Proteksi secara bahasa di artikan sebagai pelindung atau pengaman. Secara luas proteksi diartikan sebagai pengamanan atau perlindungan suatu sistem tertentu untuk mencegah terjadinya hal-hal yang tidak di harapkan atau bahkan merugikan sistem tersebut. Disini penulis akan membahas proteksi yang diterapkan pada sistem motor listrik, di harapkan dapat mencegah terjadinya kerusakan. Walaupun resiko kerusakan ini tidak mampu kita cegah secara ideal, setidaknya mampu meminimalisir resiko kerusakan tersebut.
Dunia internasional telah memberikan Kode International Protection untuk peralatan listrik. Peralatan listrik pada name plate tertera simbol yang berhubungan dengan tindakan pengamanan (Gambar 2.7). Klas I memberikan keterangan bahwa badan alat harus dihubungkan dengan pentanahan. Klas II menunjukkan alat dirancang dengan isolasi ganda dan aman dari tegangan sentuh. Klas III peralatan listrik yang menggunakan tegangan rendah yang aman, contoh mainan anak-anak.
Motor listrik bahkan dirancang oleh pabriknya dengan kemampuan tahan terhadap siraman air langsung (Gambar 2.8). Motor listrik jenis ini tepat digunakan di luar bangunan tanpa alat pelindung dan tetap bekerja normal dan tidak berpengaruh pada kinerjanya. Name plate motor dengan IP 54, yang menyatakan proteksi atas masuknya debu dan tahan masuknya air dari arah vertikal maupun horizontal. Ada motor listrik dengan proteksi ketahanan masuknya air dari arah vertikal saja (Gambar 2.9a), sehingga cairan arah dari samping tidak terlindungi. Tapi juga ada yang memiliki proteksi secara menyeluruh dari segala arah cairan (Gambar 2.9b). Perbedaan rancangan ini harus diketahui oleh teknisi dan operator karena berpengaruh pada ketahanan dan umur teknik motor, di samping harganya juga berbeda. (pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2.7 Simbol pengamanan pada nameplate
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2. 8 Motor listrik tahan dari siraman air
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2.9 Motor listrik tahan siraman air vertikal dan segala arah
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Ada beberapa hal yang harus dilindungi agar motor listrik tidak cepat rusak. Pertama, perlindungan fisik motor secara keseluruhan dari ligkungan sekitarnya. Kedua perlindungan mekanis motor listrik. Ketiga, perlindungan motor dari energi suplay.
2.2.1 Proteksi Terhadap Gesekan
Pengaturan putaran motor juga sangat berperan penting dalam mencegah terjadi kerusakan pada motor listrik. Putaran yang tidak stabil dapat menyebabkan rotor tidak balance (tidak seimbang), tidak seimbang rotor berakibat cepatnya aus bagian yang bergesek. Keausan ini selain harus dicegah melalui pengaturan putaran juga dengan memperkecil gaya gesek pada bagian yang bersentuhan.
Menurut Peter Soedojo (1999:10) bahwa “Gesekan ialah gerakan relative antara 2 permukaan yang bersinggungan sedemikian hingga akibat persinggungan tersebut, gerakan yang satu terhadap yang lain menjadi tidak leluasa dan mengalami hambatan. Makin lekat atau kuat persinggungan itu, makin besar hambatan itu, yakni makin besar gesekannya”.
Dari uraian di atas maka kita ketahui bahwa gesekan antara dua permukaan besar apabila persinggungan antara kedua permukaan tersebut kuat. Pada motor listrik singgungan tersebut sangat rapat, sehingga mempunyai resiko gesekan yang besar. Pada sentuhan ini terjadi gaya gesekan Fg yang sebanding sebanding dengan gaya tekan atau sering disebut gaya normal. Secara matematis gaya gesek dapat kita nyatakan:
Fg = μ N
Dengan μ adalah koefisien gesek. Besaran μ ini ditentukan oleh kekasaran kedua permukaan yang bersentuhan. Pada motor listrik, untuk memperkecil gaya gesek ini harus kita upayakan pengecilan koefesien gesek dengan memperhalus sentuhan dua permukaan. Untuk mendapatkan kehalusan sentuhan ini dapat kita gunakan zat perantara berupa pelumas. Dengan menggunakan pelumas permukaan menjadi licin, sehingga menghasilkan μ yang relative kecil. Hal ini juga di dukung oleh pendapat Peter Soedojo (1999:10) yang mengatakan:
Untuk gerakan benda padat di dalam fluida (cairan ataupun gas) sebagai mediunya, gaya gesekannya kecuali sebanding dengan kecepatan gerakan benda padat itu di dalam atau relatif terhadap fluida mediumnya.
Untuk benda yang berwujud bola berjari-jari r yang bergerak di dalam fluida yang koefesien viskositasnya η dengan kecepatan v, gaya gesekannya dinyatakan dengan rumus stokes:
Fg = 6 π r η v
Penjabaran persamaan ini sangat rumit dan tidak dibahas di sini. Untuk melindungi motor listrik dari kerusakan kita dapat menggunakan pelumas jenis rotary yang beredar di pasaran. Pelumas rotary atau yang di kenal dengan Gemuk dalam bahasa sehari-harinya, dapat memperkecil gaya gesek pada poros motor listrik. Selain itu juga dapat meredam panas akibat sentuhan tersebut. Sehingga dengan menggunakn pelumas ini dapat melindungi dari kerusakan mekanis motor dan mengurangi resiko kerusakan pada motor listrik.
Hubungan antara koefesien gesek dengan gaya gesek, serta pengaruhnya terhadap percepatan gerak putar dapat kita lihat dari persamaan berikut:
N.μ = fg
FT = F- fg → a= FT/m
Keterangan:
N = gaya normal (N)
μ = koefesien gesek
fg = gaya gesek (N)
FT =gaya total untuk putaran (N)
Dari hubungan di atas terlihat bahwa, koefesien gesek mempengaruhi gaya gesek, selanjutnya gaya gesek mengurangi gaya torsi yag dihasilkan medan magnet. Akibatnya gaya output yang menjadi tenaga putar pun menjadi berkurang, berkurangnya gaya ini tentunya mempengaruhi percepatan putar motor. Artinya semakin besar koefesien gesek, maka semakin kecil putaran yang dihasilkan. Selain itu terhadap beban arus juga akan berpengaruh, hal ini akan kita jelaskan pada bahasan proteksi terhadap beban.
2.2.2 Proteksi Terhadap Suhu
Motor listrik merupakan salah satu perangkat elektronis yang peka terhadap kerusakan. Agar resiko kerusakan ini dapat kita antisipasi di perlukan suatu sistem perlindungan yang kita kenal dengan sistem proteksi motor listrik. Fisik motor listrik harus di desain sedemikian rupa sehingga tahan terhadap keadaan lingkungan, terutama keadaan termal. Sejalan dengan lamanya bekerja motor listrik maka suhunya semakin meningkat. Bila motor listrik terus saja digunakan akan terjadi pemuaian pada kompnennya sehingga macet atau tidak dapat berputar lagi. Menurut Peter Soedojo (1999:15) mengatakan:
Hubungan antara panas dan tenaga itu mengemuka melalui hubungan antara tenaga mekanik dan suhu. Misalnya, tenaga kinetik molekul gas pada suhu T dalam derajat Kelvin, ºK diberikan oleh ½ mv2 =(3/2) kT dimana k ialah tetapan Bolztman sebesar 1,38x10-23 joule/ ºK. Hubungan tersebut lalu memberikan penambahan tenaga kinetic yang sebanding dengan kenaikan suhu ΔT. Di lain pihak, banyaknya panas yang menaikkan suhujuga sebanding dengan kenaikan suhu ΔT. Jadi dapat diperkirakan adanya kesebandingan atau kesetaraan antara tenaga mekanik dalam satuan joule dengan banyaknya panas dalam satuan kalori. Ternyata 1 joule setara dengan 0,24 kalori dan besaran 0,24 kalori/joule ataupun 4,2 joule/kalori, dinamakan equivalent atau tara panas mekanik joule.
Akibat adanya kenaikan temperatur pada benda maka akan terjadinya penambahan ukuran benda tersebut, yang dikenal dengan istilah pemuaian. Kenaikan temperature sebesar ΔT, akan menyebabkan pertambanhan panjang sebesar ΔL yang sebanding dengan panjang semula l0 dan ΔT.
Δ.l0=α..ΔT.l0 (Daryanto, 2000:143)
Besarnya α adalah konstanta muai panjang yang tergantung pada jenis benda dan satuannya yaitu1/k.
Dari Δl=lt.l0
lt=l0+Δl
=l0+ l0.α. ΔT
lt=l0(1+ α. Δl) (Daryanto, 2000:144)
Untuk benda yang memiliki volume tertentu, sejalan dengan pertambahan temperature akan mengalami pertambahan volume. Perubahan volume ΔV pada benda padat maupun cair, yang semula bervolume V0 akibat perubahan temperature sebesar ΔT dinyatakan oleh:
ΔV = V0 γ. ΔT
Vt = V0 (1+ γ. ΔT) → γ = 3α (Daryanto, 2000:144)
Untuk mencegah terjadinya pemuaian ini diperlukan suatu cara meredam kalor yang dihasilkan oleh motor listrik. Selain dengan meredam kalor juga dengan mentransfer kalor ke ketempat lain yang tidak mengganggu motor listrik, seperti ke udara di lingkungannya. Menurut Peter Soedojo (1999:69) bahwa:
Panas, kecuali mengalir dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda lain yang suhunya lebih rendah, apabila keduanya disinggungkan satu sama lain, juga mengalir dari bagian suatu banda yang suhunya tinggi ke bagian lain dari benda itu juga yang suhunya lebih rendah. Aliran panas demikian merupakan transfer atau pindahan tenaga kinetic getaran dari satu atom ke atom lain di sebelahnya melaluitumbukan. Sebagaimana di dalam benda pada, atom-atomitu bergetar-getar di sekitar titik setimbangnya dengan tenaga kinetic K=1/2 MV2=3X1/2 kT sesuai dengan azas equipartisitenaga atau pembagian tenaga merata yang mengatakan bahwa tenaga kinetic partikelsama dengan ½ Kt untuk tiap derajat kebebasan.
Berdasarkan kutipan di atas maka cara yang tepat untuk mengatasi panas yang di hasilkan motor adalah dengan menghasilkan angin di sekitar body motor yang rawan menimbulkan panas. Dalam hal ini kita melihat desain bagian motor. Bagian motor yang paling cepat meningkatkan panas adalah di sekitar rotor yang berputar karena adanya proses gesekan. Untuk itu diperlukan hembusan angin yang kuat pada bagian tersebut. Untuk mengahsilkan angin maka perlu dibuat fan (kipas). Kipas dihubungkan secara langsung dengan poros utama motor. Semakin cepat putaran motor semakin cepat peningkatan panasnya, demikian juga semakin besar angin yang di hasilkan kipas sehingga mampu mengimbangi panas yang ditimbulkan. Dengan demikian motor listrik dapat dilindungi dari kerusakan akibat keadaan panas.
Hubungan penyerapan panas oleh angin tersebut dapat rumuskan dengan persamaan matematisnya sebagaimana di kutip dari Peter Soedojo (1999:77)
Banyaknya tumbukan yang dialami satu molekul per satuan waktu sepanjang arah gerakannya dengan kecepatan (v) adalah sebanyak molekul yang untuk mudahnya dianggap diam, yang berada di dalam silinder yang panjangnya v dan penampang melintangnya sama dengan diameter molekul (d). Kalau kerapatan molekulnya adalah n, maka banyaknya molekul itu adalah:
N = n π d2 v
Dengan demikian jarak bebas rata-ratanya adalah:
λ = v/N = 1/ (nπd2)
Oleh karena sebenarnya molekul-molekul itu tidak tinggal diam, melainkan juga bergerak dengan kecepatan v ke berbagai arah, maka secara efektif banyaknya molekul yang ditumbuk sebenarnya lebih banyak. Dengan demikian Maxwell mengoreksi rumus di atas menjadi:
λ = 1/(n π d2 √2)
sedangkan Clausius mendapatkan:
λ = 3/ (4n π d2)
Selanjutnya dapat dijabarkan rumus-rumus daya hantar jenis K, koefesien viskositas η, dan koefesien difusi D dalam hubunannya dengan λ dalam bentuk:
K = (1/3) ρ vλcv ; η = (1/3) ρv ; D = (1/3) λ v
Dengan v kecepatan rata-rata yang diberikan oleh:
v =
v n(v) 4π v2 dv = (8kT/ πm)1/2
sedangkan cv ialah panas jenis pada volume tetap dan ρ ialah massa jenis.
Oleh karena adanya tumbukan udara disekitar motor maka kalor yang dihasilkan motor dapat berpindah, dengan demikian suhu tetap terjaga dalam batas yang diperbolehkan. Batas suhu yang masih ditolerir bergantung pada jenis logam yang digunakan. Maka umumnya motor terbuat dari logam campuran yang tahan terhadap suhu tinggi.
2.2.3 Proteksi Terhadap Beban
Motor listrik kadang kala diberikan beban lebih tanpa disadari. Beban yang berlebihan dapat membuat beberapa komponen tak sanggup menahannya, akibatnya terjadi kerusakan. Misalnya, motor digunakan untuk memutar beban melebihi kapasitas putaran motor sehingga arus disuplay melebihi daya tahan kawat, akibatnya kawat kumparan hangus dan tidak dapat digunakan lagi. Untuk kejadian seperti ini, proses proteksi motor listrik dapat kita bantu dengan menggunakan rangkaian.
Adapun secara umum motor listrik diproteksi terhadap beban menggunakan rangkaian meliputi beberapa hal, antara lain pembebanan lebih, hubungan singkat, dan tegangan rendah. Beberapa komponen elektronis yang berperan penting dalam rangkaian proteksi motor listrik seperti dijelaskan oleh Djiteng Marsudi (2004:42) bahwa ada beberapa relai yang digunakan untuk memproteksi motor listrik:
a. Relai Arus Lebih dan Skring Lebur
Untuk memproteksi motor listrik dari pembebanan lebih maupun hubungan singkat kita dapat menggunakan relai arus lebih.
b. Relai Stall
Stall adalah fenomena dimana putaran motor sewaktu start tidak dapat dinaikkan dengan cepat karena beban yang terlalu berat. Relai arus lebih harus distel sedemikian rupa dimana relai arus lebih selama periode start harus membolehkan arus start yang tinggi selama tidakmelampui batas waktu tertentu yang menyangkut kemampuan termal motor.
c. Relai tegangan rendah/hilang
saklar motor listrik umumnya menggunakan magnet pemegang kontak-kontak saklar (holding coil). Proteksi tegangan rendah atau hilang diperlukan karena tegangan yang rendah dapat menimbulkan arus lebih. Sedangkan tegangan pasokan hilang perlu diikuti pembukaan saklar agar jangan timbul arus berlebihan jika tegangan pasokan datang kembali.
d. Relai arus urutan negatif
Apabila pasokan daya dari salah satu fasa hilang, dapat menimbulkan pemanasan berlebihan dalam stator dan rotor motor. Relai ini mampu melakukan proteksi motor terhadap gangguan antar fasa, gangguan fasa-tanah, beban lebih, arus urutan negatif dan motor macet.
Dari kutipan di atas dapat diketahui bahwa ada beberapa jenis relai yang dapa kita gunakan untuk memproteksi motor listrik dari kerusakan. Relai-relai tersebut digunakan sesuai dengan fungsinya masing-masing. Dalam perkebangan zaman relai dimulai dari relai mekanis, elektro-mekanis, elektronis, dan akhirnya digital. Seiring kemajuan tekhnologi relai digital saat ini paling banyak digunakan, selain karena kemampuannya untuk memproteksi juga mampu merekam kejadian gangguan. Kejadian yang dapat direkam adalah jumlah start, profil arus beban, urutan kejadian sewaktu terjadi gangguan dan juga suhu dari bagian motor yang dikehendaki.
Selain relay juga digunakan kapasitor untuk melindungi rangkaian motorlistrik. Kapasitor disebut juga kondensator, yang berupa bahan konduktor yang dapat menyimpan energi dalam bentuk muatan-muatan listrik.seperti dikatakan Peter Soedojo (1999:171):
Kapasitor adalah sistem konduktor yang mampu menyimpan rapat (to condense) muatan listrik sehingga memiliki daya tampung, yaitu kapasitas yang besar sehingga disebut kapasitasnya besar.
Tenaga yang tersimpan di dalam konduktor dan kondensator bermuatan listrik adalah tenaga sistem titik-titik muatan yang dikandungnya. Mengingat konduktor adalah badan equipotensial maka tenaga yang tersimpan di dalam konduktor bermuatan adalah:
U = ½ Σqi V = ½ V Σ qi = ½ Vq = ½ qV
Sedangkan yang di dalam kondensator bermuatan, selaku dua konduktor bermuatan diberikan oleh:
U = ½ {qV1+ (-q)V2} = ½ q (V1-V2) = ½ qV
Jadi baik untuk konduktor bermuatan maupun kondensator bermuatan, tenaga yang dikandungnya adalah:
U = ½ Qv = ½ CV2 = ½ q2/C
Menurut Owen Bishop (2004:55)
Relay adalah sebuah saklar yang di kendalikan oleh arus. Relay memiliki sebuah kumparan tegangan rendah yang dililitkan pada sebuah inti. Terdapat sebuah armatur besi yang tertarik menuju inti apabila arus mengalir melewati kumparan. Armature terpasang pada sebuah tuas berpegas. Ketika armatur tertarik menuju inti, kontak jalur bersama akan berubah posisi dari kontak normal-tertutup ke kontak normal-terbuka.
Relay merupakan sebuah saklar, fungsinya untuk memutuskan dan menghubungkan rangkaian. Relay memiliki perbedaan dengan saklar biasa dari cara kerjanya. Saklar biasa bekerja secara manual dengan bentuan tenaga luar, sedangkan relay dibantu oleh arus yang mengalir ke kumparan. Setelah arus mengalir di dalam kumparan, inti besi menghasilkan medan manet yang menyebabkan gaya tarik terhadap armatur. Tarikan armature ini menghubungkan kontak, sehingga arus dapat mengalir ke rangkaian kerja.
Relay dapat bekerja lebih cepat dari saklar biasa, kecepatan kerja relay bervaiasi. Gambar di atas contoh relay yang dapat diaktifkan dalam waktu 10 ms. Sebagian besar relay modern di tempatkan dalam sebuah kemasan yang tertutup rapat.
Menurut Owen Bishop (2004:20)
Sekring adalah sebuah komponen yang di dalam nya berisi seutas kawat yang sangat tipis, terbuat dari bahan logam campuran khusus yang dapat meleleh pada suhu yang relative rendah. Apabila arus yang mengalir melewati sekring terlalu besar, panas akan dihasilkan dengan cepat. Kawat sekring akan menjadi begitu panas, sehingga meleleh dan menyebabkan terputusnya rangkaian. Pemutusan ini mengakibatkan penghentian pemasokan arus ke rangkaian.
Sekring memiliki kapasitas tertentu untuk dilewati arus, artinya bila arus melebihi rating yang di tetapkan maka sekring akan memutuskan aliran arus tersebut. Untuk memenuhi berbagai kebutuhan peralatan listrik maka dibuat sekring dengan berbagi ukuran yang sesuai. Contoh sekring yang iasa digunakan untuk listrik PLN memiliki rating, 3A, 5A dan 13A. Gunakanlah sekring yang seusai kebutuhan.
Proteksi arus dan tegangan lebih tujuannya adalah untuk sistem pengaman arus dan tegangan lebih. Pada kebanyakan peralatan listrik memerlukan sistem pengaman untuk melindungi terjadinya beban lebih. Arus yang besar pada rangkaian listrik terjadi akibat hubung singkat, sehingga menimbulkan kerugian peralatan (kerusakan mekanis dan bahkan kebakaran). Oleh karena itu untuk melindungi terjadinya hubung singkat dilakukan pemasangan sekering (fuse).
Cara kerja dari fuse adalah berdasarkan pelelehan bahan sehingga akan memberikan hubungan terbuka pada rangkaian karena beban lebih atau hubung singkat. Semua jenis sekering mampunyai sifat sensitif terhadap temeratur (dari temperatur ambang 25o C), serta mempunyai spesifikasi rating arus dan tegangan.
Sekering dalam rangkaian konverter harus dari jenis khusus yaitu dari jenis ultra high speed fuse. Biasanya hanya konverter jenis thyristor yang dapat meggunakan pengaman sekering. Sedangkan jenis saklar solid state lain tidak teramankan oleh sekering tersebut (tidak cukup cepat putus oleh arus yang membahayakan saklar solid statenya). Untuk konverter transistor misalnya, digunakan pengaman arus elektronik yang mampu bereaksi jauh lebih cepat dari pada sekering.
Di dalam konverter, servo amplifier dan inverter diperlukan pembatas arus dan tegangan. Bila konverter digunakan untuk menjalankan motor, kecepatan motor dikurangi dari putaran tinggi ke putaran rendah, sehingga motor berfungsi sebagai generator. Akibatnya arus akan diumpan-balikkan pada kapasitor antara terminal power suplai. Hal ini akan terjadi pengisian kembali pada kapasitor dan dapat menaikkan tegangan sehingga dapat merugikan transistor. Sumber tegangan lebih yang lain datang dari kerja ON dan OFF dari sklar solid state. Pada setiap operasi OFF timbul tegangan lebih akibat adanya GGL lawan dari beban induktor. Jenis tegangan lebih ini terjadi tidak pada terminal masukan konverter tetapi pada setiap saklar solid state dalam konverter tersebut. Oleh karenanya peralatan seperti konverter harus mempunyai pembatas arus dan proteksi tegangan lebih seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.10. Sedangkan salah satu contoh rangkaian untuk proteksi arus lebih seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.10 Konfigurasi proteksi arus dan tegangan lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 2)
Pada gambar 2.10, arus I1 mengalir melalui R1 dan melalui Tr1 dan Tr2 pada rangkaian darlington sehingga transistor ON stte. R2 adalah tahanan rendah untuk mendeteksi arus. R3 dan R1 untuk mengatur deteksi tegangan pada titik B. Selama potensial pada titik B memberikan respek ke A yang merupakan arus utama yang lebih kecil dari 0,6 volt maka tegangan maju minimum memberikan respek ke titik A, kemudian Tr3 menutup yang menyebabkan arus I3 mengalir. Setelah ini I1 cenderung berkurang sebab impedansi loop arus I1 lebih tinggi dari I2 dan transistor Darlington Tr1 dan Tr2 membuka untuk mencegah arus utama menjadi lebih tinggi dari nilai yang diset yaitu ;
Arus yang diset = (0,6/R2)(R3 + R4)/( ÇR3 + R4) (1)
Ç = faktor dari R3
Gambar 2.11 Rangkaian pembatas arus lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 3)
Contoh perhitungan arus pembatas dalam rangkaian diatas:
Jika rangkaian pembatas arus pada gambar 2.10 mempunyai R1 = 10 K, R2 = 0,1 (5watt), R3 = 200, dan Ç (faktor dari R3) = 0 sampai 1, tentukan besarnya arus yang bisa diatur (Is).
Penyelesaian:
Untuk harga Ç = 0, maka besarnya arus yang diset :
Is = (0,6/ R2)( R3 + R4)/ ( R3 + R4)
Is = (0,6/0,1)(200 + 200)/(0+200) = 12 A
Untuk harga Ç = 1, maka besarnya arus yang diset :
Is = (0,6/0,1)(200 + 200)/(200 + 200) = 6 A
Sehingga besarnya arus yang diset (Is) antara 6 A sampai dengan 12 A.
Pada gambar 2.11 bila beban sebagai generator maka arus DC diumpan balikkan dari konverter ke sumber daya. Jika arus ini terus mengalir maka tegangan pada kapasitor C2 akan melebihi rating tegangan pada transistor. Untuk mencegah hal ini, tegangan pada titik C dibandingkan dengan tegangan breakdown diode zener Dz. Bila tegangan melebihi tegangan breakdown dan tegangan maju basis ke emitor maka transistor Tr4, Tr5, dan Tr6 akan ON sampai kapasitor C2 terisi. Bila tegangan pada titik C berkurang dan diode zener akan kembali normal, maka Tr5 dan Tr6 akan kembali beroperasi. Jadi tegangan ini digunakan untuk menjaga agar powernya tetap.
Vmax = (Vz + 0,6)( R5 + R6 + R7)/(R6 + R7) (2)
t = faktor dari R6 (dari 0 sampai 1)
Vz = tegangan breakdown pada diode zener
Gambar 2. 12 Proteksi tegangan lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 4)
Gambar 2. 13 Menunjukkan rangkaian percobaan proteksi arus lebih.
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 5)
2.3 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Terjadi Kerusakan Motor Listrik
Pada kebanyakan motor listrik memerlukan sistem pengaman untuk melindungi agar tidak terjadinya kerusakan. Ada banyak faktor yang menyebabkan terjadinya kerusakan motor listrik. Menurut Djiteng Marsudi (2004: 67)
Faktor-faktor yang membahayakan motor listrik berasal dari komponen bergerak (rotor), jaringan suplai dan keadaan lingkungan. Supaya tidak terjadi kerusakan perlu sistem yang mampu mengontrol penggunaan komponen-komponen dan energi input sesuai yang dibutuhkan motor. Motor listrik perlu dilengkapi dengan sistem perlindungan. Perlindungan motor listrik berfungsi mencegah timbulnya gangguan terhadap motor dan komponennya. Istilah perlindungan dalam dunia industri dan sistem kelistrikan disebut proteksi. Proteksi mempunyai arti perlindungan diri dari kerugian dan keadaan berbahaya.
Sebelumnya sudah kita sebutkan hal-hal yang perlu kita proteksi, yaitu Pertama, perlindungan fisik motor secara keseluruhan dari ligkungan sekitarnya. Kedua perlindungan mekanis motor listrik. Ketiga, perlindungan motor dari energi suplay. Jadi dapat kita lihat faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya kerusakan itu sebagai berikut:
2.3.1 Faktor Pengkaratan
Pengkaratan tergolong kedalam kerusakan mekanis. Pengkaratan terjadi pada bagian-bagian motor yang terbuat dari logam. Pengkaratan dapat terjadi karena adanya korosi dan kontak fisik antara logam tak sejenis dalam kondisi basah. Widharto (2004:2) mengatakan, “karat dapat berupa tekik-tekik atau sumur-sumur kecil pada permukaan logam, terbentuknya rust (selaput tipis kerak) pada permukaan, penipisan yang merata, perapuhan/keropos, keretakan, dan perforasi”.
Banyak sekali jenis karat yang terjadi di alam ini, tidak kita sadari telah merugikan kita. Jenis karat ini terjadi karena adanya proses kimiawi atau elektro kimiawi antara dua bagian atau lebih pada benda padat khususnya metal besi, hal ini dapat terjadi jika adanya beda potensial dan berhubungan langsung dengan udara terbuka atau udara beruap. Widharto (2004:3) juga menyebutkan, “penyebab terjadinya karat itu sebagai berikut: tidak bebasnya metal besi dari kotoran zat lain, terjadinya oksidasi dari metal besi akibat bereaksi dengan zat asam di udara, perbedaan struktur molekuler material, serta perbedaan teganagan di dalam bagian –bagian metal besi tersebut”.
Didalam udara terdapat banyak sekali kotoran dalam bentuk-bentuk debu, partikel debu ini menimbulkan larutan yang sangat asam jika bercampur dengan partikel-partikel air. Jika keadaan udara dingin dan basah atau jika terjdi hujan, maka akan terbentuk bintik-bintik embun di permukaan metal sehingga menjadi basah. Secara alami hal ini menimbulkan perbedaan potensial antara bagian-bagian, ini menyebabkan sebagian dari metal bersifat katodis. Selain itu titik embun yang larutan PH-nya rendah berfungsi sebagai bahan elektrolit (penghantar), sehingga terjadilah karat pada bintik-bintik uap basah tersebut.
Dari uraian di atas untuk menghindari pengkaratan ini usahakanlah metal tidak basah, untuk itu tempatkan motor listri pada tempat yang selayaknya. Dan bersihkanlah selalu motor listrik dengan zat yang dapa menetralkan zan asam, seperti menggunakan minyak tanah dan lain-lain.
2.3.2 Faktor Efek Termal/Panas
Panas adalah energi yang diakibatkan pergerakan partikel atau atom-atom dalam suatu benda. Energi panas dapat berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Energi panas adakalanya menguntungkan bagi manusia dikala dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti memasak, menyetrika, pembangkit listrik, motor bakar dan lain-lain. Namun demikian tidak sedikit panas dapat merugikan manusia, seperti melelehnya gunung es di kutub, melelehnya peralatan elektronika, dan lain-lain.
Pada motor listrik panas dapat menyebabkan pemuaian pada komponen motor listrik. Panas ini ditimbulkan dari gesekan mekanis, dari perubahan energi listrik menjadi energi gerak, dan hubung singkat/korslet. Panas yang demikian dapat menjadi pengaruh terhadap kerusakan motor listrk. Beberapa jenis kerusakan yang ditimbulkan oleh efek panas menurut Daryanto (1999:49-50):
1. Terbakarnya komutator
2. Kebocoran arus
3. Terjadinya hubungan ke masa
4. Terjadi pemuaian dan keausan
5. Mengurangi daya hantar
Semua kerusakan ini dapat kita cegah jika pengkondisian panas dapat terjaga sesuai batas toleransi motor listrik. Setiap pabrik telah melakukan upaya pengendalian panas ini sesuai dengan jenis dan desain motor listrik tertentu. Dengan demikian panas tidak membahayakan motor listrik, untuk lebih baik operator motor listrik diharapkan selalu mengawasi dan menjaga dalam penggunaannya.
2.3.3 Faktor arus lebih
Arus lebih adalah arus yang memiliki nilai lebih besar dari pada rating arus kerja yang telah ditetapkan untuk sebuah motor listrik. Arus lebih ini dapat muncul karena dua sebab, yaitu terjadinya beban lebih dan terjadinya hubungan singkat. Kondisi ini perlu diproteksi untu menghindari terjadinya kerusakan pada konduktor dan komponen motor listrik yang lain. Dalam praktiknya, skring dan pemutus daya (circuit breaker, CB) menjadi alternative yang lazim digunakan untuk memenuhi kebutuhan proteksi ini.( Brian, 2004:72)
2.3.4 Faktor beban lebih
Beban lebih adalah arus lebih yang terjadi pada rangkaian yang sehat atau tidak mengalami gangguan. Arus beban lebih ini contohnya dapat terjadi karena gangguan pada motor listrik atau karena terlalu banyaknya sambungan, atau bekerja dengan beban di atas kapasitas motor. .( brian, 2004:72)
2.3.5 Faktor hubung singkat
Arus yang besar pada rangkaian motor listrik terjadi akibat hubung singkat, sehingga menimbulkan kerugian peralatan (kerusakan mekanis dan bahkan kebakaran). Arus hubung singkat adalah arus yang akan mengalir jika terjadi hubung pendek atau kontak fisik kawat yang berarus ( fasa –ke-netral) arus hubungan singkat prospektif pada dasarnya sama dengan arus hubungan singkat, namun istilah ini sering digunakan untuk menunjukan nilai hubung singkat yang penting untuk di perhatikanpada posisi pemasangan sekring atau cb.
Arus hubung-singkat prospektif merupakan parameter yang sangat penting. Namun demikian, kita tidak mengkaji lebih lanjut tentang arus hubung-singkat prospektif ini, karena yang lebih penting kita pahami dalam proses proteks ini adalah sekring dan karakteristiknya.
Selain faktor-faktor yang sudah kita jelaskan di atas, masih banyak faktor-faktor lain yang sering di anggap sepele oleh pemakai motor listrik. Padahal faktor-faktor lain ini sangat membahayakan motor listrik. Faktor faktor lain yang tidak kita bahas, akan dapat dicegah jika kita menggunakan motor listrik dengan penuh kehati-hatian dan selalu merawat atau memelihara motor listrik dengan baik.
BAB III
PENUTUP
3.1 Simpulan
Setelah melakukan pengkajian tentang proteksi motor listrik ini, maka dapat disimpulkan bahwa:
3.1.1 Motor listrik adalah perangkat elektromekanis yang bekerja berdasarkan perubahan energi listrik menjadi energi gerak (mekanis), yang secara umum terbagi dua, yaitu motor arus searah (DC) dan motor arus bolak balik (AC).
3.1.2 Ada tiga proteksi yang sangat penting terhadap motor listrik, yaitu proteksi mekanis, dibantu dengan medium pelumas untuk mengurangi gesekan, proteksi termal, dibantu dengan Airfun (kipas angin) untuk terjadinya pertukaran udara, dan proteksi terhadap beban, dibantu dengan menggunakan rangkaian proteksi yang dilengkapi komponen relay, skring, dan saklar.
3.1.3 Proteksi motor listrik memanfatkan konsep fisika gaya gesek, suhu dan pemuaian, dan listrik.
Dunia internasional telah memberikan Kode International Protection untuk peralatan listrik. Peralatan listrik pada name plate tertera simbol yang berhubungan dengan tindakan pengamanan (Gambar 2.7). Klas I memberikan keterangan bahwa badan alat harus dihubungkan dengan pentanahan. Klas II menunjukkan alat dirancang dengan isolasi ganda dan aman dari tegangan sentuh. Klas III peralatan listrik yang menggunakan tegangan rendah yang aman, contoh mainan anak-anak.
Motor listrik bahkan dirancang oleh pabriknya dengan kemampuan tahan terhadap siraman air langsung (Gambar 2.8). Motor listrik jenis ini tepat digunakan di luar bangunan tanpa alat pelindung dan tetap bekerja normal dan tidak berpengaruh pada kinerjanya. Name plate motor dengan IP 54, yang menyatakan proteksi atas masuknya debu dan tahan masuknya air dari arah vertikal maupun horizontal. Ada motor listrik dengan proteksi ketahanan masuknya air dari arah vertikal saja (Gambar 2.9a), sehingga cairan arah dari samping tidak terlindungi. Tapi juga ada yang memiliki proteksi secara menyeluruh dari segala arah cairan (Gambar 2.9b). Perbedaan rancangan ini harus diketahui oleh teknisi dan operator karena berpengaruh pada ketahanan dan umur teknik motor, di samping harganya juga berbeda. (pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2.7 Simbol pengamanan pada nameplate
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2. 8 Motor listrik tahan dari siraman air
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Gambar 2.9 Motor listrik tahan siraman air vertikal dan segala arah
(sumber: pdf Sistem Pengamanan Bahaya Listrik, 2005:296)
Ada beberapa hal yang harus dilindungi agar motor listrik tidak cepat rusak. Pertama, perlindungan fisik motor secara keseluruhan dari ligkungan sekitarnya. Kedua perlindungan mekanis motor listrik. Ketiga, perlindungan motor dari energi suplay.
2.2.1 Proteksi Terhadap Gesekan
Pengaturan putaran motor juga sangat berperan penting dalam mencegah terjadi kerusakan pada motor listrik. Putaran yang tidak stabil dapat menyebabkan rotor tidak balance (tidak seimbang), tidak seimbang rotor berakibat cepatnya aus bagian yang bergesek. Keausan ini selain harus dicegah melalui pengaturan putaran juga dengan memperkecil gaya gesek pada bagian yang bersentuhan.
Menurut Peter Soedojo (1999:10) bahwa “Gesekan ialah gerakan relative antara 2 permukaan yang bersinggungan sedemikian hingga akibat persinggungan tersebut, gerakan yang satu terhadap yang lain menjadi tidak leluasa dan mengalami hambatan. Makin lekat atau kuat persinggungan itu, makin besar hambatan itu, yakni makin besar gesekannya”.
Dari uraian di atas maka kita ketahui bahwa gesekan antara dua permukaan besar apabila persinggungan antara kedua permukaan tersebut kuat. Pada motor listrik singgungan tersebut sangat rapat, sehingga mempunyai resiko gesekan yang besar. Pada sentuhan ini terjadi gaya gesekan Fg yang sebanding sebanding dengan gaya tekan atau sering disebut gaya normal. Secara matematis gaya gesek dapat kita nyatakan:
Fg = μ N
Dengan μ adalah koefisien gesek. Besaran μ ini ditentukan oleh kekasaran kedua permukaan yang bersentuhan. Pada motor listrik, untuk memperkecil gaya gesek ini harus kita upayakan pengecilan koefesien gesek dengan memperhalus sentuhan dua permukaan. Untuk mendapatkan kehalusan sentuhan ini dapat kita gunakan zat perantara berupa pelumas. Dengan menggunakan pelumas permukaan menjadi licin, sehingga menghasilkan μ yang relative kecil. Hal ini juga di dukung oleh pendapat Peter Soedojo (1999:10) yang mengatakan:
Untuk gerakan benda padat di dalam fluida (cairan ataupun gas) sebagai mediunya, gaya gesekannya kecuali sebanding dengan kecepatan gerakan benda padat itu di dalam atau relatif terhadap fluida mediumnya.
Untuk benda yang berwujud bola berjari-jari r yang bergerak di dalam fluida yang koefesien viskositasnya η dengan kecepatan v, gaya gesekannya dinyatakan dengan rumus stokes:
Fg = 6 π r η v
Penjabaran persamaan ini sangat rumit dan tidak dibahas di sini. Untuk melindungi motor listrik dari kerusakan kita dapat menggunakan pelumas jenis rotary yang beredar di pasaran. Pelumas rotary atau yang di kenal dengan Gemuk dalam bahasa sehari-harinya, dapat memperkecil gaya gesek pada poros motor listrik. Selain itu juga dapat meredam panas akibat sentuhan tersebut. Sehingga dengan menggunakn pelumas ini dapat melindungi dari kerusakan mekanis motor dan mengurangi resiko kerusakan pada motor listrik.
Hubungan antara koefesien gesek dengan gaya gesek, serta pengaruhnya terhadap percepatan gerak putar dapat kita lihat dari persamaan berikut:
N.μ = fg
FT = F- fg → a= FT/m
Keterangan:
N = gaya normal (N)
μ = koefesien gesek
fg = gaya gesek (N)
FT =gaya total untuk putaran (N)
Dari hubungan di atas terlihat bahwa, koefesien gesek mempengaruhi gaya gesek, selanjutnya gaya gesek mengurangi gaya torsi yag dihasilkan medan magnet. Akibatnya gaya output yang menjadi tenaga putar pun menjadi berkurang, berkurangnya gaya ini tentunya mempengaruhi percepatan putar motor. Artinya semakin besar koefesien gesek, maka semakin kecil putaran yang dihasilkan. Selain itu terhadap beban arus juga akan berpengaruh, hal ini akan kita jelaskan pada bahasan proteksi terhadap beban.
2.2.2 Proteksi Terhadap Suhu
Motor listrik merupakan salah satu perangkat elektronis yang peka terhadap kerusakan. Agar resiko kerusakan ini dapat kita antisipasi di perlukan suatu sistem perlindungan yang kita kenal dengan sistem proteksi motor listrik. Fisik motor listrik harus di desain sedemikian rupa sehingga tahan terhadap keadaan lingkungan, terutama keadaan termal. Sejalan dengan lamanya bekerja motor listrik maka suhunya semakin meningkat. Bila motor listrik terus saja digunakan akan terjadi pemuaian pada kompnennya sehingga macet atau tidak dapat berputar lagi. Menurut Peter Soedojo (1999:15) mengatakan:
Hubungan antara panas dan tenaga itu mengemuka melalui hubungan antara tenaga mekanik dan suhu. Misalnya, tenaga kinetik molekul gas pada suhu T dalam derajat Kelvin, ºK diberikan oleh ½ mv2 =(3/2) kT dimana k ialah tetapan Bolztman sebesar 1,38x10-23 joule/ ºK. Hubungan tersebut lalu memberikan penambahan tenaga kinetic yang sebanding dengan kenaikan suhu ΔT. Di lain pihak, banyaknya panas yang menaikkan suhujuga sebanding dengan kenaikan suhu ΔT. Jadi dapat diperkirakan adanya kesebandingan atau kesetaraan antara tenaga mekanik dalam satuan joule dengan banyaknya panas dalam satuan kalori. Ternyata 1 joule setara dengan 0,24 kalori dan besaran 0,24 kalori/joule ataupun 4,2 joule/kalori, dinamakan equivalent atau tara panas mekanik joule.
Akibat adanya kenaikan temperatur pada benda maka akan terjadinya penambahan ukuran benda tersebut, yang dikenal dengan istilah pemuaian. Kenaikan temperature sebesar ΔT, akan menyebabkan pertambanhan panjang sebesar ΔL yang sebanding dengan panjang semula l0 dan ΔT.
Δ.l0=α..ΔT.l0 (Daryanto, 2000:143)
Besarnya α adalah konstanta muai panjang yang tergantung pada jenis benda dan satuannya yaitu1/k.
Dari Δl=lt.l0
lt=l0+Δl
=l0+ l0.α. ΔT
lt=l0(1+ α. Δl) (Daryanto, 2000:144)
Untuk benda yang memiliki volume tertentu, sejalan dengan pertambahan temperature akan mengalami pertambahan volume. Perubahan volume ΔV pada benda padat maupun cair, yang semula bervolume V0 akibat perubahan temperature sebesar ΔT dinyatakan oleh:
ΔV = V0 γ. ΔT
Vt = V0 (1+ γ. ΔT) → γ = 3α (Daryanto, 2000:144)
Untuk mencegah terjadinya pemuaian ini diperlukan suatu cara meredam kalor yang dihasilkan oleh motor listrik. Selain dengan meredam kalor juga dengan mentransfer kalor ke ketempat lain yang tidak mengganggu motor listrik, seperti ke udara di lingkungannya. Menurut Peter Soedojo (1999:69) bahwa:
Panas, kecuali mengalir dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda lain yang suhunya lebih rendah, apabila keduanya disinggungkan satu sama lain, juga mengalir dari bagian suatu banda yang suhunya tinggi ke bagian lain dari benda itu juga yang suhunya lebih rendah. Aliran panas demikian merupakan transfer atau pindahan tenaga kinetic getaran dari satu atom ke atom lain di sebelahnya melaluitumbukan. Sebagaimana di dalam benda pada, atom-atomitu bergetar-getar di sekitar titik setimbangnya dengan tenaga kinetic K=1/2 MV2=3X1/2 kT sesuai dengan azas equipartisitenaga atau pembagian tenaga merata yang mengatakan bahwa tenaga kinetic partikelsama dengan ½ Kt untuk tiap derajat kebebasan.
Berdasarkan kutipan di atas maka cara yang tepat untuk mengatasi panas yang di hasilkan motor adalah dengan menghasilkan angin di sekitar body motor yang rawan menimbulkan panas. Dalam hal ini kita melihat desain bagian motor. Bagian motor yang paling cepat meningkatkan panas adalah di sekitar rotor yang berputar karena adanya proses gesekan. Untuk itu diperlukan hembusan angin yang kuat pada bagian tersebut. Untuk mengahsilkan angin maka perlu dibuat fan (kipas). Kipas dihubungkan secara langsung dengan poros utama motor. Semakin cepat putaran motor semakin cepat peningkatan panasnya, demikian juga semakin besar angin yang di hasilkan kipas sehingga mampu mengimbangi panas yang ditimbulkan. Dengan demikian motor listrik dapat dilindungi dari kerusakan akibat keadaan panas.
Hubungan penyerapan panas oleh angin tersebut dapat rumuskan dengan persamaan matematisnya sebagaimana di kutip dari Peter Soedojo (1999:77)
Banyaknya tumbukan yang dialami satu molekul per satuan waktu sepanjang arah gerakannya dengan kecepatan (v) adalah sebanyak molekul yang untuk mudahnya dianggap diam, yang berada di dalam silinder yang panjangnya v dan penampang melintangnya sama dengan diameter molekul (d). Kalau kerapatan molekulnya adalah n, maka banyaknya molekul itu adalah:
N = n π d2 v
Dengan demikian jarak bebas rata-ratanya adalah:
λ = v/N = 1/ (nπd2)
Oleh karena sebenarnya molekul-molekul itu tidak tinggal diam, melainkan juga bergerak dengan kecepatan v ke berbagai arah, maka secara efektif banyaknya molekul yang ditumbuk sebenarnya lebih banyak. Dengan demikian Maxwell mengoreksi rumus di atas menjadi:
λ = 1/(n π d2 √2)
sedangkan Clausius mendapatkan:
λ = 3/ (4n π d2)
Selanjutnya dapat dijabarkan rumus-rumus daya hantar jenis K, koefesien viskositas η, dan koefesien difusi D dalam hubunannya dengan λ dalam bentuk:
K = (1/3) ρ vλcv ; η = (1/3) ρv ; D = (1/3) λ v
Dengan v kecepatan rata-rata yang diberikan oleh:
v =
v n(v) 4π v2 dv = (8kT/ πm)1/2sedangkan cv ialah panas jenis pada volume tetap dan ρ ialah massa jenis.
Oleh karena adanya tumbukan udara disekitar motor maka kalor yang dihasilkan motor dapat berpindah, dengan demikian suhu tetap terjaga dalam batas yang diperbolehkan. Batas suhu yang masih ditolerir bergantung pada jenis logam yang digunakan. Maka umumnya motor terbuat dari logam campuran yang tahan terhadap suhu tinggi.
2.2.3 Proteksi Terhadap Beban
Motor listrik kadang kala diberikan beban lebih tanpa disadari. Beban yang berlebihan dapat membuat beberapa komponen tak sanggup menahannya, akibatnya terjadi kerusakan. Misalnya, motor digunakan untuk memutar beban melebihi kapasitas putaran motor sehingga arus disuplay melebihi daya tahan kawat, akibatnya kawat kumparan hangus dan tidak dapat digunakan lagi. Untuk kejadian seperti ini, proses proteksi motor listrik dapat kita bantu dengan menggunakan rangkaian.
Adapun secara umum motor listrik diproteksi terhadap beban menggunakan rangkaian meliputi beberapa hal, antara lain pembebanan lebih, hubungan singkat, dan tegangan rendah. Beberapa komponen elektronis yang berperan penting dalam rangkaian proteksi motor listrik seperti dijelaskan oleh Djiteng Marsudi (2004:42) bahwa ada beberapa relai yang digunakan untuk memproteksi motor listrik:
a. Relai Arus Lebih dan Skring Lebur
Untuk memproteksi motor listrik dari pembebanan lebih maupun hubungan singkat kita dapat menggunakan relai arus lebih.
b. Relai Stall
Stall adalah fenomena dimana putaran motor sewaktu start tidak dapat dinaikkan dengan cepat karena beban yang terlalu berat. Relai arus lebih harus distel sedemikian rupa dimana relai arus lebih selama periode start harus membolehkan arus start yang tinggi selama tidakmelampui batas waktu tertentu yang menyangkut kemampuan termal motor.
c. Relai tegangan rendah/hilang
saklar motor listrik umumnya menggunakan magnet pemegang kontak-kontak saklar (holding coil). Proteksi tegangan rendah atau hilang diperlukan karena tegangan yang rendah dapat menimbulkan arus lebih. Sedangkan tegangan pasokan hilang perlu diikuti pembukaan saklar agar jangan timbul arus berlebihan jika tegangan pasokan datang kembali.
d. Relai arus urutan negatif
Apabila pasokan daya dari salah satu fasa hilang, dapat menimbulkan pemanasan berlebihan dalam stator dan rotor motor. Relai ini mampu melakukan proteksi motor terhadap gangguan antar fasa, gangguan fasa-tanah, beban lebih, arus urutan negatif dan motor macet.
Dari kutipan di atas dapat diketahui bahwa ada beberapa jenis relai yang dapa kita gunakan untuk memproteksi motor listrik dari kerusakan. Relai-relai tersebut digunakan sesuai dengan fungsinya masing-masing. Dalam perkebangan zaman relai dimulai dari relai mekanis, elektro-mekanis, elektronis, dan akhirnya digital. Seiring kemajuan tekhnologi relai digital saat ini paling banyak digunakan, selain karena kemampuannya untuk memproteksi juga mampu merekam kejadian gangguan. Kejadian yang dapat direkam adalah jumlah start, profil arus beban, urutan kejadian sewaktu terjadi gangguan dan juga suhu dari bagian motor yang dikehendaki.
Selain relay juga digunakan kapasitor untuk melindungi rangkaian motorlistrik. Kapasitor disebut juga kondensator, yang berupa bahan konduktor yang dapat menyimpan energi dalam bentuk muatan-muatan listrik.seperti dikatakan Peter Soedojo (1999:171):
Kapasitor adalah sistem konduktor yang mampu menyimpan rapat (to condense) muatan listrik sehingga memiliki daya tampung, yaitu kapasitas yang besar sehingga disebut kapasitasnya besar.
Tenaga yang tersimpan di dalam konduktor dan kondensator bermuatan listrik adalah tenaga sistem titik-titik muatan yang dikandungnya. Mengingat konduktor adalah badan equipotensial maka tenaga yang tersimpan di dalam konduktor bermuatan adalah:
U = ½ Σqi V = ½ V Σ qi = ½ Vq = ½ qV
Sedangkan yang di dalam kondensator bermuatan, selaku dua konduktor bermuatan diberikan oleh:
U = ½ {qV1+ (-q)V2} = ½ q (V1-V2) = ½ qV
Jadi baik untuk konduktor bermuatan maupun kondensator bermuatan, tenaga yang dikandungnya adalah:
U = ½ Qv = ½ CV2 = ½ q2/C
Menurut Owen Bishop (2004:55)
Relay adalah sebuah saklar yang di kendalikan oleh arus. Relay memiliki sebuah kumparan tegangan rendah yang dililitkan pada sebuah inti. Terdapat sebuah armatur besi yang tertarik menuju inti apabila arus mengalir melewati kumparan. Armature terpasang pada sebuah tuas berpegas. Ketika armatur tertarik menuju inti, kontak jalur bersama akan berubah posisi dari kontak normal-tertutup ke kontak normal-terbuka.
Relay merupakan sebuah saklar, fungsinya untuk memutuskan dan menghubungkan rangkaian. Relay memiliki perbedaan dengan saklar biasa dari cara kerjanya. Saklar biasa bekerja secara manual dengan bentuan tenaga luar, sedangkan relay dibantu oleh arus yang mengalir ke kumparan. Setelah arus mengalir di dalam kumparan, inti besi menghasilkan medan manet yang menyebabkan gaya tarik terhadap armatur. Tarikan armature ini menghubungkan kontak, sehingga arus dapat mengalir ke rangkaian kerja.
Relay dapat bekerja lebih cepat dari saklar biasa, kecepatan kerja relay bervaiasi. Gambar di atas contoh relay yang dapat diaktifkan dalam waktu 10 ms. Sebagian besar relay modern di tempatkan dalam sebuah kemasan yang tertutup rapat.
Menurut Owen Bishop (2004:20)
Sekring adalah sebuah komponen yang di dalam nya berisi seutas kawat yang sangat tipis, terbuat dari bahan logam campuran khusus yang dapat meleleh pada suhu yang relative rendah. Apabila arus yang mengalir melewati sekring terlalu besar, panas akan dihasilkan dengan cepat. Kawat sekring akan menjadi begitu panas, sehingga meleleh dan menyebabkan terputusnya rangkaian. Pemutusan ini mengakibatkan penghentian pemasokan arus ke rangkaian.
Sekring memiliki kapasitas tertentu untuk dilewati arus, artinya bila arus melebihi rating yang di tetapkan maka sekring akan memutuskan aliran arus tersebut. Untuk memenuhi berbagai kebutuhan peralatan listrik maka dibuat sekring dengan berbagi ukuran yang sesuai. Contoh sekring yang iasa digunakan untuk listrik PLN memiliki rating, 3A, 5A dan 13A. Gunakanlah sekring yang seusai kebutuhan.
Proteksi arus dan tegangan lebih tujuannya adalah untuk sistem pengaman arus dan tegangan lebih. Pada kebanyakan peralatan listrik memerlukan sistem pengaman untuk melindungi terjadinya beban lebih. Arus yang besar pada rangkaian listrik terjadi akibat hubung singkat, sehingga menimbulkan kerugian peralatan (kerusakan mekanis dan bahkan kebakaran). Oleh karena itu untuk melindungi terjadinya hubung singkat dilakukan pemasangan sekering (fuse).
Cara kerja dari fuse adalah berdasarkan pelelehan bahan sehingga akan memberikan hubungan terbuka pada rangkaian karena beban lebih atau hubung singkat. Semua jenis sekering mampunyai sifat sensitif terhadap temeratur (dari temperatur ambang 25o C), serta mempunyai spesifikasi rating arus dan tegangan.
Sekering dalam rangkaian konverter harus dari jenis khusus yaitu dari jenis ultra high speed fuse. Biasanya hanya konverter jenis thyristor yang dapat meggunakan pengaman sekering. Sedangkan jenis saklar solid state lain tidak teramankan oleh sekering tersebut (tidak cukup cepat putus oleh arus yang membahayakan saklar solid statenya). Untuk konverter transistor misalnya, digunakan pengaman arus elektronik yang mampu bereaksi jauh lebih cepat dari pada sekering.
Di dalam konverter, servo amplifier dan inverter diperlukan pembatas arus dan tegangan. Bila konverter digunakan untuk menjalankan motor, kecepatan motor dikurangi dari putaran tinggi ke putaran rendah, sehingga motor berfungsi sebagai generator. Akibatnya arus akan diumpan-balikkan pada kapasitor antara terminal power suplai. Hal ini akan terjadi pengisian kembali pada kapasitor dan dapat menaikkan tegangan sehingga dapat merugikan transistor. Sumber tegangan lebih yang lain datang dari kerja ON dan OFF dari sklar solid state. Pada setiap operasi OFF timbul tegangan lebih akibat adanya GGL lawan dari beban induktor. Jenis tegangan lebih ini terjadi tidak pada terminal masukan konverter tetapi pada setiap saklar solid state dalam konverter tersebut. Oleh karenanya peralatan seperti konverter harus mempunyai pembatas arus dan proteksi tegangan lebih seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.10. Sedangkan salah satu contoh rangkaian untuk proteksi arus lebih seperti ditunjukkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.10 Konfigurasi proteksi arus dan tegangan lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 2)
Pada gambar 2.10, arus I1 mengalir melalui R1 dan melalui Tr1 dan Tr2 pada rangkaian darlington sehingga transistor ON stte. R2 adalah tahanan rendah untuk mendeteksi arus. R3 dan R1 untuk mengatur deteksi tegangan pada titik B. Selama potensial pada titik B memberikan respek ke A yang merupakan arus utama yang lebih kecil dari 0,6 volt maka tegangan maju minimum memberikan respek ke titik A, kemudian Tr3 menutup yang menyebabkan arus I3 mengalir. Setelah ini I1 cenderung berkurang sebab impedansi loop arus I1 lebih tinggi dari I2 dan transistor Darlington Tr1 dan Tr2 membuka untuk mencegah arus utama menjadi lebih tinggi dari nilai yang diset yaitu ;
Arus yang diset = (0,6/R2)(R3 + R4)/( ÇR3 + R4) (1)
Ç = faktor dari R3
Gambar 2.11 Rangkaian pembatas arus lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 3)
Contoh perhitungan arus pembatas dalam rangkaian diatas:
Jika rangkaian pembatas arus pada gambar 2.10 mempunyai R1 = 10 K, R2 = 0,1 (5watt), R3 = 200, dan Ç (faktor dari R3) = 0 sampai 1, tentukan besarnya arus yang bisa diatur (Is).
Penyelesaian:
Untuk harga Ç = 0, maka besarnya arus yang diset :
Is = (0,6/ R2)( R3 + R4)/ ( R3 + R4)
Is = (0,6/0,1)(200 + 200)/(0+200) = 12 A
Untuk harga Ç = 1, maka besarnya arus yang diset :
Is = (0,6/0,1)(200 + 200)/(200 + 200) = 6 A
Sehingga besarnya arus yang diset (Is) antara 6 A sampai dengan 12 A.
Pada gambar 2.11 bila beban sebagai generator maka arus DC diumpan balikkan dari konverter ke sumber daya. Jika arus ini terus mengalir maka tegangan pada kapasitor C2 akan melebihi rating tegangan pada transistor. Untuk mencegah hal ini, tegangan pada titik C dibandingkan dengan tegangan breakdown diode zener Dz. Bila tegangan melebihi tegangan breakdown dan tegangan maju basis ke emitor maka transistor Tr4, Tr5, dan Tr6 akan ON sampai kapasitor C2 terisi. Bila tegangan pada titik C berkurang dan diode zener akan kembali normal, maka Tr5 dan Tr6 akan kembali beroperasi. Jadi tegangan ini digunakan untuk menjaga agar powernya tetap.
Vmax = (Vz + 0,6)( R5 + R6 + R7)/(R6 + R7) (2)
t = faktor dari R6 (dari 0 sampai 1)
Vz = tegangan breakdown pada diode zener
Gambar 2. 12 Proteksi tegangan lebih
(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 4)
Gambar 2. 13 Menunjukkan rangkaian percobaan proteksi arus lebih.(sumber: pdf Proteksi Arus dan Tegangan Lebih, 2009: 5)
2.3 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Terjadi Kerusakan Motor Listrik
Pada kebanyakan motor listrik memerlukan sistem pengaman untuk melindungi agar tidak terjadinya kerusakan. Ada banyak faktor yang menyebabkan terjadinya kerusakan motor listrik. Menurut Djiteng Marsudi (2004: 67)
Faktor-faktor yang membahayakan motor listrik berasal dari komponen bergerak (rotor), jaringan suplai dan keadaan lingkungan. Supaya tidak terjadi kerusakan perlu sistem yang mampu mengontrol penggunaan komponen-komponen dan energi input sesuai yang dibutuhkan motor. Motor listrik perlu dilengkapi dengan sistem perlindungan. Perlindungan motor listrik berfungsi mencegah timbulnya gangguan terhadap motor dan komponennya. Istilah perlindungan dalam dunia industri dan sistem kelistrikan disebut proteksi. Proteksi mempunyai arti perlindungan diri dari kerugian dan keadaan berbahaya.
Sebelumnya sudah kita sebutkan hal-hal yang perlu kita proteksi, yaitu Pertama, perlindungan fisik motor secara keseluruhan dari ligkungan sekitarnya. Kedua perlindungan mekanis motor listrik. Ketiga, perlindungan motor dari energi suplay. Jadi dapat kita lihat faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya kerusakan itu sebagai berikut:
2.3.1 Faktor Pengkaratan
Pengkaratan tergolong kedalam kerusakan mekanis. Pengkaratan terjadi pada bagian-bagian motor yang terbuat dari logam. Pengkaratan dapat terjadi karena adanya korosi dan kontak fisik antara logam tak sejenis dalam kondisi basah. Widharto (2004:2) mengatakan, “karat dapat berupa tekik-tekik atau sumur-sumur kecil pada permukaan logam, terbentuknya rust (selaput tipis kerak) pada permukaan, penipisan yang merata, perapuhan/keropos, keretakan, dan perforasi”.
Banyak sekali jenis karat yang terjadi di alam ini, tidak kita sadari telah merugikan kita. Jenis karat ini terjadi karena adanya proses kimiawi atau elektro kimiawi antara dua bagian atau lebih pada benda padat khususnya metal besi, hal ini dapat terjadi jika adanya beda potensial dan berhubungan langsung dengan udara terbuka atau udara beruap. Widharto (2004:3) juga menyebutkan, “penyebab terjadinya karat itu sebagai berikut: tidak bebasnya metal besi dari kotoran zat lain, terjadinya oksidasi dari metal besi akibat bereaksi dengan zat asam di udara, perbedaan struktur molekuler material, serta perbedaan teganagan di dalam bagian –bagian metal besi tersebut”.
Didalam udara terdapat banyak sekali kotoran dalam bentuk-bentuk debu, partikel debu ini menimbulkan larutan yang sangat asam jika bercampur dengan partikel-partikel air. Jika keadaan udara dingin dan basah atau jika terjdi hujan, maka akan terbentuk bintik-bintik embun di permukaan metal sehingga menjadi basah. Secara alami hal ini menimbulkan perbedaan potensial antara bagian-bagian, ini menyebabkan sebagian dari metal bersifat katodis. Selain itu titik embun yang larutan PH-nya rendah berfungsi sebagai bahan elektrolit (penghantar), sehingga terjadilah karat pada bintik-bintik uap basah tersebut.
Dari uraian di atas untuk menghindari pengkaratan ini usahakanlah metal tidak basah, untuk itu tempatkan motor listri pada tempat yang selayaknya. Dan bersihkanlah selalu motor listrik dengan zat yang dapa menetralkan zan asam, seperti menggunakan minyak tanah dan lain-lain.
2.3.2 Faktor Efek Termal/Panas
Panas adalah energi yang diakibatkan pergerakan partikel atau atom-atom dalam suatu benda. Energi panas dapat berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Energi panas adakalanya menguntungkan bagi manusia dikala dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti memasak, menyetrika, pembangkit listrik, motor bakar dan lain-lain. Namun demikian tidak sedikit panas dapat merugikan manusia, seperti melelehnya gunung es di kutub, melelehnya peralatan elektronika, dan lain-lain.
Pada motor listrik panas dapat menyebabkan pemuaian pada komponen motor listrik. Panas ini ditimbulkan dari gesekan mekanis, dari perubahan energi listrik menjadi energi gerak, dan hubung singkat/korslet. Panas yang demikian dapat menjadi pengaruh terhadap kerusakan motor listrk. Beberapa jenis kerusakan yang ditimbulkan oleh efek panas menurut Daryanto (1999:49-50):
1. Terbakarnya komutator
2. Kebocoran arus
3. Terjadinya hubungan ke masa
4. Terjadi pemuaian dan keausan
5. Mengurangi daya hantar
Semua kerusakan ini dapat kita cegah jika pengkondisian panas dapat terjaga sesuai batas toleransi motor listrik. Setiap pabrik telah melakukan upaya pengendalian panas ini sesuai dengan jenis dan desain motor listrik tertentu. Dengan demikian panas tidak membahayakan motor listrik, untuk lebih baik operator motor listrik diharapkan selalu mengawasi dan menjaga dalam penggunaannya.
2.3.3 Faktor arus lebih
Arus lebih adalah arus yang memiliki nilai lebih besar dari pada rating arus kerja yang telah ditetapkan untuk sebuah motor listrik. Arus lebih ini dapat muncul karena dua sebab, yaitu terjadinya beban lebih dan terjadinya hubungan singkat. Kondisi ini perlu diproteksi untu menghindari terjadinya kerusakan pada konduktor dan komponen motor listrik yang lain. Dalam praktiknya, skring dan pemutus daya (circuit breaker, CB) menjadi alternative yang lazim digunakan untuk memenuhi kebutuhan proteksi ini.( Brian, 2004:72)
2.3.4 Faktor beban lebih
Beban lebih adalah arus lebih yang terjadi pada rangkaian yang sehat atau tidak mengalami gangguan. Arus beban lebih ini contohnya dapat terjadi karena gangguan pada motor listrik atau karena terlalu banyaknya sambungan, atau bekerja dengan beban di atas kapasitas motor. .( brian, 2004:72)
2.3.5 Faktor hubung singkat
Arus yang besar pada rangkaian motor listrik terjadi akibat hubung singkat, sehingga menimbulkan kerugian peralatan (kerusakan mekanis dan bahkan kebakaran). Arus hubung singkat adalah arus yang akan mengalir jika terjadi hubung pendek atau kontak fisik kawat yang berarus ( fasa –ke-netral) arus hubungan singkat prospektif pada dasarnya sama dengan arus hubungan singkat, namun istilah ini sering digunakan untuk menunjukan nilai hubung singkat yang penting untuk di perhatikanpada posisi pemasangan sekring atau cb.
Arus hubung-singkat prospektif merupakan parameter yang sangat penting. Namun demikian, kita tidak mengkaji lebih lanjut tentang arus hubung-singkat prospektif ini, karena yang lebih penting kita pahami dalam proses proteks ini adalah sekring dan karakteristiknya.
Selain faktor-faktor yang sudah kita jelaskan di atas, masih banyak faktor-faktor lain yang sering di anggap sepele oleh pemakai motor listrik. Padahal faktor-faktor lain ini sangat membahayakan motor listrik. Faktor faktor lain yang tidak kita bahas, akan dapat dicegah jika kita menggunakan motor listrik dengan penuh kehati-hatian dan selalu merawat atau memelihara motor listrik dengan baik.
BAB III
PENUTUP
3.1 Simpulan
Setelah melakukan pengkajian tentang proteksi motor listrik ini, maka dapat disimpulkan bahwa:
3.1.1 Motor listrik adalah perangkat elektromekanis yang bekerja berdasarkan perubahan energi listrik menjadi energi gerak (mekanis), yang secara umum terbagi dua, yaitu motor arus searah (DC) dan motor arus bolak balik (AC).
3.1.2 Ada tiga proteksi yang sangat penting terhadap motor listrik, yaitu proteksi mekanis, dibantu dengan medium pelumas untuk mengurangi gesekan, proteksi termal, dibantu dengan Airfun (kipas angin) untuk terjadinya pertukaran udara, dan proteksi terhadap beban, dibantu dengan menggunakan rangkaian proteksi yang dilengkapi komponen relay, skring, dan saklar.
3.1.3 Proteksi motor listrik memanfatkan konsep fisika gaya gesek, suhu dan pemuaian, dan listrik.
Referensi :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar