Penyebab motor listrik cepat panas dan cara mengatasinya

Motor listrik panas: kapan disebut terlalu panas

Artikel ini membahas penyebab motor listrik panas pada motor induksi tiga fasa yang menggerakkan pompa, kipas, kompresor, konveyor, dan mesin produksi di pabrik, bukan motor sepeda listrik atau peralatan rumah tangga. Prinsipnya serupa, tetapi skala daya, cara proteksi, dan akibat berhentinya sangat berbeda.

Setiap motor mengubah sebagian energi listrik menjadi panas, bukan menjadi putaran. Rugi tembaga di belitan stator dan rotor, rugi inti besi, gesekan bearing, dan hambatan udara kipas semuanya berakhir sebagai panas yang harus dibuang ke udara sekitar. Motor yang sehat mencapai keseimbangan: panas yang dihasilkan sama dengan panas yang dibuang, dan suhunya stabil pada tingkat yang sudah diperhitungkan perancangnya.

Masalah muncul ketika keseimbangan itu bergeser: panas yang dihasilkan bertambah, atau kemampuan membuangnya berkurang. Bagian yang paling menderita adalah isolasi belitan stator. Bonnett dan Soukup menempatkan tekanan termal sebagai salah satu tekanan utama yang merusak isolasi stator, bersama tekanan listrik, mekanis, dan lingkungan^[1]. Jadi pertanyaan "motor listrik cepat panas, apakah berbahaya?" sebenarnya adalah pertanyaan tentang umur isolasi.

Suhu normal motor listrik dan kelas isolasi

Tidak ada satu angka suhu normal yang berlaku untuk semua motor. Batas atasnya ditentukan oleh kelas termal sistem isolasi, yang ditetapkan IEC 60085 dengan angka suhu. Tiga kelas yang paling sering dijumpai pada motor industri adalah kelas 130 (dahulu B), 155 (F), dan 180 (H), dengan suhu kelas masing-masing 130 °C, 155 °C, dan 180 °C^[2]. Angka itu adalah batas bagi bagian terpanas isolasi, bukan untuk permukaan rangka.

IEC 60034-1 kemudian menetapkan berapa besar kenaikan suhu belitan yang diizinkan di atas suhu media pendingin, dengan acuan suhu udara pendingin tidak lebih dari 40 °C dan ketinggian pemasangan tidak lebih dari 1.000 m^[3]. Kenaikan suhu diukur dalam kelvin (K) dan, untuk metode resistansi, menggambarkan suhu rata-rata belitan. Bagian terpanas di dalam belitan selalu sedikit lebih tinggi dari rata-rata itu, sehingga ada sisa yang disediakan untuknya.

Banyak motor industri memakai isolasi kelas F tetapi dirancang agar kenaikan suhunya tidak melewati batas kelas B. Selisih itu menjadi cadangan termal: motor masih punya ruang ketika suhu ruang lebih tinggi dari biasanya atau bebannya sesekali naik. Pelat nama motor mencantumkan kelas isolasinya, dan itu adalah data pertama yang perlu dibaca sebelum menilai apakah sebuah motor terlalu panas.

Suhu belitan tidak sama dengan suhu yang Anda sentuh

Suhu yang dapat diukur di lapangan tanpa membuka motor biasanya adalah suhu permukaan rangka atau rumah bearing. Panas mengalir dari belitan melalui inti besi ke rangka, lalu dibuang oleh sirip dan aliran udara kipas, sehingga permukaan rangka selalu lebih dingin dari belitan. Besar selisihnya bergantung pada desain, ukuran, dan cara pendinginan motor. Akibatnya, rangka yang terlalu panas untuk disentuh lebih dari satu dua detik belum tentu berarti belitan melewati batas, dan sebaliknya rangka yang terasa hangat belum tentu menjamin belitan aman.

Karena itu, patokan yang lebih berguna daripada angka mutlak adalah perbandingan: suhu rangka motor ini hari ini dibandingkan dengan suhunya sendiri minggu lalu pada beban dan suhu ruang yang serupa, atau dengan motor kembarnya yang bekerja pada tugas yang sama. Lebih baik lagi mencatat kenaikan suhu di atas suhu ruang, bukan suhu mutlaknya, karena ruang pompa pada siang hari bisa beberapa derajat lebih panas daripada malam hari.

Penyebab dari sisi kelistrikan

Bonnett dan Soukup menguraikan kondisi yang membebani isolasi stator secara termal, antara lain variasi tegangan, tegangan fasa yang tidak seimbang, start dan stop berulang, beban lebih, ventilasi yang terhalang, dan suhu ruang yang tinggi^[1]. Sebagian besar penyebab itu berasal dari sisi kelistrikan, dan semuanya bermuara pada hal yang sama: arus yang lebih besar dari seharusnya, atau rugi yang lebih besar pada arus yang sama.

• Beban lebih. Motor menarik arus di atas arus nominal pada pelat nama karena beban mekanisnya lebih besar dari rating. Rugi tembaga naik sebanding dengan kuadrat arus, sehingga kelebihan arus yang kecil pun menambah panas secara berarti.
• Tegangan tidak seimbang. Selisih kecil antara tegangan ketiga fasa menimbulkan arus yang jauh lebih tidak seimbang; NEMA MG 1 menyebut ketidakseimbangan arus dapat mencapai beberapa kali lipat ketidakseimbangan tegangannya^[4].
• Tegangan terlalu rendah atau terlalu tinggi. Pada tegangan rendah motor menarik arus lebih besar untuk menghasilkan daya yang sama. Pada tegangan tinggi arus magnetisasi dan rugi inti naik. IEC 60034-1 menetapkan zona A, yaitu ±5% tegangan dan ±2% frekuensi, sebagai rentang operasi kontinu; di zona B yang lebih lebar motor masih harus bekerja, tetapi kenaikan suhunya lebih tinggi dan operasi lama di sana tidak dianjurkan^[3].
• Kehilangan satu fasa (single phasing). Sekering putus atau kontak kontaktor yang aus membuat motor berjalan pada dua fasa. Motor yang sudah berputar sering terus berjalan, tetapi arus di fasa yang tersisa melonjak dan belitan cepat rusak; motor yang diam tidak akan bisa start. Pola kerusakan belitan akibat kondisi ini termasuk yang diuraikan Bonnett dan Soukup^[1].
• Harmonik dan inverter. Motor yang dijalankan inverter (VFD) menerima tegangan PWM yang menambah rugi harmonik. Pada putaran rendah, kipas yang terpasang di poros ikut melambat sehingga pendinginan berkurang justru ketika torsi yang diminta masih tinggi.
• Start terlalu sering. Setiap start menarik arus beberapa kali arus nominal selama beberapa detik, dan sebagian besar panasnya tertinggal di rotor. NEMA MG 1 membatasi kemampuan start berturut-turut pada motor serba guna, misalnya dua start berurutan dari suhu ruang^[4]. IEC 60034-1 juga membedakan jenis tugas, dari S1 (kontinu) sampai tugas intermiten dengan start berulang, dan motor harus dipilih sesuai jenis tugasnya^[3].

Menghitung ketidakseimbangan tegangan

Ketidakseimbangan tegangan sering luput karena voltmeter panel hanya menunjukkan satu fasa, atau karena setiap fasa terlihat "masih sekitar 400 V". NEMA MG 1 memberikan cara menghitungnya dari tiga tegangan antarfasa^[4].

Angka berikut adalah ilustrasi. Di panel sebuah motor pompa 400 V, tegangan antarfasa terukur 402 V, 396 V, dan 387 V. Rata-ratanya (402 + 396 + 387) ÷ 3 = 1.185 ÷ 3 = 395 V. Deviasi masing-masing fasa dari rata-rata adalah 7 V, 1 V, dan 8 V, sehingga deviasi maksimumnya 8 V. Ketidakseimbangannya 100 × 8 ÷ 395 = 2,03%. Selisih antara fasa tertinggi dan terendah hanya 15 V, tetapi hasilnya sudah melewati 1%.

NEMA MG 1 memberikan kurva penurunan rating (derating) untuk motor yang bekerja pada ketidakseimbangan tegangan di atas 1%, dan tidak menganjurkan operasi di atas 5%^[4]. Artinya, motor dalam contoh ini tidak boleh lagi dibebani penuh sesuai pelat namanya. Sumber ketidakseimbangan biasanya ada di hulu motor: beban satu fasa yang tidak merata di panel distribusi, sambungan yang longgar, kontak kontaktor yang aus, atau kapasitor perbaikan faktor daya yang salah satu unitnya rusak.

Penyebab dari sisi mekanis

Sisi mekanis menambah panas melalui dua jalan: gesekan langsung di bearing, dan beban tambahan yang membuat motor menarik arus lebih besar. Keduanya sering terlihat sebagai motor yang panas di satu ujung lebih dulu, bukan di seluruh rangka.

Bearing adalah sumber panas mekanis yang paling umum. Pelumas yang kurang membuat logam bergesekan dengan logam, pelumas yang berlebihan membuat gemuk teraduk dan menahan panas, dan pelumas yang tercampur jenis lain dapat kehilangan sifatnya. Bearing yang mulai rusak menambah gesekan, dan panas yang dihasilkannya merambat ke poros serta rumah bearing. Tanda-tanda lain bearing yang rusak, seperti bunyi dan perubahan getaran, dibahas dalam artikel ciri bearing motor rusak.

Misalignment antara poros motor dan poros mesin yang digerakkan menambah gaya radial dan aksial pada bearing. Kopling yang tampak baik dari luar dapat menyimpan misalignment yang cukup untuk menaikkan suhu bearing sisi penggerak (DE) di atas sisi yang berlawanan (NDE). Selain itu, beban yang digerakkan terlalu berat menarik arus di atas nominal: impeller pompa yang tersumbat atau tergesek, konveyor yang macet sebagian, kipas yang dampernya dibuka penuh padahal perancangnya memilih motor untuk titik operasi lain, atau pompa yang bekerja jauh di kanan kurva karena tekanan sistem turun.

Penyebab dari pendinginan dan lingkungan

Motor totally enclosed fan cooled (TEFC), jenis yang paling umum di pabrik, bergantung sepenuhnya pada kipas di ujung poros dan sirip di sepanjang rangka. Apa pun yang mengganggu aliran udara itu langsung menaikkan suhu, walaupun arus motor tidak berubah sama sekali.

• Tutup kipas tersumbat. Kantong plastik, kain majun, serat, atau debu yang menempel di kisi tutup kipas mengurangi aliran udara. Kipas yang patah atau terlepas dari poros menghilangkan pendinginan hampir seluruhnya.
• Debu dan kotoran di sirip. Lapisan debu, serbuk produk, atau oli yang bercampur debu bertindak sebagai selimut di sirip rangka. Pada pabrik pakan, semen, atau tekstil lapisan ini dapat menebal dalam hitungan minggu.
• Suhu ruang tinggi. Rating motor mengacu pada udara pendingin sampai 40 °C^[3]. Ruang kompresor yang tertutup, motor di dekat oven atau boiler, dan atap seng yang terkena matahari dapat membuat udara di sekitar motor melebihi acuan itu.
• Ventilasi buruk. Motor yang dipasang terlalu dekat dengan dinding, di dalam penutup kebisingan, atau di ruang sempit menghirup kembali udara panasnya sendiri.
• Jenis tugas tidak sesuai. Motor yang dipilih untuk tugas kontinu S1 lalu dipakai untuk tugas dengan start dan stop berulang, atau sebaliknya, bekerja di luar asumsi termal perancangnya^[3].

Ringkasan penyebab motor listrik panas dan cara memeriksanya

Tabel berikut merangkum penyebab di atas bersama tanda yang biasanya menyertainya. Tanda-tanda ini adalah petunjuk awal, bukan diagnosis; beberapa penyebab sering muncul bersamaan, misalnya sambungan longgar yang sekaligus membuat tegangan tidak seimbang.

Cara mengukur: arus, tegangan, termografi, dan tren

Arus tiap fasa adalah pengukuran pertama. Tang ampere dipasang pada ketiga kabel fasa satu per satu saat motor bekerja pada beban normal, lalu hasilnya dibandingkan dengan arus nominal (FLA) di pelat nama dan dibandingkan antarfasa. Motor dengan service factor di atas 1,0 menurut NEMA MG 1 boleh dibebani melebihi rating untuk sementara, tetapi dengan kenaikan suhu yang lebih tinggi^[4], sehingga service factor sebaiknya dianggap cadangan, bukan kapasitas harian. Arus yang masih di bawah FLA tidak otomatis berarti aman bila tegangannya tidak seimbang atau pendinginannya terganggu.

Tegangan tiap fasa diukur antarfasa di terminal motor atau di sisi keluaran starter saat motor berbeban, lalu dihitung ketidakseimbangannya dengan rumus di atas. Mengukur di trafo atau panel utama saja dapat menyembunyikan jatuh tegangan di kabel dan sambungan.

Termografi memperlihatkan sebaran panas pada rangka, kotak terminal, dan sambungan di panel dalam satu gambar. ISO 18434-1 menguraikan prosedur umum termografi untuk pemantauan kondisi, termasuk pentingnya memperhitungkan emisivitas permukaan dan membandingkan hasil dengan komponen serupa pada kondisi operasi yang serupa^[5]. Sambungan kabel yang longgar di kotak terminal sering terlihat jelas sebagai titik panas, dan sering pula menjadi sumber ketidakseimbangan tegangan.

Analisis arus motor, atau motor current signature analysis (MCSA), membaca spektrum arus stator. Thomson dan Fenger menunjukkan bahwa batang rotor yang patah dan eksentrisitas celah udara meninggalkan komponen frekuensi yang khas pada arus^[6]. Kerusakan rotor seperti itu juga dapat menambah panas, dan arusnya dapat diukur dari panel MCC tanpa mendekati motor.

Tren suhu bearing melengkapi semuanya. Satu bacaan sesaat sulit ditafsirkan, tetapi kenaikan perlahan selama beberapa minggu pada beban dan suhu ruang yang sama adalah perubahan yang layak diperiksa. Pembacaan ini paling berguna bila disimpan bersama arus dan vibrasi, seperti dalam program condition monitoring yang menilai setiap mesin terhadap baseline-nya sendiri.

Langkah pemeriksaan di lantai pabrik

Ketika motor dilaporkan panas atau trip, urutan pemeriksaan menentukan apakah penyebabnya ditemukan atau hanya gejalanya yang diredam. Urutan berikut dimulai dari keselamatan dan bergerak dari pengukuran yang dapat dilakukan saat motor berjalan ke pemeriksaan yang memerlukan motor dimatikan.

1. 1Utamakan keselamatan. Jangan menyentuh rangka motor yang dicurigai panas dengan tangan telanjang. Pengukuran di panel bertegangan hanya dilakukan oleh personel yang berwenang dengan alat pelindung yang sesuai, dan setiap pemeriksaan yang menyentuh bagian berputar atau terminal dilakukan setelah lockout/tagout (LOTO) dan pembuktian bahwa sumber energi sudah terisolasi.
2. 2Catat konteksnya. Kapan panas mulai terjadi, berapa beban saat itu, berapa suhu ruang, dan apakah ada perubahan baru di proses, pemasangan, atau jaringan listrik.
3. 3Ukur tegangan antarfasa saat berbeban dan hitung ketidakseimbangannya. Periksa juga apakah nilainya berada dalam zona A IEC 60034-1.
4. 4Ukur arus ketiga fasa dan bandingkan dengan FLA serta antarfasa. Arus tinggi yang seimbang mengarah ke beban; arus yang tidak seimbang mengarah ke suplai atau belitan.
5. 5Periksa pendinginan. Lihat kondisi tutup kipas, sirip, jarak ke dinding, dan suhu udara di sekitar motor.
6. 6Periksa sisi mekanis. Bandingkan suhu bearing DE dan NDE, dengarkan bunyinya, ukur vibrasi bila ada alatnya. Setelah LOTO, putar poros dengan tangan untuk merasakan hambatan dan periksa alignment kopling.
7. 7Periksa pola operasi. Hitung jumlah start per jam dan, bila motor memakai inverter, catat rentang kecepatan kerjanya.
8. 8Tuliskan temuannya sebagai work order beserta angka yang diukur, lalu ulangi pengukuran yang sama setelah perbaikan untuk memastikan penyebabnya benar-benar hilang.

Kapan motor diperbaiki dan kapan diganti

Motor yang belitannya sudah rusak karena panas harus dililit ulang (rewinding) atau diganti. Keputusan ini sering diambil tergesa-gesa karena lini berhenti, padahal dampaknya berlangsung bertahun-tahun. Buku panduan sistem motor dari Departemen Energi Amerika Serikat menganjurkan agar keputusan perbaikan atau penggantian mempertimbangkan biaya perbaikan dibandingkan motor baru, mutu praktik perbaikan yang dapat memengaruhi efisiensi, dan biaya energi selama sisa umur motor^[7].

Faktor terakhir itu bergantung pada kelas efisiensi. IEC 60034-30-1 mengelompokkan motor AC yang dijalankan langsung dari jaringan ke dalam kelas IE1 (standar), IE2 (efisiensi tinggi), IE3 (premium), dan IE4 (super premium)^[8]. Motor tua yang bekerja hampir sepanjang tahun sering merupakan kandidat yang wajar untuk diganti dengan kelas yang lebih tinggi, sedangkan motor yang jarang bekerja atau berukuran khusus lebih sering layak diperbaiki. Apa pun pilihannya, motor baru akan rusak dengan cara yang sama bila penyebab panasnya tidak diperbaiki lebih dulu.

Kesalahan umum dan batasannya

• Mereset overload berulang kali. Relai beban lebih yang trip sedang melakukan tugasnya. Setiap reset tanpa pemeriksaan menambah satu siklus panas pada isolasi yang sudah terbebani.
• Menaikkan setelan proteksi atau memasang proteksi yang lebih besar. Trip memang berhenti, tetapi motor kehilangan perlindungannya dan belitan menanggung panas yang seharusnya memutus suplai.
• Menilai panas dengan telapak tangan. Rasa di tangan tidak dapat membedakan rangka yang sehat pada 60 °C dari rangka yang sedang memburuk, dan tidak memberi angka untuk dibandingkan minggu depan.
• Mengukur hanya satu fasa. Ketidakseimbangan dan kehilangan satu fasa hanya terlihat bila ketiga fasa diukur.
• Mengganti motor tanpa mencari penyebab. Motor baru pada suplai yang tidak seimbang, beban yang terlalu berat, atau ruang yang tidak berventilasi akan mengalami nasib yang sama.

Perlu juga dikatakan terus terang bahwa suhu adalah gejala yang relatif lambat. Sebagian kerusakan, seperti hubung singkat antarlilitan yang berkembang cepat, dapat berakhir dengan kegagalan sebelum suhu rangka berubah berarti. Pemantauan suhu, arus, dan vibrasi memperbesar peluang menangkap masalah lebih awal, tetapi tidak menjamin semua kegagalan terdeteksi.

Kesimpulan

Motor listrik yang panas belum tentu rusak, dan motor yang terasa hangat belum tentu aman. Ukuran yang benar adalah suhu belitan terhadap kelas isolasinya, dan di lapangan patokan yang paling berguna adalah perubahan suhu terhadap kondisi normal motor itu sendiri pada beban dan suhu ruang yang serupa.

Penyebab motor listrik panas hampir selalu dapat ditelusuri ke salah satu dari tiga kelompok: kelistrikan, mekanis, atau pendinginan. Pemeriksaan yang tertib, dimulai dari keselamatan lalu tegangan dan arus tiap fasa, pendinginan, dan sisi mekanis, biasanya cukup untuk menemukannya. Yang tersisa adalah disiplin untuk memperbaiki penyebab itu, bukan sekadar mereset proteksinya.