SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII …papers.sttn-batan.ac.id/prosiding/2011/E1.pdf · Jl....

SEMINAR NASIONAL

SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII

YOGYAKARTA, 16 NOVEMBER 2011

ISSN 1978-0176

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 334 Yadi Yunus dkk

RANCANGAN AWAL TRAFO TEGANGAN TINGGI UNTUK CATU

DAYA PEMERCEPAT SUMBER ELEKTRON BERBASIS KATODA

PLASMA

Yadi Yunus1)

, Suyamto2)

(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

Keywords:Preliminary dsign, high voltage transformer, elecron accelerator.

SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176

Yadi Yunus dkk 335 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

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

http://adf.ly/176874/http:/id.wikipedia.org/w/index.php?title=Induksi&action=edit&redlink=1

http://adf.ly/176874/http:/id.wikipedia.org/w/index.php?title=Induksi&action=edit&redlink=1

http://adf.ly/176874/http:/id.wikipedia.org/w/index.php?title=Fluks_magnet&action=edit&redlink=1



SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


mmp H

D

L C

D-

R

magnetbolak-balik yang terjadi yang rumusannya

seperti persamaan berikut,

810..44,4

NfE (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

81044,4

fN

E

tV baik untuk sisi primer

maupun sekunder. Vtjuga dapat dituliskan

NI

ampervolt

NI

EI

N

E

tV

, sehingga

ampervoltC

EIC

tV

EI

NI

f

NI

EIftV

11

810

44,481044,4

2

(2)

dengan f

NIC

44,4

810

dan

EI 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- 𝑤

𝑃:𝑤 (3),

Dan rugi daya total sebagai,

w= 1;𝜂

𝜂× 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;𝜂

𝜂)P (5).

Kemudian jika,

ηn = efisiensi ketika beban n × P,

nP = daya output saat itu,

n2Pcu= rugi daya tembaga,

wn= rugi daya total ketika daya output nP,

maka, wn = (n2Pcu+Pcr) = (

1:𝜂𝑛

𝜂𝑛)nP (6),

dandengan mengurangkan (6) dengan (5) maka

diperoleh,

w - wn = Pcu - n2Pcu (7),

maka : rugi daya tembaga saat beban penuhadalah,

Pcu = 𝑤 ; 𝑤𝑛

(1;𝑛2) (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

fS

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(𝑁𝑠×𝑆𝑓)

0,35× ∆ (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

mak44,4

810

StmakB

makiA

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

Gambar 1 Bukaan jendela trafo jenis core type.


SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


rerata mmp ( LФ ) juga dapat dihitung,

RLRDHL 222 .(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 =√8500

60 = 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

kVfS

30

10= 10/(30 +170) = 0,05 dan dengan

diambil Ira = 1.100 A/inchi2, maka

100.1035,0

)05,0480.110(2

DH = 286,961 inc

2,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

28,99,083000

610693,0

grossA inc

2

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

berikut,

SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


Penampang kawat kumparan total

=

fl

Is

N

2

100.1

05,0480.1102 = 10,044 inc

2

dan 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/10

3ft, 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 ρs = 190 Ω/10

3ft, 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.

Sehingga berat total kawat tembaga : 80,294 lb =

SEMINAR NASIONAL



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

605,234

755,234×

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 ∆2/10

6 watt/lb.

Jika berat total kawat tembaga = 90,274 lb maka

hilang daya total pada kawat kumparan adalah

2,57.(1.100)2/10

6 ×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

)41,1362

(86,163)8500(

)41,1362

(86,1631

nn

n

Dengan memasukkan nilai n, maka

)41,1362

25,1(86,163)850025,1(

)41,1362

25,1(86,163125,1

= 0,9657

)41,1362

186,163(850025,1

41,1362

186,1631

= 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,

..

cuP

crP

flKVAmakefKVA

Maka besarnya efisiensi maksimum terjadi pada saat

trafo dibebani sebesar 8.500 ×√163,86

136,41

= 9.316,06 VA, terlihat trafo mampu dibebani

lebih besar dari yang direncanakan 8500 VA, dan

efisiensi maksimumnya,

ηmak= 1 – 163,86:163,86

9316,06:(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,

SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


ηall-day = 1 – (163,86×24):(136,41×4)

8500×24:(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 = 100500.8

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 ×1104802 × 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/inc20

C. Maka luas

permukaan total tangki untuk pendinginan tidak

boleh kurang dari,

S = 300,265

0,005 ×40 = 1501,325 ≈ 1.550 inc

2.

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 = 300,265

0,005 × 3547,5 = 16,93

0C

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.

SEMINAR NASIONAL



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 High

Voltage, 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).

SEMINAR NASIONAL



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 68

25

90

54 74

27

5

SEMINAR NASIONAL



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

SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


Tabel 1. Data Kawat untuk kumparan skunder

SEMINAR NASIONAL



ISSN 1978-0176


Tabel 2. Data Kawat untuk kumparan primer

SEMINAR NASIONAL



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 %

Kenaikan suhu pada beban penuh 19,24 oC

SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII …papers.sttn-batan.ac.id/prosiding/2011/E1.pdf · Jl....

Documents

Transcript of SEMINAR NASIONAL SDM TEKNOLOGI NUKLIR VII …papers.sttn-batan.ac.id/prosiding/2011/E1.pdf · Jl....