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

Transkripsi

1 244 ISSN Saefurrochman., dkk. 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 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 B 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 unit dan unit, sedangkan tahun 2009, produksi dan penjualan domestik sepeda motor mencapai buah dan 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 ionion 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 Saefurrochman, dkk. ISSN transformator 1 fasa adalah 350 V/20 A [5]. Skema catu daya perangkat nitridasi plasma ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. DASAR TEORI Skema catu daya perangkat nitridasi plasma double chamber. 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 r e+h dan r m, serta arus magnetisasi (I m ) dan arus exciting (I e ). Perhitungan parameterparameter tersebut dapat dilakukan menggunakan persamaan (1) sampai (6) [6] (1) (2) (3) (4) (5) (6) Gambar 2. Rangkaian ekuivalen transformator. Gambar 3. Penyederhanaan rangkaian ekuivalen transformator.

3 246 ISSN Saefurrochman., dkk. dengan, P oc, V oc dan I oc 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 P sc, V sc, I sc adalah daya, tegangan dan arus rangkaian hubung singkat, r 1 resistansi lilitan primer, r 2 resistansi lilitan sekunder, x 1 reaktansi lilitan primer dan x 2 adalah reaktansi lilitan sekunder. Efisiensi Transformator Efisiensi transformator menunjukkan kemampuan 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, P out adalah daya keluaran transformator, P Fe daya hilang inti, dan P Cu daya hilang tembaga. TATA KERJA Spesifikasi Transformator Perangkat Nitridasi Plasma Double Chamber. Langkah awal dalam menguji transformator adalah mengetahui spesifikasi teknis dari transformator 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 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 P pf 8,33 kva 2. Daya sekunder tiap trafo P sf 6,67 kva 3. Tegangan sekunder tiap trafo V sf 350 V 4. Tegangan primer tiap trafo V pf 220 V 5. Arus sekunder tiap trafo I sf 20 A 6. Arus primer tiap trafo I pf 38 A 7. Lilitan per volt N/E 0,29 lilit/v 8. Jumlah lilitan primer per trafo N p Jumlah lilitan sekunder per trafo N s 93

4 Saefurrochman, dkk. ISSN 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 parameterparameter 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 dengan R 2 =1, sedangkan persamaan untuk hasil hitung adalah y = 1,576x 3e-14 dengan R 2 =1. Hal ini menunjukkan bahwa transformator yang dibuat telah sesuai dengan spesifikasi teknis hasil desain yaitu 350 V.

5 248 ISSN Saefurrochman., dkk. Tabel 2. Hasil uji kemampuan isolasi transformator 350 V/20 A. Waktu Hasil Pengukuran (menit) Tegangan Isolasi (kv) Arus Bocor (A) 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 masingmasing 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 R 2 =1. Hal ini menunjukkan bahwa transformator yang dibuat telah sesuai dengan spesifikasi teknis hasil desain yaitu 20 A.

6 Saefurrochman, dkk. ISSN Tabel 3. Parameter transformator. Parameter Notasi Nilai Resistansi core loss r e+h 276,57 Ω Reaktansi core loss x m 244,86 Ω Arus exciting I e 1,2 A Arus magnetisasi I m 0,9 A Resistansi lilitan primer r 1 0,175 Ω Resistansi lilitan sekunder r 2 0,43 Ω Reaktansi lilitan primer x 1 0,07 Ω Reaktansi lilitan sekunder x 2 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 masingmasing 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 R 2 =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 Wholesales Domestic and Exports, diakses di pada tanggal 11 Januari.

7 250 ISSN Saefurrochman., dkk. 2. ANONIM, Plasma Diffusion Process, diakses pada pada tanggal 28 Januari 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.