analisa uji transformator 350 v/20 a untuk catu daya - Digilib

244
ISSN 0216 - 3128
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 55281
Email: [email protected]
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
B
erdasarkan hasil statistik yang dikeluarkan oleh
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 519.404 unit dan 433.551 unit,
sedangkan tahun 2009, produksi dan penjualan
domestik sepeda motor mencapai 5.884.021 buah dan
5.881.777 buah[1]. Dari statistik tersebut, kebutuhan
pasar akan komponen mesin menjadi makin
meningkat.
Untuk menjawab tantangan tersebut, PTAPBBATAN 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
Dengan pembentukan
lapisan nitrida logam[2].
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
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Saefurrochman, dkk.
ISSN 0216 - 3128
transformator 1 fasa adalah 350 V/20 A[5]. Skema
catu daya perangkat nitridasi plasma ditunjukkan
pada Gambar 1.
245
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
Gambar 1.
Skema catu daya perangkat nitridasi
plasma double chamber.
DASAR TEORI
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).
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]
Gambar 2. Rangkaian ekuivalen transformator.
Gambar 3. Penyederhanaan rangkaian ekuivalen transformator.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
246
ISSN 0216 - 3128
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].
TATA KERJA
Spesifikasi Transformator Perangkat
Nitridasi Plasma Double Chamber.
(7)
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.
(8)
Uji Kemampuan Isolasi
(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.
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Saefurrochman., dkk.
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 0 – 220 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.
Parameter
Lambang/Notasi
Daya primer tiap trafo
P pf
Daya sekunder tiap trafo
P sf
Tegangan sekunder tiap trafo
V sf
Tegangan primer tiap trafo
V pf
Arus sekunder tiap trafo
I sf
Arus primer tiap trafo
I pf
Lilitan per volt
N/E
Jumlah lilitan primer per trafo
Np
Jumlah lilitan sekunder per trafo
Ns
Nilai
8,33 kVA
6,67 kVA
350 V
220 V
20 A
38 A
0,29 lilit/V
59
93
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Saefurrochman, dkk.
ISSN 0216 - 3128
247
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 + 0.128 dengan R2=1, sedangkan persamaan
untuk hasil hitung adalah y = 1,576x – 3e-14 dengan
R2=1. Hal ini menunjukkan bahwa transformator
yang dibuat telah sesuai dengan spesifikasi teknis
hasil desain yaitu 350 V.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
248
ISSN 0216 - 3128
Saefurrochman., dkk.
Tabel 2. Hasil uji kemampuan isolasi transformator 350 V/20 A.
Waktu
(menit)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Hasil Pengukuran
Tegangan Isolasi (kV)
Arus Bocor (A)
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
3
0
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 R2=1. Hal ini
menunjukkan bahwa transformator yang dibuat telah
sesuai dengan spesifikasi teknis hasil desain yaitu 20
A.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
Saefurrochman, dkk.
ISSN 0216 - 3128
Parameter
249
Tabel 3. Parameter transformator.
Notasi
Nilai
Resistansi core loss
r e+h
276,57
Ω
Reaktansi core loss
xm
244,86
Ω
Arus exciting
Ie
1,2
A
Arus magnetisasi
Im
0,9
A
Resistansi lilitan primer
r1
0,175
Ω
Resistansi lilitan sekunder
r2
0,43
Ω
Reaktansi lilitan primer
x1
0,07
Ω
Reaktansi lilitan sekunder
x2
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 R2=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
http://www.aisi.or.id pada tanggal 11 Januari.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011
250
ISSN 0216 - 3128
2.
ANONIM, ”Plasma Diffusion Process”, diakses
pada http://www.plasmaindia.com pada tanggal
28 Januari 2009.
3.
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., dkk.
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.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2011
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 19 Juli 2011