Proteksi motor: relai beban lebih, MPCB, termistor, dan relai fasa

Motor drum ekstraksi sebuah washer-extractor di laundry hotel diputus relai beban lebih setiap kali muatan selimut diperas. Teknisi memutar kenop setelan dari 21 A ke 24 A dengan alasan PUIL 2020 menyebut 110–115 %. Trip berhenti, dan dua bulan kemudian belitan motor berbau hangus. Di bengkel lain, relai disetel sama dengan MCB 63 A untuk motor 29 A, mengikuti sebuah buku ajar. Kedua kasus berawal dari pertanyaan yang sama: angka mana yang dilindungi relai, dan apa yang terjadi bila angka itu dinaikkan.

Kabel, motor, dan starter mempunyai batas panas yang berbeda, sehingga setiap pelindung harus tahu apa yang dijaganya. Bab 52 menjelaskan fungsi dan batas perangkat proteksi secara umum dan sengaja tidak memberi persentase setelan universal. Kabel dijaga proteksi arus lebih instalasi dan kemampuan hantar arusnya, yang dibahas pada babnya sendiri, dan bab komponen kendali memilih kontaktornya. Pembahasan berikut memilih, menyetel, dan mengoordinasikan pelindung motor itu sendiri, lalu menerapkannya pada drum yang waktu asutnya sudah dihitung di bab memilih motor untuk beban.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada motor induksi rotor sangkar tiga fasa tegangan rendah dengan asut langsung atau bintang-segitiga. Motor satu fasa ada di bab motor satu fasa; proteksi bawaan soft starter dan VFD dibahas pada babnya. Arus hubung pendek prospektif, kemampuan pemutusan, selektivitas, dan tabel KHA hanya disinggung. Angka contoh adalah ilustrasi; setelan nyata mengikuti pelat nama, lembar data motor, kurva relai, dan tabel koordinasi pabrikan. Bab ini bahan belajar, bukan instruksi kerja: pengukuran arus pada rangkaian bertegangan hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Empat gangguan, empat jenis pelindung

Gangguan motor dibedakan menurut besar arus dan kecepatan kenaikan suhunya. Beban lebih menaikkan arus sedikit di atas pengenal selama menit sampai jam. Fasa hilang membuat motor yang sedang berjalan menarik arus lebih besar pada dua konduktor, sedangkan motor yang diam hanya berdengung dengan arus mendekati arus rotor terkunci. Rotor terkunci atau asut yang terlalu lama memanaskan batang rotor dan belitan dalam belasan detik. Hubung pendek menghasilkan arus ratusan sampai ribuan ampere yang harus diputus dalam milidetik.

PUIL 2020 memisahkan perlindungan beban lebih dari perlindungan hubung pendek dengan tegas: gawai proteksi motor terdiri atas gawai proteksi arus lebih (GPAL, istilah PUIL untuk proteksi beban lebih) dan gawai proteksi hubung pendek (GPHP) (Bagian 5-510, 5100.5.4.3). Pelindung beban lebih yang tidak mampu memutus arus hubung pendek harus dilindungi GPHP (5100.5.4.6), dan motor tiga fasa yang terpasang tetap dan bekerja tanpa pengawasan wajib dilindungi terhadap beban lebih (5100.5.4.2.2).

Relai beban lebih termal dan elektronik

Relai beban lebih termal memanaskan tiga keping bimetal dengan arus motor. Keping yang melengkung menggerakkan mekanisme yang membuka kontak bantu 95-96 dan menutup 97-98; kontak 95-96 memutus koil kontaktor, dan kontaktor itulah yang memutus daya. Relai ini meniru pemanasan motor secara kasar karena bimetal juga mempunyai kelembaman panas, sehingga motor yang baru trip tidak dapat segera dijalankan lagi. Relai umumnya dapat diatur untuk reset manual atau otomatis; PUIL 2020 5100.5.4.8 melarang pelindung beban lebih yang menjalankan motor lagi secara otomatis setelah trip, kecuali diizinkan untuk motor itu, sehingga pada mesin berdrum reset dibiarkan manual. Keping kompensasi menetralkan pengaruh suhu ruang panel, dan mekanisme diferensial pada relai yang peka fasa hilang mempercepat trip bila satu keping tertinggal dari dua lainnya.

Relai elektronik mengukur arus dengan trafo arus dan menghitung model termal motor. Setelannya lebih teliti, kelas tripnya dapat dipilih, fasa hilang dan ketidakseimbangan dideteksi lebih tegas, dan sebagian jenis menyediakan deteksi rotor terkunci atau masukan termistor.

Batas kerja pada arus kecil. IEC 60947-4-1 menetapkan bahwa relai tidak memutus dalam dua jam pada 1,05 kali arus setelan dari keadaan dingin dan memutus dalam dua jam pada 1,2 kali. Satu katalog relai termal yang dicek editor menyebut ambang trip 1,14 ± 0,06 kali arus setelan. Relai yang sehat tidak menanggapi kelebihan 3–4 %; kelebihan 10–15 % mungkin diputus setelah puluhan menit atau tidak sama sekali, dan pemutusan baru dijamin pada 20 %. Arus ekuivalen siklus cuci di bab data motor lanjutan, 1,16 kali arus pengenal, berada di daerah ini: bila relai memutus, trip itu menandakan motor memang terlalu panas.

Kelas trip. Pada arus besar, relai digolongkan menurut waktu tripnya dari keadaan dingin ketika dialiri 7,2 kali arus setelan.

Nomor kelas adalah batas atas, bukan waktu tripnya. Relai kelas 10 yang memutus setelah 4,5 s dan relai kelas 10 lain yang memutus setelah 9,5 s sama-sama memenuhi standar. Karena itu kelas dipilih dari dua syarat, bukan satu.

$$t_\text{a} < t_\text{trip}(I_\text{l}) < t_\text{tahan}$$

dengan $t_\text{a}$ waktu asut dengan beban terberat yang wajar (s), $t_\text{trip}(I_\text{l})$ waktu trip relai pada arus rotor terkunci dari kurva relai yang dipilih, dan $t_\text{tahan}$ waktu tahan rotor terkunci motor dari lembar data, biasanya dinyatakan untuk keadaan dingin dan panas. Syarat kiri mencegah trip saat asut normal; syarat kanan memastikan relai memutus motor yang macet sebelum belitannya rusak. Pita kelas hanya menyaring calon; keputusan diambil dari kurva relai yang sebenarnya pada keadaan panas saat motor biasa diasut.

Setelan: arus pelat nama, dan cara membaca 110–115 % di PUIL 2020

Relai beban lebih disetel pada arus pelat nama motor untuk tegangan dan hubungan belitan yang dipakai. Relai sudah memberi kelonggaran sendiri: tidak memutus pada 1,05 kali setelan dan baru memutus sekitar 1,1–1,2 kali. Menambah 10 % pada setelan menumpuk kelonggaran kedua, sehingga motor dapat bekerja pada sekitar 1,25 kali arus pengenal tanpa diputus, dan umur isolasinya turun cepat seperti diuraikan di bab data motor lanjutan. Faktor layanan gaya NEMA juga bukan alasan menaikkan setelan.

Bab 52 benar bahwa arus pelat nama tidak otomatis menjadi setelan: yang menentukan adalah arus yang dilihat relai di tempat ia dipasang, misalnya arus belitan pada starter bintang-segitiga (subbagian berikut). Bila kapasitor kompensasi individual disambung di hilir relai, relai melihat arus yang lebih kecil dari arus motor, sehingga setelan diturunkan; hitungannya dan dasar normanya, PUIL 2000 5.10.3 (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan), sudah dibahas di bab perbaikan faktor daya.

Tafsir PUIL 2020 (keyakinan sedang). PUIL 2020 menulis bahwa arus pengenal GPAL motor sekurang-kurangnya 110–115 % arus pengenal motor, di Bagian 2, 2.2.8.3, dan di Bagian 5-510, 5100.5.4.3. Bab ini membaca kalimat itu sebagai syarat arus pengenal gawai, yaitu ukuran rangka atau batas atas rentang setelan relai, dan bukan sebagai titik setelan. Ada tiga alasan. Pertama, kata "sekurang-kurangnya" menetapkan batas bawah, padahal setelan pelindung yang dinaikkan justru mengurangi perlindungan. Kedua, catatan di bawah Gambar 5100.5.2 meminta proteksi beban lebih disetel dekat pada arus pengenal motor. Ketiga, contoh 5100.5.6 membulatkan 115 % dari 42 A menjadi 50 A "sesuai standar", yaitu memilih ukuran gawai. Sebagai pembanding riwayat, bukan ketentuan yang berlaku, klausul pendahulunya, PUIL 2000 5.5.4.3, justru memberi batas atas: pelindung beban lebih tidak boleh disetel lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk mengasut motor pada beban penuh. Angka 115 % dan 125 % juga mirip aturan NEC 430.32(A)(1), yang memakainya sebagai batas atas arus trip pelindung beban lebih. Bila instansi berwenang membacanya lain, setelan di atas arus pelat nama tetap harus dibenarkan data pabrikan motor.

Jumlah unsur pengindera. Tabel 5100.5.1 PUIL 2020 masih mensyaratkan minimum dua unsur pengindera beban lebih untuk motor tiga fasa, dengan tiga unsur hanya bila instansi berwenang memintanya untuk suplai lewat trafo bintang-segitiga. Relai dua unsur tidak melihat fasa yang tidak diinderanya, padahal 431.1.1 meminta tindakan pencegahan bila pemutusan satu fasa berbahaya bagi motor tiga fasa. Bab ini mengajarkan tiga unsur dengan kepekaan fasa hilang, atau relai elektronik dengan deteksi fasa hilang, sebagai pilihan yang benar.

Relai beban lebih pada starter bintang-segitiga

Pada starter bintang-segitiga, relai dapat dipasang di jalur suplai sebelum percabangan atau di jalur belitan sesudah kontaktor utama. Letak yang lazim adalah jalur belitan, karena relai lalu mengindera arus belitan pada tahap bintang maupun segitiga.

$$I_\text{r} = \frac{I_\text{N}}{\sqrt{3}} \approx 0{,}58\,I_\text{N}$$

dengan $I_\text{r}$ setelan relai (A) dan $I_\text{N}$ arus pelat nama untuk hubungan segitiga pada tegangan jaringan (A). Relai yang dipasang di jalur belitan tetapi disetel pada $I_\text{N}$ membiarkan belitan bekerja sampai 1,7 kali arus pengenalnya. Sebaliknya, relai di jalur suplai yang disetel pada $I_\text{N}$ kurang melindungi belitan selama tahap bintang, karena pada tahap itu arus saluran sama dengan arus belitan. PUIL 2020 Bagian 2, 2.6.4.1 b), mengikuti logika yang sama untuk kabel: kabel antara motor dan starter boleh lebih kecil daripada kabel sirkit, tetapi KHA-nya tidak boleh kurang dari $1/\sqrt{3}$, kira-kira 58 %, arus pengenal motor.

MPCB: satu perangkat untuk beban lebih dan hubung pendek

Pemutus sirkit proteksi motor (motor protection circuit breaker, MPCB) menggabungkan pelepas termal yang dapat disetel dan pelepas magnetik tetap dalam satu pemutus. MPCB diuji sebagai pemutus menurut IEC 60947-2 dan sebagai pelindung starter menurut IEC 60947-4-1. Satu katalog yang dicek editor menyebut ambang magnetik paling tinggi 13 kali arus pengenal, kelas trip 10A, kepekaan fasa hilang, dan pelepas tegangan kurang sebagai tambahan. Kelas 10A cocok untuk pompa dan kipas, tetapi tidak untuk drum yang asutnya mendekati 10 s.

Buku ajar instalasi motor korpus benar bahwa pelepas tegangan kurang diperlukan bila MPCB langsung menjadi sakelar motor, dan tidak bila MPCB diikuti kontaktor yang lepas saat tegangan hilang. Keduanya memenuhi 5100.5.7.6 PUIL 2020, yang meminta start ulang otomatis yang berbahaya setelah tegangan turun atau hilang dicegah, hanya bila kontaktornya dikendalikan dengan penahan diri dan tombol start sesaat; kendali dua kawat dengan sakelar pilih, termostat, atau pelampung menyalakan motor lagi saat tegangan pulih dan dinilai tersendiri.

Pengaman hubung pendek motor

GPHP harus membiarkan motor terasut, tetapi memutus hubung pendek sebelum kabel, kontaktor, dan relai rusak (5100.5.5.2). Arus asut nilai efektif beberapa kali arus pengenal, dan puncak siklus pertamanya dapat mendekati dua kali puncak sinus simetris karena komponen searah sementara. Karena itu ambang magnetik yang dipilih editor paling sedikit dua kali arus rotor terkunci nilai efektif:

$$\frac{I_\text{i}}{I_\text{l}} \geq 2$$

dengan $I_\text{i}$ ambang pelepasan seketika (magnetik) pada batas bawah toleransinya (A, nilai efektif) dan $I_\text{l}$ arus rotor terkunci. Angka 2 adalah aturan editor dari faktor puncak itu, bukan klausul standar. IEC 60898-1 menetapkan pelepasan seketika MCB kurva B pada 3–5, kurva C pada 5–10, dan kurva D pada 10–20 kali arus pengenal. Kurva C dengan arus pengenal dekat arus motor hampir pasti trip saat asut langsung.

PUIL 2020 5100.5.4.3 dan 2.2.8.3 menyatakan arus pengenal GPHP harus tidak lebih dari KHA kabel $I_\text{z}$, dengan $I_\text{z}$ sekurang-kurangnya 125 % arus pengenal motor (5100.5.3.1). Syarat ini dapat dipenuhi dengan gawai proteksi hubung pendek saja menurut PUIL 2020 432.3, yaitu pemutus sirkit berpelepas hubung pendek saja atau sekering aM, yang menurut 432.2 tidak memproteksi beban lebih, atau dengan MPCB. Dengan sekering gG atau pemutus termal-magnetik biasa, arus pengenal sering harus lebih besar dari $I_\text{z}$ supaya motor terasut. PUIL 2020 2.2.8.1 mengizinkan GPHP lebih besar dari KHA asal energi hubung pendek tetap diputus sebelum merusak konduktor dan terminasinya, dan relai beban lebih yang disetel pada $I_\text{N} < I_\text{z}$ tetap menjaga kabel dari beban lebih. Batas atasnya tidak diberi angka di PUIL 2020 yang tersedia, sehingga Tabel 5.5-2 dan 4.2.8.4 PUIL 2000 dipakai sebagai batas atas: pemutus sirkit 250 % arus beban penuh untuk motor sangkar asut langsung atau bintang-segitiga, 200 % dengan autotrafo, 150 % untuk rotor belit, dan sekering 400 % untuk semua jenis (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan).

Contoh PUIL 2020 5100.5.6 yang perlu dikoreksi. Contoh tiga motor (42 A, 54 A, 68 A) memilih kabel sirkit utama berkemampuan 244 A untuk kebutuhan 249 A, sehingga ukuran berikutnya harus diambil. Contoh yang sama mengambil proteksi sirkit cabang 160 A tanpa alasan, padahal jumlah arus beban penuh ketiga motor 164 A (KHA minimumnya 181 A, kabel terpilih 202 A), dan batas "≤ 200 A" yang ditulisnya melampaui $100 + 42 + 54 = 196$ A menurut 5100.5.6.1. Nilai 160 A hanya dapat dibenarkan dengan kebutuhan maksimum Tabel 2.3-2, 129,5 A, yang menurut 2.2.8.1 menjadi batas bawah arus pengenal gawai, tetapi hal itu tidak disebut; proteksi utama 200 A untuk jumlah arus 232 A mempunyai kejanggalan yang sama. Klausul 5100.5.6.1 juga merujuk "5100.5.5.2.3", nomor sisa PUIL 2000 yang tidak ada di PUIL 2020.

Termistor, relai fasa, dan relai beban kurang

Termistor PTC di belitan. Termistor koefisien suhu positif (positive temperature coefficient, PTC) ditanam satu per fasa di kepala belitan dan disambung seri. Resistansinya kecil pada suhu normal dan naik tajam di sekitar suhu tanggap nominalnya, sehingga unit kendali memutus kontaktor. Unit kendali itu diatur IEC 60947-8:2021. Satu lembar data yang dicek editor menyebut resistansi seri dingin paling tinggi 750 Ω, trip pada 2,83 kΩ, pulih pada 1,1 kΩ, dan deteksi hubung singkat kabel sensor pada 12 Ω. Termistor melihat penyebab yang tidak terlihat oleh arus: sirip tertutup serat, kipas rusak, suhu ruang tinggi, dan asut terlalu sering.

IEC 60034-11:2020 membedakan beban lebih lambat, yang suhunya dapat diikuti sensor tanpa tertinggal berarti, dari beban lebih cepat seperti rotor terkunci. Untuk kelas termal 155 (F), batas suhu belitan pada beban lebih lambat 170 °C, sedangkan pada beban lebih cepat 250 °C, dengan catatan bahwa belitan dapat rusak permanen pada batas kedua. Sensor di stator tertinggal saat rotor terkunci dan tidak melihat batang rotor. Karena itu termistor melengkapi relai beban lebih dan tidak menggantikannya.

Relai fasa. Relai pemantau fasa mengukur tegangan suplai, bukan arus motor. Fungsinya memutus atau mencegah asut bila urutan fasa terbalik, satu fasa hilang, tegangan tidak seimbang melampaui ambang, atau tegangan terlalu rendah atau tinggi. Urutan fasa penting bagi mesin yang rusak bila berputar terbalik. Relai fasa melihat fasa hilang di hulunya sebelum motor diasut, tetapi tidak melihat konduktor yang putus di hilirnya. Selama motor berputar, belitannya dapat membangkitkan kembali tegangan pada fasa yang hilang, sehingga relai yang hanya membaca besar tegangan dapat terkecoh; relai yang juga mengukur ketidakseimbangan lebih peka (lihat juga bab relai waktu dan relai fungsi).

Fasa hilang pada motor segitiga. Bila satu konduktor saluran putus saat motor segitiga berjalan, belitan di antara dua saluran yang tersisa mengalirkan kira-kira dua pertiga arus saluran, dan dua belitan lainnya sepertiga (pendekatan impedansi belitan sama). Arus pengenal belitan hanya 0,58 kali arus saluran pengenal, sehingga pada beban sedang arus saluran dapat berada di bawah setelan relai, sementara satu belitan sudah melampaui arus pengenalnya. Inilah alasan kepekaan fasa hilang dan termistor.

Relai beban kurang. Pompa yang berjalan kering kehilangan beban hidrolik, sehingga arusnya turun dan perapat porosnya panas. Arus motor induksi pada beban kecil didominasi arus magnetisasi, sehingga selisih arus antara pompa kering dan poros tanpa beban sangat kecil. Relai yang mengukur daya aktif atau faktor daya membedakan keadaan itu lebih tegas daripada relai arus.

Koordinasi tipe 1 dan tipe 2

Kontaktor dan relai beban lebih harus bertahan saat GPHP di hulunya memutus hubung pendek. IEC 60947-4-1 mengenal dua tingkat koordinasi. Pada tipe 1, starter tidak boleh membahayakan orang atau instalasi, tetapi boleh rusak dan perlu diperbaiki atau diganti sebelum dipakai lagi. Pada tipe 2, starter juga tidak membahayakan dan tetap dapat dipakai; kontak boleh sedikit melekat asal mudah dipisahkan, dan karakteristik relai tidak berubah. Koordinasi hanya dibuktikan oleh uji pabrikan untuk kombinasi tertentu, sehingga GPHP, kontaktor, dan relai dipilih dari tabel koordinasi pabrikan yang sama untuk arus hubung pendek prospektif di titik itu. Tipe 2 layak untuk mesin yang harus segera beroperasi lagi.

Contoh kerja: proteksi lengkap motor drum ekstraksi 11 kW

Soal. Motor ekstraksi dari bab memilih motor untuk beban: 11 kW, empat kutub, 1.470 rpm; waktu asut langsung dengan muatan seprai 8,7 s dan dengan selimut 10,6 s. Data ilustrasi tambahan: pelat nama 400/690 V Δ/Y, $I_\text{N} = 21{,}0$ A pada 400 V Δ, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7{,}0$, dan waktu tahan rotor terkunci dari keadaan panas $t_\text{tahan} = 16$ s. Susun proteksinya, lalu periksa varian bintang-segitiga.

Langkah 1: setelan. Pada asut langsung relai dipasang di jalur saluran, sehingga $I_\text{r} = 21{,}0$ A. Relai dengan rentang 17–25 A dipilih agar setelan berada di tengah rentang; batas atasnya $25/21{,}0 = 1{,}19$ kali arus motor, memenuhi tafsir arus pengenal gawai ≥ 110–115 %.

Langkah 2: kelas trip. $I_\text{l} = 7{,}0 \times 21{,}0 = 147$ A, yaitu 7,0 kali setelan, hampir sama dengan titik uji 7,2 kali. Kelas 10 gugur: batas atasnya 10 s lebih pendek dari 10,6 s, dan batas bawahnya 4 s jauh di bawah 8,7 s. Kelas 20 (6–20 s) menjadi calon. Dengan cadangan 20 % pilihan editor di atas asut terlama, syarat dua sisi menjadi

$$1{,}2 \times 10{,}6 = 12{,}7\ \text{s} \leq t_\text{trip}(147\ \text{A}) \leq 16\ \text{s}$$

Kurva relai kelas 20 yang dipilih harus berada di jendela sempit ini pada keadaan panas, termasuk pita toleransinya. Pilihan yang dapat dipertahankan adalah relai elektronik yang kurva kelas 20-nya dapat dipilih dengan toleransi sempit; fungsi rotor terkunci pada banyak relai baru aktif setelah asut selesai, sehingga macet saat asut tetap ditangani kurva termal. Termistor di belitan ditambahkan untuk asut berulang dan pendinginan yang buruk. Jendela sempit juga tanda bahwa asut langsung beban ini berada di batas kemampuan motor: panas rotornya 110–133 kJ per asut, dan sekitar seperenam belasnya dengan VFD. Perbaikan akarnya adalah cara asut, yang dibandingkan pada bab metode pengasutan motor.

Langkah 3: kabel. Menurut 5100.5.3.1, KHA kabel sirkit akhir motor tunggal sekurang-kurangnya

$$I_\text{z} \geq 1{,}25 \times 21{,}0 = 26{,}25\ \text{A}$$

setelah faktor koreksi suhu dan pengelompokan metode pemasangannya. Ukurannya diambil dari tabel KHA dan diperiksa terhadap susut tegangan. Relai yang disetel 21,0 A lebih kecil dari $I_\text{z}$, sehingga kabel juga terlindung dari beban lebih.

Langkah 4: pengaman hubung pendek. MPCB standar kelas 10A terlalu cepat untuk asut 8,7–10,6 s. Pilihannya pemutus sirkit berpelepas magnetik saja 25 A atau sekering aM 25 A, keduanya tidak lebih dari $I_\text{z}$ sesuai 5100.5.4.3. Bila katalog menulis ambang magnetik 13 kali arus pengenal sebagai nilai paling tinggi, $13 \times 25 = 325$ A dan $325/147 = 2{,}2$ adalah kasus terbaik; aturan ≥ 2 diperiksa dengan batas bawah toleransi ambang dari lembar data, sama seperti MCB dinilai dari batas bawah kurvanya. Arus asut 147 A adalah 5,9 kali 25 A, di daerah tempat sekering aM boleh melebur dalam kurang dari 60 s, sehingga ukuran aM untuk asut 10,6 s yang berulang ditentukan dari kurva dan tabel jumlah asut pabrikan; ukuran berikutnya, di atas $I_\text{z}$, diizinkan 2.2.8.1 selama hubung pendek tetap diputus sebelum merusak kabel. Batas atas cadangan, $2{,}5 \times 21{,}0 = 52{,}5$ A untuk pemutus dan $4 \times 21{,}0 = 84$ A untuk sekering, tidak terlampaui (PUIL 2000, sebagai rujukan cadangan). Kemampuan pemutusan harus melampaui arus hubung pendek prospektif di PHB, dan kombinasi GPHP, kontaktor AC-3, serta relai diambil dari tabel koordinasi tipe 2 pabrikan.

Langkah 5: varian bintang-segitiga. Motor 400/690 V Δ/Y dapat diasut bintang-segitiga pada jaringan 400 V. Relai di jalur belitan disetel

$$I_\text{r} = \frac{21{,}0}{\sqrt{3}} = 12{,}1\ \text{A}$$

Kabel antara starter dan motor terdiri atas dua set tiga konduktor, masing-masing membawa arus belitan. KHA minimum menurut 2.6.4.1 b) juga $21{,}0/\sqrt{3} = 12{,}1$ A. Editor menganjurkan faktor 125 % ikut diterapkan pada arus belitan, sehingga $1{,}25 \times 12{,}1 = 15{,}2$ A; anjuran ini derivasi editor, bukan klausul PUIL. Pada tahap bintang, arus saluran sama dengan arus belitan, yaitu sepertiga arus asut langsung, $147/3 = 49$ A, atau 4,0 kali setelan. Torsinya juga tinggal sepertiga, sehingga drum berinersia besar dapat tertahan pada kecepatan rendah.

Kesimpulan. Proteksi asut langsung: GPHP magnetik 25 A atau aM menurut kurva pabrikan, kontaktor AC-3, relai elektronik kelas 20 bertoleransi sempit disetel 21,0 A, termistor PTC, dan relai fasa di hulu. Tidak satu pun setelan di atas 21,0 A.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai ketentuan dan data lembar data yang sudah dikutip bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Semua arus diukur personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: pompa air panas yang menarik arus lebih. Relai beban lebih pompa sirkulasi air panas hotel disetel 10,0 A, sama dengan arus pelat nama (angka latihan). Tiga arus terukur, juga angka latihan, dibandingkan dengan batas IEC 60947-4-1:

$$\frac{10{,}4}{10{,}0} = 1{,}04, \qquad \frac{11{,}5}{10{,}0} = 1{,}15, \qquad \frac{12{,}5}{10{,}0} = 1{,}25$$

Pada 1,04 kali, relai yang sehat tidak memutus. Pada 1,15 kali, relai berada di daerah ragu: ambang katalog 1,14 ± 0,06 berarti 10,8 sampai 12,0 A, sehingga trip dapat datang setelah puluhan menit atau tidak sama sekali. Pada 1,25 kali, relai harus memutus dalam dua jam. Keadaan kedua tidak diselesaikan dengan menaikkan setelan; penyebab arus lebih, misalnya bantalan atau impeler, dicari lebih dulu (kondisi berhenti 1).

Contoh 2: fasa hilang pada motor segitiga. Motor segitiga kipas buang dapur hotel berarus pelat nama 15,2 A, dan relainya disetel 15,2 A tanpa kepekaan fasa hilang (angka latihan). Satu konduktor saluran putus saat motor berjalan, dan dua arus saluran yang tersisa terbaca 16,0 A.

$$I_\text{belitan} \approx \tfrac{2}{3} \times 16{,}0 = 10{,}7\ \text{A}, \qquad \frac{I_\text{N}}{\sqrt{3}} = \frac{15{,}2}{\sqrt{3}} = 8{,}78\ \text{A}$$

Belitan terberat bekerja pada 1,22 kali arus pengenalnya, sedangkan relai hanya melihat $16{,}0/15{,}2 = 1{,}05$ kali setelan, tepat di batas tidak memutus. Motor dapat terus berjalan dengan satu belitan kepanasan. Keadaan ini ditangkap relai peka fasa hilang, relai elektronik dengan ambang ketidakseimbangan, atau termistor.

Contoh 3: membaca termistor PTC kipas buang. Unit termistor kipas yang sama memutus kontaktor walaupun arusnya normal. Resistansi seri tiga termistor dibaca dalam keadaan bebas tegangan (angka latihan) dan dibandingkan dengan lembar data unit yang dikutip bab ini: dingin paling tinggi 750 Ω, trip 2,83 kΩ, pulih 1,1 kΩ, hubung singkat 12 Ω. Bacaan 3,4 kΩ sesaat setelah trip berarti belitan memang panas; sirip yang tertutup lemak dibersihkan, dan unit baru dapat di-reset setelah resistansi turun di bawah 1,1 kΩ. Setelah dingin terbaca $3 \times 150 = 450\ \Omega \le 750\ \Omega$, jadi sensor normal. Bacaan 8 Ω, di bawah 12 Ω, menandakan kabel sensor terhubung singkat: termistor dianggap tidak bekerja (kondisi berhenti 5).

Contoh 4: kelas trip kipas AHU rumah sakit. Kipas AHU berinersia besar di rumah sakit terasut langsung dalam 7,5 s, dan waktu tahan rotor terkunci motornya dari keadaan panas 18 s (angka latihan). Dengan cadangan 20 % seperti contoh kerja,

$$1{,}2 \times 7{,}5 = 9{,}0\ \text{s} \leq t_\text{trip}(I_\text{l}) \leq 18\ \text{s}$$

Kelas 10A dan 10 tidak dipilih: batas bawahnya 2 s dan 4 s, sehingga relai yang memenuhi kelas itu dapat memutus kipas yang sedang asut normal. Kelas 30 aman saat asut (batas bawah 9 s), tetapi batas atasnya, 30 s, melampaui 18 s. Kelas 20 (6 sampai 20 s) melampaui jendela di kedua sisi. Tidak satu pun pita kelas menjamin jendela ini; yang menentukan adalah kurva relai yang dipilih, dibaca pada arus rotor terkunci kipas itu dari keadaan panas, termasuk toleransinya.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan jangan menjalankan mesin lagi bila salah satu keadaan berikut ditemui.

1. Relai beban lebih trip berulang: setelan tidak dinaikkan melewati arus pelat nama sebelum arus ketiga fasa diukur oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dan sebelum penyebabnya ditemukan. Penelusurannya ada di bab kerusakan dan uji motor.
2. Relai, termistor, atau relai fasa ditemukan dijembatani, dilepas dari sirkit koil, atau diset ke nilai maksimum rentangnya: mesin tidak dioperasikan sampai pelindung dipulihkan dan diuji.
3. GPHP trip saat asut atau saat bekerja: jangan diganti dengan ukuran lebih besar dan jangan dinyalakan ulang berkali-kali sebelum kabel dan motor diperiksa dalam keadaan bebas tegangan yang terverifikasi, seperti diatur Bab 2 · Keselamatan.
4. Motor yang terkunci atau fasa hilang pernah bekerja sampai pelindung memutus: resistansi isolasi dan belitan diperiksa lebih dulu, karena energi panasnya mungkin sudah merusak isolasi.
5. Unit termistor menunjukkan sensor terbuka atau hubung singkat: termistor dianggap tidak bekerja, bukan dianggap aman.
6. Relai beban lebih ditemukan pada posisi reset otomatis di mesin yang dapat bergerak sendiri saat relai pulih, misalnya drum dengan kendali dua kawat: mesin tidak dioperasikan sampai reset dikembalikan ke manual dan urutan start diverifikasi (PUIL 2020 5100.5.4.8).

Salah tafsir yang sering terjadi

"Setelan relai = arus nominal ditambah 10 %." Sebuah buku ajar kontrol elektromekanik menghitung arus motor dari daya tanpa efisiensi, lalu menambahkan 10 %. Arus diambil dari pelat nama, dan relai sudah memberi kelonggaran 5–20 % sendiri.

"Setelan relai disamakan dengan MCB." Buku yang sama menyetel relai sama dengan MCB 63 A untuk motor 29 A, dan menghitung batas maksimum MCB $2{,}5 \times 29$ sebagai 75,5 A, padahal hasilnya 72,5 A. Relai 63 A tidak pernah melihat beban lebih pada motor 29 A.

"Relai beban lebih memutus sirkit daya." Kontak utama relai hanya dilewati arus; yang memutus adalah kontaktor setelah kontak 95-96 membuka sirkit koil.

"Relai beban lebih melindungi dari hubung singkat." Sebuah buku ajar instalasi motor mendaftar hubung singkat di antara penyebab beban lebih yang ditangani relai. Relai beban lebih memerlukan GPHP (5100.5.4.6). Kunci soal buku yang sama juga memilih MCB 10 A untuk motor 29 A dan memasang relai "paralel" dengan motor, dan bukunya menulis MCB kurva D trip pada 8–12 kali arus pengenal, padahal IEC 60898-1 menetapkan 10–20 kali.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya: bab motor induksi tiga fasa, data motor lanjutan, memilih motor untuk beban, tang ampere, sistem tiga fasa, perbaikan faktor daya, komponen kendali, Bab 52, dan Bab 1 · Keselamatan. Sisi kabel dan pengaman hulu dibahas pada bab proteksi arus lebih, arus hubung pendek, dan selektivitas instalasi. Lanjutannya: bab relai waktu dan relai fungsi, bab metode pengasutan motor, dan bab diagnosis kendali motor. Di rak Laundry, bab washer-extractor memberi konteks drum.

Latihan dan pembahasan

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

1. Motor 7,5 kW berpelat 15,2 A pada 400 V Δ. Tentukan setelan relai untuk asut langsung dan untuk bintang-segitiga dengan relai di jalur belitan. Seorang teknisi menyetel 17,5 A dengan alasan PUIL 2020 menyebut 115 %. Nilailah alasannya.
2. Pompa sentrifugal terasut dalam 3 s, sedangkan konveyor berat terasut dalam 12 s. Waktu tahan rotor terkunci keduanya 18 s dari keadaan panas. Pilih kelas trip yang layak untuk masing-masing dan jelaskan mengapa kelas saja belum cukup.
3. Motor segitiga $I_\text{N} = 18$ A berjalan pada beban sedang ketika satu konduktor saluran putus. Dua arus saluran yang tersisa menjadi 17 A. Hitung arus belitan terberat dan bandingkan dengan arus pengenal belitan. Apakah relai tanpa kepekaan fasa hilang yang disetel 18 A akan bereaksi, dan pelindung apa yang menangkap keadaan ini?
4. Motor 4 kW, $I_\text{N} = 8{,}2$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7{,}5$. Bandingkan tiga pengaman hubung pendek dengan aturan $I_\text{i}/I_\text{l} \geq 2$: MCB kurva C 10 A, MCB kurva D 10 A, dan MPCB rentang 6,3–10 A yang ambang magnetiknya, pada batas bawah toleransinya, 13 kali 10 A.
5. Contoh PUIL 2020 5100.5.6 menghitung GPAL motor 42 A sebagai $1{,}15 \times 42 = 48{,}3$ A, "diambil 50 A". Jelaskan mengapa angka 50 A lebih masuk akal dibaca sebagai ukuran gawai daripada setelan, dan setelan berapa yang benar.
6. Motor pompa 5,5 kW ($I_\text{N} = 10{,}8$ A). Pada operasi normal ia menarik 8,9 A dan 4,8 kW, saat pompa kering 5,3 A dan 1,1 kW, dan dengan poros lepas 5,0 A dan 0,35 kW. Hitung perubahan relatif arus dan daya saat pompa kering, lalu pilih besaran untuk relai beban kurang.

Kunci jawaban beralasan

1. Asut langsung: $I_\text{r} = 15{,}2$ A. Bintang-segitiga: $I_\text{r} = 15{,}2/\sqrt{3} = 8{,}8$ A. Setelan 17,5 A adalah 1,15 kali arus pelat nama; ditambah ambang relai sekitar 1,1–1,2 kali, motor dapat bekerja pada sekitar 1,3 kali arus pengenal tanpa diputus. Menurut tafsir bab ini (keyakinan sedang), "sekurang-kurangnya" pada 5100.5.4.3 adalah batas bawah arus pengenal gawai, dan catatan Gambar 5100.5.2 meminta setelan dekat arus pengenal motor, sehingga alasannya lemah.
2. Pompa: kelas 10 cukup, karena batas bawahnya, 4 s, di atas $1{,}2 \times 3 = 3{,}6$ s dan batas atasnya, 10 s, di bawah 18 s; kelas 10A (batas bawah 2 s) perlu dicek kurvanya. Konveyor: 12 s melampaui batas atas kelas 10, sehingga dipilih kelas 20 atau 30; batas atas keduanya, 20 s dan 30 s, melampaui 18 s. Kurva relai yang dipilih harus berada di antara $1{,}2 \times 12 = 14{,}4$ s dan 18 s pada keadaan panas, atau dipakai relai elektronik dengan kurva bertoleransi sempit.
3. Arus belitan terberat $\tfrac{2}{3} \times 17 = 11{,}3$ A. Arus pengenal belitan $18/\sqrt{3} = 10{,}4$ A, sehingga belitan itu bekerja pada 1,09 kali pengenalnya. Relai tanpa kepekaan fasa hilang melihat $17/18 = 0{,}94$ kali setelan dan tidak bereaksi. Relai termal peka fasa hilang mempercepat trip, tetapi pada 0,94 kali setelan reaksinya bergantung pada produk. Yang lebih pasti menangkapnya adalah relai elektronik dengan ambang ketidakseimbangan dan termistor di belitan. Relai fasa hanya menangkapnya bila putusnya di hulu relai itu, dan dapat terkecoh tegangan yang dibangkitkan motor.
4. $I_\text{l} = 7{,}5 \times 8{,}2 = 61{,}5$ A. Kurva C 10 A: pelepasan seketika 50–100 A, batas bawahnya di bawah arus asut, sehingga dapat trip saat asut; ditolak. Kurva D 10 A: 100–200 A, rasio batas bawah $100/61{,}5 = 1{,}6$, di bawah aturan editor 2 karena puncak siklus pertama; berisiko. MPCB: $130/61{,}5 = 2{,}1$, memenuhi, dan pelepas termalnya disetel 8,2 A.
5. Menurut tafsir bab ini, "sekurang-kurangnya" hanya bermakna untuk ukuran gawai, karena setelan yang naik mengurangi perlindungan; 50 A adalah ukuran standar di atas 48,3 A, dan catatan gambar contoh itu meminta setelan dekat arus pengenal motor. Motor 42 A itu diasut bintang-segitiga. Dengan relai di jalur belitan seperti lazimnya, setelannya $42/\sqrt{3} = 24{,}2$ A, dan batas atas rentangnya sekurang-kurangnya $1{,}15 \times 24{,}2 = 27{,}9$ A; hanya bila relai di jalur suplai setelannya 42 A, dengan perlindungan belitan yang lemah pada tahap bintang.
6. Arus turun $(8{,}9 - 5{,}3)/8{,}9 = 40$ %, daya turun $(4{,}8 - 1{,}1)/4{,}8 = 77$ %. Selisih arus antara pompa kering dan poros lepas hanya $(5{,}3 - 5{,}0)/5{,}3 = 6$ %, sedangkan arus magnetisasi berubah bersama tegangan suplai, sehingga ambang arus mudah salah. Dipilih relai daya aktif atau faktor daya, misalnya ambang di antara 1,1 kW dan 4,8 kW dengan tunda waktu agar tidak trip saat asut.

Referensi