Studi kasus integratif: kelistrikan washer-extractor

Pukul dua dini hari, washer-extractor 25 kg di sebuah laundry komersial berhenti saat tahap peras dengan lampu gangguan menyala, kode kesalahan di layar, dan drum penuh linen basah. Mesin ini menggabungkan suplai tiga fasa, penggerak frekuensi variabel (VFD), pemanas listrik, kendali 24 V DC, sensor, dan fungsi keselamatan dalam satu rangka logam yang bergetar di ruang basah, dan kegagalan satu elemen menjalar ke elemen lain dengan cara yang tidak selalu terbaca dari kode gangguan. Teknisi yang dipanggil perlu tahu rantai mana yang putus, dan amankah membuka pintu atau panel sekarang.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada kelistrikan satu washer-extractor bersuspensi (soft-mount) dengan VFD tiga fasa dan pemanas listrik, dari PHB (papan hubung bagi) area cuci sampai sensor dan aktuator. Bab 38 tentang instalasi laundry berhenti di terminal masuk mesin, dan proses cuci ada di Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor; kimia, mekanik bantalan, dan program PLC tidak diulang. PUIL 2020 berlaku untuk instalasi yang menyuplai mesin, tetapi Bagian 1, 11.3 k) menyatakan PUIL tidak berlaku untuk peralatan listrik pada mesin; di dalam mesin acuannya IEC 60204-1:2016+AMD1:2021. Data pada tabel adalah ilustrasi yang disatukan dari contoh bab-bab rak ini; mesin nyata mengikuti manual dan diagram pabrikannya.

Suplai, pemisah lokal, RCD, dan kabel ke mesin

Instalasi laundry lazim berbentuk TN-C-S dengan PEN dipisah di PHB utama, sehingga dari PHB area cuci ke hilir N dan PE berjalan terpisah dan tidak boleh disatukan lagi (411.4.3). PHB area cuci tidak tampak dari mesin, dan area teromol pencuci tergolong ruang lembab dan basah (Tabel 790.28), sehingga mesin diberi pemisah lokal -Q11 yang dapat dikunci di dinding dekatnya (5100.5.8.4.2, 790.6.1.1). Netral hilir TN-C-S tidak wajib diputus, tetapi mesin memakai netral untuk sirkit 230 V, sehingga Bab 31 tentang isolasi memilih -Q11 empat kutub dengan netral yang menutup lebih dulu dan membuka paling akhir, berkemampuan arus sekurang-kurangnya 115 % jumlah arus beban penuh dan tidak di bawah pengaman hulu.

Menurut Bab 22 tentang RCD, VFD tiga fasa menuntut tipe B karena arus gangguan searah halusnya tidak dijamin terdeteksi tipe AC, A, atau F dan dapat membutakan RCD bertipe lebih rendah; tipe F hanya memadai untuk VFD satu fasa. RCD 30 mA adalah proteksi tambahan (415.1.1), bukan pengganti pemutusan otomatis oleh MCB; mesin magun tidak termasuk rumusan kotak kontak 411.3.3, tetapi bab itu tetap menyarankan RCD 30 mA per mesin di ruang basah. Arus konduktor proteksi normal dari filter EMC dan kapasitansi kabel motor dibandingkan dengan 30 % $I_{\Delta\text{n}}$, atau 9 mA, sebelum RCD dipasang, bukan sesudah RCD trip (Bab 69 tentang instalasi VFD).

Arus masukan VFD diambil dari lembar data, bukan dari daya poros motor (Bab 38 tentang instalasi laundry). Kabel tetap -W11 berakhir di selungkup -Q11, lalu kabel fleksibel -W12, di bawah 2,5 m dan ber-KHA tidak kurang dari arus pengenal pengaman sirkit (2.6.4.1 f), melintas ke terminal mesin. Kabel fleksibel dipakai karena rangka bersuspensi bergerak saat peras, dan di lantai basah berdeterjen pilihannya NSHou berselubung karet, bukan NYY yang kaku (Bab 73 tentang pemasangan mesin).

Panel mesin: pengaman, kontaktor pemanas, VFD drum, dan catu kendali

Sakelar utama mesin -Q3, empat kutub dan dapat dikunci, memberi titik pemutus pada mesin sendiri menurut IEC 60204-1, sedangkan -Q11 menjadi titik isolasi instalasi yang juga mematikan -W12. Pembatas suhu -B3 dengan reset manual disambung seri dengan koil kontaktor pemanas -Q2 berkategori AC-1, bukan hanya ke masukan PLC; Bab 74 tentang uji pra-energi menemukan tepat kesalahan pengawatan itu.

Kontaktor jaringan -Q1 berada di hulu VFD -T1, dan menurut Bab 69 tentang instalasi VFD, di sisi keluaran VFD tidak boleh ada kontaktor yang membuka atau menutup saat inverter memodulasi. Pengaman sisi masuk VFD, sekering atau MCB, mengikuti manual VFD.

Catu kendali mengikuti lembar komisioning Bab 74: trafo kendali -T2 400/230 V berpengaman MCB kurva B 2 A -F3, dan catu 24 V DC -T3 untuk PLC -K3, sensor, dan koil. Menurut Bab 63 tentang PLC, kutub 0 V dibumikan di satu titik, dan pengaman cabang 24 V harus dapat diputus oleh arus hubung singkat yang benar-benar diberikan catu mode sakelar. Semua sirkit disuplai dari hilir -Q11 dan -Q3, sehingga pemisah yang dikunci mematikan seluruh panel; sumber luar yang tetap masuk ke panel, misalnya sinyal dispenser dari catu dispenser sendiri, diberi label dan diisolasi terpisah (Bab 1 · Dispensing Kimia tentang dispenser).

Motor drum dan VFD: asut, putaran cuci, peras, dan pengereman

Menurut Bab 68 tentang parameter VFD, PLC memberi VFD -T1 dua perintah diskret, cuci dan peras, yang memilih dua kecepatan tetap motor drum -M1; proteksi termal elektronik VFD disetel dari arus pelat nama, dan termistor belitan menjadi pembaca suhu langsung pada putaran rendah. Putaran cuci harus di bawah kecepatan kritis drum (Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor), padahal pada putaran itu kipas motor berpendingin sendiri hampir tidak mendinginkan (Bab 41 tentang data motor).

Pengereman dinamis (dynamic braking) adalah pembuangan energi drum yang berhenti dari peras sebagai panas di resistor -R1: energi itu kembali ke tautan DC, penyearah dioda tidak dapat mengembalikannya ke jaringan, dan pemotong rem (chopper) menyambungkan -R1 ketika tegangan tautan DC melampaui ambang. Pengereman regeneratif memerlukan penyearah aktif (Bab 55 tentang pengereman motor). Energi drum pada putaran peras:

$$E_\text{k} = \tfrac{1}{2}\,J\,\omega^2 = \tfrac{1}{2} \times 6{,}0 \times \left(\frac{2\pi \times 800}{60}\right)^2 = 21{,}1\ \text{kJ}$$

Dengan torsi pengereman 60 N·m di poros drum, hitungan Bab 68 tentang parameter VFD dan Bab 49 tentang stop darurat memberi waktu henti 7,4 s, energi 18,6 kJ ke resistor dengan puncak 5,0 kW, dan batas $R\le97$ Ω yang dipenuhi resistor 82 Ω. Tanpa -R1 yang sehat, VFD trip tegangan lebih dan drum meluncur bebas sampai sekitar 62,8 s.

Menurut anjuran PUIL 2020 444.4.2 f) dan Bab 69 tentang instalasi VFD, kabel VFD ke motor berupa kabel simetris berpelindung dengan terminasi 360° di kedua ujung; pelindung kabel sensor analog justru dibumikan di satu ujung, biasanya di panel, karena aturan satu ujung berlaku untuk loop frekuensi rendah. Pelindung yang salah sering tampak sebagai sinyal 4-20 mA yang berayun dan RCD yang trip.

Kunci pintu dan fungsi keselamatan

ISO 10472-2 mensyaratkan pintu drum terkunci sehingga tidak dapat dibuka selama drum berputar. Izin jalan: drum hanya boleh berputar bila pintu tertutup dan terkunci, dibaca dua kanal dari sakelar kunci pintu -B1. Izin buka: pintu hanya boleh dibuka setelah drum terbukti diam dan bak kosong. Keduanya diproses modul keselamatan -K4, bukan PLC standar, karena menurut Bab 49 tentang stop darurat kegagalan masukan, CPU, atau program PLC standar dapat meniadakan fungsi tanpa terlihat.

Frekuensi keluaran nol atau sinyal "zero speed" VFD tidak membuktikan drum diam: setelah trip atau saat safe torque off (STO) aktif, keluaran nol sementara drum masih meluncur (Bab 55 tentang pengereman motor). Karena itu -K4 membaca sensor putaran drum -B4 dan sakelar bak kosong -B2, dan Bab 74 tentang uji pra-energi menambahkan pewaktu keselamatan 120 s sebagai batas bawah. Dengan rumus bab itu dan $t_\text{d}$ terukur 10,2 s, $t_\text{kunci}\ge1{,}3\,(t_\text{d}+t_\text{henti,0})=1{,}3\times(10{,}2+62{,}8)=94{,}9$ s, sehingga 120 s memenuhi. Kunci yang terkunci oleh pegas tetap menahan pintu saat listrik padam di tengah peras.

Tingkat kinerja fungsi ini ditetapkan dari penilaian risiko menurut ISO 13849-1:2023, dan arsitekturnya ada di Bab 70 tentang keselamatan fungsional mesin. Mesin dengan kunci pintu yang dijembatani tidak dioperasikan dalam keadaan apa pun.

Sensor: level, suhu, ketidakseimbangan, dan posisi pintu

Banyak kode kesalahan berasal dari sinyal sensor, bukan dari komponen daya.

Menurut Bab 60 tentang sensor proses, Pt100 berubah sekitar 0,38 sampai 0,39 Ω per kelvin, sehingga resistansi sambungan dua kawat yang berkarat terbaca sebagai suhu lebih tinggi, dan pada loop 4-20 mA, 3,6 mA atau kurang serta 21 mA atau lebih adalah sinyal kegagalan menurut NAMUR NE 43.

ISO 10472-2 meminta mesin dengan faktor G di atas 150 mendeteksi beban tidak seimbang lalu menurunkan putaran ke tingkat aman, dengan pengindra yang tahan terhadap upaya pintasan. Kontak sensor diskret untuk fungsi keselamatan dipilih NC atau dengan pemantauan, supaya kabel putus menghasilkan keadaan aman (Bab 59 tentang sensor diskret).

Katup air, katup buang, dan sinyal dispenser

Katup air panas -Q4 dan air dingin -Q5 adalah katup solenoid normally closed (NC), posisi gagal aman: tanpa catu 24 V katup tertutup dan bak tidak terisi. Menurut Bab 62 tentang katup solenoid, katup buang -Q6 pada sebagian mesin berjenis normally open (NO), sehingga padam listrik membuang air dan bak kosong sebelum pintu dibuka, dan katup masuk kerja pilot memerlukan tekanan diferensial minimum: tekanan air rendah membuat katup tidak membuka walaupun koil sehat, gejala yang sering disangka koil putus.

Koil katup adalah beban induktif, sehingga koil DC diberi dioda peredam paralel dan koil AC jaringan RC atau varistor (Bab 63 tentang PLC); tanpa peredam, lonjakan tegangan saat arusnya diputus dapat merusak transistor keluaran PLC atau membuat kontak relai berbusur, terkikis, lalu lengket atau gagal membuka.

Pompa bahan kimia umumnya ada di dispenser peristaltik terpisah; menurut Bab 1 · Dispensing Kimia tentang dispenser, mesin hanya mengirim sinyal pemicu per tahap, berupa 24 V DC, AC, atau kontak kering, yang di dispenser lazimnya dipisahkan lewat optocoupler. Kabel sinyal itu dapat tetap bertegangan walaupun dispenser sudah dicabut, sehingga mesin dan dispenser keduanya diisolasi sebelum terminal sinyal dibuka. Pompa yang berputar tanpa mengalirkan cairan karena selang lelah atau katup kaki tersumbat dibuktikan dengan verifikasi volume, bukan arus motor pompa.

Diagnosis: tiga kasus gangguan lintas modul

Gejala yang sama dapat berasal dari subsistem berbeda, dan menurut Bab 78 tentang metode diagnosis hanya uji pembeda yang memisahkan hipotesis. Pengukuran bertegangan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai (CAT III di panel mesin, Bab 14 tentang alat ukur) dan APD; pengukuran lain setelah LOTO dan verifikasi bebas tegangan (Bab 76 tentang kerja aman, Bab 2 · Keselamatan tentang verifikasi keadaan aman).

Pada kasus 1, RCD tipe A yang ditemukan teknisi tidak menjelaskan trip; tipe A justru dapat gagal memutus gangguan searah halus (Bab 22 tentang RCD), jadi temuan itu dikoreksi apa pun hasil ujinya. Pada kasus 2, pintu tetap terkunci selama drum meluncur karena -K4 membaca -B4, bukan frekuensi VFD. Kasus 3 dihitung pada Contoh 5.

Pemeliharaan listrik mesin

Interval mengikuti kategori kekritisan A untuk washer-extractor ber-VFD di Bab 81 tentang pemeliharaan listrik terencana; interval khas mesin diambil dari manual.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Setiap pengukuran resistansi dilakukan setelah LOTO dan verifikasi bebas tegangan menurut Bab 76 tentang kerja aman.

Contoh 1: arus beban, pengaman, dan kabel ke mesin. Kabel tetap -W11 sepanjang 20 m berjalan sendiri di rak berlubang bersuhu udara 40 °C; tabel KHA dan rumus susut di sini dan di Contoh 2 mengikuti Bab 73 tentang pemasangan mesin. Pemisah dan kabel dinilai dari fasa terberat saat beban penuh (5100.5.8.3.4): arus pemanas segitiga $I_\text{E}=12\,000/(\sqrt{3}\times400)=17{,}3$ A ditambah arus masukan VFD 11 A dan kendali sekitar 0,5 A, seperti di Bab 31 tentang isolasi. Untuk NYY $5\times6$ mm² metode E, Tabel B.52.10 memberi 43 A dan faktor suhu 40 °C 0,87:

$$I_\text{B,L1} = 11 + 17{,}3 + 0{,}5 = 28{,}8\ \text{A}, \qquad I_\text{Z} = 43 \times 0{,}87 = 37{,}4\ \text{A}$$

MCB 32 A memenuhi $I_\text{B}\le I_\text{n}\le I_\text{Z}$ (433.1), karena $28{,}8\le32$ A dan $I_\text{Z}\ge32$ A. Bila kabel itu berbagi rak dengan tiga kabel lain ($f_\text{g}=0{,}77$, Bab 38 tentang instalasi laundry), $I_\text{Z}$ turun ke 28,8 A dan gagal, sehingga dipakai 10 mm². Untuk -W12 pada 40 sampai 45 °C, NSHou 6 mm² memberi $44\times0{,}69=30{,}4$ A, kurang dari 32 A, dan 10 mm² memberi $61\times0{,}69=42{,}1$ A, sehingga dipilih $5\times10$ mm².

Contoh 2: susut tegangan, pemisah, RCD, dan pemutusan otomatis. Batas susut 4 % dihitung kumulatif dari terminal pelanggan (2.2.3.1), dan sampai PHB area cuci sudah 1,5 %. Dengan $\cos\varphi=0{,}95$ karena pemanas dominan:

$$u = \left(\rho_1\frac{L}{S}\cos\varphi + x\,L\sin\varphi\right)I_\text{B}, \qquad u_\text{W11} = \left(0{,}0225 \times \frac{20}{6} \times 0{,}95 + 0{,}08 \times 10^{-3} \times 20 \times 0{,}312\right) \times 28{,}8 = 2{,}07\ \text{V}$$

Nilai itu 0,90 % dari 230 V, dan -W12 menambah 0,11 V atau 0,05 %, sehingga $1{,}5+0{,}90+0{,}05=2{,}45$ %, di bawah 4 %. -Q11 harus sekurang-kurangnya $1{,}15\times28{,}8=33{,}1$ A dan tidak di bawah MCB 32 A, sehingga dipilih 40 A pada AC-23B 400 V, dan RCD -F21 juga 40 A agar tidak di bawah MCB; arus konduktor proteksi 4,0 mA dari lembar data mesin berada di bawah 9 mA. Sirkit akhir sampai 32 A pada TN harus putus dalam 0,4 s (411.3.2.2), sehingga $Z_\text{s}\le U_0/I_\text{a}$ dengan $I_\text{a}=10\times32=320$ A untuk kurva C. Bab 74 tentang uji pra-energi mengukur 0,52 Ω di terminal masuk mesin yang sama, sekitar 0,55 Ω setelah koreksi suhu kabel cara Bab 21 tentang proteksi kejut listrik, di bawah $230/320=0{,}72$ Ω.

Contoh 3: Pt100 dua kawat di laundry hotel. PLC menampilkan 60 °C, sedangkan termometer acuan di bak membaca 56 °C. Setelah isolasi, resistansi bolak-balik kawat dan terminal -B5 yang berkarat terukur 1,5 Ω. Dengan kepekaan 0,38 sampai 0,39 Ω per kelvin:

$$\Delta t = \frac{1{,}5}{0{,}39} \text{ sampai } \frac{1{,}5}{0{,}38} = 3{,}8 \text{ sampai } 3{,}9\ \text{K}$$

Selisih itu menjelaskan hampir seluruh 4 °C: air sebenarnya lebih dingin daripada tampilan, sehingga -Q2 memutus pemanas terlalu awal. Terminal dibersihkan, lalu -B5 dibandingkan ulang dengan termometer acuan.

Contoh 4: mesin kedua pada -F21. Laundry hotel ingin menyambung mesin kedua yang sama ke -F21. Arus konduktor proteksinya $2\times4{,}0=8{,}0$ mA, masih di bawah 9 mA, tetapi arus fasa terberat dapat mencapai $2\times28{,}8=57{,}6$ A, di atas MCB 32 A dan RCD 40 A, dan trip satu mesin memadamkan keduanya. Mesin kedua mendapat sirkit, pemisah, dan RCD tipe B sendiri.

Contoh 5: air lambat panas pada kasus 3. Setiap elemen 4 kW pada 400 V beresistansi $400^2/4\,000=40$ Ω dan mengalirkan 10 A. Bila elemen L1-L2 putus, arus lin menjadi 10 A di L1, 10 A di L2, dan tetap 17,3 A di L3, dan daya turun ke 8 kW. Bak 100 L dipanaskan ke 60 °C dari 25 °C, atau dari 45 °C bila diisi -Q4 dari sistem air panas hotel:

$$E_{25} = 100 \times 4{,}186 \times 35 = 14{,}7\ \text{MJ}, \qquad E_{45} = 100 \times 4{,}186 \times 15 = 6{,}28\ \text{MJ}, \qquad t_{45} = \frac{6{,}28 \times 10^6}{12\,000} = 523\ \text{s} \approx 8{,}7\ \text{menit}$$

Dari 25 °C pemanasan memerlukan 20 menit pada 12 kW dan 31 menit pada 8 kW. Tanpa tegangan, tiap pasangan terminal sehat terbaca $40\parallel80=26{,}7$ Ω (rumus paralel Bab 1 tentang resistansi), dan dengan satu elemen putus 80, 40, dan 40 Ω; kutub -Q2 yang tidak menyambung memberi 0, 15, dan 15 A (6 kW, waktu dua kali lipat). Bila ketiga arus fasa 17,3 A, diagnosis beralih dari -E1 dan -Q2: suhu PLC yang lebih rendah daripada termometer acuan menguatkan hipotesis c, dan pasokan air panas yang dingin memperpanjang pemanasan dari 8,7 menjadi 20 menit.

Contoh 6: tren resistansi isolasi motor. Uji 12 bulan dengan motor dilepas dari -T1 memberi 180 MΩ, sedangkan catatan tahun lalu pada suhu sebanding 400 MΩ. Rasio $180/400=45$ % berada di bawah pemicu 50 % menurut Bab 81 tentang pemeliharaan, sehingga kelembapan, kotoran, dan belitan diselidiki walaupun angkanya masih besar.

Kondisi berhenti

Kondisi berhenti Bab 49 tentang stop darurat, Bab 55 tentang pengereman, Bab 76 tentang kerja aman, Bab 22 tentang RCD, Bab 68 tentang parameter VFD, dan Bab 70 tentang keselamatan fungsional tetap berlaku. Untuk mesin ini, pekerjaan dihentikan atau mesin tidak dioperasikan, dan keputusan melanjutkan diserahkan kepada personel kompeten yang ditugaskan atas mesin itu, bila:

1. Panel mesin, kotak terminal motor, atau terminal -R1 akan dibuka sebelum -Q11 dan -Q3 dikunci, 300 s ditunggu, dan tegangan tautan DC terukur di bawah 60 V oleh personel kompeten dengan alat CAT III yang berating DC sesuai (Bab 2 · Keselamatan tentang verifikasi keadaan aman).
2. Kunci pintu, sensor putaran -B4, sakelar bak kosong -B2, pembatas suhu -B3, atau sensor ketidakseimbangan -B7 dijembatani, dilepas, atau tidak berfungsi, atau pintu dapat dibuka saat drum berputar atau bak berisi air.
3. RCD -F21 bukan tipe B, gagal uji tombol atau uji alat, atau trip berulang ditangani dengan tipe atau sensitivitas lebih rendah tanpa data arus konduktor proteksi.
4. Trip tegangan lebih berulang saat berhenti, atau -R1 berubah warna, retak, atau panas tidak wajar; setelah trip, drum dianggap berputar sampai -K4 menyatakan diam.
5. Lantai tergenang, -W12 terjepit atau selubungnya rusak, atau air masuk ke panel.
6. Arus pemanas, arus bocor, atau tegangan akan diukur pada bagian bertegangan tanpa personel kompeten, alat berkategori ukur sesuai, dan APD.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab ini merangkai Bab 52 sampai Bab 70 tentang kelistrikan mesin dan instalasi, di atas Bab 1 · Keselamatan tentang energi tersimpan dan Bab 2 · Keselamatan tentang verifikasi keadaan aman.

Bab 33 · Laundry tentang kode galat washer-extractor melanjutkan diagnosis ini dari layar mesin dengan uji pembeda sebelum komponen diganti. Satu manual servis di sana menyebut komponen kendali motor berbeda potensial sekitar 300 V terhadap bumi pelindung dan netral dan tetap bertegangan 30 sampai 60 detik setelah daya diputus dan motor berhenti, berbeda dengan label "tunggu 5 menit" pada VFD contoh bab ini; karena itu waktu tunggu selalu dibaca dari perangkat yang terpasang, dan bebas tegangan tetap dibuktikan dengan pengukuran.

Latihan dan pembahasan

Referensi