Relai waktu dan relai fungsi

Relai waktu pengatur jeda pembalikan pada sebuah washer-extractor lama di laundry kiloan rusak, lalu diganti dengan relai waktu multifungsi baru. Teknisi memutar kenop ke angka relai lama dan memilih fungsi yang namanya paling mirip. Sejak itu drum membalik arah dengan hentakan, sabuk berdecit, dan kontak kontaktor pembalik cepat menghitam. Relai baru itu tidak rusak: skalanya berbeda, fungsi yang dipilih ternyata tunda-lepas, dan tidak ada yang pernah menghitung berapa lama drum perlu untuk berhenti. Yang seharusnya diputuskan adalah fungsi waktu, lama waktu, ketelitian relai, dan terminal yang dipakai.

Bab 2 memperkenalkan relai sebagai sakelar sinyal dan menyebut pewaktu sebagai salah satu unsur logika kendali. Bab komponen kendali membahas kontaktor dan relai bantu yang kontaknya berubah seketika ketika koil dienergi. Relai waktu dan relai fungsi menambahkan syarat pada perubahan kontak: waktu yang harus berlalu, atau besaran yang harus melewati batas. Bab 52 sudah mengingatkan bahwa pewaktu yang selesai tidak membuktikan peralihan berhasil; uraian berikut menjelaskan cara kerja pewaktu, diagram waktunya, dan cara memilih angkanya. Buku ajar di korpus mendefinisikan tunda-nyala dan tunda-lepas secara keliru dan saling bertentangan soal nomor kaki.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada relai waktu dan relai pemantau untuk rangkaian kendali tegangan rendah pada mesin dan panel kecil, dengan suplai kendali 24 V sampai 230 V. Rangkaian lengkap seperti bintang-segitiga ada di Bab 52, sedangkan pembalik otomatis dibahas pada bab rangkaian kendali lanjutan; di sini rangkaian hanya dipakai untuk membaca fungsi. Setelan relai fasa dan relai beban kurang sebagai proteksi motor ada di bab proteksi motor, dan pewaktu PLC dibahas pada bab pemrograman PLC. Relai waktu dan relai fungsi adalah perangkat kendali biasa, bukan komponen keselamatan; akses ke bagian berputar dijaga kunci pintu yang dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin. Pengukuran untuk memverifikasi setelan mensyaratkan personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD.

Relai waktu: masukan, keluaran, dan waktu tertentu

IEC 61812-1:2023 (edisi 3.0) mendefinisikan relai waktu sebagai relai semua-atau-tidak-sama-sekali (all-or-nothing relay) yang mempunyai satu fungsi waktu atau lebih. Edisi ini menggantikan edisi 2011 dan mencakup juga relai kopel tanpa fungsi waktu. Standar itu membedakan tiga gerbang (port): gerbang daya tempat suplai dipasang, gerbang kendali untuk sinyal start tambahan atau potensiometer jarak jauh, dan gerbang keluaran tempat beban disambung. Sebagian fungsi dipicu oleh suplai itu sendiri, sebagian lain membutuhkan suplai tetap ditambah sinyal kendali.

Besaran yang dijanjikan relai disebut waktu tertentu (specified time), misalnya waktu tunda operasi, waktu tunda lepas, lebar pulsa, atau lama interval. Waktu pemulihan (recovery time) adalah selang minimum suplai harus dilepas, atau sinyal kendali diubah, sebelum fungsi dapat dijalankan lagi dengan benar. Waktu impuls kendali minimum adalah durasi terpendek suplai atau sinyal kendali agar fungsi terpenuhi. Kedip yang lebih singkat dari waktu pemulihan dapat memperpendek siklus berikutnya.

Fungsi waktu dan diagram waktu

Diagram waktu menggambar keadaan masukan dan keluaran terhadap sumbu waktu yang sama. Garis atas berarti suplai atau sinyal ada, atau kontak penutup (NO) terhubung; kontak pembuka (NC) pada kontak tukar (changeover) selalu berkebalikan dengan kontak penutupnya. IEC 61812-1:2023 menggambar lebih dari sepuluh fungsi, antara lain tunda-nyala, tunda-lepas, flasher, bintang-segitiga, penjumlahan waktu, pulsa tertunda, dan interval. Diagram berikut memuat yang paling sering dipakai di panel mesin.

Tunda-nyala (on-delay). Waktu mulai dihitung ketika suplai dipasang. Setelah waktu setelan $t$ berlalu, kontak berpindah: kontak penutup menutup dan kontak pembuka membuka. Kontak kembali seketika saat suplai dilepas; bila suplai hilang sebelum $t$, kontak tidak berpindah dan hitungan kembali ke nol. Contohnya waktu bintang dan penundaan start pompa kedua supaya arus asut tidak bertumpuk.

Tunda-lepas dengan sinyal kendali. Suplai terpasang tetap, dan waktu dikendalikan sinyal di gerbang kendali. Kontak berpindah seketika saat sinyal datang, bertahan selama sinyal ada, lalu kembali setelah $t$ sejak sinyal hilang. Satu lembar data yang dicek editor menyatakan bahwa suplai fungsi ini dipasang permanen. Bila suplainyalah yang diputus, relai tidak menunda apa pun.

Tunda-lepas tanpa suplai bantu. Jenis ini, dalam katalog sering disebut true off-delay, menyimpan energi sehingga dapat menunda setelah suplainya sendiri hilang. IEC 61812-1 menggambarkannya sebagai fungsi tunda-lepas oleh suplai. Energi tersimpannya terbatas, sehingga ada syarat waktu energi minimum dan batas atas waktu tunda. Satu lembar data yang dicek editor mensyaratkan suplai minimal 200 ms sebelum fungsi bekerja benar, dengan rentang tunda sampai 30 s.

Interval. Kontak berpindah seketika saat suplai dipasang dan kembali setelah $t$, walaupun suplai masih ada. Fungsi ini membatasi lama suatu aksi, misalnya batas waktu cadangan katup isi air bila sakelar level gagal. Varian yang dapat dipicu ulang memulai hitungan dari nol setiap kali sinyal datang lagi.

Flasher simetris dan asimetris. Kontak berpindah bolak-balik selama suplai ada. Pada flasher simetris, waktu hubung dan waktu putus sama; pada flasher asimetris keduanya disetel terpisah. Katalog membedakan juga siklus yang dimulai dengan pulsa atau dengan jeda.

Relai bintang-segitiga. Relai khusus ini mempunyai dua keluaran. Keluaran bintang menutup seketika saat suplai dipasang dan membuka setelah waktu bintang $t_\text{Y}$; keluaran segitiga baru menutup setelah jeda peralihan $t_\text{p}$ yang pendek dan tetap. Satu katalog yang dicek editor menyebut jeda itu sekitar 60 ms. Jeda ini memberi waktu bagi busur listrik di kontaktor bintang untuk padam sebelum kontaktor segitiga menutup, tetapi cukup pendek sehingga motor hampir tidak melambat. Dua relai tunda-nyala biasa dapat meniru fungsi ini, tetapi jedanya bergantung pada ketelitian keduanya.

Membaca diagram waktu

Diagram waktu dibaca dengan empat pertanyaan. Pertama, tepi apa yang memulai hitungan: suplai datang, suplai hilang, sinyal datang, atau sinyal hilang. Kedua, keluaran berpindah pada awal atau akhir hitungan. Ketiga, apa yang terjadi bila pemicu hilang sebelum waktu habis: hitungan batal, diteruskan, atau dijumlahkan seperti pada relai penjumlahan waktu. Keempat, apa yang terjadi saat suplai padam di tengah hitungan; pada relai yang bukan jenis tanpa suplai bantu, padamnya suplai mengembalikan relai ke keadaan awal.

Pertanyaan keempat menentukan perilaku mesin setelah kedip. PUIL 2020 Bagian 4-44, 445.1.2, mengizinkan gawai proteksi tegangan kurang (istilah PUIL: voltase kurang) bekerja dengan tunda bila peranti yang diproteksi dapat menoleransi pemutusan atau hilangnya tegangan sesaat tanpa bahaya. Klausul 445.1.3 melarang tunda kontaktor menghalangi pemutusan seketika oleh gawai kendali atau proteksi, dan 445.1.5 melarang penutupan balik otomatis bila penutupan itu dapat menimbulkan bahaya. Jadi relai waktu boleh menunda pemulihan, tetapi tidak boleh menjadi alasan mesin berputar sendiri setelah listrik kembali.

Simbol kontak bertunda menurut IEC 60617 dibahas pada bab diagram kendali. Kontak digambar pada keadaan relai tidak dienergi, sehingga kontak penutup bertunda-nyala menutup terlambat dan membuka seketika.

Relai waktu elektronik, pneumatik, termal, dan motor sinkron

Mekanisme pengukur waktu menentukan rentang, ketelitian, dan kepekaan terhadap suhu.

Buku ajar mesin listrik korpus menyebut pewaktu bermotor yang memutar roda gigi dan pewaktu elektronik RC. Blok pneumatik dipasang di muka kontaktor dan terdaftar sebagai elemen penyakelar bertunda di IEC 60947-5-1. Satu lembar data blok pneumatik tunda-lepas yang dicek editor memberi rentang 0,1–30 s dengan ketelitian relatif ±10 %.

Ketelitian setelan, keterulangan, dan pengaruh

IEC 61812-1:2023 memakai tiga besaran untuk menyatakan mutu waktu. Ketelitian setelan (setting accuracy) adalah selisih antara waktu terukur dan nilai acuan yang disetel pada skala. Keterulangan (repeatability) adalah lebar rentang keyakinan dari beberapa pengukuran pada kondisi yang sama. Pengaruh besaran luar menyatakan seberapa jauh tegangan suplai atau suhu menggeser waktu di dalam rentang nominalnya. Cara hitungnya ada di Lampiran A standar itu; pembedaan bias dan sebaran ini sejalan dengan Bab 1 · Data & Pengukuran.

Perkiraan konservatif waktu terpendek menempatkan semua simpangan pada arah yang merugikan:

$$t_\text{min} = t_\text{set} - \varepsilon_\text{s}\,t_\text{acuan} - \varepsilon_\text{r}\,t_\text{set} - \varepsilon_\text{u}\,t_\text{set}$$

dengan $t_\text{set}$ waktu setelan, $\varepsilon_\text{s}$ ketelitian setelan, $\varepsilon_\text{r}$ keterulangan, dan $\varepsilon_\text{u}$ pengaruh tegangan dan suhu, semuanya sebagai bilangan desimal. $t_\text{acuan}$ adalah dasar ketelitian setelan menurut lembar data: nilai setelan itu sendiri atau nilai skala penuh rentang yang dipilih. Relai dengan rentang 0,3–30 s dan ketelitian ±5 % terhadap skala penuh dapat meleset ±1,5 s pada setelan berapa pun, sedangkan pada rentang 0,1–10 s simpangannya ±0,5 s. Karena itu setelan diletakkan di bagian atas skala, dan setelan kritis diukur setelah dipasang.

Satu lembar data relai multifungsi yang dicek editor memberi ketelitian setelan ±5 % berketerangan full range, paling wajar dibaca terhadap skala penuh, dan keterulangan 0,2–2 %; angka ini milik produk tertentu, bukan rentang umum.

Penomoran terminal dan kontak

IEC 60947-5-1 memuat aturan penandaan terminal perangkat kendali dalam lampiran normatifnya (Lampiran M pada edisi 2016), dengan digit fungsi dan digit urutan. Bab komponen kendali membahas bentuk dasarnya: angka satuan 1-2 untuk kontak pembuka, 3-4 untuk kontak penutup, dan 5-6 serta 7-8 untuk kontak pembuka dan penutup dengan fungsi khusus, dengan angka puluhan sebagai nomor urut. Kontak bertunda adalah pemakai utama angka fungsi khusus itu. Blok pneumatik yang disebut di atas bertanda 57-58 dan 65-66; menurut aturan angka fungsi, 57-58 adalah kontak penutup bertunda dan 65-66 kontak pembuka bertunda, walaupun lembar datanya sendiri tidak menuliskan pemetaan itu.

Relai waktu rel DIN memakai angka yang sama untuk kontak tukar bertunda. Kontak tukar seketika di bab komponen kendali bertanda 11-12-14 (1 bersama, 2 sisi pembuka, 4 sisi penutup). Dibaca dengan aturan angka fungsi khusus, versi bertundanya menjadi 15-16-18: 15 kontak bersama, 16 sisi pembuka, dan 18 sisi penutup, lalu 25-26-28 untuk kutub kedua. Pembacaan ini didukung lembar data yang dicek editor, belum dari teks standar. Terminal suplai bertanda A1-A2. Banyak relai memakai B1 sebagai masukan sinyal kendali dan Z1-Z2 untuk potensiometer jarak jauh, tetapi tanda ini tidak seragam: satu lembar data yang dicek editor memakai A1-B1 sebagai terminal suplai 24 V, bukan sinyal kendali. Kode huruf fungsi juga berbeda antarpabrikan; satu katalog menulis tunda-nyala sebagai "AI", katalog lain "E".

Relai waktu bersoket bulat delapan kaki (octal) tidak mempunyai penomoran kaki yang seragam. Buku ajar mesin listrik korpus memberi koil 2-7, kontak penutup 1-3 dan 8-6, kontak pembuka 1-4 dan 8-5. Buku ajar instalasi motor menyebut 3 sebagai kontak pembuka dan 4 sebagai kontak penutup, lalu pada rangkaian bintang-segitiga di halaman lain memakai kebalikannya, sedangkan buku ajar sistem kontrol menguji terminal suplai 2-7 seolah berlaku untuk semua relai. Kedua susunan ada di pasar, sehingga yang menentukan adalah diagram pada badan relai atau soketnya, yang diperiksa dengan ohmmeter pada relai yang dilepas dari suplai: kontak pembuka terbaca terhubung dan kontak penutup terbaca terbuka.

Relai fungsi: mengukur, membandingkan, menunda

Relai fungsi, dalam katalog disebut relai pemantau atau relai ukur, mengukur satu besaran, membandingkannya dengan ambang, lalu mengubah kontak keluaran setelah tunda. Unsurnya ambang, histeresis agar kontak tidak bergetar di sekitar ambang, dan tunda agar gangguan sesaat diabaikan. Banyak relai jenis ini memakai prinsip arus tenang: relai keluaran dienergi selama keadaan normal dan lepas saat gangguan atau saat suplainya hilang, sehingga suplai yang putus terlihat sebagai gangguan; dua lembar data yang dicek editor menyatakannya.

Pemantau urutan fasa dan kehilangan fasa. Relai ini memeriksa urutan L1-L2-L3 dan keberadaan ketiga fasa. Urutan fasa dan arah putar dijelaskan di bab sistem tiga fasa, dan penguji urutan fasa sesaat di bab tang ampere. Relai memantau terus, sehingga cocok sebagai syarat izin start. Batas dan setelannya sebagai proteksi ada di bab proteksi motor.

Pemantau tegangan. Relai ini memutus izin kerja bila tegangan keluar dari ambangnya. Satu lembar data pemantau tiga fasa yang dicek editor memberi ambang tegangan lebih dan kurang yang dapat disetel, histeresis tetap 5 %, tunda 0,1–30 s yang dapat dipilih sebagai tunda-nyala atau tunda-lepas, dan pengukuran nilai efektif sejati. Tunda pemutusan melayani PUIL 2020 445.1.2: simpangan tegangan singkat tidak perlu menghentikan mesin yang tahan terhadapnya. Tunda ini hanya berlaku bagi kontak relai pemantau; kedip yang lebih dalam dari tegangan lepas koil tetap melepas kontaktor seketika. Kontak relai dipasang seri dengan tombol STOP di jalur koil yang ditahan kontak penahan diri, sehingga saat tegangan pulih mesin menunggu perintah start baru sesuai 445.1.5.

Relai level cairan dengan elektrode. Relai ini mengukur resistansi antara elektrode yang tercelup dan elektrode acuan atau dinding tangki logam. Tegangan elektrodenya bolak-balik dan kecil agar tidak terjadi elektrolisis dan polarisasi; satu katalog yang dicek editor memakai 4 V AC pada 0,2 mA dengan kepekaan 5–150 kΩ yang dapat disetel. Tiga elektrode membentuk histeresis: elektrode maksimum, elektrode minimum, dan elektrode bersama. Pada mode isi, keluaran menyala saat cairan di bawah elektrode minimum dan padam saat menyentuh elektrode maksimum; mode kuras kebalikannya. Tunda 0,5 s atau 7 s yang dipilih pada katalog yang sama mencegah ombak di permukaan memicu keluaran. Konduktivitas air hasil osmosis balik dapat terlalu rendah untuk kepekaan relai. Level di bak washer-extractor umumnya diukur sensor tekanan; relai elektrode lebih lazim di tangki air panas dan bak penampung.

Pemantau beban kurang. Alasan pompa kering lebih baik dideteksi dari daya aktif atau faktor daya daripada dari arus sudah dibahas di bab proteksi motor. Yang ditambahkan relai fungsi adalah dua unsur waktu: tunda jembatan start, karena faktor daya selama asut rendah dan akan terbaca sebagai beban kurang, dan tunda pemutusan untuk mengabaikan gelembung udara sesaat. Satu lembar data pemantau jenis ini mengukur pergeseran fasa tegangan-arus dan menyediakan tunda operasi yang dapat disetel. Penggabungannya dengan sakelar level dibahas pada bab kendali pompa, pemanas, dan proses.

Contoh kerja 1: jeda pembalikan drum cuci

Soal. Drum washer-extractor lama digerakkan motor cuci empat kutub 1.410 rpm melalui transmisi dengan perbandingan $i = 30$, sehingga drum berputar 47 rpm. Pola cuci kanan 12 s, berhenti, kiri 12 s, berhenti, dengan dua kontaktor pembalik. Tentukan fungsi, waktu setelan, dan rentang relai jeda. Data mesin adalah ilustrasi.

Data ilustrasi. Inersia rotor motor $J_\text{m} = 0{,}004$ kg·m². Inersia drum, air, dan linen dilihat dari poros drum 30 kg·m² pada muatan penuh dan 18 kg·m² pada muatan ringan. Torsi hambat rata-rata saat berhenti bebas, dari gesekan, sabuk, dan linen yang terangkat, 60 N·m pada muatan penuh dan 30 N·m pada muatan ringan. Waktu lepas kontaktor ditambah padamnya busur diambil 50 ms sebagai batas atas ilustrasi. Relai: ketelitian setelan ±5 % terhadap nilai setelan dan keterulangan 1 %.

Langkah 1: mengapa jeda diperlukan. Bila arah dibalik saat drum masih berputar, motor melakukan pengereman arus balik (plugging): medan berputar ke arah baru sementara rotor masih berputar ke arah lama, sehingga slip mulai dari 2. Penurunan yang sama dengan panas rotor asut di bab memilih motor, dengan torsi beban diabaikan, memberi $E_\text{r} = J\omega_\text{s}^2\int s\,\mathrm{d}s$; asut dari diam ($s$ dari 1 ke 0) menghasilkan $\tfrac{1}{2}J\omega_\text{s}^2$, sesuai bab itu. Pembalikan dari putaran penuh ke putaran penuh arah lain memberi

$$E_\text{r} = J_\text{total,m}\,\omega_\text{s}^2 \int_0^2 s\,\mathrm{d}s = 4 \times \tfrac{1}{2} J_\text{total,m}\,\omega_\text{s}^2$$

Inersia di poros motor $J_\text{total,m} = 0{,}004 + 30/30^2 = 0{,}0373$ kg·m², dan $\omega_\text{s} = 157{,}1$ rad/s, sehingga $\tfrac{1}{2}J\omega_\text{s}^2 = 461$ J. Pembalikan tanpa jeda membuang sekitar 1,84 kJ di rotor, empat kali panas asut dari keadaan diam, sambil menarik arus setingkat arus asut dan menyentak sabuk. Dengan jeda, energi kinetik drum habis oleh gesekan dan setiap pembalikan menjadi asut dari diam (461 J). Tanpa jeda, kontaktor bekerja pada beban plugging (kategori AC-4), sebab kontaknya menghitam.

Langkah 2: waktu henti. Dengan torsi hambat rata-rata $T_\text{h}$ dan hukum Newton gerak putar, waktu berhenti bebas dihitung di poros drum:

$$J_\text{total,d} = J_\text{beban} + J_\text{m}\,i^2 \qquad t_\text{henti} = \frac{J_\text{total,d}\,\omega_\text{d}}{T_\text{h}}$$

Kecepatan sudut drum $\omega_\text{d} = 2\pi \times 47/60 = 4{,}92$ rad/s dan $J_\text{m} i^2 = 0{,}004 \times 900 = 3{,}6$ kg·m².

Muatan ringan berhenti lebih lama karena torsi hambatnya turun lebih banyak daripada inersianya. Jeda ditentukan dari keadaan terlama, 3,54 s.

Langkah 3: memilih fungsi dari diagram waktu. Yang dibutuhkan adalah selang tanpa kontaktor arah yang dienergi, dimulai saat satu arah lepas dan berakhir saat arah lain boleh masuk. Dua fungsi memenuhi diagram itu. Pertama, flasher asimetris dengan waktu hubung 12 s sebagai izin putar dan waktu putus sebagai jeda, ditambah rangkaian pengganti arah. Kedua, relai tunda-lepas yang mengikuti kontaktor arah kanan dengan kontak pembuka bertunda di jalur koil arah kiri, dan sebaliknya: kontak itu membuka seketika saat arah kanan masuk dan menutup $t$ setelah arah kanan lepas. Tunda-nyala yang dipicu oleh arah yang sedang berjalan tidak cocok, karena hitungannya berjalan selama putaran, bukan setelah putaran berhenti. Rangkaiannya dibahas pada bab rangkaian kendali lanjutan. Pertanyaan keempat berlaku di sini: bila relai tunda-lepas biasa kehilangan suplai saat drum masih berputar, jeda batal dan kontak pembukanya segera menutup. Jenis tanpa suplai bantu dengan rentang 0,1–10 s tetap menunda setelah kedip, asalkan waktu energi minimumnya terpenuhi; pilihan lain adalah memulai urutan dari jeda setelah listrik pulih.

Langkah 4: waktu setelan. Jeda terpendek harus melebihi waktu henti terlama ditambah waktu lepas kontaktor. Dengan simpangan relai pada arah yang merugikan,

$$t_\text{set} \ge \frac{t_\text{henti,maks} + t_\text{k}}{1 - \varepsilon_\text{s} - \varepsilon_\text{r}} = \frac{3{,}54 + 0{,}05}{1 - 0{,}05 - 0{,}01} = 3{,}82\ \text{s}$$

Pengaruh tegangan dan suhu $\varepsilon_\text{u}$ tidak diberikan pada data dan dianggap nol. Model torsi hambat rata-rata itu kasar: gemuk dingin, tegangan sabuk, dan jenis linen menggeser waktu henti, sehingga setelan 5 s dipilih dengan cadangan sekitar 30 %. Pada rentang 0,1–10 s, bila ketelitiannya ternyata terhadap skala penuh, jeda terpendek $5 - 0{,}5 - 0{,}05 = 4{,}45$ s, masih di atas 3,59 s.

Langkah 5: verifikasi. Waktu henti diukur pada mesin nyata dengan muatan ringan dan penuh, dari luar mesin dengan pintu tertutup, misalnya mengamati drum melalui kaca pintu dengan pengukur waktu; setelan relai juga diukur oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD. Relai waktu hanya mengandaikan waktu henti yang sudah diukur, bukan membuktikan drum diam.

Contoh kerja 2: waktu bintang dan jeda peralihan

Soal. Kipas buang 11 kW empat kutub, 1.465 rpm, 400 V Δ, diasut bintang-segitiga dengan relai bintang-segitiga. Tentukan batas bawah dan alasan batas atas waktu bintang, serta akibat jeda peralihan yang panjang. Data ilustrasi: inersia total 1,6 kg·m²; torsi motor rata-rata saat asut langsung dari diam sampai 90 % kecepatan sinkron 2,0 kali torsi pengenal; torsi kipas sebanding kuadrat kecepatan dan bernilai 0,9 kali torsi pengenal pada 1.465 rpm; relai dengan ketelitian ±5 %.

Langkah 1: torsi selama bintang. $T_\text{N} = 9\,550 \times 11/1\,465 = 71{,}7$ N·m. Tegangan belitan pada hubungan bintang $1/\sqrt{3}$ kali, sehingga torsi motor sepertiga, seperti dibahas di bab memilih motor: rata-rata $2{,}0 \times 71{,}7/3 = 47{,}8$ N·m. Torsi kipas rata-rata dari diam sampai 1.350 rpm (90 % dari 1.500 rpm) adalah sepertiga nilai ujungnya karena bentuk kuadrat:

$$T_\text{beban,rata-rata} = \frac{0{,}9 \times 71{,}7 \times (1\,350/1\,465)^2}{3} = 18{,}3\ \text{N}\cdot\text{m}$$

Langkah 2: batas bawah waktu bintang. Torsi percepatan rata-rata $47{,}8 - 18{,}3 = 29{,}5$ N·m dan $\Delta\omega = 2\pi \times 1\,350/60 = 141{,}4$ rad/s, sehingga

$$t_\text{a,Y} = \frac{J\,\Delta\omega}{T_\text{acc}} = \frac{1{,}6 \times 141{,}4}{29{,}5} = 7{,}7\ \text{s}$$

Angka ini batas bawah yang keras, bukan perkiraan. Merata-ratakan torsi percepatan selalu memperpendek waktu, dan di dekat 1.350 rpm torsi kipas (54,8 N·m) sudah melampaui torsi bintang rata-rata, sehingga waktu nyata dapat jauh lebih panjang. Dengan ketelitian relai, $t_\text{Y} \ge 7{,}7/0{,}95 = 8{,}1$ s. Setelan awal diambil lebih longgar, misalnya 12 s, lalu dipastikan dengan merekam arus asut memakai tang ampere berkategori ukur sesuai, oleh personel kompeten dengan APD: peralihan dilakukan setelah arus bintang turun mendekati nilai tunaknya, dan waktu itu dibandingkan dengan waktu asut yang diizinkan (langkah 3).

Langkah 3: alasan batas atas. Dengan kurva torsi yang didekati linear di dekat kecepatan sinkron (slip pengenal 0,0233), torsi bintang sama dengan torsi kipas pada slip 0,0585, yaitu 1.412 rpm. Di titik itu daya celah udara sekitar 9,4 kW dan rugi rotor $0{,}0585 \times 9\,420 = 551$ W, sekurang-kurangnya sekitar 2 kali rugi rotor pada beban pengenal (263 W); model linear di sini sudah dekat daerah torsi maksimum dan meremehkan slip, sehingga angka nyatanya lebih besar. Bertahan lama pada bintang tidak menambah kecepatan, hanya panas. Batas atas yang pasti adalah waktu asut yang diizinkan pabrikan motor dan kelas trip relai beban lebih, yang dibahas pada bab proteksi motor; bila waktu bintang mendekati batas itu, metode asut lain dipertimbangkan pada bab metode pengasutan motor.

Langkah 4: jeda peralihan. Selama jeda, motor tidak menghasilkan torsi dan kipas melambat karena torsi bebannya. Pada 1.412 rpm, torsi kipas $0{,}9 \times 71{,}7 \times (1\,412/1\,465)^2 = 60{,}0$ N·m, sehingga penurunan kecepatan selama jeda $t_\text{p}$ adalah

$$\Delta\omega = \frac{T_\text{beban}\,t_\text{p}}{J}$$

dengan torsi beban dianggap tetap pada nilainya di awal jeda. Anggapan ini sedikit melebihkan penurunan pada jeda panjang.

Jeda puluhan milidetik hampir tidak mengurangi kecepatan. Jeda satu detik, yang dapat muncul dari dua relai tunda-nyala biasa yang disetel sembarangan, membuat motor masuk segitiga jauh lebih lambat dengan arus besar; lonjakan peralihan dibahas pada bab metode pengasutan motor. Jeda nol juga salah, karena kontaktor bintang dan segitiga dapat terhubung bersamaan sesaat dan membentuk hubung pendek antarfasa, sehingga jeda dijamin relai dan interlock kontak bantu sekaligus.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan data lembar data yang sudah dikutip bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Setelan kritis tetap diukur setelah dipasang oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: blok pneumatik untuk kipas pendingin pengering. Kipas pengering di laundry hotel harus tetap berputar sedikitnya 25 s setelah kontaktor pemanas lepas (angka latihan). Dipakai blok pneumatik tunda-lepas pada kontaktor pemanas, dengan kontak penutup bertunda 57-58 di jalur koil kontaktor kipas. Rentangnya 0,1 sampai 30 s dengan ketelitian relatif ±10 %; keterulangan tidak diberikan dan dianggap nol.

$$t_\text{set} \ge \frac{25}{1 - 0{,}10} = 27{,}8\ \text{s} \quad\Rightarrow\quad t_\text{set} = 28\ \text{s}, \qquad t_\text{min} = 28 \times 0{,}9 = 25{,}2\ \text{s}$$

Setelan berada di bagian atas skala, sesuai anjuran bab ini, dan kipas dapat berputar sampai sekitar 31 s tanpa kerugian. Debu dan suhu ruang laundry menggeser waktu blok pneumatik, sehingga waktunya diukur ulang pada pemeriksaan berkala.

Contoh 2: interval sebagai batas waktu isi tangki. Katup isi tangki air panas hotel normalnya mengisi 600 L dengan debit 40 L/min, jadi 15 menit (angka latihan). Relai interval yang dipasang seri dengan koil katup menjadi cadangan bila sakelar level gagal. Relai itu berentang 3 sampai 30 menit, ketelitian ±5 % terhadap skala penuh, dan keterulangan 1 % (angka latihan), disetel 18 menit. Untuk luapan, arah yang merugikan adalah waktu yang lebih panjang:

$$t_\text{min} = 18 - 0{,}05 \times 30 - 0{,}01 \times 18 = 16{,}32\ \text{menit}, \qquad t_\text{maks} = 18 + 1{,}5 + 0{,}18 = 19{,}68\ \text{menit}$$

Waktu terpendek masih di atas 15 menit, sehingga isi normal tidak terpotong. Bila sakelar level gagal, air yang masuk setelah tangki penuh paling banyak $(19{,}68 - 15) \times 40 = 187$ L, dan jumlah itu harus dapat dibuang saluran luapan tangki.

Contoh 3: flasher asimetris untuk pola cuci. Pola cuci contoh kerja 1 dibuat dengan flasher asimetris: waktu hubung 12 s sebagai izin putar dan waktu putus 5 s sebagai jeda. Setiap 17 s ada satu asut, bergantian kanan dan kiri:

$$\frac{3\,600}{12 + 5} = 212\ \text{asut per jam}, \qquad 106\ \text{asut per jam untuk setiap kontaktor arah}$$

Dengan 6 jam cuci per hari dan 300 hari per tahun (angka latihan), setiap kontaktor arah bekerja sekitar 190.600 kali setahun. Karena jeda membuat setiap asut berangkat dari diam, tugasnya AC-3. Bila kurva umur kontaktor memberi 1,2 juta operasi AC-3 dan 50.000 operasi AC-4 (angka latihan, orde contoh kerja 2 Bab 46 tentang komponen kendali), kontak bertahan sekitar 6,3 tahun dengan jeda, tetapi hanya sekitar tiga bulan bila setiap pembalikan menjadi plugging.

Contoh 4: pemantau tegangan pada pompa rumah sakit. Pemantau tegangan tiga fasa di panel pompa air bersih rumah sakit disetel dengan ambang kurang 360 V dan tunda 5 s (angka latihan); histeresisnya tetap 5 %. Bila 5 % itu dibaca terhadap ambang, izin pulih pada $360 \times 1{,}05 = 378$ V; dasar persentasenya dipastikan dari lembar data. Kedip ke 340 V selama 2 s lebih singkat daripada tunda, sehingga kontak relai tidak membuka. Koil 230 V mendapat $340/400 \times 230 = 195{,}5$ V, di atas batas lepas 75 % pada Bab 46 tentang komponen kendali, sehingga kontaktor juga tertahan. Tegangan 350 V selama 20 s membuka kontak relai setelah 5 s, dan pompa berhenti. Pada 370 V izin belum pulih; pada 380 V izin pulih, tetapi pompa menunggu START baru karena penahan diri, sesuai 445.1.5.

Contoh 5: relai level elektrode dan air osmosis balik. Tangki air bersih rumah sakit memakai relai level elektrode mode isi. Resistansi antara elektrode yang tercelup dan elektrode bersama sekitar 15 kΩ (angka latihan), sehingga kepekaan disetel 50 kΩ: resistansi di bawah 50 kΩ dibaca basah, dengan cadangan lebih dari tiga kali. Tangki kedua menampung air hasil osmosis balik yang resistansinya sekitar 400 kΩ (angka latihan), di atas batas kepekaan 150 kΩ relai itu. Relai selalu membaca kedua elektrode kering, sehingga pada mode isi katup tidak pernah menutup dan tangki meluap. Tunda 0,5 s atau 7 s tidak mengubah hal itu; tangki kedua memerlukan jenis sensor level lain.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Tunda-nyala adalah pewaktu yang menyatu dengan kontaktor dan bekerja saat kontaktor bekerja." Buku ajar mesin listrik korpus mendefinisikannya begitu, dan tunda-lepas sebagai pewaktu yang bekerja saat kontaktor bekerja dan pewaktu tidak bekerja; keduanya tidak menyebut waktu. Tunda-nyala menunda perpindahan kontak setelah suplai datang; tunda-lepas memindahkan kontak seketika dan menunda kembalinya setelah suplai atau sinyal hilang.

"Setelah waktu habis, kontak NO menjadi NC." Buku yang sama menulis bahwa pewaktu mengunci dan mengubah kontak NO menjadi NC. Sebutan NO dan NC menyatakan keadaan kontak saat relai tidak dienergi dan tidak berubah; yang terjadi adalah kontak penutup menutup dan kontak pembuka membuka. Relai waktu juga tidak mengunci diri; penahanan keadaan adalah tugas kontak penahan diri di rangkaian.

"Terminal suplai relai waktu selalu 2-7, kontak NO selalu 1-3." Soal penilaian di korpus menganggapnya begitu, padahal buku lain memberi susunan berbeda dan bertentangan dengan dirinya sendiri; diagram pada badan relai yang menentukan.

"Tunda-lepas selalu tetap menunda walaupun suplainya diputus." Hanya jenis tanpa suplai bantu yang dapat, dengan batas waktu dan waktu energi minimum. Tunda-lepas dengan sinyal kendali mensyaratkan suplai terpasang tetap; bila suplainya ikut diputus, kontak kembali seketika.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya relai dan kontak NO/NC dari Bab 2, penandaan kontak dasar dari bab komponen kendali, urutan fasa dari bab sistem tiga fasa dan bab tang ampere, serta inersia, torsi bintang, dan panas rotor dari bab memilih motor. Bab 52 menempatkan pewaktu di dalam mesin keadaan, dan energi kinetik sebagai energi tersimpan dibahas di Bab 1 · Keselamatan. Konteks drum berasal dari rak Laundry. Bab proteksi motor memakai relai fasa dan relai beban kurang sebagai proteksi; pemakaian lanjutan dibahas pada bab metode pengasutan motor, bab rangkaian kendali lanjutan, bab pengereman motor, bab kendali pompa, pemanas, dan proses, serta bab pemrograman PLC.

Latihan dan pembahasan

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

1. Kontak penutup sebuah relai waktu menutup seketika saat suplai dipasang, membuka setelah 20 s walaupun suplai masih ada, dan membuka seketika bila suplai dilepas sebelum 20 s. Pilih fungsinya: (a) tunda-nyala; (b) interval; (c) tunda-lepas dengan sinyal kendali.
2. Jeda pembalikan drum harus sekurang-kurangnya 3,59 s. Tersedia relai dengan rentang 0,3–30 s dan relai dengan rentang 0,1–10 s, keduanya dengan ketelitian setelan ±5 % dan keterulangan 1 %, disetel 5 s. Hitung jeda terpendek bila ketelitian dinyatakan terhadap skala penuh dan bila terhadap nilai setelan, lalu pilih relai.
3. Motor pompa diasut bintang-segitiga dengan dua relai tunda-nyala biasa. Inersia total 0,9 kg·m², kecepatan akhir bintang 1.430 rpm, dan torsi beban pada kecepatan itu 35 N·m, dianggap tetap selama jeda. Hitung penurunan kecepatan selama jeda 50 ms dan 400 ms, lalu tafsirkan.
4. Kipas pendingin pengering harus tetap berputar 120 s setelah kontaktor pemanas lepas. Relai tunda-lepas tanpa suplai bantu yang tersedia mempunyai rentang sampai 30 s. Pilih fungsi dan terminalnya, dan jelaskan akibat listrik padam selama masa tunda.
5. Relai level elektrode mode isi mengendalikan katup pengisi tangki air panas dengan elektrode maksimum, minimum, dan bersama. Jelaskan keadaan katup ketika level berada di antara kedua elektrode saat level naik dan saat level turun. Lalu jelaskan gejala yang muncul bila kabel elektrode minimum putus.
6. Relai waktu delapan kaki pada panel bintang-segitiga diganti merek lain. Rangkaian lama memakai kaki 1-4 sebagai kontak pembuka ke kontaktor bintang dan 1-3 sebagai kontak penutup ke kontaktor segitiga. Diagram pada badan relai baru menunjukkan 1-3 sebagai kontak pembuka dan 1-4 sebagai kontak penutup. Ramalkan akibatnya bila kabel dipindahkan apa adanya, dan jelaskan cara memeriksanya sebelum energi dipasang.

Kunci jawaban beralasan

1. Jawaban (b). Kontak berpindah pada awal hitungan dan kembali di akhir hitungan walaupun suplai masih ada; itu ciri interval. Tunda-nyala (a) berpindah pada akhir hitungan, bukan awal. Tunda-lepas dengan sinyal kendali (c) dipicu sinyal kendali dan kontaknya kembali $t$ setelah sinyal hilang.
2. Skala penuh: relai 0,3–30 s, $5 - 0{,}05 \times 30 - 0{,}01 \times 5 = 3{,}45$ s, di bawah 3,59 s dan tidak aman; relai 0,1–10 s, $5 - 0{,}5 - 0{,}05 = 4{,}45$ s, aman. Terhadap setelan: keduanya $5 \times (1 - 0{,}05 - 0{,}01) = 4{,}70$ s, aman. Relai 0,1–10 s dipilih karena aman pada kedua tafsir, dan setelannya tetap diukur.
3. $\omega = 2\pi \times 1\,430/60 = 149{,}7$ rad/s. Jeda 50 ms: $\Delta\omega = 35 \times 0{,}05/0{,}9 = 1{,}94$ rad/s atau 1,3 %. Jeda 400 ms: $15{,}6$ rad/s atau 10,4 %. Jeda pendek hampir tidak memperlambat motor, sedangkan jeda panjang membuat motor masuk segitiga pada kecepatan lebih rendah dengan arus peralihan lebih besar. Relai bintang-segitiga khusus memberi jeda tetap yang pendek.
4. Jenis tanpa suplai bantu tidak cukup karena 120 s melebihi rentangnya. Yang cocok adalah tunda-lepas dengan sinyal kendali: suplai A1-A2 terpasang tetap dari sirkit kendali, sinyal kendali (sering B1, dipastikan dari lembar data) diambil dari kontak bantu kontaktor pemanas, dan kontak keluaran (misalnya 15-18) mengendalikan kontaktor kipas. Bila listrik padam, relai kembali seketika dan kipas berhenti bersama seluruh mesin. Perlindungan terhadap panas sisa saat padam adalah urusan rancangan pengering dan pemutus suhu lebih, bukan relai waktu.
5. Saat level naik dari bawah minimum, katup membuka dan tetap membuka melewati elektrode minimum sampai cairan menyentuh elektrode maksimum. Saat level turun dari maksimum, katup tetap tertutup melewati bawah elektrode maksimum sampai cairan lepas dari elektrode minimum. Bila kabel elektrode minimum putus, relai selalu membaca elektrode minimum kering, sehingga katup menutup di elektrode maksimum lalu segera membuka lagi begitu cairan turun sedikit di bawahnya. Gejalanya katup membuka-menutup berulang di sekitar level maksimum, hanya dibatasi tunda relai. Karena level tetap tinggi, gangguan ini mudah terlewat.
6. Kontak ke kontaktor bintang kini terbuka saat awal dan kontak ke kontaktor segitiga tertutup. Saat start, kontaktor utama dan kontaktor segitiga masuk bersamaan sehingga motor diasut langsung pada hubungan segitiga dengan arus asut penuh; tahap bintang terlewati, dan perilaku setelah waktu habis bergantung pada susunan interlock rangkaian. Pemeriksaan sebelum energi: membaca diagram relai baru, mengukur kontaknya dengan ohmmeter tanpa suplai, memperbarui gambar rangkaian, lalu menguji urutan kendali dengan motor tidak tersambung.

Referensi