Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 RANCANGAN TRANSFORMATOR 625 VA TERISOLASI PADA TEGANGAN TINGGI 300 KV UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, Saefurrochman, Suprapto Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB) - BATAN Jln. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb Yogyakarta 55281 Email : s_romansky@yahoo.com, praptowh@batan.go.id ABSTRAK UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS. Telah dilakukan perancangan transformator 625 VA yang terisolasi pada tegangan tinggi 300 kv yang akan digunakan sebagai catu daya filamen pada sumber elektron MBE Lateks. Perancangan dilakukan berdasarkan hasil kajian bahan isolasi dan analisis hasil perhitungan untuk menentukan dimensi transformator, sehingga diperoleh spesifikasi teknis dari suatu transformator dengan masukan tegangan PLN 220 V-AC dan mampu menghasilkan keluaran tegangan listrik 25 V-AC dengan arus 25 A, dimana inti transformator ini harus terisolasi terhadap tegangan tinggi 300 kv. Berdasarkan hasil rancangan diperoleh spesifikasi teknis dari suatu transformator terisolasi 300 kv meliputi: daya 625 VA, tegangan primer/sekunder 220 V/25 V, kumparan primer 261 lilit menggunakan kawat email berdiameter 2 mm, dan kumparan sekunder 33 lilitan menggunakan kawat email ukuran diameter 4 mm, penampang inti 6,5 cm x 6,5 cm, jarak antara kumparan primer dan kumparan sekunder 10 cm, serta sebagai isolator digunakan bahan teflon dengan tebal masing-masing 1 cm untuk kumparan primer dan 4 cm untuk kumparan sekunder. Hasil rancangan ini berguna sebagai acuan pada konstruksi dan pembuatan transformator terisolasi tegangan tinggi lebih lanjut guna menunjang rancangbangun MBE Lateks di PTAPB-BATAN. Kata kunci : Transformator 625 VA, MBE Lateks. ABSTRACT DESIGN OF 625 VA TRANSFORMER WHICH INSULATED IN THE 300 kv HIGH VOLTAGE FOR FILAMENT ELECTRON GUN POWER SUPPLY OF THE LATEX ELECTRON BEAM MACHINE. Design of 625 VA transformer which insulated in the 300 kv high voltage for filament electron gun power supply of the latex electron beam machine (EBM) has been done. This design based on the learn results of the insulation material and calculation analysis for determined the dimension of transformer so that be obtained the technical specification of a transformer with 220 V-AC of input and able to give 25 V AC with 25 ampere of output, where this transformer must be insulated of 300 kv high voltage. Based on the design result can be obtained the technical specification of the insulated transformer enclose: 625 VA of power output, 220 V/25 A of primary/secondary voltage, primary coil used 2 mm diameter of wire with 261 wind, and secondary coil used 5 mm diameter of wire with 33 wind, the core area is 6,5 cm x 6,5 cm, the distance between primary coil and secondary coil was about 10 cm, and as the insulation material was used the PTFE with the thickness about 1 cm for primary coil and 4 cm for secondary coil respectively. This design was usage for the construction reference of the insulated transformer for support the design and construction of the Latex EBM at PTAPB- BATAN. Keywords : 625 VA transformer, Latex EBM. PENDAHULUAN alam rangka menunjang program Drancangbangun MBE untuk vulkanisasi lateks dibutuhkan catu daya filamen sumber elektron berupa suatu transformator yang mampu menghasilkan tegangan keluaran 25 V-AC dengan arus beban 25 A, serta pada operasinya kumparan primer dan sekunder harus terisolasi terhadap tegangan tinggi pemercepat 300 kv. Sebagai langkah awal perlu dilakukan pembuatan rancangan dari transformator terisolasi yang mampu dioperasikan pada lokasi dengan medan listrik bertegangan tinggi (300 kv) guna mendukung rancangbangun MBE untuk vulkanisasi lateks. Adapun transformator terisolasi ini akan ditempatkan pada suatu bejana tekan penyungkup UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, dkk 175
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton dan berisi gas SF6 sebagai medium isolator. Ilustrasi letak transformator terisolasi untuk MBE Lateks seperti dilukiskan pada Gambar 1. Perancangan transformator terisolasi ini didasarkan pada kebutuhan operasi filamen sumber elektron MBE untuk vulkanisasi lateks yaitu mampu menghasilkan tegangan keluaran 25 V-AC dan arus beban 25 A dimana menggunakan catu daya listrik 220 V-AC dari PLN pada kumparan primer yang diatur melalui variak. Pada operasinya salah satu ujung kawat kumparan sekunder transformator diparalel dengan kawat penghantar tegangan pemercepat yang dihasilkan oleh sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton, maka transformator ini harus dirancang terisolasi terhadap tegangan tinggi sebesar tegangan pemercepat yaitu 300 kv terutama pada kumparan sekunder. Adapun instalasi listrik hubungan antara transformator terisolasi dengan sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton ditunjukkan pada Gambar 2. Pada perancangan transformator terisolasi ini, dilakukan kajian dan analisis pemilihan bahan isolator tegangan tinggi serta perhitungan untuk menentukan dimensi komponen transformator sedemikian rupa sehingga dapat diperoleh spesifikasi teknis transformator terisolasi tegangan tinggi 300 kv dengan keluaran tegangan AC 25 V dan arus beban 25 A. Gambar 1. Tata letak posisi transformator terisolasi pada bejana tekan penyungkup sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton untuk MBE Lateks. Gambar 2. Instalasi listrik hubungan antara transformator terisolasi dan sumber tegangan tinggi Cockcroft Walton pada MBE Lateks. 176 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 175-184
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 DASAR TEORI Pada perancangan transformator, parameter awal yang harus ditetapkan adalah kapasitas transformator yang dicirikan dengan daya primer (P 1 ) sekunder (P 2 ), tegangan primer (V 1 ) serta tegangan sekunder (V 2 ), sesuai kebutuhan pengguna atau sebagai kriteria rancangan. Daya primer transformator (P 1 ) dihitung menggunakan persamaan (1). P2 P 1 = (1) η dengan η adalah efisiensi transformator akibat timbulnya rugi-rugi dalam kerja transformator. Untuk arus kumparan primer (I 1 ) dan arus kumparan sekunder (I 2 ) dapat ditentukan berdasarkan rumus Ohm berikut [1] : P 1 I 1 = (2) V1 P 2 I 2 = (3) V2 Selanjutnya untuk menentukan ukuran penampang kawat lilitan pada kumparan primer maupun sekunder dapat ditentukan dengan pendekatan rumus empiris sebagai berikut [2] : = 0,7. I (4) dengan adalah diameter kawat lilitan (mm) dan I adalah arus yang melalui kawat lilitan (A). Untuk dimensi inti transformator dapat ditentukan menurut rumus empiris sebagai berikut [2] : A p = b. h 5) 1/ 3 1,5 P1 b = (6) 9,9 b h = (7) 0,6561 dengan A p adalah luas penampang inti efektif yang diberi lilitan koil (cm 2 ), b adalah sisi penampang memanjang inti transformator (cm), h adalah sisi penampang melintang inti transformator (cm) dan P 1 adalah daya input pada kumparan primer (VA). Untuk menentukan jumlah lilitan masingmasing 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) N = V.N/E (8) Faktor lilitan N/E dapat diturunkan dari persamaan pembangkitan tegangan berikut [1] : Tegangan induksi pada koil E = 4,44. f. N. Φ max (9) Fluksi magnet maksimum Φ max = B max.a (10) sehingga tegangan induksi (E) adalah: E = 4,44. f. N. B max. A.10-8 (11) dengan E adalah tegangan induksi yang dibangkitkan (V rms ), f frekuensi (Hz), N jumlah lilitan, Φ max fluks maksimum (weber), B max kerapatan fluks maksimum (gauss/cm 2 ) dan A penampang inti (cm 2 ). Berdasarkan tipikal konstruksi transformator pada umumnya memiliki data-data [1] : B max : ± 9000 (gauss/cm 2 ), rugi-rugi inti: < 1 % Po, rugi-rugi total:1-3 % Po, efisiensi : 97-98 %. Dari persamaan (11) dengan frekuensi f: 50 Hz, B max : 9000 (gauss/cm 2 ), faktor N/E dapat dirumuskan sebagai berikut: Faktor lilitan (N/E) N 50 = (12) E A 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 3. Tebal isolasi (t) t = E. S f / E bt (13) Jarak kumparan primer-sekunder (j) j = E. S f / E bs (14) dengan E adalah tegangan tinggi keluaran Cockcroft Walton (300 kv), S f angka faktor keamanan dan E bt batas tegangan dadal bahan teflon yaitu 600 UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, dkk 177
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 kv/cm [4]., sedangkan E bs batas tegangan dadal dari gas SF 6 yaitu 590 kv/cm [4]. Gambar 3. TATA KERJA Konsep rancangan dasar transformator terisolasi tegangan tinggi 300 kv. Untuk menentukan tebal isolasi dan jarak kumparan primer-sekunder ditentukan dengan persamaan (13) dan (14) [3]. Kriteria rancangan Terdapat beberapa kriteria dalam perancangan transformator 625 VA yang terisolasi terhadap tegangan tinggi 300 kv antara lain: 1. Input: 220 V-AC/50 Hz 2. Output: 25 V-AC/25 A 3. Bahan koker primer/sekunder: Teflon (PTFE) 4. Medium isolator: Gas SF6 5. Inti Transformator : Besi lunak (Fe-Si) 6. Transformator berada/ditempatkan pada bejana tekan penyungkup tegangan tinggi Cockcroft Walton dengan keluaran tegangan 300 kv. Pemilihan bahan koker Untuk koker, baik primer maupun sekunder dipilih material teflon (PTFE). Adapun pertimbangannya adalah: 1. Titik leleh cukup tinggi : ± 260 o C 2. Kuat dielektrikum: 600 kv/cm, hal ini dapat dilihat pada Tabel 1. 3. Mudah dikerjakan/dibentuk 4. Mudah diperoleh di pasaran Pemilihan bahan medium isolator Gas SF6 dipilih sebagai medium isolator pada operasi kerja transformator terisolasi dengan pertimbangan: 1. Tidak mudah terbakar. 2. Kuat dielektrikum cukup tinggi: 590 kv/cm pada tekanan 100 Psi seperti ditunjukkan pada Gambar 4 [3]. 3. Mudah diperoleh dipasaran. Tabel 1. Data kuat dielektrikum beberapa material isolator tegangan tinggi [4]. Material Kuat Dielektrikum (MV/m) Helium 0.15 Alumina 13,4 Kaca 9,8 13,8 Olie mineral 10-15 Bensin 16 Polyethylene 18,9 21,7 Silica 25-40 Kertas prispan 40-60 Teflon (PTFE) 60 Mika 20-70 Perhitungan parameter transformator Parameter-parameter transformator yang akan dihitung meliputi: penentuan daya primer dan sekunder, penentuan dimensi kawat lilitan, penentuan ukuran inti transformator, penentuan jumlah lilitan primer dan sekunder, serta penentuan tebal dan jarak isolasi. Perhitungan tersebut didasarkan pada persamaan (1) hingga persamaan (14). Untuk melakukan perhitungan tersebut dibutuhkan beberapa asumsi antara lain: 178 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 175-184
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 1. Efisiensi transformator adalah 60% dengan pertimbangan: a. Tebal minimal koker sekunder adalah 4 cm, untuk mengantisipasi terjadinya tegangan dadal bahan koker (teflon) dengan faktor keamanan 8. b. Jarak minimal kumparan primer terhadap sekunder adalah 10 cm, untuk mencegah terjadinya flashover pada saat transformator dioperasikan dengan gas SF6 sebagai medium isolator. 2. Untuk menentukan tebal isolasi ditetapkan angka faktor keamanan bahan teflon adalah 8 kali. 3. Untuk menentukan jarak isolasi ditetapkan angka faktor keamanan gas SF6 sebesar 10 kali. Gambar 4. Gradien tegangan dadal beberapa jenis gas sebagai fungsi tekanan. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan memasukkan parameter tegangan dan arus catu daya filamen sumber elektron MBE Lateks sebesar 25 V dan 25 A ke dalam persamaan (1), (2) dan (3) serta sisi primer transformator dihubungkan dengan tegangan jala-jala PLN, maka didapatkan daya beban, daya masukan dan arus primer dari filamen sumber elektron MBE Lateks masingmasing 625 VA, 1042 VA dan 4,736 A. Untuk menghitung diameter kawat lilitan digunakan persamaan (4) dan diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Diameter kawat kumparan primer dengan arus 4,736 A, 1 = 0,7. 4,736 = 1,523 mm. Nilai tersebut dibulatkan ke atas menjadi 1 = 2 mm 2. Dimensi kawat kumparan sekunder dengan arus 25 A, 2 = 0,7. 25 = 3,5 mm. Nilai tersebut dibulatkan ke atas menjadi 2 = 4 mm Hasil perhitungan parameter transformator Adapun pembulatan ke atas pada dimensi kawat bertujuan menunjang keamanan dan keandalan karena meningkatkan kapasitas arus dan menurunkan nilai resistansinya. Ukuran penampang inti transformator dapat ditentukan berdasarkan daya primer P 1. Dengan memasukkan parameter P 1 ke dalam persamaan (5) hingga (7), maka diperoleh hasil sebagai berikut: sisi penampang memanjang inti (b) = 5,41 cm, sisi penampang melintang inti (h) = 8,25 cm dan luas penampang inti (A) = 44,6325 cm 2. Berdasarkan pertimbangan teknis yaitu untuk mempermudah dalam pemotongan inti agar sesuai dengan ukuran bahan koker dari teflon maka ditetapkan ukuran penampang b = 6,5 cm dan h = 6,5 cm, sehingga diperoleh luas penampang inti transformator A = 42,25 cm 2. Karena luas penampang inti transformator dibuat lebih kecil dari hasil perhitungan maka harus dikompensasikan dengan jumlah lilitan per volt untuk masing-masing UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, dkk 179
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 kumparan yaitu perhitungan lilitan per volt harus didasarkan pada penampang inti transformator yang digunakan. Untuk menghitung jumlah lilitan kumparan transformator, terlebih dahulu ditentukan faktor lilitan (N/E). Faktor lilitan (N/E) pada persamaan (12) berasal dari substitusi persamaan (8) hingga (11). Dengan memasukkan luas penampang inti sebesar 42,25 cm 2, maka nilai faktor lilitan (N/E) adalah 1,18343 lilit/volt, sehingga dapat ditentukan jumlah lilitan primer dan sekunder, yaitu: -Jumlah lilitan primer N 1 = 220. 1,1834 = 260,5 = 261 lilitan, -Jumlah lilitan sekunder N 2 = 25. 1,18343 = 32,5 = 33 lilitan. Penentuan tebal dan jarak isolasi transformator seperti yang terlihat pada persamaan (13) dan (14), memiliki rumus yang sama. Namun yang membedakan hanya angka faktor keamanan dan tegangan dadal dari bahan. Untuk menentukan tebal minimal isolasi pada kumparan sekunder dibutuhkan faktor keamanan 8 dan diharapkan mampu mengisolasi dan mencegah terjadinya tegangan dadal saat transformator dioperasikan dimana kumparan sekunder dihubungkan langsung dengan tegangan tinggi 300 kv, sehingga diperoleh tebal minimal 4 cm. Jarak antara kumparan sekunder terhadap inti transformator maupun kumparan primer diisi gas SF6 sebagai medium isolator untuk mencegah terjadinya tegangan dadal maupun flashover saat transformator dioperasikan pada medan listrik bertegangan tinggi 300 kv. Sesuai hasil rancangan jarak isolasi ditetapkan 10 cm dengan angka faktor keamanan dinaikkan menjadi 18. Spesifikasi teknis transformator Setelah dilakukan perhitungan berdasarkan literatur dan asumsi yang diambil dalam perancangan, dapat ditentukan spesifikasi teknis dari transformator 625 VA yang terisolasi tegangan 300 kv dan tersaji pada Tabel 2. Dimensi transformator Berdasarkan perhitungan dan spesifikasi teknis, maka dapat ditentukan dimensi dari transformator 625 VA yang terisolasi tegangan 300 kv. Adapun dimensi transformator 625 VA terisolasi tegangan tinggi 300 kv untuk filamen sumber elektron MBE ditunjukkan pada Gambar 5. Untuk menjelaskan dimensi tersebut, perlu dibuat gambar teknis rancangan sebagai dokumen pada pelaksanaan konstruksi/pembuatan lebih lanjut. Adapun gambar teknis secara detil ditunjukkan pada lampiran (Gambar 6, 7 dan 8. Tabel 2. Spesifikasi teknis transformator 625 VA terisolasi tegangan 300 kv. Komponen Spesifikasi Bahan/Keterangan Kapasitas Transformator 220V/25V-25 A/AC-50 HZ Efisiensi transformator ± 60 % Inti/Kern Penampang 6,5 cm x 6,5 cm x panjang 28 cm Koker Primer Ø 14 cm x tinggi 21,5 cm Teflon (PTFE) Koker Sekunder Ø 20 cm x tinggi 21,5 cm Teflon (PTFE) Kumparan Primer 261 Lilitan Email Ø 2 mm Kumparan Sekunder 33 Lilitan Email Ø 4 mm Medium Isolator Gas bertekanan ± 100 Psi Gas SF6 Lapisan Fe-Si setebal 0,5 mm 180 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 175-184
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 Keterangan : (1) Inti/kern transformator, (2) Kumparan primer, (3) Kumparan sekunder. Gambar 5. Dimensi transformator 625 VA terisolasi tegangan tinggi 300 kv. KESIMPULAN Berdasarkan hasil perancangan diperoleh spesifikasi teknis transformator 625 VA yang terisolasi terhadap tegangan tinggi 300 kv untuk catu daya filamen sumber elektron pada MBE lateks meliputi: daya 625 VA, tegangan primer/sekunder 220 V/25 V, kumparan primer 261 lilit menggunakan kawat email berdiameter 2 mm, dan kumparan sekunder 33 lilitan menggunakan kawat email ukuran diameter 4 mm, serta penampang inti besi 6,5 cm x 6,5 cm. Hasil rancangan ini berguna sebagai acuan pada konstruksi dan pembuatan transformator lebih lanjut, guna menunjang program rancangbangun MBE untuk iradiasi lateks di PTAPB-BATAN. DAFTAR PUSTAKA 1. CHESTER L. DAWES., Electrical Engineering, McGraw-Hill Book Company, Tokyo, 1982. 2. Majalah ELEKTRON No.14, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 1984. 3. J.D. CRAGGS., High Voltage Laboratory Technique, Butterworth & CO.Ltd., Toronto, 1967. 4. www.wikipedia.com, Dielectric Strength, diunduh tanggal 4 Februari 2011. TANYA JAWAB Budi Santosa 1. Berapa % ripple yang terjadi pada rangkaian tersebut? 2. Seberapa jauh pengaruh ripple terhadap berkas MBE? Sutadi 1. Transformator 625 V bekerja pada daerah AC sehingga tidak ada ripple yang terjadi. 2. Tidak ada pengaruh ripple terhadap berkas MBE karena transformator tersebut bekerja pada daerah AC sehingga tidak ada ripple. UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, dkk 181
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 LAMPIRAN Gambar 6. Rancangan detil inti transformator 625 VA terisolasi tegangan 300 kv. 182 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 175-184
Volume 13, Januari 2012 ISSN 1411-1349 Gambar 7. Rancangan detil koker primer transformator 625 VA terisolasi tegangan 300 kv. UNTUK CATU DAYA FILAMEN SUMBER ELEKTRON MBE LATEKS Sutadi, dkk 183
ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012 Gambar 8. Rancangan detil koker sekunder transformator 625 VA terisolasi tegangan 300 kv. 184 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 175-184