Soft starter

Pompa transfer 11 kW di sebuah laundry baru dipasangi soft starter, meniru pompa 15 kW di sebelahnya yang sudah memakai alat yang sama. Teknisi menyetel batas arus 2 kali arus pengenal supaya genset makin ringan. Pompa berdengung, berputar setengah cepat, lalu soft starter trip dengan pesan waktu asut terlampaui. Setelah batas dinaikkan, pompa jalan, tetapi pipa berdentum setiap kali pompa berhenti, dan pemilik bertanya apakah alat ini perlu diganti VFD. Jawabannya bergantung pada torsi yang tersisa pada arus yang dibatasi dan pada cara kecepatan pompa turun saat tegangan diturunkan.

Bab metode pengasutan motor sudah menempatkan soft starter di antara metode tegangan tereduksi dan memilihnya, dengan batas arus sekitar 2,5 kali arus pengenal, untuk pompa 15 kW pada genset 80 kVA. Perbandingan antarmetode itu tidak diulang; yang dibahas di sini adalah perangkatnya: cara tiristor menurunkan tegangan, arti setiap setelan, kontaktor bypass, dan perlindungan dari hubung pendek. Penggerak frekuensi variabel (VFD) juga mengasut halus, tetapi mengubah frekuensi dan mengatur kecepatan; perbedaannya dibahas pada bab VFD.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada soft starter tiga fasa untuk motor induksi rotor sangkar 230/400 V, 50 Hz, yang termasuk cakupan IEC 60947-4-2, yaitu pengendali motor semikonduktor untuk tegangan pengenal sampai 1.000 V AC; edisi yang berlaku adalah 4.1 (2024-11), gabungan edisi 2020 dan Amendemen 1:2024. Rangkaian rotor dan sistem penggerak kecepatan variabel dikecualikan dari standar itu. Harmonisa selama asut dibahas pada bab harmonisa: sumber, ukuran, dan akibatnya, dan pada bab VFD. Angka motor, pompa, pipa, dan genset adalah ilustrasi. Pengukuran arus dan tekanan saat komisioning hanya dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Tiristor antiparalel dan sudut penyalaan

Setiap fasa yang dikendalikan memakai dua tiristor antiparalel, satu untuk setiap setengah gelombang. Tiristor mulai menghantar ketika gerbangnya dipicu dan padam sendiri ketika arusnya melewati nol. Rangkaian kendali menunda pemicuan sebesar sudut penyalaan $\alpha$ (firing angle) setelah titik nol tegangan, sehingga sebagian setiap setengah gelombang tidak sampai ke motor.

Untuk beban resistif satu fasa, nilai efektif tegangan keluaran terhadap tegangan masukan adalah

$$\frac{V_\text{o}}{V} = \sqrt{1 - \frac{\alpha}{\pi} + \frac{\sin 2\alpha}{2\pi}}$$

dengan $\alpha$ dalam radian antara 0 dan $\pi$. Pada $\alpha = 90^\circ$ perbandingannya 0,707, dan pada $120^\circ$ tinggal 0,442. Motor bukan beban resistif, sehingga rumus ini hanya gambaran. Arus motor tertinggal dari tegangan sebesar sudut impedansi $\varphi$, sehingga arus terus mengalir setelah tegangan melewati nol dan baru padam pada sudut padam $\beta > \pi$. Selama $\alpha \le \varphi$, tiristor menghantar penuh dan motor menerima tegangan penuh; pengaturan baru bekerja bila $\alpha > \varphi$.

Pada sistem tiga kawat tanpa netral, arus hanya mengalir bila sekurang-kurangnya dua fasa menghantar bersamaan, sehingga hubungan $\alpha$ dengan tegangan motor lebih rumit. Pengguna karena itu menyetel tegangan awal, waktu, dan batas arus, dan pengendali mencari $\alpha$ dengan umpan balik arus. Gelombang yang terpotong mengandung harmonisa selama tiristor mengatur; setelah kontaktor bypass menutup, arus kembali sinus.

Kendali dua fasa dan tiga fasa. Tiristor dapat dipasang pada tiga fasa atau hanya dua fasa, seperti disebut juga buku ajar kendali elektromekanik korpus. Satu panduan pabrikan menyebut arus fasa yang tidak dikendalikan sedikit lebih besar dan menganjurkan kendali tiga fasa untuk asut berat. Pada unit dua fasa yang berhenti, satu fasa tetap tersambung langsung ke belitan, seperti SSR dua kutub pada bab komponen kendali; motor yang diam tidak berarti belitannya bebas tegangan.

Arus, torsi, dan tegangan motor

Pada kecepatan tertentu, arus sebanding tegangan dan torsi sebanding kuadratnya, seperti pada semua metode tegangan tereduksi di bab metode pengasutan motor. Karena tidak ada trafo, arus saluran sama dengan arus motor. Bila $k$ adalah perbandingan tegangan motor terhadap tegangan pengenal,

$$I(x) = k\,I_\text{p}(x), \qquad T(x) = k^2\,T_\text{p}(x) = \left(\frac{I(x)}{I_\text{p}(x)}\right)^2 T_\text{p}(x)$$

dengan $x$ kecepatan dalam persen kecepatan sinkron, $I_\text{p}(x)$ dan $T_\text{p}(x)$ arus dan torsi pada tegangan penuh dari kurva motor, dan $0 < k \le 1$. Asumsinya parameter motor tetap dan harmonisa diabaikan. Satu catatan aplikasi pabrikan memberi rumus yang sama untuk keadaan diam, dan karena frekuensi tidak berubah, kurva motor hanya diskalakan.

Rumus itu menjelaskan dua sifat. Pertama, torsi per ampere saluran lebih kecil daripada bintang-segitiga atau autotrafo, sama seperti resistor primer. Kedua, bila arus ditahan tetap, torsi pada kecepatan itu juga tetap walaupun tegangan sumber turun, selama tiristor belum menghantar penuh: pada genset yang tegangannya turun, pengendali membuka sudut penyalaannya dan torsi motor tidak ikut turun.

Fungsi asut dan henti

Tanjakan tegangan. Tegangan dimulai dari tegangan awal $k_0$ lalu dinaikkan linear sampai penuh dalam waktu tanjakan $t_\text{r}$. Tegangan awal dipilih supaya torsi awal $k_0^2\,T_\text{l}$ melampaui torsi lepas beban, dengan $T_\text{l}$ torsi rotor terkunci. Tanjakan tegangan murni tidak mengendalikan arus ataupun torsi; kecepatan dan arus pada setiap detik ditentukan perpotongan kurva motor tereduksi dengan kurva beban.

Batas arus. Pengendali menahan arus pada nilai setelan $I_\text{lim}$, biasanya dinyatakan dalam kelipatan arus pengenal motor, dengan menurunkan $k$ bila arus hendak melampauinya. Batas arus dipakai sendiri atau bersama tanjakan sebagai plafon. Melalui rumus di atas, setelan ini menentukan torsi minimum di seluruh rentang kecepatan, sehingga batas yang terlalu rendah membuat motor berhenti berakselerasi di tengah jalan (contoh kerja).

Asut dorong (kick start). Beban dengan torsi lepas besar, misalnya pompa berperapat lengket, dapat diberi denyut tegangan tinggi yang singkat di awal asut, lalu kembali ke tanjakan atau batas arus. Torsi denyut dibayar dengan arus $k_\text{kick}\,I_\text{l}$; denyut 70 % tegangan menarik hampir 5 kali arus pengenal pada motor dengan arus rotor terkunci 7 kali. Pada genset lemah, fungsi ini dipakai hanya bila perlu.

Henti halus. Pada henti halus, kontaktor bypass membuka lebih dulu, tiristor mengambil alih arus, lalu tegangan diturunkan perlahan. Henti halus tidak mengerem. Satu panduan pabrikan menyatakan fungsi ini tidak menghentikan motor lebih cepat daripada berhenti bebas, sehingga beban berinersia besar yang perlu berhenti cepat memerlukan rem. Selama henti halus, motor bekerja pada tegangan rendah dengan slip besar, sehingga arusnya dapat melampaui arus kerja dan tiristor serta motor kembali memanas. Karena waktu henti menjadi lebih panjang, stop darurat tidak diserahkan kepada henti halus; kategori stop dan pemutusan daya akhirnya oleh kontaktor atau pemutus mengikuti bab tombol, lampu indikator, dan stop darurat.

Pompa: henti halus dan palu air

Palu air (water hammer) adalah lonjakan tekanan ketika kecepatan air di pipa berubah lebih cepat daripada waktu tempuh gelombang tekanan bolak-balik sepanjang pipa. Untuk perubahan seketika, persamaan Joukowsky memberi

$$\Delta p = \rho\,a\,\Delta v, \qquad \Delta H = \frac{a\,\Delta v}{g}$$

dengan $\Delta p$ lonjakan tekanan (Pa), $\rho$ massa jenis (kg/m³), $a$ cepat rambat gelombang tekanan (m/s), $\Delta v$ perubahan kecepatan aliran (m/s), $\Delta H$ lonjakan tinggi tekan (m), dan $g$ percepatan gravitasi. Perubahan dianggap seketika bila berlangsung dalam waktu kurang dari waktu kritis $2L/a$, dengan $L$ panjang pipa. Bila perubahan disebar dalam waktu $t_\text{c}$ yang jauh lebih panjang, lonjakan turun kira-kira menjadi $\Delta H \approx 2 L\,\Delta v/(g\,t_\text{c})$ menurut rumus Michaud untuk penutupan lambat, yang dipakai di sini hanya untuk orde besaran. Tekanan nyata dapat melampaui nilai Joukowsky, misalnya bila rongga uap runtuh.

Pada pipa tekan baja 150 m dengan kecepatan air 1,8 m/s dan $a$ orde 1.200 m/s, penghentian dalam waktu kurang dari $2L/a = 0{,}25$ s memberi $\Delta H = 1\,200 \times 1{,}8/9{,}81 = 220$ m (sekitar 21,6 bar), sedangkan penurunan merata dalam 4 s memberi sekitar 13,8 m. Rotor pompa 11 kW pada contoh kerja, dengan inersia total 0,20 kg·m², turun dari 97 % ke 75 % kecepatan sinkron dalam sekitar 0,14 s bila dibiarkan berhenti bebas, jauh lebih cepat daripada kolom air yang terus mengalir karena inersianya. Tinggi tekan pompa runtuh, tekanan di sisi keluaran turun, kolom melambat lalu berbalik, dan katup searah yang menutup pada aliran balik itulah yang biasanya menghantam; $\Delta v$ pada persamaan Joukowsky lalu sama dengan kecepatan balik (pengetahuan umum hidraulika, keyakinan sedang). Henti halus yang baik menahan tinggi tekan selama kolom melambat (dasar pompa: Bab 3 · Fluida & Termal).

Mengapa henti halus biasa sering kurang efektif. Selama tegangan diturunkan perlahan, pompa berinersia kecil selalu berada dekat titik keseimbangan $k^2 T_\text{p}(x) = T_\text{beban}(x)$. Dengan kurva ilustrasi dan pompa pada contoh kerja, keseimbangan itu memberi:

Torsi pompa pada tabel mengikuti hukum afinitas tanpa tinggi statis, seperti contoh kerja. Dari tegangan penuh sampai 68,5 %, pompa hampir tidak melambat, sehingga pada tanjakan linear 10 s ke nol sekitar 3,2 s pertama terbuang. Kecepatan, dan debit yang sebanding dengannya, baru turun dari 94 % ke 50 % selama 3,5 s berikutnya, sementara arus naik sampai sekitar 2,3 kali arus pengenal. Pada pompa pengisi tangki bertinggi statis, debit berhenti lebih awal, begitu tinggi tekan pompa turun di bawah tinggi statis (bab memilih motor untuk beban), sehingga rentang tegangan yang mengubah debit lebih sempit lagi; torsi pompa di bawah sekitar 90 % kecepatan juga lebih kecil daripada model kuadrat, sehingga arus pada baris bawah tabel dan Langkah 1 contoh kerja berada di sisi aman. Henti pompa yang baik karena itu mengendalikan penurunan kecepatan, bukan tegangan, dan satu panduan pabrikan menganjurkan metode henti adaptif untuk pompa. Bila unit hanya mempunyai tanjakan tegangan, waktu dan tegangan akhirnya disetel dari pengamatan tekanan pipa saat komisioning, dan katup searah yang menghantam diperiksa di sisi hidroliknya.

Kontaktor bypass dan panas tiristor

Tiristor yang menghantar mempunyai tegangan jatuh sekitar 1–1,5 V, seperti SSR di bab komponen kendali. Pada tiga fasa, rugi kasarnya sekitar $3 \times 1{,}5 = 4{,}5$ W setiap ampere arus motor. Satu panduan pabrikan yang dicek editor menyebut angka yang sama, sekitar 4,5 W per ampere arus jalan bila tidak dijembatani. Motor 11 kW dengan arus 21,0 A karena itu membuang sekitar 95 W di dalam panel selama berjalan, panas yang harus dibuang sirip pendingin dan ventilasi panel (bab desain panel kendali).

Kontaktor bypass menjembatani tiristor setelah motor mencapai kecepatan, sehingga rugi itu hilang dan tiristor hanya bekerja beberapa detik setiap asut dan henti. Kontaktor ini menutup setelah arus turun dekat arus kerja dan membuka setelah tiristor mengambil alih pada henti halus. Panduan pabrikan yang sama menyatakan kategori AC-1 untuk arus pengenal motor cukup, karena kontaktor bypass tidak membawa arus asut dan tidak memutus arus gangguan. Anggapan itu berlaku selama urutan kendali dijaga; bila skema memungkinkan bypass membuka saat tiristor tidak menghantar, kontaktornya dipilih untuk memutus arus motor menurut bab komponen kendali. PUIL 2020 5100.5.7.3.1 meminta kendali motor AC mampu memutus arus motor yang macet; pada skema dengan bypass AC-1, tugas itu dipikul tiristor setelah mengambil alih arus atau kontaktor jaringan AC-3 di hulu, bukan kontak bypass.

Kategori AC-53a dan AC-53b. IEC 60947-4-2 memuat tabel kategori pemakaian sendiri. Pada lembar data, kode AC-53b (dengan bypass) "3,5-15 : 345" berarti 3,5 kali arus pengenal $I_\text{e}$ selama 15 s dengan jeda minimum 345 s antarasut; kode AC-53a (tanpa bypass), misalnya "3,5-17 : 90-5", menambah faktor waktu berbeban 90 % dan 5 asut per jam. Arus pengenal soft starter sekurang-kurangnya arus pelat nama motor pada kode asut yang sesuai; asut yang lebih berat dari kode memerlukan unit lebih besar.

Bukan pemisah. Dalam keadaan mati, tiristor dan jaringan peredamnya masih membocorkan arus, sehingga soft starter tidak memisahkan motor dari jaringan. PUIL 2020 5100.5.7.1 menggolongkannya sebagai kendali, sedangkan 5100.5.8.3.1 dan 5100.5.8.3.2 meminta sarana pemutus yang memutus semua konduktor suplai tak dibumikan dan menunjukkan kedudukannya dengan jelas. Pemisah atau pemutus di hulu karena itu tetap diperlukan, dan pekerjaan pada motor mengikuti isolasi serta verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan. Pada peralatan listrik mesin, padanannya sakelar pemutus suplai IEC 60204-1. Tiristor yang rusak umumnya gagal hubung singkat, sehingga banyak skema memakai kontaktor jaringan di hulu yang dilepas relai gangguan soft starter (keyakinan sedang). Kapasitor perbaikan faktor daya tidak dipasang di keluaran soft starter, sesuai bab perbaikan faktor daya.

Proteksi bawaan dan koordinasi

Soft starter menurut IEC 60947-4-2 adalah pengendali motor semikonduktor yang dilengkapi proteksi beban lebih yang sesuai dan dinilai sebagai satu kesatuan; tanpa proteksi itu, perangkatnya disebut pengendali motor semikonduktor, walaupun di pasar sering tetap disebut soft starter. Standar itu memuat tabel kelas trip relai beban lebih sendiri. Proteksi beban lebih elektronik bawaan disetel pada arus pelat nama, dengan kelas trip dipilih dari waktu asut dan waktu tahan rotor terkunci seperti pada bab proteksi motor; yang berbeda hanyalah arus asutnya, yang kini ditentukan batas arus. Reset otomatis setelah trip dan kendali dua kawat yang menyalakan motor lagi saat tegangan pulih dinilai terhadap PUIL 2020 5100.5.7.6 dan larangan reset otomatis pada bab proteksi motor.

Sambungan tiristor hampir tidak mempunyai cadangan panas, sehingga energi $I^2t$ yang dibiarkan lewat sekering gG atau pemutus biasa selama beberapa milidetik sudah dapat merusaknya. IEC 60947-4-2 mengatur koordinasi dengan gawai proteksi hubung pendek dan arus hubung pendek bersyarat pengenal. Pengertian tipe 1 dan tipe 2 sama dengan pada bab proteksi motor: tipe 1 membolehkan starter rusak asal tidak membahayakan orang atau instalasi, tipe 2 menuntut starter tetap dapat dipakai. Menurut dua manual pabrikan yang dicek editor, koordinasi tipe 1 dicapai dengan sekering pembatas arus atau pemutus biasa, dan tipe 2 dengan sekering semikonduktor.

Sekering semikonduktor diatur IEC 60269-4:2024. Satu panduan pabrikan memberi dua syarat: sekering harus mampu membawa arus asut selama waktu asut, dan $I^2t$ pemutusan totalnya lebih kecil daripada $I^2t$ tiristor. Panduan yang sama menyebut sekering semikonduktor untuk tipe 2 dipasang sebagai tambahan terhadap sekering atau pemutus yang menjadi proteksi sirkit cabang motor. Buku ajar mesin listrik korpus juga menyebut sekering semikonduktor atau pemutus untuk soft starter dan inverter. Kombinasinya hanya terbukti oleh uji pabrikan, sehingga ukuran diambil dari tabel koordinasi pabrikan untuk arus hubung pendek prospektif di titik pasang. Sekering semikonduktor -F1 sampai -F3 yang diganti dengan sekering gG berukuran sama menurunkan koordinasi menjadi tipe 1: hubung pendek berikutnya kemungkinan besar merusak tiristor.

Kapan soft starter tidak cocok

Torsi yang turun menurut kuadrat tegangan adalah batas utama soft starter. Beban bertorsi besar sejak diam, misalnya konveyor bermuatan atau kompresor torak yang diasut berbeban, memerlukan tegangan tinggi sejak awal, sehingga arus asutnya mendekati asut langsung. Batas 3,5 $I_\text{N}$ pada motor dengan $I_\text{l} = 7\,I_\text{N}$ menyisakan $(3{,}5/7)^2 = 0{,}25$ kali torsi rotor terkunci.

Pada beban berinersia besar, soft starter juga menambah panas rotor. Energi panas rotor selama asut dari bab memilih motor untuk beban, $E_\text{r} = \tfrac{1}{2} J_\text{total}\,\omega_\text{s}^2 \cdot T_\text{m}/(T_\text{m} - T_\text{beban})$, berlaku untuk tegangan berapa pun. Menurunkan torsi motor $T_\text{m}$ memperbesar faktor $T_\text{m}/(T_\text{m} - T_\text{beban})$, sehingga rotor lebih panas dan asut lebih lama walaupun arus salurannya lebih kecil (latihan 5). VFD menghindarinya karena motor bekerja pada slip kecil.

Contoh kerja: menyetel tanjakan dan batas arus pompa 11 kW

Soal. Untuk pompa transfer di awal bab, tentukan tegangan awal, waktu tanjakan, dan batas arus supaya pompa selalu mencapai kecepatan kerja, periksa susut genset 80 kVA dari bab metode pengasutan motor dengan kriteria tegangan PHB minimum 85 %, lalu tentukan bypass dan proteksinya.

Data ilustrasi motor. 11 kW, empat kutub, 1.455 rpm, 400 V Δ, $I_\text{N} = 21{,}0$ A, sama dengan arus motor 11 kW di bab proteksi motor. Kurva mengikuti tabel ilustrasi bab motor induksi tiga fasa, yang juga dipakai bab metode pengasutan motor: $I_\text{l}/I_\text{N} = 7{,}0$ dan $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}3$. Torsi pengenal $T_\text{N} = 9\,550 \times 11/1\,455 = 72{,}2$ N·m. Inersia total rotor, impeler, dan air di dalam pompa diandaikan 0,20 kg·m².

Data pompa dan genset. Sama dengan bab metode pengasutan motor: torsi pompa sebanding kuadrat kecepatan, 0,9 $T_\text{N}$ pada kecepatan pengenal, torsi lepas 0,1 $T_\text{N}$; genset 400 V dengan $X''_\text{d} = 0{,}30$ Ω dan $X'_\text{d} = 0{,}50$ Ω, faktor daya asut 0,35. Pompa 15 kW sedang tidak berjalan dan kabel diabaikan.

Langkah 1: batas arus minimum. Pada kecepatan $x$, torsi motor dengan batas arus $L$ (kelipatan $I_\text{N}$) adalah $(L/I_\text{p}(x))^2\,T_\text{p}(x)$. Agar torsi motor tidak lebih kecil dari torsi pompa, $L \ge I_\text{p}(x)\sqrt{T_\text{beban}(x)/T_\text{p}(x)}$ di setiap titik.

Titik kritis ada di 80 %, tempat arus pada tegangan penuh masih 5,2 kali sedangkan torsi pompa sudah 0,61 $T_\text{N}$. Batas arus minimum 2,35 $I_\text{N}$; titik ini juga tempat selisih tersempit pada bab metode pengasutan motor, karena kurvanya sama. Setelan 2,0 $I_\text{N}$ dari teknisi di awal bab gagal: torsi motor jatuh di bawah torsi pompa sekitar 47 % kecepatan, tempat pompa berdengung sampai soft starter trip.

Langkah 2: cadangan. Integrasi numerik persamaan gerak $J\,\mathrm{d}\omega/\mathrm{d}t = T_\text{m} - T_\text{beban}$ dengan langkah 1 ms dan batas arus saja memberi waktu mencapai 95 % kecepatan sinkron 22 s pada 2,35 $I_\text{N}$, 3,0 s pada 2,5 $I_\text{N}$, dan 1,2 s pada 3,0 $I_\text{N}$. Cadangan torsi yang mendekati nol membuat waktu asut membengkak. Toleransi IEC 60034-1 membolehkan torsi maksimum sekitar 10 % di bawah nilai jaminan dan arus rotor terkunci sampai 20 % di atasnya (keyakinan sedang); keduanya menurunkan torsi per kuadrat ampere. Di titik kritis 80 %, torsi 10 % lebih rendah menaikkan batas minimum menjadi $2{,}35/\sqrt{0{,}9} = 2{,}48\ I_\text{N}$ dan waktu asut pada 2,5 $I_\text{N}$ dari 3,0 s menjadi 7,2 s, sedangkan arus 20 % lebih tinggi pada torsi yang sama menaikkannya menjadi $1{,}2 \times 2{,}35 = 2{,}82\ I_\text{N}$. Dalam model ini setelan 2,5 $I_\text{N}$, yang dipakai untuk pompa 15 kW pada bab metode pengasutan motor dengan kurva yang sama, tidak mempunyai cadangan. Untuk motor ini dipilih $L = 3{,}0\ I_\text{N} = 63$ A: dengan arus 20 % di atas kurva, pompa tetap mencapai 95 % kecepatan dalam 3,0 s.

Langkah 3: susut tegangan genset. Dengan arus 63 A yang ditahan pada faktor daya 0,35, perhitungan fasor yang sama dengan bab metode pengasutan motor memberi tegangan PHB 0,923 kali ggl dengan $X''_\text{d}$ dan 0,871 dengan $X'_\text{d}$, atau susut 7,7 % dan 12,9 %. Keduanya memenuhi kriteria 85 %, sedangkan 3,5 $I_\text{N}$ (73,5 A) memberi 0,849 dengan $X'_\text{d}$ dan gagal tipis.

Langkah 4: tegangan awal dan tanjakan. Torsi lepas 0,1 $T_\text{N}$ menuntut $k_0 \ge \sqrt{0{,}1/2{,}3} = 0{,}21$. Dipilih $k_0 = 0{,}35$: torsi awal $0{,}35^2 \times 2{,}3 = 0{,}28\ T_\text{N}$, hampir tiga kali torsi lepas, dengan arus $0{,}35 \times 7{,}0 = 2{,}45\ I_\text{N}$, masih di bawah batas arus, sehingga kick start tidak diperlukan. Dengan tanjakan 10 s, integrasi yang sama memberi:

Pompa berinersia kecil mengikuti tegangan hampir tanpa tertinggal: arus puncak hanya 2,66 $I_\text{N}$ dan batas 3,0 $I_\text{N}$ tidak pernah aktif. Tanjakan 5 s memberi arus puncak 2,93 $I_\text{N}$, dan 15 s memberi 2,55 $I_\text{N}$. Pada pompa, waktu tanjakan menentukan arus dan laju kenaikan debit; batas arus menjadi plafon. Setelan akhir: tegangan awal 35 %, tanjakan 10 s, batas arus 3,0 $I_\text{N}$, lalu bypass menutup di akhir tanjakan.

Langkah 5: rating dan bypass. Arus asut sekitar 2,66 $I_\text{N}$ ≈ 56 A selama paling lama 10 s sampai bypass menutup. Unit ilustrasi dengan $I_\text{e} = 22$ A dan kode AC-53b "3,5-15 : 345" mengizinkan 77 A selama 15 s dengan jeda 345 s, cukup juga untuk pembatasan 63 A. Selama asut, tiristor membuang sekitar $4{,}5 \times 56 = 250$ W selama beberapa detik. Bypass AC-1 21,0 A cukup selama urutan kendali mencegahnya memutus arus.

Langkah 6: henti dan proteksi. Menurut tabel keseimbangan, tanjakan henti 10 s ke nol membuang sepertiga waktunya di awal dan beberapa detik terakhirnya pada pompa yang hampir tidak mengalirkan air. Dipilih program henti pompa bila ada; bila tidak, tanjakan henti dibatasi ke rentang yang mengubah debit dan diverifikasi dengan pengukur tekanan. Proteksi beban lebih bawaan disetel 21,0 A, kelas 10, karena asut hanya beberapa detik pada paling banyak 3 kali setelan. Sekering semikonduktor untuk tipe 2 diambil dari tabel pabrikan, tahan 63 A selama 10 s, dengan pemutus hulu sebagai proteksi sirkit cabang.

Tafsir. Masalah di awal bab tidak memerlukan VFD: batas arus 2,0 $I_\text{N}$ terlalu rendah untuk kurva torsi motor itu, dan dentuman pipa berasal dari henti yang tidak mengendalikan perlambatan pompa. VFD baru diperlukan bila debit harus diatur terus-menerus.

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. Motor pada Contoh 1 dan 4 adalah motor 11 kW contoh kerja, dengan $I_\text{N} = 21{,}0$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 7{,}0$, dan $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}3$. Pengukuran arus dan tekanan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: pompa dengan perapat lengket setelah lama diam. Pompa transfer laundry pada contoh kerja diam dua minggu, dan perapatnya lengket sehingga torsi lepasnya naik menjadi 0,4 $T_\text{N}$ (angka latihan). Tegangan awal 35 % hanya memberi $0{,}35^2 \times 2{,}3 = 0{,}28\ T_\text{N}$, jadi pompa tidak lepas. Syaratnya

$$k_0 \ge \sqrt{\frac{0{,}4}{2{,}3}} = 0{,}42, \qquad T_\text{batas} = \left(\frac{3{,}0}{7{,}0}\right)^2 \times 2{,}3 = 0{,}42\ T_\text{N}$$

Tegangan awal yang dinaikkan sampai batas arus 3,0 $I_\text{N}$ hanya menyisakan cadangan sekitar 6 %. Denyut kick start 50 % memberi $0{,}5^2 \times 2{,}3 = 0{,}58\ T_\text{N}$, sekitar 1,4 kali torsi lepas, dengan arus 3,5 $I_\text{N}$ atau 73,5 A selama denyut. Pada Langkah 3 contoh kerja, arus itu memberi tegangan PHB 0,849 dengan $X'_\text{d}$, sedikit di bawah 85 %, sehingga pada genset denyut dipakai hanya bila pompa memang tidak lepas, dan perapatnya diperiksa.

Contoh 2: palu air pada pipa tekan rumah sakit. Pompa pengisi tangki atap sebuah rumah sakit mengalirkan air 1,2 m/s di pipa baja 60 m, dengan $a$ orde 1.200 m/s seperti pada bagian palu air (angka latihan untuk pipa ini).

$$\Delta H = \frac{1\,200 \times 1{,}2}{9{,}81} = 147\ \text{m}, \qquad \Delta p = 1\,000 \times 1\,200 \times 1{,}2 = 1{,}44 \times 10^6\ \text{Pa} \approx 14{,}4\ \text{bar}, \qquad \frac{2L}{a} = 0{,}1\ \text{s}$$

Bila penurunan aliran benar-benar tersebar merata dalam 5 s, rumus Michaud memberi $2 \times 60 \times 1{,}2/(9{,}81 \times 5) \approx 2{,}9$ m, sekitar 50 kali lebih kecil. Pompa berinersia kecil hampir tidak melambat pada awal tanjakan henti, sehingga hasil itu baru tercapai dengan program henti pompa atau tanjakan yang disetel dari pengamatan tekanan pipa. Dentuman keras saat berhenti termasuk kondisi berhenti butir 5.

Contoh 3: rugi tiristor tanpa kontaktor bypass. Pompa 15 kW di laundry hotel memakai soft starter tanpa bypass, dengan arus kerja 28 A selama 10 jam per hari dan 300 hari per tahun (angka latihan). Dengan 4,5 W per ampere:

$$P = 4{,}5 \times 28 = 126\ \text{W}, \qquad W = 126 \times 10 \times 300 = 378\,000\ \text{Wh} = 378\ \text{kWh per tahun}$$

Rugi itu berada di dalam panel sepanjang pompa berjalan dan masuk anggaran panas bab desain panel kendali. Dengan tegangan jatuh 1,0 V per fasa rugi turun ke 84 W, dan angka pastinya dari lembar data. Kontaktor bypass AC-1 untuk arus pengenal motor menghilangkan rugi itu, asalkan urutan kendali mencegahnya menyambung atau memutus arus asut.

Contoh 4: kode AC-53b dan pompa booster hotel. Pompa booster 11 kW di sebuah hotel memakai unit contoh kerja ($I_\text{e} = 22$ A, kode "3,5-15 : 345") dan diasut dengan batas 3,0 $I_\text{N}$ = 63 A selama 6 s. Pada jam sibuk dengan tangki tekan bermasalah, pompa start setiap 240 s (angka latihan).

$$N_\text{kode} = \frac{3\,600}{15 + 345} = 10\ \text{asut/jam}, \qquad N_\text{nyata} = \frac{3\,600}{240} = 15\ \text{asut/jam}$$

Arus dan lama asut masih di bawah 77 A dan 15 s, tetapi jeda antarasut hanya $240 - 6 = 234$ s, lebih pendek dari 345 s. Asut itu lebih berat dari kode, sehingga diperlukan unit lebih besar, kode lain yang dinyatakan pabrikan, atau jumlah start yang dikurangi dengan memperbaiki sisi hidroliknya.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan jangan mengasut motor lagi bila salah satu keadaan berikut ditemui.

1. Soft starter trip dua kali berturut-turut karena waktu asut terlampaui atau suhu sirip tiristor: asut ulang ditunda sampai penyebabnya ditemukan, karena setiap percobaan menambah panas rotor, belitan, dan tiristor.
2. Motor tetap berputar, berdengung, atau bergetar setelah perintah stop, atau arus terukur pada satu fasa saat unit menyatakan mati (diukur personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD): tiristor atau kontak bypass dianggap hubung singkat, suplai diputus di pemisah hulu, dan motor diperiksa setelah isolasi dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.
3. Pekerjaan pada motor atau kabelnya direncanakan dengan soft starter dalam keadaan mati sebagai satu-satunya pemutusan, terutama pada unit kendali dua fasa: pekerjaan tidak dimulai sampai pemisah hulu dibuka dan dikunci.
4. Sekering semikonduktor ditemukan diganti sekering gG, pemutus biasa, atau kawat: soft starter tidak dioperasikan sebelum koordinasi pabrikan dipulihkan.
5. Pipa atau katup searah berdentum keras saat pompa berhenti: operasi berulang dihentikan sampai sisi hidrolik dan setelan henti diperiksa, karena lonjakan tekanan dapat memecah pipa.
6. Kapasitor perbaikan faktor daya ditemukan tersambung di keluaran soft starter atau di kotak terminal motornya: unit tidak dienergikan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Soft starter mengatur torsi tanpa terpengaruh beban." Demikian tulis buku ajar kendali elektromekanik korpus. Tanjakan tegangan hanya mengatur tegangan, dan batas arus hanya menahan arus; torsinya mengikuti $(I/I_\text{p})^2 T_\text{p}$ pada kecepatan yang dicapai beban.

"Soft starter sama dengan VFD versi murah." Buku ajar instalasi motor korpus benar bahwa VFD dapat dipakai untuk asut halus, dan buku ajar mesin listrik benar bahwa soft starter tidak dapat mengatur kecepatan; yang keliru adalah membalik hubungannya. Soft starter tidak mengubah frekuensi, sehingga torsi penuh hanya tersedia dengan arus mendekati asut langsung.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya kurva motor, sudut impedansi, metode asut dan susut genset, waktu asut dan panas rotor, kategori pemakaian dan SSR, serta kelas trip dan koordinasi. Stop darurat, pengereman, kapasitor, dan dasar pompa (Bab 3 · Fluida & Termal) ada di babnya masing-masing. Lanjutannya dibahas pada bab kendali pompa, pemanas, dan proses dengan sakelar proses, bab desain panel kendali, bab harmonisa, dan bab VFD.

Latihan dan pembahasan

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

1. Motor 7,5 kW, 400 V Δ, $I_\text{N} = 14{,}5$ A, $I_\text{l}/I_\text{N} = 6{,}5$, $T_\text{l}/T_\text{N} = 2{,}4$ diasut soft starter dengan batas arus 3,0 $I_\text{N}$. Hitung arus saluran, tegangan motor relatif, dan torsi saat diam, lalu bandingkan torsi per ampere saluran dengan tahap bintang motor yang sama.
2. Dengan kurva ilustrasi dan pompa contoh kerja, batas arus disetel 2,0 $I_\text{N}$. Pernyataan mana yang benar? (A) Pompa tetap mencapai kecepatan kerja, hanya lebih lambat. (B) Pompa tertahan sekitar 47 % kecepatan sinkron karena torsi motor sama dengan torsi pompa di sana. (C) Pompa tidak dapat lepas dari diam karena torsi awal di bawah torsi lepas. (D) Batas arus tidak memengaruhi torsi, hanya arus.
3. Soft starter untuk motor 30 kW dengan $I_\text{N} = 55$ A tidak memakai bypass. Hitung rugi tiristor dengan tegangan jatuh 1,0 V dan 1,5 V per fasa, lalu jelaskan dua akibatnya bagi panel dan satu syarat agar kontaktor bypass AC-1 cukup.
4. Pipa PVC 80 m dengan cepat rambat gelombang 400 m/s membawa air 1,5 m/s. Hitung lonjakan tinggi tekan bila aliran berhenti seketika, waktu kritis, dan perkiraan lonjakan bila debit turun merata dalam 3 s.
5. Drum washer-extractor dari bab memilih motor untuk beban: $J_\text{total} = 7{,}72$ kg·m², motor 11 kW 1.470 rpm, torsi motor rata-rata saat asut langsung 2,2 $T_\text{N}$, torsi beban 0,3 $T_\text{N}$, waktu asut langsung 8,7 s. Dipasang soft starter berbatas 3,5 $I_\text{N}$; arus rata-rata motor pada tegangan penuh selama akselerasi diandaikan 6,5 $I_\text{N}$. Hitung waktu asut dan energi panas rotor, lalu bandingkan dengan asut langsung.
6. Setelah hubung pendek di kotak terminal motor, sekering gG di hulu putus, dan soft starter tidak dapat dipakai lagi karena tiristornya hubung singkat. Jelaskan tingkat koordinasi yang tercapai, apa yang dibutuhkan untuk tipe 2, dan mengapa unit dengan tiristor hubung singkat berbahaya bila dipasang kembali tanpa pemeriksaan.

Kunci jawaban beralasan

1. $I = 3{,}0 \times 14{,}5 = 43{,}5$ A. Tanpa trafo, $k = 3{,}0/6{,}5 = 0{,}462$ dan $T = 0{,}462^2 \times 2{,}4 = 0{,}51\ T_\text{N}$. Tahap bintang memberi $94{,}3/3 = 31{,}4$ A dan $2{,}4/3 = 0{,}80\ T_\text{N}$. Torsi per ampere saluran: soft starter $0{,}51/43{,}5 = 0{,}012\ T_\text{N}$/A, bintang $0{,}80/31{,}4 = 0{,}025\ T_\text{N}$/A, dua kali lebih besar.
2. (B). Pada 50 % torsi motor $(2{,}0/6{,}4)^2 \times 2{,}2 = 0{,}215\ T_\text{N}$, lebih kecil dari torsi pompa 0,239 $T_\text{N}$; dengan interpolasi, keduanya sama sekitar 47 %. (A) salah karena percepatan berhenti di titik itu; (C) salah karena torsi awal $(2{,}0/7{,}0)^2 \times 2{,}3 = 0{,}19\ T_\text{N}$ melampaui torsi lepas 0,1 $T_\text{N}$; (D) salah karena torsi mengikuti kuadrat perbandingan arus.
3. Tiga fasa: $3 \times 1{,}0 \times 55 = 165$ W sampai $3 \times 1{,}5 \times 55 = 248$ W. Suhu udara panel naik sehingga ventilasi harus dirancang, dan tiristor yang terus panas kehilangan cadangan asut ulang. AC-1 cukup bila urutan kendali menjamin bypass menutup setelah arus turun dan membuka setelah tiristor menghantar, sehingga kontaknya tidak pernah menyambung atau memutus arus asut maupun arus gangguan.
4. $\Delta H = 400 \times 1{,}5/9{,}81 = 61{,}2$ m (sekitar 6 bar). $2L/a = 2 \times 80/400 = 0{,}4$ s. Dengan 3 s, $\Delta H \approx 2 \times 80 \times 1{,}5/(9{,}81 \times 3) = 8{,}2$ m. Lonjakan turun sekitar tujuh kali hanya bila debit benar-benar turun merata; tanjakan tegangan yang menjatuhkan debit di rentang sempit memberi lonjakan lebih besar.
5. $T_\text{N} = 9\,550 \times 11/1\,470 = 71{,}5$ N·m. $k = 3{,}5/6{,}5 = 0{,}538$, $T_\text{m} = 0{,}290 \times 2{,}2 = 0{,}638\ T_\text{N}$, torsi percepatan $0{,}338\ T_\text{N} = 24{,}1$ N·m, sehingga $t_\text{a} = 7{,}72 \times 153{,}9/24{,}1 = 49$ s, hampir enam kali 8,7 s. Energi rotor: $\tfrac{1}{2} \times 7{,}72 \times 157{,}1^2 = 95{,}2$ kJ; asut langsung $\times\,2{,}2/1{,}9$ = 110 kJ, soft starter $\times\,0{,}638/0{,}338$ = 180 kJ, naik 63 %. Arus saluran turun, tetapi rotor 63 % lebih panas setiap asut, asut 49 s jauh melampaui tugas asut 15 s pada kode AC-53b ilustrasi, dan relai beban lebih kelas 10 kemungkinan besar trip sebelum motor mencapai kecepatan. Waktu tahan rotor terkunci 16 s tidak dibandingkan langsung, karena berlaku untuk arus rotor terkunci penuh. Beban ini lebih cocok dengan VFD.
6. Paling tinggi tipe 1, asal tidak ada bahaya bagi orang atau instalasi, karena starter rusak. Tipe 2 memerlukan sekering semikonduktor yang $I^2t$ pemutusan totalnya lebih kecil daripada $I^2t$ tiristor, tahan arus asut, dan dipilih dari tabel koordinasi pabrikan, sebagai tambahan terhadap proteksi sirkit cabang. Tiristor hubung singkat menyambung motor ke jaringan walaupun unit menyatakan mati, sehingga motor dapat berputar tanpa perintah atau bekerja tidak seimbang.

Referensi