untuk drum peras dengan waktu henti terkendali 7,4 s: (A) relai waktu biasa 10 s setelah perintah stop; (B) relai waktu biasa 75 s; (C) pengunci pegas yang dibuka setelah pemantau diam bersertifikat keselamatan membaca kecepatan nol dan level air kosong, lewat relai keselamatan; (D) kunci dibuka ketika VFD melaporkan frekuensi keluaran 0 Hz.
6. Sebuah motor kerekan kecil memakai rem yang ditutup oleh arus koil karena lebih murah. Jelaskan apa yang terjadi bila suplai padam saat beban terangkat, lalu tunjukkan satu kegagalan yang tetap berbahaya walaupun rem diganti rem pegas.

Kunci jawaban beralasan

1. $\omega = 94{,}2$ rad/s; $E_\text{k} = \tfrac{1}{2} \times 5{,}0 \times 94{,}2^2 = 22{,}2$ kJ. $t = 5{,}0 \times 94{,}2/(30 + 6) = 13{,}1$ s. Kampas menyerap $22{,}2 \times 30/36 = 18{,}5$ kJ, sisanya oleh gesekan alami. Putaran $\tfrac{1}{2} \times 94{,}2 \times 13{,}1/(2\pi) \approx 98$. Asumsinya torsi tetap; berhenti bebas akan memakan 78,5 s.
2. $I_1 = 180/9 = 20$ A, $P_1 = 3\,600$ W. $T_0 = 0{,}3 \times 1\,200^2/(131{,}56 \times 3\,600) = 0{,}912$ s. Kecepatan 25 % tercapai pada $2T_0 = 1{,}82$ s. Rumus mengabaikan gesekan, yang menambah torsi pengereman; karena itu waktu nyata lebih pendek. Magnet permanen menjaga fluks tetap, sehingga asumsi rumus terpenuhi.
3. Dalam 50 ms kecepatan turun $41{,}8 \times 0{,}05 = 2{,}09$ rad/s, sekitar 20 rpm. Pada setelan 10 rpm, motor mencapai nol sekitar 25 ms setelah sakelar membuka, lalu berakselerasi ke arah balik selama sisa waktu lepas kontaktor, sehingga drum menyentak. Setelan 30 rpm menyisakan cadangan kecil karena perlambatan dekat nol dapat lebih besar daripada rata-rata. Setelan 50 rpm dipilih: kontaktor lepas sekitar 30 rpm, lalu motor meluncur ke nol tanpa torsi balik dengan cadangan sekitar 30 rpm. Hasilnya diverifikasi dengan uji fungsi.
4. $P_\text{st} = 33^2 \times 2{,}4 = 2\,614$ W, 4,8 kali 540 W. Pertama, rugi stator naik 4,8 kali sementara torsi naik lebih lambat karena inti mulai jenuh, sehingga waktu henti memendek jauh kurang dari 4,8 kali dan energi stator per penghentian ($P_\text{st} \times t$) naik; energi rotor tetap sekitar satu kali energi kinetik. Kedua, relai elektronik bertrafo arus umumnya tidak membaca arus DC, sehingga pemanasan itu tidak terlindungi; diperlukan termistor atau pembatasan arus dan jeda sesuai manual.
5. C. A memakai waktu dengan rem sehat, sehingga pintu terbuka saat drum berputar bila rem gagal, dan relai waktu biasa bukan komponen keselamatan. B mencakup keadaan terburuk 73 s, tetapi pewaktunya relai biasa dan air tidak diperiksa. D gagal karena frekuensi 0 Hz tidak berarti drum diam bila penggerak trip atau STO aktif. C membaca kecepatan dan level air langsung, memakai pengunci yang terkunci tanpa daya, dan diproses perangkat keselamatan.
6. Saat padam, koil kehilangan arus dan rem lepas, sehingga beban turun tanpa kendali. Rem pegas menutup saat padam, tetapi kampas yang aus atau celah yang terlalu lebar membuat torsi rem tidak cukup menahan beban tanpa tanda di panel; pemeriksaan berkala torsi dan celah tetap diperlukan.

Referensi