ISSN 1978-0176
RANCANGAN AWAL TRAFO TEGANGAN TINGGI UNTUK CATU
DAYA PEMERCEPAT SUMBER ELEKTRON BERBASIS KATODA
PLASMA
Yadi Yunus
1), Suyamto
2) (1)Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir (STTN) (2)Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PT APB)Badan Tenaga Nuklir Nasional
Jl. Babarsari P.O.Box 6101 YKBB Yogyakarta 55281
ABSTRAK
RANCANGAN AWAL TRAFO UNTUK CATU DAYA PEMERCEPAT SUMBER ELEKTRON BERBASIS KATODA PLASMA (CDP SEBKP). Telah dirancang Trafo untuk Catu Daya Pemercepat (CDP) pada Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma (SEBKP).Desain dilakukan dengan mengacu pada trafo tegangan yang dipakai pada catu daya x-ray untuk kesehatan. Trafo dirancang dengan daya beban penuh 8.500 VA, tegangan 220V/170 KV, jenis inti berbentuk cruciform dengan pendingin minyak. Dalam rancangan ini dihitung dimensi trafo baik kumparan maupun intinya, dan dievalusai rugi-rugi tegangan maupun rugi-rugi dayanya, efisiensi, arus beban kosong, regulasi tegangan dan kenaikan suhunya. Dari perhitungan diperoleh luas penampang inti 59,86 cm2, panjang rata-rata 2,197 m dan berat inti 91,76 kg.Dimensi kumparan, kawat primer dipilih bentuk pipih dengan luas penampang 38,64/1.100 = 0,0351 inc2 = 64,35 mm2, tebal kawat termasuk isolasi 0,228 inc = 5,79 mm,kawat sekunder dipilih bentuk bulat dengan diameter ≈ 0,2 mm. Dari analisa yang dilakukan setelah perencanaan, diketahui bahwa pada saat beban penuh rugi tegangan untuk sisi sekunder VRS= 0,05 x 38260,44 = 1913,02 V dan untuk sisi primer
VRP= 38,64 x 0,0273 = 1,055 V. Rugi-rugi daya inti 163,855 W,rugi daya tembagatotal 136,41 watt,
sehingga rugi total pada saat beban penuh sebesar 300,265 W. Besarnya efisiensi pada beban penuh adalah 0,9658, arus beban kosong 6,5 A. Regulasi tegangan 1,77 %dan kenaikan suhu pendingin 19,24 0C. Bila dielektrikum isolasi minyak 1 kV/mm, maka ruang untuk memisahkan dinding tangki dengan bagian yang bertegangan tinggi (sekunder) harus>170 mm.
Katakunci:Rancangan awal, trafo tegangan tinggi, pemercepat elektron.
ABSTRACT
PRELIMINARY DESIGN HIGH VOLTAGE TRANSFORMER FOR POWER SUPPLY OF ELECTRON SOURCE BASED TO PLASMA CATHODE. Has been designed transformer for powersupply of the accelerators based on cathode plasma electron sources. Design is done with reference to the high voltage transformers used in power supplies of medical x-ray diagnostic.Transformers are designed to have a full load power 8,500 VA, voltage 220V/170 KV, cruciform -core types with oil cooler. Inthis designthe
dimensions ofthe transformeris calculatedboththe coilandcore,then evaluatedthe
voltagelossesandpowerlosses, efficiency, no-loadcurrent, voltage regulationandtemperature rise. From thre calculation it is found that core cross section 59.86, average lenght 2,197 m and weight 91.76 kg. The dimension of primary winding isrectangular section with the cross sections38,64/1.100 = 0,0351 inc2 =
64,35 mm2, the thickness covering insulation 0,228 inc = 5,79 mm, the secondary winding used a circular section conductor with diameter 0,2 mm.By analysis after design, has been known that on full load condition the voltage drop of the secondary winding VRS= 0,05 x 38260,44 = 1913,02 Von the primary winding VRP=
38,64 x 0,0273 = 1,055 V, the cooper loss 136,41 watt, the core loss 163,855 W, so the total losses is 300,265 W. The voltage regulation 1,7 %, the efficiency 0,9658 and temp rise is 16,930C if the cooling surface
area3547,5 inc.2 and the high tension section must be >170 mm separated from the wall tank if the break
down voltage of the insulation oil is 1 kv/mm
ISSN 1978-0176 1. PENDAHULUAN
Tegangan tinggi merupakan merupakan unsur penting dalam sistem kelistrikan untuk laboratorium, pendidikan maupun industri. Dalam bidang transmisi dan distribusi tenaga listrik diperlukan transformator tegangan tinggi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Dalam bidang teknik nuklir sering juga diperlukan adanya catu daya tegangan tinggi, misal untuk pengioperasian detektor, untuk pemercepat partikel (particle accelerator) seperti Mesin Berkas Elektron berbasis filamen maupun katoda plasma, Implantor Ion. Generator Neutron, Siklotron, Betatron, Sinkrotron maupun Akselerator Linear selalu digunakan sumber tegangan tinggi. Begitu juga dalam bidang medis misalnya X-ray juga digunakan catu daya tegangan tinggi. Jadi dalam pengoperasian peralatan-peralatan tersebut pasti terkait dengan persoalan tegangan tinggi khususnya tentang teknik pembangkitan dan sistem keselamatannya. Dalam hal sistem pembangkitan tegangan tinggi khususnya untuk daya besar juga senantiasa terkait dengan transformator tegangan tinggi, teknik isolasi dan sistem pentanahan (grounding).
Pada saat ini di PTAPB-BATAN dan STTN Yogyakarta terdapat beberapa sumber tegangan tinggi berbasis transformator, baik dalam keadaan operasi maupun tidak beroperasi serta dalam tahap perencanaan. Tujuan dari perencanaan ini antara lain adalah untuk menunjang program kegiatan yang ada kaitannya dengan tegangan tinggi, baik dalam hal perencanaan, pembuatan, pemeliharan, keselamatan serta untuk mempelajari transformator tegangan tinggi.
Pada penelitian ini dikaji dan dilakukan perhitungan trafo tegangan tinggi 170 kV, 50 mA yang ada kaitannya dengan sumber tegangan tinggi pemercepat pada pembangkit sumber elektron berbasis katoda plasma. Perancangan dilandasi oleh beberapa trafo tegangan tinggi yang ada yaitu pada mesin berkas elektron (MBE) untuk pengolahan lateks buatan PT APB (300 kV, 20 mA), pada peralatan x-ray untuk industri buatan Philips (60 kV, 90 mA) dan x-ray untuk medis yang ada di STTN buatan China (100 kV, 50 mA). Proses perancangan transformatorini dilakukan secara manual dengan konsekuensidimungkinkan terjadi kekurang tepatandidalam perhitungan.Hasil rancangan berupa nilaiperhitungan dimensiutama, parameter kumparan dan disain tangki .
2.TEORI
Transformator daya adalah suatu peralatan
tenaga
listrik
yang
berfungsi
untuk
menyalurkan daya listrik dari tegangan tinggi
ketegangan rendah atau sebaliknya mentrans-
formasikan tenaga listrik dengan perubahan
tegangan)[1].
Konstruksi trafo pada umumnya terdiri dari: a. Inti yang terbuat dari tumpukan lembaran
plat besi lunak yang diklem. b. Kumparan dibuat dari tembaga yang
dibelitkan pada inti secara konsentris. c. Sistem pendingin beserta isolasinya.
Dengan demikian kebanyakan
desaintransformatormeliputi masalahkemagnetan, kelistrikan, isolasi dan panas. Masalah kemagnetan terkait dengan inti, masalah kelistrikan terkait dengan kumparan, masalah isolasi terkait dengan bahan isolator dan masalah panas terkait dengan sistem dan bahan pendingin.
Pada umumnya sisi primer transformator tegangan tinggi dicatu dari sumber teganagn PLN 220/380 volt.Perancangan harus dilakukan secara cermat dan teliti untuk menjamin agar pembebanan listrik dan magnet-nya optimum, tekanan,kenaikan temperatur yang timbulmasih dapat diterima untuk tegangan dan daya yang diperlukan serta besaran rugi-daya (parasitic parameters) seminimal mungkin.Di samping itu metodologi standar desain transformator, terkait dengan beberapa hal yaitu masalah persyaratan isolasi, elemen parasistik, rugi inti, pelepasan panas, dan efek korona. Trafo tegangan tinggi umumnya mempunyai perbandingan transformasi 600 : 1 dan 900 : 1 sehingga disyaratkan tebal isolasi antara gulungan primer dan sekunder mencukupiagar tidak terjadi dadal tegangan (electrical breakdown)[2]. Dengan ketebalan isolasi yang demikian tersebut akibatnya kopling elektromagnetik antara primer dan sekunder menjadi tidak seerat seperti pada trafo tegangan rendah, sehingga timbullahkapasitansi parasitik yang menginduksikan arus reaktif melalui gulungan sekunder yang akhirnya efesiensi trafo menjadi rendah.Pada trafo tegangan tinggi pelucutan korona juga mempengaruhi unjuk kerja operasi dan umur trafo,untuk itu sudut- sudut atau tonjolan- tonjolan tajam yang terdapat pada trafo bisa meningkatkan kuat medan listrik sehingga mudah terjadi korona dan mendegradasi isolasi serta kawat dadal elektrikaldi tempat tersebut.
2.1. Desaian sistem kelistrikan.
Transformator bekerja berdasarkan prinsip
induksielektromagnetik, dimana tegangan masukan ACpada sisi primer primer menimbulkan fluks magnetbolak-balik secara ideal semua diinduksikan ke sisi sekunder. Dalam perencanaan transformator pasti di dalamnya akan ada penentuan besarnya tegangan per lilit baik untuk sisi primer maupun sekunder. Besar tegangan perlilit tersebut didasarkan pada besaran GGL (Gaya Gerak Listrik) yang dibangkitkan pada suatu lilitan oleh fluks
ISSN 1978-0176 mmp H D L C D -R
magnetbolak-balik yang terjadi yang rumusannya seperti persamaan berikut,
8 10 . . 44 , 4 f N E (1)
dengan Eadalah GGLpada lilitan(volt), f frekuensi sumber (Hz), N jumlah lilitan dan ϕ fluks pada inti (weber).
Secara ideal, seluruhfluks pada lilitan primer diinduksikan ke lilitan sekunderdan jika Vtadalah
tegangan per lilit maka dari persamaan (1) diperoleh 8 10 44 , 4 f N E t
V baik untuk sisi primer
maupun sekunder. Vtjuga dapat dituliskan
NI amper volt NI EI N E t V , sehingga amper volt C EI C t V EI NI f NI EI f t V
1 1 8 10 44 , 4 8 10 44 , 4 2 (2) dengan f NI C 44 , 4 8 10 danEI adalah daya keluaran trafo yang diinginkan. Nilai koefisien Cuntuk Trafo distribusi model core type adalah 40-70.[2]Trafo modelCore typelebih cocok bagi trafo tegangan tinggi, dimana kumparannya mengelilingi inti dan sebaliknya trafo Shell typeatau jenis cangkangintinya mengelilingi kumparan. Sedangkan pemakaian trafo dibedakan ke dalam trafo distribusi dengan rating 3-500 kVA dan trafo tenaga/daya dengan rating ≤ 500 kVA.
Jika daya output trafo 1 fasa dalam watt dinyatakan P = Es Iscosφ, dan w=rugi daya
total=rugi inti+rugi tembaga, maka efisiensi dapat
dinyatakan η= 1- 𝑃:𝑤𝑤 (3),
Dan rugi daya total sebagai,
w= 1;𝜂𝜂 × 𝑃 (4),
Agar informasi mengenai trafo komplit, rugi inti dan rugi tembaga perlu dinyatakan secara terpisah atau efisiensi perlu diketahui pada beberapa posisi pembebanan, untuk itu jika,
P = daya beban penuh
η = efisiensi ketika beban penuh,
Pcu= rugi daya tembaga ketika beban penuh,
Pcr = rugi daya inti dan,
w = rugi daya beban penuh,
maka : w= (Pcu+ Pcr) = (1;𝜂𝜂 )P (5).
Kemudian jika,
ηn = efisiensi ketika beban n × P,
nP = daya output saat itu, n2P
cu= rugi daya tembaga,
wn= rugi daya total ketika daya output nP,
maka, wn = (n2Pcu+Pcr) = (1:𝜂𝜂 𝑛
𝑛 )nP (6),
dandengan mengurangkan (6) dengan (5) maka diperoleh,
w - wn = Pcu - n2Pcu (7),
maka : rugi daya tembaga saat beban penuhadalah, Pcu = 𝑤 ; 𝑤(1;𝑛2𝑛) (8).
2.2. Disain sistem kemagnetan
Disain sistem kemagnetan dimaksudkan untuk menentukan dimensi inti trafoyaitu meliputi model, bukaan jendela,luas penampang, bentuk dan faktor tumpukan inti. Trafo tegangan tinggi selain model core type penampang intinya sering dibuat bentuk cruciform agar lilitannya membentuk lingkaran sehingga mengurangi bentuk tonjolan dan dengan inti cruciform bocor fluks dapat ditekan.
Agar hasil rancangan optimum luasan jendela trafo harus sesuai dengan volume seluruh kumparan.Dalam mencari luas jendela trafoperlu menghitung faktor ruangkumparan (winding space factor) kV f S 30 10 (9),
dan ditentukan rapat arus ∆ dalam (A/inchi2). Sebagai gambaran jenis trafo core typebentuknya seperti Gambar 1. Panjang dan lebar jendela adalah H dan D, dengan cara penentuannya adalah,
H × D = 2(𝑁0,35× ∆𝑠×𝑆𝑓) (10), dengan Nsadalah jumlah lilitan sekunder dan ∆
rapat arus (A/inc2). Nilai perbandingan antaraH dan Dbiasanya diambil antara 2,5-3,5.
Dengan bentuk penamapng inti magnet yang cruciform, untuk mencari luas penampangnya dapat dilakukan dengan rumus-rumus berikut.
fN E mak 44 , 4 8 10 St mak B mak i A int (11)
Pada trafo jenis core type dengan inti bentuk cruciform sesuai Gambar 1, luas inti jugaAi = 2 WL – W2
(12)
denganW =0,525 C dan L = 0,85 C,maka dengan persamaan (5) dapat dihitung panjang W dan L dari inti. Panjang jalur fluks magnet
W
ISSN 1978-0176
rerata mmp ( LФ ) juga dapat dihitung,
H D R
L R
L 2 2 2 .(13). Dari sini dapat ditentukan berat inti total
Gt = BD (Sf × Ai × LØ ) (14)
Agar perhitungan lebih akurat dan guna mengetahui terjadinya pembebanan lebih, dilakukan perhitungan ulang rugi-rugi dengan menggunakan, kurva yang menunjukkan rugi daya lilitan tembaga dan rugi daya inti besi.
2.3. Disain gulungan kawat.
Ukuran kawat baik untuk primer maupun sekunder dapat di hitung dari besarnya arus dibagi dengan rapat arus ∆yang dipilih, yaitu untuk bahan tembaga 1500 – 3300 A/inc2[3], selanjutnya disesuaikan dengan daftar ukuran dan jenis kawat yang ada di pasaran.Jumlah lapisan kumparan dan jumlah lilitan tiap lapis ditentukan dari lebar dan panjang jendela inti. Tebal kumparan total dapat dihitung dari ketebalan kawat dikalikan jumlah lapisan kumparan berikut isolasinya dengan memperhitungkan gap antara gulungan kawat primer dan sekunder.
3. PERHITUNGAN UNTUK PERANCANGAN Perhitungan disain trafosalah satunya didasarkan pada kebutuhan catu daya tegangan tinggi,dalam hal ini untuk Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma (SEBKP).
Dengan specifikasi teknis trafo : satu fasa, tegangan efektif primer V1 = 220 VAC ; tegangan sekunderV2
= 170,000 V ; arus sekunder /ke beban maksimum I2
= 0.05 A; daya trafo P = 8.500 VA ; dan frekuensi f = 50 Hz. Diasumsikan efisiensisaat beban penuh ηfl
= 96.5 % , efisiensi pada 1/4 beban penuh η1/4fl =
95,kenaikan suhu tidak melampaui40oC. 3.1. Perkiraan kasar rugi-rugi
Sebelum melanjutkan perancangan sebaiknya dikalkulasi secara kasar rugi-rugi daya sesuai dengan efisiensi yang diinginkan di awal perencanaan dengan persamaan (3) – (8),
a. Rugi total pada saat beban penuh, w= 308 watt
b. Rugi total pada saat 1/4 beban penuh, w1/4= 111,85 watt
c. Rugi lilitan total saat beban penuh, Pcu= 209,23 watt
d. Rugi inti total,
Pcr= 308 - 209,23 = 98,77 watt.
3.2. Jumlah lilitan
Kemudian tegangan per lilitan Vt dihitung
dengan persamaan (2) dan karena trafo tegangan tinggi dengan frekuensi 50 Hz, maka koefisien C diambil 60, sehingga didapat,
Vt =√850060 = 1,54 volt/lilit,
Ns = 170.000/1,54 = 110.480 lilitan,
Np = 220/1,54 = 143 lilitan.
3.3. Bentuk, Dimensi, Volume dan Berat Inti Mengingat untuk tegangan tinggi makaTrafo direncanakan dengan model core type.Dengan model tersebut kumparandibagimenjadi 2 bagian kumparan dengan masing-masing dipasang pada 2 sisi panjang jendela trafo.Dengan tiap bagian kumparan berisi kumparan primer dan skunder.
Ukuran inti dihitung denganpersamaan (4)yaitu
kV f S 30 10 = 10/(30 +170) = 0,05 dan dengan diambil Ira = 1.100 A/inchi2, maka
100 . 1 035 , 0 ) 05 , 0 480 . 110 ( 2 D
H = 286,961 inc2,dan dengan
mengambil H = 2,5 D pada Gambar 1, maka D = 5 , 2 / 961 , 286 = 10,71 inchi = 272,03 mm dan H = 26,79 inchi = 680,5 mm.
Selanjutnya dengan persamaan (1), V2 = 170.000
volt, f = 50 Hz dan jumlah lilitan sekunder 110.480, diperoleh Ф= 0,693 106weber.
Dari Ф tersebut, karena frekuensi f 50 Hzsesuai data grafis dapat diambilBmak83.000weber/inc2(Gambar
154, Still.A) dan faktor tumpukan inti diambil 0.9 secara kasar diperoleh luas penampang inti
28 , 9 9 , 0 83000 6 10 693 , 0 gross A inc2
Dengan persamaan (6) dan Gambar1, dengan inti bentuk cruciform C (diagonal) = 3,88 inchi = 98,55 mm; W (lebar dalam) = 2,04 inchi =51,82 mm dan L (lebar luar) = 3,3 inchi = 83,82 mm. Menurut persamaan (7) mmp LФ = 86,502 inchi = 2.197,16
mm. Bila berat jenis inti magnet diambil 0,28, makaberat intitrafoGt = 0,28×0,9×9,28×86,502 =
202,29 lb = 91,76 kg.
Ditinjau dari volume kumparan secara global dan dengan berat jenis tembaga 0,32 lb/inc3, total berat kawat tembaga secara kasar dapat dicari. Panjang kawat perlilitrerata (mlt)adalahkeliling rata-rata dari total kumparan, yaituπC dan π(D+L) = 28,087 inchi = 713,41 mm. Luas penampang total kawat kumparan primer-sekunder juga dapat dihitung berdasar pada junmlah lilit N, arus beban penuhIfl dan rapat arus ∆ yang diijinkan sebagai
ISSN 1978-0176
Penampang kawat kumparan total
=
fl I s N 2
100 . 1 05 , 0 480 . 110 2 = 10,044 inc2dan dengan berat jenis tembaga 0,32 makaberat lilitan total 90,271 lb = 41 kg.
3.4. Ukuran,Volume dan Berat Kawat Kumparan Ukuran kawat dihitung setelah ditentukan rapat arus,yaitu jika diambil rapat arus∆ = 1100 A/inc2 , maka penampang kawat primer adalah38,64/1100 = 0,0351 inc2 = 64,35 mm2. Panjang kumparan menyesuaikan panjang jendela trafo diambil 26 inc, dan dengan 72 kawat tiap lapis kumparan maka tiap kawat lebarnya termasuk isolasi 26/72 = 0,361 inc.= 9,17 mm. Kawat yang tersedia di pasaran seperti tercantum pada Tabel 3 pada Lampiranbentuk kotak pipih luas penampang 0,0644 inc2 dengan lebar 0,347 inc = 8,82 mm, tebal termasuk isolasi 0,228 inc = 5,79 mm dan tahanan jenisnya pada suhu 75 0C ρp = 0,154 Ω/103ft, sehingga jika digunakan kawat ini, rapat arus primer saat beban penuh akan menjadi 38,64/0,0644 = 600 A/inc2, ini sangat
aman jika dibanding dengan 1100 A/inc2. Dengan demikian tebal kumparan primer termasuk isolasi kertas 10 mill untuk alas pada koker adalah 0,228 + 0,01 = 0,238 inc. = 6,05 mm (karena kumparan primer hanya 144 lilit dibagi menjadi 2 lapis yang masing-masing lapis ditempatkan terpisah diantara 2 kaki inti). Selanjutnya isolasi yang ditempatkan di bagian luar kumparan primer tegangan rendah mengacu Tabel 1 yaitu = 0,188 inc = 4,77 mm. Panjang kumparanskunder juga menyesuaikan panjang jendela trafo diambil 25,5 inc, kemudian dibagi menjadi 48 kumparan untuk tiap kaki inti sehingga karena ada 2 kaki inti maka jumlah kumparan skunder 96 dan tiap kumparan = 110.480 /96 = 1151 lilit. Jika rapat arus diambil 1100 A/inc2 , maka ukuran kawatnya 0,05/1100 = 4,54x10 -5 inc2
(bisa menggunakan kawat bulat dengan diameter 0,0076 inc = 0,193 mm ≈ 0,2 mm). Ukuran kawat standar di pasaran yang sesuai data Tabel 2 pada Lampiran adalah 0,0000496 inc2(diameter 0,00795
inc.= 0,22 mm), tahanan jenis kawat ini saat suhu 60 0C adalah ρ
s = 190 Ω/103ft, jika demikian maka rapat arus saat beban penuh akan menjadi 0,05/0,0000496 = 1008,06 A/inc2, ini< 1100 A/inc2berart cukup aman. Dengan panjang kumparan 25,5 inc.= 647,7≈ 650 mm dibagi menjadi 48 kumparan dan tiap antara kumparan diselipkan isolasi fertinak 2 × 1 mm maka per kumparan panjangnya hanya (650 – (2×49))/48 = 11,5 mm= 0,453 inc. Jika kawat yang digunakan 0,0000496 inc2 (diameter 0,00795 inc.= 0,22 mm) maka sesuai Tabel 2 itu pula jumlah lilit per inci-nya adalah 62.
Kemudian dengan panjang kumparan 0,453 inc=11,3 mm jika 1 kumparan=1151 lilit, maka dalam tiap kumparanakanada 42 lapis dengan 28 kawat per lapis, sehingga total lilitan tiap gulungan = (38×28)+(4×25)= 1164(>1151). Dengan menggunakan tebal kertas isolasi antar lapis 7,5 mil ( 0,2 mm), lebar radial total kumparan sekunderadalah2{(43×0,0075) + (42×0,00795)}= 1,3128 inc.= 33,4 mm.Beda tegangan paling besar antar lapis akan 2 kali volt tiap lapis.Dengan 170000/96 =1771 volts per kumparan pada sisi tegangan tinggi, diperoleh (1771/42) × 2 = 84,3 volts ini cukup aman.
Selanjutnya untuk menentukan jarak aman ruang antar kumparan tegangan tinggi pada pusat jendela. Berdasarkanpengaturan kumparan dan isolasi pada inti dan jendela, dimensi radial kumparan dapat diperhitungkan sebagai berikut. Celah antara intidan tabung/koker... [(C - L)/2]× 2 = [(3,88 – 3,3)/2] × 2 ...= 0,580 inc. Pojokan inti× 2 = 0,125 × 2 ... = 0,250 inc. Tabung isolasi× 2 = 0,125 × 2 ... = 0,250 inc. Pita isolasi pada tabung× 2 = 0,04 ×2 = 0,080 inc. Kump. sekunder+isolasi=1,3128×2=2s=2,630 inc. Kump. primer +isolasi = 0,238 ×2 =2p = 0,476 inc. Isol. antara primer dan sekunder=2 ×g= 0,376 inc. Total dimensi radial kumparan...= 4,542 inc Padahal lebar jendela inti trafo D=10,71 inc, maka dengan dimensi radial kumparan total sebesar itu, celah kosong yang masih tersisa adalah 10,71-4,54 =6,17 inc.= 156,7 mm, inisangat cukup untuk pemisahan antar kumparan sekunder pada pusat jendela.
Panjang kawat rata-rata tiap lilit (mlt) pada kumparan dihitung sebagai berikut,
Kumparan Sekunder Ls =
=π[C+(2×(tebal tabung dan pita isolasi)+2p+2g+ s)] =π[ 3,88 + (2(0,25 + 0,04)) + 0,476 + 0,376 + 1,313]= 20,813 inc.
Kumparan PrimerLp=
= π [C + (2×(tebal tabung dan pita isolasi)) + p] = π[3,88 + (2 x (0,25 + 0,04)) + 0,238]= 14,759 inc. Panjang total kawat lilitan adalah :
Sekunder = (20,813/12)110480 = 191618,353 ft. = 58405,274 m,
Primer = (14,759/12) 144 = 177,108 ft. = 53,983 m
Ditinjau dari volume/panjang kawat dan dengan berat jenis tembaga 0,32 lb/ft3, maka berat kawat
sekunder,
= 0,32 × 0,0000496 × 191618,353 × 12 = 36,496 lb. = 16,56 kg,
Berat kawat primer,
= 0,32× 0,0644 × 177,108 × 12 = 43,798 lb. = 19,87 kg.
ISSN 1978-0176 36,43 kg.
4. PEMBAHASAN
Untuk mengetahui karakteristik dan keberhasilan perencanaan transformator ini perlu dilakukan evaluasi perhitungan terhadap rugi-rugi tegangan, rugi-rugi daya, efisiensi, arus beban kosong, regulasi tegangan dan kenaikan suhu yang bisa dianalisa dengan perhitungan tersendiri.
4.1.Rugi tegangan pada kumparan
Rugi tegangan pada saat beban penuh harus dihitung lebih dulu baik pada kawat atau tahanan primer maupun sekunder. Panjang total gulungan dari hasil disain primerL1 = 177,108 ft, dan
sekunderL2 = 191618,353 ft.Jadi tahanan
masing-masing pada suhu 750C adalah,
Rp = 0,154 ×x (177,108/1000)= 0,0273 Ω Rs = 190,00
60 5 , 234 75 5 , 234 ×
1000 353 , 191618 = 38.260,44 Ω.Jadi rugi tegangan dalam kumparan pada saat beban penuh adalah,
VR = I×R.
Untuk sisi sekunder,
VRs= 0,05 × 38260,44 = 1913,02 Volt,
dan untuk sisi primer,
VRp= 38,64 x 0,0273 = 1,055 Volt.
4.2. Rugi-rugi daya
Telah dihitung berat inti total adalah Gt= 202,29
lb, kemudian dengan mengambil faktor kehilangan daya pada inti trafo dari bahan steel strip saat rapat fluks magnet B=83000 Wb/inchi2, sebesar 0,81 watt/lb, maka rugi inti = 0,81x202,29 = 163,85 watt,ini ternyata sedikit di atas nilai rugi inti yang dihitung atas dasar porsi pembebanan yang besarnya hanya 98,77 watt.
Berdasar berat tembaga, hilang daya pada tembaga (Alfred Still) adalah 2,57 ∆2/106 watt/lb. Jika berat total kawat tembaga = 90,274 lb maka hilang daya total pada kawat kumparan adalah 2,57.(1.100)2/106 ×90,274 = 280,72 watt. Nilai ini ternyata agakkebesaran dari perhitungan atas dasar efisiensi yang telah ditentukan sebelumnya yaitu 209,23 watt. Ini artinya dapat diambil ukuran kawat yang lebih kecil dan atau rapat arus yang lebih rendah.
Selain itu rugi daya tembaga pada beban penuh juga dapat dicek dengan berdasar tahanan masing-masing kumparan. Yaitu denganPcu =I2R. Untuk sisi
sekunder Pcu.s = 0,05 2 × 38260,44 = 95,65 watt dan
untuk sisi primerPRcu1 = 38,64 2x 0,0273 = 40,76
watt, sehingga rugi tembaga total adalah136,41 watt. Nilai ini ternyata lebih kecil dari yang dihitung berdasar efisiensi yang diinginkan semula 209, 23 watt.Ini juga menunjukkan bahwa kawat kumparan bisa diambil harga penampang yang lebih kecil terutam kawat primer.
Jadi pada saat beban penuh rugi daya totaladalah163,855 + 136,41 = 300,265 watt. 4.3. Efisiensi saat faktor daya satu
Untuk memberikan informasi yang lengkap biasanya dihitung efisiensi pada berbagai keadaan pembebanan. Besarnya efisiensi trafo pada berbagai beban dapat dihitung menurut persaamaan (3) – (8) dimana rugi inti nilainya tetap sedangkan rugi tembaga berubah sesuai dengan bebannya yaitu menjadi n2Pcu dengan n adalah fraksi pembebanan.
Jadi ) 41 , 136 2 ( 86 , 163 ) 8500 ( ) 41 , 136 2 ( 86 , 163 1 n n n
Dengan memasukkan nilai n, maka
) 41 , 136 2 25 , 1 ( 86 , 163 ) 8500 25 , 1 ( ) 41 , 136 2 25 , 1 ( 86 , 163 1 25 , 1 = 0,9657 ) 41 , 136 2 1 86 , 163 ( 8500 25 , 1 41 , 136 2 1 86 , 163 1 = 0,9658
Dengan cara yang sama diperoleh η ¾ =0,9636,
η½ = 0,955 dan η¼= 0,925
Terlihat bahwa bila beban trafo semakin kecil, maka efisiensinya juga makin kecil. Efisiensi maksimum tercapai ketika rugi inti yang tetap sama dengan rugi tembaga yang bervariasi. Jadi efisiensi tersebut maksimum ketika beban,
. . cu P cr P fl KVA mak ef KVA
Maka besarnya efisiensi maksimum terjadi pada saat trafo dibebani sebesar 8.500 ×√163,86136,41
= 9.316,06 VA, terlihat trafo mampu dibebani lebih besar dari yang direncanakan 8500 VA, dan efisiensi maksimumnya,
ηmak= 1 – 9316,06:(163,86:163,86)163,86:163,86 = 0,966
Apabila trafo selama satu hari waktu pembebanannya hanya sebentar maka efisiesinya justru akan semakin kecil. Efisiensi trafo selama satu hari disebut efisiensi sepanjang hari(All-day efficiency). Untuk trafo distribusi biasanya dianggap berbeban penuh sealama 4 jam dan 20 jam sisanya dianggap tanpa beban, sehingga perhitungan efisiensi hariannya adalah,
ISSN 1978-0176 ηall-day = 1 – 8500×24:(163,86×24:136,41×4)(163,86×24):(136,41×4) = 0,8836
4.4. Arus Beban Kosong/ Arus Magnetisasi Arus beban kosong atau juga sama dengan arus magnetisasi juga disebut arus penguat primer (primary exciting current), dimana arus ini harus selalu ada walaupun trafo tidak dibebani. Berdasarkan manual USS nomor 3, diperoleh bahwa gaya magnetisasi (magnetizing force) untuk rapat fluks 83.000 Wb/inc.2adalah 14,5 amper-lilit per inchi. Juga dari Gambar lampiran 162 amper lilit per inchi untuk sambungan adalah 63. Sehingga jumlah maksimumamper-lilit yang dibutuhkan untuk magnetisasi inti adalah,
T I = (m.m.p × 14,5) +63 = (86,502 × 14,5) + 63 = 1317,279 ampere lilit.
Maka komponen arus tanpa beban untuk magnetisasi dan energi adalah,
Im=
1317,279
√2 × 144 = 6,47A dan Iw = 163,86
220 = 0,745 A sehingga resultan arus eksitasi adalah,
Ie =√(6,47)2+ (0,75)2 = 6,5Ampere
4.5. Regulasi:
Regulasi tegangan adalah besaran perubahan tegangan karena adanyaperubahan beban. Nilai regulasi ini sangat dipengaruhi oleh besarnya rugi tegangan yang bersifat resistif VR=IR dan reaktif
VX=IX
Besarnya prosentasi rugi tegangan VDR=IR
pada sisi primer dan sekunder yang merupakan total rugi tembaga dalam prosent terhadap rated KVA, adalahVDR = 100 500 . 8 41 , 136 = 1,6 .
SedangkanVD X=IX , dihitung dari f = 50, Ts=
110480 , Is = 0,05, m = jumlah bagian sisi tegangan
tinggi dan rendah = 2, mltsisi tegangan tinggi dan rendah= (20,813 + 14,759)/2 = 17,786 inc H = 26,79 + 1 = 27,79 inc. , g = 0,188 inc., p = 0,238 inc., s = 1,3128 inc. Maka diperoleh [1]
VX=IX = 2 × 50 ×110480
2 × 0,05 ×17,786
2 × 27,79 ×170000 × 105 (0,188 + 0,238: 1,3128
3 ) = 0,8098≈ 0,81%
Sehingga regulasi pada faktor daya beban 0,8 adalah VR = (1,6 x 0,8) + (0,81 x 0,6) =1,77 %
4.6. Kenaikan suhu.
Dengan trafo didisain model pendinginan sendiri menggunakan oli/minyak, kenaikan suhu yang diijinkan dari pendingin itu didesain maksimum 40oC, dan koefisien pendinginan permukaan tangki trafo yang rata/halus pada suhu tersebut c = 0,005 watt/inc20C. Maka luas permukaan total tangki untuk pendinginan tidak boleh kurang dari,
S = 0,005 ×40300,265 = 1501,325 ≈ 1.550 inc2.
Mengingat bahwa permukaan yang harus diperhi t
ungkan adalah luas bagian vertikal ditambah setengah luas tutup atas, maka dapat digunakan kotak tangki yangberukuran 25 x 15 inchi, tinggi 42 inchi sudah cukup memadahi. Dengan ukuran seperti itu, luas permukaan untuk pendinginannya adalah S = 2(25 + 15) x 42 + ½ (25 x 15) = 3547,5 inc.2 Dengan luas permukaan tersebut keboleh jadian kenaikan suhu maksimum minyak pendingin adalah t = 0,005 × 3547,5300,265 = 16,930C
Kemudian bila kemampuan dielektrik isolasi minyak adalah 1 kV/mm, maka ruang untuk memisahkan dinding tangki dengan bagian yang bertegangan tinggi (sekunder) harus >170 mm. 4.7. Gambar-gambar hasil rancangan
Hasil rancangan berupa gambar-gambar seperti terlihat pada Gambar 2; 3 , 4 dan 5 yang disertakan pada lampiran dan disertakan pula tabel rangkuman data hasil perhitungan untuk perancangan (Tabel 3). 5. KESIMPULAN
Dari perencanaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :
a. Trafo tegangan tinggi yang dapat digunakan sebagai komponen catu daya pada Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma dengan daya 8500 VA memerlukan bahan inti plat besi lunak seberat 202,29 lb = 91,76 kg dan kawat tembaga untuk kumparan80,294 lb = 36,43 kg.
b. Trafo yang dirancang tegangan tertinggi mencapai 170 kv, rating daya 8500 VA, ini masuk klasifikasi trafo distribusi maka bentuk inti yang sesuai adalah core type, dan agar fluks bocor terkurangi bentuk penampang inti dibuat model cruciform, dan dengan demikian bentuk lilitan melingkar, sehingga terkurangi pula terbentuknya tonjolan-tonjolan yang dapat mengakibatkan terjadinya korona.
c. Dari hasil perhitungan dan pembahasan trafo ini mempunyai karak teristik yang cukup memadahi yaitu ; efisiensi cukup tinggi (0,966), prosen regulasi rendah (1,77 %), kenaikan suhu juga rendah (16,930C), dengan dimensi tangki juga tidak terlalu besar (25 x 15 inchi, tinggi 42 inchi).
d. Disain trafo ini layak untuk dilaksanakan pembuatannya, dengan tentunya lebih dirinci lagi perencanaannya jika perlu sampai pada tahapan nilai dana yang diperlukannya.
ISSN 1978-0176
6. UCAPAN TERIMAKASIH
Alhamdulillahirobil Alamin kami ucapkan karena berkat Rahmat dan HidayahNya Rancangan Awal TrafoTegangan Tinggi Untuk Catu Daya Pemercepat Sumber Elektron Berbasis Katoda Plasma berhasil diselesaikan. Di samping itu trimakasih juga kami sampaikan kepada berbagai pihak yang telah membantu terselesaikannya penelitian perancangan ini, yaitu kepada :
1. Bp.Ir.Zaenal Abidin, M.Kes yang telah memberi kesempatan untuk mempelajari trafo mesin X-Ray yang ada di laboraturiumnya.
2. Segenap Jajaran Pengelola STTN yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas untuk terlaksananya kegiatan penelitian perancangan. 3. Semua pihak yang tak dapat kami sebutkan satu
persatu yang semuanya telah membantu terselesaikannya penelitian perancangan ini.
7. DAFTAR PUSTAKA
1. ALAMAJIBUWONO, H., HERMAWAN, dkk,Pemeliharaan Transformator DayaPadaGardu Induk 150 kV Srondol PT. PLN (Persero) P3B Jawa Bali Region Jawa Tengah Dan DIY Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Univ. Diponegoro, (2010).
2.
FOTHERGILL,J.C, at-all,
A Novel Prototype Design for a Transformer for HighVoltage, High Frequency, High Power Use, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, VOL.16, NO.1,( 2001). 3. STILL, A. And SISKIND, CS., Elements Of
Electrical Machine Design, McGRAW-HILL BOOK COMPANY, INC, New York Toronto London (1954).
ISSN 1978-0176
Gambar 2. Jendela inti trafo tampak samping dan tampak depan
Gambar 3.Inti trafo yang terdiri lapisan plat silicon steel ketebalan 0,5 mm, penampang inti yang bakalkelilingi kumparan bentuk cruciform
8. LAMPIRAN -LAMPIRAN 350 6 8 25 90 54 74 27 5
ISSN 1978-0176
Gambar 4. Trafodi dalam tangki tampak depan
Gambar 5. Trafo dalam tangki tampak samping 70 70 950 10 57 100 180 250
ISSN 1978-0176 Tabel 1. Data Kawat untuk kumparan skunder
ISSN 1978-0176
ISSN 1978-0176
Tabel 3. Rangkuman data specifikasi trafo yang direncanakan
Uraian
Spesifikasi
Keterangan
Kapasitas 220V/170 kV, 8,5 KVA, 1 fasa, 50 Hz
Model Inti Core type Lihat Gambar 3 pada
lampiran
Tegangan per lilit 1,54 volt/lilit
Jumlah lilitan primer 144 lilitan
Kawat primer Kawat pipih penampang 0,0644 inc2
dengan lebar 0,347 inc = 8,82 mm, tebal termasuk isolasi 0,228 inc = 5,79 mm Jumlah lilitan sekund/fase/koil 110.480 lilitan
Kawat sekunder 0,0000496 inc2(diameter 0,00795 inc.=
0,22 mm) Perbandinqan transformasi N2/N1 767,2
Bentuk penampang inti Cruciform C (diagonal) = 3,88 inchi = 98,55 mm; W (lebar dalam) = 2,04 inchi =51,82 mm dan L (lebar luar) = 3,3 inchi = 83,82 mm
Lihat Gambar 2 dan 3 pada lampiran
Bahan inti Plat Silicon steel tebal 0,5 mm
Bahan isolasi/ kuat dielektrikum Minyak trafo/ 1 kV/mm Daya isolasi antara:
- Koil primer - sekunder - Koil 25kV– koil 25k /fase
200 kV 70 kV Media isolator / pendingin Minyak trafo
Ukuran jendela inti trafo D=10,71 inc, H = 26,5 inci Jarak sela antar bagian kumparan 6,17 inc.= 156,7 mm Tahanan lilitan sekunder 38.260,44 Ω
Tahanan lilitan primer 0,0273 Ω
Rugi daya liltan sekunder 95,65 W Rugi daya liltan primerr 40,76 W
Rugi daya inti 163,85 W
Rugi daya total 300,265 W
Efisiensi pada beban penuh 0.966
Arus beban kosong 6,5 A
Regulasi tegangan 1,77 %
