ANALISA UJI TRANSFORMATOR 350 V/20 A UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER

(1)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 19 Juli 2011

ANALISA UJI TRANSFORMATOR 350 V/20 A UNTUK CATU

DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER

Saefurrochman dan Suprapto

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan-BATAN, Yogyakarta Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281

Email: s_romansky@yahoo.com

ABSTRAK

ANALISA UJI TRANSFORMATOR 350 V/ 20 A UNTUK CATU DAYA NITRIDASI PLASMA DOUBLE CHAMBER. Telah dilakukan analisa terhadap uji transformator 350 V/20 A untuk catu daya nitidasi plasma

double chamber. Analisa dilakukan untuk mengetahui dan memvalidasi kinerja dari transformator tersebut. Dari hasil analisa diketahui bahwa transformator yang telah dikonstruksi sebagai komponen catu daya nitridasi plasma double chamber telah sesuai dengan desain rancangan yaitu 350 V/20 A serta memiliki kemampuan isolasi lebih besar 2 kV. Untuk asumsi faktor daya pada rentang 0,5 hingga 1 maka efisiensi transformator diperoleh pada rentang antara 87 % hingga 93,3 %.

Kata kunci: transformator 350 V/20 A, nitridasi plasma double chamber.

ABSTRACT

TEST ANALYZES OF 350 V/20 A TRANSFORMER FOR DOUBLE CHAMBER PLASMA NITRIDING POWER SUPPLY. The test analyzes of 350 V/20 A transformer for double chamber plasma nitriding power

supply has been done. The result test analyzes was conducted to find out and validate the performance of that transformer. From the analyzes result, it is known that constructed transformer as a component of double chamber plasma nitriding power supply satisfied and agreed with initial design: 350 V/20 A and has 2 kV isolation power. For power factor assumption in the range of 0.5 to 1, the transformer efficiency is derived in between 87 % and 93.3 %.

Keywords: 350 V/20 A transformer, double chamber nitriding.

PENDAHULUAN

erdasarkan hasil statistik yang dikeluarkan oleh AISI (Asosiasi Industri Sepeda Motor Indonesia) pada tahun 2010¸ terdapat kenaikan dari tahun ke tahun baik dari segi produksi maupun penjualan sepeda motor. Pada tahun 1998 (saat krisis moneter), produksi dan penjualan domestik sepeda motor mencapai 519.404 unit dan 433.551 unit, sedangkan tahun 2009, produksi dan penjualan domestik sepeda motor mencapai 5.884.021 buah dan 5.881.777 buah[1]. Dari statistik tersebut, kebutuhan pasar akan komponen mesin menjadi makin meningkat.

Untuk menjawab tantangan tersebut, PTAPB-BATAN telah mulai melakukan rancang bangun perangkat nitridasi plasma double chamber untuk perlakuan permukaan logam dan komponen mesin. Dengan redundant 2 (dua) buah chamber, diharapkan akan meningkatkan kapasitasnya karena dioperasikan secara bergantian yaitu dengan chamber pertama dioperasikan untuk proses nitridasi dan chamber

kedua untuk proses pengeluaran benda kerja (setelah proses nitridasi) dan persiapan untuk proses nitridasi. Dengan demikian perangkat ini beroperasi secara terus menerus.

Perangkat nitridasi plasma merupakan piranti untuk proses pengerasan permukaan yang mendifusikan atom-atom nitrogen ke permukaan logam dalam keadaan plasma sehingga membentuk lapisan nitrida logam[2]. Dengan pembentukan lapisan nitrida pada permukaan logam, menyebabkan terjadinya perubahan struktur mikro dan sifat-sifat mekanik permukaan yang meliputi: kekerasan, ketahanan aus dan ketahanan korosi[3].

Salah satu sistem yang dibutuhkan dalam rancang bangun perangkat nitridasi plasma adalah catu daya. Dalam nitridasi plasma, catu daya digunakan untuk mencatu tegangan antara katoda dan anoda yang berperan pada proses pembentukan plasma dari gas nitrogen, sehingga menghasilkan ion-ion nitrogen. Ion nitrogen tersebut dideposisikan dan berdifusi ke permukaan logam. Berdasarkan perhitungan awal tegangan breakdown dan arus untuk perangkat nitridasi plasma[4], catu daya yang diperlukan adalah catu daya DC 2 kV/10 A. Dari keperluan tersebut, catu daya perangkat nitridasi plasma dibuat berbasis transformator 3 fasa dengan pelipat tegangan berupa rangkaian doubler. Transformator tersebut terdiri dari 3 buah transformator 1 fasa yang dihubung bintang di sisi primernya. Berdasarkan perhitungan, spesifikasi

(2)

transformator 1 fasa adalah 350 V/20 A[5]. Skema catu daya perangkat nitridasi plasma ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema catu daya perangkat nitridasi plasma double chamber.

DASAR TEORI

Prinsip Kerja Transformator

Secara umum komponen transformator terdiri dari kumparan primer, sekunder dan inti. Kumparan primer yang dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik mengalami perubahan arus listrik, sehingga menimbulkan perubahan medan magnet. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi. Inti besi berfungsi untuk mempermudah jalan fluks magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan, sehingga fluks magnet yang timbulkan akan mengalir ke kumparan sekunder. Dengan demikian pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul gaya gerak listrik induksi (ggl induksi).

Rangkaian Ekuivalen Transformator

Dalam sebuah transformator terdapat

parameter-parameter yang menyebabkan rugi-rugi daya, sehingga daya keluaran lebih kecil dari daya masukan. Parameter-parameter tersebut dapat dilihat pada model rangkaian ekuivalen dari transformator[6].

Rangkaian ekuivalen di atas dapat

disederhanakan menjadi rangkaian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3[6].

Pengujian Rangkaian Terbuka dan

Hubung Singkat

Untuk memperoleh parameter-parameter rangkaian ekuivalen transformator di atas, maka dilakukan pengujian rangkaian terbuka (open circuit) dan rangkaian hubung singkat (short circuit). Pengujian rangkaian terbuka dilakukan untuk menentukan resistansi dan reaktansi rugi-rugi inti (core loss) yaitu re+h dan rm, serta arus magnetisasi

(Im) dan arus exciting (Ie). Perhitungan

parameter-parameter tersebut dapat dilakukan menggunakan persamaan (1) sampai (6)[6] (1) (2) (3) (4) (5) (6)

Gambar 2. Rangkaian ekuivalen transformator.

(3)

dengan, Poc , Voc dan Ioc adalah daya, tegangan dan

arus rangkaian terbuka.

Pengujian rangkaian hubung singkat dimaksudkan untuk mengetahui resistansi dan reaktansi dari lilitan transformator. Perhitungan parameter-parameter tersebut dapat dilakukan menggunakan persamaan (7) sampai (15)[6].

(7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15)

dengan Psc, Vsc, Isc adalah daya, tegangan dan arus rangkaian hubung singkat, r1 resistansi lilitan primer, r2 resistansi lilitan sekunder, x1 reaktansi lilitan primer dan x2 adalah reaktansi lilitan sekunder.

Efisiensi Transformator

Efisiensi transformator menunjukkan kemam-puan transformator dalam mentransformasikan daya dari primer ke sekunder. Efisiensi transformator berkisar antara 70% sampai 98%. Rumus efisiensi transformator diperlihatkan oleh persamaan (16)[6]. (16) dengan, Pout adalah daya keluaran transformator, PFe

daya hilang inti, dan PCu daya hilang tembaga.

TATA KERJA

Spesifikasi Transformator Perangkat

Nitridasi Plasma Double Chamber.

Langkah awal dalam menguji transformator adalah mengetahui spesifikasi teknis dari transfor-mator tersebut. Tabel 1 menunjukkan kebutuhan spesifikasi teknis dari transformator 350 V/20 A untuk perangkat nitridasi plasma double chamber.

Uji Kemampuan Isolasi

Isolasi transformator berupa bahan isolator yang menyekat antara kumparan primer dengan sekunder maupun primer dengan ground. Bahan isolasi yang digunakan adalah prespan dengan ketebalan 0,15 mm. Transformator tersebut didisain tahan terhadap tegangan 3 kV dengan cara bagian primer dan inti dihubungkan dengan ground, sedangkan bagian sekunder dihubungkan dengan catu daya Hypotronics

yang divariasi dari 0 – 3 kV. Kemudian diamati apakah terjadi discharge atau tidak serta mengamati arus bocor yang mungkin terjadi.

Uji Performansi

Uji performansi dilakukan untuk mengetahui performansi atau unjuk kerja dari transformator yang telah dikonstruksi. Uji performansi terdiri dari uji tegangan dan uji arus. Pengujian tegangan dimaksudkan untuk mengetahui tegangan keluaran transformator. Hal ini dilakukan dengan cara sisi primer transformator dihubungkan dengan variac dan masukan variac berupa tegangan PLN. Variac divariasi antara 0 – 220 V dan tegangan sekunder diamati menggunakan multimeter. Untuk pengujian arus beban tidak dapat dilakukan, karena tidak memiliki beban sebesar 7 kW sesuai dengan spesifikasi trafo tersebut. Dalam makalah ini hanya ditunjukkan prediksi arus transformator berdasarkan perhitungan perbandingan hasil uji maksimal dari tegangan keluaran dan masukan dengan arus primer yang divariasi hingga 38 A (sesuai spesifikasi teknis) Tabel 1. Spesifikasi teknis transformator 350 V/20 A.

No. Parameter Lambang/Notasi Nilai

1. Daya primer tiap trafo Ppf 8,33 kVA

2. Daya sekunder tiap trafo Psf 6,67 kVA

3. Tegangan sekunder tiap trafo Vsf 350 V

4. Tegangan primer tiap trafo Vpf 220 V

5. Arus sekunder tiap trafo Isf 20 A

6. Arus primer tiap trafo Ipf 38 A

7. Lilitan per volt N/E 0,29 lilit/V

8. Jumlah lilitan primer per trafo Np 59

(4)

Gambar 4. Skema pengujian rangkaian terbuka

Gambar 5. Skema pengujian rangkaian hubung singkat.

Uji Rangkaian Terbuka dan Hubung

Singkat

Pengujian rangkaian terbuka dan hubung singkat dilakukan untuk memperoleh parameter-parameter rangkaian ekuivalen transformator. Peralatan yang dibutuhkan adalah wattmeter, amperemeter dan voltmeter.

Pada pengujian rangkaian terbuka, sisi tegangan tinggi (sekunder) dibuka. Alat-alat ukur dipasang pada sisi tegangan rendah (primer). Pada pengujian ini, tegangan diatur agar voltmeter menunjukkan tegangan nominal (220 V). Gambar 4 menunjukkan skema pengujian rangkaian terbuka.

Pada pengujian rangkaian hubung singkat, sisi tegangan rendah (primer) dibuka. Alat-alat ukur dipasang pada sisi tegangan tinggi (sekunder). Pada pengujian ini, tegangan diatur agar amperemeter menunjukkan arus nominal (10 A). Gambar 5 menunjukkan skema pengujian rangkaian hubung singkat.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Uji Kemampuan Isolasi

Isolasi transformator diharapkan mampu menahan minimal dari tegangan maksimum catu daya perangkat nitridasi tersebut yaitu 2 kV. Hasil pengujian kemampuan isolasi transformator 350 V/20 A ditunjukkan oleh Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa transformator yang dibuat mampu menahan tegangan sebesar 3 kV (lebih besar dari

persyaratan desain) terhadap bertambahnya waktu uji. Indikasinya adalah tidak terjadi discharge dan tidak ada arus yang mengalir pada amperemeter yang dihubung seri dengan transformator saat pengujian berlangsung. Hal ini disebabkan redundant nilai tegangan dadal dari isolator (prespan setebal 0,15 mm) sekitar 25 kV yaitu jauh lebih besar dari tegangan operasi tranformator sebesar 3 kV, sehingga transformator relatif aman untuk dioperasikan pada tegangan operasinya. Namun untuk meningkatkan keamanan, maka prespan dililit sebanyak dua lapis, hal ini dilakukan agar jika terjadi cacat pada isolator (prespan) dapat diantisipasi dengan lapisan berikutnya. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa transformator tersebut telah memenuhi persyaratan desain, yaitu mampu menahan tegangan sebesar 2 kV.

Hasil Uji Tegangan

Hasil uji tegangan transformator dapat dilihat pada Gambar 6. Dari hasil uji terlihat bahwa tegangan keluaran sebanding dengan tegangan masukan. Pada tegangan masukan 220 V diperoleh tegangan keluaran sebesar 358 V. Hal ini telah sesuai dengan prinsip Hukum Ohm.

Berdasarkan hasil uji diperoleh persamaan y = 1,625x + 0.128 dengan R2=1, sedangkan persamaan untuk hasil hitung adalah y = 1,576x – 3e-14 dengan

R2=1. Hal ini menunjukkan bahwa transformator yang dibuat telah sesuai dengan spesifikasi teknis hasil desain yaitu 350 V.

(5)

Tabel 2. Hasil uji kemampuan isolasi transformator 350 V/20 A.

Waktu Hasil Pengukuran

(menit) Tegangan Isolasi (kV) Arus Bocor (A)

0 3 0 10 3 0 20 3 0 30 3 0 40 3 0 50 3 0 60 3 0 70 3 0 80 3 0 90 3 0 100 3 0 110 3 0 120 3 0

Gambar 6. Grafik hasil uji dan hasil hitung transformator.

Gambar 7. Prediksi hasil uji arus transformator.

Prediksi Hasil Uji Arus

Dengan nilai tegangan masukan dan keluaran transformator berdasarkan hasil uji yang masing-masing adalah 220 V dan 358 V, maka diperoleh prediksi arus luaran transformator seperti terlihat pada Gambar 7. Pada arus masukan sebesar 38 A diperoleh arus keluaran sebesar 23,3 A. Hal ini telah sesuai dengan prinsip Hukum Ohm, yaitu pada

tahanan yang konstan, nilai tegangan dan arus sebanding. Jika tegangan transformator naik, maka arus juga akan naik.

Untuk prediksi hasil uji arus diperoleh persamaan y = 0,614x dengan R2=1. Hal ini menunjukkan bahwa transformator yang dibuat telah sesuai dengan spesifikasi teknis hasil desain yaitu 20 A.

(6)

Tabel 3. Parameter transformator.

Parameter Notasi Nilai

Resistansi core loss re+h 276,57 Ω

Reaktansi core loss xm 244,86 Ω

Arus exciting Ie 1,2 A

Arus magnetisasi Im 0,9 A

Resistansi lilitan primer r1 0,175 Ω

Resistansi lilitan sekunder r2 0,43 Ω

Reaktansi lilitan primer x1 0,07 Ω

Reaktansi lilitan sekunder x2 0,18 Ω

Gambar 8. Grafik faktor daya terhadap efisiensi transformator.

Hasil Uji Rangkaian Terbuka dan

Hubung Singkat

Dari hasil uji rangkaian terbuka dan hubung singkat diperoleh data-data sebagai berikut: tegangan, arus, dan daya rangkaian terbuka masing-masing 220 V, 1,2 A, 175 W dan tegangan, arus, dan daya rangkaian hubung singkat masing-masing 7,6 V, 20 A, 140 W. Berdasarkan data-data tersebut diperoleh parameter transformator seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 3.

Pengaruh faktor daya terhadap efisiensi transformator ditunjukkan oleh Gambar 8. Berdasarkan hasil uji rangkaian terbuka, hubung singkat dan perhitungan efisiensi diperoleh persamaan y = 14,69 ln(x) + 95,91 dengan R2=0,960. Untuk nilai faktor daya yang divariasi dari 0,1 sampai 1, maka efisiensi transformator tersebut berkisar antara 58,3% hingga 93,3%, sedangkan untuk factor daya 0,5 diperoleh efisiensi 87 %. Hasil tersebut memperlihatkan bahwa efisiensi transformator dipengaruhi oleh faktor daya. Makin tinggi faktor daya, maka semakin tinggi pula efisiensi transformator. Hal ini dikarenakan nilai faktor daya mempengaruhi daya keluaran transformator tersebut yang bernilai sebanding, sehingga efisiensinya juga

berubah dan bernilai sebanding dengan perubahannya. Biasanya transformator dioperasikan pada rentang faktor daya antara 0,5 sampai 1 sehingga mempunyai rentang efisiensi antara 87 % sampai 93,3 %.

KESIMPULAN

Dari analisa uji transformator 350 V/20 A untuk catu daya nitridasi plasma dapat disimpulkan bahwa transformator yang telah dikonstruksi sebagai komponen catu daya nitridasi plasma double

chamber telah sesuai dengan desain rancangan yaitu

350 V/20 A serta memiliki kemampuan isolasi lebih besar 2 kV. Untuk asumsi faktor daya pada rentang 0,5 hingga 1 maka efisiensi transformator diperoleh pada rentang antara 87 % hingga 93,3 %.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih ditujukan kepada Bapak Heri Sudarmanto dan Bapak Untung Margono atas kerjasamanya.

DAFTAR PUSTAKA

1. ANONIM, “Statistic Motorcycle Production

(7)

2. ANONIM, ”Plasma Diffusion Process”, diakses pada http://www.plasmaindia.com pada tanggal 28 Januari 2009.

3. SUPRAPTO, IR., “Pengembangan dan Rancangbangun Perangkat Berbasis Plasma”, Presentasi Usulan Kegiatan, Yogyakarta (2009). 4. USADA, WIDDI, DKK., “Perhitungan Awal

Tegangan Lucut dan Arus Untuk Perancangan Sumber Daya Pada Sistem Nitridasi Plasma”, Presentasi Rapat Koordinasi Rancangbangun

Plasma Nitriding Double Chamber Untuk

Industri Otomotif, April, Yogyakarta (2009). 5. SAEFURROCHMAN, DKK., “Perancangan

Awal Catu Daya DC 2 kV/10 A Perangkat Nitridasi Plasma Double Chamber Untuk Komponen Mesin”, Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya , Yogyakarta (2009).

6. JOHNSON, CURTIS D., “Handbook of Electrical and Electronics Technology”, Prentice Hall, New Jersey (1996).

TANYA JAWAB

Frida ID

− Uji fungsi dilakukan berapa kali?

− Apa yang dimaksud grafik prediksi uji arus transformator?

Saefurrochman

• Uji fungsi dilakukan sebanya 1 kali untuk

masing-masing transformator (terdapat 3 trafo sejenis sebesar 350 v / 20 A).

• Yang dimaksud dengan grafik prediksi uji

arus transformator adalah grafik arus transformator berdasarkan hasil perhitungan (sesuai dengan rumus Ohm). Hal ini disebabkan, karena tidak memiliki beban sebesar7 kW.

Emy Mulyani

− Pertimbangan apa yang dijadikan acuan untuk penentuan spesifikasi trafo yang akan digunakan?

− Efisiensi trafo itu menunjukan apa? Saefurrochman

• Yang dijadikan acuan dalam penentuan

spesifikasi transformator adalah hasil perhitungan parameter transformator 350v/20A.

• Efisiensi transformator menunjukkan

kehandalan dari transformator tersebut. Semakin besar efisiensi, semakin besar daya yang di transfer dari primer ke sekunder (semakin handal.