Pusat Sains dan Teknologi Akselerator Yogyakarta, 28 November 2017
Elin Nuraini, dkk ISSN 0216-3128 177
DESAIN DAN KONSTRUKSI TRANSFORMATOR TERISOLASI
UNTUK ANODA PEMFOKUS DARI SUMBER ELEKTRON TIGA
ELEKTRODA UNTUK MBE LATEKS 300 kV/20 mA
Elin Nuraini, Saefurrochman, Sutadi Pusat Sains dan Teknologi Akselerator
Jalan Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta 55281 elin@batan.go.id
ABSTRAK
DESAIN DAN KONSTRUKSI TRANSFORMATOR TERISOLASI UNTUK ANODA PEMFOKUS DARI SUMBER ELEKTRON TIGA ELEKTRODA UNTUK MBE LATEKS 300 kV/20 mA. Pada MBE (Mesin Berkas Elektron) lateks 300 keV/20 mA dibutuhkan tegangan terisolasi dengan tujuan untuk memfokuskan dan mempercepat berkas elektron luaran dari sumber elektron. Sesuai desain telah terkonstruksi trafo terisolasi dengan komponen koker primer dan sekunder dari bahan teflon dengan masing-masing dimensi diameter 14,2 cm x tinggi 48,5 dan diameter 20,2 cm x tinggi 35,5 cm. Koker tersebut terhubung oleh inti yang memisahkan koker primer dan sekunder dengan jarak 20 cm. Penampang inti 8 cm x 8 cm dengan panjang 59,5 cm, dimana inti transformator ini harus terisolasi terhadap tegangan tinggi 300 kV. Kumparan primer terdiri dari 190 lilit kawat tembaga diameter 2 mm, dan kumparan sekunder 9460 lilit kawat tembaga diameter 0,3 mm. Berdasarkan hasil uji awal, pada beban 100 kΩ dengan tegangan primer 220 V dihasilkan tegangan sekunder 6,6 kV dan arus optimum 76 mA, dan untuk beban
14,285 kΩ dengan tegangan primer 220 V, dihasilkan tegangan sekunder 6,1 kV dengan arus beban optimum 59,45
mA. Pada pengoperasiannya, trafo terisolir ini ditempatkan dalam bejana horisontal MBE yang diisi gas SF6 bertekanan 6 bar sebagai medium isolator.
Kata kunci : transformator terisolasi, anoda pemfokus, sumber elektron tiga elektroda, MBE lateks
ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE INSULATED TRANSFORMER FOR FOCUSING ANODE OF THREE ELECTRODE ELECTRON SOURCE OF EBM-LATEX 300 /20 kV MA. The insulated transformer was needed by Electron Beam Machine-latex (EBM-latex) to focus and accelerate electron beam that was obtained from electron source. The insulated transformer consists of primary and secondary bobbins made from Teflon. The dimension of bobbins are 14.2 cm of diameter and 48.5 cm of height for primary and 20.2 cm of diameter and 35.5 cm of height for secondary. These bobbins were connected by laminated cores and separate from each other along 20 cm. The surface area of laminated cores is 8 cm x 8 cm with 59.5 cm of length. It should withstand 300 kV of voltages. The insulated transformer was equipped with primary and secondary windings that were made from copper coil. The primary winding has 190 wounds with 2 mm of coil diameter and the secondary winding has 9460 wounds
with 0.3 mm of coil diameter. The insulated transformer was tested with 100 kΩ and 14.285 kΩ of loads. It generates
6.6 kV of output voltage and 76 mA of optimum current when it was loaded by 100 kΩ with 220 V of input voltage. When it was loaded by 14.285 kΩ with 220 V of input voltage, it also generates 6.1 kV of output voltage and 59.45 mA of optimum current. The insulated transformer was placed in the horizontally of EBM-latex pressure vessel that was filled SF6 gas with 6 bar of pressure.
Keywords : insulated transformer, focusing anode, three electrode electron source, latex-EBM
PENDAHULUAN
esin berkas elektron merupakan akselerator penghasil berkas elektron. Mesin berkas elektron dapat digunakan untuk iradiasi karet alam [1,2]. Di Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, Yogyakarta sebagai satu-satunya institusi akselerator di Indonesia sedang mengembangkan MBE untuk iradiasi karet alam. Proses pengembangannya telah sampai tahap peningkatan unjuk kerja khususnya arus berkas elektron.
Berkas elektron dihasilkan oleh sumber elektron tipe termionik menggunakan elektroda Pierce. Sumber elektron tipe termionik dengan elektroda Pierce,
mempunyai elektroda pembentuk berkas yang terdiri dari katoda dan anoda. Elektron dihasilkan oleh emisi
termionik dari filamen yang dialiri arus listrik. Selanjutnya emisi elektron dari filamen dibentuk menjadi berkas elektron oleh katoda dan anoda. Pada sumber elektron termionik dengan elektroda Pierce, katoda berfungsi untuk menolak/mendorong dan memfokuskan elektron hasil emisi termionik sehingga membentuk berkas elektron yang terfokus dan lurus hampir sejajar dengan sumbu berkas. Selanjutnya berkas elektron ini diekstraksi keluar dari sumber elektron melalui celah/slit pada anoda.
178 ISSN 0216-3128 Elin Nuraini, dkk yang hasus dipenuhi meliputi lintasan dan diameter
berkas elektron, energi dan sudut masuk berkas ke tabung pemercepat. Profil berkas elektron ini sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri katoda, anoda dan filamen serta medan listrik yang diberikan pada elektroda pembentuk berkas.
Pada umumnya tegangan AC digunakan untuk memanaskan filamen sumber ion [4]. Namun untuk meningkatkan efisiensinya, maka digunakan tegangan DC untuk memanaskan filamen tersebut [5]. Catu daya DC tersebut harus terisolasi terhadap tegangan pemercepatnya. Untuk itu dibutuhkan catu daya filamen sumber elektron berupa suatu transformator yang mampu menghasilkan tegangan keluaran 15 kV dengan arus beban 100 mA, serta pada operasinya antara kumparan primer dan sekunder harus terisolasi terhadap tegangan tinggi pemercepat sebesar 300 kV.
Trafo terisolasi ini akan ditempatkan pada suatu bejana tekan penyungkup sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton dan berisi gas SF6 sebagai medium isolator. Ilustrasi letak trafo terisolasi untuk MBE Lateks seperti diilustrasikan pada Gambar 1.
1 2 3 4
Transformator terisolir ini pada prinsipnya mendekati kinerja dari Insulated Core Transformer (ICT) [6]. Jenis isolator yang digunakan adalah teflon [7].
Pada perancangan transformator, parameter awal yang harus ditetapkan adalah kapasitas transformator yang dicirikan dengan daya primer (P1), daya sekunder
(P2), tegangan primer (V1) serta tegangan sekunder (V2),
sesuai kebutuhan pengguna atau sebagai kriteria rancangan. Daya primer transformator (P1) dihitung
menggunakan Pers. (1).
(1)
dengan adalah efisiensi transformator akibat timbulnya rugi-rugi pada saat kondisi operasi. Untuk arus kumparan primer (I1) dan arus kumparan sekunder (I2)
dapat ditentukan berdasarkan rumus Ohm seperti yang terlihat pada Pers. (2-3) [8]:
(2)
(3)
Selanjutnya untuk menentukan ukuran penampang kawat lilitan pada kumparan primer maupun sekunder dapat ditentukan dengan pendekatan rumus empiris sebagai berikut:
√ (4)
dengan adalah diameter kawat lilitan (mm) dan I arus yang melalui kawat lilitan (A). Untuk dimensi inti transformator dapat ditentukan menggunakan Pers. (5-7) [9]:
(5)
(
)
⁄ (6)(7)
dengan Apadalahluas penampang inti efektif yang diberi
lilitan koil (cm2), b sisi penampang memanjang inti transformator (cm), h adalah sisi penam pang melintang inti transformator (cm) dan P1 adalah daya input pada
kumparan primer (VA).
Untuk menentukan jumlah lilitan masing-masing koil transformator, terlebih dahulu ditentukan faktor lilitan/volt atau N/E. Dengan demikian jumlah lilitan (N)
diperoleh dari hasil kali besar tegangan kumparan (V)
dengan faktor lilitan N/E, sehingga dapat dihitung: Jumlah lilitan koil (N)
(8)
Faktor lilitan N/E dapat diturunkan dari persamaan pembangkitan tegangan seperti Per. (9-10).
Tegangan induksi pada koil:
Berdasarkan tipikal konstruksi transformator pada umumnya memiliki data-data: Bmax: 9000
(gauss/cm2), rugi-rugi inti: < 1 % Po, rugi-rugi total:1-3 % Po, efisiensi : 97-98 %. Dari Pers. (11) dengan frekuensi f: 50 Hz, Bmax: 9000 (gauss/cm2), maka faktor
lilitan dapat dirumuskan sebagai Pers. (12).
Elin Nuraini, dkk ISSN 0216-3128 179 Parameter isolasi transformator meliputi tebal
isolasi dan jarak kumparan primer-sekunder merupakan hal yang penting. Tebal isolasi dan jarak kumparan primer-sekunder dimaksudkan untuk mencegah terjadinya tegangan dadal maupun flashover berdasarkan konsep rancangan dasar dari transformator yang dimaksud ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2. Rancangan dasar transformator terisolasi tegangan tinggi 300 kV.
Untuk menentukan tebal isolasi dan jarak kumparan primer-sekunder ditentukan dengan Pers. (13-14). Tebal isolasi (t)
⁄ (13)
Jarak kumparan primer-sekunder (j)
⁄ (14)
dengan E adalah tegangan tinggi keluaran Cockcroft-Walton (300 kV), Sf angka keamanan dan Ebt batas
tegangan dadal bahan teflon yaitu 19,7 kV/mm[10]., sedangkan Ebs batas tegangan dadal dari gas SF6 yaitu 9,8
kV/mm[11]. TATA KERJA
Konstruksi Transformator
Konstruksi transformator yang dibuat berdasarkan spesifikasi teknis hasil rancangan detil dengan kriteria rancangan meliputi:
1. Input: 220 V-AC/50 Hz 2. Output: 15 kV-DC/100 mA
3. Bahan koker primer/sekunder: Teflon (PTFE) 4. Medium isolator: Gas SF6
5. Inti Trafo: Besi lunak (Fe-Si)
6. Trafo berada/ditempatkan pada bejana tekan penyungkup tegangan tinggi Cockcroft Walton
dengan keluaran tegangan 300 kV.
Berdasarkan dokumen hasil rancangan selanjutnya dilakukan pembuatan komponen utama trafo meliputi: koker primer dan koker sekunder, serta plat inti trafo.
Koker primer dan koker sekunder dibuat dari bahan Teflon (PTFE) dengan pertimbangan kuat dielektrikumnya tinggi, mudah dibentuk, serta mudah diperoleh di pasaran. Plat inti/kern trafo dibuat dari lapisan besi lunak (Fe-Si) setebal 0,5 mm dengan penampang 8 cm x 8 cm, dimana pembuatannya dilakukan dengan fasilitas mesin potong plat. Koker
primer dan koker sekunder dibuat dan dibentuk dengan fasilitas mesin bubut seperti ditampilkan pada Gambar 3.
Keterangan: (1) Inti/kern transformator (2) Kumparan primer ; (3) Kumparan sekunder.
Gambar 3. Dimensi transformator 15 kV/100 mA terisolasi tegangan tinggi 300 kV.
Setelah diperoleh koker primer maupun koker sekunder, selanjutnya dilakukan penggulungan kumparan primer dan sekunder, pemotongan plat trafo, pelapisan dan perakitan trafo seperti ditampilkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Dimensi transformator 15 kV/100 mA terisolasi tegangan tinggi 300 kV.
180 ISSN 0216-3128 Elin Nuraini, dkk Gambar 5. Penggulungan kumparan primer dan
kumparan sekunder, perakitan trafo terisolasi sampai uji fungsi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk mengetahui karakteristik unjuk kerjanya, dilakukan pengujian trafo terisolasi meliputi uji hubung buka, pengujian trafo dengan beban sesuai daya beban sebagai fungsi waktu, serta uji hubung singkat. Berdasarkan hasil pengujian akan dapat ditentukan kelayakan unjuk kerja dari trafo yang telah dibuat guna menunjang rancangbangun MBE Lateks. Hasil pengujian trafo terisolasi dapat dilihat pada Tabel 1 hingga Tabel 5.
Pembuatan trafo terisolasi ini mengacu pada spesifikasi teknis maupun gambar detil dari hasil perancangan berdasarkan kajian literatur dan analisis perhitungan trafo sedemikian hingga dapat diperoleh konstruksi trafo terisolasi sesuai yang diinginkan.
Pada trafo ini, pemilihan bahan koker sangat penting karena menyangkut aspek mekanik dan elektriknya (isolasi). Bahan teflon dipilih karena memiliki beberapa kelebihan yaitu memiliki kuat dielektrikum dan titik leleh yang tinggi, mudah dibentuk dan mudah diperoleh dipasaran [12].
Tabel 1. Data hasil pengujian trafo tanpa beban (Kumparan primer)
No. Tegangan Primer, (Volt) Arus primer, (Amper)
1. 10 0,3
2. 20 0,4
3. 30 0,5
4. 40 0,6
No. Tegangan Primer, (Volt) Arus primer, (Amper)
Elin Nuraini, dkk ISSN 0216-3128 181
Tabel 4. Data validasi hasil pegujian tegangan luaran dan arus pada R beban 14,285 kΩ, Vin= 220 volt.
Berdasarkan hasil pengujian tidak terlihat adanya kebocoran arus antara primer dan sekunder. Hal ini membuktikan penggunaan prespan sebagai isolasi antar lilitan sudah cukup baik untuk kondisi di udara [13].
Selain itu diperoleh karakteristik unjuk kerja trafo meliputi: efisiensi trafo pada beban mencapai 67 %, efisiensi ini relatif lebih baik dari efisiensi berdasarkan desain yaitu sebesar 65 %. Efisiensi ini berbeda dengan trafo tenaga biasa dimana nilainya sekitar 80% [14]. Hal ini karena pengaruh dari isolator (teflon) dengan ukuran
Pada kondisi berbeban penuh dengan tegangan primer 220 V dapat dihasilkan tegangan sekunder 6,6 kV dan arus beban optimum 76 mA, dengan temperatur inti trafo konstan pada 32 oC, rugi-rugi inti pada beban penuh 26,9 %, serta rugi-rugi kawat lilitan pada beban penuh 5,7 %, dimana trafo tersebut mampu dioperasikan kontinyu selama 1 jam. Hasil dilapangan jauh berbeda dengan desain awal yaitu 15 kV/100 mA. Hal ini disebabkan karena penambahan tebal gulungan kawat karena penggunaan isolasi menyebabkan keterbatasan jumlah lilitan yang semula direncanakan 9460 lilitan menjadi 6857 lilitan. Perubahan ini mengakibatkan tegangan dan arus sekunder lebih rendah dari desain awal. Disamping itu trafo yang dibuat masih memiliki kekurangan yaitu nilai voltage regulation (VR) masih tinggi yaitu diatas 10 %.
Sesuai data hasil pengujian, suhu inti trafo tanpa beban lebih rendah dibanding dengan yang di beri beban. Hal ini sudah sesuai dengan teori, karena suhu trafo dipengaruhi oleh adanya rugi-rugi yang terdisipasi. Pada saat tanpa beban suhu trafo hanya dipengaruhi oleh rugi inti yang sifatnya tetap, sedangkan pada saat berbeban suhu trafo dipengaruhi oleh rugi-rugi inti dan rugi lilitan kawat.
Berdasarkan hasil eksperimen untuk tegangan pemfokus sumber elektron tiga elektroda tegangan inputnya hanya butuh 5 kV [15], sehingga trafo terisolasi untuk catu daya sumber elektron yang dibuat bisa digunakan.
KESIMPULAN
182 ISSN 0216-3128 Elin Nuraini, dkk dan sekunder minimal 20 cm. Untuk mencegah tegangan
dadal maupun lucutan listrik yang dapat mengganggu kinerjanya, trafo terisolasi ini diletakkan pada bejana tekan berisi gas SF6 dengan tekanan sekitar 7 bar sebagai medium isolator.
Dari uji fungsi trafo terisolasi diperoleh karakteristik unjuk kerja trafo. Pada pengujian dengan beban 100 kΩ dengan tegangan primer 220 V dapat dihasilkan tegangan sekunder 6,6 kV arus beban optimum 76 mA. Pada beban 14,285 kΩ dengan tegangan primer 220 V, dihasilkan tegangan sekunder rata-rata 6,1 kV dan arus beban optimum rata-rata 59,45 mA (pengulangan 10 kali).
Berdasarkan hasil eksperimen, trafo terisolasi tersebut dapat digunakan sebagai pencatu tegangan pemfokus sumber elektron tiga elektroda yang hanya membutuhkan tegangan sebesar 5 kV.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Prof. Darsono, Suhartono, Rany Saptaaji, Sumaryadi dan anggota tim MBE lateks yang telah membantu penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] DARSONO, SAFIRUDIN, dan TOIFUR M., Simulasi desain perisai radiasi MBE-lateks menggunakan MCNP5. Jurnal Iptek Nuklir Ganendra vol. 16 No.2: 87-96, 2013.
[2] RIMJAEN S., KONGMON E., RHODES M.W., SAISUT J., dan THONGBAI C., Electron linear accelerator system for natural rubber vulcanization.
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B : 233-238, 2016.
[3] SUPRAPTO, PUDJORAHARDJO D.S., dan DJASIMAN, Rancangan dan konstruksi sumber elektron untuk mesin berkas elektron industri lateks.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, 2006.
[4] BARUAH S, SAHU G.K., THAKUR K.B.,
Detectors and Associated Equipment : 622, 2010. [5] LIGE Z., LEI Y., JUN Y., JIANG H., KAIFENG L.,
dan CHEN Z., Power supply design for the filament of the high-voltage electron accelerator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A : transformer high voltage power supply. Proceedings of RuPAC, St. Petersburg, Rusia : 623-625, 2016. [7] LEI C., dan JUN Y., Linear circuit model of the
three-phase insulated core transformer power supply.
IEEE Transaction on Nuclear Science vol. 63 No. 1 : 288-296, 2016.
[8] SALAM A., SANTOSO B., dan
SAEFURROCHMAN, Rancangan sistem catu daya
plasma iradiator elektron pulsa. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir : 21-29, 2015.
[9] SALAM A., SANTOSO B., dan
SAEFURROCHMAN, Rancangan sistem catu daya sumber elektron berbasis katoda plasma. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya vol.14 : 184-189, 2012. [10]XU X., JAYARAM S., dan BOGGS S.A., IEEE
Transaction, DEI-3: 836, 1996.
[11]SHUGG W.T., Shugg, Handbook of Electrical and Electronic Insulating Materials, Van Nostrand Reinhold, New York, 1986.
[12]SUTADI, SAEFURROCHMAN, dan SUPRAPTO, Rancangan transformator 625 VA terisolasi pada tegangan tinggi 300 kV untuk catu daya filamen sumber elektron MBE lateks. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya vol. 13 : 175 – 184, 2012.
[13]DARSONO, SAEFURROCHMAN, DARMAWAN R.S., dan SUHARTONO, Analisis desain dan uji kinerja STT-MBE basis trafo. Jurnal Iptek Nuklir Ganendra vol. 15 No.2 : 93-103, 2012.
[14]DARSONO, SUYAMTO, dan TAUFIK, Analisis efisiensi trafo frekuensi tinggi pada sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton MBE lateks. Jurnal Iptek Nuklir Ganendra vol. 17 No.2 : 101-110, 2014. [15]DARSONO, SUHARTONO, dan NURAINI E.,
Pengukuran bentuk profil berkas elektron dari sumber elektron tipe Pierce menggunakan sensor tabung TV bekas. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya, 2015.
TANYA JAWAB
Triyono
Parameter apa saja yang perlu diperhatikan dalam desain dan konstruksi transformator terisolasi, mohon penjelasan
Elin N
Yang perlu diperhatikan adalah kapasitas trafonya, ini dicirikan dengan daya primer dan sekundernya, tegangan primer dan sekundernya. Kemudian menentukan ukuran diameter kawat dan jumlah lilitan serta bahan yang digunakan
Suhardi M
Apa dasar pertimbangannya sehungga digunakan bahan teflon untuk komponen koker
Elin N
