VFD: instalasi, EMC, harmonisa, dan arus bocor

Di sebuah usaha laundry komersial dengan dua puluh mesin cuci industri, teknisi mendapati RCD (gawai proteksi arus sisa, GPAS) di panel trip berulang kali setiap kali pengering besar dinyalakan. Sensor suhu ruang pemanas berayun tanpa sebab yang jelas, dan setelah tiga bulan beroperasi, dua motor penggerak drum harus dibongkar karena bantalannya rusak jauh sebelum umur pakainya. Penelusuran menunjukkan satu akar masalah: VFD (penggerak frekuensi variabel) dipasang tanpa memperhatikan kaidah kabel, pembumian, EMC (kompatibilitas elektromagnetik), dan pemilihan RCD untuk bentuk arus bocornya.

Pemasangan VFD yang tidak tertib menimbulkan empat kelompok masalah nyata: RCD trip karena arus bocor frekuensi tinggi, gangguan sensor karena emisi konduksi dan radiasi, kerusakan bantalan karena arus bantalan, serta harmonisa pada jaringan suplai. Bab prinsip kerja dan pemilihan VFD membahas cara penyearah, tautan DC, dan inverter PWM bekerja, dan bab parameter dan komisioning VFD membahas setelan rampa, frekuensi, dan pengereman. Keduanya membahas perangkatnya; yang dibahas di sini adalah dampak VFD pada instalasi di sekitarnya dan cara memasangnya agar dampak itu terkendali.

Batas pembahasan

Cakupannya sistem tegangan rendah 230/400 V, 50 Hz, untuk laundry komersial dan mesin industri ringan. Norma yang dipakai adalah PUIL 2020 Bagian 4-44 (444.4 dan 444.6) untuk EMC instalasi, Bagian 5-51 Ayat 516 untuk arus konduktor proteksi, dan Bagian 7-722 hanya sebagai contoh ketentuan tipe RCD untuk beban elektronika daya. Standar produknya IEC 61800-3:2022 (Ed. 4.0) untuk EMC penggerak, IEC 61800-5-1:2022 (Ed. 3.0) untuk keselamatan listrik dan termal, IEC 61800-5-2:2016 (Ed. 2.0) untuk fungsi keselamatan termasuk STO, IEC 62423:2009 (Ed. 2.0) untuk RCD tipe F dan B, dan IEC TS 60034-25:2022 (Ed. 4.0) untuk mesin AC pada sistem penggerak. Teori harmonisa, sifat umum RCD, dan proteksi surja tidak diulang; masing-masing ada di bab harmonisa, bab RCD, dan bab proteksi surja. Uraian ini bahan belajar, bukan instruksi kerja; pekerjaan pada instalasi dilakukan personel kompeten dengan APD dan prosedur izin kerja yang berlaku.

Kabel motor: pelindung, terminasi 360°, dan dv/dt

Kabel dari keluaran VFD -T1 ke motor -M1 bukan kabel daya biasa. Inverter PWM (modulasi lebar pulsa) menyakelar setiap fasa di antara kedua kutub tautan DC, sehingga tegangan tiap konduktor terhadap bumi melompat sebesar tegangan tautan DC dalam waktu puluhan sampai ratusan nanodetik. Lajunya dapat mencapai beberapa kilovolt per mikrodetik (ilustrasi; 540 V dalam 0,1 µs setara 5,4 kV/µs). Setiap lompatan itu mengisi kapasitansi terdistribusi kabel terhadap bumi dengan arus $i = C\,\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$, dan arus inilah sumber arus bocor frekuensi tinggi, gangguan pada kabel lain, dan sebagian arus bantalan.

PUIL 2020 444.4.1 memasukkan konverter frekuensi ke daftar sumber gangguan elektromagnetik, dan 444.4.2 f) menganjurkan kabel multiinti simetris, misalnya kabel berskrin dengan konduktor proteksi terpisah, untuk hubungan konverter ke motor. Pelindung (shield, istilah PUIL: skrin) menyelubungi ketiga konduktor fasa dan konduktor proteksi. Butir 444.4.2 b) menganjurkan selubung logam kabel diikat ke jaringan ikatan bersama, dan 444.6.2 hanya mengizinkan jarak pisah dikurangi terhadap kabel TIK karena kabel daya berskrin bila skrinnya dibumikan di kedua ujung. Terminasi yang dipakai pabrikan penggerak adalah terminasi 360°: di sisi VFD dengan klem kabel (cable clamp) logam yang memeluk pelindung pada pelat pasang tanpa cat, dan di sisi motor dengan gland EMC pada kotak terminal -X1.

Pelindung yang dipilin menjadi satu ekor (pigtail) lalu dibaut ke terminal hampir kehilangan gunanya pada frekuensi tinggi, karena induktansi ekor itu menjadi impedansi yang dominan. Terminasi di satu ujung saja membuat arus pengisian kabel kembali lewat konstruksi gedung, rak kabel, dan pelindung kabel sinyal, bukan lewat pelindung ke VFD. Aturan satu ujung yang dipakai kabel sinyal analog berlaku untuk loop frekuensi rendah, seperti dibahas pada bab sensor proses, bukan untuk kabel motor VFD.

Panjang kabel menentukan tegangan puncak di terminal motor. Impedansi gelombang motor jauh lebih besar daripada impedansi gelombang kabel, sehingga pulsa yang tiba dipantulkan dan menjumlah dengan pulsa datang. Bila waktu tempuh bolak-balik pulsa sepanjang kabel sama dengan waktu naiknya atau lebih, tegangan puncak dapat mendekati dua kali tegangan tautan DC, sekitar 1.080 V pada sistem 400 V, ditambah osilasi. Dengan waktu naik 0,1 µs dan cepat rambat sekitar 150 m/µs, panjang kritisnya sekitar 7,5 m. Pukulan tegangan berulang itulah yang merusak lilitan awal motor, gejala yang dicatat pada bab kerusakan dan uji motor. Batas panjang kabel, baik untuk tegangan puncak maupun untuk kategori EMC, diambil dari dokumen VFD yang dipakai; di atas batas itu dipasang filter dv/dt atau filter sinus.

Filter masukan, reaktor, dan filter keluaran

Pada sisi masukan, dua perangkat utama mengendalikan gangguan konduksi: filter EMC masukan -R1 dan reaktor masukan -R2 (kelas R IEC 81346-2, membatasi aliran energi). Filter EMC terdiri atas kapasitor Y di antara konduktor aktif dan bumi serta induktor mode bersama (common-mode choke). Filter ini menekan emisi konduksi yang merambat ke jaringan suplai dan sekaligus memberi jalur balik lokal bagi arus pengisian kabel motor, sehingga arus itu kembali ke VFD dan tidak berkeliling lewat bumi instalasi. Konsekuensinya adalah arus konduktor proteksi yang tetap mengalir dalam operasi normal.

IEC 61800-3:2022 membedakan lingkungan pertama, yaitu tempat tinggal dan bangunan yang tersambung langsung tanpa trafo antara ke jaringan tegangan rendah yang juga menyuplai rumah tinggal, dan lingkungan kedua, yaitu tempat lain seperti pabrik bertrafo sendiri. Penggerak dibagi atas kategori C1 (untuk lingkungan pertama), C2 (bukan tusuk kontak dan bukan peralatan bergerak, di lingkungan pertama hanya dipasang dan dikomisioning oleh profesional), C3 (untuk lingkungan kedua, tidak untuk lingkungan pertama), dan C4 (tegangan 1.000 V ke atas, arus 400 A ke atas, atau sistem kompleks di lingkungan kedua). Laundry di ruko yang disuplai langsung dari jaringan tegangan rendah operator berada di lingkungan pertama, sehingga penggeraknya kategori C1 atau C2 dengan pemasangan profesional. Kategori itu hanya berlaku bila filter, kabel berpelindung, terminasi, dan batas panjang kabel dari dokumen pabrikan dipenuhi; VFD kategori C3 di lingkungan pertama memerlukan penyaringan tambahan menurut pabrikan.

Reaktor masukan -R2 dipasang seri antara suplai dan VFD, atau sebagai reaktor DC di dalam tautan DC. Ia membatasi laju naik arus pengisian kapasitor tautan DC, sehingga denyut arus masukan melebar, harmonisa arus berkurang, dan penyearah terlindung dari lonjakan. Faktor daya total ikut membaik karena komponen distorsinya turun; faktor daya pergeseran penyearah dioda sudah mendekati 1.

Pada sisi keluaran, di antara VFD dan kabel motor, dapat dipasang -R3 berupa reaktor keluaran, filter dv/dt, atau filter sinus. Reaktor keluaran (output reactor) bersama kapasitansi kabel memperlambat tepi pulsa dan membatasi puncak arus pengisian kabel panjang, tetapi menurunkan puncak tegangan motor lebih sedikit daripada filter dv/dt. Filter dv/dt memperlambat tepi pulsa sehingga tegangan puncak di terminal motor turun; filter ini cocok untuk kabel sedang. Filter sinus membuat tegangan keluaran mendekati sinus, sehingga motor bekerja hampir seperti pada suplai langsung; filter ini dipakai untuk kabel sangat panjang atau motor lama yang isolasinya tidak dirancang untuk catu konverter. IEC TS 60034-25:2022 memberi panduan antarmuka motor dan konverter, termasuk tegangan lilitan dan arus poros; pemilihan motor untuk VFD dibahas pada bab prinsip kerja dan pemilihan VFD.

Arus bocor frekuensi tinggi dan arus searah: memilih RCD

VFD menghasilkan dua jenis arus sisa yang berbeda sifatnya. Yang pertama arus bocor kapasitif dalam operasi normal, dari kapasitor Y filter dan dari kapasitansi kabel motor serta belitan terhadap bumi pada frekuensi pensakelaran dan kelipatannya. Yang kedua arus gangguan: bila isolasi di sisi tautan DC atau keluaran rusak, arus ke bumi dapat berupa arus searah halus atau arus berfrekuensi campuran, bukan sinus 50 Hz. RCD tipe AC hanya dijamin untuk arus sisa sinus, dan tipe A untuk arus sinus dan arus searah berdenyut.

IEC 62423 mengatur tipe F dan B sebagai persyaratan tambahan terhadap standar RCCB dan RCBO. Tipe F dipakai untuk VFD yang disuplai satu fasa, karena konverter fasa-netral menghasilkan arus sisa berfrekuensi campuran; tipe B juga memenuhi. VFD yang disuplai tiga fasa memerlukan tipe B, karena penyearah tiga fasa dapat menghasilkan arus gangguan searah halus yang tidak dijamin terdeteksi tipe lain. Bila manual pabrik meminta tipe yang lebih tinggi, manual yang diikuti. PUIL 2020 722.531.2.101 memberi contoh dari instalasi kendaraan listrik: RCD per titik hubung sekurang-kurangnya tipe A, dan untuk konektor IEC 62196 proteksi arus gangguan searah berupa RCD tipe B, atau tipe A atau F bersama gawai deteksi arus searah sisa (RDC-DD) IEC 62955. Klausul itu tidak mengatur VFD; yang diambil hanya prinsipnya, yaitu tipe RCD mengikuti bentuk arus gangguan yang mungkin.

Aturan hierarki berlaku ketat: RCD hulu tidak boleh bertipe lebih rendah daripada RCD hilir (IEC 60364-5-53 531.2.3.3.2; padanan PUIL belum diverifikasi). Bila -F2 pada sirkit VFD tiga fasa bertipe B, -F1 di hulu yang dilalui arus sirkit itu juga bertipe B. Alasannya bukan RCD hulu trip lebih dulu. Arus searah dari sirkit VFD yang belum cukup untuk memutus -F2 tetap melewati -F1, dan bila -F1 bertipe A atau AC, arus itu dapat memagnetisasi intinya sehingga -F1 terbutakan dan tidak bekerja pada gangguan bolak-balik di sirkit lain yang ia lindungi. Untuk selektivitas, RCD hulu bertipe S dengan $I_{\Delta\text{n}}$ sekurang-kurangnya tiga kali RCD hilir.

Arus bocor normal diatur terpisah dari tipe. PUIL 2020 Ayat 516 meminta arus konduktor proteksi peralatan dan desain instalasi kompatibel, dan Catatan 3-nya menganjurkan peralatan dengan nilai arus konduktor proteksi rendah untuk menghindari trip tak diinginkan. Pembandingnya adalah 30 % $I_{\Delta\text{n}}$ per RCD, yaitu 9 mA untuk RCD 30 mA (IEC 60364-5-53 531.2.3.2). Tanggapan RCD terhadap arus berfrekuensi kilohertz berbeda menurut tipenya dan tidak sama dengan pita trip 50 Hz, sehingga batas 15–30 mA untuk arus sinus tidak dapat dipakai langsung untuk arus pensakelaran. Karena itu keputusan diambil dari arus konduktor proteksi yang dinyatakan pabrikan atau diukur, bukan dari tebakan.

Memperkirakan arus pengisian kapasitansi kabel motor

Rumus $I = U \cdot 2\pi f \cdot C$ dengan tegangan fasa ke bumi 231 V dan $f$ frekuensi pensakelaran tidak berlaku untuk keluaran VFD. Komponen 231 V hanya ada pada 50 Hz dan saling meniadakan pada kabel tiga fasa seimbang (untuk 3,75 nF per fasa pun hanya 0,27 mA). Pada frekuensi pensakelaran yang ada adalah lompatan setinggi tegangan tautan DC, sehingga perkiraan diturunkan dari muatan setiap lompatan:

$$\bar{I}_\text{C} \gtrsim 6\, f_\text{s}\, C_\text{f}\, U_\text{dc}, \qquad C_\text{f} = C' \cdot l, \qquad U_\text{dc} \approx 1{,}35\, U$$

dengan $\bar{I}_\text{C}$ nilai rata-rata mutlak arus pengisian kapasitansi kabel ke pelindung dan konduktor proteksi (A), $f_\text{s}$ frekuensi pensakelaran (Hz), $C_\text{f}$ kapasitansi satu konduktor fasa terhadap pelindung dan konduktor proteksi, tanpa kapasitansi antarfasa (F), $C'$ kapasitansi per meter dari lembar data kabel (F/m), $l$ panjang kabel (m), $U_\text{dc}$ tegangan tautan DC (V), dan $U$ tegangan antarfasa suplai (V). Rumus ini turunan editor dari $i = C\,\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$, bukan rumus standar. Pada modulasi kontinu ketiga fasa masing-masing menyakelar naik dan turun sekali setiap periode pensakelaran, dan setiap lompatan memindahkan muatan $C_\text{f}\,U_\text{dc}$ ke bumi; dilihat sebagai tegangan mode bersama, hasilnya sama: lompatan $U_\text{dc}/3$ pada kapasitansi total $3C_\text{f}$. Asumsinya: tautan DC tetap terhadap bumi selama lompatan, lompatan tidak bertumpuk, dan kapasitansi belitan motor diabaikan. Karena belitan diabaikan dan osilasi tiap tepi menambah arus tanpa menambah muatan bersih, hasilnya batas bawah rata-rata mutlak; puncak pulsa dapat berorde ampere dan nilai efektifnya lebih besar. Hasilnya orde besaran arus yang harus kembali ke VFD, bukan nilai efektif yang dapat dibandingkan dengan pita trip 50 Hz; berapa bagian yang kembali lewat filter dan berapa lewat suplai dan RCD hanya dapat dipastikan dari data pabrikan atau pengukuran.

Larangan pada sisi keluaran VFD saat beroperasi

Dua kesalahan yang sering dijumpai pada mesin laundry adalah kontaktor di sisi keluaran yang membuka atau menutup saat VFD mengalirkan arus, dan kapasitor perbaikan faktor daya di sisi keluaran. Kontaktor keluaran -Q1 yang membuka saat inverter aktif memutus arus induktif kabel dan belitan secara mendadak, sehingga timbul tegangan transien yang dapat merusak modul IGBT atau membuat VFD trip arus lebih atau tegangan lebih. Kontaktor yang menutup ke keluaran yang sedang memodulasi sama merusaknya. Bila perpindahan motor antara VFD dan suplai langsung memang diperlukan, urutannya: VFD dihentikan, keluarannya nol, baru kontaktor dioperasikan. Urutan itu dijamin oleh interlock perangkat keras atau kontak bantu yang mendahului, bukan oleh disiplin operator; isolator di antara VFD dan motor yang dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin memakai prinsip yang sama.

Kapasitor di terminal keluaran VFD adalah bahaya yang berbeda. Setiap tepi pulsa PWM mengisi kapasitor dengan arus puncak yang dibatasi hampir hanya oleh induktansi kabel, sehingga arus itu dapat melampaui batas IGBT, VFD trip atau rusak, dan kapasitor memanas. Faktor daya rendah pada masukan VFD terutama berasal dari distorsi, bukan pergeseran, sehingga perbaikannya dengan reaktor atau filter harmonisa, bukan kapasitor. Motor lama yang diberi kapasitor kompensasi di kotak terminalnya harus dilepas kapasitornya sebelum dicatu VFD. Motor kapasitor satu fasa tidak dicatu VFD tiga fasa biasa; motor satu fasa memerlukan penggerak yang dinyatakan pabrikannya untuk jenis motor itu.

Arus bantalan dan pembumian motor

Arus bantalan (bearing current) sering baru disadari setelah bantalan rusak. Penyebabnya tegangan mode bersama (common-mode voltage) inverter PWM, yaitu rata-rata tegangan ketiga fasa terhadap bumi, yang melompat pada setiap penyakelaran. Tegangan ini terkopel secara kapasitif dari belitan stator ke rotor dan poros. Bila tegangan poros melampaui kekuatan dielektrik lapisan pelumas, terjadi pelepasan muatan melalui bantalan ke rangka, yang membuat kawah mikro (pitting) dan lama-kelamaan pola garis rapat (fluting) di jalur gelinding. Pada motor besar dengan kabel panjang, arus mode bersama juga dapat menimbulkan arus sirkulasi melalui kedua bantalan.

Langkah pertama adalah jalur balik berimpedansi rendah pada frekuensi tinggi dari rangka motor ke VFD. Kabel simetris berpelindung dengan konduktor proteksi di dalamnya, pelindung terminasi 360° di kedua ujung, dan ikatan rangka motor ke struktur mesin dengan konduktor pendek dan lebar memberi jalur itu, sehingga arus mode bersama tidak perlu mencari jalan lewat bantalan dan poros mesin yang digerakkan. Konduktor proteksi tetap memenuhi luas minimum dan, bila arus konduktor proteksi di atas 10 mA, jalur proteksi diperkuat (PUIL 2020 516 Catatan 4 merujuk 543.7) seperti dibahas pada bab pemasangan lapangan mesin.

Untuk motor lebih besar atau kabel sangat panjang, langkah tambahan dipilih menurut data motor. Bantalan berisolasi di sisi non-penggerak (non-drive end) memutus jalur arus sirkulasi, dan sikat atau cincin pembumian poros (shaft grounding ring) memberi jalur langsung dari poros ke rangka tanpa melewati bantalan. Filter keluaran yang menekan tegangan mode bersama juga mengurangi arus ini. IEC TS 60034-25:2022 memuat panduan arus poros sesuai ukuran dan konfigurasi motor.

Harmonisa masukan dan mitigasinya

Penyearah enam pulsa VFD tiga fasa menarik arus berdenyut dengan harmonisa dominan orde $6k \pm 1$ (5, 7, 11, 13), dan VFD satu fasa kaya harmonisa ketiga yang menjumlah di netral; akibatnya pada trafo, kabel, netral, dan kapasitor dibahas pada bab harmonisa. Yang khas VFD adalah pilihan mitigasinya. Reaktor AC masukan atau reaktor DC dengan impedansi 3–5 % (ilustrasi, sama dengan bab harmonisa) menurunkan THD arus secara berarti dan juga menurunkan arus efektif masukan. Penyearah dua belas pulsa dengan trafo bergeser fasa meniadakan sebagian besar orde 5 dan 7, penyearah aktif (active front end) menarik arus hampir sinus, dan filter pasif atau aktif dipakai bila beberapa VFD besar tersambung ke satu bus. Pilihan dimulai dari pengukuran THD tegangan dan arus di PHB, lalu dari pernyataan kesesuaian VFD terhadap batas emisi harmonisa seri IEC 61000-3 pada lembar datanya. Bank kapasitor biasa di PHB yang juga menyuplai banyak VFD tanpa reaktor berisiko beresonansi pada orde 5 atau 7; bank dengan reaktor detuning dibahas pada bab perbaikan faktor daya.

STO bukan pemisah

Fungsi safe torque off (STO) adalah subfungsi keselamatan dalam IEC 61800-5-2. Saat STO aktif, sinyal gerbang ke semua IGBT diputus lewat jalur keselamatan, sehingga inverter tidak dapat menghasilkan torsi. Motor kehilangan torsi dan melambat bebas karena inersia dan beban, atau berhenti karena rem mekanis bila ada; secara fungsi STO setara kategori stop 0 IEC 60204-1 (sekunder). Drum peras yang berhenti bebas dapat berputar lebih dari satu menit, seperti dihitung pada bab tombol dan stop darurat. Tingkat integritas atau tingkat kinerja STO dinyatakan pabrikan, dan penggabungannya ke fungsi keselamatan mesin dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin.

STO bukan pemisah (isolator). Selama STO aktif, terminal masuk VFD tetap tersambung ke jaringan, kapasitor tautan DC tetap bermuatan, dan terminal motor tetap tersambung ke tautan DC melalui semikonduktor keluaran, sehingga konduktor kabel keluaran -W1 dan terminal motor -X1 dapat bertegangan berbahaya terhadap bumi tanpa ada kerusakan apa pun. VFD tidak memiliki celah kontak di jalur daya. Karena itu setiap pekerjaan fisik pada motor atau kabel keluaran, termasuk penggantian bantalan, uji resistansi isolasi, atau pembersihan, didahului isolasi suplai dengan pemisah yang dapat dikunci, penguncian dan pelabelan, waktu tunggu peluahan tautan DC dari label VFD, dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 2 · Keselamatan.

Contoh kerja: memperbaiki instalasi VFD yang membuat RCD trip dan sensor suhu berayun

Keadaan (ilustrasi). VFD tiga fasa -T1 7,5 kW menyuplai motor drum pengering -M1 melalui kabel NYY empat inti tanpa pelindung sepanjang 25 m di rak kabel logam. Sirkitnya diproteksi RCD tipe A -F2 dengan $I_{\Delta\text{n}} = 30$ mA; di hulu ada -F1 tipe A 300 mA tipe S. Kabel sensor suhu ruang pemanas -B1 berjalan sejajar di rak yang sama tanpa partisi. RCD -F2 trip berulang, dan bacaan -B1 berayun ±5 °C tanpa perubahan suhu nyata. Frekuensi pensakelaran 4 kHz; kapasitansi tiap konduktor fasa terhadap rak dan inti proteksi diambil 150 pF/m (ilustrasi; nilai kabel tanpa pelindung di rak tidak pasti dan hanya dipakai untuk orde besaran). Label mengikuti IEC 81346-2:2019.

Langkah 1: perkirakan arus pengisian kapasitansi kabel. Alasan: arus ini menunjukkan orde besaran arus frekuensi tinggi yang harus kembali ke VFD. Dengan $U = 400$ V:

$$C_\text{f} = 25 \times 150 \times 10^{-12} = 3{,}75\ \text{nF}, \qquad U_\text{dc} \approx 1{,}35 \times 400 = 540\ \text{V}$$$$\bar{I}_\text{C} \gtrsim 6 \times 4\,000 \times 3{,}75 \times 10^{-9} \times 540 = 48{,}6\ \text{mA}$$

Langkah 2: telusuri jalur balik dan bandingkan dengan RCD. Alasan: RCD hanya melihat bagian arus yang kembali lewat suplai. Arus pengisian mengalir ke inti proteksi kabel, rak, dan konstruksi gedung, lalu kembali ke tautan DC lewat salah satu dari dua jalan: kapasitor Y filter masukan, yang berada di hilir -F2 sehingga tidak terlihat sebagai arus sisa, atau pembumian sistem ke titik bintang trafo lalu konduktor fasa, yang melewati -F2 sebagai arus sisa. Tanpa pelindung, arus yang berkeliling lewat rak dan konstruksi memperbesar porsi jalan kedua; tanpa filter yang sesuai, hampir semuanya lewat jalan kedua. Angka 48,6 mA bukan nilai efektif dan tidak dibandingkan langsung dengan pembanding 30 % (9 mA). Namun ordenya di atas $I_{\Delta\text{n}}$, sehingga porsi kecil saja yang lewat suplai sudah dapat membuat -F2 trip, dan karena tanggapan tipe A terhadap arus kilohertz tidak dijamin, trip itu tidak dapat diramalkan. Masalah kedua lebih serius: tipe A tidak dijamin mendeteksi arus gangguan searah halus dari VFD tiga fasa, dan -F1 tipe A di hulunya dapat terbutakan.

Langkah 3: jelaskan gangguan sensor. Alasan: jalur balik yang sama melewati kabel sensor. Kabel -B1 yang sejajar dengan kabel motor terkopel kapasitif dan induktif dengan pulsa PWM, dan arus frekuensi tinggi yang berkeliling lewat rak juga mengalir di pelindung atau konduktor sinyalnya. Hasilnya tegangan palsu pada sinyal sensor. Penggabungan rentang tegangan I dan II di satu sistem perkawatan juga dilarang 528.1 tanpa salah satu cara pemisah yang dibahas pada bab pemasangan sistem perkawatan.

Langkah 4: tentukan perbaikan. Alasan: setiap perbaikan memutus satu mekanisme.

1. Ganti -F2 dengan RCD tipe B 30 mA dan -F1 dengan tipe B 300 mA tipe S, karena -F1 dilalui arus sirkit tipe B.
2. Ganti kabel motor -W1 dengan kabel simetris berpelindung berkonduktor proteksi, pelindung terminasi 360° di klem VFD dan gland EMC kotak terminal -X1. Kapasitansi kabel berpelindung bisa sama atau lebih besar, jadi arus pengisian tidak hilang; yang berubah adalah jalurnya, yaitu lewat pelindung ke rangka VFD lalu lewat filter masukan -R1 ke tautan DC, bukan lewat rak dan RCD. Tanpa filter yang sesuai (butir 3), pelindung saja tidak menjauhkan arus itu dari RCD.
3. Pastikan filter EMC masukan -R1 terpasang sesuai kategori C2 dan panjang kabel 25 m di dalam batas dokumen VFD. Tambahkan reaktor masukan -R2 bila pengukuran harmonisa memerlukannya.
4. Pindahkan kabel -B1 ke jalur terpisah atau kompartemen berpartisi, silangkan tegak lurus bila berpotongan (444.4.2 d), dan bumikan pelindungnya di sisi panel sesuai bab sensor proses.
5. Setelah perbaikan, personel kompeten dengan tang arus bocor berkategori ukur sesuai dan APD mengukur arus di konduktor proteksi sirkit, dengan dan tanpa filter frekuensi rendah alat, lalu membandingkannya dengan 9 mA dan data pabrikan. Nilainya dicatat sebagai garis dasar.

Hasil. Arus pengisian kabel tetap ada tetapi beredar lokal antara VFD, pelindung, dan filter; bila RCD masih trip, penyebabnya dicari dari hasil ukur.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Data kabel, batas panjang, dan arus konduktor proteksi yang sebenarnya diambil dari dokumen pabrikan, dan pengukuran dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: kabel motor pompa di basemen hotel. VFD di ruang panel sebuah hotel menyuplai motor pompa transfer di basemen lewat kabel 30 m (angka latihan). Puncak tegangan dapat mendekati dua kali tegangan tautan DC bila waktu tempuh bolak-balik $2l/v$ sama dengan waktu naik atau lebih, sehingga dengan waktu naik 0,1 µs dan cepat rambat sekitar 150 m/µs dari bab ini:

$$l_\text{krit} = \frac{v\,t_\text{r}}{2} = \frac{150 \times 0{,}1}{2} = 7{,}5\ \text{m}, \qquad \frac{150 \times 1{,}0}{2} = 75\ \text{m}$$

Kabel 30 m empat kali panjang kritis, sehingga puncak di terminal motor dapat mendekati 1.080 V. Filter dv/dt yang memperlambat tepi sampai 1,0 µs (angka latihan) menaikkan panjang kritis ke 75 m, sehingga kabel 30 m berada di bawahnya. Pilihan filter dan kecocokan motor untuk catu konverter tetap dibaca dari dokumen VFD dan motor.

Contoh 2: hierarki RCD di laundry rumah sakit. Sirkit akhir VFD tiga fasa di laundry sebuah rumah sakit memakai RCD tipe B 30 mA, sedangkan RCD hulunya tipe A tipe S 100 mA (angka latihan). Selektivitas meminta

$$I_{\Delta\text{n,hulu}} \ge 3 \times 30 = 90\ \text{mA}$$

sehingga 100 mA memenuhi syarat itu. Tipenya tidak memenuhi: arus searah dari sirkit VFD yang belum memutus RCD hilir dapat membutakan RCD hulu tipe A. RCD hulu diganti tipe B tipe S, dan sampai penggantian selesai berlaku kondisi berhenti butir 2.

Contoh 3: dua pengering pada satu RCD di laundry hotel. Dua pengering ber-VFD di laundry hotel direncanakan memakai satu RCD tipe B 30 mA. Manual setiap VFD menyatakan arus konduktor proteksi 6 mA untuk kabel dan frekuensi pensakelaran yang dipakai (angka latihan). Jumlah arus di hilir RCD itu dibandingkan dengan pembanding 30 %:

$$0{,}3 \times 30 = 9\ \text{mA} < 2 \times 6 = 12\ \text{mA}$$

Dengan satu RCD per pengering, arus di hilir tiap RCD 6 mA, yaitu 20 % $I_{\Delta\text{n}}$, di bawah 9 mA. Rencana diubah ke susunan itu, dan arus konduktor proteksi tiap sirkit diukur setelah pemasangan sebagai garis dasar.

Contoh 4: arus konduktor proteksi 14 mA. Manual VFD pengering besar di laundry rumah sakit menyatakan arus konduktor proteksi 14 mA (angka latihan). Dua aturan bab ini berlaku sekaligus:

$$14\ \text{mA} > 10\ \text{mA}, \qquad \frac{14}{30} = 47\ \% > 30\ \%$$

Karena di atas 10 mA, jalur proteksi diperkuat menurut PUIL 2020 516 Catatan 4 yang merujuk 543.7, seperti dibahas Bab 73 tentang pemasangan lapangan mesin. Karena di atas 9 mA, RCD 30 mA berisiko trip tak diinginkan, sehingga susunan proteksinya diputuskan perancang dari data pabrikan. Bila RCD itu kemudian trip berulang, kondisi berhenti butir 3 berlaku.

Kondisi berhenti

1. Pekerjaan pada motor, kabel keluaran, atau terminal VFD tidak dimulai bila satu-satunya pengaman adalah STO atau perintah berhenti. Suplai masukan diisolasi dengan pemisah yang dapat dikunci, dikunci dan diberi label, waktu peluahan tautan DC dari label VFD ditunggu, poros sudah diam, dan bebas tegangan diverifikasi menurut Bab 2 · Keselamatan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.
2. RCD sirkit VFD bertipe lebih rendah daripada yang diminta bentuk arusnya atau manual (tipe AC atau A pada VFD tiga fasa; tipe AC, atau tipe A tanpa izin tertulis manual, pada VFD satu fasa), atau RCD hulu bertipe lebih rendah daripada RCD hilir: mesin tidak dioperasikan sampai tipenya benar.
3. RCD yang trip berulang pada sirkit VFD tidak dijembatani dan tidak diganti dengan yang kurang peka; mesin dihentikan sampai arus konduktor proteksi diukur dan penyebabnya ditemukan.
4. Ada laporan kesemutan dari rangka mesin ber-VFD: mesin dihentikan dan diisolasi, karena konduktor proteksi yang putus membuat arus bocor filter mengalir lewat tubuh.
5. Ditemukan kapasitor di sisi keluaran VFD, atau kontaktor dan isolator keluaran tanpa interlock yang menghentikan VFD lebih dulu: VFD tidak dijalankan sampai susunannya diperbaiki.

Salah tafsir yang sering terjadi

"STO sudah cukup untuk bekerja pada motor." STO menghilangkan torsi, bukan tegangan. Tautan DC tetap bermuatan dan terminal motor tetap tersambung ke tautan DC melalui semikonduktor. Pekerjaan fisik selalu memerlukan isolasi suplai, penguncian, waktu peluahan, dan verifikasi bebas tegangan.

"RCD tipe A cukup untuk VFD." Tipe A tidak dijamin mendeteksi arus gangguan searah halus dari penyearah tiga fasa dan tidak diuji untuk arus berfrekuensi campuran. VFD satu fasa memakai tipe F atau B, VFD tiga fasa tipe B, dan RCD hulu tidak bertipe lebih rendah daripada RCD hilir.

"Kapasitor di sisi keluaran memperbaiki faktor daya sistem VFD." Kapasitor itu merusak IGBT dan dirinya sendiri; faktor daya rendah VFD berasal dari distorsi dan diperbaiki dengan reaktor atau filter.

"RCD trip berarti RCD-nya terlalu peka; ganti saja dengan 100 mA." Trip berulang adalah bukti arus konduktor proteksi atau jalur baliknya bermasalah. Menurunkan kepekaan menghilangkan proteksi tambahan yang disyaratkan, sementara penyebabnya tetap ada.

Hubungan dengan bab lain

Bab prinsip kerja dan pemilihan VFD menjelaskan modulasi lebar pulsa yang menjadi akar dv/dt, arus bocor, dan tegangan mode bersama, dan bab parameter dan komisioning VFD mencatat pengaruh frekuensi pensakelaran pada riak arus, rugi motor, dan panas VFD. Tipe dan selektivitas RCD berasal dari bab RCD, jalur proteksi diperkuat dari bab pemasangan lapangan mesin, pemisahan kabel dari bab pemasangan sistem perkawatan dan bab sensor proses, dan alasan VFD bukan pemisah dari bab isolasi. SPD tipe 3 di dekat panel VFD dibahas pada bab proteksi surja, dan susunan RCD seluruh laundry pada bab studi kasus instalasi tiga fasa. Integrasi STO ke fungsi keselamatan mesin dibahas pada bab keselamatan fungsional mesin.

Latihan dan pembahasan

1. VFD tiga fasa 400 V menyuplai motor melalui kabel berpelindung 40 m dengan kapasitansi konduktor ke pelindung 200 pF/m dan frekuensi pensakelaran 6 kHz (ilustrasi). Perkirakan arus pengisian kapasitansi kabel dan jelaskan apa artinya bagi RCD 30 mA.
2. Pada instalasi soal 1, frekuensi pensakelaran diturunkan ke 2 kHz. Hitung perkiraan baru dan jelaskan konsekuensinya bagi motor.
3. Teknisi memasang RCD tipe B pada sirkit akhir VFD tiga fasa, tetapi RCD di PHB hulu bertipe A. Jelaskan akibatnya bagi proteksi dan tentukan perbaikannya.
4. Mesin cuci ber-VFD satu fasa 230 V diberi RCD tipe B dengan alasan "lebih baik dari tipe F". Apakah pilihan ini benar, berlebihan, atau salah?
5. Operator mengganti bantalan motor ber-VFD setelah mengaktifkan STO dan langsung membuka kotak terminal motor. Sebutkan kesalahannya dan urutan yang benar.
6. Manual VFD menyatakan arus konduktor proteksi 8 mA dengan kabel berpelindung 25 m (150 pF/m) dan frekuensi pensakelaran 4 kHz (ilustrasi). Pemilik ingin memindahkan mesin sehingga kabel menjadi 50 m dan menaikkan frekuensi ke 8 kHz agar motor lebih senyap. Bandingkan nilai manual dengan 30 % dan 50 % $I_{\Delta\text{n}}$ RCD 30 mA, perkirakan perubahan arus pengisian kabel, dan tentukan tindakannya.

Kunci jawaban beralasan

1. $C_\text{f} = 40 \times 200 \times 10^{-12} = 8{,}0$ nF; $U_\text{dc} \approx 540$ V; $\bar{I}_\text{C} \gtrsim 6 \times 6\,000 \times 8{,}0 \times 10^{-9} \times 540 = 155{,}5$ mA. Ordenya sekitar lima kali $I_{\Delta\text{n}}$, walaupun bukan nilai efektif, dan arus ini harus kembali ke VFD. Bila sebagian kecil saja kembali lewat suplai, misalnya karena pelindung tidak terminasi 360° atau filter tidak sesuai, RCD 30 mA dapat trip. Artinya panjang kabel dan frekuensi pensakelaran harus di dalam batas dokumen VFD; RCD bukan tempat menyelesaikannya.
2. Arus sebanding dengan $f_\text{s}$: $155{,}5 \times 2/6 = 51{,}8$ mA, sepertiganya. Konsekuensinya riak arus motor lebih besar, rugi motor sedikit naik, dan bunyi magnetik motor pada nada pensakelaran lebih terdengar, sedangkan rugi VFD turun, seperti dicatat bab parameter dan komisioning VFD. Pengukuran arus konduktor proteksi tetap menjadi pemutusnya.
3. Susunan melanggar aturan hierarki. Arus searah dari sirkit VFD yang belum memutus RCD hilir tipe B (rentang arus searahnya sampai $2\,I_{\Delta\text{n}}$) mengalir lewat RCD hulu tipe A, yang hanya tahan arus searah halus sampai 6 mA, sehingga RCD hulu dapat terbutakan dan gagal pada gangguan bolak-balik di sirkit lain. Perbaikan: RCD hulu tipe B; bila selektivitas diperlukan, tipe S dengan $I_{\Delta\text{n}}$ sekurang-kurangnya tiga kali RCD hilir.
4. Benar dan memenuhi, tetapi tidak wajib. Tipe B memenuhi semua syarat tipe F ditambah arus searah halus. Konverter fasa-netral menghasilkan arus sisa berfrekuensi campuran yang sudah ditangani tipe F, sehingga tipe F memadai kecuali manual meminta tipe B.
5. Kesalahannya: STO bukan pemisah, suplai tidak diisolasi dan dikunci, waktu peluahan tautan DC tidak ditunggu, dan bebas tegangan tidak diverifikasi. Urutan yang benar: hentikan mesin dan tunggu poros diam; buka pemisah suplai masukan VFD; kunci dan beri label; tunggu waktu peluahan dari label; verifikasi bebas tegangan di terminal keluaran VFD dan terminal motor menurut Bab 2 · Keselamatan oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD; baru bekerja.
6. Nilai manual $8/30 = 26{,}7$ %, di bawah 30 % (9 mA) dan 50 % (15 mA), tetapi sisanya hanya 1 mA. Arus pengisian kabel sebanding dengan $l \cdot f_\text{s}$: $(50 \times 8\,000)/(25 \times 4\,000) = 4$ kali, dari sekitar 48,6 mA menjadi 194,4 mA. Nilai 8 mA hanya berlaku untuk susunan 25 m dan 4 kHz. Perkalian kasar terburuk, seolah seluruh 8 mA berasal dari kabel, memberi 32 mA, di atas $I_{\Delta\text{n}}$. Tindakannya: periksa batas panjang kabel dan kategori EMC di manual untuk 50 m, pertahankan RCD tipe B 30 mA tersendiri untuk mesin ini, pilih frekuensi pensakelaran serendah yang dapat diterima atau filter keluaran yang dinyatakan pabrikan, lalu ukur arus konduktor proteksi setelah pemindahan. Mengganti RCD dengan 100 mA bukan pilihan.

Referensi